，

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095)

作為核電站的重要組成部分，常規(guī)島的作用不可忽視，針對(duì)其進(jìn)行建模、仿真以及可靠性分析對(duì)于整個(gè)核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義，而可靠性分析是其中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)[1-2]。主給水系統(tǒng)作為二回路的重要組成單元，可靠性分析不可忽視。本文結(jié)合某核電站壓水堆示范工程，探討了主給水系統(tǒng)的可靠性分析方法并確定了基于共因失效的故障樹分析方法，識(shí)別主給水系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的失效模式，并分析它們對(duì)該系統(tǒng)和機(jī)組的影響，構(gòu)建主給水系統(tǒng)故障樹模型以評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的可靠性并分析由于主給水系統(tǒng)功能失效導(dǎo)致的機(jī)組不可用，探討優(yōu)化方案并驗(yàn)證其可行性。

1 主給水系統(tǒng)概述

本文以CAP1400核電站的二回路主給水系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要包括3臺(tái)并聯(lián)的33.3%電動(dòng)定速給水泵組(每臺(tái)電動(dòng)給水泵組由1臺(tái)給水前置泵和1臺(tái)主給水泵組成)、4臺(tái)50%容量的高壓加熱器和相關(guān)的系統(tǒng)儀表，其主要系統(tǒng)圖如圖1所示。

2 機(jī)組不可用的組成

導(dǎo)致機(jī)組不可用和出力喪失的因素包括：強(qiáng)迫停運(yùn)、維修停運(yùn)、強(qiáng)迫降功率、經(jīng)濟(jì)停運(yùn)(主動(dòng)停運(yùn))和計(jì)劃停運(yùn)(大修)。機(jī)組的最大可靠容量去除上述因素導(dǎo)致的能力降低即為機(jī)組能力，其百分比即為機(jī)組能力因子，其構(gòu)成如圖2所示。

圖1 主給水系統(tǒng)圖Fig.1 The main feedwatter system

圖2 機(jī)組能力要素Fig.2 Main factors of unit capacity

其中，強(qiáng)迫停運(yùn)損失是指由于設(shè)備可靠性引起的機(jī)組緊急停堆或手動(dòng)停堆(24 h內(nèi))導(dǎo)致的發(fā)電損失。維修停運(yùn)損失是指由于設(shè)備可用性引起的機(jī)組按運(yùn)行技術(shù)規(guī)范執(zhí)行的狀態(tài)后撤導(dǎo)致的發(fā)電損失。強(qiáng)迫降功率運(yùn)行損失是指由于設(shè)備可靠性或可用性引起的機(jī)組降功率運(yùn)行導(dǎo)致的發(fā)電損失。經(jīng)濟(jì)停運(yùn)是指運(yùn)營方根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)判斷并進(jìn)行的主動(dòng)降低功率或停運(yùn)活動(dòng)損失。計(jì)劃停運(yùn)(大修)損失：由于計(jì)劃大修引起的機(jī)組停運(yùn)導(dǎo)致的發(fā)電損失。

在主給水系統(tǒng)中，由于各種因素的影響可能致使主給水的流量下降或完全喪失，從而導(dǎo)致機(jī)組強(qiáng)迫降功率運(yùn)行和機(jī)組停運(yùn)。鑒于主給水系統(tǒng)故障不會(huì)導(dǎo)致機(jī)組主動(dòng)后撤行為，判斷主給水系統(tǒng)可靠性對(duì)機(jī)組出力的影響需考慮強(qiáng)迫停運(yùn)損失和強(qiáng)迫降功率損失。本文即以強(qiáng)迫停運(yùn)損失分析為目標(biāo)，分析驗(yàn)證主給水系統(tǒng)的可靠性及對(duì)機(jī)組出力損失的影響。

3 主給水系統(tǒng)故障樹模型

3.1 頂事件的確定

導(dǎo)致機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)的主給水系統(tǒng)功能條件是主給水系統(tǒng)功能完全喪失。因此以主給水系統(tǒng)完全失效作為故障樹的頂事件[3]，其失效準(zhǔn)則主要包括：三列主給水泵組均無法工作或兩列6、7號(hào)高壓加熱器均無法工作。

3.2 構(gòu)模假設(shè)及簡化

3.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行假設(shè)

根據(jù)主給水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行規(guī)程，系統(tǒng)設(shè)計(jì)假設(shè)包括：1)一臺(tái)主給水泵組可以維持機(jī)組降功率運(yùn)行；2)6、7號(hào)高壓加熱器旁路閥用于一列加熱器失效的情況下提供流量補(bǔ)償，在兩列加熱器同時(shí)失效的情況下無法單獨(dú)向蒸汽發(fā)生器供水。

系統(tǒng)運(yùn)行假設(shè)如下：1)三列主給水泵均投運(yùn)；2)兩列6、7號(hào)高壓加熱器均投運(yùn)。

3.2.2 構(gòu)模假設(shè)

采用故障樹方法構(gòu)建主給水系統(tǒng)可靠性模型[4]，需考慮以下幾個(gè)方面：1)本分析中涉及電源、壓縮空氣、冷卻和控制系統(tǒng)等支持系統(tǒng)的模型以待發(fā)展事件表示，其失效概率未考慮；2)不考慮主給水泵的試驗(yàn)維修不可用；3)不考慮測試、沖洗、取樣和排放的管線和閥門的泄漏；4)主給水調(diào)節(jié)閥在系統(tǒng)邊界外，其失效在建模中不考慮；5)不考慮只在啟堆和低功率工況使用的管線和設(shè)備失效；6)在正常的功率運(yùn)行工況下，再循環(huán)管線關(guān)閉不使用，只作為主給水流量過低的保護(hù)措施，其失效在建模中不考慮；部分邏輯關(guān)系的故障樹圖如圖3～圖4所示。

圖3 主給水系統(tǒng)完全失效故障樹圖Fig.3 The fault tree diagram of complete failure of the main feedwater system

圖4 A列主給水泵組失效故障樹圖Fig.4 The fault tree diagram of failure of the main pump A

3.3 共因失效分析

一種應(yīng)力引起一個(gè)以上的相同部件、單元或者系統(tǒng)失效即為共因失效。就容錯(cuò)系統(tǒng)而言，共因失效抵消了其優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)部件或者單元失效時(shí)，容錯(cuò)系統(tǒng)可充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)避免系統(tǒng)失效，但若引起這個(gè)部件或單元的應(yīng)力失效引發(fā)共因失效，那么容錯(cuò)系統(tǒng)也無法發(fā)揮其優(yōu)勢，系統(tǒng)失效在所難免。數(shù)據(jù)表明，對(duì)某些現(xiàn)場設(shè)備的PFD、MTTF等可靠性指標(biāo)比可靠性模型預(yù)測要低，因此有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行共因失效分析[5-7]。本文針對(duì)主給水系統(tǒng)進(jìn)行共因失效分析，其基本方法理論上采用MGL模型處理相關(guān)數(shù)據(jù)并計(jì)算。其一般計(jì)算公式如下：

式中：ρ1=1,ρ2=β,ρ3=γ,ρ4=δΛρ1+1=0且n為CCF組所包含的基本事件數(shù)目。

在該模型中，對(duì)中間階數(shù)的共因失效的貢獻(xiàn)也有詳細(xì)的分析，其中二階及以上階數(shù)的共因失效參數(shù)也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)獲得。本分析所使用共因參數(shù)組及參數(shù)值見表1。

表1 共因失效組及參數(shù)

4 故障樹分析

本節(jié)主要分析二回路主給水系統(tǒng)完全失效概率，采用故障樹分析方法，結(jié)合主要通用標(biāo)準(zhǔn)確定設(shè)備可靠性參數(shù)(主要根據(jù)中國核電廠設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)報(bào)告、NUREG/CR-6928相關(guān)標(biāo)準(zhǔn))、設(shè)備修復(fù)時(shí)間(主要遵循WASH-1400報(bào)告中對(duì)于泵、閥門和機(jī)械設(shè)備、電氣和儀表設(shè)備三種不同類型設(shè)備修復(fù)時(shí)間的估計(jì))、生產(chǎn)恢復(fù)時(shí)間(本系統(tǒng)人為假設(shè)生產(chǎn)恢復(fù)平均時(shí)間為120 h)。

4.1 事件發(fā)生概率計(jì)算

故障樹分析的結(jié)果是計(jì)算出系統(tǒng)完全失效概率，確定主給水系統(tǒng)不可用的支配性最小割集。在本節(jié)分析中考慮全年功率運(yùn)行的時(shí)間約為8 000 h，主給水系統(tǒng)完全失效的瞬時(shí)發(fā)生概率是5.50×10-6，主給水系統(tǒng)失效導(dǎo)致的非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)為4.4×10-3次/堆年?？紤]到每一次主給水系統(tǒng)失效后發(fā)電機(jī)組停機(jī)重新恢復(fù)生產(chǎn)的平均時(shí)間為120 h，每年由于主給水系統(tǒng)完全失效導(dǎo)致機(jī)組不可用(不含降功率)的小時(shí)數(shù)為0.528 h。造成主給水系統(tǒng)不可用的排序前10的支配性最小割集如表2所示。

表2 主給水系統(tǒng)不可用的支配性最小割集

由以上分析可知，造成主給水系統(tǒng)不可用的主要原因是前置泵組、主給水泵組和高加共因失效。

4.2 重要度分析

上節(jié)通過對(duì)故障樹分析確定了系統(tǒng)的最小割集，本節(jié)著重分析最小割集對(duì)頂事件發(fā)生的貢獻(xiàn)率，即重要度。分析主給水系統(tǒng)的最小割即重要度，對(duì)于改進(jìn)整個(gè)主給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，診斷系統(tǒng)故障，維護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重要意義。本文將主給水完全失效確定為頂事件，分析最小割集對(duì)頂事件的影響，確定了割集各成員對(duì)于主給水完全失效的重要度。表3即主給水最小割集重要度。

表3 主給水系統(tǒng)不可用的基本事件FV重要度

經(jīng)以上分析可知，確定主給水系統(tǒng)的底事件概率，進(jìn)一步計(jì)算底事件對(duì)于頂事件的重要度，可以直觀的確定底事件的重要程度，為后續(xù)檢修排查，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供便利。

5 基于可靠性的設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)比

從上述可靠性分析結(jié)果可知，主給水泵和前置泵運(yùn)行共因失效是造成主給水系統(tǒng)完全喪失的最主要因素。為提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，考慮對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)對(duì)比，從冗余性和多樣性角度提出如下兩種可能的設(shè)計(jì)改進(jìn)建議并進(jìn)行分析對(duì)比：

1)增加一列冗余備用給水泵，其設(shè)備類型、管線布置與現(xiàn)有三列一致；

2)增加一列冗余多樣備用給水泵，其設(shè)備選型與現(xiàn)有三列不同，管線布置與現(xiàn)有三列一致。

仍按前述過程對(duì)1)、2)進(jìn)行可靠性分析，得到系統(tǒng)可靠性對(duì)比結(jié)果見表4。

表4 設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

從系統(tǒng)分析結(jié)果可知，增加備用列主給水泵能夠有效降低主給水系統(tǒng)完全喪失的失效概率，而鑒于造成主給水泵全部喪失的共因失效，設(shè)計(jì)改進(jìn)引入多樣性能夠更加明顯的提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，在相似經(jīng)濟(jì)性投入的情況下，建議采用設(shè)計(jì)改進(jìn)2)作為優(yōu)化措施。

需要特別說明的是，本文分析的頂事件僅考慮了主給水系統(tǒng)完全喪失的分析，在設(shè)計(jì)工程中，還需進(jìn)一步分析主給水系統(tǒng)部分喪失的可能性，從概率等級(jí)上來看，主給水系統(tǒng)部分喪失的發(fā)生可能性顯著高于完全喪失事件，在工程設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)還需全面分析后進(jìn)行決策。

6 結(jié) 論

本文根據(jù)CAP1400核電站主給水系統(tǒng)，并基于故障樹的共因失效分析方法，建立了基于共因失效的主給水系統(tǒng)故障樹模型，并計(jì)算了底層事件失效發(fā)生概率和底層事件的重要度，全面的評(píng)判了主給水系統(tǒng)的可靠性，為后續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高主給水系統(tǒng)可靠性建立了依據(jù)。具有很強(qiáng)的工程實(shí)際意義。