CN104853516B - 一种同步加速器多级串级调温冷却水系统 - Google Patents

Abstract

一种同步加速器多级串级调温冷却水系统，包括第一层循环水路、第二层循环水路、第三层循环水路及第四层循环水路；第一层循环水路通过第二换热器、第三换热器与第二层循环水路换热，第一层循环水路通过第一换热器与第三层循环水路换热，第二层循环水路通过第四换热器与第三层循环水路换热，第三层循环水路通过冷冻机与第四层循环水路换热。本发明中，第一层循环水路通过三个换热器三级串联温度调节，通过第一级调节实现了加速器大负载状态下的快速降温，通过第一级、第二级调节削除大负载峰值和一般负载峰值，有效克服了负载的峰值效应，第三级实现温度的精确控制，使控制稳定性加强，避免了第一层循环水路第三级精度控制时的温度抖动现象。

Description

一种同步加速器多级串级调温冷却水系统

技术领域

本发明涉及一种大型医用加速器设备的辅助系统，具体涉及一种同步加速器多级串级调温冷却水系统。

背景技术

冷却水系统作为大型医用加速器设备的一个重要辅助系统，在加速器系统运行过程中起着非常重要的作用。由于医用加速器是一套精密的系统化的设备，任何一个微小的环节不能达到要求，其运行就会受到非常大的影响，从而影响其引出射线的效果，进而影响肿瘤病人的治疗质量。冷却水作为整个加速器系统热量平衡的载体，关系到系统运行的各个方面，如果其运行不稳定，必然会造成诸多不良后果。

同步加速器是实现粒子多圈加速的装置，其能量可选择。在运行过程中，因为其能量变化大，从几十兆电子伏特到几百兆电子伏特，而且能量变化在几秒至十几秒的时间内完成，从而导致冷却水系统温度出现剧烈的波动，当前技术主要问题如下：

1）现有的同步加速器冷却水系统普遍采用的是单闭环控制，使用常规PID控制器控制，对同步加速器负载变化产生的冷却水的温度变化的控制普遍存在滞后性。

2）现有的同步加速器冷却水系统不能有效削除冷却水随加速器负载变化产生的峰值，从而导致温度控制精度不高。

3）系统管路设计、安装没有充分考虑负载的峰值效应，即使有比较好的控制手法也很难适用。

4）每一层循环水温度控制精度均太低，出现温度抖动。

参考西门子质子和重离子同步加速器系统运行过程中所产生的热量变化，所出现的负载峰值变化效应，结合当前系统设计中的不足之处，需采用一套新的设计方案，以达到同步加速器冷却水的控制精度。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的不足，提供一种同步加速器多级串级调温冷却水系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种同步加速器多级串级调温冷却水系统，包括第一层循环水路、第二层循环水路、第三层循环水路及第四层循环水路；所述第一层循环水路的循环水流穿过同步加速器内部，所述第一层循环水路设置有一次循环水泵、第二加热器、温度传感器及压力传感器；所述第二层循环水路设置有二次循环水泵、密闭式冷却塔、第一电加热器、温度传感器及压力传感器；所述第三层循环水路设置有三次循环水泵、温度传感器及压力传感器；所述第四层循环水路设置有四次循环水泵、开放式冷却塔、温度传感器及压力传感器；所述第一层循环水路通过第二换热器、第三换热器与所述第二层循环水路换热，所述第一层循环水路通过第一换热器与所述第三层循环水路换热，所述第二层循环水路通过第四换热器与所述第三层循环水路换热，所述第三层循环水路通过冷冻机与所述第四层循环水路换热。

整个系统采用四层循环水路。第一层循环水路为同步加速器内循环水系统；第二层循环水路为通过密闭式冷却塔冷却的系统；第三层循环水路为冷冻机的低温冷冻水系统；第四层循环水路为提供冷冻机冷凝器换热的开放式冷却塔系统。第一层循环水路、第二层循环水路、第三层循环水路之间交叉换热。

在所述第一层循环水路中，所述同步加速器的出水口、所述第一换热器、所述第二换热器、所述第三换热器、所述第二电加热器及所述同步加速器的进水口通过管路依次连接，所述第一换热器的出水口管路上的监测点设置有第五温度传感器，所述第二换热器的出水口管路上的监测点设置有第六温度传感器，所述第三换热器的出水口管路上的监测点设置有第七温度传感器，所述第二电加热器的出水口管路上的监测点设置有第一温度传感器，所述同步加速器的进水口管路上的监测点设置有第一压力传感器和第二温度传感器，所述同步加速器的出水口管路上的监测点设置有第二压力传感器和第三温度传感器。

所述同步加速器的出水口与所述一次循环水泵的进水口之间还通过管路连接有闭式水箱，所述闭式水箱与所述一次循环水泵之间的管路连接有补水定压装置，所述闭式水箱的出水口管路上的监测点设置有第三压力传感器和第四温度传感器。

所述一次循环水泵的进水口与所述一次循环水泵的出水口之间通过管路连接在线抛光混床。

针对第一层循环水路的温度控制目标值26℃，采用三个换热器串联换热的方式（即三级串联温度调节），使用三级串接PID控制器控制。第一换热器实现大负载状态时的快速降温，对于第五温度传感器，设定温度控制目标为28℃。通过PID控制器调节第一三通阀实现。第二换热器实现普通负载的削峰，对于第六温度传感器，设定温度控制目标值为26.5℃，通过PID控制器调节第二三通阀实现。第三换热器实现精确控制，对于第七温度传感器，设定温度控制目标值为26℃，通过PID控制器调节第三三通阀实现。第二电加热器实现超调时的温度控制，即如果前侧调节过量导致温度过低时，实现加热，使第一温度传感器保持26℃。

在所述第二层循环水路中，所述第四换热器的出水口、所述密闭式冷却塔、所述二次循环泵、所述第一电加热器的进水口从前到后通过管路依次连接，所述第四换热器的出水口与所述二次循环泵的进水口之间通过管路连接有第六两通控制阀，所述第一电加热器的出水口、第一分流阀、所述第二换热器、第二三通控制阀、所述第四换热器的进水口通过管路依次连接，所述第一分流阀的出水口还通过管路与所述第二三通控制阀的另一入口连接，所述第一电加热器的出水口、第二分流阀、所述第三换热器、第三三通控制阀、所述第四换热器的进水口通过管路依次连接，所述第二分流阀的出水口还通过管路与所述第三三通控制阀的另一入口连接。

所述第四换热器的出水口管路上的监测点设置有第五压力传感器及第十二温度传感器，所述二次循环泵的进水口管路上的监测点设置有第九温度传感器，所述第一电加热器的进水口管路上的监测点设置有第四压力传感器，所述第一电加热器的出水口管路上的监测点设置有第八温度传感器。

对于第二层循环水路换热需要的水流量，通过第二分流阀、第一分流阀固定分流。第二层循环水路温度控制采用两级串接控制，针对温度取样点设置的第八温度传感器、第九温度传感器和第十二温度传感器，均设定控制目标为22℃。针对第十二温度传感器，使用冷冻水实现冷却，通过PID控制器调节第四两通阀实现；针对第九温度传感器，通过PID控制器调节第六两通阀实现冷却塔自然冷却流量的调整。在第二层循环水路增加第一电加热器，实现环境温度过低时的二次水温度调节。

在所述第三层循环水路中，所述冷冻机的出水口、所述三次循环泵、第三分流阀、所述第四换热器、第四两通控制阀通过管路依次连接，所述第三分流阀的出水口与所述第四两通控制阀的出水口之间通过管路连接有第五两通控制阀，所述三次循环水泵的出水口、第四分流阀、所述第一换热器、第一三通控制阀、所述冷冻机的进水口通过管路依次连接，所述第四分流阀与所述第一换热器之间的管路与所述第一三通控制阀的另一入口通过管路连接。

所述冷冻机的出水口管路上的监测点设置有第十一温度传感器，所述第四换热器的进水口管路上的监测点设置有第六压力传感器，所述第四两通控制阀的出水口管路上的监测点设置有第七压力传感器。

在第三层循环水路中，通过第六压力传感器，第七压力传感器的压力差PID控制器调节第五两通控制阀的开度，实现三次水流量恒定。通过第四分流阀、第三分流阀稳定两个分支的水流。实现两个分支流量恒定。

在所述第四层循环水路中，所述开放式冷却塔的出水口、所述冷冻机、所述四次循环水泵、所述开放式冷却塔的进水口通过管路依次连接，所述开放式冷却塔的进水口与所述冷冻机的进水口之间通过管路连接有第七两通控制阀。

所述冷冻机的进水口管路上的监测点设置有第十温度传感器，所述四次循环水泵的出水口管路上的监测点设置有第八压力传感器。

第四层循环水路通过温度第十温度传感器，PID控制器调节阀门第七两通控制阀的开度，实现四次水温度稳定。

本发明的有益效果是：（1）第一层循环水路通过三个换热器三级串联温度调节，通过第一级、第二级控制削除大负载峰值和一般负载峰值，有效克服了负载的峰值效应，第三级实现温度的精确控制。（2）采用冷冻机的低温冷冻水作为第一级控制，实现了加速器大负载状态下的快速降温。（3）第二层循环水路的温度采用两级串接温度控制，即通过冷冻机提供的冷量、冷却塔自然冷却能力、电加热器三种设备共同实现温度的精确控制，使控制稳定性加强，避免了第一层循环水路第三级精度控制时的温度抖动现象。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

在图中：1-第一温度传感器；2-第二电加热器；3-第一压力传感器；4-第二温度传感器；5-第二压力传感器；6-第三温度传感器；7-闭式水箱；8-第三压力传感器；9-第四温度传感器；10-补水定压装置；11-一次水循环水泵；12-在线抛光混床；13-第一换热器；14-第二换热器；15-第三换热器；16-第五温度传感器；17-第六温度传感器；18-第七温度传感器；19-第一三通控制阀；20-第二三通控制阀；21-第三三通控制阀；22-第二分流阀；23-第一分流阀；24-第八温度传感器；25-第一电加热器；26-第四压力传感器；27-二次水循环泵；28-第九温度传感器；29-第六两通控制阀；30-第五压力传感器；31-第十二温度传感器；32-第四换热器；33-第五两通控制阀；34-第四两通控制阀；35-第六压力传感器；36-第七压力传感器；37-第四分流阀；38-第三分流阀；39-三次循环水泵；40-第十一温度传感器；41-冷冻机；42-四次水循环水泵；43-第七两通控制阀；44-第八压力传感器；45-第十温度传感器；46-开放式冷却塔；47-密闭式冷却塔；48-同步加速器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

一、系统由四层循环水结构构成。

1）第一层循环水路包括第一温度传感器1、第二电加热器2、第一压力传感器3、第二温度传感器4、第二压力传感器5、第三温度传感器6、闭式水箱7、第三压力传感器8、第四温度传感器9、补水定压装置10、一次水循环水泵11、在线抛光混床12、第一换热器13、第二换热器14、第三换热器15、第五温度传感器16、第六温度传感器17、第七温度传感器18。循环水流过同步加速器48内部，实现加速器运行过程中的冷却。其中要求第二温度传感器4的温度基本控制在26℃的目标温度。第一压力传感器3探测的压力值基本稳定在9bar。

2）第二层循环水路包括第二三通控制阀20、第三三通控制阀21、第二分流阀22、第一分流阀23、第八温度传感器24、第一电加热器25、第四压力传感器26、二次水循环泵27、第九温度传感器28、第六两通控制阀29、第五压力传感器30、第十二温度传感器31、第四换热器32、密闭式冷却塔47。运行过程中要求第八温度传感器24探测的温度保持控制目标为22℃，第四压力传感器26的压力值维持控制目标5bar。第二层循环水路通过第二换热器14、第三换热器15与第一层循环水路换热。

3）第三层循环水路包括第一三通控制阀19、第五两通控制阀33、第四两通控制阀34、第六压力传感器35、第七压力传感器36、第四分流阀37、第三分流阀38、三次循环水泵39、第十一温度传感器40、冷冻机41。通过冷冻机41使第十一温度传感器40探测的温度值控制在12℃的目标温度值，第三层循环水路通过第四换热器32与第二层循环水路，第三层循环水路通过第一换热器13与第一层循环水路换热。

4）第四层循环水路主要是为冷冻机41提供冷冻机41的冷却水，其结构包括四次水循环水泵42、第七两通控制阀43、第八压力传感器44、第十温度传感器45、开放式冷却塔46。对于第十温度传感器45，控制目标在29℃，提供冷冻机41提供冷凝器的冷却水。通过第七两通控制阀43调节开度来控制流过开放式冷却塔46水量，实现温度控制目标。

二、系统的主要工作内容为通过多级串级温度控制实现精确控制第一层循环水路的流过同步加速器的内循环水的温度。

1）第一层循环水路通过第一换热器13与第三层循环水路换热，第一换热器13实现大负载状态时的快速降温，对于温度取样点第五温度传感器16，设定温度控制目标为28℃。通过PID控制器调节19三通阀M1实现。

2）第二层循环水路通过第二换热器14、第三换热器15与第一层循环水换热。第二换热器14实现普通负载的削峰，对于温度取样点第六温度传感器17，设定温度控制目标值为26.5℃，通过PID控制器调节第二三通控制阀20实现。第三换热器15实现精确控制，对于温度取样点第七温度传感器18，设定温度控制目标值为26℃，通过PID控制器调节三通阀M3实现。

3）第二电加热器2实现超调时的温度控制，即如果前侧调节过量导致温度过低时，实现加热，使温度取样点第一温度传感器1保持26℃。

4）一次水循环水泵11提供一次循环水动力，采用定频率运行方式。补水定压装置10与供水系统连接，实现系统压力即第一压力传感器3探测的压力值在9bar。为更好第监测一次水系统各设备处的运行温度和压力，增加了第二压力传感器5、第三温度传感器6、第三压力传感器8、第四温度传感器9几个温度和压力传感器。闭式水箱7是为增加系统缓冲能力设计。

5）对于二次水换热需要的水流量，通过分22第二分流阀，23第一分流流阀固定分流。

6）第二层循环水路的温度控制采用两级串接控制，针对温度取样点第八温度传感器24 、第九温度传感器28和第十二温度传感器31，均设定控制目标为22℃。第十二温度传感器31的控制点的温度通过调节三次水第四两通控制阀34的开度来控制，第九温度传感器28的点的温度通过调节第六两通控制阀29开度，调节流过密闭式冷却塔47流量来实现。第八温度传感器24的点的温度通过调节第一电加热器25来实现。第一电加热器25主要是在系统温度过低时使用。针对每个控制点均采用PID控制器的控制方式。

7）第三层循环水路通过压差即第六压力传感器35和第七压力传感器36探测到的压力值的差值调节第五两通控制阀33 的开度，实现三次水流量恒定。通过第四分流阀37，第三分流阀38稳定两个分支的水流，实现两个分支流量恒定。三次循环水泵39提供三次水循环动力。

8）第四层循环水路通过第十温度传感器45调节阀门第七两通控制阀43的开度，调节流过开放式冷却塔46的流量，实现四次水温度稳定在29℃，采用PID控制器控制方式。四次水循环水泵42提供四次水循环动力，第八压力传感器44监测四次水循环水泵42出水口压力。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种同步加速器多级串级调温冷却水系统，其特征在于：所述同步加速器多级串级调温冷却水系统包括第一层循环水路、第二层循环水路、第三层循环水路及第四层循环水路；所述第一层循环水路的循环水流穿过同步加速器内部，所述第一层循环水路设置有一次循环水泵、第二加热器、温度传感器及压力传感器；所述第二层循环水路设置有二次循环水泵、密闭式冷却塔、第一电加热器、温度传感器及压力传感器；所述第三层循环水路设置有三次循环水泵、温度传感器及压力传感器；所述第四层循环水路设置有四次循环水泵、开放式冷却塔、温度传感器及压力传感器；所述第一层循环水路通过第二换热器、第三换热器与所述第二层循环水路换热，所述第一层循环水路通过第一换热器与所述第三层循环水路换热，所述第二层循环水路通过第四换热器与所述第三层循环水路换热，所述第三层循环水路通过冷冻机与所述第四层循环水路换热；

在所述第一层循环水路中，所述同步加速器的出水口、所述第一换热器、所述第二换热器、所述第三换热器、所述第二加热器及所述同步加速器的进水口通过管路依次连接，所述第一换热器的出水口管路上的监测点设置有第五温度传感器，所述第二换热器的出水口管路上的监测点设置有第六温度传感器，所述第三换热器的出水口管路上的监测点设置有第七温度传感器，所述第二加热器的出水口管路上的监测点设置有第一温度传感器，所述同步加速器的进水口管路上的监测点设置有第一压力传感器和第二温度传感器，所述同步加速器的出水口管路上的监测点设置有第二压力传感器和第三温度传感器。

2.根据权利要求1所述的同步加速器多级串级调温冷却水系统，其特征在于：所述同步加速器的出水口与所述一次循环水泵的进水口之间还通过管路连接有闭式水箱，所述闭式水箱与所述一次循环水泵之间的管路连接有补水定压装置，所述闭式水箱的出水口管路上的监测点设置有第三压力传感器和第四温度传感器。

3.根据权利要求1所述的同步加速器多级串级调温冷却水系统，其特征在于：所述一次循环水泵的进水口与所述一次循环水泵的出水口之间通过管路连接在线抛光混床。

4.根据权利要求1所述的同步加速器多级串级调温冷却水系统，其特征在于：在所述第二层循环水路中，所述第四换热器的出水口、所述密闭式冷却塔、所述二次循环泵、所述第一电加热器的进水口从前到后通过管路依次连接，所述第四换热器的出水口与所述二次循环泵的进水口之间通过管路连接有第六两通控制阀，所述第一电加热器的出水口、第一分流阀、所述第二换热器、第二三通控制阀、所述第四换热器的进水口通过管路依次连接，所述第一分流阀的出水口还通过管路与所述第二三通控制阀的另一入口连接，所述第一电加热器的出水口、第二分流阀、所述第三换热器、第三三通控制阀、所述第四换热器的进水口通过管路依次连接，所述第二分流阀的出水口还通过管路与所述第三三通控制阀的另一入口连接。

5.根据权利要求4所述的同步加速器多级串级调温冷却水系统，其特征在于：所述第四换热器的出水口管路上的监测点设置有第五压力传感器及第十二温度传感器，所述二次循环泵的进水口管路上的监测点设置有第九温度传感器，所述第一电加热器的进水口管路上的监测点设置有第四压力传感器，所述第一电加热器的出水口管路上的监测点设置有第八温度传感器。

6.根据权利要求1所述的同步加速器多级串级调温冷却水系统，其特征在于：在所述第三层循环水路中，所述冷冻机的出水口、所述三次循环泵、第三分流阀、所述第四换热器、第四两通控制阀通过管路依次连接，所述第三分流阀的出水口与所述第四两通控制阀的出水口之间通过管路连接有第五两通控制阀，所述三次循环水泵的出水口、第四分流阀、所述第一换热器、第一三通控制阀、所述冷冻机的进水口通过管路依次连接，所述第四分流阀与所述第一换热器之间的管路与所述第一三通控制阀的另一入口通过管路连接。

7.根据权利要求6所述的同步加速器多级串级调温冷却水系统，其特征在于：所述冷冻机的出水口管路上的监测点设置有第十一温度传感器，所述第四换热器的进水口管路上的监测点设置有第六压力传感器，所述第四两通控制阀的出水口管路上的监测点设置有第七压力传感器。

8.根据权利要求1所述的同步加速器多级串级调温冷却水系统，其特征在于：在所述第四层循环水路中，所述开放式冷却塔的出水口、所述冷冻机、所述四次循环水泵、所述开放式冷却塔的进水口通过管路依次连接，所述开放式冷却塔的进水口与所述冷冻机的进水口之间通过管路连接有第七两通控制阀。

9.根据权利要求8所述的同步加速器多级串级调温冷却水系统，其特征在于：所述冷冻机的进水口管路上的监测点设置有第十温度传感器，所述四次循环水泵的出水口管路上的监测点设置有第八压力传感器。