医院质子重离子医疗设备压力控制研究

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摘要：某医院利用质子和重离子技术专业治疗肿瘤，是具有世界领先技术的专科性医院。医院的质子重离子区域对冷却水温度、压力的控制精度有极高的要求，它是直接影响到质子重离子区域医疗设备能否正常运行的关键条件。通过对某医院冷却水系统温度及压力控制的充分研究及详细设计，整套系统安全稳定运转，全面保障质子重离子区域的直线加速器等医疗设备的正常运行。

关键词：PT（质子重离子医疗）；冷却水；温度；压力

上海某医院主要利用高能射线治疗肿瘤，在日常的医疗活动中，需要防护辐射，减少辐射带来的危害。如何利用智能化技术手段实时监视、自动控制、统一管理PT（质子重离子医疗）区内的各种机电设备，从而保证各种设备的正常运行，是智能化系统建设的重要任务。PT区域是全院的核心所在，PT区域配套保障系统及医院常规智能化系统分别是医院正常运营的核心部分和基础部分。医院常规智能化系统的建设和实施的目的是为医院正常开展工作提供基础保障平台。PT区域的冷却水温度压力控制系统为医院直线加速器等专业医疗设备的正常运行提供支撑和保障。如何利用智能化技术对PT区域的冷却水温度和压力做出精准控制则是本项目的技术重点和技术难点。PT区域的冷却水温度的控制要求在±0.5℃和±1℃之间，各水管接口的温度压力均有要求达到的测量值。在这个温度压力允许范围内，通过调节冷却水的阀门、泵和电热器的制热比例等各种控制手段，最终达到接口温度和水流压力的恒定。

1工艺冷却水的系统划分及技术要求

1.1一次冷却水系统

一次冷却水系统分为直线加速器系统、直线及离子源房系统、同步辐射冷却水系统三部分，其技术参数和要求见表1。需要注意的是，每个Header（冷却水前端装置）的水冷负荷已包括安全余量，实际运行时整个工艺冷却水系统的总冷负荷不大于3500kW。

1.2二次冷却水系统

二次冷却水系统作为一个整体系统，根据冷却水温度、控制精度和调试方式等条件设置为三个分路子系统，其技术参数和要求见表2。

2接口冷却水的温度要求

主要的循环水量，也就是流经大部分接头（分流器）的水，温度应该保持27℃±1℃。对于高频系统管道的接头，循环水流经的温度在29℃±1℃。这部分系统有很高的水压。直线加速器必须使用没有处理过的水来运行和冷却。冷却水的温度在29℃±0.5℃。

3系统压力

连接循环水的主流量的接头都按照最大10bar的系统压力来设计，并在开放的位置安装安全阀保护，以防止超过最大可允许的压力。如果逆水流安装的压力传感器探测到流过的水流压力超过了限制，离心泵就会自动关闭。这些逆流压力传感器会在接头一个连一个开动时，保证主泵的正常运行。激活连续的接头是另外一种调节接头顺流压力的办法，这样在连接的时候有理想的压力差。流过直线加速器和高频区的循环水应该通过热交换器与主循环水流隔离，并在压力上分别考虑。在直线加速器里，系统压力损失是2bar，最高可允许的输入压力是6bar。在这个接头处，系统的注入压力必须被监控和限制，必须安装一个适当的安全阀以防止压力过高。高频区的管道有3bar的压力损失，允许最大压力5bar。在这里，必须使用安全阀精确地限制系统压力。

4系统实现功能

冷却水系统是用来抵消医疗装置运行时产生的热量，控制装置处的温度，使其保持在合理的范围内，冷却水自控系统的性能是PT设备能否正常运行的关键条件。冷却水系统控制冷却水进入医疗装置前的温度在±0.5℃和±1℃之间。各水管接口的温度最终所要求达到的测量值见表3。在这个温度允许范围内，通过调节冷却水的阀门、泵以及调节电热器的制热比例等各种控制手段，最终达到接口温度的恒定。

5整体解决方案

5.1二次水系统

1）控制要求四台循环水泵：CTP-1-1~4（三用一备）；三台冷却塔：CT-R-4~6；五台冷冻水板式换热器：PHE-1-6~10；一个旁通电动控制阀；一台闭式储水箱：WT-1-6。旁通电动控制阀调节：循环水泵前的进水的目标温度设定为28℃（暂定），应根据设定的目标温度和实际温度的差值进行比较，计算需要经冷却塔冷却的进水量，采用PID（比例-积分-微分）控制方式调节旁通电动控制阀的开度。冷却塔控制：每台冷却塔有1台变频风机，当系统正常运行时，控制打开冷却塔的进水电动阀。气温由高变低：当水温高于设定温度某一数值时，三台冷却塔风机在工作频率下运行。当水温逐渐下降并接近所设定的目标温度时，系统根据设定的目标温度和实际温度的差值进行比较，计算需要冷却的热量，采用PID控制方式调节冷却塔风机的工作频率，使得冷却塔风机全部停止工作。气温由低变高：当水温低于设定温度某一数值时，三台冷却塔风机停止运行。当水温逐渐上升并高于所设定的目标温度时，系统根据设定的目标温度和实际温度的差值进行比较，计算需要冷却的热量，采用PID控制方式调节冷却塔风机的工作频率，使得冷却塔风机在工作频率下正常运行。二次水循环泵进水温度设定值：直线加速器系统二次水的被控温度目标值为18℃，而其他系统二次水的被控温度目标值为24℃，目标温度值相差有6℃，进二次水循环泵的水温度的目标值28℃是否合理有待调试、运行时验证。一旦二者不能兼顾，需要相关单位决定以哪个系统为优先。冷冻水板式换热器（PHE-1-6）的控制：由于二次水系统的回水温度低于32℃，故在夏季冷却塔是无法提供冷却能力的。这时可以通过旁通管路避开冷却塔，直接由冷水板式换热器冷却达到所需的温度。在过渡季节，当冷却塔的出水温度低于二次水系统的回水温度时，则首先由冷却塔冷却，然后由冷水板式换热器进一步冷却达到所需的温度。直线加速器系统冷冻水板式换热器二次侧出水的目标温度设定为18℃，被控温度应根据设定的目标温度和实际温度的差值进行比较，计算需要冷却的热量、对应冷冻水板式换热器一次侧的冷冻水量，采用PID控制方式，调节冷冻水二通电动控制阀的开度，控制被控温度不偏离目标温度值。冷冻水板式换热器（PHE-1-7）的控制：射频系统冷冻水板式换热器二次侧出水的目标温度设定为24℃，被控温度应根据设定的目标温度和实际温度的差值进行比较，计算需要冷却的热量、对应冷冻水板式换热器一次侧的冷冻水量，采用PID控制方式，调节冷冻水二通电动控制阀的开度，控制被控温度不偏离目标温度值。冷冻水板式换热器（PHE-1-8）的控制：直线及离子源房系统冷冻水板式换热器二次侧出水的目标温度设定为24℃，被控温度应根据设定的目标温度和实际温度的差值进行比较，计算需要冷却的热量、对应冷冻水板式换热器一次侧的冷冻水量，采用PID控制方式，调节冷冻水二通电动控制阀的开度，控制被控温度不偏离目标温度值。冷冻水板式换热器（PHE-1-9）的控制：输运线冷却水系统冷冻水板式换热器二次侧出水的目标温度设定为24℃，被控温度应根据设定的目标温度和实际温度的差值进行比较，计算需要冷却的热量、对应冷冻水板式换热器一次侧的冷冻水量，采用PID控制方式，调节冷冻水二通电动控制阀的开度，控制被控温度不偏离目标温度值。冷冻水板式换热器（PHE-1-10）的控制：同步辐射冷却水系统冷冻水板式换热器二次侧出水的目标温度设定为24℃，被控温度应根据设定的目标温度和实际温度的差值进行比较，计算需要冷却的热量、对应冷冻水板式换热器一次侧的冷冻水量，采用PID控制方式，调节冷冻水二通电动控制阀的开度，控制被控温度不偏离目标温度值。2）监测要求监控二次水循环水泵的运行，故障状态，二次水泵进出水压力；监控冷却塔风机的手/自动，运行，故障，启停状态；监控蝶阀的开，关，启停状态；监视旁通调节阀反馈信号；监视冷却塔水出水温度。监视闭式水箱的温度；监视循环水的电导率；冷冻水板式换热器的进出水温度、二次水进冷冻水板式换热器的压力。3）监控逻辑当二次循环水泵全关状态时，冷却塔进水蝶阀关闭，冷却塔风机关闭，二次水旁通阀关闭。冷冻水板式换热器PHE-1-6~10二通调节阀关闭，一次水板式换热器PHE-1-1~5三通调节阀关闭。

5.2直线加速器系统（一次水）

1）一次水板式换热器（PHE-1-1）的控制直线加速器系统一次水板式换热器PHE-1-1一次侧出水的目标温度设定为20℃，被控温度应根据设定的目标温度和实际温度的差值进行比较，计算需要冷却的热量、对应一次水板式换热器二次侧的冷却水量，采用PID控制方式，调节二次水三通电动控制阀的开度，使得控制温度不偏离目标温度值。2）电加热（DR-1-1）的控制电加热DR-1-1出水的目标温度设定为20℃，被控温度应根据设定的目标温度和实际温度的差值进行比较，计算出需要补充调节的热量，采用PID控制方式，调节电加热DR-1-1的加热功率，使得控制温度不偏离目标温度值。电加热器根据水泵的运行状态投入调节控制。当水温高于某个设定值（如45℃）时，为避免出现异常情况，控制系统必须关闭电加热器DR-1-1。3）检测一次水板式换热器PHE-1-1的进出水温度、三通调节水阀的开度反馈；电加热器DR-1-1的手/自动、状态、故障、三相电流值；#30医疗装置的进水溶解氧含量、PH值、电导率、压力、温度，出水压力、温度、流量，进出水开关阀状态；一次水循环水泵的运行、故障状态，循环泵出水的压力。4）监控逻辑系统要求运行：打开一次水循环水泵，水泵的运行状态信号反馈至控制器，控制器通过确认电加热输出为零时，打开电加热器的启动信号，并根据现场温度状况调节电加热器的实际功率。系统要求停止：关闭电加热器的功率输出，控制器确定电流为零时，发出正常停止的指令信号，否则发出信号报警；当确认电加热器正常停止工作时，一次循环水泵方可停止工作。系统发生设备故障、跳闸和漏水等情况：自控系统调节电加热输出至零；自控系统给电加热发出触发短路信号，延时半分钟，电加热主回路关闭；主回路电源切断。

5.3直线及离子源房系统（一次水）

1）一次水板式换热器（PHE-1-3）的控制直线及离子源房系统一次水板式换热器PHE-1-3一次侧出水的目标温度设定为27℃，被控温度应根据设定的目标温度和实际温度的差值进行比较，计算需要冷却的热量、对应一次水板式换热器二次侧的冷却水量，采用PID控制方式，调节二次水三通电动控制阀的开度，使得控制温度不偏离目标温度值。2）电加热（DR-1-3）的控制电加热DR-1-3出水的目标温度设定为27℃，被控温度应根据设定的目标温度和实际温度的差值进行比较，计算出需要补充调节的热量，采用PID控制方式，调节电加热DR-1-3的加热功率，使得控制温度不偏离目标温度值。电加热器根据水泵的运行状态投入调节控制。当水温高于某个设定值（如45℃）时，为避免出现异常情况，控制系统必须关闭电加热器DR-1-3的输出。3）检测分别检测：电加热器DR-1-3的手/自动状态、故障信号和三相电流值；一次水板式换热器PHE-1-3的进出水温度值及三通调节水阀的开合度状态。直线及离子源房系统医疗装置进水部分的压力、温度、电导率和PH值，出水部分的压力和温度。其他各医疗装置的进/出水部分的压力、温度和流量，进出水开关阀的状态。监视一次水循环水泵的运行、故障状态，循环泵出水的压力。4）监控逻辑系统要求运行：首先打开一次水循环水泵，水泵的运行状态信号反馈至控制器，控制器通过确认电加热输出为零时，打开电加热器的启动信号，并根据现场温度状况调节电加热器的实际功率。系统要求停止：关闭电加热器的功率输出，控制器确定电流为零时，发出正常停止的指令信号，否则发出信号报警；当确认电加热器正常停止工作时，一次循环水泵方可停止工作。系统发生设备故障、跳闸和漏水等情况：自控系统调节电加热输出至零；自控系统给电加热发出触发短路信号，延时半分钟，电加热主回路关闭；主回路电源切断。

5.4同步辐射冷却水系统（一次水）

1）一次水板式换热器（PHE-1-5）的控制同步辐射冷却水系统一次水板式换热器PHE-1-5一次侧出水的目标温度设定为27℃，被控温度应根据设定的目标温度和实际温度的差值进行比较，计算需要冷却的热量、对应一次水板式换热器二次侧的冷却水量，采用PID控制方式，调节二次水三通电动控制阀的开度，使得控制温度不偏离目标温度值。2）电加热（DR-1-5）的控制电加热DR-1-5出水的目标温度设定为27℃，被控温度应根据设定的目标温度和实际温度的差值进行比较，计算出需要补充调节的热量，采用PID控制方式，对电加热DR-1-5的加热功率进行调节，使得控制温度不偏离目标温度值。电加热器根据水泵的运行状态投入调节控制。当水温高于某个设定值（如45℃）时，为避免出现异常情况，控制系统必须关闭电加热器DR-1-5的输出。3）检测一次水板式换热器PHE-1-5的进出水温度、三通调节水阀的开度反馈；电加热器DR-1-5的手/自动、状态、故障、三相电流值；同步辐射冷却水系统医疗装置的进水PH值、电导率、压力、温度，出水压力温度；各医疗装置的进水压力、温度，出水压力、温度、流量，进出水开关阀状态；一次水循环水泵运行、故障状态，循环泵出水的压力。4）监控逻辑系统要求运行：打开一次水循环水泵，水泵的运行状态信号反馈至控制器，控制器确认电加热输出为零时，打开电加热器的启动信号，并根据现场温度状况调节电加热器的实际功率。系统要求停止：关闭电加热器的功率输出，控制器确定电流为零时，发出正常停止的指令信号，否则发出信号报警；当确认电加热器正常停止工作时，一次循环水泵方可停止工作。系统发生设备故障、跳闸和漏水等情况：自控系统调节电加热输出至零；自控系统给电加热发出触发短路信号，延时半分钟，电加热主回路关闭；主回路电源切断。

6结束语

通过对医院整个工艺冷却水系统温度及压力控制的充分研究及详细设计，在经过长时间的单机试运行和联动试运行后，整套系统运已经安全稳定地运转起来。将常规智能化技术和自动化控制技术通过集成二次开发的手段相互结合，实现对冷却水温度及压力的精准控制，保障了直线加速器等医疗设备的全面运行，这是医院正常开展工作的基础。这套系统也为以后医疗领域智能化技术的专业应用起到了示范作用。

作者：尹松 单位：上海友益通信科技有限公司