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PSA制氧系統與液氧系統的經濟分析與比較
祈福醫院
PSA制氧系統與液氧系統的經濟分析與比較

鄭從概
(廣州中醫藥大學祈福醫院,廣東 廣州510500
 
遼寧丹東天茂氣體有限公司轉載自網絡。這是我看到關于醫院使用制氧機、醫用液態氧、杜瓦罐幾種方式供氧的最科學的分析材料,在這里向作者鄭從概致敬。
 
[摘要] 本文介紹了PSA制氧系統、VIE液氧系統及LGC液氧系統的相關結構及工作原理。并結合我院的用氧特點, 對三個系統的初投資、運作成本、運行管理及效益等方面進行了詳細的比較,從而確定更適合我院的供氧方式。
[關鍵詞]VIE液氧; LGC液氧;PSA 制氧;經濟效益
Analysis and comparison of the PSA oxygen system and liquid oxygen system in Clifford Hospital

Zheng Cong-Gai

( Clifford Hospital, GuangZhou GuangDong 510510, China)

Abstract:  The article introduce the structures and principal of the PSA system and VIE liquid system. According to our hospital characteristic to detail a comparison on the first cost, operation cost, management cost and the economical benefit etc. And then select the best oxygen supply system.
Keywords:  VIE liquid oxygen;  LGC liquid oxygen PSA system ;  Economical benefit
 
前言
 
本報告根據我院已安裝PSA系統的實際情況及VIE、LGC供氧系統的情況,以探討解決我院中長期供氧的方案,使供氧系統在醫療和技術上都能滿足醫院當前以及未來的用氧需求。
本文考慮了以下問題:
一、   使用LGC液氧系統和使用PSA制氧系統為醫院供氧的經濟效益比較;
二、   使用VIE液氧系統和使用PSA制氧系統為醫院供氧的經濟效益比較;
三、   各種系統都是基于每立方氧氣的總成本進行對比。
 
 
 
正文
  1. 我院現狀
1.1 祈福醫院概況:于2001年由祈福集團投資10億元人民幣,按國家三甲醫院及國際規范標準興建的大型現代化中西醫結合及連續兩次通過JCI認證的國際醫院并于2002年6月投入使用。醫院占地130畝,病床600張,擁有國際規模的建筑、酒店園林式的環境、星級化的服務和企業化的管理。
1.2 現有氧氣系統設計情況:醫院設計日用氧氣流量為382公升/分鐘,兩小時的高峰用氧氣流量為666公升/分鐘;而相比實際情況,日用氧氣流量比較合理而高峰用氧則高出太多。附錄一中描述了HTM(英國健康技術備忘錄)醫院病區和科室各樣氧氣流量總量的幾種計算方法。這些計算結果與祈福醫院實際的用氧量做對比時,這幾種方法估算的用氧量都高出很多。醫院開業幾年以來,我院已收集到各病區及科室大量的耗氧數據,這些數據已被用于修訂英國最新醫氣管道系統設計指南HTM 02 -01中的各種流量設計規范,在附錄一已列出。但我們仍認為修訂后的規范設計是過高的。
1.3 醫院實際耗氧量:醫院從2005年開始記錄的醫院年總耗氧量統計如下:
年份 2005 2006 2007 2008
耗氧量(升) 36029754 40091139 45055853 54664129
 
 對比表如下:

  從上圖可以看出醫院用氧量逐年遞升11%左右,這與英國以前的和現在的健康技術備忘錄(HTM)所推薦的一家醫院耗氧量的年自然增長率為10%相吻合。而2008年平均耗氧量為105升/分鐘,按此趨勢計算到2010年醫院平均耗氧量應不會超過150升/分鐘。所以在將來選擇氧氣設備型號時,建議以一個絕對的最高流量值為基準 進行選型計算,比如當前醫院平均用氧流量為100升/分鐘,這個高峰絕對值可選200公升/分鐘。
2 三個系統的結構、工作原理簡介
2. 1 PSA 制氧系統(如下圖一所示)
PSA 就是Pressure Swing Adsorption,即變壓吸附。制氧機一般由六部分組成:包括空氣壓縮機、精密氣過濾器、空氣緩沖罐、PSA 制氧主機、氧氣緩沖罐、控制器和儀表等。變壓吸附制氧機是以沸石分子篩為吸附劑,利用加壓吸附,降壓解吸的原理從空氣中吸附和釋放氮氣,從而分離出氧氣的自動化設備。沸石分子篩是一種經過特殊的孔型處理工藝加工而成的,表面和內部布滿微孔的球形顆粒狀吸附劑,呈白色。其孔型特性使其能夠實現O2、N2的動力學分離。沸石分子篩對O2、N2的分離作用是基于這兩種氣體的動力學直徑的微小差別,N2分子在沸石分子篩的微孔中有較快的擴散速率,O2分子擴散速率較慢。壓縮空氣中的水和CO2的擴散同氮相差不大。最終從吸附塔富集出來的是氧氣分子。系統的工作流程如下: 空氣→空氣過濾器→空壓機→油水分離器→空氣貯罐→冷凍干燥機→PSA 制氧機→過濾器→氧氣貯罐→調壓器→氧氣管道網絡和終端。
2.    2 VIE液氧系統(如下圖二所示)
VIE就是Vacuum Insulated Evaporator真空絕熱汽化器也叫低溫貯氧槽。醫用VIE液氧中心供氧系統主要是由中心液氧站、二級穩壓穩流箱、氧氣管路、管路開關、氧氣快速接頭及氧氣濕化器等組成。中心液氧站是VIE液氧系統的核心 ,它主要由VIE、升壓盤管、汽化器、氧氣分配器等組成。其工作流程是VIE內的液態氧經汽化器汽化后輸入到氧氣分配器, 通過分配器上的各手動閥分別進入各使用部門的氧氣主管路(如住院部、急診中心等) ; 各部門或各樓的氧氣主管路由管道井通往各樓層的氧氣二級穩壓穩流箱, 在此分別調至各層終端所需的氧氣壓力并由各層走廊內的橫管通向各病房終端; 病人需要時, 將濕化瓶插到設備帶上的氧氣快速接頭上即可吸入一定濕度的純凈氧氣。
            LGC液氧系統(如下圖三所示)
LGC就是Liquid Gas Cylinder液化氣鋼瓶也稱杜瓦罐。醫用LGC液氧站主要由LGC、自動切換匯流排、管路開關、緩沖聯管箱等組成。LGC鋼瓶是液氧系統的核心,它主要由鋼瓶、汽化器、增壓器、節氣器、各種閥門及安全裝置等組成,相當于是一個小型的集中式VIE系統。其工程流程與VIE相似。
 
圖一、PSA制氧原理圖


 
圖二、VIE液氧系統原理圖

圖三、LGC液氧系統原理圖
 
3 我院PSA 制氧系統現狀
我院PSA制氧站于2002年6月建成在21樓,有兩套PSA制氧系統,為醫院各病區供應中國國家標準要求的氧氣,純度為93.0% +/- 3%,即從90.0到96.0%之間。該系統已經運行近6年,去年和今年分別對這兩個系統進行了一次大修,運行狀態良好。制氧系統的技術資料如下:
(1)制氧機為美國ASP-450兩臺,產氧量19.72m3/h.臺,功率為0.7千瓦;
(2)空壓機為德國BORGES-50兩套,功率為37千瓦;
(3)冷凍干燥機BORGES-50兩臺,功率為1.1千瓦;
(4)高壓氧氣灌裝機型號為;
(5)PSA制氧站初投資為240萬元,理論使用年限為10年,年折舊費用為24萬元。
   為精確反映其費用,分別對2005年~2008年系統運行維護及儀器、儀表、壓力容器檢測和維護人工費用進行計算,并折算每升氧氣的生產成本,見下表1:
費用描述 2005年 2006年 2007年 2008年
         
PSA系統運行電費 115673.04 154230.72 173509.5 223293.75
         
PSA設備年折舊費用 240000 240000 240000 240000
         
 博格空壓機維護費用 14890 18120 18908 19132
         
干燥機維護費用 6000 8000 8000 10000
         
制氧機維護費用 6000 8000 8000 10000
         
博格空壓機保養公司 5000 3000 17000 50036
         
尚榮公司 4000 28480 32000 17800
         
祈福醫院定期監控費用 8360 8360 8360 8360
         
祈福醫院內部維修費用 45638 42868 43656 47880
         
政府檢測費用 14264 14264 14264 14264
         
外托維修費用 25340 4480 33700 67836
         
每年總運行費用匯總 485165.04 529802.72 597397.5 708601.75
         
年耗氧量 36029754 40091139 45055853 54664129
         
折合每升氧氣生產成本(元) 0.0135 0.0132 0.0133 0.0130
 
 
     從上表中可以看出2005年~2008年間每升氧氣的平均生產成本為:0.0132元/升,相當于13.2元/立方。
4 假設我院改用VIE液氧系統
根據我院 PSA制氧站供氧量及英國健康技術備忘錄HTM02-01建議,現場壓力容器內至少要預備10天的用量。如1.3所描述,醫院用氧量按200公升/分鐘計算,即每天需液氧:200×60×24×10=3372升的液氧。那么
  1. VIE容器的型號通常為5000公升的整數倍,我們建議選擇兩個10m3的VIE,兩個汽化器2 x 50立方米/小時;
  2. 廠家99.5%液氧的單價為2元/公斤;
  3. 保修期為三年,保修期后廠家對液氧站維護保養費用為每年1萬元;
  4. VIE罐每三年檢測一次,費用為3600×2=7200.00元。
  5. 壓力表和安全閥年檢費用分別為:壓力表,40×2×6=480.00元;安全閥,200×4=800元;
    那么新的VIE安裝費計算如下表2:
項目 費用
2 0立方米VIE壓力容器 320,000
   
2 x 140立方米/小時汽化器 15,000
   
管道安裝費用 36,000
   
土建工程費用 160,000
   
Total cost 855,000
總額  
   
15年使用期內設備的年折舊費 85,500
 
 
 
 
  如使用VIE系統為醫院供氧,那么2005年~2008年每年氧氣供應成本計算如下表3:
描述 2005年 2006年 2007年 2008年
         
年耗氧量(升) 36029754 40091139 45055853 54664129
         
相當于   (公斤) 42189.41 46945.13 52758.61 64009.52
         
總氧氣費用(2元/公斤) 84378.815 93890.25527 105517.22 128019.037
         
VIE設備折舊費用 61333 61333 61333 61333
         
壓力容器檢測費用 2827 2827 2827 2827
         
VIE系統維護保養費用 10000 10000 10000 10000
         
醫院內部日常檢查費用 4000 4000 4000 4000
         
每年總運行費用匯總 162538.81 172050.26 183677.22 206179.04
         
折合每升氧氣生產成本(元) 0.0045 0.0043 0.0041 0.0038
注:1公斤液氧相當于854升20℃,0.04Mpa的氧氣。
從上表中可以看出2005年~2008年間每升氧氣的平均生產成本為:0.0042元/升,相當于4.2元/立方。
 
5.假設我院改用LGC液氧系統
由于中國國家標準YY/T 0187-94中對供氧系統規定,在一棟建筑內,液氧儲存的最大容量為500公升。而如果使用LGC鋼瓶,那么我院內最多只能使用3個169升的液氧鋼瓶,而需要兩個鋼瓶作為周轉使用。那么LGC自動匯流排安裝總價估算如下表4:
 
項目描述 總成本  (元)
   
Genetc捷銳——LGC自動LGC 2x2液氧鋼瓶匯流排 68,000
   
安裝造價 50,000
   
購買5 x LGC液氧鋼瓶 105,000
   
壓力容器要求注冊LGC液氧鋼瓶使用登記 2,500
總額 225,500
 
 
而一個169升液氧鋼瓶相當于144326升氣態的氧氣。純度為99.5%的液氧成本為每瓶2500元。下面是對折舊費和維保費的估算。
因為自動匯流排上沒有動力部件,所以匯流排的使用壽命要比PSA制氧設備長很多,使用周期按15年進行計算。
此外,維保費用也很小。我院笑氣和CO2匯流排的控制面板與LGC自動匯流排的控制面板非常地相似,如果我們對照現有這兩種匯流排的實際情況,可知其維保費用為每年500元。那么:
 
LGC液氧鋼瓶匯流排的成本投入為225500元。
 
15年期間每年折舊費 = 225500/15 = 15033元
 
每年維保費用 = 500元
 
壓力容器、壓力表、安全閥等年檢測費用 = 2500元
 
那么如使用LGC系統為醫院供氧,那么2005年~2008年每年氧氣供應成本計算如下表5:
描述 2005年 2006年 2007年 2008年
         
年耗氧量(升) 36029754 40091139 45055853 54664129
         
相當于   (瓶) 249.64 277.78 312.18 378.75
         
總氧氣費用(2500元/瓶) 624103.661 694454.5508 780452.812 946886.372
         
LGC設備折舊費用 15033 15033 15033 15033
         
壓力容器、壓力表檢測費用 2500 2500 2500 2500
         
LGC系統維護保養費用 500 500 500 500
         
醫院內部日常檢查費用 4000 4000 4000 4000
         
每年總運行費用匯總 646136.66 716487.55 802485.81 968919.37
         
折合每升氧氣生產成本(元) 0.0179 0.0179 0.0178 0.0177
 
從上表中可以看出2005年~2008年間每升氧氣的平均生產成本為:0.0178元/升,相當于17.8元/立方。
與LGC液氧鋼瓶供氧相比較,PSA制氧機制氧是非常便宜的方式;但須記住的一點是,相比99.5%,制氧機供應的氧氣質量是很差的,即90 - 96%。
 
6.各種氧氣供應系統綜合經濟效益對比如下表6:
  LGC液氧系統 PSA制氧機 VIE液氧系統
       
氧氣濃度 99.50% 90%-96% 99.50%
       
初投資 22.55萬元 240.00萬元 92.00萬元
       
使用壽命 15年 10年 15年
       
氧氣生產成本 17.8元/立方 13.2元/立方 4.2元/立方
       
維護保養費 平均7000.00元/年 平均173565.00元/年 平均16827.00元/年
       
氧氣輸出壓力 最大 1MPa 最大0.45MPa 最大 1MPa
       
安全性等 儲存氧小; 系統工作無噪音。 有電動設備,維護、安全等管理難度大要求高; 系統工作噪音大。 儲存氧量大; 蒸發膨脹系數大;系統工作無噪音。
       
系統運行可靠性 中高 中低
 
 
結論
作為醫院中長期的供氧措施,使用純度為99.5%的LGC液氧鋼瓶匯流排供氧,成本最高,完全沒有任何經濟優勢可言,況且還有一定的技術限制,即現行國家規范YY/T 0187-94規定建筑內儲存的液氧量禁止超過500升。因此如使用純度為99.5%的LGC液氧,其匯流排就不得不安裝在室外。
然而,使用PSA制氧機生產氧氣的成本是VIE液氧成本的3倍多。另外,PSA制氧機系統的使用壽命僅10年左右,而且隨著使用時間的延長,PSA系統的維護成本將越來越高,這點可以從表1中可以看出。因為PSA制氧機系統包含很多動力部件,如空氣壓縮機、冷干機,PSA等以及需定期更換的易耗件如過濾器、機油等。所以相比VIE供氧系統,PSA系統可靠性比較低。
 
VIE液氧是祈福醫院最經濟、最有效的氧氣供應系統。其整套系統的動力部件很少,從而使VIE供氧系統的可靠性大大增強。
 
 
 
附錄一、對比了健康技術備忘錄HTM2022和新標準HTM02-01的設計流量法。
 
 
臨床科室
 
位置
 
設計流量
各樣流量值
HTM 2022
 
設計流量
各樣流量值
HTM 02-01
 
病區——急性癥病人 病區——
單床、多床病房和治療室
 
10 QWARD = 10 + (n-1) * 6/3 10 QWARD = 10 + (n-1) * 6/4
住院部病區 包含幾個病區單元
 
10 QD = QWARD {1+ (w-1)}/2 10 QD = QWARD {1+ (w-1)}/2
特殊區域
 
ICU, CCU, PICU, NNICU
 
10 QBED = 10 + (nb – 1) * 6 10 QBED = 10 + { ((nb – 1) * 6)* 3/4}
成人日間護理區域 大治療室
 
內鏡中心房間
 
恢復室
A
急診留觀區房間
 
放射科房間
 
100
 
10
 
10
 
10
 
10
QT = 100 + 20 ( T – 1)
 
QEND = 10 + ( n – 1) * 6
 
QREC = 10 + ( n – 1) * 6
 
QOBS = 10 + (n-1) * 6/3
 
QRAD = 10 + ( n – 1) * 6
 
100
 
10
 
10
 
10
 
10
QT = 100 + 20 ( T – 1)
 
QEND = 10 + ( n – 1) * 6/4
 
QREC = 10 + ( n – 1) * 6
 
QOBS = 10 + (n-1) * 6/8
 
QRAD = 10 + ( n – 1) * 6/3
 
產房
 
普通病人產房
 
非常病人產房
 
10
 
100
QDEL = 10 + (n – 1) * 6/2
 
QABDEL =  100 + (n – 1) * 6/2
10
 
100
QDEL = 10 + (n – 1) * 6/4
 
QABDEL =  100 + (n – 1)/2
手術部 手術室
 
麻醉準備間
100
 
10
QOT = 100 + 20 (T – 1)
 
QANAES = 10 + ( A – 1) * 6
100
 
100
QOT = 100 + 20 (T – 1)/10
 
QANAES = 100
 
 
 
 
參考資料:
(1)  HTM2022-medical gas pipeline system-design installation validation and verification ;
(2)  HTM0201-medical gas pipeline system-design installation validation and verification ;
(2)HTM2022-medical gas pipeline system Operational management;
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