技术领域
[0001] 本
发明属于防灾系统技术领域，具体的说是涉及一种质子重离子加速器循环冷却水泄漏与加速器联动防灾系统。
背景技术
[0002] 当前，伴随国家经济社会的发展，人民生活水平的逐步提高，国家相关配套设施的建设也在逐步完善，十二五期间，国家也在开始逐步加大对社保医保建设的改革，非常重视社会医疗的建设和民生关注，这一举措全面带动了医疗产业的发展，医院建设也作为其中一个重要分支在逐步加强。
[0003] 近年来，
恶性肿瘤极为多发，寻求一种
治疗有效而又能让病人减少痛苦的手段是各国医学科研工作者积极探索的重大课题。现今
放射治疗的主流仍然是以
X射线、γ射线为标志的常规放射治疗，然而这些射线存在进入人体的剂量随深度指数衰减的
缺陷, 在杀死癌细胞的同时, 对身体周围健康组织存在不同程度的伤害. 尽管近些年进行了一些改进，取得了一些成果，如转动射
线束或旋转治疗床，避免从人体的同一
位置进入射线 ，但肿瘤周围的正常组织和器官仍受到非常大的照射剂量的影响。为了避免肿瘤周围的正常组织，特别是对放射线敏感的重要组织和器官受到不必要的损伤, 有时不得不把总剂量减低, 以致使肿瘤区得不到必要的照射剂量, 因此大大降低了肿瘤的治愈率。
[0004] 为解决此历史性难题，各国医学科研工作者努
力工作，经过多年研究，设计制造了医用质子和重离子加速器。此类加速器的粒子产生的射线与常规X射线、γ射线不同, 它们都是带电粒子。具有一定
能量的此类粒子，在物质中具有确定的射程, 而且它们在射程末端处的能量损失最大, 即出现所谓的Bragg峰。利用这种损失集中于射程末端的特性, 在肿瘤治疗时, 可以通过调节它们的能量使离子停止在肿瘤的
指定部位, 达到对肿瘤的最大杀伤, 而在肿瘤前面粒子穿过的正常组织,受到的损伤较小, 至于肿瘤后面的正常组织, 因为粒子能量用尽，已经停在肿瘤部位, 所以基本不受影响。临床表明，质子和重离子的特性明显优于X射线。此外, 粒子的带电性决定了它们可以采用磁扫描技术引导束流对肿瘤实行精确适形治疗。
[0005] 医用质子和重离子加速器主体设备由数量巨大的各类磁
铁构成，如螺线管
磁铁、二极磁铁、四极磁铁等，这些部件在运行过程中产生巨大的热量，但由于
辐射防护的要求，质子重离子核心设备是安装在一个密闭的区域内部，只有通过循环冷却水带走热量。在这些磁铁中，充满了错综复杂的毛细管路，循环冷却水在这些管路中流通，犹如加速器系统的血液，由水的流动，将其产生的大量热量带走，在外部经热交换，使热量被外循环冷却水带走，而外循环冷却水经过
冷却塔和冷冻机的作用，再变为
温度较低的水，再次与内
循环水进行热量交换，由此形成了稳定的冷却
水循环系统，作为加速器系统稳定运行的保证。
[0006] 冷却水系统作为医用质子重离子加速器设备的一个重要辅助系统，在整个加速器系统运行过程中起着举足轻重的作用。由于医用
同步加速器是一套非常精密的设备，任何一个微小的环节不能达到要求，其运行就将会受到非常大的影响，从而导致其引出射线的效果，进而影响肿瘤病人的治疗
质量。而冷却水系统如果不能完成稳定的控制，必然会造成质子重离子系统停机甚至加速器主体设备的损坏。
[0007] 由于冷却水系统运行要求较高，而且内循环水是在加速器
密闭空间内部流动，为达到最安全的运行效果，必须考虑循环冷却水故障状态时的各种问题。比如，当封闭系统中的循环冷却水出现泄漏时，外部监控人员是很难发现的，因为循环冷却水系统有在线的自动补水恒压装置以恒定系统运行压力，在小一定规模的泄漏状态时，压力维持恒定。但是，循环水处于泄漏是非常危险的状态，由此会引起一系列问题甚至导致灾难性的影响：1、现场循环水水管的布置与电气设备错综复杂地组合在一起，泄漏的水有可能流到导致电气设备内部造成设备损坏；2、部分电气设备处于密闭的管道井内，如果长时间的泄漏不被发现，及有可能造成内部水淹事故；3、循环水泄漏导致加速器密闭空间内的湿度快速上升，因加速器内部有很多精密部件，对环境湿度有较高的要求，湿度的上升必将造成精密部件的运行受到影响甚至造成精密部件的损坏。因此，为提高运行安全性，实现泄漏时自动触发质子重离子加速器系统和冷却水系统安全停止的保护系统显得非常重要。
[0008] 循环冷却水泄漏只是冷却水系统故障的一种，需要考虑冷却水系统运行时的各种故障状态，通过系统化的分析、评价，确定各种故障状态可能产生的后果，将这些故障状态整合，与质子重离子加速器系统实现联动防灾。运用质子重离子加速器系统治疗恶性肿瘤作为一个国家重点发展项目，在提高我国民生问题方面有着重要的意义。如果能够将质子重离子加速器循环冷却水故障与质子重离子加速器和冷却水系统安全连
锁防灾作为一套重要系统来研究，那么就属于在全国范围内开创了一个先河，具有实际应用的意义。为更好地实现质子重离子加速器系统及相关辅助系统的安全运行与现场管理提供了重要的手段和扎实的
基础。质子重离子加速器循环冷却水故障与质子重离子加速器和冷却水系统安全连锁防灾是系统集成方面的研究课题，该项目的研究成功将提高质子重离子加速器与配套的冷却水系统的集成，更好地实现连锁运行。
发明内容
[0009] 本发明为了克服
现有技术存在的不足，提供一种质子重离子加速器循环冷却水泄漏与加速器联动防灾系统。
[0010] 本发明是通过以下技术方案实现的：一种质子重离子加速器循环冷却水泄漏与加速器联动防灾系统，其由防灾系统主要针对的目标的分析、防灾系统传感装置现场敷设的分析、防灾系统集合连锁架构的分析、防灾系统灾难等级划分的分析和防灾系统的联动分析五部分组成；防灾系统主要针对的目标包括冷源系统、二次水系统、加速器内循环水系统和水泄漏分级，水泄漏分级分为轻微泄漏和严重泄漏两种情况；防灾系统传感装置现场敷设为：冷源系统、二次水系统和加速器内循环水系统通过
板式换热器进行热量交换，由于各个系统分散在医疗仪器设备中心的各个位置，管路的敷设长，路由复杂，中间环节多，因此针对各个系统采用不同的检测方式；防灾系统的集成连锁架构的系统组成包括控制柜、
控制器、控制台、冗余压力
传感器、温度传感器、报警器和复位按钮；防灾系统灾难等级的划分分为I级容许
风险和II级不容许风险；防灾系统的联动分析为：除冷却水系统之外，电力系统、发
电机系统、主要重要的医疗设备的检测系统，
地震检测系统，空气
压缩机和辐射报警系统火灾报警系统都是灾难系统的子系统，需要针对这样一个庞大的系统进行系统的优化设计、深入研究和严格等级划分。
[0011] 冷却水系统由冷源系统、二次水系统和加速器内循环水系统组成；冷源系统由冷冻机、冷却塔、冷却水
泵和冷冻水泵组成，冷源系统是冷却水系统供冷的核心子系统；二次水系统由密闭式冷却塔、循环水泵和控制
阀门构成，发生故障时能够很快影响后级系统，及时快速的解决问题；加速器内循环水系统包括
直线加速器冷却水、离子源冷却水、射频冷却水、输运线冷却水和
同步环冷却水共5个子系统，加速器内循环冷却水系统是直接给加速器装置提供冷却的循环水系统，加速器内循环水系统主要由板式
热交换器、电加热器、
控制阀、管路和各种磁铁内部的毛细管组成。
[0012] 防灾系统传感装置现场敷设的分析具体为：冷源系统是整个冷却水系统的核心之一，冷冻水的温度，压力的变化，一旦发生报警，必须立即在监控中心发出预警，根据防灾系统的预案，进行处理，如果处理超越预案设定时间范围，医疗中心接受预警
信号，医疗中心根据灾难等级处理后续工作；二次循环水系统根据季节的变化，自动投入运行，当室外的温度超过35摄氏度时，不能给二次水带来冷却效果，二次循环水不经冷却塔循环，主要依靠冷源制冷，因此二次水的冷却由室外冷却塔与由冷冻水冷却自由切换是极为重要的；加速器内循环水系统是根据质子重离子加速器工艺要求确定温度、压力、流量、电导率的参数要求，水温的偏差范围及报警条件为±1℃，24小时稳定，一旦发生报警由控制中心进行人工干预。
[0013] 在防灾系统的集成连锁架构的分析中：控制器采用工业用控制器，每个工艺用系统采用同一控制器进行监控，对于控制要求高的系统，全部采用本地
服务器进行
数据采集，所有远距离传输数据的介质都采用
铜缆→光电转换→光缆→铜缆，本地服务器与上层服务器通过TCP/IP方式实时传送数据，上层服务器采用冗余方式保证数据采集的完整性，控制器还在中央站故障时，继续按预定的程序工作，从而保证系统的正常使用；医疗系统能够实时监视灾难系统的温度、压力、PH值和溶
氧的数据，一旦偏离工艺要求，则通过多种措施进行
预防和干预。
[0014] 本发明的有益效果是：本发明通过控制设备的安装及
软件的编译调试，实现了系统故障的自动识别及紧急状态下的自动保护性停机。由于防灾系统相对独立，
接口标准，有
硬件、软件互补冗余，安全可靠，是一套成套优化自控装置。完全可以在类似医学项目或其他项目上进行运用推广。本发明将质子重离子加速器循环冷却水故障与质子重离子加速器和冷却水系统安全连锁停机集成起来，由信号的变化来实现现场设备的系统化连锁保护。采用目前国际上的主流技术和系统产品，通过合理的设计规划，使得在全球范围内成为首创性的样板。
[0015] 经济效益：该项目成功后，可以解决因冷却水泄漏造成的设备部件损坏的问题，2012年-2013年间，因循环水故障造成的各类系统问题问题产生的设备零部件损坏共计人民币500万元，通过使用这套装置，可以将此部分的
费用节省出来，如果按照质子重离子加速器使用寿命15年计算，可共节省人民币3750万元。同时，如果解决了因冷却水故障造成的各种维修，因泄漏故障产生的各类维修时间可以节省出来作为治疗病人的时间，将大大提高病人治疗的数量，产生经济效益。2013年-2014年期间，因冷却水泄漏造成的故障维修时间为120小时，按照设备使用寿命15年计算，共可节省维修时间900小时。将这900小时的时间用于治疗，可产生经济效益1800万元。
[0016] 社会效益：近十年来，我国加大对医院设备设施建设的投入，每年都需要花费大量外汇从国外引进各种医疗设备及综合控制平台。为了减少对进口设备的依赖性，并提高现场管理的安全性和智能化，我公司从2014年开始研制质子重离子加速器循环冷却水泄漏与加速器联动急停系统，经过测试，其主要性能已达到要求，而且部分技术在国内外均属首创。其研制成功，将提升整个质子重离子加速器系统运行的
稳定性。
[0018] 图1是本发明防灾系统的灾难系统架构图；图2是本发明防灾系统集成连锁架构分析的系统组成结构图；
图3是本发明防灾系统联动分析的示意图。
具体实施方式
[0019] 以下结合附图对本发明作详细描述。
[0020] 如图1至图3所示，一种质子重离子加速器循环冷却水泄漏与加速器联动防灾系统，其由防灾系统主要针对的目标的分析、防灾系统传感装置现场敷设的分析、防灾系统集合连锁架构的分析、防灾系统灾难等级划分的分析和防灾系统的联动分析五部分组成；1、防灾系统主要针对目标的分析。
[0021] a、冷源系统：冷源系统由冷冻机、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵组成。是冷却水系统供冷的核心子系统。
[0022] 主要研究目标对象：运行状态、故障状态。监控参数包括温度、压力。
[0023] b、二次水系统：二次水系统由密闭式冷却塔、循环水泵、控制阀门等部分构成，发生故障时将很快影响后级系统，需要及时快速的解决问题。
[0024] 主要研究目标对象：风机、水泵故障，二次水的温度，运行压力。由本地控制系统收集监视。
[0025] c、一次水系统（加速器内循环水系统）：加速器内循环水系统包括直线加速器冷却水、离子源冷却水、射频冷却水、输运线冷却水和同步环冷却水共5个子系统。
[0026] 加速器内循环冷却水系统是直接给加速器装置提供冷却的循环水系统。主要由板式热交换器、电加热器、控制阀、管路、各种磁铁内部的毛细管等组成。
[0027] 主要研究的目标对象：供水温度、供水压力、回水压力、PH值、溶氧浓度、水泄漏、蝶阀。
[0028] 水泄漏分为轻微泄漏和严重泄漏两种情况。
[0029] 轻微泄漏：现象：
法兰连接处/螺钉连接处泄漏；部件、受损封条、螺钉连接处发生泄漏。特征：管道泄漏；发生少量滴水泄漏；受影响部件外部出现潮湿迹象。最初将是水渍和小湿斑。原因：设备自然老化，
应力变化引起的多孔渗漏、或者密封垫出现老化或硬化迹象，并且可能因此无法正常发挥其作用。
[0030] 预防措施：维护和定期更换旧密封垫；日常巡视。
[0031] 严重泄漏：现象：法兰连接处开口；管道破裂；软管破裂/管道脱落；部件内部的冷却水管破裂。特征：管道泄漏；喷涌式漏水、溅水、水喷流出。原因：由材料或生产缺陷造成的、或者由系统运行不当造成（在不允许的压力下运行）的管道或冷却水管破裂。预防措施：严格材料管理制度。严格材料更换后的检查（包括阀门开闭、连接牢靠度）。
[0032] 2、防灾系统传感装置现场敷设的分析。
[0033] 冷却水系统由一次水系统（加速器内循环水）、二次水系统、冷源系统组成，各层系统通过板式换热器进行热量交换。由于各个系统分散在医疗仪器设备中心的各个位置，管路的敷设长，路由复杂，中间环节多。因此针对各个系统采用了不同检测方式。
[0034] 冷冻机系统是整个冷却水系统的核心之一。冷冻水的温度，压力的变化，一旦发生报警，必须立即在监控中心发出预警，根据防灾系统的预案，进行处理。如果处理超越预案设定时间范围，医疗中心接受预警信号。医疗中心根据灾难等级处理后道工作。
[0035] 二次循环水系统，根据季节的变化，自动投入运行。当室外的温度超过35度时，不能给二次水带来冷却效果，二次循环水不经冷却塔循环。二主要依靠冷源制冷。因此二次水的冷却由室外冷却塔与由冷冻水冷却自由切换是极为重要的。
[0036] 一次水循环系统，即加速器内循环水系统是根据质子重离子加速器工艺要求确定温度、压力、流量、电导率等参数要求。水温的偏差范围及报警条件为±1℃，24小时稳定。一旦发生报警由控制中心进行人工干预。
[0037] 3、防灾系统的集成连锁架构的分析。
[0038] 控制器采用工业用控制器，提高精确度和可靠性。每个工艺用系统尽可能地采用同一控制器进行监控。对于控制要求高的系统，全部采用本地服务器进行数据采集。所有远距离传输数据的介质都采用铜缆→光电转换→光缆→铜缆。本地服务器与上层服务器通过TCP/IP方式实时传送数据。上层服务器采用冗余方式，保证数据采集的完整性。控制器还可在中央站故障时，继续按预定的程序工作，从而保证系统的正常使用。医疗系统可以实时监视灾难系统的温度、压力、PH值、溶氧等数据。一旦偏离工艺要求，可以通过多种措施进行预防、干预。
[0039] 由于冷却水的灾难系统是相对独立，与其他系统的信息交互通过OPC SERVER/CLIENT MOUDBUS的通讯方式。系统配置上采用冗余设计，软件
数据库安全可靠。除此，各个子系统的硬件
节点连接，双重保护灾难系统的可靠性、安全性、实时性。
[0040] 如果冷却水循环中发生泄漏，冷却循环的泵必须立即切断电源，并且必须向医疗系统发送一条信息。此外，设置
定时器（除射频循环之外，所有循环的运行时间：2分钟，射频循环：12 分钟）立即关闭所有
电动阀门。当定时器上设置的时间结束时，受影响系统的电动阀门也必须关闭。
[0041] 系统组成：控制柜、控制器、控制台（监控计算机）、冗余
压力传感器、温度传感器、报警器、复位按钮。
[0042] 系统恢复：警报的解除由相关部们确定，有软件人工界面恢复，控制柜复位按钮恢复。警报的解除并不是意味系统可以工作，必须按照灾难事故的等级来区别分级控制。一旦复位，所有连锁装置，传感装置进入工作状态。
[0043] 4、防灾系统灾难等级划分的分析。
[0044] 根据《生产安全法》、《环境保护法》、《职业健康安全管理体系》、《职业病防治法》的国家有关法律、法规和标准等的要求，本着坚持“安全第一，预防为主，综合治理”的方针。针对医院大型医疗设备的特点，借鉴我国已有的设备事故处理流程。
[0045] 灾难：是指在负责加速器和医疗设备无故障运行的相应子系统区域以及在安装有其它技术建筑设备的相应区域发生故障目的：保护区域内的人员与设备安全。灾难事故的识别、评价与控制。
[0046] 范围：针对以上的定义，确立以下系统发生故障的情形。
[0047] 冷却水系统：电源断电，跳闸；压力传感器损坏，表现为无压力，超压力；温度传感器损坏，表现为超低温；其他传感器。
[0048] 等级:I级容许风险；II级为不容许风险。
[0049] 5、防灾系统联动的分析与研究。
[0050] 冷却水的灾难系统只是医疗系统的灾难系统的一个子系统。但是它是一个主要的系统，除此之外，电力系统、发电机系统、主要重要的医疗设备的检测系统，地震检测系统，空气压缩机和辐射报警系统火灾报警系统都是灾难系统的子系统。针对这样一个庞大的系统进行系统的优化设计、深入研究、严格等级划分，不仅是必要的，而且也是对医院系统的医生，医护人员，患者，贵重设备的保护、有效工作是十分必须的。当然，目前工艺冷却水灾难系统只是进行中的第一步。本发明已经在上海市质子重离子医院项目上试用，效果良好，具有很好的推广价值。
[0051] 最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单
修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。
