医院制氧机余热回收系统及其控制系统设计

引言

随着医学工程技术的发展，制氧机因其制氧和供氧方式安全、方便、经济等优势[1]逐渐成为医院中心供氧的主要方式。但在工作过程中，制氧空气压缩机高达85%的输入功率转化为热量通过自身冷却系统排放出去[2]。如果对这些余热进行回收利用既能实现医院节能减排又能提高设备工作效率和延长使用寿命。连续工作的特性使得制氧机具有稳定热源供应，本文以制氧机组中常用的喷油式螺杆空气压缩机为例进行余热回收的研究和探讨。

1 余热回收方案设计

在制氧机组正常工作时，制氧空气压缩机螺杆高速旋转压缩空气，压缩腔产生大量热量，经润滑油带出，高温高压的润滑油通过油路进入冷却器，热量散发，润滑油再次进入压缩腔进行下一个循环。润滑油循环过程中携带了设备大部分余热[3]，因此从润滑油入手，把换热器接入制氧空压机润滑油管路中，使高温高压润滑油在进入自身冷却器前先进入换热器进行热交换，把润滑油中蕴含的热量转移到水中，完成制氧空压机散热和余热回收。制氧空压机余热回收示意图，见图1。

在换热器热源入口和出口分别设置温控阀，第一个温控阀用于控制润滑油是否进行热交换以保证压缩机正常工作所需的油温，当油温高于设定温度时通过换热器后回到转子，否则通过旁路直接回到转子。第二个温控阀是设备原有的配件，用于控制润滑油是否进入压缩机自身冷却器进行冷却，油温高于设定温度时进入冷却器冷却后再进入转子，否则直接进入转子[4]。热回收系统与空压机自身冷却系统相互独立又相互支持，确保了制氧压缩机运行不受余热回收系统影响。

2 PID控制方案设计

制氧机余热回收改造的前提是不影响制氧机正常工作，需要合理的控制润滑油温度[5]，因此把换热后的润滑油温度作为控制变量，通过改变热交换器冷媒循环水的流量，来调节热交换器出口润滑油的温度，并使其稳定在设定值附近。

考虑到流量调节阀传递滞后，效率低，不利节能等因素，本方案选择节能低耗、调节平衡、运行可靠[6]的变频器控制方案来调整循环水的流量。

2.1 串级控制系统设计

由于串级控制对系统的动态性能和抗扰动能力比单回路系统的控制质量更高[7]，为了抑制系统控制过程中多种扰动因素，提高系统的控制质量，本系统采用换润滑油温度调节和冷媒循环水流量调节的串级闭环控制系统，系统原理图，见图2。

系统具有两个闭环回路，串联连接。系统中主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，主调节器输出值作为副调节器给定值，副调节器输出去控制执行元件变频器[8]，与单回路控制系统相比，串级控制系统中增加了一个包括二次扰动的副回路，从而具备了克服一、二次扰动的能力，改善了被控过程的动态特性和提高了对回路参数变化的适应能力[9]。

2.2 PID控制器设计

串级系统中主、副控制器均采用PID算法，PID控制由比例（P）、积分（I）和微分（D）单元组成，其数学表达式如下：

PID控制中，比例作用是按比例反应系统偏差，偏差一产生，立即产生调节作用，以减小偏差；积分作用可以消除静差，提高控制精度；微分作用有助于减少超调，克服震荡，提高稳定性[10-11]。P、I、D在一起使用时互相制约和互相弥补，只有合理的结合和选定参数Kc、Ti、Td，才能改善系统的静态和动态特性，达到最优的控制效果。

制氧机余热回收串级控制系统中，主被控参数润滑油出口温度关乎制氧压缩机能否正常工作，控制要求较高，又热交换串级控制系统有较大容量滞后，因此主控制器选择PID调节；副控制器一般要求不严格，容许有一定范围的偏差和波动，所以副控制器选择P调节。

PID控制参数的整定值不是唯一的，只要被控对象的指标达到要求即可[9]。本系统参数先参照工程经验值进行简单确定，再在系统运行中采用工程整定方法进一步调整以达到最理想的控制效果。

3 控制系统硬件设计

系统硬件主要由PLC控制器、温度传感器、流量传感器、液位传感器、变频器、电磁阀、触摸屏等组成，硬件系统图，见图3。

PLC采用S7-200系列控制器，是控制核心，具有较强的数据处理能力和通讯能力[9]，负责对各参数进行采集和运算处理并对各执行元件下达动作指令，并承担串级控制系统中主调节器和副调节器的功能。利用PLC实现对模拟量PID的控制具有使用方便，可靠性高，抗干扰能力强等优点[10]。

PLC控制器与热媒润滑油温度传感器、冷媒流量传感器和变频器一起实现热媒温度—冷媒流量的串级闭环控制。热媒润滑油管路温度传感器用于检测润滑油温度并经EM235模拟端口送给PLC，冷媒循环水管路流量变送器用于检测循环水流量并经EM235模拟端口送给PLC，PLC将润滑油温度反馈值与给定值进行比较和运算，输出量作为副控制器的给定值，与循环水流量变送器反馈信号进行比较和运算，输出量作为变频器的控制信号对水泵转速进行调整，进而控制换热器冷媒循环水流量，从而调节换热器出口润滑油的温度，使得润滑油温度保持在一定范围。

冷媒温度传感器用于检测循环水温度，检测信号经EM235模拟量输入端口时时传送给PLC，防止循环水温度超过设定值60℃。

液位传感器用于检测储水箱液位高度，检测信号经EM235模拟量输入端口时时传送给PLC，液位低于下限水位，PLC控制电磁阀动作进行补水；液位高于上限水位，电磁阀关闭，停止补水。

HMI（人机界面）用于监控系统运行状态，对控制参数进行设置和修改。人机界面采用西门子Smart1000系列触摸面板，通过PPI通讯协议，Smart1000屏控按钮与PLC相应触点连接，实现热回收系统的实时监控。

4 程序软件设计

本系统控制程序包括：热媒温度—冷媒流量串级控制程序、冷媒循环水温度检测及控制程序、储水箱液位检测及控制程序、触摸屏人机界面通信程序等。热媒温度—冷媒流量串级控制程序是本系统最主要的程序，串级控制程序流程，见图4：

串级控制程序完成的主要任务为：

（1）初始化主控制器、副控制器、传感器测量值等参数，给主控制器赋给定值0.8（对应80℃）。

（2）将主控制器给定值SV与过程量PV1反馈值（润滑油温度检测值对应参数）比较并进行PID运算，得到结果OUT1。PV1反馈值取值过程为：润滑油温度变送器传递过来的0～100 mV电压信号经EM235扩展模块A/D转换为0～32000的数字量，经归一化处理再转化为小于1的相对值。

（3）将OUT1设置为副控制器的给定值，并与过程量PV0反馈值（循环水流量检测值对应参数）比较并进行PID运算，得到结果OUT0。PV1反馈值取值过程为：循环水流量变送器传递过来的0～10 mA电流信号经EM235扩展模块A/D转换为0～32000的数字量，经归一化处理再转化为小于1的相对值。

（4）对OUT0进行标度变换和A/D转换为0～10 V的控制信号，经扩展模块EM235传送给变频器，对换热器冷媒循环水流量进行控制。

（5）对循环水流量和润滑油温度进行检测，形成双闭环回路控制。

5 应用效果分析

本文研究的制氧机余热回收系统简单、稳定、可靠，具有以下优点：

（1）换热器直接接入润滑油管路，不仅回收方法简单，而且余热回收率高。润滑油散发热量高达设备输入功率值的75.8%[12]，理论上有75.8%的热量可以被回收利用，实际运行过程中余热回收率也高达65%。

（2）余热回收系统与制氧压缩机自身冷却系统保持独立又相互补充，热回收系统完全不影响制氧机正常工作，还能提高设备运行效率，使制氧机产气量提高7%～10%。

（3）采用串级PID控制，引入副调节器调节，与单闭环系统相比，系统反应灵敏，控制精度高，抗干扰能力强，被控过程的动态特性改善，控制温度波动最高不超过±5℃，润滑油温度保持在75℃～85℃，处于最佳工作状态。

（4）通过变频器调节水泵转速调节循环水流量避免了采用控制阀门大小调节流量因压头升高和管阻增大带来的能量损失[13-14]，根据电机学和流体力学原理，水泵轴功率与转速的立方成正比，因此变频调低转速可起到立方级的节电效果[15]，比使用阀门调节流量节电20%～50%[16]。

（5）S7-200使用简单，功能强大，可靠性和性价比高，不仅能完全满足系统现有硬件和功能的控制要求，还能允许系统再增加配件，实现更加复杂的控制要求。

（6）使用人机界面触摸面板，使余热回收控制系统操作更简单、方便和直观。

6 讨论

一般展开床位1000张以上的医院，中心制氧空压机装机都在50 kW以上，以50 kW为例，进行余热回收改造后，每天热水产量=机组最大输入功率50 kW×每天运行平均20 h×空压机加载率80%×热回收率65%×3600 kJ÷（水比热容4.2 kJ×水温差60℃-15℃）÷1000=9.9 m³，按照每名患者每天热水用量60 L计算，每天可以解决165余名住院病人的生活热水需求。

改造投入和收益分析：

年节省电量=机组最大输入功率50 kW×每天运行平均20 h×空压机加载率80%×热回收率65%×365=189800 kW·h，按照电价0.8元/kW·h计算，年节约资金151840元。

设备改造后，回收系统运行费用主要是以循环水泵为主的耗电费用，年耗电费用为：

虽然制氧压缩机余热回收改造一次性投入资金相对较大，包括换热器、控制器、储水箱、电机、水泵、管道、线缆等施工调试，根据不同品牌和材质，投入费用在20～30万元，但进行余热回收改造后，只需运行2年左右就可以回收投资，之后每年可节约费用13万元。

可见，制氧机余热具有很大的回收潜力，对制氧空压机进行简单的改造，采用基于PLC的温度-流量的串级PID控制，就能将制氧机余热进行回收利用，既不影响制氧机正常运行，还能增强设备散热效果，提高设备工作效率，减少周围环境热量排放，具有良好的经济和社会效益。

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