HFETR供電系統概率安全評價

周春林,張江云,鄭大吉,王文龍,鄒德光,李子彥,陳啟兵

HFETR供電系統概率安全評價

周春林,張江云,鄭大吉,王文龍,鄒德光,李子彥,陳啟兵

(中國核動力研究設計院一所,四川成都610005)

反應堆供電系統失效可導致堆芯熔毀等嚴重事故后果。本工作應用RiskSpectrum軟件,對高通量工程試驗堆(簡稱HFETR)供電系統開展概率安全評價(PSA)工作。通過整合部分法考慮共因故障,建立了以全場斷電(SBO)為頂事件的系統故障樹模型,并定量給出HFETR發生SBO概率為7.49× 10－8,證明HFETR現役供電系統安全可靠。同時,以供電系統模型及運行可靠性數據為基礎,進行了割集、重要度、敏感度等分析,較全面地分析了現役供電系統的風險水平,為HFETR供電系統變更、升級和改造提供了重要參考。

高通量工程試驗堆;概率安全評價;供電系統;全場斷電

高通量工程試驗堆是中國核動力研究設計院運營的輕水慢化冷卻壓殼式研究堆,承擔了材料輻照、元件考驗及同位素生產等重要任務,是國內長期高功率運行的重要帶核實驗平臺。高通量工程試驗堆供電系統承擔向堆安全重要負荷和非安全重要負荷的電力供應功能,其安全性、可靠性和可控性對反應堆的安全運行十分關鍵。

采用概率安全分析(PSA)手段對重要系統開展評價,對全面認識系統薄弱環節、系統改進具有重要意義。美國Yankee核電廠應用概率安全分析(PSA)發現柴油發電機冷卻水閥的供電母線有重要的設計缺陷[1］;韓國原子能研究所針對KX核電廠對重要廠用水系統泵的共因失效(CCF)進行了研究,提出了新的α因子模型,并對不同CCF模型對堆芯損傷頻率(CDF)的影響開展了分析[2］;大亞灣核電站全場斷電事故及第5臺應急柴油機改進項目進行了PSA分析,指出柴油機接入時間的長短對降低堆芯損壞頻率有較大影響[3］;田灣核電站主冷卻劑管道小破口失水事故概率安全分析建立了事件樹模型并對重要系統開展了故障樹分析,確定了系統的薄弱環節[4］;福清核電一期工程對ASG系統配置進行了改進,并通過PSA分析進行了工程和風險評價[5］。本文采用PSA分析的方法,定量評估HFETR供電系統失效概率及失效模式,并為開展HFETR運行階段全面內部事件一級PSA分析確定外電失電等始發事件的事件樹題頭提供事件概率。

1 供電系統及全場斷電

1.1 供電系統簡化

HFETR供電系統圖如圖1所示。HFETR廠外電源分別通過兩路35 k V高壓輸電線提供,然后通過三臺廠區變電站進行35/6 k V降壓后,再分別由高壓一段和高壓二段母線送至反應堆廠房。低壓電源由6 k V高壓電源經HFETR廠房四臺廠用變壓器降壓后向廠房內低壓段母線分段供電,其中1＃或3＃廠房變壓器向低壓一段母線提供380/220 V交流電,2＃和4＃主變壓器向低壓二段母線提供380/ 220 V交流電。1＃和3＃、2＃和4＃變壓器互為備用。實際運行中,每段各有一臺變壓器在運行,必要時低壓一、二段之間可通過低壓母聯相互供電。可靠段由低壓一、二段或應急一段供電。應急一段交流母線由不間斷供電系統1＃UPS或3＃UPS供電,應急二段交流母線由2＃UPS或3＃UPS供電。UPS的電力源分為市電輸入、備電輸入和蓄電池輸入。其中,市電備電輸入來自低壓一、二段和柴油發電機。HFETR供電系統簡圖如圖1所示。

圖1 HFETR供電系統簡圖[6］Fig.1 Sketch of HFETR power supply system

在分析反應堆外電失電及全場斷電事故時應當重點針對反應堆安全系統中具有重要作用的系統和設備,故該分析中不考慮在電力系統中對反應堆安全不構成威脅的系統和設備,進而對系統進行了簡化。

1.2 全場斷電

成功準則:兩路外電源及兩路應急母線任一路有交流供電即可。

頂事件:全場斷電(SBO),亦即供電系統不可用。若兩路外電源失電,則兩段高壓母線和兩段低壓母線均失電,此時反應堆重要的安全系統和安全設備由后備電源供電,如果疊加應急柴油機作為后備電源供電失敗,失去了最后交流供電,這時就發生了全場斷電(SBO),反應堆只能依靠廠內直流電源停閉。

基本假設:除母線外,不考慮其余電纜的失效;不考慮備用設備切換裝置失效;假設系統任務時間為8 h;不考慮設備的可維修性。

2 可靠性數據處理

可靠性數據作為PSA分析的基本參數輸入,其質量決定了本分析結果的可信度。HFETR在30多年的運行時間里,供電系統相關設備失效數據較少,這使得設備統計樣本過少。若采用傳統的統計推斷方法對可靠性參數進行估計,往往與真實數據相差較大[7］,因此,一般采用將特有歷史運行數據和通用數據庫通過一定的算法進行耦合,使得最終的故障樹模型采用的數據,既能夠具有HFETR的運行特點,同時能夠具有一定統計樣本數量的優化數據。

本工作采用目前國內外PSA分析處理可靠性數據的通用方法——貝葉斯方法,該方法以通用數據為先驗數據,以堆歷史運行數據為樣本數據,通過貝葉斯處理得到PSA量化計算的后驗數據。對于部件的運行失效率和需求失效率而言,其分布是連續的,此時,貝葉斯處理公式為[8］:

式中:L——似然函數,表示在運行失效率λ確定的情況下,樣品在確定的試驗時間T內,失效次數的分布。對于指數型壽命的部件而言,該似然函數是一個泊松分布:

上式中只要確定先驗分布g(θ),根據公式(1)就可求得后驗分布h(θ|x1,x2,…,xn)。基于上述數學模型,利用Matlab設計開發了可靠性參數計算分析程序PSA-BAYES,并以國際原子能機構收集的數據IAEA-TECDOC-478[9］以及美國核管會的NUREG/CR-5750[10］為先驗數據,以HFETR歷史運行數據為特有數據,利用PSABAYES程序對論文涉及設備的可靠性數據進行貝葉斯處理,處理得到的數據見表1。

表1 PSA-BAYES處理得到的可靠性參數Table1 The reliability parameters by PSA-BAYES

3 HFETR系統可靠性分析

采用故障樹分析方法,針對HFETR供電系統構件故障樹模型,通過故障樹模型分析獲得頂事件的發生頻率。分析時,對具有相同功能的部件還考慮了共因失效[11-12］,目前流行的共因分析方法:β因子法、多希臘字母(MGL)法、α因子法、整合部分法(Unified Partial Method,UPM)等[13-14］。本文采用了UPM法,該方法將部分β因子法的19個子因子合并成8個子因子,分別定義為冗余性、隔離性、理解程度、分析情況、人機接口、安全文化、環境控制和環境試驗,這八個子因子能夠總體反映影響系統設備共因失效發生可能性的各個方面,通過對這八個子因子的分析評價就能將所分析的系統設備本身的設計及運行特點同UPM方法所提供的經驗數據相結合,使得分析過程能更貼近工程實踐。

在分析中考慮了兩路外電失電和兩臺應急柴油機失效兩方面的共因失效。采用UPM法,考慮二階共因故障問題,根據HFETR實際運行情況,對各子因子屬性賦值,填表計算出β因子分別為7.35×10－2和9.88×10－2。

3.1 供電系統故障樹模型構建

使用RiskSpectrum軟件,然后根據系統簡圖以SBO為頂事件建立供電系統故障樹模型,并將通過貝葉斯方法處理得到的數據,對各底事件參數賦值計算。HFETR供電系統一共構建1棵主故障樹,11棵子故障樹(含4棵共因故障樹),主故障樹和共因故障樹如圖2所示。

圖2 HFETR供電系統主故障樹和共因故障樹Fig.2 Main fault tree and CCF fault tree of HFETR power supply system(a)主故障樹;(b)第一路外電失電共因故障樹;(c)第二路外電失電共因故障樹; (d)1＃柴油發電機失效共因故障樹;(e)2＃柴油發電機失效共因故障樹

3.2 結果分析及討論

3.2.1 最小割集(MCS)分析

導致供電系統故障樹頂事件(即SBO)發生的底事件的最小組合,即是供電系統的最小割集。最小割集反映導致系統頂事件發生的全部故障模式,為尋找系統薄弱環節、提高系統可靠性的途徑提供了依據。根據構建的模型,按照割集的重要度將其排序。圖3給出了HFETR堆SBO事件支配性最小割集及其割集重要度,圖中基本事件CCF-35 k V-BETAALL,CCF-DG-BETA-ALL、35 k V-A、35 k VB、DG-1＃和DG-2＃,分別代表外電共因失電、柴油機共因失電、外電一路失電、外電二路失電、1＃柴油機失電和2＃柴油機失電。圖中,割集1的概率為5.096×10－8,割集2的概率為2.387×10－8,割集3的概率為7.331× 10－11,其余割集的概率較小。由圖3可知,外電共因失電疊加柴油機共因失效是導致SBO的最重要故障模式。

圖3 SBO事件支配性最小割集重要度Fig.3 Importanceanalysis for dominate MCS of SBO event

3.2.2 重要度分析

支配性基本事件的福賽爾-威斯利(Fussell-Vesely,FV)重要度定義為單個基本事件相關的所有最小割集(MCS)發生頻率在頂事件發生頻率中所占有的份額,可直觀地為尋找系統薄弱環節提供依據,其表達式如下[15］:

式中:IFVi表示基本事件i的FV重要度,QTOP(MCSincludingi)表示包含基本事件i的全部最小割集的不可用度之和,QTop表示頂事件的不可用度。

根據建立的模型,FV重要度結果如圖4所示,可知,柴油機共因失效、外電源共因失效以及第一、二路外電源分別失效,在導致頂事件發生的所有最小割集中所占份額較大,是HFETR供電系統系統的薄弱環節。

圖4 支配性基本事件的FV重要度Fig.4 FV importance of the dominate basic events

同時可靠性參數的重要度分析有兩種檢測方法。一種是風險減少因子(RDF),即頂事件發生頻率與所分析的基本事件失效參數為0 (部件完全可靠)所對應的頂事件發生頻率的比值,用于度量某個部件不失效對降低目前風險水平的貢獻;另一種是風險增加因子(RIF),是所分析基本事件失效參數為1(部件一定失效)所對應的頂事件頻率與頂事件發生頻率所對應的比值,用于度量某個部件失效對增加風險水平的貢獻[15］。

風險減少因子RIF為公式:

式中:IRi表示基本事件i的RDF值,QTOP(Qi＝0)表示將基本事件i(或第i組中所有基本事件)的不可用度設為0,計算得到的頂事件的不可用度。

風險增加因子RIF為公式:

式中:IIi表示基本事件i的RIF值,QTOP(Qi＝1)表示將基本事件i(或第i組中所有基本事件)的不可用度設為1,計算得到的頂事件的不可用度。

HFETR供電系統可靠性參數重要度分析結果見圖5。RIF計算結論顯示,發生低壓母線失效及柴油機失效對增加供電系統的風險水平貢獻最大;同時,RDF計算結果顯示,避免外電失電對降低供電系統目前風險水平貢獻最大。

圖5 可靠性參數重要度分析Fig.5 Importance analysis of reliability parameters

3.2.3 敏感度分析

敏感性分析主要是表征某單一基本事件對頂事件發生頻率的敏感度,可以為實際在役系統的升級改造提供指導意見。對于所分析的基本事件或者參數乘以靈敏因子與其除以靈敏因子所對應的頂事件頻率的比值,即是靈敏度[15］。其計算公式:

經過計算,所得SBO事件基本事件敏感度及HFETR供電系統可靠性參數敏感度見表2和表3。

表2和表3即是基本事件和基本參數的靈敏度分析。表1顯示,柴油機共因失效和外電失電基本參數具有最大靈敏度。表明對供電系統改造升級的相關活動中,所引起的二者微小變化,可能導致頂事件的發生頻率產生較大量變。

3.2.4 全場斷電概率

通過軟件聯接所有故障樹,計算得到HFETR供電系統失效致全場斷電(SBO)概率為7.49×10－8。

由上述頻率可知,HFETR發生全場斷電(SBO)概率為典型百萬千瓦級核電站的1/4。核電站主電氣系統及其運行工況等較研究堆更為復雜,HFETR供電系統相對簡單可靠。對比顯示,HFETR供電系統安全可靠。

表2 SBO事件基本事件敏感度分析Table2 Sensitivityanalysis of SBO basic event

續表

表3 可靠性參數敏感度分析Table3 Sensitivityanalysis of reliability parameters

4 結論

針對HFETR供電系統構建的故障樹模型,通過計算,分析該系統的最小割集、重要度和敏感度得到結論:

(1)外電共因失電疊加應急柴油發電機共因失效是導致HFETR發生SBO的最重要故障模式。

(2)柴油機共因失效、外電源共因失效及其分別失效導致HFETR發生SBO的支配性基本事件,屬供電系統薄弱環節。

(3)RIF計算顯示,發生低壓母線失效及柴油機失效對增加供電系統的風險水平貢獻最大;同時,RDF計算顯示,避免外電失電對降低供電系統目前風險水平貢獻最大。

(4)柴油機共因失效和外電失電基本參數具有最大靈敏度。表明對供電系統改造升級的相關活動中,所引起的二者微小變化,可能導致頂事件的發生概率產生較大量變。

(5)供電系統失效致全場斷電(SBO)概率為7.49×10－8/a,系統安全可靠。

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PSA for the Power Supply System of HFETR

ZHOU Chun-lin,ZHANG Jiang-yun,ZHENG Da-ji,WANG Wen-long, ZOU De-guang,LI Zi-yan,CHEN Qi-bing

(Nuclear Power Institute of China,Chengdu,Sichuan Prov.610005)

The failure of reactor power supply system could cause severe consequence like core damage.Employing the RiskSpectrum software,HFETR power supply system is analyzed by using probability safety assessment(PSA)methodology. Considering the common cause failures(CCF)by employing unified partial method (UPM),the power supply system PSA model is built via constructing the fault trees with the SBO as the top event.Meanwhile,the consequentially quantity failure probability is presented as 7.49×10－8,which proves that the power supply system is safe and reliable.By input the reliability data from the HFETR operation,and the unavailability of power supply system is presented.Furthermore,the analysis also involves in the minimal cut set(MCS)analysis,importance measures and sensitivity calculations.Those analyses present an overview of the current power supply system risk level,and provide a considerable reference for the system change and update issues.

HFETR;PSA;power supply system;SBO

TL364

A

0258-0918(2016)01-0027-08

2014-12-29

周春林(1982—),男,四川儀隴人,工程師(助理研究員),2012年7月及12月分別畢業于法國卡昂大學GANIL-CIMAP實驗室及蘭州大學核學院現代物理系,獲理學博士學位。現主要從事研究堆概率安全評價