Statisk UPS i strømtilførsel til CT - Vurdering av pålitelighet og reduksjon av kostnader

Abstract

I denne masteroppgaven blir størrelsen til en uninterruptable power supply (UPS) som har flere computed tomography (CT) skannere tilkoblet, vurdert ved hjelp av klassisk pålitelighetsanalyse. Formålet med dette er å redusere størrelsen, og dermed kostnadene, forbundet med anskaffelsen av UPSen, uten å forringe påliteligheten til strømforsyningen for disse CT-maskinene.

CT-maskinen modelleres her som en binær komponent som kan befinne seg i to tilstander. Disse er: Skann eller stand-by. Tilstanden Skann svarer til det maksimale effektbehovet som CT-maskinen kan ha.

Det er gjennomført en grundig studie av bruken av CT-maskinene ved St. Olavs hospital. Gjennomsnittlig tid mellom skann og gjennomsnittlig varighet av skann ble beregnet basert på innsamlede data fra dataloggere og strømtenger. Disse dataene danner grunnlaget for modelleringen av CT-maskinen som en binær komponent.

Hvis for mange CT-maskiner befinner seg i tilstanden skann på samme tidspunkt, kan dette overbelaste UPSens vekselretter, noe som i sin tur vil gjøre at effekten til disse må flyte utenom UPSens like- og vekselretter, og isteden gå gjennom den statiske bypass switchen. Hovedsakelig må tre kriterier være oppfylt for at strømforsyningen til CT-maskinene svikte: (1) Det er et strømbrudd i nettleverandør sin tilførsel til sykehuset. (2) Nødstrømsaggregatene er ikke operative. Og (3) UPSens vekselretter blir overbelastet og forsøker å koble over til drift i bypass.

Gjennom modellering av en Markov-prosess og ved bruk av pålitelighetsnettverk, er tilgjengeligheten og mean time between failure (MTBF) funnet for strømtilførselen frem til CT-maskinene for ulike størrelser av UPS. For de kombinasjonene av antall CT-maskiner og installert effekt på UPSen som gir en tilfredsstillende grad av pålitelighet (i.e. MTBF på over 60 år) har potensielle innsparinger blitt beregnet basert på historiske data fra tidligere sykehusprosjekter i Norge.

Ved å neddimensjonere UPSen ut fra antall tilkoblede CT-maskiner, slik at den fortsatt fungerer som forutsatt og sikrer nødvendig systempålitelighet, kan kostnadene direkte forbundet med anskaffelsen av denne reduseres. Gjeldende praksis er at UPSen dimensjoneres lik at den dekker det maksimale effektbehovet til samtlige CT-maskiner som er tilkoblet. I denne masteroppgaven blir det vist at for UPSer som skal forsyne mellom 3 og 5 CT-maskiner, så kan UPSen dimensjoneres for å dekke det maksimale effektbehovet til 2 av disse. Potensialet for besparelsene som kan oppnås for en UPS vil variere fra omtrent 100 000kr til 600 000kr, avhengig av antall CT-maskiner som skal forsynes og hva deres maksimale effektbehov er.

In this thesis, the size of an uninterruptable power supply (UPS) connected to multiple computed tomography (CT) scanners is assessed using classic system reliability theory. The goal is to reduce the size and thereby reduce the cost associated with the UPS, without compromising the reliability of the power supply to these CT scanners.

The CT scanner is modelled as a binary component. This theoretical construct of a CT scanner can be in one of two states: Scan or Standby, where the state Scan equates to the maximum power demand form the CT scanner.

An in-depth study of the utilization of CT scanners at St. Olavs hospital was conducted. The mean time between scans and the mean duration of the scan were calculated based on collected data from data loggers and current probes. The CT scanner is modelled as a binary component based on these results.

If too many CT scanners are in a state of Scan at the same time, the UPS inverter may overload and the power flow to those CT scanners may have to bypass the UPS rectifier and inverter and flow through the static bypass switch. Generally, three events may occur: (1) there is a power outage of the mains, (2) the emergency backup generators are not running, and (3) the UPS inverter is overloaded. If all three events occur at ones, then the CT scanners will lose their power supply.

By modeling both a Markov process and a reliability block diagram, the availability and mean time between failure are found for the power supply to these CT scanners for different sizes of the UPS. For those configurations of UPS size and numbers of CT scanners that yield an acceptable level of reliability (i.e. MTBF above 60 years), the potential savings are calculated based on historical data from prior construction projects of hospitals in Norway.

By rightsizing the UPS for its intended use and necessary level of system reliability, the cost directly associated with the acquisition of a UPS may be reduced. Current practice dictates that a UPS supplying n number of CT scanners should have an output power of at least n times the maximum power demand of the CTs. In this thesis, it is shown that for n between 3 and 5, the UPS may be sized for the maximum power demand of only two of the connected CT scanners. The potential savings may range from about 100 000kr to 600 000kr, depending on the number of CT scanners installed and their maximum power demand.