质子重离子放疗区(PT区）工艺装置的用电量巨大,总量约为 5000kW,全年每天24h不间断运行。各种工艺设备所消耗的电能绝大多数转化为热能,其中大部分的热能需用冷却水作为载体带走,少数则由空调系统排出。工艺冷却水系统的负荷为3500kW。为保证装置全年每天24h正常稳定可靠的工作,冷却水需全年不间断供应,其冷源需全年供冷。
鉴于该装置的实际运行工况,如何保证系统运行可靠性,减少供冷系统的能耗,充分利用自然能源及装置大量地排热是质子重离子医院冷热源系统设计中值得重视的问题。
本文以上海质子重离子医院为例，探讨其工艺冷却水系统的设计及优化。
工艺冷却水系统的节能设计
PT工艺装置要求24h不间断运行,每套末端用户(工艺)装置均有各自不同的水温、控制精度、流量、压降、材质等控制要求。工艺冷却水系统的主要任务是冷却质子重离子医疗装置中所有热耗较大的电子设备,并作为对某些温度变化敏感部件的恒温调节手段。工艺冷却水系统的总冷负荷为3500kW。共有30 套末端用户装置,需要冷却水进入其中直接冷却,称为一次冷却水系统。
为满足用水设备的电气绝缘要求,同时也为了杜绝水路中产生结垢或水基准温度控制精度合并后一次路堵塞的现象,工艺冷却水系统采用双循环冷却方式,如下图所示。即采用一次冷却循环水作为传热介质与冷却对象直接接触,带走用水设备的热功耗,并通过板 式换热器将热量传递给二次冷却循环水,再经冷却塔将热量散发于外界大气中或用冷水机组带走热量。
一、二次水系统的优化
根据 30 个用户末端的技术参数,得出一些特点:1)系统数量多;2)基准温度有27°C、29°C的不同要求; 3)控制水温的精度要求不同,有±1°C和±0.5°C;4)压降和承压有较大差别,部分系统承压低、压降大、背压相当小。
由于用户分散、数量多,若每个用户设置独立的一、二次水系统,灵活性虽好,但势必造成设备数量多、投资大、占地面积大、管路复杂等缺点,因此需进行必要的系统划分,以简化系统管路、节约投资,也方便维护管理。
以满足用户使用要求为原则,将基准温度、控制及水路材质相同的子系统尽量合并,并结合用户服务对象及所在空间,把30个一次水系统合并成较少的独立系统。
将基准温度29°C和27°C及控制精度±1°C和±0.5°C作为依据,将整个系统划为三大块,分别为29±0.5°C、29±1°C和27±1°C;相对应的系统为直线 30#系统、射频 40#系统及其余28个27±1°C的子系统。
由于一次水水质要求,单独设置使用普通水的直线 30# 系统,其余的子系统均为低电导率的纯水。再根据27±1°C的28个子系统的所在空间位置,将它们归并成3个系统。同时根据各自压降和承压情况,将射频40#系统 (压降为 4bar,承压为 5bar,两者相差仅1bar)独立设置,机房与用水点在同一层上,背压不用于克服由高差引起的静压值。机房靠近用水点,缩短管道长度,减少管路阻力,避免背压不够而回水困难。一次工艺冷却水系统划分见下表。
综合以上情况考虑,最终将30个用户末端划分为 5 个一次水子系统,如图 3 所示。分别为直线 30# 系 统、射频 40# 系统、直线离子源系统、输运线系统和同步辐射系统,对应末端用户设备为 1 个、1 个、6 个、12 个和 10 个。5 个一次水子系统分别对应各自的二次水 系统,通过控制二次水的精度来保证一次水精度。5 个 二次水系统最终合并成一个大系统,进冷却塔或由冷水机组散热。
一次水子系统的归并有利于集中控制及调试,避 免管路过于分散、管道及设备重复设置带来的材料及 能源损耗。同时机房管道简单、数量少、可靠性及灵活性均较好。
资料来源：《上海质子重离子医院工艺冷却水节能设计》 作者：
滕汜颖
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