医院建筑案例：公用设施管理技巧

为了保证质子重离子设备的正常运行,西门子公司对中方提供的公用设施设备提出了很高的要求,而且公用设施是否达到标准是设备开机率的重要保障,因此存在很大的技术风险。因此,该系统的设计质量和施工质量将是项目成败的关键,要对设计、设备选型和施工过程进行严格的质量管理程序,确保设计参数的有效执行。特别是要吸取中科院上海光源的经验,在项目开工前多次安排到上海光源进行调研,了解上海光源在建设期间曾经遇到的技术问题,加以有效的总结,并在项目执行期间聘请上海光源的有关专家协助我们解决技术上的难题。

1)工艺冷却水系统

加速器应用于放射治疗开始于20世纪40年代的美国,中国在20世纪70年代开始进行加速器的研究。其发展过程先后经历了电子感应加速器、电子回旋加速器、电子直线加速器,同步质子和重离子加速器几个阶段。在目前,直线加速器应用于治疗的技术已经非常成熟,作为一种主流放射治疗仪器,在治疗肿瘤疾病中受到很多人的关注和重视。而质子重离子的研究尚处于发展阶段。21世纪,肿瘤放射治疗的主流将是三维适形调强放疗,由3D-CRT和IMRT组成,利用精确的固定和定位技术,不改变剂量场的强度,使得高剂量区域的剂量分布与肿瘤的三维形状基本保持一致,由此满足适形的要求。同时,在满足适形的前提下采用逆向物理计划系统进行计算,由此使剂量分布均匀,降低肿瘤放疗时对正常组织的伤害。而使用质子重离子放疗是能够实现三维适形调强放疗的最佳手段。

加速器是提高某种物质速度和能量的装置,不论其加速的物质为电子、质子或重离子,普遍是运用微波电场,将物质加速到较高能量而应用于治疗。其提供的微波电场,需要有大量的电磁装置,这些装置在运行过程中产生了大量的能量,部分提供给粒子加速,同时产生的大量热量则需要由冷却水作为介质将其带走。随着加速器系统功能的逐步完善,其对于设备冷却水的要求相应提高。在早期加速器研究阶段,采用普通的风冷或水冷方法进行简单的设备冷却。当前主流的电子直线加速器,使用的是独立的水冷机,其结构也相对简单,对加速器的温度控制要求并不高。近几年,随着大型加速器设备的应用,对相应的冷却水系统提出了更高的要求。

图3　加速器冷却水系统

加速器冷却水系统(图3)的温度控制方法的选择是决定整个系统控制稳定性的关键。作为加速器冷却水典型系统的光源工程,其控制方式采用的是模糊PID控制,达到了理想的效果。但是,控制方法的选择与负载的大小及负载的变化率等都有比较大的关系,针对医用重离子加速器系统在负载的大变化率以及负载变化率无明显规则的状况,需要做更加深入的研究。

上海市质子重离子医院使用的IONTRIS系统,射线能量在同步加速器中能够实现85～430MeV/u的变化,且射线能量的变化由患者的肿瘤情况决定。由此,使得同步加速器的能量变化出现较大的随机性,不能用确定的方式来描述射线能量的变化规律。而射线能量的变化,使得设备发热量产生变化,射线能量的不确定的变化规律,直接导致设备发热量的变化不规律。因此,冷却水系统的温度变化也同样产生不规律的变化。所以,同步区域冷却水温度控制的稳定性成为大型医用重离子同步加速器系统研究的一项重点。

针对同步环系统的温度控制,需要考虑多方面的因素。首先,需要考虑系统在负载变化情况下的温度探测问题。其次,因为冷却水在同步环系统中的传输距离比较远,如果编程时只采集单个温度数据做简单的单闭环控制,很难达到稳定的温度控制。所以,需要提高系统在负载状态下响应的速度。再次,为提高控制精度,避免系统出现低温状态波动,需要考虑在一次水系统中串入电加热装置。串入电加热装置后,在系统停机后重新开机时,能够使加速器尽快进入设定的温度运行。而且,由于风机和冷冻机的投入或退出,二次水温度会波动,加速器负载也会引起温度波动,采用电加热装置后,能够在一定程度上提高温度控制的精度。

此外,加速器冷却水系统是比较庞大的系统,其能耗较大,且在需要24h不间断工作。所以,系统的节能设计显得非常重要。在进行大型医用重离子同步加速器冷却水系统设计时,节能设计的好坏是决定整个系统设计成功与否的关键因素之一。

加速器对于冷却水系统的水质同样也有比较高的要求,对于进入加速器腔体的循环水,其对于水质的要求包括电阻率、悬浮物、颗粒、pH值等要求。循环水在运行过程中,会产生污垢、悬浮物、颗粒等杂质,与普通循环冷却水系统相似,如果不做好循环水来源的控制和后期的水处理,将加速设备的老化,影响效能。所以,针对大型医用重离子同步加速器冷却水系统,在进行水质监测和处理时,需要考虑多方面的因素。首先,针对流入加速器精密部件内部的冷却水,考虑到电导率、悬浮物、颗粒等要求,在线的纯水处理装置,实现在线的补水。其次,为防止运行过程中产生金属离子,在系统中需连接在线去离子装置,加入在线水处理器等设备。此外,还必须在各独立封闭的系统中加入两个以上的水质监测点,将监测到的数据连接到系统中,实现实时在线监测。

2)供配电系统

医院设有一个35kV主变电站和两个10kV分变电站。

35kV主变电站有两路独立35kV进线,两台35kV变压器,每台变压器容量为12500kVA,设计总装机容量为25000kVA。

两个10kV分变变电站为2#变电站和3#变电站。2#变电站内设4台10kV变压器,2台10/0.4kV-1000kVA变压器为常规放疗区供电,主要负载2台光子、1台CT模拟机、1台常规模拟机、1台回旋加速器、1台SPECT/CT、1台PET/CT、2台MR、1台肠胃、1台DR、2台CT。2台10/0.4kV-1600kVA变压器为病房楼、行政楼、门诊楼供电。3#变电站内设9台10kV变压器,单独为质子重离子区供电。4台10/0.42kV-2000kVA变压器主要为质子重离子设备供电,1台10/0.42kV-2000kVA变压器为质子重离子设备备用变压器(热备用状态),2台10/0.4kV-1600kVA变压器和2台10/0.4kV-2000kVA变压器为PT区工艺冷却水、空调、照明等设备供电。

医院设有应急柴油发电机1台和UPS不间断电源8台。柴油发电机组的容量为1000kVA,当外网供电系统中断后,柴油发电机组可在15s内为重要设备正常供电,并可持续运行3h。发电机的主要负载为工艺冷却水泵、加速器系统的真空泵、PT区3台UPS系统。PT区3台UPS系统的总容量为900kVA,按照2用1备的方式配置。当外网供电系统中断后,UPS可继续为特别重要设备持续供电3h,特别重要设备为加速器系统的控制设备和机器人。另外5台UPS主要负载分别为PT区信息机房服务器、地下室信息机房服务器、消控中心服务器、药剂科发药机和检验科检验设备。

主要负载参数及要求:

医院主要电力负荷为PT加速器系统1套、工艺冷却水系统1套、HVAC空调系统1套、常规放疗设备13台。

PT加速器系统的负载信息:设备运行电压AC400V±10%,50Hz,TN-S供电形式;额定功率4500kW,运行时最大功率3500kW,最小功率350kW,每分钟负荷最大变化20次,需要3台2500kVA变压器;停电切换时间小于150ms,需要配置300kVA 的3h不间断电源和100kVA 的1h应急电源;应急电源在停电15s内恢复供电。

工艺冷却水系统的负载信息:设备运行电压AC400V±10%,50Hz,TN-S供电形式;总功率1850kW,需要配置220kVA的1h应急电源;应急电源在停电15s内恢复供电。

HVAC空调系统的负载信息:设备运行电压AC400V±10%,50Hz,TN-S供电形式;总功率3500kW,需要配置240kVA 的1h应急电源;应急电源在停电15s内恢复供电。

常规放疗设备的负载信息:设备运行电压AC400V±10%,50Hz,总功率2000kW。

供配电系统是质子重离子系统(PT系统)的重要辅助系统,是关系质子重离子系统稳定性的重要因素。上海市质子重离子医院是上海市电力公司的一级重要用户,但是,在系统运行过程中,出现了一些问题,为此,SPHIC工程技术团队也实施了一些优化方案并取得了一定的效果。

2014年,医院安装了外电网监测系统,对两路35kV进线电压进行监测,将实际电压偏离大于额定电压的10%作为电网波动,共监测到9次外电网波动,其中3次波动造成工艺冷却水系统水压明显波动,虽然每次的水压波动时间只有几十秒甚至更短,但这3次的水压波动都直接导致质子重离子设备的停机。控制工艺冷却水泵的电气元件是变频器,使用变频器的优点虽然很多,但对电网的供电质量要求也很高,当发生电网波动时,变频器会因为电网波动造成的电压闪变多次引起变频器保护动作,使低压控制电压波动范围超出保护设定范围,造成变频器的停机。虽然当电压正常后,变频器可以自动开启,水泵可以正常运行,但变频器的停机已经造成了冷却水系统的水压下降。针对电网波动的特征和停机域值,通常采用安装UPS、安装静态切换开关和安装定压补偿器三种方案,经过实践,后采用安装电压补偿器的方案,对抑制外电网波动效果明显。

医院的主要供电设备包括两路互为独立的35kV电源,两路电源同时运行,互为备用;3个变电站,2台35kV变压器、15台10kV变压器、10个35kV高压柜、20个10kV中压柜、61个0.4kV配电柜、8台UPS、1台柴油发电机和700多个现场电柜。现场电柜内的电气连接点少则几十个、多则数百个。如此庞大的供电系统和繁多的电气连接点,其运行过程中都会产生热量。正常情况下的热量都会自然散发到环境中,不会产生局部的温升,当产生的热量大于散热能力时,热量会逐渐堆积,产生明显的温升或转变成发热点。发热点将造成绝缘材料的绝缘性降低和设备的机械强度降低,严重时将引发电气短路和电气火灾等事故。要想避免类似事故的发生,电气测温是极为关键的预防性工作,而使用热成像测温是很好的选择。

使用热成像仪测温作为供电系统预防性工作,能及时发现设备运行中的缺陷,有效减少电气短路和电气火灾事故,提高设备的供电可靠性,降低设备的运行维护成本。

3)重点区域环境温湿度控制

HVAC是PT设备的重要辅助设备,保障着PT设备房间温湿度稳定,对PT设备安全稳定工作具有十分重要的作用。

(1)系统架构(www.xing528.com)

PT区HVAC系统采用的是西门子的Insight系统,HVAC控制系统平台架构基于C/S、B/S的多层网络结构,与其他子系统的集成应支持包含目前楼宇自控及信息产业中绝大多数的标准:能以COM/DCOM、TCP/IP、BACnet、ODBC、OPC、ActiveX、JAVA、XML、Modbus等不同技术与其他系统结合。系统由服务器、管理工作站、操作软件、应用软件、数据库软件、通用DDC控制器、专用DDC控制器和末端设备(各类传感器、阀门和执行机构)等组成。采用3层架构形式:第一层为管理层,设置上位机服务器,可在电脑上监控整个系统;第二层为现场控制层,核心的DDC加扩展模块向上联接通信电脑,向下接入现场传感器,DDC自带CPU和ROM,可以储存数据和程序,无上位机情况下独立运行。第三层是现场设备层,传感器、执行器等传输信号给DDC。

温湿度传感器传输信号给DDC,通过电脑编写程序,下载程序至DDC,在DDC端程序根据现场数据进行PID调节,使得现场温湿度保持在设定值范围内。

医院有4个治疗仓,每个治疗仓设置一台2500m3/h新排风空调机组,采用带有热回收装置的低风速全新风系统,在治疗室进口人行迷宫集中送风,治疗室内顶部均匀排风,排风量大于送风量,维持室内微负压。

治疗仓门前设计有一个长度为83.5m、走道宽度3～3.9m、高度11.7m采光走廊,通过一台送风量26620m3/h变风量空调机组控制采光走廊环境温湿度,现场没有设置温湿度传感器,通过空调机组回风管温湿度传感器控制现场环境温湿度。

质控库房是放置测量束流设备的房间,采用2台680m3/h风量风机盘管,通过2个普通液晶面板控制房间环境温度。

设备厂商在原设计时要求4个治疗仓的温度要求范围在21℃～26℃,质控库房温度要求范围在21℃～26℃,采光走廊的温度要求范围在21℃～26℃。图4为改造前温湿度监控平面图。

图4　改造前医院PT区B1层温湿度监控平面图

从图4中可看出,测量设备从质控库房到治疗室存在最大3.7℃温差,导致测量束流数据出现差异。

(2)存在问题

Ⅰ.由于原先设计考虑4个治疗仓和质控库房只有温度范围,没有精度要求,空调系统的自动控制程序和辅助设备的选型无法满足高精度控制,造成4个治疗仓和质控库房温度不一致。

Ⅱ.温湿度传感器精度大于0.5℃,冷热水阀是普通阀门。

Ⅲ.采光走廊空调采用回风温度控制环境温度,现场又没有温湿度传感器,环境温度控制差,治疗仓又是负压,开关门时期容易吸进采光走廊环境空气,造成治疗仓内温湿度波动。

Ⅳ.质控库房空调采用普通液晶面板控制温度,控制精度差。

(3)分析及处理经过

Ⅰ.将空调机组的普通阀门改成线性速度快的动态平衡阀,风管温湿度传感器换成0.2℃精度,治疗室温湿度传感器换成0.1℃精度,提高温湿度反馈精度。

Ⅱ.在每个治疗仓进门口处增加4个精度在0.1℃的房间温湿度传感器,提高采光走廊的温湿度反馈精度。

Ⅲ.将质控库房2台风机盘管普通冷热水阀改成线性速度快的动态平衡阀,拆除原来的液晶温度面板,房间内增加一个精度在0.1℃的房间温湿度传感器,提高质控库房的温湿度反馈精度。

Ⅳ.编制1套HVAC高精度控制程序。

控制程序主要先根据上海天气构建模型,使得高精度控制的理论模型得以建立。人体舒适区域为温度20℃～26℃,相对湿度40%～60%。图中以高温/高湿32℃/70%空气为例,绝对湿度为21.2g/kg,第一步经过降温使原空气降温至露点温度25.8℃,焓值降低,此时原空气中的相对湿度已饱和100%,绝对湿度还在21.2g/kg;第二步则继续降温至舒适区域对应的露点温度10.2℃,此时空气中的相对湿度100%,但绝对湿度只有7.8g/kg,水汽通过冷盘管析出,这时候原空气中的湿度就除掉了,这个过程就叫做过冷除湿;第三步把处理过的空气重新加热至21℃,焓值增加,绝对湿度为7.8g/kg不变,但相对湿度降低至50%。此时就完成了一个完整的模型,这种模型对应的是夏天的大部分时间、春季的艳阳天、黄梅天等常见天气。

第二种模型是把高温低湿的空气通过降温加湿的方法把空气处理到舒适区域,过程一定是先降温至舒适温度,再加湿至舒适湿度,如果先加湿的话,由于热空气的含湿能力要比冷空气强得多,会造成原空气高温高湿,再通过第一种模型来处理,这样会增加很多能耗。这种模型对应的是秋末初冬的艳阳天。

第三种模型是把低温低湿的空气通过加温加湿的方法把空气处理到舒适区域,过程一定是先加温至舒适温度,再加湿至舒适湿度。如果先加湿的话,由于冷空气的含湿能力要比热空气弱得多,会造成原空气绝对湿度不够,即使相对湿度已经饱和到100%。这种模型对应的是冬天的大部分时间。

第四种模型是把低温高湿的空气通过降温除湿再加温的方法把空气处理到舒适区域,过程一定是先降温至舒适温度对应的露点温度,把绝对湿度降下来,再加湿至舒适湿度。这种模型对应的是冬天的下雨时间。

四个治疗仓和采光走廊的HVAC高精度控制程序就是根据以上的各个模型进行模式的切换,通过室外温湿度计算出室外的露点、焓值、绝对含湿量等数据,通过室内的高精度温湿度传感器计算出室内的露点、焓值、绝对含湿量等数据,两者进行比较,判断出应该进入哪种模式处理。再根据每台空调机组的特性,调整PID值,稳定性和达成速度之间找到一个平衡。

质控库房由于是由2台室内风机盘管控制温度,温控器面板只有单冷或单热的功能,无调节湿度的功能。现自己定义程序,把湿度控制纳入调节范围,由于风机盘管没有加湿器,房间通过新风加湿。通过程序的编制,使其具备了能力有限的除湿功能,通过开大冷盘管的调节阀,使冷量最大,让空气中多余的水分通过冷凝水排出去,同时配合三速风机的风速,在除湿时开到最大,加大空气的流通率,使房间除湿的效能最大化,湿度稳定下来后,再根据温度调节冷热水阀和风机风速,使房间温湿度恒定。

(4)处理结果与结论

经过改造,医院4个治疗仓、质控库房温度保持了一致,采光走廊与4个治疗仓、质控库房温差小于1℃,解决了测量设备到治疗室房间存在温差大、不一致问题。4个治疗室、质控库房控制在23.5±0.5℃范围内。通过对HVAC系统设备的改造,保障了医院治疗室、质控库房、采光走廊温湿度稳定,确保PT设备开机率和正常运行。