劉德懿，曹 勇，王子龍，徐 中，鄒勝佳

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

為了能有效跟蹤核電廠緩解系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備的性能狀態(tài)，各國核電廠和核安全監(jiān)管當局針對緩解系統(tǒng)設(shè)置了若干指標，如核電廠的系統(tǒng)不可用指標，世界核電運營者協(xié)會(World Association of Nuclear Operators，WANO)的安全系統(tǒng)性能指標，美國核管理委員會(Nuclear Regulatory Commission，NRC)以前所用的安全系統(tǒng)不可用度指標等。這些指標基本都只是關(guān)注了系統(tǒng)的可用性，即系統(tǒng)是否在線，而沒有考慮系統(tǒng)的可靠性，即設(shè)備能否成功啟動并穩(wěn)定運行。事實上，系統(tǒng)或設(shè)備的性能是由系統(tǒng)或設(shè)備的可用性和可靠性共同體現(xiàn)的。此外，以往的性能指標所反映的都是停留在系統(tǒng)和設(shè)備本身，而沒有從核電廠整體風險的方面關(guān)注系統(tǒng)與系統(tǒng)性能改變對電廠安全的影響，更無法定量地表明其影響程度的大小。長期的實踐表明，以往對緩解系統(tǒng)的管理無法從風險的角度關(guān)注重要度高的問題。

隨著以概率安全分析(Probabilistic Safety Analysis，PSA)為基礎(chǔ)的風險指引型方法的不斷推廣，風險指引型的緩解系統(tǒng)性能指標(Mitigating System Performance Index，MSPI)應運而生，MSPI全面關(guān)注緩解系統(tǒng)的性能，包括可靠性和可用性，能夠應用風險見解更加合理地跟蹤系統(tǒng)設(shè)備性能及其對核電廠整體安全水平的影響。中國核電于2018年上線了設(shè)備可靠性管理系統(tǒng)，通過MSPI的計算，可為中國核電的設(shè)備可靠性管理提供相應的理論和數(shù)據(jù)支持。本文通過MSPI在方家山核電廠的具體應用情況，闡述了MSPI指標在核電廠安全管理和設(shè)備管理中的作用。

方家山核電廠目前兩臺百萬千瓦級壓水堆核電機組投運，MSPI是根據(jù)36個月的綜合系統(tǒng)運行維修狀態(tài)利用核電廠的概率安全分析(PSA)方法與基準數(shù)據(jù)進行對比的。緩解系統(tǒng)性能指標的目的是針對被選系統(tǒng)執(zhí)行其風險重要功能的能力，監(jiān)測被選系統(tǒng)的性能，包括三個要素：系統(tǒng)不可用度、系統(tǒng)不可靠度和系統(tǒng)部件性能限值。

1 MSPI簡介和評價方法

緩解系統(tǒng)性能指標(MSPI)是由核電廠系統(tǒng)的不可用度(UA)和不可靠度(UR)分別與業(yè)界標準基準值的差值導致的電廠堆芯損傷頻率的總變化(ΔCDF)；另外，系統(tǒng)部件性能限值作為MSPI的輔助指標。其中，不可用度是系統(tǒng)/列在過去12個季度的電廠臨界時間內(nèi)由于計劃或非計劃維修或試驗不能完成其被監(jiān)視功能的時間與電廠在過去12個季度的臨界時間的比值；不可靠度是針對PSA中的成功準則而言的，并且是選擇其中最嚴格的成功準則來看，在最近12個季度內(nèi)，系統(tǒng)/列不能完成其相應功能的概率(可能性)；而基準值是指和當前電廠被計算的不可靠度與不可用度相對應的基準不可靠度和基準不可用度；系統(tǒng)部件性能限值是指在MSPI系統(tǒng)內(nèi)被監(jiān)測設(shè)備的性能比行業(yè)預期性能明顯降低的情況下，對于性能降級的一種度量。

對于壓水堆機組，NRC確定使用MSPI管理的重要緩解系統(tǒng)共有6個，包括高壓安注系統(tǒng)、輔助給水系統(tǒng)、應急柴油機系統(tǒng)、余熱排除系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和重要廠用水系統(tǒng)。NRC針對上述系統(tǒng)規(guī)定了一套MSPI計算方法，針對關(guān)鍵設(shè)備給出了性能基準，要求核電廠根據(jù)PSA模型提供計算MSPI 的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并提供最近12個季度的參數(shù)。

目前，國內(nèi)MSPI計算方法基本都是參照NRC的NEI99-02 Regulatory Assessment Performance Indicator Guideline的。根據(jù)NEI99-02，每個緩解系統(tǒng)的MSPI為不可用度指標(UAI)和不可靠度指標(URI)之和。若MSPI的評價結(jié)果為正數(shù)，說明系統(tǒng)實際性能低于基準性能；若MSPI的評價結(jié)果為負數(shù)，說明系統(tǒng)實際性能高于基準性能。根據(jù)NEI99-02的評級標準，MSPI的等級劃分為4個區(qū)間，分別用綠、白、黃、紅四種顏色來表示，具體的評價準則見表1。

表1 MSPI指標評價準則Table 1 The evaluation criteria of MSPI

其中，F(xiàn)a和Fm分別表示系統(tǒng)部件性能限值中的時間失效次數(shù)和最大失效次數(shù)，具體計算和評價方法見后文。

MSPI評價的必要條件是電廠具有相應的一級功率PSA模型，并從模型出發(fā)，按照圖1所示步驟完成MSPI的評價。

圖1 MSPI評價步驟Fig.1 MSPI evaluation steps

根據(jù)上述計算和評價方法，本文以方家山1號機組為例，計算了其各個緩解系統(tǒng)MSPI數(shù)據(jù)，并進行了評價。

2 方家山MSPI的計算方法

2.1 方家山核電廠安全緩解系統(tǒng)的選擇

根據(jù)NEI99-02中的規(guī)定，安全緩解系統(tǒng)可以選擇為應急交流電源系統(tǒng)、高壓安注系統(tǒng)、輔助給水系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和重要廠用水系統(tǒng)。參照這個標準，方家山核電廠兩臺機組安全緩解系統(tǒng)指標監(jiān)測的對象選擇為安注系統(tǒng)(RIS/RCV)、柴油發(fā)電機系統(tǒng)(LHP/LHQ)、輔助給水系統(tǒng)(ASG)、重要廠用水系統(tǒng)(SEC)和設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)。以下以方家山1號機組(2014年12月商運)最新數(shù)據(jù)(2019年7月1日至2022年6月30日)來計算MSPI指標。

2.2 相關(guān)列不可用引起的系統(tǒng)不可用UAI的計算

參與事故緩解的安全系統(tǒng)均有其設(shè)計功能，而這些功能是通過系統(tǒng)的相關(guān)列來完成的。當相關(guān)列上有設(shè)備不可用，就會導致相關(guān)列無法完成其設(shè)計功能。因此，UAI是基于系統(tǒng)的相關(guān)列完成其安全功能時的不可用度來計算的，而安全功能的成功準則就是核電廠PSA模型中的成功準則。根據(jù)NEI99-02的計算方法，UAI是按相關(guān)列級別來監(jiān)測不可用度，而UAI的計算有三個主要步驟：先確定系統(tǒng)相關(guān)列，再收集核電廠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最后UAI計算。

2.2.1 確定系統(tǒng)相關(guān)列

確定系統(tǒng)相關(guān)列需兩個步驟，即確定系統(tǒng)邊界和確定系統(tǒng)中的相關(guān)列。確定系統(tǒng)邊界包括實現(xiàn)系統(tǒng)被監(jiān)測功能所要求的所有部件。確定系統(tǒng)的相關(guān)列數(shù)通常根據(jù)并列的熱交換器的臺數(shù)，或并列的泵的臺數(shù)，或并列流道的最小數(shù)量，或向停堆載荷提供電力的1E級應急發(fā)電機的臺數(shù)進行確定。

這樣按照以上的標準，將方家山1號機組的系統(tǒng)劃分成了以下幾個相關(guān)列，見表2。

表2 方家山核電廠1號機組UAI系統(tǒng)列及不可用小時數(shù)Table 2 The UAI system column and unavailable hours of Fangjiashan Unit 1

*統(tǒng)計時間區(qū)間內(nèi)的臨界小時數(shù)為24 989.87。

2.2.2 核電廠數(shù)據(jù)收集

UAI的特定電廠的數(shù)據(jù)收集包括：最近12個季度的實際系列總不可用數(shù)據(jù)，特定電廠計劃不可用度基準值和通用非計劃不可用度基準值。基準計劃不可用度是基于前12個季度實際的特定電廠值。由于國內(nèi)現(xiàn)無完整的系列非計劃不可用度的歷史基準數(shù)據(jù)，故系統(tǒng)非計劃不可用度的歷史基準一般取自1999—2001年度反應堆監(jiān)管(ROP)的工業(yè)數(shù)據(jù)。根據(jù)上述的準則，經(jīng)統(tǒng)計方家山1號機組2019年7月1日至2022年6月30日緩解系統(tǒng)的相關(guān)工單，統(tǒng)計計算了系列不可用時間，見表2所示。

2.2.3 UAI計算

如果有一個有n列，其UAI的計算公式可表示為：

(1)

(2)

(3)

其中：UAIt——單個系統(tǒng)中第t列的不可用度指標；

n——系統(tǒng)的列數(shù)。

CDFp——核電廠機組功率運行工況下的堆芯損壞頻率；

FVUAp——特定列不可用度的FV重要度；

UAp——核電廠PSA模型中特定列的不可用度；

UAt——t列在12個季度內(nèi)的實際不可用度；

UABLt——由選定期內(nèi)核電廠的計劃不可用度及非計劃不可用度之和；

CDF[FV/UA]——設(shè)備不可用的風險權(quán)重比例因子，由核電廠的PSA模型確定。

不可用度的具體計算過程，可參見附錄中LHP/LHQ的計算實例。

根據(jù)表2中不可用小時及公式3可算出方家山緩解系統(tǒng)各列的實際不可用率如表2所示。

由此，根據(jù)方家山1號機組緩解系統(tǒng)2019年7月1日至2022年6月30日的數(shù)據(jù)計算獲得方家山核電廠1號機組UAI數(shù)據(jù)見表3。

表3 方家山核電廠1號機組系統(tǒng)列UAI結(jié)果Table 3 UAI results ofFangjiashan Unit 1

2.3 系統(tǒng)部件失效引起的URI的計算

安全相關(guān)緩解系統(tǒng)在完成其安全功能時，其每一個設(shè)備的不可靠度均對系統(tǒng)的不可靠度產(chǎn)生影響，同時也將影響到核電廠的風險水平。根據(jù)NEI99-02的方法URI的計算分為以下3個步驟：先確定每個系統(tǒng)的被監(jiān)測部件，再收集電廠數(shù)據(jù)，最后進行URI計算。

2.3.1 確定被監(jiān)測部件

被監(jiān)測部件是指因自身不能改變狀態(tài)或不能保持運行導致系列不能執(zhí)行其被監(jiān)測功能的部件。此外，所有被監(jiān)測系統(tǒng)的泵和柴油機都視為被監(jiān)測部件。為減少計算負荷，只監(jiān)測每個系統(tǒng)中風險重要度最大的部件，而不是監(jiān)測所有失效部件和按照維修規(guī)定監(jiān)測的部件。

2.3.2 電廠數(shù)據(jù)收集

根據(jù)NEI99-02核電廠URI的計算要求，URI的電廠數(shù)據(jù)包括需求次數(shù)、投運時間和失效次數(shù)。經(jīng)統(tǒng)計方家山核電廠1號機組2019年7月1日至2022年6月30日緩解系統(tǒng)的維修工單以及定期試驗工單，除安注系統(tǒng)重要部件失效次數(shù)為2外，其余系統(tǒng)所有重要部件的失效次數(shù)皆為0。以此進行URI的計算。

2.3.3 URI計算

URI不可靠度是按部件級別進行監(jiān)測，按系統(tǒng)級別進行計算。URI與特定電廠部件不可靠度和工業(yè)平均不可靠度之差是加權(quán)成比例的。由該部件不可靠度之差而導致的系統(tǒng)URI計算如下：

(4)

其中：URBj——前12個季度中系統(tǒng)內(nèi)的某設(shè)備j貝葉斯處理后的實際不可靠度；

URBLj——系統(tǒng)中設(shè)備j業(yè)界不可靠度的平均值；

由此可見，URI反應的是系統(tǒng)中對所確定的系統(tǒng)功能有貢獻的所有設(shè)備的不可靠度的改變所帶來的風險變化。

方家山1號機組緩解系統(tǒng)2019年7月1日至2022年6月30日的數(shù)據(jù)計算獲得該機組URI數(shù)據(jù)見表4。

表4 方家山核電廠1號機組系統(tǒng)列URI結(jié)果Table 4 URI results ofFangjiashan Unit 1

2.4 系統(tǒng)部件性能限值的計算

被監(jiān)測的緩解系統(tǒng)一般是核電廠最重要的系統(tǒng)。但是，在一定情況下，這些系統(tǒng)在特定核電廠中并不那么重要。這主要是由電廠的特性引起的。在這些情況下，在風險重要度達到MSPI越過白色界限點之前，性能可能就會有明顯的降級。同時，性能降級很有可能不僅限于一個系統(tǒng)，還可能會包括對其他緩解系統(tǒng)性能有潛在影響的交叉性問題。

用于判斷性能下降的基于性能的準則，也可以作為確定緩解系統(tǒng)性能已經(jīng)處于白色區(qū)域的另一個判斷準則。該判斷準則建立在系統(tǒng)性能已經(jīng)背離預期性能的基礎(chǔ)上。這個判斷準則是當一個系統(tǒng)的性能被認為很可能已經(jīng)降級時，該系統(tǒng)就將被置于白色區(qū)域，即使計算所得的MSPI<1.0×10-6。

該準則可以用于緩解系統(tǒng)中的每一類部件。如果某個部件類型在過去的12個季度內(nèi)的失效次數(shù)超過了性能基準限值，則該系統(tǒng)需被認為處于白色水平區(qū)域，不管MSPI計算結(jié)果是多少，即表1中所表示的Fa>Fm。

性能基準限值的計算步驟分為兩步：確定某類部件類型的預期失效次數(shù)(Fe)和根據(jù)該值計算性能限值(即最大失效次數(shù)Fm)。

其中，

Fe=Nd·p+λ·Tr

(5)

式中：Nd——需求次數(shù)；

p——需求失效概率；

λ——失效率；

Tr——部件運行時間。

公式5中計算所得值用于公式6中，計算出最大失效次數(shù)：

Fm=4.65Fe+4.2

(6)

如果一個系統(tǒng)中的一組相似部件在過去的12個季度中的時間失效次數(shù)(Fa)超出了Fm，則該系統(tǒng)將被置于白色性能區(qū)域內(nèi)。如果計算所得MSPI>1.0×10-5，則由MSPI值來表示其水平。性能限值的具體計算過程，可參見附錄中LHP/LHQ的計算實例。

3 方家山核電廠MSPI的評價

根據(jù)前述的方法計算得出方家山1號機組緩解系統(tǒng)2019年7月1日至2022年6月30日的UAI、URI指標和系統(tǒng)部件性能限值及MSPI，詳見表5。

表5 方家山核電廠1號機組MSPI指標結(jié)果Table 5 MSPI results of Fangjiashan Unit 1

根據(jù)NEI99-02中的性能評價指標(表1)對方家山1號機組的緩解系統(tǒng)性能指標進行評價，結(jié)果如表6所示，目前方家山1號機組緩解系統(tǒng)的性能區(qū)域均處于綠色區(qū)域，且失效次數(shù)裕量充足(失效次數(shù)裕量=Fm-Fa)，維持例行管理即可。

表6 方家山1號機組緩解系統(tǒng)性能指標評價結(jié)果Table 6 MSPI evaluation results of Fangjiashan Unit 1

4 結(jié) 論

MSPI指標是安全監(jiān)督的重要指標，該指標在核電廠的安全管理和設(shè)備可靠性管理中有著直接的指導意義。MSPI在核電廠設(shè)備維修和管理方面有以下指導作用：

1)MSPI同時評價系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備不可靠度和不可用度對機組安全的影響。應高度關(guān)注生產(chǎn)活動中發(fā)生的設(shè)備的失效與降級，著重關(guān)注系統(tǒng)和設(shè)備的可靠度以及對核電廠安全的影響。

2)MSPI能夠?qū)⒉煌南到y(tǒng)和設(shè)備的性能的改變體現(xiàn)到核電廠風險變化上進行比較，能夠篩選出重要的安全問題和重要設(shè)備，能夠為設(shè)備維修和管理提供依據(jù)，也能夠篩選出需要關(guān)注的安全重要設(shè)備。

3)MSPI從風險的方面對整個系統(tǒng)定量地、綜合評價系統(tǒng)的性能，為安全管理和監(jiān)督與決策提供了綜合的定量指標，能夠更客觀的反應系統(tǒng)狀態(tài)。

通過MSPI在方家山核電廠的具體應用實踐表明，使用MSPI能夠?qū)崿F(xiàn)對安全緩解系統(tǒng)性能的定期評價，能夠從風險的角度有效的反應安全緩解系統(tǒng)的性能，避免了對設(shè)備不可靠度的忽視，為核電廠的風險指引型的設(shè)備管理和維修管理提供依據(jù)。