船舶核動力裝置二回路故障分析及安全性研究

徐立，鄧儒超，徐楚，張笛，方軍庭

(1.武漢理工大學高性能船舶技術教育部重點實驗室，湖北武漢430063;2.武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北武漢430063;3.武漢理工大學水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心，湖北武漢430063;4.中國核動力研究設計院反應堆運行與應用研究所，四川成都610064)

發展新能源與可再生能源是當今世界能源發展大趨勢，也是世界各國能源發展戰略的主流［1］。核能以其持久、經濟、安全和清潔等優勢被人們認為是當前最具開發價值和發展潛力的新型能源，調整能源結構，發展低碳、綠色核能是我國能源發展的重要戰略。在節能減排的大目標下，開展核動力在民用船舶應用的研究是實現航運業零排放的一種有益嘗試。目前，國外核動力船舶［1-4］的研究主要集中在破冰船/破冰運輸船、超大型集裝箱船、定航線超大型礦砂船、大型海上浮式生產儲油船［5］等船型的研究。雖然核動力推進船舶在綠色低碳、節能減排方面有較強的優勢和很好的發展前景，但核動力推進船舶的風險也是明顯的，對于決策者和公民來說，最為關心的莫過于其安全問題。核工業是一個高危產業［6］，有必要對民用核動力船舶進行安全性分析［7-8］。本文考慮在客觀概率數據缺失等制約條件下，運用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)［9-10］進行研究，分析民用船舶核動力裝置二回路系統及各個子系統間的層級關系和事故發生時對安全影響較大的系統和設備。

1 核動力裝置二回路系統及層次分析模型

1.1 核動力裝置二回路系統

二回路系統［10］是壓水堆核動力裝置的重要組成部分，其主要的功能是將反應堆及一回路系統產生并傳遞過來的熱量轉化為船舶航行所需要的機械能，并產生動力裝置及全船所需的電能和淡水。二回路系統的組成以朗肯循環為基礎，由蒸汽發生器二次側、汽輪機、冷凝器、凝水泵、給水泵、給水加熱器等主要設備以及連接這些設備的汽水管道構成的熱力循環，實現能量的傳遞和轉換，其熱力流程圖如圖1所示。

圖1 二回路系統熱力流程圖Fig.1 Heat flow chart of second loop system

反應堆內核燃料裂變產生的熱量由流經堆芯的冷卻劑帶走，在蒸汽發生器中傳遞給二回路系統工質，二回路系統工質吸熱后產生一定溫度和壓力的蒸汽，通過蒸汽系統輸送到汽輪機做功或耗熱設備使用，主汽輪機做功后廢汽排入冷凝器，被由舷外引入的循環冷切水冷凝成水，再經給水泵增壓后送回蒸汽發生器，開始下一次循環。

1.2 二回路系統的層次分析模型

在研究船用核動力裝置二回路系統時，將其劃分為3個子系統，即功率的匹配、循環、能量的轉換。對應上述3個子系統，將二回路系統中各個系統或設備按其各自的功能分別歸屬到3個子系統下，從而形成層次有序的二回路系統遞階層次結構，如圖2所示。

圖2 二回路系統遞階層次結構Fig.2 Hierarchical structure of second loop system

2 運用層次分析法確定系統權重

2.1 構造判斷矩陣

專家利用1～9比例標度法［11-12］，分別對各層的分析指標的相對重要性進行定性判斷描述，再用確切的數字進行量化表述，各個數字取值所代表的意義見表1。根據專家的打分可以構建兩兩比較的判斷矩陣，B層因素對于A層因素的相對重要性的判斷矩陣 A-B，如表2所示。

表中aij=Bi/Bj，表示對于總目A而言，因素Bi對因素Bj相對重要性的判斷值，數值的大小參照表2的規定決定。判斷矩陣的特點是對角線上的元素均為1，即每個因素對其自身而言重要性為1，同時不難得出aij=1/aji的結論。

表1 專家調查表取值含義Table 1 The values meaning of expert survey

表2 判斷矩陣A-BTable 2 The judgment matrix A-B

2.2 確定系統權重

綜合評分法中主要應用和法求解相對權重。和法就是取這N個歸一化后的列向量的算術平均值作為相對權重，因此可得計算公式:

對于構造判斷矩陣，多數情況下判斷矩陣是不一致的，所以結果往往是近似的。需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，檢驗步驟如下:

1)計算一致性指標 C.I.

2)查找對應的平均隨機一致性指標R.I.

表3給出1～15階正互反矩陣計算得到的平均隨機一致性指標。

3)計算一致性比例指標C.R.

表3 1～15階正互反矩陣平均隨機一致性指標Table 3 Average consistency index of 1～15 order matrix

當 C.R.＜0.1 時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的;當 C.R.＞0.1 時，應該對判斷矩陣作適當修正。

上面得到的僅僅是一組元素對其上層中某元素的權重向量。還要得到各層元素對于總目標的相對權重，即所謂“合成權重”:

3 基于AHP的二回路系統故障分析

3.1 應用AHP對二回路系統進行分析

邀請專家對二回路系統模型中的各層次因素進行兩兩比較，將比較結果用于建立判斷矩陣。通過對B層、C層和D層因素的相對重要性做出判斷，得到AB、B-C、C-D判斷矩陣，由于篇幅所限這里只給出A-B判斷矩陣，結果如表4(以其中一位專家所給出的調查評分表為例)所示。

表4 二回路系統判斷矩陣A-BTable 4 Judgment matrix A-B of second loop system

先將3位專家的數據進行加權平均，再應用和法計算上述二回路判斷矩陣中B層、C層和D層因素相對于上一層準則的相對權重。以判斷矩陣A-B為例，計算步驟如下:

1)根據專家的資歷，給定3位專家的數據權值分別為:0.5，0.4，0.1，由w=f1w1+f2w2+f3w3計算加權平均值，其中f1、f2、f3分別是3位專家的權重值。計算結果如表5所示。

表5 A-B矩陣參數的加權平均Table 5 A-B Weighted average of matrix argument

2)將判斷矩陣A-B的元素按列歸一化:

3)B層元素相對于A的相對權重即是歸一化后列向量的算術平均值:

對判斷矩陣A-B進行一致性檢驗，步驟如下:

1)應用MATLAB軟件，設 A-B判斷矩陣為A，輸入程序“λ=eig(A)”，運行結果即為A的特征根，從而確定A的最大特征根λmax=3.034 9。

2)計算一致性指標 C.I.

3)查表3得n=3時，平均隨機一致性指標R.I.=0.52。計算一致性比例指標 C.R.，并檢驗一致性。

C.R.＜0.1，因此通過一致性檢驗。

按照上述方法步驟求解二回路各個判斷矩陣AB、B-C、C-D元素相對于上一層準則的相對權重以及進行一致性檢驗，結果如表6所示。

表6 一致性檢驗結果Table 6 The results of consistency test

計算二回路系統遞階層次結構底層指標相對于A層總目標的綜合權重，再對各個指標的權重值進行排序，結果列入表7中。

表7 二回路系統層次分析結果Table 7 AHP results of second loop system

3.2 分析結果

由表7可以分別得到二回路系統各個指標相對于遞階層次結構模型A層總目標的綜合權重。其中有4個指標的綜合權重超過 0.1 或接近0.1，即D5、C2、D6和D9，而其他指標均遠小于0.1。事故時惡劣的工作環境極大地考驗著二回路系統汽動和電動給水泵的安全可靠性，而其運行情況又極大地影響著二回路系統的運行安全，同時負荷的劇烈變化將對主給水流量控制系統造成嚴重的影響，對此應予以重點關注。

4 結束語

本文構建了民用船舶核動力裝置二回路系統的遞階層次結構模型，并在此基礎之上運用AHP進行故障分析，由專家打分，分析、處理、計算得到各個系統指標的相對權重。分析表明汽動給水泵系統、電動給水泵系統、主給水流量控制系統和高壓給水加熱器系統為民用船舶核動力裝置二回路系統中的風險較大的關鍵因素，在民用核動力船舶的設計過程中應予以重視。在今后的研究過程中，應該努力擴寬數據來源的渠道，對民用船舶核動力裝置二回路系統的遞階層次結構進一步的完善和細化，這些都有利于研究的深入發展。

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