質(zhì)子重離子加速器設(shè)備冷卻水系統(tǒng)停機(jī)故障預(yù)防與應(yīng)急優(yōu)化*

李萬宏 朱春杰*

質(zhì)子重離子加速器設(shè)備冷卻水系統(tǒng)停機(jī)故障預(yù)防與應(yīng)急優(yōu)化*

李萬宏①朱春杰①*

目的：通過對(duì)上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院(SPHIC)質(zhì)子重離子加速器設(shè)備(IONTRIS系統(tǒng))冷卻水系統(tǒng)故障進(jìn)行分析，研究停機(jī)故障預(yù)防與應(yīng)急優(yōu)化方法，并評(píng)估這些方法的應(yīng)用效果。方法：分析停機(jī)故障原因，實(shí)施停機(jī)故障預(yù)測(cè)診斷和改造方案。安裝電壓補(bǔ)償器應(yīng)對(duì)外電網(wǎng)波動(dòng)，采用機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)的方法預(yù)防水泵故障，設(shè)計(jì)并安裝應(yīng)急定壓裝置及故障快速切換系統(tǒng)應(yīng)對(duì)定壓裝置故障，同時(shí)設(shè)計(jì)安裝泄漏應(yīng)急系統(tǒng)以降低水泄漏故障的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果：實(shí)施優(yōu)化應(yīng)急方案后，提高了IONTRIS系統(tǒng)加速器冷卻水系統(tǒng)故障應(yīng)急能力。結(jié)論：大型醫(yī)用設(shè)施的設(shè)計(jì)及運(yùn)行需充分考慮安全性和冗余性的要求及故障診斷與應(yīng)急的方案。

質(zhì)子；重離子；加速器；冷卻水；故障預(yù)防；應(yīng)急

上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院(SPHIC)引進(jìn)的西門子質(zhì)子重離子加速器設(shè)備(IONTRIS系統(tǒng))結(jié)構(gòu)龐大，其輔助設(shè)施如循環(huán)冷卻水、配電、環(huán)境HVAC、輻射安全系統(tǒng)(PSS)等均由我國自主設(shè)計(jì)[1]。系統(tǒng)的運(yùn)行管理及維護(hù)采用SPHIC工程師組與西門子服務(wù)團(tuán)隊(duì)(CS)協(xié)同工作模式[2]。IONTRIS系統(tǒng)對(duì)冷卻水的運(yùn)行穩(wěn)定性要求較高，要求全年開機(jī)率達(dá)到99.9%以上[3-4]。IONTRIS系統(tǒng)為防止水流量不穩(wěn)定造成內(nèi)部過熱，在冷卻水各供水支路均設(shè)置流量連鎖開關(guān)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，冷卻水壓力波動(dòng)在0.02 MPa以上即自動(dòng)觸發(fā)連鎖引起IONTRIS系統(tǒng)停機(jī)。故障統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，冷卻水異常造成IONTRIS系統(tǒng)停機(jī)故障的主要原因有外電網(wǎng)波動(dòng)、水泵故障、定壓裝置故障及循環(huán)水泄漏。為此，本研究分析造成這些故障的根本原因，并提出應(yīng)對(duì)方案，旨在完善IONTRIS系統(tǒng)的運(yùn)行保障體系。

1 資料與方法

1.1 故障統(tǒng)計(jì)資料

SPHIC冷卻水系統(tǒng)異常造成IONTRIS系統(tǒng)停機(jī)的故障。

(1)外電網(wǎng)波動(dòng)停機(jī)。2014年監(jiān)測(cè)到外電網(wǎng)波動(dòng)9次，造成IONTRIS系統(tǒng)停機(jī)3次[5]；2015年監(jiān)測(cè)到外電網(wǎng)波動(dòng)12次，造成停機(jī)4次；平均每次停機(jī)時(shí)間30～60 min，2014-2015年因外電網(wǎng)波動(dòng)造成停機(jī)265 min。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，外電網(wǎng)電壓下降17%即造成冷卻水水泵運(yùn)行頻率下降，從而引發(fā)IONTRIS系統(tǒng)流量連鎖停機(jī)。

(2)水泵故障停機(jī)。2014年共發(fā)生冷卻水水泵故障11次，造成IONTRIS系統(tǒng)停機(jī)3次；2015年水泵故障13次，造成停機(jī)2次。因水泵均設(shè)置冗余，平均每次停機(jī)時(shí)間約30 min，2014-2015年因水泵故障共造成停機(jī)150 min。

(3)定壓裝置故障停機(jī)。從2013-2015年共發(fā)生定壓裝置故障8次，造成IONTRIS系統(tǒng)停機(jī)2次，每次停機(jī)約30 min，共停機(jī)60 min。因原設(shè)計(jì)中定壓裝置無冗余，一旦故障不能及時(shí)修復(fù)，將可能造成長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，雖然2次故障未造成長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，但定壓裝置故障的潛在風(fēng)險(xiǎn)較大。

(4)水泄漏停機(jī)。從2012年6月至2015年12月，共發(fā)生水泄漏12次，造成IONTRIS系統(tǒng)停機(jī)6次，其中加速器區(qū)域內(nèi)的大規(guī)模泄漏。水泄漏平均每次處理時(shí)間約120 min，共造成停機(jī)720 min。

(5)其他故障。如溫度偏離、信號(hào)干擾等，雖對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響，但不會(huì)造成停機(jī)，可通過其他方法研究改進(jìn)方案，如在文獻(xiàn)[3-4]中，對(duì)溫度偏離問題進(jìn)行了優(yōu)化。而本研究主要針對(duì)前4類停機(jī)故障進(jìn)行分析研究。

1.2 故障預(yù)防與系統(tǒng)優(yōu)化方案

1.2.1 外電網(wǎng)電壓波動(dòng)的應(yīng)對(duì)方法

在文獻(xiàn)[6-7]中，對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的串聯(lián)補(bǔ)償方法進(jìn)行了研究?；谄溲芯炕A(chǔ)，SPHIC工程師對(duì)成套電壓補(bǔ)償器進(jìn)行了研究，決定在質(zhì)子重離子區(qū)配電系統(tǒng)中針對(duì)冷卻水系統(tǒng)及IONTRIS系統(tǒng)增設(shè)一套電壓補(bǔ)償器，以應(yīng)對(duì)外電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。

電壓補(bǔ)償器包含三相變壓器，變壓器的每個(gè)二次繞組串聯(lián)于輸入線路和負(fù)載之間。通常情況下，其運(yùn)行處于“監(jiān)控狀態(tài)”，變壓器的初級(jí)繞組通過可控硅整流器連接，負(fù)載電流流過變壓器的二次繞組。電壓補(bǔ)償器對(duì)三相平衡輸入電壓中的輸入電壓波形相角偏差進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)由電壓暫降造成的相角偏差，在2 ms內(nèi)通過逆變電路為串聯(lián)變壓器的初級(jí)繞組注入補(bǔ)償電壓。補(bǔ)償電壓以數(shù)、形、相位角方式合成，當(dāng)串聯(lián)異常輸入電壓時(shí)，就形成了三相平衡電壓。當(dāng)正常三相輸入電壓重新接入電壓補(bǔ)償器時(shí)，逆變電路斷開，恢復(fù)到監(jiān)控狀態(tài)。

電壓補(bǔ)償器主要電壓補(bǔ)償參數(shù)為：?jiǎn)蜗嗷螂p相市電電壓暫降至剩余電壓的30%時(shí)，校正至額定電壓的100%；三相市電電壓暫降至剩余電壓的60%時(shí)，校正至額定電壓的100%。

1.2.2 水泵機(jī)械振動(dòng)的檢測(cè)

振動(dòng)檢測(cè)的原理是通過對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的時(shí)域波形和頻域波形進(jìn)行分析，診斷潛在問題。研究表明，通過振動(dòng)波形可判斷90%以上的故障特征[8]。水泵經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，易出現(xiàn)軸承和機(jī)械密封等部件的磨損，而這些磨損難以通過肉眼觀察發(fā)現(xiàn)。此外，在水泵拆卸保養(yǎng)或維修時(shí)，技術(shù)人員因經(jīng)驗(yàn)不足或操作失誤造成的安裝偏差，也會(huì)影響水泵運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)可協(xié)助技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)隱藏的問題。

(1)振動(dòng)檢測(cè)儀器。普盧福振動(dòng)分析儀(PRUFTECHNIK VIBEXPERT Ⅱ)。

(2)檢測(cè)方法。在水平方向、垂直方向及軸向分別安裝振動(dòng)傳感器，獲取振動(dòng)曲線，圖1為傳感器安裝位置。水平方向數(shù)據(jù)異常，可初步判斷問題為風(fēng)機(jī)葉片折斷或配重物松動(dòng)；垂直方向數(shù)據(jù)異常可初步判定為地腳松動(dòng)、基座異?；蜉S承間隙變大；軸向數(shù)據(jù)異?？膳卸樾D(zhuǎn)軸中心偏移、齒輪磨損、安裝松動(dòng)或旋轉(zhuǎn)軸彎曲。

圖1 振動(dòng)傳感器安裝位置圖

振動(dòng)烈度參考國際標(biāo)準(zhǔn)ISO10816-3。本研究對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的理解為：對(duì)于15～300 kW的水泵的機(jī)械振動(dòng)范圍：0～1.5 mm/s為可接受；1.5～4.5 mm/s為狀態(tài)較差；＞4.5 mm/s為狀態(tài)極差，急需維修。

1.2.3 定壓裝置故障的預(yù)防

為維持系統(tǒng)壓力恒定，在每一個(gè)循環(huán)水子系統(tǒng)的回水端，均設(shè)置一臺(tái)定壓裝置。SPHIC冷卻水系統(tǒng)采用Reflex空壓式隔膜定壓裝置，每臺(tái)定壓裝置與純水供水系統(tǒng)連接，實(shí)時(shí)調(diào)整在線壓力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力恒定。當(dāng)定壓裝置出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)壓力將無法穩(wěn)定。為此，增設(shè)一臺(tái)應(yīng)急定壓裝置，通過管路與各子系統(tǒng)定壓裝置連接，當(dāng)任意一臺(tái)在線定壓裝置故障時(shí)，應(yīng)急定壓裝置即自動(dòng)匹配定壓值與故障的在線定壓裝置一致，并通過閥門切換與該子系統(tǒng)連接，滿足應(yīng)急要求[9]。

1.2.4 泄漏檢測(cè)及應(yīng)急方法

IONTRIS系統(tǒng)需要冷卻的部件遍布系統(tǒng)的各個(gè)位置，連接管路復(fù)雜，泄漏問題難以杜絕。如果泄漏不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能引發(fā)嚴(yán)重安全問題。為此，增設(shè)泄漏應(yīng)急系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)各子系統(tǒng)回水端壓力值及定壓裝置累積補(bǔ)水時(shí)間來判斷系統(tǒng)是否有泄漏。檢測(cè)到泄漏信號(hào)后，觸發(fā)停機(jī)連鎖，關(guān)閉水泵及各支路進(jìn)出水閥門，減少泄漏影響。

2 結(jié)果

2.1 電壓補(bǔ)償器投入使用后的監(jiān)測(cè)結(jié)果

電壓補(bǔ)償器投入使用后，于2016年11月6日監(jiān)測(cè)到一次電網(wǎng)波動(dòng)，電壓跌落到額定電壓的80%，波動(dòng)持續(xù)時(shí)間為84 ms，電壓補(bǔ)償器有效地將電壓補(bǔ)償?shù)筋~定電壓，未造成停機(jī)。因目前電壓補(bǔ)償器的安裝完成時(shí)間較短，其對(duì)于外電網(wǎng)波動(dòng)的補(bǔ)償效果還在持續(xù)監(jiān)控中。監(jiān)測(cè)到的報(bào)警信息如圖2所示。

圖2 電壓補(bǔ)償器監(jiān)測(cè)結(jié)果界面圖

2.2 水泵機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)的結(jié)果

按照ISO 10816-3的振動(dòng)基準(zhǔn)值，于2015年9月和2016年8月對(duì)冷卻水系統(tǒng)的21臺(tái)威樂水泵(功率均在15～55 kW之間)進(jìn)行了2次振動(dòng)測(cè)量。2015年的測(cè)量中發(fā)現(xiàn)需要立即維修的水泵2臺(tái)，狀態(tài)較差的水泵2臺(tái)；2016年的測(cè)量中發(fā)現(xiàn)4臺(tái)水泵需要立即維修，2臺(tái)水泵狀態(tài)較差?；谡駝?dòng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，水泵維護(hù)工程師進(jìn)行了拆卸維修，排除了隱藏問題，避免了故障停機(jī)。截取測(cè)試記錄的2個(gè)正常振動(dòng)和異常振動(dòng)對(duì)比曲線如圖3所示。

圖3 振動(dòng)測(cè)量曲線圖

2.3 應(yīng)急定壓裝置設(shè)計(jì)

定壓裝置的供水均取自純水系統(tǒng)循環(huán)供水管路，在定壓裝置與每個(gè)子系統(tǒng)的連接點(diǎn)，設(shè)置2個(gè)閥門，當(dāng)某系統(tǒng)的在線定壓裝置故障時(shí)，關(guān)閉該故障定壓裝置與系統(tǒng)連接的閥門，開啟與應(yīng)急定壓裝置連接的閥門，并匹配應(yīng)急定壓裝置的定壓值與故障應(yīng)急定壓裝置一致。如直線系統(tǒng)定壓裝置故障時(shí)，其應(yīng)急切換過程為：①關(guān)閉直線系統(tǒng)定壓裝置與系統(tǒng)的連接閥門M11；②應(yīng)急定壓裝置匹配定壓值與直線系統(tǒng)定壓裝置一致；③開啟閥門M1，待應(yīng)急定壓裝置壓力穩(wěn)定；④開啟應(yīng)急定壓裝置與直線系統(tǒng)連接閥門M10，完成應(yīng)急切換，整個(gè)切換過程全自動(dòng)完成。應(yīng)急定壓裝置與冷卻水子系統(tǒng)連接如圖4所示。

圖4 應(yīng)急定壓裝置與系統(tǒng)連接圖

圖5 為直線加速器系統(tǒng)應(yīng)急定壓裝置無泄漏狀態(tài)下的切換壓力曲線，其中，箭頭處顯示的微小波動(dòng)為切換時(shí)的壓力波動(dòng)，波動(dòng)值＜0.02 MPa，實(shí)驗(yàn)過程中未造成IONTRIS停機(jī)。但目前對(duì)于泄漏后連續(xù)補(bǔ)水時(shí)壓力控制精度仍在做深入實(shí)驗(yàn)研究。

圖5 應(yīng)急定壓裝置無泄漏切換壓力曲線圖

2.4 泄漏監(jiān)測(cè)及應(yīng)急系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

泄漏監(jiān)測(cè)及應(yīng)急系統(tǒng)工作模式。

(1)泄漏監(jiān)測(cè)及應(yīng)急系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各子系統(tǒng)的回水端壓力及定壓補(bǔ)水裝置的補(bǔ)水開關(guān)信號(hào)。

(2)泄漏應(yīng)急系統(tǒng)觸發(fā)條件。①如果回水端壓力低于設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)應(yīng)急模式。離子源、輸運(yùn)線、同步環(huán)以及直線加速器4個(gè)系統(tǒng)的回水端設(shè)定壓力下降1 bar為觸發(fā)條件，射頻系統(tǒng)回水端設(shè)定壓力降至0.1 bar為觸發(fā)條件，為防止壓力傳感器故障造成的誤觸發(fā)，壓力值取同一段管道的2個(gè)壓力傳感器數(shù)據(jù)；②如果檢測(cè)到任何一定壓裝置處于補(bǔ)水狀態(tài)，開始計(jì)時(shí)。如果任一子系統(tǒng)出現(xiàn)連續(xù)6 min的補(bǔ)水信號(hào)，觸發(fā)應(yīng)急模式。該觸發(fā)功能需建立在定壓裝置穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)上，如果定壓裝置補(bǔ)水開關(guān)故障將可能誤觸發(fā)，所以該觸發(fā)條件的適用性目前還在持續(xù)追蹤和研究。

(3)系統(tǒng)進(jìn)入泄漏應(yīng)急模式后，將信號(hào)發(fā)送至IONTRIS系統(tǒng)，IONTRIS系統(tǒng)收到該信號(hào)后，發(fā)送確認(rèn)信號(hào)回冷卻水系統(tǒng)后，隨后IONTRIS系統(tǒng)自動(dòng)斷電，同時(shí)，機(jī)房?jī)?nèi)發(fā)出聲光報(bào)警。

(4)冷卻水收到IONTRIS系統(tǒng)的確認(rèn)信號(hào)后，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，2 min后關(guān)閉離子源、同步加速器、直線加速器以及束流輸運(yùn)系統(tǒng)的冷卻水供水；12 min后關(guān)閉射頻系統(tǒng)冷卻水供水。

系統(tǒng)做好應(yīng)急停機(jī)后，由操作人員進(jìn)行故障修復(fù)，泄漏修復(fù)完成后進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。經(jīng)測(cè)試，泄漏應(yīng)急系統(tǒng)在回水端壓力下降至設(shè)定值以下時(shí)，均能有效地啟動(dòng)應(yīng)急模式，但對(duì)于不造成系統(tǒng)壓力下降的微小泄漏，當(dāng)前狀態(tài)尚不穩(wěn)定，SPHIC工程師正進(jìn)一步研究應(yīng)對(duì)方案。

3 討論

IONTRIS系統(tǒng)的臨床應(yīng)用是當(dāng)前腫瘤治療領(lǐng)域的前沿技術(shù)，目前國內(nèi)外均處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)[10-11]。因該設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行精度要求高，對(duì)輔助設(shè)備設(shè)施的設(shè)計(jì)及運(yùn)行穩(wěn)定性要求較高，通過總結(jié)SPHIC冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行安全進(jìn)行如下討論。

(1)冗余設(shè)計(jì)的必要性。安全級(jí)高的設(shè)備，如循環(huán)水泵、定壓裝置均應(yīng)設(shè)置冗余，但考慮到成本因素，冗余方式可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況設(shè)計(jì)成一用一備或多用一備及自動(dòng)切換方式，必要的冗余能夠避免設(shè)備故障時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。

(2)供配電系統(tǒng)的安全性。醫(yī)療設(shè)備的運(yùn)行關(guān)系患者治療的安全，供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要充分考慮設(shè)備運(yùn)行需要，除應(yīng)急時(shí)所需的UPS、EPS及柴油發(fā)電機(jī)外，還需要進(jìn)一步考慮電網(wǎng)波動(dòng)的應(yīng)對(duì)、多路供電快速切換的方案、電磁兼容設(shè)計(jì)、接地抗干擾等因素[12-14]。

(3)水泄漏安全防護(hù)與應(yīng)急。需要考慮水泄漏可能對(duì)設(shè)備造成的危害及造成停機(jī)對(duì)治療的影響，同時(shí)，考慮水中金屬雜質(zhì)的輻射活化反應(yīng)等因素影響，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮泄漏監(jiān)測(cè)與應(yīng)急防護(hù)[15]。

(4)應(yīng)用輔助檢測(cè)手段進(jìn)行故障診斷。合理利用監(jiān)測(cè)儀器對(duì)設(shè)備的隱藏故障進(jìn)行診斷，如機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)及紅外線測(cè)溫[16-17]。還需要采用輔助儀表進(jìn)行水質(zhì)的定期測(cè)量，水中金屬成分及放射性測(cè)量等。

當(dāng)前，基于互聯(lián)網(wǎng)+模式下的大數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展迅速，在后期研究中，將結(jié)合智能信息處理，進(jìn)一步提高系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分析及故障診斷的智能化水平。

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The prevention and emergency optimization of shutdown fault of cooling water system of proton and heavy ion accelerator

/LI Wan-hong,
ZHU Chun-jie//China Medical Equipment,2017,14(10):19-22.

Objective: To research the prevention and emergency optimization of shutdown fault of cooling water system of proton and heavy ion accelerator, and elucidate their application effect through analyzed the fault of cooling water system of accelerator (IONTRIS)in SPHIC. Methods: Through analyzed the reasons of shutdown faults, the predictive diagnosis and reconstruction scheme of shutdown fault were implemented. The voltage compensator was installed for preventing the voltage fluctuation of external power grid. And the detection method of mechanical vibration was used to prevent fault of water pump. The emergency constant pressure facility and rapid switching system of fault were designed and installed to prevent fault of constant pressure facility. At the same time, the emergency system of preventing leakage was designed and installed to reduce the risk of water leakage. Results: After the optimal emergency scheme was implemented, the ability of fault emergency of cooling water system of proton and heavy ion accelerator were enhanced and improved. Conclusion: The design and operation of large medical facilities need to fully consider the requirements for security and redundancy and scheme for faults diagnosis and emergency.

Proton; Heavy ion; Accelerator; Cooling water; Faults prevention; Emergence scheme

Department of Logistics Support, Shanghai Proton and Heavy Ion Center, Shanghai 201321, China.

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.10.006

李萬宏,男,(1981- ),碩士，工程師。上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院后勤保障部，從事質(zhì)子重離子加速器及其輔助設(shè)備設(shè)施運(yùn)行維護(hù)管理及相關(guān)研究。

2017-07-09

1672-8270(2017)10-0019-04

R812

A

上海市科委科研計(jì)劃(16511102500)“互聯(lián)網(wǎng)+模式下大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的重大醫(yī)療設(shè)施智能化運(yùn)維”

①上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院后勤保障部 上海 201321

*通訊作者：zhucjcitiz@163.com