一个基层医院制造医用气体的生产系统设计方案

唐仁瑞 广西玉林市第二人民医院 （广西 玉林 537000）

内容提要：
指称基层医院是指规模不大，床位500～800张病床规模的医院。文章提供一个设计方案，实现医院工厂化制造医用氧气及其他气体，以实现质量可控制，降低用气成本。

医院用氧是医院日常每天需要处理的一个事项，旧模式是由专业商业供应商提供。为保证医用用气质量，医院现代管理提出了由自己制造氧气的需求，由此产生建设问题。面对这个问题，对于管理基层医院用氧的设备科而言，规划怎样做，怎样设计，未来冗余预设多少，都是一个新型课题，本文对此作一探讨。

1.1 国际发展概述

早期国际上，使用医用气体集中供气系统开始于德国，莱比锡大学医院（UKL）1962年建设成功并投入使用，有了成功的案例后，这个技术在西方各国散发开，以英、美、德等发达国家为主要代表发展与建立了一套完整的技术体系与标准技术规范、法规、法条。现在能查到的，最早使用集中控制器系统的条例是由英国颁布的，英国卫生部（Department of Health and Social Services，DHSS）就已颁布了第一部医用气体指南“HTM2022”。

1.2 国内发展概述

我国的集中供氧发展是从大城市开始的，北京积水潭医院1970年建成的空气系统，并投入使用，效果很好。接着，北京中医医学院、北京阜外医院陆续建设了集中控制系统，此系统是建设一个集中氧源，减压后将氧气通过汇流排集中，管道输送系统，输送氧气到终端提供管道氧气。全国各地陆续有采取这个方法建设的工程，上海的新华医院、杭州医科大学附属医院。到了20世纪90年代，医用气体装备及系统在我国逐步得到推广应用。

进入21世纪以后，随着电子技术的发展，与经济的提高，引入新的液体氧与分子筛制造氧气技术，并伴随着复杂的监测与自动化控制系统，医用气体供应与使用已逐渐发展成为一个集机械、化工、电子技术、自动控制技术、建筑技术、防雷防火技术和医疗器械应用于一体的系统性工程。

概括说，医用用氧的发展有三个阶段。

第一阶段：氧气瓶一对一供氧阶段。一对一供氧阶段仅将瓶装氧气单独提供给一个患者使用。使用时，在氧气瓶上接减压器，减压后的氧气经吸入器湿化、过滤后供患者吸氧。

第二阶段：集中供氧阶段，该阶段为20世纪80年代前期，我国医院已经有建设管道，给患者的供氧；
发展到20世纪90年代初，一般采取建设一个氧气站的方式，将瓶装气减压后汇到汇流排，通过管道输送到用气楼宇，再经二级减压后送入各楼层的氧气管网进行供氧。

第三阶段：医院工厂化制造氧气，该阶段是在进入21世纪后，其又分为二个发展模式，即液体供氧与分子筛制造供氧。液体供氧是从专业制氧工厂购入冷却的液态氧，减压后通过管网供气，分子筛制造就是将制造氧气的设备建设在医院，设备利用分子筛原理制造氧气，然后通过管网输送到楼宇并二次减压后，到终端使用。

发展至今，分子筛制氧已经成为了时下医院选择医用氧源的重要方式。在发展集中供氧的同时，各种医用气体系统也得到发展，医用氮气系统、医用二氧化碳系统、医用氧化亚氮系统、医用氩气系统、医用混合气体系统等。另外还发展了正压力系统（介质是空气），负压力系统（介质是空气），供应医院不同的临床使用场合。

本医院日常住院患者700例左右，年手术约10000例，门诊约500000例。使用住院楼约110000m2。有职工人数约1500人。

收集了使用瓶装氧气的数据，全院日常需要约150瓶（40L容量）瓶装气体，每瓶气体按标准算6m3，约90m3/d。12个治疗位置的高压氧舱月使用量为600m3，并不是用氧大户。用氧气大户在住院科室，如呼吸内科与神经内科（某月量6200m3，3380m3），因此，设计输送管道的管径指标需要能满足住院部用氧的，同时也能满足各分支输送氧气的管道指标。

氧气选址地点，距离住院大楼大约50m，高压氧舱大约80m，门诊80m。压力指标照顾到一些进口呼吸机的工作压力需要达到320kPa，所以终端的压力不能≤0.4MPa，得到基本制造氧气子工程参数见表1。

表1.原始的基础数据列表

2012.08.01 中国第一部国家标准GB50751-2012《医用气体工程技术规范》[1]开始实施，该标准的实施为我国医院在医用气体系统建设和设备采购中有法可依。严格按照国家标准：GB50751-2012 《医用气体工程技术规范》，按照国家标准GB 50030-2013《氧气站设计规范》，YY/T018794《医用中心供氧系统通用技术条件》；
GB 150-1998《不锈钢压力容器》；
GB 2270《不锈钢无缝钢管》；
GB 3836.4-2000《爆炸性气体环境用电气设备》第四部分要求进行设计。

氧气站建设还需要符合环境部门的法规要求，远离居民住房，远离病区，远离火源，选址能满足。

社会供气三种方式为液体氧气、气瓶供气及自己制造。液体氧气安全要求严格，基层医院没有专业技术人员，放弃此方案，改用建设分子筛制氧气站方案[2]。

确定建设分子筛制氧气站方案，同时决定建设与产生氧气类似的其他医用用气系统。工程设计包括四大板块：制氧系统，负压力系统，正压力系统，监测系统。

6.1 医用制氧主体设备选型

空气中各成分（体积）含量是：氮（N2）78%，氧（O2）21%，稀有气体（氦He、氖Ne、氩Ar、氪Kr、氙Xe、氡Rn）0.939%，二氧化碳（CO2） 0.031%，还有其他气体和杂质约占0.03%，如臭氧（O3）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、水蒸气（H2O）等。

现代制造氧气是利用正压分子筛吸附原理（Pressure Swing Adsorption，PSA）进行的，其中关键是利用沸石分子材料，其特殊性能为：受到压力时吸附氮气，释放压力后，将释放出吸附的氮气。沸石分子筛是指具有空旷骨架和较规则孔笼结构的含碱金属或碱土金属氧化物的硅铝酸盐材料，沸石分子筛的表面积能达到800～1000m2/g。

制氧原料就是抽取周围的空气，经过滤后（去除各种一定直径的固体与液体颗粒），压缩机对空气进行压缩，再经过干燥冷却后流入吸附塔，沸石分子筛吸附物质安装在塔底部，在有压力时，能够将氮气和二氧化碳吸附掉，这样较高浓度的氧气（约93%±3）就在塔顶部聚集[3,4]。这个浓度的氧气，已经符合医用用氧指标。

为完成其他功能，氧气站还包含：汇流排（含氧气瓶）、压力支管、压力管道，储气罐，各类阀门，电气控制箱、报警器、减压，稳压，流量，压力检测装置等；
因为需要脱出吸附的氮气，系统中设置两个吸附塔，交替进行吸附与脱附[5]。

进入各环节设备的氧气，压力会衰减损耗，设计有增压系统：由增压机、氧气储罐及控制系统组成。经过上面步骤，再经过除菌、除尘过滤后输出终端使用。

为应对用氧气高峰与设备故障，提高可靠度的方法，是使用不同方式实现过程，为此，设计有与主制氧气并列的备用用氧系统：由汇流排、氧气钢瓶及仪表组成。整体制氧气的系统示意图见图1。

图1.氧分子筛制氧装置简示图

机组选型：本设计按照经验获取的数据，每日的消耗氧气数量为150瓶，按每瓶子贮存气体6m3计算，6×150=900m3[6]。考虑到后续发展，机组日产生医用氧气量应不少于900m3，纯度达到93%±3以上的机组，选择二台机方案。

机房各辅助子系统设计：用电系统，消防系统，隔离系统，防盗系统，监控系统，装修系统等。各大部件，设计有防静电接地装置，并且接地电阻≤10Ω，防雷装置最大冲击电阻为30Ω。

用房设计：安排房间五间，一间制氧机房，一间监控值班，一间汇流排（含氧气瓶）间、一间贮存瓶氧间，正压负压系统间。面积分别为：50m3，12m3，15m3，20m3，20m3。一层结构，屋顶使用防火材料，隔间是砖瓦结构，周围设置铁栅栏。

制氧机房，汇流排（含氧气瓶）间、贮存瓶氧间都设计有单独的氧浓度探测报警器。

6.2 氧气管道设计

6.2.1 输送管路直径的确定

氧气需要输送到三栋建筑：高压氧舱治疗站，门诊楼，住院医技大楼（分重点与普通二分支路），所以，管道设计划分为三大板块四支路，管路工程分别埋设与架设到这三个地方。

主输送管路的管径的计算：氧气是能够压缩的气体，在流体力学上，它受到压缩与温度的影响从而影响流量，在理想的状态时，标准的流量公式见公式（1）。

注：V表示体积流量，单位Nm3/h，D为管道直径单位mm，WO表示流速，单位m/s。

变化公式（1）式得到公式（2）。

再变化公式（1）（2）式，瞬时流速WO由平均流速We代替，得到：

注：We为平均流量；
Pm平均压力，它的值由Pm=（P出口+P入口）/2得到。Tm管道温度以40°C考虑，换算成绝对温度为313K。

将表1的基础数值，V=150m3/h，We=8m/s，Pm=(P出口+P入口)/2=(0.46+0.38)/2=0.42MPa，Tm=273+40=313K代入公式（3）式，由此得到：

计算值D=12.56mm（流量已多一倍冗余度计算）。

6.2.2 管道用材选型

《医用气体工程技术规范》[1]规定氧气可以采用脱脂紫铜管与不锈钢管，按照医用气体管材标准，及现实中因为施工工艺的需要，考虑管路有多个弯头，管内壁的粗糙，经济性因素，管材定下用Ø28mm×2.5mm（内径Ø28mm）不锈钢管，材质为奥氏体不锈钢（304）食品级级管材。接口使用焊接工艺。正压力系统采用与供氧系统一样的管材，采用Ø28mm×2.5mm不锈钢管;负压系统因为贮存能量需要，采用Ø120mm内径不锈钢管材,分支采用Ø80mm、 Ø60mm内径，按情况选择。

6.2.3管路各子器件

各段管子采用焊接方法，保证强度与气密性。管道包含安全阀、减压稳压阀、截止阀、气体开关、终端快速接头及湿化器、流量计、压力表等组成。

设计自动切换气体汇流排，可以同时接上16个氧气瓶。

住院科室设备带：每个床位设计有即插式插口，方便插入氧气湿化瓶：同气体的终端插头、插座不能互换的方法来防止用错气体。设置区域阀箱，每个手术室都装有两套医用气体终端。

医用气体系统监控设计二级报警装置，能够二级发出声、光报警信号报警，终端一级设计在各手术室和病区护士站。医用气体的颜色和标识。

7.1 指标要求

压力：-0.07～-0.04MPa，流量：500m3。组成：总共800张床位的设计，每个床位都设有负压力接口，手术室有20间，门诊有30个房间，都安排有接口。

7.2 主要设备设计

采用2台250m3/h（一用一备）水环式真空泵，2台2.0m3真空罐、2套细菌过滤器、2台分气缸及1台PLC控制柜。

7.3 负压管路

负压系统分气缸再3个支路输出：V1管路供住院医技楼，V2管路供门诊与急诊楼，V3管路手术室与住院各临床科室。

管路部分由污物罐、真空罐、电磁阀、消毒装置、汽水分离器、电控柜及管路等组成。在管路上设计有各种实现功能的过滤器，止回阀，排污阀加水阀，真空电磁阀，真空罐。各过滤器。管路采用不生锈管材制作。

负压吸引系统气体终端插头不可互换，病床的插入口设计在设备带，插口带弹性双级单向阀。每科室护士站设计有压力显示及超欠压报警装置。

8.1 指标要求

产生气量3.8m3/min，指标：气体的固体颗粒物≤0.01μm；
总含油量（三态总和）≤0.003ppm（一个大气压下）；
含水率≤60mg/m3（一个大气压下）；
无异味；
无油雾。气体压力波动允许≤5%，基本稳定。

8.2 主要设备选型

采用空气压缩机产生正压力空气，通过独立管道输送到使用终端，选型无油涡旋空压机，机组3台，每台可以产生流量：2.5m3/min，满足临床使用。

整个系统除3台空气压缩机外，还设计有1具2.0m3储气罐、2台吸附式干燥机、6套过滤器、2组减压装置、1台分气缸及1台PLC控制柜。

8.3 管路子系统

压缩空气经过三级过滤：1级精过滤器，2级精过滤器，3级活性炭过滤，各级设计有压差表显示损耗的压力差。

正压力气体系统分3个分路输出：T1管路供住院医技楼，T2管路供急诊门诊楼， T3管路供应手术室与住院各临床科室。

气体终端不同种气体的终端插头不可互换，终端插口带双级单向阀，可保证在不切断区域供气的情况下能够对终端进行维护。

医用空气系统每科室病区配有超欠压报警装置及压力表，压力报警范围≤0.45MPa与≥ 0.60MPa，报警装置与压力显示装置设置在护士站。

指标：能够设定报警参数， 1汇流排切换报警；
2氧浓度低端设置报警；
设备停机（故障）报警。

监测系统是为了监测各参数异常时进行报警，要达到及时与有效。本方案有如下报警功能：①当制造端口氧气压力低于设定值，汇流排切换到贮气钢瓶时，启动报警；
②医用液体储罐中气体供应量低于设定值时，启动报警；
③医用供气系统切换至应急备用供气源时启动报警；
④应急备用供气源储备量低时启动报警；
⑤正压供气源工作压力超出允许压力上限及欠压20%时启动超、欠压报警；
⑥负压力≥负56kPa（420mmHg，即负压力不够负）时，启动欠压报警；
⑦制氧机房、汇流排（含氧气瓶）间、贮存瓶氧间都设计单独的氧浓度探测报警器。

生产氧气工程包含有很多子工程，需要统筹兼顾，工程的设计要超前，尽量采用新技术，冗余预设要足够。本方案已经建设完成，满足日常用量（日常住院患者700人），但是不能满足突发情况，如2022年底疫情需要使用大量呼吸机（≥50台）与大量患者吸大潮气量氧气情况（≥300人）的叠加。后期根据实际情况及技术发展尚存改进空间。

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