醫院質子重離子醫療設備壓力控制研究

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摘要：某醫院利用質子和重離子技術專業治療腫瘤，是具有世界領先技術的?？菩葬t院。醫院的質子重離子區域對冷卻水溫度、壓力的控制精度有極高的要求，它是直接影響到質子重離子區域醫療設備能否正常運行的關鍵條件。通過對某醫院冷卻水系統溫度及壓力控制的充分研究及詳細設計，整套系統安全穩定運轉，全面保障質子重離子區域的直線加速器等醫療設備的正常運行。

關鍵詞：PT（質子重離子醫療）；冷卻水；溫度；壓力

上海某醫院主要利用高能射線治療腫瘤，在日常的醫療活動中，需要防護輻射，減少輻射帶來的危害。如何利用智能化技術手段實時監視、自動控制、統一管理PT（質子重離子醫療）區內的各種機電設備，從而保證各種設備的正常運行，是智能化系統建設的重要任務。PT區域是全院的核心所在，PT區域配套保障系統及醫院常規智能化系統分別是醫院正常運營的核心部分和基礎部分。醫院常規智能化系統的建設和實施的目的是為醫院正常開展工作提供基礎保障平臺。PT區域的冷卻水溫度壓力控制系統為醫院直線加速器等專業醫療設備的正常運行提供支撐和保障。如何利用智能化技術對PT區域的冷卻水溫度和壓力做出精準控制則是本項目的技術重點和技術難點。PT區域的冷卻水溫度的控制要求在±0.5℃和±1℃之間，各水管接口的溫度壓力均有要求達到的測量值。在這個溫度壓力允許范圍內，通過調節冷卻水的閥門、泵和電熱器的制熱比例等各種控制手段，最終達到接口溫度和水流壓力的恒定。

1工藝冷卻水的系統劃分及技術要求

1.1一次冷卻水系統

一次冷卻水系統分為直線加速器系統、直線及離子源房系統、同步輻射冷卻水系統三部分，其技術參數和要求見表1。需要注意的是，每個Header（冷卻水前端裝置）的水冷負荷已包括安全余量，實際運行時整個工藝冷卻水系統的總冷負荷不大于3500kW。

1.2二次冷卻水系統

二次冷卻水系統作為一個整體系統，根據冷卻水溫度、控制精度和調試方式等條件設置為三個分路子系統，其技術參數和要求見表2。

2接口冷卻水的溫度要求

主要的循環水量，也就是流經大部分接頭（分流器）的水，溫度應該保持27℃±1℃。對于高頻系統管道的接頭，循環水流經的溫度在29℃±1℃。這部分系統有很高的水壓。直線加速器必須使用沒有處理過的水來運行和冷卻。冷卻水的溫度在29℃±0.5℃。

3系統壓力

連接循環水的主流量的接頭都按照最大10bar的系統壓力來設計，并在開放的位置安裝安全閥保護，以防止超過最大可允許的壓力。如果逆水流安裝的壓力傳感器探測到流過的水流壓力超過了限制，離心泵就會自動關閉。這些逆流壓力傳感器會在接頭一個連一個開動時，保證主泵的正常運行。激活連續的接頭是另外一種調節接頭順流壓力的辦法，這樣在連接的時候有理想的壓力差。流過直線加速器和高頻區的循環水應該通過熱交換器與主循環水流隔離，并在壓力上分別考慮。在直線加速器里，系統壓力損失是2bar，最高可允許的輸入壓力是6bar。在這個接頭處，系統的注入壓力必須被監控和限制，必須安裝一個適當的安全閥以防止壓力過高。高頻區的管道有3bar的壓力損失，允許最大壓力5bar。在這里，必須使用安全閥精確地限制系統壓力。

4系統實現功能

冷卻水系統是用來抵消醫療裝置運行時產生的熱量，控制裝置處的溫度，使其保持在合理的范圍內，冷卻水自控系統的性能是PT設備能否正常運行的關鍵條件。冷卻水系統控制冷卻水進入醫療裝置前的溫度在±0.5℃和±1℃之間。各水管接口的溫度最終所要求達到的測量值見表3。在這個溫度允許范圍內，通過調節冷卻水的閥門、泵以及調節電熱器的制熱比例等各種控制手段，最終達到接口溫度的恒定。

5整體解決方案

5.1二次水系統

1）控制要求四臺循環水泵：CTP-1-1~4（三用一備）；三臺冷卻塔：CT-R-4~6；五臺冷凍水板式換熱器：PHE-1-6~10；一個旁通電動控制閥；一臺閉式儲水箱：WT-1-6。旁通電動控制閥調節：循環水泵前的進水的目標溫度設定為28℃（暫定），應根據設定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要經冷卻塔冷卻的進水量，采用PID（比例-積分-微分）控制方式調節旁通電動控制閥的開度。冷卻塔控制：每臺冷卻塔有1臺變頻風機，當系統正常運行時，控制打開冷卻塔的進水電動閥。氣溫由高變低：當水溫高于設定溫度某一數值時，三臺冷卻塔風機在工作頻率下運行。當水溫逐漸下降并接近所設定的目標溫度時，系統根據設定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量，采用PID控制方式調節冷卻塔風機的工作頻率，使得冷卻塔風機全部停止工作。氣溫由低變高：當水溫低于設定溫度某一數值時，三臺冷卻塔風機停止運行。當水溫逐漸上升并高于所設定的目標溫度時，系統根據設定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量，采用PID控制方式調節冷卻塔風機的工作頻率，使得冷卻塔風機在工作頻率下正常運行。二次水循環泵進水溫度設定值：直線加速器系統二次水的被控溫度目標值為18℃，而其他系統二次水的被控溫度目標值為24℃，目標溫度值相差有6℃，進二次水循環泵的水溫度的目標值28℃是否合理有待調試、運行時驗證。一旦二者不能兼顧，需要相關單位決定以哪個系統為優先。冷凍水板式換熱器（PHE-1-6）的控制：由于二次水系統的回水溫度低于32℃，故在夏季冷卻塔是無法提供冷卻能力的。這時可以通過旁通管路避開冷卻塔，直接由冷水板式換熱器冷卻達到所需的溫度。在過渡季節，當冷卻塔的出水溫度低于二次水系統的回水溫度時，則首先由冷卻塔冷卻，然后由冷水板式換熱器進一步冷卻達到所需的溫度。直線加速器系統冷凍水板式換熱器二次側出水的目標溫度設定為18℃，被控溫度應根據設定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應冷凍水板式換熱器一次側的冷凍水量，采用PID控制方式，調節冷凍水二通電動控制閥的開度，控制被控溫度不偏離目標溫度值。冷凍水板式換熱器（PHE-1-7）的控制：射頻系統冷凍水板式換熱器二次側出水的目標溫度設定為24℃，被控溫度應根據設定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應冷凍水板式換熱器一次側的冷凍水量，采用PID控制方式，調節冷凍水二通電動控制閥的開度，控制被控溫度不偏離目標溫度值。冷凍水板式換熱器（PHE-1-8）的控制：直線及離子源房系統冷凍水板式換熱器二次側出水的目標溫度設定為24℃，被控溫度應根據設定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應冷凍水板式換熱器一次側的冷凍水量，采用PID控制方式，調節冷凍水二通電動控制閥的開度，控制被控溫度不偏離目標溫度值。冷凍水板式換熱器（PHE-1-9）的控制：輸運線冷卻水系統冷凍水板式換熱器二次側出水的目標溫度設定為24℃，被控溫度應根據設定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應冷凍水板式換熱器一次側的冷凍水量，采用PID控制方式，調節冷凍水二通電動控制閥的開度，控制被控溫度不偏離目標溫度值。冷凍水板式換熱器（PHE-1-10）的控制：同步輻射冷卻水系統冷凍水板式換熱器二次側出水的目標溫度設定為24℃，被控溫度應根據設定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應冷凍水板式換熱器一次側的冷凍水量，采用PID控制方式，調節冷凍水二通電動控制閥的開度，控制被控溫度不偏離目標溫度值。2）監測要求監控二次水循環水泵的運行，故障狀態，二次水泵進出水壓力；監控冷卻塔風機的手/自動，運行，故障，啟停狀態；監控蝶閥的開，關，啟停狀態；監視旁通調節閥反饋信號；監視冷卻塔水出水溫度。監視閉式水箱的溫度；監視循環水的電導率；冷凍水板式換熱器的進出水溫度、二次水進冷凍水板式換熱器的壓力。3）監控邏輯當二次循環水泵全關狀態時，冷卻塔進水蝶閥關閉，冷卻塔風機關閉，二次水旁通閥關閉。冷凍水板式換熱器PHE-1-6~10二通調節閥關閉，一次水板式換熱器PHE-1-1~5三通調節閥關閉。

5.2直線加速器系統（一次水）

1）一次水板式換熱器（PHE-1-1）的控制直線加速器系統一次水板式換熱器PHE-1-1一次側出水的目標溫度設定為20℃，被控溫度應根據設定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應一次水板式換熱器二次側的冷卻水量，采用PID控制方式，調節二次水三通電動控制閥的開度，使得控制溫度不偏離目標溫度值。2）電加熱（DR-1-1）的控制電加熱DR-1-1出水的目標溫度設定為20℃，被控溫度應根據設定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算出需要補充調節的熱量，采用PID控制方式，調節電加熱DR-1-1的加熱功率，使得控制溫度不偏離目標溫度值。電加熱器根據水泵的運行狀態投入調節控制。當水溫高于某個設定值（如45℃）時，為避免出現異常情況，控制系統必須關閉電加熱器DR-1-1。3）檢測一次水板式換熱器PHE-1-1的進出水溫度、三通調節水閥的開度反饋；電加熱器DR-1-1的手/自動、狀態、故障、三相電流值；#30醫療裝置的進水溶解氧含量、PH值、電導率、壓力、溫度，出水壓力、溫度、流量，進出水開關閥狀態；一次水循環水泵的運行、故障狀態，循環泵出水的壓力。4）監控邏輯系統要求運行：打開一次水循環水泵，水泵的運行狀態信號反饋至控制器，控制器通過確認電加熱輸出為零時，打開電加熱器的啟動信號，并根據現場溫度狀況調節電加熱器的實際功率。系統要求停止：關閉電加熱器的功率輸出，控制器確定電流為零時，發出正常停止的指令信號，否則發出信號報警；當確認電加熱器正常停止工作時，一次循環水泵方可停止工作。系統發生設備故障、跳閘和漏水等情況：自控系統調節電加熱輸出至零；自控系統給電加熱發出觸發短路信號，延時半分鐘，電加熱主回路關閉；主回路電源切斷。

5.3直線及離子源房系統（一次水）

1）一次水板式換熱器（PHE-1-3）的控制直線及離子源房系統一次水板式換熱器PHE-1-3一次側出水的目標溫度設定為27℃，被控溫度應根據設定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應一次水板式換熱器二次側的冷卻水量，采用PID控制方式，調節二次水三通電動控制閥的開度，使得控制溫度不偏離目標溫度值。2）電加熱（DR-1-3）的控制電加熱DR-1-3出水的目標溫度設定為27℃，被控溫度應根據設定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算出需要補充調節的熱量，采用PID控制方式，調節電加熱DR-1-3的加熱功率，使得控制溫度不偏離目標溫度值。電加熱器根據水泵的運行狀態投入調節控制。當水溫高于某個設定值（如45℃）時，為避免出現異常情況，控制系統必須關閉電加熱器DR-1-3的輸出。3）檢測分別檢測：電加熱器DR-1-3的手/自動狀態、故障信號和三相電流值；一次水板式換熱器PHE-1-3的進出水溫度值及三通調節水閥的開合度狀態。直線及離子源房系統醫療裝置進水部分的壓力、溫度、電導率和PH值，出水部分的壓力和溫度。其他各醫療裝置的進/出水部分的壓力、溫度和流量，進出水開關閥的狀態。監視一次水循環水泵的運行、故障狀態，循環泵出水的壓力。4）監控邏輯系統要求運行：首先打開一次水循環水泵，水泵的運行狀態信號反饋至控制器，控制器通過確認電加熱輸出為零時，打開電加熱器的啟動信號，并根據現場溫度狀況調節電加熱器的實際功率。系統要求停止：關閉電加熱器的功率輸出，控制器確定電流為零時，發出正常停止的指令信號，否則發出信號報警；當確認電加熱器正常停止工作時，一次循環水泵方可停止工作。系統發生設備故障、跳閘和漏水等情況：自控系統調節電加熱輸出至零；自控系統給電加熱發出觸發短路信號，延時半分鐘，電加熱主回路關閉；主回路電源切斷。

5.4同步輻射冷卻水系統（一次水）

1）一次水板式換熱器（PHE-1-5）的控制同步輻射冷卻水系統一次水板式換熱器PHE-1-5一次側出水的目標溫度設定為27℃，被控溫度應根據設定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應一次水板式換熱器二次側的冷卻水量，采用PID控制方式，調節二次水三通電動控制閥的開度，使得控制溫度不偏離目標溫度值。2）電加熱（DR-1-5）的控制電加熱DR-1-5出水的目標溫度設定為27℃，被控溫度應根據設定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算出需要補充調節的熱量，采用PID控制方式，對電加熱DR-1-5的加熱功率進行調節，使得控制溫度不偏離目標溫度值。電加熱器根據水泵的運行狀態投入調節控制。當水溫高于某個設定值（如45℃）時，為避免出現異常情況，控制系統必須關閉電加熱器DR-1-5的輸出。3）檢測一次水板式換熱器PHE-1-5的進出水溫度、三通調節水閥的開度反饋；電加熱器DR-1-5的手/自動、狀態、故障、三相電流值；同步輻射冷卻水系統醫療裝置的進水PH值、電導率、壓力、溫度，出水壓力溫度；各醫療裝置的進水壓力、溫度，出水壓力、溫度、流量，進出水開關閥狀態；一次水循環水泵運行、故障狀態，循環泵出水的壓力。4）監控邏輯系統要求運行：打開一次水循環水泵，水泵的運行狀態信號反饋至控制器，控制器確認電加熱輸出為零時，打開電加熱器的啟動信號，并根據現場溫度狀況調節電加熱器的實際功率。系統要求停止：關閉電加熱器的功率輸出，控制器確定電流為零時，發出正常停止的指令信號，否則發出信號報警；當確認電加熱器正常停止工作時，一次循環水泵方可停止工作。系統發生設備故障、跳閘和漏水等情況：自控系統調節電加熱輸出至零；自控系統給電加熱發出觸發短路信號，延時半分鐘，電加熱主回路關閉；主回路電源切斷。

6結束語

通過對醫院整個工藝冷卻水系統溫度及壓力控制的充分研究及詳細設計，在經過長時間的單機試運行和聯動試運行后，整套系統運已經安全穩定地運轉起來。將常規智能化技術和自動化控制技術通過集成二次開發的手段相互結合，實現對冷卻水溫度及壓力的精準控制，保障了直線加速器等醫療設備的全面運行，這是醫院正常開展工作的基礎。這套系統也為以后醫療領域智能化技術的專業應用起到了示范作用。

作者：尹松 單位：上海友益通信科技有限公司