吳 立 李文靜 陸 佼 金惠明 張 青 袁平鈞 方國平

(中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800)

上海光源(SSRF)由150 MeV電子直線加速器、低能輸運線、3.5 GeV增強器、高能輸運線、3.5 GeV儲存環(huán)、同步輻射光束線和用戶實驗室等組成。加速器運行過程中，各種工藝設備所消耗的電能大多轉化為熱能，這些設備需用冷卻水將熱量帶走，以確保其正常運行。此外，光源裝置設備中，很多磁鐵設備通過線圈通電獲得磁場，為降低線圈溫度，須由冷卻水直接冷卻，而冷卻水溫度變化引起的設備空間位置變化會對束流穩(wěn)定度造成很大影響，不但無法獲得精確實驗數(shù)據(jù)，嚴重時還會影響裝置的壽命。因此，須用恒溫水對設備的工作環(huán)境溫度加以調節(jié)控制，以保證工藝設備在嚴格的恒溫條件下工作。

1 工藝冷卻水系統(tǒng)概況

1.1 冷卻水系統(tǒng)設置與功能

工藝冷卻水系統(tǒng)采用低電導率循環(huán)水(稱一次水，封閉式回路)作為傳熱介質與冷卻對象直接接觸，帶走用水設備的熱功耗，并通過板式換熱器將熱量傳遞給冷卻塔循環(huán)水(稱二次水，敞開式回路)，再經冷卻塔將熱量散發(fā)于外界大氣中或用冷凍機帶走熱量(圖1)。

圖1 工藝水控制系統(tǒng)圖Fig.1 The cooling water control system diagram.

一次水經過一次板式換熱器，根據(jù)板式換熱器一次水總管上的出水溫度控制進入該板式換熱器的二次冷卻水流量；此溫度的設定值略低于運行溫度0.2℃–0.3℃。一次水由管道式加熱器加熱，并控制出水溫度的精度。在這個兩級調節(jié)系統(tǒng)中，三通閥是粗調，電加熱是細調。

電加熱作用如下：(1) 在系統(tǒng)長期停機后再開機時，可通過電加熱快速加溫到設定溫度內；(2) 電加熱的電源為可控硅交流調壓，調節(jié)速度快，當負載變化或二次水溫變化時，電加熱由于可控硅電源快速調節(jié)，確保工藝冷卻水能快速達到加速器所需溫度，節(jié)約加速器調速時間，從而達到節(jié)能效果[1]。

1.2 一次水系統(tǒng)

一次工藝冷卻水系統(tǒng)根據(jù)加速器系統(tǒng)劃分為11個系統(tǒng)，分別為直線加速器(速調管，聚焦線圈)(35±0.5)℃，直線加速器(波導)(43.5±0.5)℃，直線加速器(加速管，聚束器)(43.5±0.1)℃，增強器磁鐵(30±1)℃，增強器磁鐵電源(30±1)℃，增強器高頻(30±1)℃，儲存環(huán)磁鐵(30±0.2)℃，儲存環(huán)磁鐵電源(30±1)℃，儲存環(huán)鋁真空盒(30±0.2)℃，儲存環(huán)高頻(30±1)℃，同步輻射線站(30±1)℃。

1.3 二次水系統(tǒng)

二次冷卻水系統(tǒng)根據(jù)冷卻水溫度條件合并為三個系統(tǒng)，分別為直線35℃和43.5℃二次冷卻系統(tǒng)以及增強器、儲存環(huán)、線站二次冷卻系統(tǒng)。

2 節(jié)能措施分析

以增強器、儲存環(huán)、線站組成的二次冷卻系統(tǒng)為例(圖2)，按不同工況分析如下[2]：

圖2 增強器/儲存環(huán)/線站冷卻水系統(tǒng)框圖Fig.2 Cooling water system for the booster, the storage ring and the beamlines & experimental stations.

(1) 加速器處于無負載和低負載情況下，控制二次水水箱旁通閥，減少二次水通過冷卻塔的水量，二次水由開式轉換成閉式運行，并逐步升溫，使一次板式換熱器換熱量減小，加上一次水泵功率轉化為一次水的溫升，可進一步減小電加熱的加熱量，或退出電加熱，節(jié)約電加熱的用電量。

(2) 加速器處于高負載情況下，通過控制二次水水箱的旁通閥和開啟冷卻塔風機確保二次水水箱溫度穩(wěn)定在設定溫度內，使二次水水溫既能滿足一次水的換熱要求又可減少風機投入個數(shù)和一次水電加熱的投入，從而達到節(jié)能效果。

(3) 加速器處于高負載情況下，首先由冷卻塔通過空氣降溫。若冷卻塔無法滿足二次水系統(tǒng)的降溫要求，再通過冷凍水給冷卻塔的回水進行二次降溫。盡量減少冷凍機的投入，節(jié)約電能。

(4) 春秋兩季加速器高負載運行時，隨著環(huán)境溫度的上升，冷卻塔無法滿足工藝設備所需的散熱量，需要冷凍機提供冷量幫助冷卻二次水，但是需求量不大，而空調需冷量也不大，因此，原設計獨立運行的供冷系統(tǒng)可改為并聯(lián)運行系統(tǒng)，這樣，開啟一臺工藝冷凍機或空調冷凍機即可滿足兩者的使用需要又不會頻繁啟停，達到節(jié)能目的。

(5) 盛夏季節(jié)加速器高負載時，二次水板式換熱器出水溫度在30℃左右，空氣濕球溫度高于冷卻塔進水溫度，此時，冷卻塔完全失去作用甚至吸收大氣熱量增加冷凍機的負擔。因此，系統(tǒng)設計為當二次水進入冷卻塔的水溫低于冷卻塔出水溫度時，開啟二次水水箱上的旁通閥，使二次水不再通過冷卻塔，從而避免冷凍機冷卻自然界熱量。

(6) 設備正常運行且負載穩(wěn)定時，電加熱依然處于運行加載狀態(tài)，為使電加熱退出運行，從而節(jié)省能源達到節(jié)約運行成本的目的，經反復調試后改進控制流程，原兩點控制改為一點控制，由電加熱出水溫度可同時控制三通閥和電加熱，改進后的工藝水控制系統(tǒng)如圖3所示。

控制方式為PID控制，控制邏輯如下：

當電加熱出水溫度高于設定溫度時，調節(jié)三通閥趨于打開方向運行，加大流經一次板式換熱器的冷卻水量，增加冷卻能力，迫使電加熱出水溫度下降；同時，調節(jié)電加熱輸出功率趨于小的方向運行，減少加熱量，也迫使電加熱出水溫度下降。

當電加熱出水溫度低于設定溫度時，調節(jié)三通閥趨于關閉方向運行，減小流經一次板式換熱器的冷卻水量，減少冷卻能力，迫使電加熱出水溫度上升；同時，調節(jié)電加熱輸出功率趨于大的方向運行，增加加熱量，也迫使電加熱出水溫度上升。

調試中把三通閥的設定溫度設置得略高于電加熱的設定溫度，這樣，當系統(tǒng)經過如上的調整過程后，設備進入正常運行狀態(tài)且負載穩(wěn)定時，電加熱會自動逐漸退出，僅由電動三通閥調節(jié)通過板式換熱器的二次水量來恒定控制一次水的水溫，這時，只要適當調整二次水溫度保證三通閥在線性調節(jié)范圍內，就可保證一次水的供水溫度精度。

圖3 改進后的工藝水控制系統(tǒng)圖Fig.3 Diagram of the improved cooling water control system.

以增強器磁鐵系統(tǒng)為例，末端負載穩(wěn)定時實際監(jiān)控界面如圖 4所示。由圖，回水溫度 2-T05為40.50℃，系統(tǒng)末端處于負載穩(wěn)定狀態(tài)；二次水三通閥2-V02控制輸出開度為60.39%，處于線性調節(jié)范圍內；三通閥和電加熱均控制電加熱的出口溫度2-HT05，前者的設定溫度為 30.01℃，后者的設定溫度為29.95℃，低于前者0.06℃，電加熱的A相、B相、C相初級電流分別為0.01、0.15、0.10 A，因此可認為電加熱器基本退出了加載狀態(tài)。同時，被控溫度點2-HT05溫度趨勢圖也很穩(wěn)定(如圖5)，圖5中上方曲線為回水溫度2-T05，下方曲線為被控溫度2-HT05，21點至次日早上9點加速器末端處于加載狀態(tài)，其它時候則均處于無負載狀態(tài)，可見系統(tǒng)穩(wěn)定時無論有負載或無負載，被控溫度均能滿足±1℃的控制精度要求。

上海光源運行時的負載穩(wěn)定，11個一次水系統(tǒng)的電加熱可基本退出運行，可節(jié)約可觀的運行成本。

綜上所述，系統(tǒng)根據(jù)加速器末端不同工況條件并綜合各種因素，合理利用冷卻塔、冷凍機組、電加熱和旁通閥等設備，科學安排控制流程，從而最大程度地達到了節(jié)能的效果。

圖4 增強器磁鐵工藝水的監(jiān)控界面Fig.4 Control interfaces of the booster magnet system.

3 小結

工藝冷卻水系統(tǒng)在配合加速器調試運行兩年多時間里不斷完善整個工藝水系統(tǒng)的控制流程，優(yōu)化系統(tǒng)的運行狀態(tài)，在節(jié)能環(huán)保前提下達到了設計指標，為加速器的穩(wěn)定運行提供了可靠保障。

圖5 增強器磁鐵一次水24 h溫度趨勢圖Fig.5 Water temperature of the booster magnet system.

1 張 琴, 張 耀, 李文靜, 等, 核技術, 2009, 32(11):818–822 ZHANG Qin, ZHANG Yao, LI Wenjing,et al. Nucl Tech,2009, 32(11): 818–822

2 壽煒煒, 張偉程, 滕汜穎, 等. 暖通空調, 2008, 38(6):71–75 SHOU Weiwei, ZHANG Weicheng, TENG Siying,et al.Heat Vent Air Cond, 2008, 38(6): 71–75