一种基于PSA技术氧气现场制取与超高压充供氧系统及方法

一种基于psa技术氧气现场制取与超高压充供氧系统及方法
技术领域
1.本发明属于供氧器械领域，尤其涉及一种基于psa技术氧气现场制取与超高压充供氧系统及方法。


背景技术：

2.我国高原气候环境恶劣，疫情复杂，致病因素多，导致减员多，增加了救治量。而向后送周期长，药材(尤其是氧气)供给困难。此时，卫勤保障面临的问题与其他环境相比，极为特殊和困难：一是高原病发病率高。急速初入高原，会短时间内集中、大量地发生高原病。二是卫生防病任务重。高原地区气温气压低、紫外线强、地质结构复杂。冬季易发生冻伤、雪盲、日照性皮炎；夏季易发生雪崩、泥石流、山体滑坡等造成人员伤亡；各种自然疫源性疾病多，卫生防病工作任务十分艰巨。三是高原寒冷缺氧造成创伤致死效应增强，致死时间缩短，如失血性休克发生率更高、出现更为提前，医疗救治时效性尤为重要。四是伤病员后送困难。通道内海拔极高、山峰林立、气象条件多变，不具备大规模直升机后送条件(高压缺氧，直升机降落后，再起飞难，所以超过一定海拔高度后，直升机一般不降落)，因此伤病员后送主要依靠地面运输，但由于后送线长、道路条件差，车辆只能以低速运行，后送途中因缺氧、严寒、颠簸，导致伤病员病情加重、甚至二次致伤的可能性极大，给伤病员后送造成了极大困难。五是卫生资源缺乏。西部高原地区人烟稀少，经济发展落后，可利用的卫生资源缺乏，仅有为数很少的医疗机构，且医疗设备陈旧，技术水平低，语言交流困难，很难满足卫勤支援的需要。六是药材保障难度大。高原活动时除需要保证一般药材外，还需要大量的制供氧器材、血液制品及特殊伤病的防治药材，品种繁多；而药材需求数量大；加之道路不畅，运输困难，难以就地筹措等客观因素的影响，药材供应困难。七是高原环境对装备环境适应性和可靠性要求更高，如动力、压力、能源消耗、抗风砂能力和温度适应性等，卫生装备在设计研制过程中必须充分考虑相关使用条件。
3.如何在实现高原氧气供给等关键技术，建立新型卫勤力量；使氧气供给操作简便、要素齐全、应用可靠，同时能够大量供应氧气是需要研究的事。


技术实现要素：

4.本技术要解决的技术问题是高原群体供氧和整个野外医院医疗用氧问题。本发明提出了一种基于psa技术氧气现场制取与超高压充供氧系统，包括：
5.超高压制压氧组件、超高压多路充供氧台、多组超高压氧气瓶、三级减压供氧模块和充气瓶；
6.所述超高压制压氧组件用于生成超高压氧气；
7.超高压多路充供氧台设置有充气口和供气口；
8.超高压制压氧组件输出端通过气道与超高压多路充供氧台充气口连接；
9.所述超高压多路充供氧台能够同时充氧和供氧；
10.多组所述超高压氧气瓶包括至少两组超高压氧气瓶；
11.所述超高压多路充供氧台输出端通过气道与多组超高压氧气瓶连接并为其中一组高压氧气瓶充氧；
12.多组所述超高压氧气瓶连接超高压多路充供氧台用于供氧，其中一组所述超高压氧气瓶向超高压多路充供氧台供气口输送高压氧气；
13.超高压多路充供氧台供气口通过气道与连接三级减压供氧模块，通过三级减压供氧模块给充气瓶充氧或通过三级减压供氧模块供氧；
14.每一组所述超高压氧气瓶不能同时充氧和供氧。
15.进一步地，所述超高压制压氧组件包括无油空压机、空气缓冲器、冷干机、多级过滤器、psa制氧机、氧气储罐、超高压氧气机；
16.所述无油空压机用于生产压缩空气；
17.所述无油空压机输出端通过气道与空气缓冲器输入端连接；
18.所述空气缓冲器用于控制压缩空气流速；
19.所述空气缓冲器输出端通过气道与冷干机输入端连接；
20.所述冷干机用于对压缩空气冷却并干燥；
21.所述冷干机输出端通过气道与多级过滤器输入端连接；
22.所述多级过滤器用于对压缩空气过滤；
23.所述多级过滤器输出端通过气道与psa制氧机输入端连接；
24.所述psa制氧机用于制氧；
25.所述psa制氧机输出端通过气道与氧气储罐输入端连接；
26.所述氧气储罐用于存储氧气；
27.所述氧气储罐输出端通过气道与超高压氧气机输入端连接；
28.所述超高压氧气机用于压缩氧气；
29.所述超高压氧气机输出端输出超高压氧气；
30.所述无油空压机经脱脂处理；
31.所述气道经脱脂处理。
32.进一步地，所述系统还包括第一测量仪组和第二测量仪组；
33.所述第一测量仪组包括气体流量计、压力变送器；
34.所述第二测量仪组包括测氧仪、气体流量计；
35.第一测量仪组设置在多级过滤器与psa制氧机之间气道上；
36.第二测量仪组设置在psa制氧机与氧气储罐之间气道上。
37.进一步地，超高压多路充供氧台设置有多条充供气道和多个充供氧台；
38.所述充供气道包括充气道和供气道，充气道一端连接在充气口上，供气道一端连接在供气口上；
39.充气道、供气道和充供氧台三者数量相同，每一个充气道和供气道均用于连接一个充供氧台；
40.所述充气道和供气道均设置有电磁截止阀和手动截止阀；
41.每一个的充供氧台包括分路管道，每一个的充气道和供气道分别连接分路管道；
42.分路管道上设置有安全阀、压力传感器和压力表；
43.分路管道连接若干支路管道，支路管道一端连接分路管道，另一端连接超高压氧
气瓶；
44.支路管道上还设置有气瓶控制电磁阀和气瓶针形阀；
45.所述超高压多路充供氧台上设置有充供氧互锁控制模块；
46.所述充供氧互锁控制模块用于控制超高压多路充供氧台充供氧；
47.所述充供氧互锁控制模块能够控制超高压多路充供氧台中只有一个充供氧台进行充氧；
48.或
49.一个充供氧台用于供氧；
50.或
51.同时一个充供氧台进行充氧，另一个充供氧台用于供氧。
52.进一步地，所述气瓶针形阀采用针型阀结构。
53.进一步地，三级减压供氧模块包括一级减压阀、二级减压阀、三级减压阀、高压充气阀门、输出阀门及连接气道；
54.三级减压供氧模块输入端通过连接气道连接一级减压阀第一端；
55.所述一级减压阀第二端通过连接气道分别连接二级减压阀第一端和高压充气阀门第一端；
56.所述二级减压阀第二端通过连接气道连接三级减压阀第一端；
57.所述三级减压阀第二端通过连接气道连接输出阀门第一端；
58.所述输出阀门第二端连接有输出气道；
59.所述高压充气阀门第二端通过连接气道连接中压充气口；
60.所述中压充气口用于对充气瓶充气。
61.进一步地，所述连接气道为不锈钢管。
62.进一步地，中压充气口使用高压软导管连接充气瓶进行充气。
63.进一步地，中压充气口并联连接若干高压软导管，若干高压软导管分别与不同的充气瓶连接并充气。
64.本发明还提出一种基于psa技术氧气现场制取与超高压充供氧方法，所述方法包括：
65.1)使用超高压制压氧组件进行制压氧，生成超高压氧气；
66.2)超高压氧气通过超高压多路充供氧台向多组超高压氧气瓶充气；
67.3)多组超高压氧气瓶通过超高压多路充供氧台、三级减压供氧模块向充气瓶充气，或通过三级减压供氧模块12供氧；
68.所述超高压多路充供氧台使用如下方式充氧供氧：
69.41)预设通道压力阈值，实时测量每一个充供氧台内通道压力；当通道压力≤通道压力阈值时，则判定该充供氧台内高压氧气瓶为空瓶，需要充氧；当通道压力》通道压力阈值时，判定该充供氧台内高压氧气瓶为满瓶，不需要充氧；
70.42)如果所有的充供氧台内高压氧气瓶均为空瓶，则顺序连接一个充供氧台，对其中的高压氧气瓶充氧；当该充供氧台内的高压氧气瓶内充满后，依次连接另一个充供氧台进行充氧；每次只有一个充供氧台进行充氧；
71.43)如果部分的充供氧台内高压氧气瓶均为空瓶，且只对这些充供氧台进行充氧
操作，则顺序连接一个充供氧台，对其中的高压氧气瓶充氧；当该充供氧台内的高压氧气瓶内充满后，依次连接另一个充供氧台进行充氧；每次只有一个充供氧台进行充氧；
72.44)如果所有的充供氧台内高压氧气瓶均为满瓶，则顺序连接一个充供氧台，使用其中的高压氧气瓶对外供氧；当该充供氧台内的高压氧气瓶为空瓶后，依次连接另一个充供氧台用于供氧；每次只有一个充供氧台进行供氧；
73.45)如果部分的充供氧台内高压氧气瓶均为满瓶，且只用这些充供氧台进行供氧操作，则顺序连接一个充供氧台，使用其中的高压氧气瓶对外供氧；当该充供氧台内的高压氧气瓶为空瓶后，依次连接另一个充供氧台用于供氧；每次只有一个充供氧台进行供氧；
74.46)如果存在至少一个充供氧台内高压氧气瓶为满瓶，至少一个充供氧台内为空瓶；则高压氧气瓶为空瓶的若干充供氧台进行充氧，充氧方式转43)；高压氧气瓶为满瓶的若干充供氧台进行供氧，供氧方式转45)；每次仅有一个充供氧台进行供氧，一个充供氧台进行充氧，其余充供氧台处于备用模式；
75.47)当某个充供氧台内高压氧气瓶充氧至满瓶后，将此充供氧台加入至用于供氧的充供氧台序列，后续依顺序进行供氧；当某个充供氧台内高压氧气瓶供氧至空瓶后，将此充供氧台加入至用于充氧的充供氧台序列，后续依顺序进行充氧。
76.本发明所设计的一种基于psa技术氧气现场制取与超高压充供氧系统，其制氧设备为大型设备(实施例能达到6m3/h)，解决高原群体供氧和整个野外医院医疗用氧问题，并给出野外制压供氧方案和超高压氧气压缩工艺流程。
附图说明
77.图1示出了本发明实施例的基于psa技术氧气现场制取与超高压充供氧系统示意图；
78.图2示出了本发明实施例的超高压三路充供氧台系统示意图；
79.图3示出了本发明实施例的一路充供氧台示意图；
80.图4示出了本发明实施例的充供氧互锁控制模块示意图；
81.图5示出了本发明实施例的三路的超高压充供氧故障应急处理保护电路示意图；
82.图6示出了本发明实施例的三路的超高压充供氧控制原理框图；
83.图7示出了本发明实施例的三级减压供氧模块示意图。
84.图中：1、无油空压机；2、空气缓冲器；3、冷干机；4、多级过滤器；5、psa制氧机；61、第一测量仪组；62、第二测量仪组；7、氧气储罐；8、超高压氧气机；9、超高压多路充供氧台；91、充供氧台；92、充气道电磁截止阀；93、供气道电磁截止阀；94、充气道；95、供气道；10、压力传感器；11、超高压氧气瓶；12、三级减压供氧模块；121、一级减压阀；122、二级减压阀；123、三级减压阀；124、高压充气阀门；125、输出阀门；13、充气瓶；14、排污阀；15、控制器。
具体实施方式
85.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
86.本发明提供了一种基于psa技术氧气现场制取与超高压充供氧系统，如图1所示；包括：超高压制压氧组件，超高压多路充供氧台9、多组超高压氧气瓶11、三级减压供氧模块12和充气瓶13；
87.其中，超高压制压氧组件通过先制取再压缩至超高压，生成超高压氧气，包括无油空压机1、空气缓冲器2、冷干机3、多级过滤器4、psa制氧机5、氧气储罐7、超高压氧气机8；
88.所述无油空压机1用于生产压缩空气；
89.本技术不能使用市场上常用的微油螺杆空压机，其输出的压缩空气含有3ppm以下的微油量，出于后级氧气压缩的安全考虑，不能用于本技术中。而无油空压机输出的压缩空气完全不含任何微量的油。
90.所述无油空压机1输出端通过气道与空气缓冲器2输入端连接；
91.所述空气缓冲器2用于控制压缩空气流速的相对稳定；
92.所述空气缓冲器2输出端通过气道与冷干机3输入端连接；
93.所述冷干机3用于对压缩空气冷却并干燥；
94.所述冷干机3输出端通过气道与多级过滤器4输入端连接；
95.所述多级过滤器4用于对压缩空气除尘、除菌；
96.所述多级过滤器4输出端通过气道与psa制氧机5输入端连接；
97.所述psa制氧机5用于制氧；
98.所述psa制氧机5输出端通过气道与氧气储罐7输入端连接；
99.所述氧气储罐7用于存储氧气；
100.所述氧气储罐7输出端通过气道与超高压氧气机8输入端连接；
101.所述超高压氧气机8用于压缩氧气；
102.超高压多路充供氧9设置有充气口和供气口；充气口为其输入端；输出端用于充氧，供气口用于供氧；
103.所述超高压氧气机8输出端通过气道与超高压多路充供氧台9输入端连接；
104.所述超高压多路充供氧台9能够同时充氧和供氧；
105.多组所述超高压氧气瓶11包括至少两组超高压氧气瓶11；
106.所述超高压多路充供氧台9输出端通过气道与多组超高压氧气瓶输入端连接并为其中一组高压氧气瓶11充氧；
107.多组所述超高压氧气瓶11连接超高压多路充供氧台9用于供氧，其中一组所述超高压氧气瓶11向超高压多路充供氧台9供气口输送高压氧气；
108.超高压多路充供氧台9供气口通过气道与三级减压供氧模块12连接，通过三级减压供氧模块12给充气瓶13充氧或通过三级减压供氧模块12供氧；
109.每一组所述超高压氧气瓶11不能同时充氧和供氧。
110.所述系统还包括第一测量仪组61和第二测量仪组62；
111.所述第一测量仪组61包括气体流量计、压力变送器；
112.所述第二测量仪组62包括测氧仪、气体流量计；
113.第一测量仪组61设置在多级过滤器4与psa制氧机5之间气道上；
114.第二测量仪组62设置在psa制氧机5与氧气储罐7之间气道上。
115.本技术中，无油空压机1及从无油空压机1至多组超高压氧气瓶之间所有的气道需
要特殊处理。
116.氧气的化学性质十分活泼，是强烈的氧化剂和助燃剂。氧化反应的程度取决于氧气的浓度及压力，氧气经压缩后，在输送过程中，如有油脂、铁屑或小颗粒燃烧物的存在，随着气流运动与管壁或机体发生摩擦、撞击，会产生大量磨擦热，导致管道、机器燃烧甚至爆炸。
117.物质的燃点随着压力的提高而显著降低，如0.1mpa时，低碳钢的燃点为1277℃，如果把氧气压力提高到12.7mpa时，燃点降为927℃。所以氧气压力越高，材料在氧气中的燃点越低。
118.另外，在常压氧气介质中，如果要燃烧大块金属钢，钢的燃点为1277℃，若换成约10克的铁块燃点却降为930℃，约200目的铁粉为315℃。在常压下氧气中的燃点呈现粉状时比较低，呈块状时燃点高，即铁粉颗粒越细，燃点温度越低。因此，管道、压力容器等的脱脂清洗处理极为重要。
119.氧气中有机物及密封材料着火温度见表1，润滑油在纯氧中的着火温度仅273摄氏度，由此可知，整个系统的脱脂去油处理极为重要。
120.表1氧气中有机物及密封材料着火温度
121.名称着火点(℃)备注橡胶石棉板130～170禁用润滑油273～305禁用铜垫304慎用橡胶345慎用三氯乙烯392慎用聚氯乙烯507慎用
122.为确保氧气超高压供给安全、可靠运行，同时考虑到高原环境，本技术在设计、生产、运行过程中采用如下安全措施：
123.1)需要满足排气压力≥5.5bar、排气量≥1.29m3/min的空压机。同时，需要考虑无油空压机技术特征：一是采用两级旋齿压缩技术，与单级压缩比较，能量消耗低，转子压缩过程不需要冷却；二是采用无油旋齿技术，转子与转子间完全不接触，转子与机壳间完全不接触。从而实现无油压缩。经多级过滤(除尘粗过滤、除尘精过滤、活性碳除菌过滤等)后，作为psa制氧机的进气气源。如选用zt15ff-7.5型无油旋齿空压机，该机型为全无油结构，安全性好，有利于超高压氧气压缩。
124.2)对无油空压机1脱脂处理。
125.对无油空压机1，除其动力部件外，其他机器零件装配前采用超声波加脱脂剂的方法脱脂。优选的，需要脱脂部件为与气体接触的零部件，包括管道内壁、压力传感器探测头、旋齿等。
126.具体方法是：将勾兑好的脱脂液在超声波容剂槽内加热后，放入要脱脂的零配件，开启超声波在加热的状况下清洗至少15分钟，然后取出已脱脂的零部件，用高压水枪在无油的环境中冲洗，然后用无油压缩空气吹除零件表面的水渍。所述脱脂液为四氯化碳。
127.脱脂后的压缩机零配件，在无油的环境下进行安装，安装过程中不得再带入油脂。某些零件因润滑考虑必须涂抹润滑脂，如螺纹防咬死、o型圈涂脂安装不被切破等，可以涂
抹少量的抗氧化全氟润滑脂。
128.安装过程中若发现有零配件沾染油脂，必须重新脱脂后再安装。
129.无油空压机可以用户进行脱脂，也可以在采购时向厂家提出了要求，由厂家在装配时做脱脂处理。但无油空压机进行检修等后，还需要做脱脂处理。
130.从无油空压机1输出口至多组超高压氧气瓶之间所有的气道(用于各部件之间连接的管道，用于输送气体)，包括之间的过滤器阀门等都需要脱脂处理。
131.气道为普通的管道，其脱脂方法为：
132.拆散气道，然后封闭一端，从另一端注入四氯化碳清洗液，直至灌满，晃动管道数分钟，倒出清洗液，用不含油的压缩空气吹干管内清洗液。
133.管路中的各类阀门的脱脂：阀门类的零配件采用四氯化碳浸洗的方式，将阀门上的线圈等通电元件拆下后，将阀门整体放入清洗液中浸洗搅拌，取出后用无油压缩空气吹干，吹干后组装。
134.空气缓冲器2用于控制压缩空气流速，本技术使用空气罐缓冲。制备好的压缩空气先进入罐内，再从罐内输出至冷干机3。
135.优选的，空气缓冲器2设置有排污阀14。排污阀14用于排污(压力容器都需要排污，如新加工完成的容器内有焊渣、铁屑等，需要吹扫，使用过程中有冷凝水，每隔一段时间应需要排水，避免存水到一定程序，减少存储的有效容积)。
136.所述冷干机3用于对压缩空气冷却并干燥；冷干机3可以从阿里巴巴等购物网站购买获得。
137.所述多级过滤器4为多种过滤器及干燥机的串联组合，包括除水过滤器、除尘过滤器、干燥机、粉尘过滤器、除菌过滤器。
138.本技术至少包括两级除尘过滤器，第一级用于粗过滤，第二级用于精过滤，否则过滤器很快就被堵死，更换频繁。
139.冷干机3输出端输出冷却后的压缩空气，通过气道，依次经过除水过滤器、除尘过滤器、无热再生吸附式干燥机、粉尘过滤器、除菌过滤器，输出过滤后的压缩空气。
140.冷却后的压缩空气通过气道输入所述除水过滤器输入端，所述除水过滤器用于将气体和液体分离，提高压缩空气的干燥程度。除水过滤器有多种设计，如气水分离器。
141.所述除水过滤器输出端通过气道连接除尘过滤器输入端，除尘过滤器为粗过滤，用于从压缩空气中除去颗粒较大的杂质。
142.所述除尘过滤器输出端通过气道连接干燥机输入端，所述干燥机为无热再生吸附式干燥机或冷冻干燥机。无热再生吸附式干燥机是一种先进的，利用变压吸附原理，通过填充有高吸水性的氧化铝或分子筛，对压缩空气进行干燥的一种装置。吸附式干燥机干燥效果更好，但耗气；而冷干机只耗电，不耗气，当干燥效果满足需求时则冷干机被作为首选。
143.所述干燥机输出端通过气道连接所述粉尘过滤器输入端，粉尘过滤器作为精过滤，用于再进一步除尘，粉尘过滤器有多种设计，如xrf粉尘过滤器。
144.所述粉尘过滤器输出端通过气道连接所述除菌过滤器输入端，除菌过滤器用于除菌，最后输出过滤后的压缩空气。
145.多级过滤器4还可以包括除油过滤器，除油过滤器设置在除水过滤器与除尘过滤器。本技术已经使用无油空压机，使用除油过滤器仅用于预防。
146.本技术中，所述psa制氧机5用于制氧，采用六吸附床psa制氧设备。psa制氧机通过变压吸附制氧，用于制取纯度较高的氧气(93％
±
3％)。所述psa制氧机输出端通过气道连接氧气储气罐输入端；由氧气储气罐进行存储，氧气储气罐内存储低压氧气。
147.本技术中，psa制氧机5采用六吸附床psa制氧设备，其制氧流程控制采用多通旋转分配阀进行气体分配(有关多通旋转分配阀技术参见cn201040140y相关技术，有关六吸附床psa制氧参见cn201040719y、cn201040720y、cn101049911a相关技术)。
148.优选的，在psa制氧机5的输入端气道设置有第一测量仪组61，第一测量仪组包括气体流量计、压力变送器；输出端气道上设置有第二测量仪组62，第二测量仪组62包括测氧仪、气体流量计；设置在psa制氧机5前端的(多级过滤器4与psa制氧机5之间气道)第一测量仪组61用于测量进入制氧机的压缩气体流量和该入口的压力；设置在psa制氧机5后端的(psa制氧机5与氧气储罐7之间气道)第二测量仪组62用于测量制氧机制取的成品气的氧浓度和流量(检测氧浓度和流量是否达设计指标，本方案氧浓度大于等于90％，氧产量大于等于6立方米每小时)。
149.气体流量计、测氧仪、压力变送器可以从阿里巴巴等购物网站购买获得。
150.进一步地，通过测取一段时间内空压机输出至制氧机的进气量和制氧机输出的氧气量，能够得到制氧机的氧收率。
151.psa制氧机5制备的氧气输出至氧气储罐7，氧气储罐7用于存储氧气。
152.所述氧气储罐7输出端通过气道与超高压氧气机8输入端连接；
153.所述超高压氧气机8用于压缩氧气，生产出高压氧气。
154.当压缩级数越多，每一级的压缩比就小，发热和驱动力就小，可实现超高压需求；而过多级数又存在冗余量过大，造成结构上的不必要的复杂。本技术中，超高压氧气机8使用全无油润滑立式四列结构四级活塞压缩技术。其压缩机在高压级30.0mpa状态下，气流设计流速为0.07m/s。超高压氧气机8技术参考cn212656946u。本技术用于群体人员供氧或野外医院医疗供氧的主管道氧气输送，其制压氧设备产氧量能达到6m3/h。其输出最大流量不小于6m3/h。
155.超高压氧气机8与高纯氧气接触的零部件为化学惰性。压缩机的气缸、气阀、缸盖、管道等材料均选用含碳量低的不锈钢材料；压缩机的活塞，由于压缩机的结构要求采用铜合金，这些材料导热快，磨擦时不产生火花。压缩机的活塞环、支承环，采用塑料王之称的聚四氟乙烯，该材料抗强酸强碱不氧化的特性。压缩机的静态密封环采用化学稳定性极好的氟胶o型圈或铜垫片；压缩机的螺纹密封采用四氟生料带，密封效果好耐老化。润滑剂采用氧气专用的氟系润滑脂。
156.本技术对充供氧流量规定与时间安全限值计算：
157.gb 14194-2006《永久气体气瓶充装规定》第5.3条(f)项规定“气瓶的充装流量不得大于8m3/h(标准状态气体)且充装时间不得小于30min”。依据该规定，则20l容积碳纤维氧气瓶由0.05mpa余压(表压)充装到30mpa(表压)所需充装时间为t：
[0158][0159]
由此可知，20l容积碳纤维氧气瓶由0.05mpa余压(表压)充装到30mpa(表压)所需充装时间t≥45min。
[0160]
供氧时，若压力泄放过快，瓶体温度将骤降，而瓶口、阀门等与氧气接触部件则因流速过快，发热严重，瓶体与瓶口出现极大温差，同样存在安全隐患。因此也应限制气瓶流量。充氧和供氧是互为的关系，仍以上述计算结果作为限值，即20l容积碳纤维氧气瓶由30mpa(表压)降到0.05mpa余压(表压)所需供氧时间t也应≥45min。
[0161]
同理，能够存在超高压氧气瓶内的氧气向40l、20l、15l、10l、5l等不同规格的15mpa医用氧气瓶灌装的可能性，根据上述公式，也可推算出各种情况下气瓶流量和充供氧时间的安全限值。
[0162]
本技术考虑到氧气瓶压力升降速率安全限值计算。
[0163]
由于监控各超高压氧气瓶的充供氧流量既费劲又复杂。而将气瓶的充供氧流量转换为气瓶的升降压速率，则在充供氧管道上设置压力传感器就可监控各气瓶的充装流量。可以使用如下方式进行转换：
[0164]
不同规格的医用氧气瓶升降压速率安全限值可通过上式计算得到，而气瓶的实际升降压速率dp/dt＝气瓶压力变化量δp
÷
这段时间δt。
[0165]
由于压力传感器可实时监测压力，如当前压力p1为20.00mpa，10s后压力p2为20.08mpa，则这区间的dp/dt＝(20.00－20.08)
÷
10＝0.008mpa/s＝8kpa/s，其值小于10.0kpa/s(即20l氧气瓶的升压速率安全限值)。因此，20l氧气瓶在该区间段内的升压速率小于安全限值，充氧是安全的。因此，通过简单的计算就能得到气瓶安全使用时的升降压速率。在控制程序中，采样时间可设置为ms级，则可实现升降压速率的实时监控。
[0166]
由上述计算可知，30mpa氧气瓶充供氧时间应≥45min，则氧气瓶压力升降速率安全限值应≯11.1kpa/s，取10％冗余量，安全限值定为10.0kpa/s。
[0167]
因此，使用30mpa氧气瓶充供氧时，其气瓶出口的管道升降压速率达到10.0kpa/s时，则需要降速，如通过控制阀门等方式来限制压氧或供氧流量。
[0168]
本技术使用铝内胆碳纤维全缠绕氧气瓶作为高压氧气瓶。碳纤维氧气瓶是采用高强度的碳纤维、环氧树脂，经缠绕、高温固化等十几道工序精加工而成的瓶器。
[0169]
碳纤维缠绕复合气瓶比金属气瓶(钢瓶，铝合金无缝气瓶)具有更优良的性能，气瓶工作压力30mpa，增加了储气量，重量比同容积的金属气瓶减轻50％，使用更加轻松，在高海拔缺氧地区、高楼层或深度的地下，如矿井等遇到救护情况或严重灾害情况下使用更方便。复合气瓶也是不良导电体，并且复合气瓶在侵蚀和腐蚀场合下呈现中和性，因而更加安全。
[0170]
本技术碳纤维缠绕复合气瓶通过市购获得，也可以通过购物网站购买。
[0171]
所述超高压多路充供氧台9包括至少两路充氧台。本技术以三路为例进行说明。
[0172]
超高压氧气机8输出端通过气道与超高压多路充供氧台9输入端连接；
[0173]
所述超高压多路充供氧台9，如图2所示，可以用于充氧也可以供氧。当为充氧模式时，用于一路或多路充氧；当为供氧模式时，用于一路或多路供氧。本技术能够同时充氧和供氧。
[0174]
超高压多路充供氧台9设置有充气口和供气口，充气口即超高压多路充供氧台9的输入端。超高压氧气机8输出端通过气道与超高压多路充供氧台9充气口连接；供气口即超高压多路充供氧台9的输出端，超高压多路充供氧台9供气口通过气道与三级减压供氧模块12输入端连接。
[0175]
超高压多路充供氧台9设置有多条充供气道和多个充供氧台，所述充供气道包括充气道和供气道(图2中只显示一条气道)，充气道一端连接在充气口上，供气道一端连接在供气口上；
[0176]
充气道、供气道和充供氧台三者数量相同；每一个充气道94和供气道95均用于连接一个充供氧台91；每一个充供氧台上的充气道94和供气道95不同时打开。
[0177]
所述充气道和供气道均设置有电磁截止阀和手动截止阀，所述电磁截止阀和手动截止阀均可以控制充气道或供气道的通断；
[0178]
每一个的充供氧台包括分路管道，每一个的充气道和供气道分别连接分路管道，分路管道上设置有安全阀，用于排气；分路管道还设置有压力传感器10和压力表，压力传感器10和压力表能够测量得到分路管道的压力。压力表使用机械方式进行压力测量。当压力传感器10出现故障时，操作人员可以通过压力表得到压力信息。即每一个充供氧台能够通过充气道向内进气，也能通过供气道向外排气。
[0179]
分路管道连接若干路支路管道，本技术中，支路管道最多为8路。支路管道一端连接分路管道，另一端连接超高压氧气瓶。一条分路管道上所有的支路管道上的超高压氧气瓶为一组超高压氧气瓶11；即一个充供氧台上连接的所有超高压氧气瓶为一组超高压氧气瓶11。
[0180]
从分路管道向高压氧气瓶方向，支路管道上还依次设置有气瓶控制电磁阀和气瓶针形阀。气瓶控制电磁阀能够控制支路管道通断；调节气瓶针形阀，能够控制支路管道气体流量，从而控制气体流速。
[0181]
如图3所示，图3为单个充供氧台模拟示意图。图3中，充供氧台91通过充气道94与充气口连接，充气道94上设置有充气道电磁截止阀92(图中未显示充气道94上的手动截止阀)；充供氧台91通过供气道95与供气口连接，供气道95上设置有供气道电磁截止阀93(图中未显示供气道95上的手动截止阀)；充气道94与供气道95另一端连接着充供氧台91的分路管道。分路管道上连接有若干路支路管道，图3中只显示2路支路管道。每个支路管道上连接一个超高压氧气瓶。
[0182]
充气道电磁截止阀、供气道电磁截止阀、电磁截止阀、气瓶控制电磁阀为电磁阀；手动截止阀、气瓶针形阀为手动阀。
[0183]
本技术中，在超高压阀门中使用针形阀，用于限制流量的快速变化。
[0184]
避免绝热压缩产生的高温导致可燃物燃烧。如：阀前压力15mpa以上，阀后为常压0.1mpa，若将阀门快速打开，阀后氧气温度按绝热压缩公式计算可达553℃以上，已达到或超过某些物质的着火点。因此，本技术的气瓶针形阀采用针型阀结构设计，达到阀门慢速开启目的。
[0185]
当为充氧模式时，高压氧气经超高压多路充供氧台9的充气口、某一充气道进入分路管道，再经过不同的支路管道进入若干超高压氧气瓶内充氧。
[0186]
当为供氧模式时，某个充供氧台中的若干超高压氧气瓶向外供氧，氧气经支路管道、分路管道、最终到达供气口。
[0187]
当为充氧模式或供氧模式时，氧气经过的气道上的电磁阀和手动阀均处于开启状态，其他气路上电磁阀处于关闭状态。当某个充供氧台气路上的电磁阀处于关闭状态时，该充供氧台处于备用模式。
[0188]
超高压多路充供氧台9上设置有充供氧互锁控制模块，所述充供氧互锁控制模块用于控制超高压多路充供氧台9充供氧；充供氧互锁控制模块通过阀门的关闭打开，实现：
[0189]
第一，同一充供氧台充氧和供氧互锁，即充氧时则不能供氧，供氧时则不能充氧，禁止同时充氧和供氧；
[0190]
第二，只能有一个充供氧台处于充氧或供氧状态，禁止两个及以上充供氧台同时充氧或供氧。
[0191]
本技术使用如下方式同时进行充氧供氧：
[0192]
1)预设通道压力阈值，实时测量每一个充供氧台内通道压力(即分路管道里压力传感器或压力表测量值)；当通道压力≤通道压力阈值时，则判定该充供氧台内超高压氧气瓶为空瓶，需要充氧；当通道压力》通道压力阈值时，判定该充供氧台内超高压氧气瓶为满瓶，不需要充氧；
[0193]
2)如果所有的充供氧台内超高压氧气瓶均为空瓶，则顺序连接一个充供氧台，对其中的超高压氧气瓶充氧；当该充供氧台内的超高压氧气瓶内充满后，依次连接另一个充供氧台进行充氧；每次只有一个充供氧台进行充氧；
[0194]
3)如果部分的充供氧台内超高压氧气瓶均为空瓶，且只对这些充供氧台进行充氧操作，则顺序连接一个充供氧台，对其中的超高压氧气瓶充氧；当该充供氧台内的超高压氧气瓶内充满后，依次连接另一个充供氧台进行充氧；每次只有一个充供氧台进行充氧；
[0195]
4)如果所有的充供氧台内超高压氧气瓶均为满瓶，则顺序连接一个充供氧台，使用其中的超高压氧气瓶对外供氧；当该充供氧台内的超高压氧气瓶为空瓶后(即无法供氧)，依次连接另一个充供氧台用于供氧；每次只有一个充供氧台进行供氧；
[0196]
5)如果部分的充供氧台内超高压氧气瓶均为满瓶，且只用这些充供氧台进行供氧操作，则顺序连接一个充供氧台，使用其中的超高压氧气瓶对外供氧；当该充供氧台内的超高压氧气瓶为空瓶后(即无法供氧)，依次连接另一个充供氧台用于供氧；每次只有一个充供氧台进行供氧；
[0197]
6)如果存在至少一个充供氧台内超高压氧气瓶为满瓶，至少一个充供氧台内超高压氧气瓶为空瓶；则超高压氧气瓶为空瓶的若干充供氧台进行充氧，充氧方式转3)；超高压氧气瓶为满瓶的若干充供氧台进行供氧，供氧方式转5)；每次仅有一个充供氧台进行供氧，一个充供氧台进行充氧，其余充供氧台处于备用模式；
[0198]
7)当某个充供氧台内超高压氧气瓶充氧至满瓶后，将此充供氧台加入至用于供氧的充供氧台序列，后续依顺序进行供氧；当某个充供氧台内超高压氧气瓶供氧至空瓶后，将此充供氧台加入至用于充氧的充供氧台序列，后续依顺序进行充氧。
[0199]
本技术使用三路充供氧台充供氧进行说明。本领域技术人员能够从三路推导两路
或更多路充供氧台充供氧方式。
[0200]
如图4所示，其中，充气口和供气口用于充氧和供氧；1#气路为第一路充供氧台所在的分路管道，1#通道对应第一路充供氧台与充气口或供气口之间的气道(即充气道和供气道)；cy1充氧阀为充气道上的电磁截止阀，gy1供氧阀为供气道上的电磁截止阀。
[0201]
由于充气道和供气道上的手动截止阀主要用于紧急情况下关闭相应气道，在图4中不显示手动截止阀。
[0202]
以此类推得到第二路充供氧台和第三路充供氧台。
[0203]
充供氧互锁控制模块cy1～cy3充氧阀和gy1～gy3供氧阀的控制程序编程原则如表2所示。
[0204]
表2充供氧互锁控制编程原则
[0205][0206][0207]
因此，三个通道的压力监测以空瓶和满瓶区分，有8种状态，可依据监测结果通过编程设置各通道充、供氧阀的开启和关闭状态：
[0208]
当三个通道的压力均为低电平时，表示三路气瓶均为空瓶，可充氧，此时优先选择
1#通道充氧，其余两路处于备用状态；
[0209]
当1#通道压力为高电平，2#、3#通道压力为低电平时，表示1#路气瓶为满氧，可供氧，其余两路气瓶为空瓶，可充氧，此时优先选择2#通道充氧，1#通道则在有用氧需求时进行供氧；
[0210]
当2#通道压力为高电平，1#、3#通道压力为低电平时，表示2#路气瓶为满氧，可供氧，其余两路气瓶为空瓶，可充氧，此时优先选择3#通道充氧，2#通道则在有用氧需求时进行供氧；
[0211]
以此类推，当三个通道的压力均为高电平时，表示三路气瓶均为满瓶，此时优先选择1#通道供氧，其余两路处于备用状态。
[0212]
由表2可得出以下两个结论：第一，充供氧互锁控制模块实现了同一通道充氧和供氧互锁，即充氧时则不能供氧，供氧时则不能充氧，禁止同时充氧和供氧；第二，三个通道(即三个充供氧台)只能有一个通道处于充氧或供氧状态，禁止两个及以上通道同时充氧或供氧。
[0213]
以此类推，四路共有16种状态，五路共有32种状态，六路共有64种状态。由于仅能有一个充供氧台处于充氧或供氧状态，禁止两个及以上充供氧台同时充氧或供氧，即本技术所设计的系统，同时工作的最多有两个充供氧台(即一个充氧或供氧)，因此五路的充供氧台并不实用，其中大多处于备用状态。
[0214]
以上程序也能通过有限次实验得到充供氧顺序。所以通过简单程序即可实现充供氧互锁控制。
[0215]
基于psa技术氧气现场制取与超高压充供氧系统还包括报警器，能够发光或发声，进一步地，能够以发出不同的光或不同的声音。
[0216]
超高压氧气灌装、供给作业，一旦发生事故，危害性大，因此风险等级高，其系统运行应安全可靠。为此，本技术设计了超高压充供氧故障应急处理保护电路，使用继电器加报警器组合电路实现。
[0217]
以下以三路进行说明，本领域技术人员能够推导多路的超高压充供氧故障应急处理保护电路。
[0218]
如图5所示，bl1为报警器，能够发光或发声。
[0219]
当控制电路因故障出现误动作，如触点粘连等，造成两路及以上的通道同时充氧或供氧，此时保护继电器bj1上电，其中一组常开触点bj1-1吸合，保护继电器bj1实现自锁，另一组常闭触点bj1-2断开，使该触点控制的1#、2#和3#电磁截止阀立即断电，切断所有充氧和供氧通道，并使报警器bl1发出紧急故障声光报警信号，直至作业人员通过手动阀切断充供氧通道阀，并排除故障为止。紧急故障报警信号，与自动切换提醒信号比较，声光的频率、声音的分贝数和光的亮度有明显差异。
[0220]
图5中，cj1-2、cj1-3和cj1-4为cy1充氧阀控制继电器cj1的第2、3和4组控制触点(cj1的第1控制触点cj1-1用于控制cy1充氧阀的通断)，cj2-2、cj2-3和cj2-4为cy2充氧阀控制继电器cj2的第2、3和4组控制触点(cj2的第1控制触点cj2-1用于控制cy2充氧阀的通断)，cj3-2、cj3-3和cj3-4为cy3充氧阀控制继电器cj3的第2、3和4组控制触点(cj3的第1控制触点cj3-1用于控制cy3充氧阀的通断)；gj1-2、gj1-3和gj1-4为gy1供氧阀控制继电器gj1的第2、3和4组控制触点(gj1的第1控制触点gj1-1用于控制gy1供氧阀的通断)，gj2-2、
gj2-3和gj2-4为gy2供氧阀控制继电器gj2的第2、3和4组控制触点(gj2的第1控制触点gj2-1用于控制gy2供氧阀的通断)，gj3-2、gj3-3和gj3-4为gy3供氧阀控制继电器gj3的第2、3和4组控制触点(gj3的第1控制触点gj3-1用于控制gy3充氧阀的通断)；bj1为故障报警继电器，bj1-1为该继电器第1组触点；bl1为声光故障报警器；st1为复位按钮开关，当故障排除后，通过该开关消除报警信号。
[0221]
控制系统如图6所示。图6为供氧控制原理框图。通过三路的压力传感器监测各路气瓶的储氧量和充供氧流量，按程序设定要求，由主控制器输出控制指令，经充供氧互锁控制模块和各通道控制电磁阀，实现对各路(或称通道)的充氧、供氧、备用的控制；主控制器根据充供氧流量，通过多路开关对各路超高压氧气瓶充供氧数量进行控制，采用多路开关的目的，可有效减少主控制器的输出接口；自动切换通道数量、各通道超高压氧气瓶数量、气瓶容积、安全限值要求等参数通过人机界面进行设置，哪路正在充氧、哪路正在供氧、哪路处于备用状态、哪些气瓶处于充氧或供氧状态等充供氧运行状态，均可通过人机界面显示；当运行过程中出现超限或故障时，通过声光报警模块发出，提醒操作人员调整充供氧流量、换瓶或检修故障等。由于充供氧控制器和多路开关的输出控制接口允许的输出电流较小，在其输出端与各气瓶控制电磁阀之间设置了中间继电器。控制充供氧互锁模块各电磁阀cy1～cy3、gy1～gy3的继电器均为其第1组控制触点，即cj1-1～cj3-1和gj1-1～gj3-1。图6中，包括充氧继电器cj、供氧继电器gj、充氧控制阀cy、供氧控制阀gy、保护继电器bj等。从事电路控制领域的技术人员就很容易理解控制继电器与阀之间的关系。
[0222]
超高压多路充供氧台9输出端(供气口)通过气道与三级减压供氧模块12输入端连接，三级减压供氧模块12上连接有充气瓶13并给充气瓶13充气。充气瓶13为常规医用氧气瓶，其储氧压力在15mpa以下。本技术的另一个目的是给15mpa气瓶灌充，或向0.4mpa～0.6mpa的医疗设备供氧，或直接供病患者，因此，一级减压压力调整在15mpa以下。
[0223]
进一步地，超高压氧气瓶也能通过三级减压供氧模块12进行供气，即超高压氧气瓶输出端通过气道与三级减压供氧模块12输入端连接，三级减压供氧模块12上连接有充气瓶13并给充气瓶13充气。
[0224]
优选的，三级减压供氧模块12输入端上设置有通用接口(如医院最常用的40l标准医用氧气瓶的气瓶接口，该接口是球面结构，密封性好，可满足15mpa的高压气瓶)，能够与超高压多路充供氧台9输出端或超高压氧气瓶瓶口配合。
[0225]
如图7所示，三级减压供氧模块12包括一级减压阀121、二级减压阀122、三级减压阀123、高压充气阀门124、输出阀门125及连接气道；一级减压阀121、二级减压阀122、三级减压阀123、高压充气阀门124均可市购获得。
[0226]
所述连接气道为不锈钢管；
[0227]
三级减压供氧模块12输入端通过连接气道连接一级减压阀121第一端；
[0228]
所述一级减压阀121用于一级减压，能够将经过气体由30mpa调到15mpa；
[0229]
所述一级减压阀121第二端通过连接气道分别连接二级减压阀122第一端和高压充气阀门124第一端；
[0230]
所述二级减压阀122用于二级减压，能够将经过气体由15mpa调到1mpa；
[0231]
所述二级减压阀122第二端通过连接气道连接三级减压阀123第一端；
[0232]
所述三级减压阀123用于三级减压，能够将经过气体由1mpa调到0.4-0.6mpa；
[0233]
需要说明的是，一级减压阀121、二级减压阀122、三级减压阀123减压效果均可调节，如一级减压阀将经过气体由30mpa调到14mpa，二级减压阀将经过气体由14mpa调到0.9mpa，三级减压阀将经过气体由0.9mpa调到0.5mpa等。
[0234]
三级减压阀123第二端通过连接气道连接输出阀门125第一端；
[0235]
输出阀门125第二端连接有输出气道，优选的，输出气道上连接软管，便于使用及插拔。
[0236]
输出气道可以直接用于群体人员供氧或向野外医院医疗供氧的主管道氧气输送，属大流量供氧，与本技术的6m3/h制压氧设备匹配。输出气道输出最大流量不小于6m3/h。
[0237]
本技术中，输出气道是否满足最大流量要求可以根据设计手册多大的管径允许通过多大流速的氧气来选择，且管道的最大流量是否达到要求则可通过流量计或流量表检测。
[0238]
所述高压充气阀门124第二端通过连接气道连接中压充气口，所述中压充气口用于对充气瓶13充气；
[0239]
进一步地，中压充气口使用高压软导管连接充气瓶13并对之进行充气；
[0240]
本技术的中压充气口，能够向单个充气瓶13充气，也可以同时向若干充气瓶充气；同时向若干充气瓶充气时，若干气瓶并联，即中压充气口并联连接若干高压软导管，若干高压软导管分别与不同的充气瓶13连接并为之分别充气；更进一步的，若干高压软导管上还分别设置有电磁阀，用于关闭该高压软导管。
[0241]
一级减压阀121、二级减压阀122、三级减压阀123均为高压减压阀，高压充气阀门124为高压电磁阀，输出阀门125为普通电磁阀。
[0242]
本技术使用采用三级减压，在常规减压阀基础上，将三个减压阀串接形成一体化结构，同时还可为常规医用氧气瓶转充，该技术方案可降低减压阀弹簧的压差，延长寿命，运行安全，压力输出更稳定。
[0243]
本技术所设计的一种基于psa技术氧气现场制取与超高压充供氧系统还包括控制器15，控制器15可以为plc(可编程控制器)、cpu(中央处理器)、单片机、单板机、其他控制芯片等，也可以为设置在其上的软件；控制器与无油空压机1、冷干机3、psa制氧机5、第一测量仪组61、第二测量仪组62、超高压氧气机8、超高压多路充供氧台9、压力传感器10、三级减压供氧模块12电路连接或通信连接，接收各部件传来的数据、控制各部件运行。控制器还与系统内的所有电磁阀电路连接或通信连接，能够打开或关闭相应的电磁阀。
[0244]
本技术使用如下方式进行现场制取与超高压充供氧：
[0245]
1)使用超高压制压氧组件进行制压氧，生成超高压氧气；
[0246]
2)超高压氧气通过超高压多路充供氧台向多组超高压氧气瓶充气；
[0247]
3)多组超高压氧气瓶通过超高压多路充供氧台、三级减压供氧模块向充气瓶充气，或通过三级减压供氧模块12供氧；
[0248]
4)可以同时通过超高压多路充供氧台向一组超高压氧气瓶充气及另一组超高压氧气瓶通过超高压多路充供氧台供氧。
[0249]
本技术创建超高压制氧、压氧、储氧和供氧技术是为了提高运力，高原地域辽阔，运输能力又极为有限，基于本技术研制的装备在高原应用时，可建立机动制、压、储氧站，以此为保障点，通过超高压氧气瓶运输至周边的用氧群体，储氧量由原先的15mpa以下(目前
高原实际使用不超过10mpa)提高至30mpa，提高一倍以上的运输能力。
[0250]
本发明所设计的一种基于psa技术氧气现场制取与超高压充供氧系统，其制氧设备为大型设备(实施例能达到为6m3/h)，解决高原群体供氧和整个野外医院医疗用氧问题，并给出野外制压供氧方案和超高压氧气压缩工艺流程。
[0251]
以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。