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機電土木小組任務

機電土木小組主要負責機電相關與土木建設等任務(如圖1所示),其中涵蓋冷卻水、空調、空壓、電力、消防、廢排氣、土建、控制及太陽能等系統,主要提供TLS與TPS加速器運轉等設施的基礎建設,維護各系統穩定與可靠的運轉,並研發高精度控制機制與管理系統,以符合加速器精益求精的要求。

圖1、機電土木小組工作架構

冷卻水系統

本中心實驗空間所產生之熱源不外乎加速器及周邊相關設備所生之顯熱與人員活動產生的潛熱,其熱傳遞如圖2所示。加速器設備的發熱主要由去離子冷卻水帶走(一次熱交換),緊接著與冰水系統之主機或熱水系統之熱泵進行二次熱交換,最後則藉由冷卻水塔與大氣熱交換。

綜上,在同步加速器研究設施中,使用的冷卻水系統可分為去離子水系統、冰水系統、水塔冷卻水系統與熱水系統等,除水塔冷卻水系統外,其他所有水系統均以閉迴路方式供應,即系統水路將回流至主機房熱交換與水質再生處理,最後再經由泵輸送至各個子系統,整個水系統主要提供本中心加速器及其周邊設備冷卻與空調使用。

圖2、熱傳遞示意圖

在同步加速器設施中絕大部份採用“水”當介質進行冷卻,而去離子水就是一次熱交換的主要媒介,提供儲存環之設備冷卻用,因各設備差異又分為四套次系統,包含銅去離子水系統,提供磁鐵與磁鐵電源等設備冷卻;鋁去離子水系統供給儲存環真空腔系統使用;RF去離子水系統供給RF相關設備使用;增能環去離子水提供增能環相關設施及所有光束線光學儀器冷卻使用。去離子水分為四套系統主要是防止各設備金屬活性不同,產生的電位腐蝕的疑慮並維持各子系統壓力、流量與溫度穩定,避免彼此相互干擾。

TPS加速器中為達到各子系統的冷卻元件熱變形最小以及高穩定度的需求,四套去離子水系統維持壓力在7.5±0.1 kg,溫度則在25±0.01℃。

其水處理控制如圖3所示,綠色線表去離子水迴路,通過待冷卻元件後的高溫去離子水回水首先經由汽水分離器進行汽水分離,緊接回水會分流5%進入去離子混床進行水質再生,再流入回水管,所有回水經由泵加壓,讓去離子水能夠在整個管間流動,接著經由兩道熱交換器,由7.0℃冰水(深藍色)進行冷卻與50℃熱水(紅色)進行加熱,再重新供應至各子系統,當水位不足,可由膨脹水箱上的水位計偵測進行補水,補水水源來自於RO儲水槽,經由再生泵導入回水管。為達到更精密溫控目的,則需加入另一混流水槽與精密微調控制,可達到±0.01℃誤差需求,對於需要精密溫控的設備,可將熱影響的擾動降至最低。

圖3、去離子水系統圖

此外,冰、熱水與水塔冷卻水分別為二次與三次的熱交換介質,必須達到一定的操作精度,才能使去離子水溫控最佳化,各系統溫控要求為冰水7.0±0.2℃、水塔冷卻水32±0.5℃與熱水50±0.3℃。

空調系統

本中心空調系統除與外界廠辦類似之一般空調系統外,因加速器運轉之特殊環境需求,尤其是溫度變化之穩定性,進而發展出特殊之空調溫控技術。

空調系統控制

本中心空調以中央空調系統為主,即以空調箱負責空氣循環,其空氣循環狀況可參照圖4說明,當空調供應區域回風與外氣混合後再與冰水熱交換器進行熱交換,在此一階段,由冰水控制閥控制熱交換量,空氣溫度將被冷卻至設定溫度,相對溼度趨於飽和,其後再進入空調供應區域前,與熱水熱交換器進行顯熱交換,由熱水控制閥控制加熱量,使送風空氣品質達到設定之溫度及溼度。

圖4、空調系統配置示意圖

電子束隧道區內溫度控制

依據NSRRC過去之研究,儲存環隧道區內之空調溫度控制與儲存環電子束軌道(Beam Orbit)穩定性有明顯之相關性,當溫度變異量超過0.3℃時,溫度擾動影響光束線位置變動訊號。

透過對隧道區內提供足夠之冷卻容量,並在電子束隧道區內均勻配置溫度計供平時監控用,以利精準地量測空調溫度,再透過最佳化之控制參數,精確地將儲存環區域空氣溫度變化量控制在±0.1℃。圖5為節錄部分電子束隧道內區域之溫度隨時間變化情形。

圖5、區域之溫度隨時間變化

局部隔離溫度控制

除上述儲存環電子束隧道區之整體溫控外,亦針對某些重要精密設備進行局部隔離溫控(Mini Environmental Air Conditioning System),如EPU插件磁鐵、U5插件磁鐵及I0監視系統等,皆有很好之成效。主要可隔離材(如塑膠布等)將設備附近區域與外界隔離,並於該區域內裝設橫流式風扇(Cross Flow Fan),以均勻分布該區域內之流場及溫度,其示意圖如圖6。

圖6、局部隔離溫度控制示意圖

控制系統

監控系統設計與維護

由於機電土木小組所負責的機電系統與設備非常繁多,各領域有各領域適用的通訊格式與圖控系統,造成管理與維護上的困難,因此在各控制系統間需要一套整合性的監控系統,除了保留原系統的控制架構,並多一層管理與分析資料的便利性。除此外,本小組所研發的監控系統有最佳的資料透通性,硬體採用NI CompactRIO架構,適用研究需要所衍生高精密與快速資料擷取的需求。

圖7、監控系統設計與維護示意圖

高精密溫控技術研發

為了符合日新月異加速器各領域的要求,對於冷卻技術的要求也日益嚴苛,本小組將buffer tank、控制閥、熱交換器並搭配最佳化的控制模式,有能力將去離子水穩定在±0.01℃,以及空調出風溫度也能維持在±0.02℃左右。

圖8、高精密溫控技術研發示意圖

智慧節能措施

去離子水與空調系統是加速器帶走廢熱轉移至大氣最主要的設施,在這熱傳遞的過程中各設備本身的效率問題與節能管理的機制,影響到全中心最主要的用電量,因此可靠的智慧節能措施必需應用在各設備,其中這些邏輯演算與管理機制得仰賴彈性的監控技術,比如空調箱的run-around,外氣烚值控制,水塔烚值控制,冰機最佳運轉效能,熱泵等控制技術都應用在各個層面上。

圖9、節能控技術示意圖

電力系統

電力系統維護與功能提昇

本小組長期致力於提升電力系統的可靠度(reliability)、穩定度(stability)以及供電品質,改善的項目包含功率因數的提升、加裝ATS設備並規劃多迴路備援系統、進相電容器汰換、AVR穩壓器設置及ACB保護電驛增設等,各項改善工程能確保電力系統在正常運轉下維持穩定良好的供電可靠度及穩定性,並兼顧電力品質以及減少電力事故的發生機率。

圖10、電力系統架構示意圖

電力系統監測系統檢測

電力即時監測系統具有趨勢資料儲存、即時警報、電能報表等功能,並對數位電表、溫度電驛及發電機等相關設備進行全天候監控,透過監控系統的廣泛使用,可使電力系統的管理人員大幅提高對配電系統的掌控度,以減少現場巡視抄錶的時間成本,且系統即時告警可有效的減少事故範圍擴大,並迅速地對事故狀況進行暸解後加以排除;藉由長期的設備監控管理與分析量測的資料,能掌握負載設備的變化並進一步即早發現異常狀況,達到預防效果。

圖11、電力系統監測圖
圖12、電力系統分析圖

電力品質監測系統

由於一般電力即時監測系統所需監控的資料量相當龐大,故其訊號取樣頻率相對較低,一般不具備電力系統暫態現象的事件紀錄功能。為了能更精確掌握電力品質的即時變化,故採用電力品質分析系器,其具備最高取樣頻率及高解析度特性,適用於監測記錄電壓/電流越限突變量並提供警報簡訊通知。

圖13、電力品質監測圖

接地系統量測與設計

有鑑於加速器系統的接地網良窳對於改善雜訊干擾有重大影響,本中心TLS為改善各負載設備之間的雜訊干擾,並提高供電的電力品質,在民國93年間,利用既有的接地網加以增設擴建,此工程完成後地網接地電阻量測值降低至0.18歐姆; TPS則在工程設計階段即規劃了低阻抗接地工程,目標使整體接地阻抗小於0.2Ω,而實際完成後的實測阻抗值小於0.14Ω。

圖14、接地系統圖

弱電系統

廢氣處理系統

酸鹼排氣採用水洗塔處理,塔體以100%處理量設計,惟營運初期暫以50%處理量運轉,未來若有需求可再擴增。而有機排氣則採用活性碳處理,外箱體採全量設計,惟營運初期活性碳濾材暫以50%處理量設置,未來若有需求可再擴增。

圖15、廢氣處理系統圖

消防系統

本中心幅員廣大,TPS環館建築物部分坐落於地面下且加速器及周邊設施貴重財產。為此,消防系統由警報、滅火及避難等三大設備構成,說明如下:

  • 警報系統﹕本中心因幅員廣大,火警採R型系統,導入定址化、偵煙化及圖控化之設計,以縮短反應時間、增加滅火成功率,並使人員有充足時間避難。萬一火災發生時,火警系統將是防災火車頭,連動緊急廣播、排煙…等系統,並暫時解除避難路徑之門禁管制,以利人員迅速逃生。
  • 滅火系統﹕本中心除室內/外消防栓等手動滅火設備外,TLS環館亦設置自動撒水設備、學術活動中心地下停車場則設置泡沫等自動滅火設備。另,部分風險程度較高之電氣機房,則裝置氣體自動滅火設備。
  • 避難系統﹕本中心避難系統除傳統之避難方向燈、出口標示燈及緊急照明燈外,考量部分建築物位處地面下、避難開口少,故設置排煙設備以增加火災時人員可運用之避難時間。

土木建築

中心新建工程檢討與營建管理

配合中心使用需求,負責規劃、採購及建置各類型之土木建築工程,並辦理室內裝修裝潢工作。於施工期,並負責辦理施工督導、執行實際監造及營建管理之相關作業,為中心土木建築相關工程之品質進行把關,期提供中心符合需求且實用之建築空間與土木環境。

機電土木小組於設計階段與施工階段,應用建築物3D模型技術進行空間衝突及施工方式檢討,使工程設計能更符合使用性,並期減少施工階段之各類空間衝突,以及所衍生之時間成本浪費。

圖16、3D模型之空間衝突及施工性檢討

而在使用階段,則配合中心空間利用規劃,進行不同空間設計方案之使用性檢討,提供決策之參考。

圖17、會議廳設置階梯座椅之使用性檢討

中心土木建築營繕及安全維護工作

除了土木建築新建工程外,機電土木小組亦負責土木建築之營繕及維護工作,一般常見的作業項目包含有下列各項,並辦理年度建築物公共安全檢查申報事宜,以提供中心同仁及用戶完整、合用及舒適之土木建築環境。

  • 各棟建築營繕施工及防水維護
  • 車道、人行道、雨、污排水系統維護
  • 衛生設備及生活熱水系統維護

太陽光電發電系統

為配合國家之綠能政策發展再生能源系統,規劃於中心各建築物屋頂建置太陽光電發電系統,除可為中心取得發售電之經濟效益,亦期望達到建物遮陽及空調節能之效果,以及美化屋頂視覺及降低屋頂維修之作用。

除了負責太陽光電系統之建置外,機電土木小組將透過太陽光電監視系統之發電相關資料,進行光電系統之相關分析研究,並納入中心整體電力系統檢討,期能使中心之電力能源系統能更為精進與符合需求。

圖18、太陽光電系統3D規劃圖
圖19、太陽光電系統規模規劃
圖20、太陽光電系統趨勢檢討
中文名字工作職掌
蔡宗達*
  • 去離子水系統維護與功能提昇
  • 空調系統維護與功能提昇
  • 監控系統(FMCS)設計與維護
  • 高精密環境溫控技術研發與建造(±0.01℃)
  • 節能措施改善與技術研發
  • 機房振動量測及技術開發
李明聰
  • 建築物新建與維護
  • 室內裝修設計、施作與維護
  • 太陽光電模組規劃、設置與維護
  • 其他營繕水電維護
林育智
  • 電力系統運轉維護及功能提升
  • 電力工程規劃設計
  • 電力品質改善
邱永豐
  • 發電機系統維護
  • 電力系統規畫及增設事宜
  • 電力系統壓降監控
  • 電力系統巡檢
張瑞麒
  • 熱流數值模擬分析
  • 廢排水與廢排氣處理
  • 能源查核申報
郭坤政
  • TLS TPS電力系統設備定期檢測維護
  • 電力系統接地改善
  • 電力系統增設事宜
  • 電力系統Scada監測系統檢測
  • 電力品質監測系統ADX1.2監測系統檢測
  • 吊車操作
  • 自來水登錄記錄
  • TLS污水幫浦定期測試維護
  • TLS TPS高低壓盤紅外線熱影像定期檢視
  • TLS TPS發電機定期測試保養柴油添加   
陳志昇
  • 電磁干擾偵測與防護
  • 空調監控系統維護
  • 機電自動控制系統
葉明峰
  • 中心各建築、道路、雨水污水系統、生活熱水系統及衛浴等營繕維護
  • TPS及學術活動中心相關營建廠商保固缺失改善管理業務
詹文碩
  • 消防工程
  • 去離子水工程
  • 空調水工程
劉永慧
  • 機電系統設備振動分析
  • 機房設備振動巡檢及監控系統
  • 電磁干擾檢測與防治
劉清源
  • 空調設備保養維護執行
  • 水系統設備保養維護執行
  • 壓縮空氣設備保養維護執行
鄭淵源
  • 空調系統工程
  • 節能減碳事宜
鍾炎慶
  • 去離子水系統設備維護保養及水質控制
  • 固定式吊車設備維護保養及操作
  • 冰水主機維護保養及操作
  • 空調設備維護保養
  • 冷卻水塔設備維護保養及水質處理控制
  • 一般排氣設備維護保養
  • 機電系統Solidworks 3d圖繪圖
* 為主管