质子重离子加速器设备冷却水系统停机故障预防与应急优化*

李万宏 朱春杰*

质子重离子加速器设备冷却水系统停机故障预防与应急优化*

李万宏①朱春杰①*

目的：通过对上海市质子重离子医院(SPHIC)质子重离子加速器设备(IONTRIS系统)冷却水系统故障进行分析，研究停机故障预防与应急优化方法，并评估这些方法的应用效果。方法：分析停机故障原因，实施停机故障预测诊断和改造方案。安装电压补偿器应对外电网波动，采用机械振动检测的方法预防水泵故障，设计并安装应急定压装置及故障快速切换系统应对定压装置故障，同时设计安装泄漏应急系统以降低水泄漏故障的风险。结果：实施优化应急方案后，提高了IONTRIS系统加速器冷却水系统故障应急能力。结论：大型医用设施的设计及运行需充分考虑安全性和冗余性的要求及故障诊断与应急的方案。

质子；重离子；加速器；冷却水；故障预防；应急

上海市质子重离子医院(SPHIC)引进的西门子质子重离子加速器设备(IONTRIS系统)结构庞大，其辅助设施如循环冷却水、配电、环境HVAC、辐射安全系统(PSS)等均由我国自主设计[1]。系统的运行管理及维护采用SPHIC工程师组与西门子服务团队(CS)协同工作模式[2]。IONTRIS系统对冷却水的运行稳定性要求较高，要求全年开机率达到99.9%以上[3-4]。IONTRIS系统为防止水流量不稳定造成内部过热，在冷却水各供水支路均设置流量连锁开关。实验发现，冷却水压力波动在0.02 MPa以上即自动触发连锁引起IONTRIS系统停机。故障统计发现，冷却水异常造成IONTRIS系统停机故障的主要原因有外电网波动、水泵故障、定压装置故障及循环水泄漏。为此，本研究分析造成这些故障的根本原因，并提出应对方案，旨在完善IONTRIS系统的运行保障体系。

1 资料与方法

1.1 故障统计资料

SPHIC冷却水系统异常造成IONTRIS系统停机的故障。

(1)外电网波动停机。2014年监测到外电网波动9次，造成IONTRIS系统停机3次[5]；2015年监测到外电网波动12次，造成停机4次；平均每次停机时间30～60 min，2014-2015年因外电网波动造成停机265 min。实验发现，外电网电压下降17%即造成冷却水水泵运行频率下降，从而引发IONTRIS系统流量连锁停机。

(2)水泵故障停机。2014年共发生冷却水水泵故障11次，造成IONTRIS系统停机3次；2015年水泵故障13次，造成停机2次。因水泵均设置冗余，平均每次停机时间约30 min，2014-2015年因水泵故障共造成停机150 min。

(3)定压装置故障停机。从2013-2015年共发生定压装置故障8次，造成IONTRIS系统停机2次，每次停机约30 min，共停机60 min。因原设计中定压装置无冗余，一旦故障不能及时修复，将可能造成长时间停机，虽然2次故障未造成长时间停机，但定压装置故障的潜在风险较大。

(4)水泄漏停机。从2012年6月至2015年12月，共发生水泄漏12次，造成IONTRIS系统停机6次，其中加速器区域内的大规模泄漏。水泄漏平均每次处理时间约120 min，共造成停机720 min。

(5)其他故障。如温度偏离、信号干扰等，虽对系统稳定性造成影响，但不会造成停机，可通过其他方法研究改进方案，如在文献[3-4]中，对温度偏离问题进行了优化。而本研究主要针对前4类停机故障进行分析研究。

1.2 故障预防与系统优化方案

1.2.1 外电网电压波动的应对方法

在文献[6-7]中，对电网电压波动的串联补偿方法进行了研究。基于其研究基础，SPHIC工程师对成套电压补偿器进行了研究，决定在质子重离子区配电系统中针对冷却水系统及IONTRIS系统增设一套电压补偿器，以应对外电网电压波动的影响。

电压补偿器包含三相变压器，变压器的每个二次绕组串联于输入线路和负载之间。通常情况下，其运行处于“监控状态”，变压器的初级绕组通过可控硅整流器连接，负载电流流过变压器的二次绕组。电压补偿器对三相平衡输入电压中的输入电压波形相角偏差进行监控，发现由电压暂降造成的相角偏差，在2 ms内通过逆变电路为串联变压器的初级绕组注入补偿电压。补偿电压以数、形、相位角方式合成，当串联异常输入电压时，就形成了三相平衡电压。当正常三相输入电压重新接入电压补偿器时，逆变电路断开，恢复到监控状态。

电压补偿器主要电压补偿参数为：单相或双相市电电压暂降至剩余电压的30%时，校正至额定电压的100%；三相市电电压暂降至剩余电压的60%时，校正至额定电压的100%。

1.2.2 水泵机械振动的检测

振动检测的原理是通过对旋转设备的时域波形和频域波形进行分析，诊断潜在问题。研究表明，通过振动波形可判断90%以上的故障特征[8]。水泵经长时间的运转，易出现轴承和机械密封等部件的磨损，而这些磨损难以通过肉眼观察发现。此外，在水泵拆卸保养或维修时，技术人员因经验不足或操作失误造成的安装偏差，也会影响水泵运行稳定性。因此，机械振动检测可协助技术人员发现隐藏的问题。

(1)振动检测仪器。普卢福振动分析仪(PRUFTECHNIK VIBEXPERT Ⅱ)。

(2)检测方法。在水平方向、垂直方向及轴向分别安装振动传感器，获取振动曲线，图1为传感器安装位置。水平方向数据异常，可初步判断问题为风机叶片折断或配重物松动；垂直方向数据异常可初步判定为地脚松动、基座异常或轴承间隙变大；轴向数据异常可判定为旋转轴中心偏移、齿轮磨损、安装松动或旋转轴弯曲。

图1 振动传感器安装位置图

振动烈度参考国际标准ISO10816-3。本研究对该标准的理解为：对于15～300 kW的水泵的机械振动范围：0～1.5 mm/s为可接受；1.5～4.5 mm/s为状态较差；＞4.5 mm/s为状态极差，急需维修。

1.2.3 定压装置故障的预防

为维持系统压力恒定，在每一个循环水子系统的回水端，均设置一台定压装置。SPHIC冷却水系统采用Reflex空压式隔膜定压装置，每台定压装置与纯水供水系统连接，实时调整在线压力，实现系统压力恒定。当定压装置出现故障时，系统压力将无法稳定。为此，增设一台应急定压装置，通过管路与各子系统定压装置连接，当任意一台在线定压装置故障时，应急定压装置即自动匹配定压值与故障的在线定压装置一致，并通过阀门切换与该子系统连接，满足应急要求[9]。

1.2.4 泄漏检测及应急方法

IONTRIS系统需要冷却的部件遍布系统的各个位置，连接管路复杂，泄漏问题难以杜绝。如果泄漏不能被及时发现，可能引发严重安全问题。为此，增设泄漏应急系统，通过实时检测各子系统回水端压力值及定压装置累积补水时间来判断系统是否有泄漏。检测到泄漏信号后，触发停机连锁，关闭水泵及各支路进出水阀门，减少泄漏影响。

2 结果

2.1 电压补偿器投入使用后的监测结果

电压补偿器投入使用后，于2016年11月6日监测到一次电网波动，电压跌落到额定电压的80%，波动持续时间为84 ms，电压补偿器有效地将电压补偿到额定电压，未造成停机。因目前电压补偿器的安装完成时间较短，其对于外电网波动的补偿效果还在持续监控中。监测到的报警信息如图2所示。

图2 电压补偿器监测结果界面图

2.2 水泵机械振动检测的结果

按照ISO 10816-3的振动基准值，于2015年9月和2016年8月对冷却水系统的21台威乐水泵(功率均在15～55 kW之间)进行了2次振动测量。2015年的测量中发现需要立即维修的水泵2台，状态较差的水泵2台；2016年的测量中发现4台水泵需要立即维修，2台水泵状态较差。基于振动测量标准，水泵维护工程师进行了拆卸维修，排除了隐藏问题，避免了故障停机。截取测试记录的2个正常振动和异常振动对比曲线如图3所示。

图3 振动测量曲线图

2.3 应急定压装置设计

定压装置的供水均取自纯水系统循环供水管路，在定压装置与每个子系统的连接点，设置2个阀门，当某系统的在线定压装置故障时，关闭该故障定压装置与系统连接的阀门，开启与应急定压装置连接的阀门，并匹配应急定压装置的定压值与故障应急定压装置一致。如直线系统定压装置故障时，其应急切换过程为：①关闭直线系统定压装置与系统的连接阀门M11；②应急定压装置匹配定压值与直线系统定压装置一致；③开启阀门M1，待应急定压装置压力稳定；④开启应急定压装置与直线系统连接阀门M10，完成应急切换，整个切换过程全自动完成。应急定压装置与冷却水子系统连接如图4所示。

图4 应急定压装置与系统连接图

图5 为直线加速器系统应急定压装置无泄漏状态下的切换压力曲线，其中，箭头处显示的微小波动为切换时的压力波动，波动值＜0.02 MPa，实验过程中未造成IONTRIS停机。但目前对于泄漏后连续补水时压力控制精度仍在做深入实验研究。

图5 应急定压装置无泄漏切换压力曲线图

2.4 泄漏监测及应急系统的设计

泄漏监测及应急系统工作模式。

(1)泄漏监测及应急系统实时监测各子系统的回水端压力及定压补水装置的补水开关信号。

(2)泄漏应急系统触发条件。①如果回水端压力低于设定值时，触发应急模式。离子源、输运线、同步环以及直线加速器4个系统的回水端设定压力下降1 bar为触发条件，射频系统回水端设定压力降至0.1 bar为触发条件，为防止压力传感器故障造成的误触发，压力值取同一段管道的2个压力传感器数据；②如果检测到任何一定压装置处于补水状态，开始计时。如果任一子系统出现连续6 min的补水信号，触发应急模式。该触发功能需建立在定压装置稳定运行基础上，如果定压装置补水开关故障将可能误触发，所以该触发条件的适用性目前还在持续追踪和研究。

(3)系统进入泄漏应急模式后，将信号发送至IONTRIS系统，IONTRIS系统收到该信号后，发送确认信号回冷却水系统后，随后IONTRIS系统自动断电，同时，机房内发出声光报警。

(4)冷却水收到IONTRIS系统的确认信号后，启动计时器，2 min后关闭离子源、同步加速器、直线加速器以及束流输运系统的冷却水供水；12 min后关闭射频系统冷却水供水。

系统做好应急停机后，由操作人员进行故障修复，泄漏修复完成后进行系统复位。经测试，泄漏应急系统在回水端压力下降至设定值以下时，均能有效地启动应急模式，但对于不造成系统压力下降的微小泄漏，当前状态尚不稳定，SPHIC工程师正进一步研究应对方案。

3 讨论

IONTRIS系统的临床应用是当前肿瘤治疗领域的前沿技术，目前国内外均处于发展状态[10-11]。因该设备结构复杂，运行精度要求高，对辅助设备设施的设计及运行稳定性要求较高，通过总结SPHIC冷却水系统的设计及运行经验，对系统设计及运行安全进行如下讨论。

(1)冗余设计的必要性。安全级高的设备，如循环水泵、定压装置均应设置冗余，但考虑到成本因素，冗余方式可根据系统实际情况设计成一用一备或多用一备及自动切换方式，必要的冗余能够避免设备故障时的长时间停机。

(2)供配电系统的安全性。医疗设备的运行关系患者治疗的安全，供配电系统的设计需要充分考虑设备运行需要，除应急时所需的UPS、EPS及柴油发电机外，还需要进一步考虑电网波动的应对、多路供电快速切换的方案、电磁兼容设计、接地抗干扰等因素[12-14]。

(3)水泄漏安全防护与应急。需要考虑水泄漏可能对设备造成的危害及造成停机对治疗的影响，同时，考虑水中金属杂质的辐射活化反应等因素影响，设计时充分考虑泄漏监测与应急防护[15]。

(4)应用辅助检测手段进行故障诊断。合理利用监测仪器对设备的隐藏故障进行诊断，如机械振动检测及红外线测温[16-17]。还需要采用辅助仪表进行水质的定期测量，水中金属成分及放射性测量等。

当前，基于互联网+模式下的大数据应用发展迅速，在后期研究中，将结合智能信息处理，进一步提高系统监测分析及故障诊断的智能化水平。

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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

李万宏,男,(1981- ),硕士，工程师。上海市质子重离子医院后勤保障部，从事质子重离子加速器及其辅助设备设施运行维护管理及相关研究。

2017-07-09

1672-8270(2017)10-0019-04

R812

A

上海市科委科研计划(16511102500)“互联网+模式下大数据驱动的重大医疗设施智能化运维”

①上海市质子重离子医院后勤保障部 上海 201321

*通讯作者：zhucjcitiz@163.com