上海光源工艺冷却水节能措施分析

吴 立 李文静 陆 佼 金惠明 张 青 袁平钧 方国平

(中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800)

上海光源(SSRF)由150 MeV电子直线加速器、低能输运线、3.5 GeV增强器、高能输运线、3.5 GeV储存环、同步辐射光束线和用户实验室等组成。加速器运行过程中，各种工艺设备所消耗的电能大多转化为热能，这些设备需用冷却水将热量带走，以确保其正常运行。此外，光源装置设备中，很多磁铁设备通过线圈通电获得磁场，为降低线圈温度，须由冷却水直接冷却，而冷却水温度变化引起的设备空间位置变化会对束流稳定度造成很大影响，不但无法获得精确实验数据，严重时还会影响装置的寿命。因此，须用恒温水对设备的工作环境温度加以调节控制，以保证工艺设备在严格的恒温条件下工作。

1 工艺冷却水系统概况

1.1 冷却水系统设置与功能

工艺冷却水系统采用低电导率循环水(称一次水，封闭式回路)作为传热介质与冷却对象直接接触，带走用水设备的热功耗，并通过板式换热器将热量传递给冷却塔循环水(称二次水，敞开式回路)，再经冷却塔将热量散发于外界大气中或用冷冻机带走热量(图1)。

图1 工艺水控制系统图Fig.1 The cooling water control system diagram.

一次水经过一次板式换热器，根据板式换热器一次水总管上的出水温度控制进入该板式换热器的二次冷却水流量；此温度的设定值略低于运行温度0.2℃–0.3℃。一次水由管道式加热器加热，并控制出水温度的精度。在这个两级调节系统中，三通阀是粗调，电加热是细调。

电加热作用如下：(1) 在系统长期停机后再开机时，可通过电加热快速加温到设定温度内；(2) 电加热的电源为可控硅交流调压，调节速度快，当负载变化或二次水温变化时，电加热由于可控硅电源快速调节，确保工艺冷却水能快速达到加速器所需温度，节约加速器调速时间，从而达到节能效果[1]。

1.2 一次水系统

一次工艺冷却水系统根据加速器系统划分为11个系统，分别为直线加速器(速调管，聚焦线圈)(35±0.5)℃，直线加速器(波导)(43.5±0.5)℃，直线加速器(加速管，聚束器)(43.5±0.1)℃，增强器磁铁(30±1)℃，增强器磁铁电源(30±1)℃，增强器高频(30±1)℃，储存环磁铁(30±0.2)℃，储存环磁铁电源(30±1)℃，储存环铝真空盒(30±0.2)℃，储存环高频(30±1)℃，同步辐射线站(30±1)℃。

1.3 二次水系统

二次冷却水系统根据冷却水温度条件合并为三个系统，分别为直线35℃和43.5℃二次冷却系统以及增强器、储存环、线站二次冷却系统。

2 节能措施分析

以增强器、储存环、线站组成的二次冷却系统为例(图2)，按不同工况分析如下[2]：

图2 增强器/储存环/线站冷却水系统框图Fig.2 Cooling water system for the booster, the storage ring and the beamlines & experimental stations.

(1) 加速器处于无负载和低负载情况下，控制二次水水箱旁通阀，减少二次水通过冷却塔的水量，二次水由开式转换成闭式运行，并逐步升温，使一次板式换热器换热量减小，加上一次水泵功率转化为一次水的温升，可进一步减小电加热的加热量，或退出电加热，节约电加热的用电量。

(2) 加速器处于高负载情况下，通过控制二次水水箱的旁通阀和开启冷却塔风机确保二次水水箱温度稳定在设定温度内，使二次水水温既能满足一次水的换热要求又可减少风机投入个数和一次水电加热的投入，从而达到节能效果。

(3) 加速器处于高负载情况下，首先由冷却塔通过空气降温。若冷却塔无法满足二次水系统的降温要求，再通过冷冻水给冷却塔的回水进行二次降温。尽量减少冷冻机的投入，节约电能。

(4) 春秋两季加速器高负载运行时，随着环境温度的上升，冷却塔无法满足工艺设备所需的散热量，需要冷冻机提供冷量帮助冷却二次水，但是需求量不大，而空调需冷量也不大，因此，原设计独立运行的供冷系统可改为并联运行系统，这样，开启一台工艺冷冻机或空调冷冻机即可满足两者的使用需要又不会频繁启停，达到节能目的。

(5) 盛夏季节加速器高负载时，二次水板式换热器出水温度在30℃左右，空气湿球温度高于冷却塔进水温度，此时，冷却塔完全失去作用甚至吸收大气热量增加冷冻机的负担。因此，系统设计为当二次水进入冷却塔的水温低于冷却塔出水温度时，开启二次水水箱上的旁通阀，使二次水不再通过冷却塔，从而避免冷冻机冷却自然界热量。

(6) 设备正常运行且负载稳定时，电加热依然处于运行加载状态，为使电加热退出运行，从而节省能源达到节约运行成本的目的，经反复调试后改进控制流程，原两点控制改为一点控制，由电加热出水温度可同时控制三通阀和电加热，改进后的工艺水控制系统如图3所示。

控制方式为PID控制，控制逻辑如下：

当电加热出水温度高于设定温度时，调节三通阀趋于打开方向运行，加大流经一次板式换热器的冷却水量，增加冷却能力，迫使电加热出水温度下降；同时，调节电加热输出功率趋于小的方向运行，减少加热量，也迫使电加热出水温度下降。

当电加热出水温度低于设定温度时，调节三通阀趋于关闭方向运行，减小流经一次板式换热器的冷却水量，减少冷却能力，迫使电加热出水温度上升；同时，调节电加热输出功率趋于大的方向运行，增加加热量，也迫使电加热出水温度上升。

调试中把三通阀的设定温度设置得略高于电加热的设定温度，这样，当系统经过如上的调整过程后，设备进入正常运行状态且负载稳定时，电加热会自动逐渐退出，仅由电动三通阀调节通过板式换热器的二次水量来恒定控制一次水的水温，这时，只要适当调整二次水温度保证三通阀在线性调节范围内，就可保证一次水的供水温度精度。

图3 改进后的工艺水控制系统图Fig.3 Diagram of the improved cooling water control system.

以增强器磁铁系统为例，末端负载稳定时实际监控界面如图 4所示。由图，回水温度 2-T05为40.50℃，系统末端处于负载稳定状态；二次水三通阀2-V02控制输出开度为60.39%，处于线性调节范围内；三通阀和电加热均控制电加热的出口温度2-HT05，前者的设定温度为 30.01℃，后者的设定温度为29.95℃，低于前者0.06℃，电加热的A相、B相、C相初级电流分别为0.01、0.15、0.10 A，因此可认为电加热器基本退出了加载状态。同时，被控温度点2-HT05温度趋势图也很稳定(如图5)，图5中上方曲线为回水温度2-T05，下方曲线为被控温度2-HT05，21点至次日早上9点加速器末端处于加载状态，其它时候则均处于无负载状态，可见系统稳定时无论有负载或无负载，被控温度均能满足±1℃的控制精度要求。

上海光源运行时的负载稳定，11个一次水系统的电加热可基本退出运行，可节约可观的运行成本。

综上所述，系统根据加速器末端不同工况条件并综合各种因素，合理利用冷却塔、冷冻机组、电加热和旁通阀等设备，科学安排控制流程，从而最大程度地达到了节能的效果。

图4 增强器磁铁工艺水的监控界面Fig.4 Control interfaces of the booster magnet system.

3 小结

工艺冷却水系统在配合加速器调试运行两年多时间里不断完善整个工艺水系统的控制流程，优化系统的运行状态，在节能环保前提下达到了设计指标，为加速器的稳定运行提供了可靠保障。

图5 增强器磁铁一次水24 h温度趋势图Fig.5 Water temperature of the booster magnet system.

1 张 琴, 张 耀, 李文静, 等, 核技术, 2009, 32(11):818–822 ZHANG Qin, ZHANG Yao, LI Wenjing,et al. Nucl Tech,2009, 32(11): 818–822

2 寿炜炜, 张伟程, 滕汜颖, 等. 暖通空调, 2008, 38(6):71–75 SHOU Weiwei, ZHANG Weicheng, TENG Siying,et al.Heat Vent Air Cond, 2008, 38(6): 71–75