李萬宏 朱春杰*

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

李萬宏①朱春杰①*

目的：通過對上海市質(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)故障進行分析，研究停機故障預防與應急優(yōu)化方法，并評估這些方法的應用效果。方法：分析停機故障原因，實施停機故障預測診斷和改造方案。安裝電壓補償器應對外電網(wǎng)波動，采用機械振動檢測的方法預防水泵故障，設(shè)計并安裝應急定壓裝置及故障快速切換系統(tǒng)應對定壓裝置故障，同時設(shè)計安裝泄漏應急系統(tǒng)以降低水泄漏故障的風險。結(jié)果：實施優(yōu)化應急方案后，提高了IONTRIS系統(tǒng)加速器冷卻水系統(tǒng)故障應急能力。結(jié)論：大型醫(yī)用設(shè)施的設(shè)計及運行需充分考慮安全性和冗余性的要求及故障診斷與應急的方案。

質(zhì)子；重離子；加速器；冷卻水；故障預防；應急

上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院(SPHIC)引進的西門子質(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[1]。系統(tǒng)的運行管理及維護采用SPHIC工程師組與西門子服務團隊(CS)協(xié)同工作模式[2]。IONTRIS系統(tǒng)對冷卻水的運行穩(wěn)定性要求較高，要求全年開機率達到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)。實驗發(fā)現(xiàn)，冷卻水壓力波動在0.02 MPa以上即自動觸發(fā)連鎖引起IONTRIS系統(tǒng)停機。故障統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，冷卻水異常造成IONTRIS系統(tǒng)停機故障的主要原因有外電網(wǎng)波動、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，并提出應對方案，旨在完善IONTRIS系統(tǒng)的運行保障體系。

1 資料與方法

1.1 故障統(tǒng)計資料

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

(1)外電網(wǎng)波動停機。2014年監(jiān)測到外電網(wǎng)波動9次，造成IONTRIS系統(tǒng)停機3次[5]；2015年監(jiān)測到外電網(wǎng)波動12次，造成停機4次；平均每次停機時間30～60 min，2014-2015年因外電網(wǎng)波動造成停機265 min。實驗發(fā)現(xiàn)，外電網(wǎng)電壓下降17%即造成冷卻水水泵運行頻率下降，從而引發(fā)IONTRIS系統(tǒng)流量連鎖停機。

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

(3)定壓裝置故障停機。從2013-2015年共發(fā)生定壓裝置故障8次，造成IONTRIS系統(tǒng)停機2次，每次停機約30 min，共停機60 min。因原設(shè)計中定壓裝置無冗余，一旦故障不能及時修復，將可能造成長時間停機，雖然2次故障未造成長時間停機，但定壓裝置故障的潛在風險較大。

(4)水泄漏停機。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間約120 min，共造成停機720 min。

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

1.2 故障預防與系統(tǒng)優(yōu)化方案

1.2.1 外電網(wǎng)電壓波動的應對方法

在文獻[6-7]中，對電網(wǎng)電壓波動的串聯(lián)補償方法進行了研究。基于其研究基礎(chǔ)，SPHIC工程師對成套電壓補償器進行了研究，決定在質(zhì)子重離子區(qū)配電系統(tǒng)中針對冷卻水系統(tǒng)及IONTRIS系統(tǒng)增設(shè)一套電壓補償器，以應對外電網(wǎng)電壓波動的影響。

電壓補償器包含三相變壓器，變壓器的每個二次繞組串聯(lián)于輸入線路和負載之間。通常情況下，其運行處于“監(jiān)控狀態(tài)”，變壓器的初級繞組通過可控硅整流器連接，負載電流流過變壓器的二次繞組。電壓補償器對三相平衡輸入電壓中的輸入電壓波形相角偏差進行監(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)變壓器的初級繞組注入補償電壓。補償電壓以數(shù)、形、相位角方式合成，當串聯(lián)異常輸入電壓時，就形成了三相平衡電壓。當正常三相輸入電壓重新接入電壓補償器時，逆變電路斷開，恢復到監(jiān)控狀態(tài)。

電壓補償器主要電壓補償參數(shù)為：單相或雙相市電電壓暫降至剩余電壓的30%時，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，校正至額定電壓的100%。

1.2.2 水泵機械振動的檢測

振動檢測的原理是通過對旋轉(zhuǎn)設(shè)備的時域波形和頻域波形進行分析，診斷潛在問題。研究表明，通過振動波形可判斷90%以上的故障特征[8]。水泵經(jīng)長時間的運轉(zhuǎn)，易出現(xiàn)軸承和機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，技術(shù)人員因經(jīng)驗不足或操作失誤造成的安裝偏差，也會影響水泵運行穩(wěn)定性。因此，機械振動檢測可協(xié)助技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)隱藏的問題。

(1)振動檢測儀器。普盧福振動分析儀(PRUFTECHNIK VIBEXPERT Ⅱ)。

(2)檢測方法。在水平方向、垂直方向及軸向分別安裝振動傳感器，獲取振動曲線，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機葉片折斷或配重物松動；垂直方向數(shù)據(jù)異常可初步判定為地腳松動、基座異?；蜉S承間隙變大；軸向數(shù)據(jù)異常可判定為旋轉(zhuǎn)軸中心偏移、齒輪磨損、安裝松動或旋轉(zhuǎn)軸彎曲。

圖1 振動傳感器安裝位置圖

振動烈度參考國際標準ISO10816-3。本研究對該標準的理解為：對于15～300 kW的水泵的機械振動范圍：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 定壓裝置故障的預防

為維持系統(tǒng)壓力恒定，在每一個循環(huán)水子系統(tǒng)的回水端，均設(shè)置一臺定壓裝置。SPHIC冷卻水系統(tǒng)采用Reflex空壓式隔膜定壓裝置，每臺定壓裝置與純水供水系統(tǒng)連接，實時調(diào)整在線壓力，實現(xiàn)系統(tǒng)壓力恒定。當定壓裝置出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)壓力將無法穩(wěn)定。為此，增設(shè)一臺應急定壓裝置，通過管路與各子系統(tǒng)定壓裝置連接，當任意一臺在線定壓裝置故障時，應急定壓裝置即自動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，滿足應急要求[9]。

1.2.4 泄漏檢測及應急方法

IONTRIS系統(tǒng)需要冷卻的部件遍布系統(tǒng)的各個位置，連接管路復雜，泄漏問題難以杜絕。如果泄漏不能被及時發(fā)現(xiàn)，可能引發(fā)嚴重安全問題。為此，增設(shè)泄漏應急系統(tǒng)，通過實時檢測各子系統(tǒng)回水端壓力值及定壓裝置累積補水時間來判斷系統(tǒng)是否有泄漏。檢測到泄漏信號后，觸發(fā)停機連鎖，關(guān)閉水泵及各支路進出水閥門，減少泄漏影響。

2 結(jié)果

2.1 電壓補償器投入使用后的監(jiān)測結(jié)果

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

圖2 電壓補償器監(jiān)測結(jié)果界面圖

2.2 水泵機械振動檢測的結(jié)果

按照ISO 10816-3的振動基準值，于2015年9月和2016年8月對冷卻水系統(tǒng)的21臺威樂水泵(功率均在15～55 kW之間)進行了2次振動測量。2015年的測量中發(fā)現(xiàn)需要立即維修的水泵2臺，狀態(tài)較差的水泵2臺；2016年的測量中發(fā)現(xiàn)4臺水泵需要立即維修，2臺水泵狀態(tài)較差。基于振動測量標準，水泵維護工程師進行了拆卸維修，排除了隱藏問題，避免了故障停機。截取測試記錄的2個正常振動和異常振動對比曲線如圖3所示。

圖3 振動測量曲線圖

2.3 應急定壓裝置設(shè)計

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

圖4 應急定壓裝置與系統(tǒng)連接圖

圖5 為直線加速器系統(tǒng)應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為切換時的壓力波動，波動值＜0.02 MPa，實驗過程中未造成IONTRIS停機。但目前對于泄漏后連續(xù)補水時壓力控制精度仍在做深入實驗研究。

圖5 應急定壓裝置無泄漏切換壓力曲線圖

2.4 泄漏監(jiān)測及應急系統(tǒng)的設(shè)計

泄漏監(jiān)測及應急系統(tǒng)工作模式。

(1)泄漏監(jiān)測及應急系統(tǒng)實時監(jiān)測各子系統(tǒng)的回水端壓力及定壓補水裝置的補水開關(guān)信號。

(2)泄漏應急系統(tǒng)觸發(fā)條件。①如果回水端壓力低于設(shè)定值時，觸發(fā)應急模式。離子源、輸運線、同步環(huán)以及直線加速器4個系統(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個壓力傳感器數(shù)據(jù)；②如果檢測到任何一定壓裝置處于補水狀態(tài)，開始計時。如果任一子系統(tǒng)出現(xiàn)連續(xù)6 min的補水信號，觸發(fā)應急模式。該觸發(fā)功能需建立在定壓裝置穩(wěn)定運行基礎(chǔ)上，如果定壓裝置補水開關(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)進入泄漏應急模式后，將信號發(fā)送至IONTRIS系統(tǒng)，IONTRIS系統(tǒng)收到該信號后，發(fā)送確認信號回冷卻水系統(tǒng)后，隨后IONTRIS系統(tǒng)自動斷電，同時，機房內(nèi)發(fā)出聲光報警。

(4)冷卻水收到IONTRIS系統(tǒng)的確認信號后，啟動計時器，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)做好應急停機后，由操作人員進行故障修復，泄漏修復完成后進行系統(tǒng)復位。經(jīng)測試，泄漏應急系統(tǒng)在回水端壓力下降至設(shè)定值以下時，均能有效地啟動應急模式，但對于不造成系統(tǒng)壓力下降的微小泄漏，當前狀態(tài)尚不穩(wěn)定，SPHIC工程師正進一步研究應對方案。

3 討論

IONTRIS系統(tǒng)的臨床應用是當前腫瘤治療領(lǐng)域的前沿技術(shù)，目前國內(nèi)外均處于發(fā)展狀態(tài)[10-11]。因該設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，運行精度要求高，對輔助設(shè)備設(shè)施的設(shè)計及運行穩(wěn)定性要求較高，通過總結(jié)SPHIC冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計及運行經(jīng)驗，對系統(tǒng)設(shè)計及運行安全進行如下討論。

(1)冗余設(shè)計的必要性。安全級高的設(shè)備，如循環(huán)水泵、定壓裝置均應設(shè)置冗余，但考慮到成本因素，冗余方式可根據(jù)系統(tǒng)實際情況設(shè)計成一用一備或多用一備及自動切換方式，必要的冗余能夠避免設(shè)備故障時的長時間停機。

(2)供配電系統(tǒng)的安全性。醫(yī)療設(shè)備的運行關(guān)系患者治療的安全，供配電系統(tǒng)的設(shè)計需要充分考慮設(shè)備運行需要，除應急時所需的UPS、EPS及柴油發(fā)電機外，還需要進一步考慮電網(wǎng)波動的應對、多路供電快速切換的方案、電磁兼容設(shè)計、接地抗干擾等因素[12-14]。

(3)水泄漏安全防護與應急。需要考慮水泄漏可能對設(shè)備造成的危害及造成停機對治療的影響，同時，考慮水中金屬雜質(zhì)的輻射活化反應等因素影響，設(shè)計時充分考慮泄漏監(jiān)測與應急防護[15]。

(4)應用輔助檢測手段進行故障診斷。合理利用監(jiān)測儀器對設(shè)備的隱藏故障進行診斷，如機械振動檢測及紅外線測溫[16-17]。還需要采用輔助儀表進行水質(zhì)的定期測量，水中金屬成分及放射性測量等。

當前，基于互聯(lián)網(wǎng)+模式下的大數(shù)據(jù)應用發(fā)展迅速，在后期研究中，將結(jié)合智能信息處理，進一步提高系統(tǒng)監(jiān)測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)施運行維護管理及相關(guān)研究。

2017-07-09

1672-8270(2017)10-0019-04

R812

A

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

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