一個基層醫院制造醫用氣體的生產系統設計方案

唐仁瑞 廣西玉林市第二人民醫院 （廣西 玉林 537000）

內容提要： 指稱基層醫院是指規模不大，床位500～800張病床規模的醫院。文章提供一個設計方案，實現醫院工廠化制造醫用氧氣及其他氣體，以實現質量可控制，降低用氣成本。

醫院用氧是醫院日常每天需要處理的一個事項，舊模式是由專業商業供應商提供。為保證醫用用氣質量，醫院現代管理提出了由自己制造氧氣的需求，由此產生建設問題。面對這個問題，對于管理基層醫院用氧的設備科而言，規劃怎樣做，怎樣設計，未來冗余預設多少，都是一個新型課題，本文對此作一探討。

1.國際國內醫用氧氣發展概述

1.1 國際發展概述

早期國際上，使用醫用氣體集中供氣系統開始于德國，萊比錫大學醫院（UKL）1962年建設成功并投入使用，有了成功的案例后，這個技術在西方各國散發開，以英、美、德等發達國家為主要代表發展與建立了一套完整的技術體系與標準技術規范、法規、法條。現在能查到的，最早使用集中控制器系統的條例是由英國頒布的，英國衛生部（Department of Health and Social Services，DHSS）就已頒布了第一部醫用氣體指南“HTM2022”。

1.2 國內發展概述

我國的集中供氧發展是從大城市開始的，北京積水潭醫院1970年建成的空氣系統，并投入使用，效果很好。接著，北京中醫醫學院、北京阜外醫院陸續建設了集中控制系統，此系統是建設一個集中氧源，減壓后將氧氣通過匯流排集中，管道輸送系統，輸送氧氣到終端提供管道氧氣。全國各地陸續有采取這個方法建設的工程，上海的新華醫院、杭州醫科大學附屬醫院。到了20世紀90年代，醫用氣體裝備及系統在我國逐步得到推廣應用。

進入21世紀以后，隨著電子技術的發展，與經濟的提高，引入新的液體氧與分子篩制造氧氣技術，并伴隨著復雜的監測與自動化控制系統，醫用氣體供應與使用已逐漸發展成為一個集機械、化工、電子技術、自動控制技術、建筑技術、防雷防火技術和醫療器械應用于一體的系統性工程。

概括說，醫用用氧的發展有三個階段。

第一階段：氧氣瓶一對一供氧階段。一對一供氧階段僅將瓶裝氧氣單獨提供給一個患者使用。使用時，在氧氣瓶上接減壓器，減壓后的氧氣經吸入器濕化、過濾后供患者吸氧。

第二階段：集中供氧階段，該階段為20世紀80年代前期，我國醫院已經有建設管道，給患者的供氧；發展到20世紀90年代初，一般采取建設一個氧氣站的方式，將瓶裝氣減壓后匯到匯流排，通過管道輸送到用氣樓宇，再經二級減壓后送入各樓層的氧氣管網進行供氧。

第三階段：醫院工廠化制造氧氣，該階段是在進入21世紀后，其又分為二個發展模式，即液體供氧與分子篩制造供氧。液體供氧是從專業制氧工廠購入冷卻的液態氧，減壓后通過管網供氣，分子篩制造就是將制造氧氣的設備建設在醫院，設備利用分子篩原理制造氧氣，然后通過管網輸送到樓宇并二次減壓后，到終端使用。

發展至今，分子篩制氧已經成為了時下醫院選擇醫用氧源的重要方式。在發展集中供氧的同時，各種醫用氣體系統也得到發展，醫用氮氣系統、醫用二氧化碳系統、醫用氧化亞氮系統、醫用氬氣系統、醫用混合氣體系統等。另外還發展了正壓力系統（介質是空氣），負壓力系統（介質是空氣），供應醫院不同的臨床使用場合。

2.基本數據來源

本醫院日常住院患者700例左右，年手術約10000例，門診約500000例。使用住院樓約110000m2。有職工人數約1500人。

收集了使用瓶裝氧氣的數據，全院日常需要約150瓶（40L容量）瓶裝氣體，每瓶氣體按標準算6m3，約90m3/d。12個治療位置的高壓氧艙月使用量為600m3，并不是用氧大戶。用氧氣大戶在住院科室，如呼吸內科與神經內科（某月量6200m3，3380m3），因此，設計輸送管道的管徑指標需要能滿足住院部用氧的，同時也能滿足各分支輸送氧氣的管道指標。

氧氣選址地點，距離住院大樓大約50m，高壓氧艙大約80m，門診80m。壓力指標照顧到一些進口呼吸機的工作壓力需要達到320kPa，所以終端的壓力不能≤0.4MPa，得到基本制造氧氣子工程參數見表1。

表1.原始的基礎數據列表

3.硬性條件要求概述

2012.08.01 中國第一部國家標準GB50751-2012《醫用氣體工程技術規范》[1]開始實施，該標準的實施為我國醫院在醫用氣體系統建設和設備采購中有法可依。嚴格按照國家標準：GB50751-2012 《醫用氣體工程技術規范》，按照國家標準GB 50030-2013《氧氣站設計規范》，YY/T018794《醫用中心供氧系統通用技術條件》；GB 150-1998《不銹鋼壓力容器》；GB 2270《不銹鋼無縫鋼管》；GB 3836.4-2000《爆炸性氣體環境用電氣設備》第四部分要求進行設計。

氧氣站建設還需要符合環境部門的法規要求，遠離居民住房，遠離病區，遠離火源，選址能滿足。

4.氧氣產生方案選擇

社會供氣三種方式為液體氧氣、氣瓶供氣及自己制造。液體氧氣安全要求嚴格，基層醫院沒有專業技術人員，放棄此方案，改用建設分子篩制氧氣站方案[2]。

5.工程系統設計

確定建設分子篩制氧氣站方案，同時決定建設與產生氧氣類似的其他醫用用氣系統。工程設計包括四大板塊：制氧系統，負壓力系統，正壓力系統，監測系統。

6.醫用制氧系統

6.1 醫用制氧主體設備選型

空氣中各成分（體積）含量是：氮（N2）78%，氧（O2）21%，稀有氣體（氦He、氖Ne、氬Ar、氪Kr、氙Xe、氡Rn）0.939%，二氧化碳（CO2） 0.031%，還有其他氣體和雜質約占0.03%，如臭氧（O3）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、水蒸氣（H2O）等。

現代制造氧氣是利用正壓分子篩吸附原理（Pressure Swing Adsorption，PSA）進行的，其中關鍵是利用沸石分子材料，其特殊性能為：受到壓力時吸附氮氣，釋放壓力后，將釋放出吸附的氮氣。沸石分子篩是指具有空曠骨架和較規則孔籠結構的含堿金屬或堿土金屬氧化物的硅鋁酸鹽材料，沸石分子篩的表面積能達到800～1000m2/g。

制氧原料就是抽取周圍的空氣，經過濾后（去除各種一定直徑的固體與液體顆粒），壓縮機對空氣進行壓縮，再經過干燥冷卻后流入吸附塔，沸石分子篩吸附物質安裝在塔底部，在有壓力時，能夠將氮氣和二氧化碳吸附掉，這樣較高濃度的氧氣（約93%±3）就在塔頂部聚集[3,4]。這個濃度的氧氣，已經符合醫用用氧指標。

為完成其他功能，氧氣站還包含：匯流排（含氧氣瓶）、壓力支管、壓力管道，儲氣罐，各類閥門，電氣控制箱、報警器、減壓，穩壓，流量，壓力檢測裝置等；因為需要脫出吸附的氮氣，系統中設置兩個吸附塔，交替進行吸附與脫附[5]。

進入各環節設備的氧氣，壓力會衰減損耗，設計有增壓系統：由增壓機、氧氣儲罐及控制系統組成。經過上面步驟，再經過除菌、除塵過濾后輸出終端使用。

為應對用氧氣高峰與設備故障，提高可靠度的方法，是使用不同方式實現過程，為此，設計有與主制氧氣并列的備用用氧系統：由匯流排、氧氣鋼瓶及儀表組成。整體制氧氣的系統示意圖見圖1。

圖1.氧分子篩制氧裝置簡示圖

機組選型：本設計按照經驗獲取的數據，每日的消耗氧氣數量為150瓶，按每瓶子貯存氣體6m3計算，6×150=900m3[6]。考慮到后續發展，機組日產生醫用氧氣量應不少于900m3，純度達到93%±3以上的機組，選擇二臺機方案。

機房各輔助子系統設計：用電系統，消防系統，隔離系統，防盜系統，監控系統，裝修系統等。各大部件，設計有防靜電接地裝置，并且接地電阻≤10Ω，防雷裝置最大沖擊電阻為30Ω。

用房設計：安排房間五間，一間制氧機房，一間監控值班，一間匯流排（含氧氣瓶）間、一間貯存瓶氧間，正壓負壓系統間。面積分別為：50m3，12m3，15m3，20m3，20m3。一層結構，屋頂使用防火材料，隔間是磚瓦結構，周圍設置鐵柵欄。

制氧機房，匯流排（含氧氣瓶）間、貯存瓶氧間都設計有單獨的氧濃度探測報警器。

6.2 氧氣管道設計

6.2.1 輸送管路直徑的確定

氧氣需要輸送到三棟建筑：高壓氧艙治療站，門診樓，住院醫技大樓（分重點與普通二分支路），所以，管道設計劃分為三大板塊四支路，管路工程分別埋設與架設到這三個地方。

主輸送管路的管徑的計算：氧氣是能夠壓縮的氣體，在流體力學上，它受到壓縮與溫度的影響從而影響流量，在理想的狀態時，標準的流量公式見公式（1）。

注：V表示體積流量，單位Nm3/h，D為管道直徑單位mm，WO表示流速，單位m/s。

變化公式（1）式得到公式（2）。

再變化公式（1）（2）式，瞬時流速WO由平均流速We代替，得到：

注：We為平均流量；Pm平均壓力，它的值由Pm=（P出口+P入口）/2得到。Tm管道溫度以40°C考慮，換算成絕對溫度為313K。

將表1的基礎數值，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：

計算值D=12.56mm（流量已多一倍冗余度計算）。

6.2.2 管道用材選型

《醫用氣體工程技術規范》[1]規定氧氣可以采用脫脂紫銅管與不銹鋼管，按照醫用氣體管材標準，及現實中因為施工工藝的需要，考慮管路有多個彎頭，管內壁的粗糙，經濟性因素，管材定下用?28mm×2.5mm（內徑?28mm）不銹鋼管，材質為奧氏體不銹鋼（304）食品級級管材。接口使用焊接工藝。正壓力系統采用與供氧系統一樣的管材，采用?28mm×2.5mm不銹鋼管;負壓系統因為貯存能量需要，采用?120mm內徑不銹鋼管材,分支采用?80mm、 ?60mm內徑，按情況選擇。

6.2.3管路各子器件

各段管子采用焊接方法，保證強度與氣密性。管道包含安全閥、減壓穩壓閥、截止閥、氣體開關、終端快速接頭及濕化器、流量計、壓力表等組成。

設計自動切換氣體匯流排，可以同時接上16個氧氣瓶。

住院科室設備帶：每個床位設計有即插式插口，方便插入氧氣濕化瓶：同氣體的終端插頭、插座不能互換的方法來防止用錯氣體。設置區域閥箱，每個手術室都裝有兩套醫用氣體終端。

醫用氣體系統監控設計二級報警裝置，能夠二級發出聲、光報警信號報警，終端一級設計在各手術室和病區護士站。醫用氣體的顏色和標識。

7.負壓力氣體系統

7.1 指標要求

壓力：-0.07～-0.04MPa，流量：500m3。組成：總共800張床位的設計，每個床位都設有負壓力接口，手術室有20間，門診有30個房間，都安排有接口。

7.2 主要設備設計

采用2臺250m3/h（一用一備）水環式真空泵，2臺2.0m3真空罐、2套細菌過濾器、2臺分氣缸及1臺PLC控制柜。

7.3 負壓管路

負壓系統分氣缸再3個支路輸出：V1管路供住院醫技樓，V2管路供門診與急診樓，V3管路手術室與住院各臨床科室。

管路部分由污物罐、真空罐、電磁閥、消毒裝置、汽水分離器、電控柜及管路等組成。在管路上設計有各種實現功能的過濾器，止回閥，排污閥加水閥，真空電磁閥，真空罐。各過濾器。管路采用不生銹管材制作。

負壓吸引系統氣體終端插頭不可互換，病床的插入口設計在設備帶，插口帶彈性雙級單向閥。每科室護士站設計有壓力顯示及超欠壓報警裝置。

8.正壓力氣體系統

8.1 指標要求

產生氣量3.8m3/min，指標：氣體的固體顆粒物≤0.01μm；總含油量（三態總和）≤0.003ppm（一個大氣壓下）；含水率≤60mg/m3（一個大氣壓下）；無異味；無油霧。氣體壓力波動允許≤5%，基本穩定。

8.2 主要設備選型

采用空氣壓縮機產生正壓力空氣，通過獨立管道輸送到使用終端，選型無油渦旋空壓機，機組3臺，每臺可以產生流量：2.5m3/min，滿足臨床使用。

整個系統除3臺空氣壓縮機外，還設計有1具2.0m3儲氣罐、2臺吸附式干燥機、6套過濾器、2組減壓裝置、1臺分氣缸及1臺PLC控制柜。

8.3 管路子系統

壓縮空氣經過三級過濾：1級精過濾器，2級精過濾器，3級活性炭過濾，各級設計有壓差表顯示損耗的壓力差。

正壓力氣體系統分3個分路輸出：T1管路供住院醫技樓，T2管路供急診門診樓， T3管路供應手術室與住院各臨床科室。

氣體終端不同種氣體的終端插頭不可互換，終端插口帶雙級單向閥，可保證在不切斷區域供氣的情況下能夠對終端進行維護。

醫用空氣系統每科室病區配有超欠壓報警裝置及壓力表，壓力報警范圍≤0.45MPa與≥ 0.60MPa，報警裝置與壓力顯示裝置設置在護士站。

9.監測系統

指標：能夠設定報警參數， 1匯流排切換報警；2氧濃度低端設置報警；設備停機（故障）報警。

監測系統是為了監測各參數異常時進行報警，要達到及時與有效。本方案有如下報警功能：①當制造端口氧氣壓力低于設定值，匯流排切換到貯氣鋼瓶時，啟動報警；②醫用液體儲罐中氣體供應量低于設定值時，啟動報警；③醫用供氣系統切換至應急備用供氣源時啟動報警；④應急備用供氣源儲備量低時啟動報警；⑤正壓供氣源工作壓力超出允許壓力上限及欠壓20%時啟動超、欠壓報警；⑥負壓力≥負56kPa（420mmHg，即負壓力不夠負）時，啟動欠壓報警；⑦制氧機房、匯流排（含氧氣瓶）間、貯存瓶氧間都設計單獨的氧濃度探測報警器。

10.小結

生產氧氣工程包含有很多子工程，需要統籌兼顧，工程的設計要超前，盡量采用新技術，冗余預設要足夠。本方案已經建設完成，滿足日常用量（日常住院患者700人），但是不能滿足突發情況，如2022年底疫情需要使用大量呼吸機（≥50臺）與大量患者吸大潮氣量氧氣情況（≥300人）的疊加。后期根據實際情況及技術發展尚存改進空間。