工艺冷却水系统回路

质子治疗设备是将氢离子在加速器内加速到一定能量后，通过束流线磁铁将其引入治疗室辐照患者肿瘤病灶的先进医疗器械，其中加速器、磁铁以及一些电气柜的发热量大，且对温度比较敏感，因此须要使用工艺冷却水系统进行降温。

在质子治疗设备厂家提供的建筑接口文件（BID）中，根据系统功能及设备分布区域将工艺冷却水系统划分成多个回路，同时对不同回路的相关参数，如带热负载的能力、压力、温度、pH值、流量、电导率等提出要求。

我院的工艺冷却水系统采用了常用的双循环冷却方式：一次循环冷却水与质子治疗设备直接接触，带走热功耗，并通过板式换热器将热量传递给二次循环水，再用冷冻机组带走热量。

工艺冷却水系统的主冷源由负二层的冷冻机组提供，其还负责全院空调设备的制冷，包含3台电动变频离心式冷水机组，单台制冷量为kW，其出水温度一般设为7℃。主热源由顶楼屋面的两台两管制风冷热泵提供，单台制热量为kW，出水温度设定为45℃。

我院配备的质子加速器、束流线磁铁、旋转机架等设备位于负一层，射频放大机柜及主要电源电柜位于一层，工艺冷却水设备也位于一层，分为以下几个回路：

回路1（Loop1）连接加速器和磁铁，回路总发热量为.1kW，其中加速器为kW、磁铁为.1kW。回路1的设计压力为1.0MPa，冷水供应温度为28。由于加速器待机维护时须要加热腔体，热负荷约为kW，目的是在恢复出束时使系统更快达到稳定状态，因此加速器须配置制热与制冷两种模式。设计时从回路1为加速器分出一个独立支路，即回路1A（Loop1A），回路1A上设置提高水温的热交换器，热水供应温度根据稳定性调试经验设定在34℃。加速器恢复出束后须要切换为制冷模式。回路1与1A之间的管路通过三通阀进行流量及水温调节。

回路2（Loop2）为射频放大机柜、超导磁铁电源柜以及束流线磁铁电源柜降温，热负荷约为.6kW。回路设计压力为0.8MPa，冷水供应温度＜24℃。

回路3和回路4为制冷压缩机降温，热负荷约为36kW。回路3和回路4互为备用，医院空调冷冻机组，设置了涡旋式两管制风冷热泵（78kW）作为备用冷源。制冷压缩机必须全年不间断运行，一旦停机，超导磁体腔内的液氦会不断挥发到外界，严重时可导致磁体失超、加速器损坏，造成巨大的经济损失，因此特别配置了备用回路以保证制冷要求。主用、备用冷源各设置了电磁阀用于隔离。然而后来发现这种设计存在缺陷：两组冷源的调试和切换极其不方便。优化的方案是两个回路分别独立使用一组冷源。回路设计压力为0.69MPa，冷水供应温度＜24℃。

每个回路的主要部件（如水泵）都采用主用+备用的配置。工艺冷却水回路的管路材料均为S不锈钢，且在辐射区域管路的连接处并没有使用生料带作为密封辅料，而是用抗辐射的密封胶代替。

该系统还配备了专用纯水产水系统以及纯水补水系统，纯水产水量为4t/h，补水系统通过监测工艺冷却水系统各回路的回水压力进行实时补水。

（一）水质

水质类型可分为去离子水和自来水。首次注入去离子水时其电导率应小于1S/cm，后期维护中电导率＜10S/cm，其pH值为7.5~8.5。去离子水适用于流经辐射区域以及带电的回路，以避免活化或者漏水引发短路事故，如回路1和回路2；其他两条回路使用自来水即可。

对于去离子水的供应，可以直接购买符合要求的工业纯水，不推荐单独配置一套纯水制水系统。这是因为工艺冷却水系统由一套封闭的管路组成，运行时基本不消耗水量，因此补水频率较低，仅在质子治疗设备维护、维修时才须要向回路中补水。

虽然回路1和回路2使用了去离子水，但由于去离子水流经一些纯铜部件时，水中溶解的氧气会不断腐蚀这些部件，不可避免地导致铜离子进入水中并引起电导率升高，甚至造成水管中出现非常严重的铜锈覆盖现象，因此非常有必要在循环水路中设置除氧装置和离子交换柱，以稳定电导率。除氧装置定期向管道中加入适量除氧剂，以降低水中溶解氧的含量，但同时应注意确保电导率在允许范围内。离子交换柱的进出口均配置精密滤网（我院采用的进水端滤网筛孔为5m、出水口滤网筛孔为1m），以避免水中杂质对交换树脂的破坏。交换树脂应定期更换。

由于整条回路的管道长、焊接点众多，循环水长期冲刷使不稳定的焊渣脱落，再加上更换阀门等部件时可能混入杂质，有必要将过滤系统串联到回路中，对回路的水不断地进行过滤，否则杂质一旦进入质子治疗设备中造成水路堵塞，或者依附于导热体表面降低散热效率，将造成极其严重的后果。推荐使用~目（对应的筛孔为50~m）或者筛孔更小的滤网，如果使用高精细滤网，建议在其前端串联低精细滤网用于保护，实际使用经验表明如此设置是必要的。

质子治疗系统运行时，回路1的去离子水将被轻微活化。根据现场测量的结果，当加速器的束流强度达到nA时，工艺冷却水机房回水管道上的剂量率为4.81Sv/h。考虑到剂量仪与管道间有约5cm厚的保温棉及一层金属防护罩，实际活化率应更高。因此，建议工作人员在进入工艺冷却水机房前佩戴电子个人剂量计以实时监控辐射剂量，必要时采取防护措施，系统维护时排出的废水须要先排入衰变池，待活度衰减后再排放。

（二）水温

尽管建筑接口文件里冷却水温度的允许容差较大（最高±2℃），但在实际调试中发现，加速器对水温的敏感度非常高，如果温度波动过大，将极大地影响加速器内的束流品质和引出效率。我院对加速器进行了多次调试，得出的结论是：当供水温度在28±1℃时效果最佳。

在设计时，应尽量选用换热量高、传热系数大、阻力小的换热器。同样，为避免水中杂质降低换热效率，在进水口前端设置滤网也是非常必要的。

工艺冷却水系统的二次侧（冷源侧）流量阀应开合灵活，以便迅速应对不同工况的热负载、保持水温的稳定。

在回水端加设闭式缓冲水箱，可降低回水温度升降速率，结合水系统控制程序的优化，可更好地提供稳定的水温输出。

（三）供水压力

通常情况下，工艺冷却水系统的控制方式为稳压控制，即供水管输出压力固定。建筑接口文件里一般会明确最高供水压力，实际使用时建议在该参考值的基础上降低0.05~0.1MPa，可更好地保护末端连接处，避免过压造成破裂。

各水管支路连接的质子治疗设备仅配置了温度及水流量传感器，并不

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