中國散裂中子源通用設(shè)施給排水設(shè)計概述

李建俊

(廣東省建筑設(shè)計研究院，廣東廣州 510010)

1 工程概況

中國散裂中子源(簡稱CSNS)是國家發(fā)改委立項的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目之一，是開展前沿學(xué)科及高新技術(shù)研究的先進(jìn)大型實驗平臺(見圖1)。CSNS用地位于廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)水平村南，毗鄰松山湖科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)，用地總面積267 622 m2。園區(qū)主要分為三大功能區(qū):綜合配套區(qū)、CSNS主裝置區(qū)和輔助設(shè)備區(qū)。給排水系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)應(yīng)用范圍分為建安給排水系統(tǒng)和通用設(shè)施給排水系統(tǒng):建安給排水系統(tǒng)主要是生活給排水及雨水排放系統(tǒng)的設(shè)計;通用設(shè)施給排水系統(tǒng)則是工藝循環(huán)水、純水制備、低放廢水及廢氣收集和排放系統(tǒng)的設(shè)計。

2 工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

CSNS擁有很多電力電子設(shè)備，需要消耗大量的電能，這部分能耗最終都將轉(zhuǎn)化為熱量。水冷系統(tǒng)的功能就是吸收這些設(shè)備所產(chǎn)生的熱量，同時也作為某些溫度變化敏感部件的恒溫調(diào)節(jié)手段，以保證CSNS設(shè)備的正常穩(wěn)定運行。

圖1 中國散裂中子源

除了滿足工藝設(shè)備本身的水冷設(shè)計參數(shù)(流量、溫度、壓力、水質(zhì)等)外，還需考慮下面的因素:降低某些用電設(shè)備的漏電流，即對水有一定的電絕緣要求;防止管道、閥門等腐蝕結(jié)垢和用水設(shè)備管路的堵塞;盡量減少水的感生活化，防止水中活化顆粒散發(fā)于大氣中。基于以上因素及類似工程經(jīng)驗，水冷系統(tǒng)采用雙循環(huán)冷卻方式，即采用低電導(dǎo)率循環(huán)水作為傳熱介質(zhì)與冷卻對象直接接觸，組成封閉式內(nèi)循環(huán)回路(一次水)，帶走這些設(shè)備的熱功耗，并通過板式換熱器將熱量傳遞給外循環(huán)冷卻水(二次水)，因溫度精度要求較低，外循環(huán)回路采用冷水機(jī)組提供的冷水。最后，裝置散發(fā)的熱量經(jīng)冷水機(jī)組的冷卻水系統(tǒng)冷卻塔散發(fā)于外界大氣中。

一次冷水系統(tǒng)的功能是為直線加速器、同步加速器、靶站等發(fā)熱設(shè)備提供冷卻用水，系統(tǒng)總體布局將按照冷卻對象的不同工藝要求(溫度、壓力、材質(zhì)、水質(zhì)等)、放射污染程度及地區(qū)分布，共設(shè)置18個獨立子系統(tǒng)分散就近布置，設(shè)于所需用水點附近的設(shè)備間內(nèi)。一次水回路為封閉式機(jī)械循環(huán)回路，由水泵、板式換熱器、電加熱器及調(diào)功器(恒溫系統(tǒng))、過濾器、離子交換柱、膨脹水箱、穩(wěn)壓裝置、供回水干管及配水管，以及流量、溫度、壓力、液位、水質(zhì)等監(jiān)測儀表、相應(yīng)的動力設(shè)施和控制系統(tǒng)等組成。在一次水回路設(shè)置旁流離子交換柱以維持一定的水質(zhì)指標(biāo)，部分水質(zhì)要求較高的子系統(tǒng)，設(shè)有膜脫氣裝置。對于有放射污染的子系統(tǒng)則采用無泄漏的屏蔽泵。

一次冷水水質(zhì)為去離子水，其水質(zhì)指標(biāo)如下:

電阻率:0.5 MΩ·cm～2 MΩ·cm(25℃)。

pH 值:6 ～7.5。

Fe3+，F(xiàn)e2+:＜1 ppm。

Cu2+＜0.3 ppm。

一次水系統(tǒng)典型工藝原理見圖2。

圖2 一次水系統(tǒng)典型工藝原理圖

二次冷水系統(tǒng)的功能是為一次冷水系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)提供冷源，系統(tǒng)設(shè)備集中布置，設(shè)于冷凍站。二次冷水系統(tǒng)的主要設(shè)備有:水冷冷水機(jī)組、水泵、過濾器、定壓裝置，其中水冷冷水機(jī)組由循環(huán)水冷卻，主要設(shè)備為冷卻塔、循環(huán)水泵。二次水對于末端用水設(shè)備較少的系統(tǒng)，管路設(shè)計采用異程循環(huán)設(shè)計;對于末端用水設(shè)備較多、傳輸距離較長的系統(tǒng)，管路盡量按同程循環(huán)設(shè)計。

各部分單體建筑二次水由冷凍站集中供水，通過室外冷凍水管網(wǎng)，經(jīng)綜合管溝敷設(shè)至各區(qū)設(shè)置的水冷泵房和各需直接采用冷凍水進(jìn)行冷卻的用水設(shè)備。二次水設(shè)計供水溫度約14.5℃，回水溫度約22.5℃，溫差8℃左右。各單體建筑內(nèi)二次水系統(tǒng)管路按照異程循環(huán)設(shè)計，各二次水支路末端設(shè)置靜態(tài)平衡閥及動態(tài)壓差平衡閥進(jìn)行水力平衡。

CSNS主裝置工藝設(shè)備一次水系統(tǒng)設(shè)計冷負(fù)荷約14 757.9 kW(其中:一次水工藝設(shè)備各系統(tǒng)總設(shè)計負(fù)荷13 037.7 kW;一次水系統(tǒng)水泵功耗955.2 kW;電加熱器總設(shè)計功率為792.0 kW，取0.5的同時使用系數(shù)，負(fù)荷為396.0 kW)，二次水系統(tǒng)冷負(fù)荷約1 892.8 kW，總的工藝設(shè)備設(shè)計冷負(fù)荷為16 650.7 kW，總設(shè)計流量為 1 640.5 m3/h。

工藝設(shè)備冷凍水系統(tǒng)室外管網(wǎng)、入戶裝置及其附件由空調(diào)專業(yè)負(fù)責(zé)設(shè)計，接口至水冷泵房和單體建筑入口處，水冷泵房內(nèi)部和單體建筑內(nèi)的工藝設(shè)備管道則屬給排水專業(yè)設(shè)計范圍。

3 純水制備系統(tǒng)

純水制備的主要目的是提供工藝系統(tǒng)循環(huán)補(bǔ)充水(一次水補(bǔ)水)和其他實驗用水。純水制備設(shè)備集中設(shè)置在位于冷凍站的純水制備間內(nèi)。純水制備間旁設(shè)置陰陽離子樹脂再生裝置及酸堿系統(tǒng)，安裝空間相對隔離，同時在建筑外側(cè)設(shè)埋地式中和池。純水供水主干管沿室外綜合管溝敷設(shè)，通過支管連接至各用水點。

純水制備系統(tǒng)的工藝由預(yù)處理系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)(前級脫鹽)、EDI系統(tǒng)及后處理系統(tǒng)共四部分組成，其中EDI系統(tǒng)具有降低能源消耗、出水水質(zhì)穩(wěn)定、運行費用低、操作管理方便及對環(huán)境無污染等優(yōu)點。純水制備系統(tǒng)設(shè)計制水量5 m3/h，出水DO含量小于20 ppb，其余指標(biāo)符合國標(biāo)GB/T 11446.1-1997規(guī)定的EW-Ⅰ級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 低放廢水的收集及排放系統(tǒng)

CSNS工藝廢水中包括普通廢水和低放廢水(帶有低放射性的廢水)兩部分，其中普通工藝廢水視水質(zhì)情況直接排放或經(jīng)處理后排放，低放廢水需集中收集儲存進(jìn)行自然衰減，經(jīng)檢測后按國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求排放。

根據(jù)CSNS主裝置區(qū)低放廢水排放點的分布共設(shè)置3個廢水集中儲存間:1)LRBT廢水儲存間:設(shè)置于LRBT隧道層，負(fù)責(zé)直線設(shè)備樓及隧道、LRBT設(shè)備樓及隧道帶放廢水的儲存;2)RCS廢水儲存間:設(shè)置于RCS環(huán)設(shè)備樓十字管廊層，負(fù)責(zé)RCS設(shè)備樓及隧道、RTBT設(shè)備樓及隧道帶放廢水的儲存;3)靶站廢水儲存間:設(shè)置于靶站地下室，與靶站系統(tǒng)的廢水儲存間合用，負(fù)責(zé)靶站譜儀低帶放廢水的儲存。

5 自動控制及監(jiān)測

CSNS工藝循環(huán)冷卻水監(jiān)控系統(tǒng)必須滿足水冷工藝要求，能夠長期連續(xù)穩(wěn)定運行，有極高的可靠性和易維護(hù)性，具備在強(qiáng)電磁干擾和高輻照下的高精度測量控制，通體和分級監(jiān)控管理的網(wǎng)絡(luò)通訊能力以及系統(tǒng)的先進(jìn)性和可擴(kuò)展性，并與裝置中央控制室聯(lián)網(wǎng)。

根據(jù)水冷設(shè)備總體布置，工藝循環(huán)冷卻水監(jiān)控系統(tǒng)分為直線加速器、RCS環(huán)、冷凍站3個控制本地站。

水冷系統(tǒng)自控及監(jiān)測的主要對象包括各水泵機(jī)組、流量調(diào)節(jié)閥、儲水箱、儲水罐、電加熱器、低放廢水集水井以及各管路系統(tǒng)。

6 結(jié)語

中國散裂中子源(CSNS)是國內(nèi)在建和已建中最大的大科學(xué)裝置，機(jī)電設(shè)備管線較多，工藝復(fù)雜，通用設(shè)施給排水設(shè)計目前只能參考北京正負(fù)電子對撞機(jī)和上海光源等早期建成的大科學(xué)裝置，同時借鑒美國散裂中子源(SNS)和日本散裂中子源(J-PARC)的技術(shù)應(yīng)用。在這里十分感謝中科院高能物理所各先進(jìn)科技人員在技術(shù)方面提供的大力支持。

CSNS建成后將成為發(fā)展中國家擁有的第一座散裂中子源，同時也將躋身世界第四大脈沖散裂中子源，從而大幅提升我國生命、材料、納米等學(xué)科前沿基礎(chǔ)研究和高技術(shù)的水平，縮短與世界前沿技術(shù)的差距。

［1］中國散裂中子源(CSNS)總體布局及工藝要求［Z］.

［2］中國散裂中子源(CSNS)初步設(shè)計［Z］.2011.

［3］中國散裂中子源(CSNS)通用給排水施工圖［Z］.2013.

［4］中國科學(xué)院高能物理所CSNS項目組.CSNS通用設(shè)施及環(huán)境保護(hù)方案簡介［Z］.2009.

［5］武 一.中國大朗散裂中子源經(jīng)濟(jì)影響評估［Z］.2011.