手術室凈化空調系統的電氣設計改進

趙東升 張 龍 孔康輝

目前,潔凈裝備在醫療領域的發展改善了就醫環境,降低了手術感染率,尤其潔凈手術室的出現,促進了外科手術發展,使得一些疑難手術如心臟搭橋手術、骨關節置換手術、器官移植手術等能夠順利進行.但潔凈裝備電氣控制設計在醫療領域使用中發現了一些問題,如設備電氣控制可靠性低,存在火災隱患、雙路供電切換時設備故障停機等問題[1].河南省人民醫院綜合手術部共有40間手術室,其中有18間百級層流手術間,22間萬級層流手術間.針對手術室凈化空調系統的電氣控制設計存在的問題,進行了改進.

1 手術室潔凈空調系統的組成及作用

手術間潔凈系統包含空氣處理機組、送回風管道、手術室高效過濾器以及送風天花和電氣控制系統,室外新鮮空氣經初效、中效及亞高效過濾器過濾,溫濕處理后進入手術間循環機組.手術間循環機組包含混合段、過濾網段和冷熱加濕處理段,經處理過的空氣通過風管進入手術間頂部靜壓箱,經高效過濾器過濾,均流網均流進入手術區域.在手術區域稀釋塵埃顆粒濃度,降低細菌含量,形成降低患者感染風險的安全區域.手術間墻面兩側貼近地面處設置回風百葉口,室內氣流經回風百葉匯合進入手術間循環機組構成循環.手術間頂部靠近麻醉機上方設置排風口,排出手術中的部分廢氣.手術室潔凈空調系統原理見圖1.

圖1 手術室潔凈空調系統原理

根據國家標準"醫院潔凈手術部建筑技術規范"(GB50333-2013)[2]要求,潔凈手術室按照每立方米中0.5 μm塵埃粒子數的濃度水平,將手術間潔凈度分為5~8.5級.以5級手術間為例,要求每立方米中0.5 μm塵埃顆粒數>350粒,<3500粒,5 μm塵埃顆粒數為零,5級手術間主要用于心臟外科手術、骨關節置換手術和器官移植手術等,手術部位感染可能直接危及患者生命及術后生活質量,潔凈手術間凈化空調系統設計必須要求高可靠性,尤其是電氣控制系統設計,應考慮高可靠性、應急替代性和安全性等因素.

2 手術室潔凈空調系統電氣設計存在的問題

潔凈空調系統的電氣控制設計在醫療領域使用中發現電氣控制可靠性低、電加熱交流接觸器燒粘連,并存在火災隱患、排風機控制電路設計不合理以及雙路供電切換時設備停機等問題.

3 手術室潔凈空調系統電氣設計改進方案

3.1 電氣控制改進

在醫院手術室潔凈空調系統使用中存在因電氣設計可靠性低造成的醫療影響:①機組故障,部件損壞無法立即修復;②電加熱交流接觸器燒粘連,造成手術間溫度失控,產生焦糊味并存在火災隱患;③排風機控制電路不合理,風機電機燒壞過流時造成控制電路保險管燒毀,機組停止運行.

機組故障,部件損壞無法立即修復.潔凈空調系統風機采用變頻控制,手術進行中若變頻器故障,無法立即復位,手術間潔凈空調機組將停止工作,手術間失去潔凈保護,手術患者存在感染風險;手術間溫濕度將無法控制,夏季造成手術間悶熱,冬季造成手術間溫度低,不僅影響到患者安全,也嚴重影響到醫務人員的舒適度.因手術室特殊環境,必須要求潔凈系統高可靠性,改進潔凈空調機組風機控制,增加接觸器和熱繼電器控制風機,當變頻器出現故障時,切換至工頻模式可繼續運行,保障手術繼續進行[3-4].手術室潔凈空調系統控制系統應具有變頻、定頻和應急三種模式.當控制系統如CPU、輸入輸出模塊和控制電路等故障時,為保障手術順利進行,應將機組轉換為應急模式(圖2).

圖2 手術室潔凈空調系統三種模式控制電路

3.2 電加熱交流接觸器改進

電加熱交流接觸器燒粘連,造成溫度失控,產生焦糊味.手術室潔凈空調機組電輔助加熱交流接觸器會出現燒粘連,原設計電輔助加熱控制電路見圖3,CPU輸出信號進入R7、R8、R9中間繼電器線圈,R7、R8及R9中間繼電器的常開觸點分別控制三組電加熱交流接觸器的M3、M4及M5線圈,該潔凈空調機組電輔助加熱采用電熱管式,當電加熱管連續長時間工作或經過電輔助加熱管的風量過小,電熱管表面溫度過高,運行電流增大,導致交流接觸器起熱而粘連,造成溫度失控故障.

圖3 電加熱控制原理

電輔助加熱原設計在電加熱管組旁邊安裝溫度保護器,當溫度>125 ℃時輸出斷開信號進入CPU高溫報警輸入端口,CPU接到高溫報警信號,輸出R7、R8及R9中間繼電器線圈斷開信號,中間繼電器斷電驅動電加熱交流接觸器線圈斷電,電加熱組停止工作.若電加熱交流接觸器觸點燒粘連,則發出高溫報警信號,無法導致電加熱組斷電.

改進措施為更換電加熱空氣開關,安裝具有脫扣器連鎖的空氣開關,脫扣器線圈串聯入高溫報警中間繼電器常開觸點,兩端連接220 V控制電源.當電加熱出現高溫報警信號時,高溫報警中間繼電器線圈帶電,常開觸點閉合,脫扣器線圈帶電驅動電加熱空氣開關跳閘,從而起到保護作用.對于選用電熱管加熱的潔凈空調系統,控制系統配置大功率交流接觸器可避免燒粘連的現象.同時應盡可能選用PTC陶瓷電加熱組,PTC陶瓷電加熱組表面工作溫度低,不會出現加熱器發紅起煙,工作電流會隨著風量的大小改變,當潔凈空調系統循環風量減小時,PTC電加熱組工作電流會相應減小.控制電路改進見圖4.

圖4 高溫報警控制原理

3.3 排風機控制電路改進

排風機控制電路不合理,風機電機燒壞漏電時造成控制電路保險管燒毀,機組停止運行.手術間排風機通過風機運行中間繼電器常開觸點并連入控制電路,當排風機電機損壞時,電流增大導致控制電路保險管燒毀,電路設計見圖5.

圖5 原設計排風控制電路原理

改進排風機控制電路安裝獨立保險管,應小于總控制電路保險管,為能夠及時發現排風機報警,應設置排風機故障報警中間繼電器,排風機故障報警中間繼電器線圈串入排風機控制電路,電路改進見圖6.電路經改進后,避免排風機故障導致控制系統斷電故障,提高潔凈系統可靠性.

圖6 排風控制電路原理

3.4 雙路供電改造

手術室供電通常采用雙路供電,當一路電斷開時,另一路電自動切換投入,電路設計見圖7.

圖7 雙路供電電路原理

手術室雙路供電切換在夏季高負荷情況下,供電部門需要倒閘頻率偏大,在用電高峰時段,一天中曾發生4次斷電倒閘故障,每次倒閘均會使大量潔凈機組故障停機,故障內容多因變頻器過流或欠壓保護,必須由人工到每臺機組控制柜現場進行變頻器復位后潔凈機組才可正常工作,頻繁的停機和需要大量時間去復位,嚴重影響到手術的順利進行.以手術室潔凈空調機組使用ABB510系列變頻器為例,當出現倒閘切換時,變頻器通常出現F0001故障,更改內部參數設置可保障雙路供電切換時變頻器能夠重新啟動,ABB510系列變頻器自動復位參數調整方法見表1.根據設備特點,將相應參數設置為允許自動復位,當出現雙路電切換時,可保障變頻器能夠重新啟動[5-6].

表1 ABB510系列變頻器參數調整表

原設計無延時啟動電路,根據變頻器參數3103設置,保障潔凈空調機組延時啟動.若潔凈控制系統切換至工頻或應急模式,則雙路供電切換會導致風機電機未停穩后立即啟動,易損壞風機電機,控制電路應設置延時繼電器,延時風機的啟動.

4 小結

潔凈手術室對外科手術起到重要作用,通過改進醫院潔凈手術室電氣設計的不足之處,提高電氣控制可靠性,解決了火災隱患,同時改進了電路設計和雙路供電切換停機等問題,使醫院潔凈手術室具備高度可靠性和安全性,可有效的避免患者感染,保障手術的順利進行.