實時風險監測系統在田灣核電站的研發與應用

顧曉慧，鮑振利，于文革，劉曉云，韓 琦

(中國核電江蘇核電有限公司，江蘇連云港222042)

實時風險監測系統在田灣核電站的研發與應用

顧曉慧，鮑振利，于文革，劉曉云，韓 琦

(中國核電江蘇核電有限公司，江蘇連云港222042)

風險監測系統是概率安全分析最重要的應用工具之一，在全球各核電站風險決策領域中得到了廣泛應用。本文詳細介紹了田灣核電站風險監測模型的研發與管理，系統網絡架構與多用戶應用、實時監測研發與應用、計劃自動導入和計算時效性提升等重要特征，以及在電站的針對性應用方案研究，最后討論了風險監測系統存在的問題與挑戰。

實時監測；風險監測系統；概率安全分析；田灣核電站

根據國際原子能機構(IAEA)的定義[1]，風險監測系統是一個與特定電廠有關的實時分析工具，根據系統和部件實際狀態確定即時風險。自從1988年世界上第一款風險監測系統(Risk Monitor，RM)在英國應用以來，目前已經有超過110個核電站在使用該工具幫助核電站進行風險決策。國內先后有大亞灣、秦山三期、田灣開發了風險監測系統[2-4]，后續又有秦山二期[5]和秦山一期方家山項目已經或者正在開發該系統。經過近30年的實踐，風險監測系統在如下方面顯示其巨大的效益：

(1) 通過定量化評估核電站機組任意狀態的風險，強化核電站的風險意識和核安全管理，提高核電站安全性；

(2) 通過發現、評估、去除運行時不必要的保守，提高核電站經濟性。

2010年2月，國家核安全局發布的《技術政策：概率安全分析技術在核安全領域中的應用》明確了概率安全分析(Probabilistic Safety Assessment，PSA)在核電站的應用方向[6]。田灣核電站積極響應國家政策，開發了多個PSA應用工具，田灣核電站風險監測系統(Tianwan Nuclear power plant Risk Monitor，TNRM)便是其中之一。本文詳細介紹了TNRM的功能、特色，在電站內的應用經驗，以及在應用過程中遇到的挑戰和未來的計劃。

1 TNRM概述

田灣核電站一期工程1、2號機組采用俄羅斯VVER核電機組，擁有雙層安全殼、四通道安全系統、堆芯捕集器和全數字化儀控系統(Digital Control System，DCS)等先進特色。

TNRM軟件架構分為模型編譯層、前端顯示與編輯層和后臺計算層，如圖1所示。TNRM功能界面主要包括6個模塊：風險查看模塊、實時在線監測模塊(運行模塊)、計劃模塊和風險預估(what-if)模塊、參數設置模塊和用戶管理模塊。包括如下基本功能：管控機組運行安全、記錄機組實際的運行操作、分析優化維修計劃、縱深防御分析、對運行/備用設備以及維修/檢查設備進行重要度分析與排序等。供5類主要人員使用，如表1所示。

圖1 TNRM軟件架構Fig.1 the framework of TNRM

表1 TNRM使用人員與職責

2 實時風險模型研發與管理

TNRM實時風險模型包括功率工況、低功率與停堆工況一級PSA，以堆芯損壞頻率(Core Damage Frequency，CDF)為評價目標。

2.1 實時風險模型研發

風險監測系統中的PSA模型即實時風險模型是風險實時評價與管理的技術基礎，是基于運行階段PSA模型去除平均風險概念、不平衡假設等建模方法進行二次開發完成的[7]。運行階段PSA模型反映的是年平均風險，不能反映電廠的實時狀態，無法直接用于電廠的實時風險評價，必須開發出符合電廠實際情況的實時評價模型，才能保證實時評價結果的合理性。

主要涉及的技術工作如下：

(1) 建立系統、設備與基本事件的對應關系。PSA模型主要是由設備的基本事件通過一定的邏輯聯系在一起。建立設備與基本事件的對應關系也就是實現了設備與PSA模型的聯系。

(2) 集總始發事件的處理。通常情況下，核電廠運行PSA模型中將發生在不同環路的始發事件歸為一類進行處理，即使用集總(歸類)始發事件，這樣的假設相對于計算平均風險是合理的。但是，田灣核電站1、2號機組擁有4個環路，每個環路配置獨立的安全通道，在電廠實際運行過程中由于配置狀態的不同，會導致安全系統不同通道間產生差異，這樣的假設就會導致模型無法反映電廠實際配置。因此，在建立實時風險模型的過程中，需要對運行PSA模型的各個集總始發事件進行拆分，并分別建立相應的事件樹，完善對應的事故序列。

(3) 維修模化。在運行PSA模型中，通常根據電廠設備平均維修時間的統計結果得出設備維修不可用度，并采用一個基本事件來處理。但是，在實時風險分析中，設備是否退出服務進行維修以及相應的維修時間是由電廠的實際運行信息決定的，因此在實時風險模型中應將原維修事件予以刪除或者置為“false”，并根據實際情況確定設備是否在維修。

(4) 環境因子設定。環境因子主要反映電廠運行環境的變化對始發事件發生頻率的影響，主要考慮了惡劣天氣例如暴風以及季節對風險的影響。

(5) 冗余通道的對稱性。在運行階段PSA模型中，假定了某些系統的某幾個列處于運行，而另外幾個列處于備用，但是在實際機組狀態中可能會剛好相反。因此，在實時風險模型中需要進行擴充建模，并設定相應的房形事件予以控制，即建立全失效模式模型。

(6) 建立縱深防御模型。風險監測系統中的縱深防御功能主要是從定性的角度說明實現電廠縱深防御功能的相關系統的狀態，田灣核電站主要從維持反應堆次臨界、防止放射性釋放、維持堆芯冷卻、重要支持系統(應急電源、冷卻水等)這四個方面予以考慮，判斷準則如表2所示。

表2 模型縱深防御狀態準則表

注：① Nmin為系統實現其設計功能所需的最小列數， ② Nconfig為電廠當前配置下該系統的實際可用列數。

2.2 實時風險模型管理

當基準PSA模型升版后，實時風險模型需要進行相應的升版，或者當發現實時風險模型中存在不準確的建模部分需要修正時，可通過Risk Spectrum軟件直接對實時風險模型進行修正或者升版工作，而無需對實時風險模型進行后處理，經編譯后即可直接導入TNRM。該方案杜絕了由于后處理引發模型錯誤的可能性，簡化了實時風險模型的維護與升版工作[8]、[9]。

當實時風險模型更新并導入TNRM后，需在TNRM中判斷此次模型的更新是因系統/設備或者數據的變更引起的，還是對PSA模型錯誤或者不完善進行的修正：

(1) 若是對機組系統/設備配置或者數據變更做出的模型升版，新的模型應繼承舊模型；

(2) 若是對模型的錯誤或者不完善進行修正，新的模型應替代以往的模型，并對以往的數據進行重新分析；

(3) 不同版本的模型都保存在服務器，并無縫地整合在一起，模型的變更信息得以保存并可以很容易地進行跟蹤，這就確保了任意時刻的機組狀態都以實時的、正確的模型為基礎分析計算的。

3 重要特征

目前世界上有超過110個風險監測系統在運行，國內有大亞灣、秦山三廠、秦山二廠等核電站使用風險監測系統。本節主要介紹TNRM的重要特征。

3.1 網絡版應用與多用戶操作

美國多數核電站使用單機版RM。TNRM是基于服務器-瀏覽器架構開發的，如圖2所示。服務器端按功能分為網絡服務器(Web Server)、數據庫服務器(DB Server)和計算服務器(Calculation Server)。田灣核電站的所有員工可從公司主頁鏈接直接訪問TNRM。TNRM所有數據均集中在服務器端進行操作，使得電站人員在應用該系統時，所有的操作變得更具可追溯性，并且保證了系統中機組狀態的唯一性、正確性。

圖2 TNRM網絡架構圖Fig.2 the framework of TNRM

3.2 實時監測

RM在時效上主要有三方面的功能，如圖3所示。RM對于過去和未來的時效性要求相對不是很高，而對于“當下”的時效性則要求非常高——對機組組態發生的變化需要在第一時間內予以反映。截至目前尚未有其他電站的風險監測系統實現實時監測能力[1,2,5,8]。

田灣核電站1、2號機組擁有DCS系統，為實現TNRM的實時監測提供了可能性。為避免TNRM對機組安全性帶來影響，TNRM從中間服務系統即實時參數系統(PI)讀取儀控信號，實時監測拓撲圖如圖4所示，通過執行本文制定的系統/設備測點映射關系，實現TNRM的實時監測能力。

圖3 RM關于時間性的功能Fig.3 the function of RM in time

圖4 實時監測框架圖Fig.4 The framework of real-time monitor

DCS信號繁多，約6萬多個，且與實時風險模型中系統/設備失效模式無法一一對應，如何進行儀控信號(Instrument Control Signal, ICS)篩選，如何建立DCS信號與實時風險模型中系統/設備狀態的映射關系成為系統開發的關鍵技術。TNRM同時監測一、二號機組的狀態，對于每臺機組實時風險模型中分別模化了1670個設備，239個系統/列。TNRM中表征機組狀態變化的操作包括如下幾類：

(1) 機組工況切換；

(2) 設備退出、恢復服務；

(3) 系統/列運行與備用切換；

(4) 系統/設備試驗；

(5) 環境因子設置等。

由于設備退出、恢復以及系統/列的運行與備用狀態變化較為頻繁，且對機組風險影響較大，本系統通過預定的轉換規則，將儀控信號的變化轉換為實時風險模型信息的變更，主要實現了這兩類操作的實時監測、分析，其中設備退出、恢復操作又細分為能動設備、測量儀器設備和特殊設備等三類。除去部分只有模擬量ICS的傳感器，共實現1026個重要安全設備的信號與狀態的映射規則。典型映射規則示例如表3和表4所示。

表3 設備與儀控信號映射規則示例

表4 系統/列運行與備用的切換信號示例

TNRM實時監測到機組狀態發生改變，立即通過上述開發的映射規則反映到實時風險模型中，并自動進行計算分析生成相應的輸出。由于該功能的開發，理論上在整個機組運行期間，運行人員無需對TNRM進行操作。運行人員賬號登陸后，風險主頁面(見圖5)永久性登錄不登出，并實時刷新，結合實時采集機組數據能力，實現了利用PSA對機組狀態進行實時監測、實時分析、實時反饋。經過在核電站兩年的運行實踐表明，TNRM能夠實現對機組狀態精準的在線實時監測、監督。

圖5 TNRM風險主頁面Fig.5 Main risk page of TNRM

3.3 計劃自動導入

國內部分RM使用甘特圖[2]、[8]制定與編輯計劃，該方案直觀可視但操作不易。

核電站制定的計劃包括全電站所有生產、運行相關項目，而TNRM以CDF為分析目標分析了影響堆芯安全的系統/設備，如何從包羅萬象的生產計劃中快速地識別出TNRM需要分析的內容成為關鍵。

TNRM針對田灣特定的生產計劃格式開發了自動導入模塊，通過對KKS碼的識別篩選出影響CDF的內容。該模塊的開發提升了TNRM在生產計劃方面的使用效率、頻率和正確率。

3.4 計算時效性

TNRM使用重解法確保計算精度，即每一次計算都基于對構建的大故障樹進行完全求解。TNRM實現了對機組狀態的實時監測后，計算速度成為最重要的關鍵點之一，TNRM使用國際先進的計算引擎RSAT，經過長時間的測試與實際應用，單次重解時間控制在2分鐘左右，能夠滿足電站的生產運行需求。

網絡版的TNRM由于允許多用戶同時操作，可能發生多個并發的計算需求，計算速度更為重要。對于此，TNRM做出如下一系列改進措施：

(1) 執行計算異步處理，風險曲線在計算完畢后予以更新，避免對正在計算的狀態點進行重復計算；

(2) 使用并行式計算方案，計算能力可隨著服務器計算核心的擴展而得到增強；

(3) 使用智能的計算排序方案以高效處理計算需求，即設置了計算需求優先級，例如在線監測的計算需求總是高于計劃；

(4) 為避免重復計算，如果相同的機組狀態已經計算過，那么結果就被直接引用，新的計算只在當機組狀態發生改變并且該狀態點從未計算過時發生。

4 電站應用

2013年9月，田灣核電站開始試運行TNRM，2014年8月正式上線運行，至今已有30余月的運行經驗。

TNRM最重要的應用就是建立貼合田灣實際情況的管理方案，將TNRM應用到電站生產流程中去。經過對生產部門開展大量的宣傳、培訓，并根據田灣技術特征建立如下應用方案。

4.1 確定風險等級管理方案

TNRM中包含功率工況、低功率與停堆工況一級PSA模型，所以選擇堆芯損壞頻率(CDF)作為風險控制的基礎。RM對每個機組組態分析出量化的風險值，對于PSA專業人士來說不同的具體的數值代表了不同含義，但是對于非PSA專業人士來說，只需關注風險值的變化范圍。目前國際上美國、俄羅斯等9個國家52個核電站的風險監測系統采用了三種風險等級(綠、黃、紅區)或者四種風險等級(綠、黃、橙、紅區)兩種管理方案，有83%使用了四種風險等級進行風險管理[1]、[10]，TNRM亦采用四種風險等級管理方案。TNRM對不同的風險等級給出了對應的風險管理行動，如表5所示。

表 5 風險等級與管理行動

備注*：理論上禁止計劃人員安排計劃使得機組風險進入紅色區域。

4.2 風險等級閾值的確定

國際上風險等級閾值的劃分可分為如下兩種方式[11]：

(1) 采用基準風險的倍數，比如2倍、5倍、10倍和100倍的基準風險等。基準風險即假設機組處于沒有因維修、試驗等導致設備/系統不可用的狀態，即零維修狀態下的風險。

(2) 采用確定的風險值，比如1E-5、1E-4和1E-3/堆年作為劃分標準，采用這類方式的機組基準風險一般在1E-5量級。

田灣核電站一級PSA基準風險CDF值為1E-6量級，小于國際大部分機組1-2個量級，若采用第二種方式，風險裕量很大，經過長時間試運行發現這種方案對機組運行近乎無指導意義，所以TNRM選擇采取基準風險倍數作為風險等級的閾值。

田灣擁有四個通道的安全系統，兩個安全通道不可用時電站需采取技術規格書規定的行動措施。本文對安全系統和重要緩解系統例如應急柴油機系統XKA、安全殼噴淋系統JMN、高壓安注系統JND、低壓安注系統JNG1、中壓安注系統JNG2、應急給水系統LAR/LAS、應急注硼系統JDH、蒸汽發生器大氣排放閥LBU等進行假設性分析計算，當基準風險提高30%時能夠包絡大部分的兩個安全通道不可用時機組風險，為了將PSA能夠貼切地指導電站工作，設定如下規則：

(1) 將基準風險值的1.3倍作為黃色-綠色劃分值；

(2) 根據國家最新要求，要求新建機組的CDF值不高于1E-5，RM的橙區起始風險線取值為1E-5；

(3) 國際上僅對紅區起始線有比較統一的認識，即為1E-3，RM亦采取該標準[4]。

5 結論與展望

TNRM在原軟件雛形基礎上對軟件功能、管理應用兩方面根據田灣實際情況進行了大量的創新。TNRM在功能方面，具有網絡架構，實時監測與分析，生產計劃自動篩選導入，計算速度快時效性高，模型管理便捷不易出錯等多個特色。在應用方面，TNRM根據VVER機組特點、生產運行流程，加強培訓與宣傳，建立了適合田灣核電站的管理應用程序，使得TNRM在田灣的應用有了實質性的進展。TNRM若未根據田灣實際情況開發相應的功能特色、管理應用方案，TNRM就不能夠應用到計劃、生產這些重要部門中去。

但是，TNRM存在著一些不足，這同樣也是絕大多數同類系統的不足，例如尚未考慮共因失效的處理，未考慮設備的不同失效模式等。希望廣大PSA工作者在未來的工作中能夠為上述問題研發出好的解決方案。

田灣核電站將繼續保持并強化TNRM于實時風險監測、計劃管理等方面的應用，計劃將基于TNRM進行的風險管理更深入地融合進當下的計劃、運行、維修管理流程中去。

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Thedevelopmentandapplicationofreal-timeriskmonitoratTianwannuclearpowerplant

GUXiao-hui，BAOZhen-li，YUWen-ge，LIUXiao-yun，HANQi

(Jiangsu Nuclear power Co., Ltd, Jiangsu, Lianyungang, 222042, China)

Risk Monitor (RM) is one of the most important Probabilistic Safety Assessment (PSA) application tool and widely used at risk-informed decision-making field in many nuclear power plants of the world. In this study, the development and management of the PSA model of Tianwan nuclear power plant Risk Monitor, Browser/Server (B/S) framework and multy-user application, Real-time monitoring development and application, plan automatic import, calculation effectiveness promoting and the development of the program of RM application would be discussed. At last, the challenge and problem are discussed.

Real-time monitoring, Risk Monitor, Probabilistic Safety Assessment, Tianwan nuclear power plant

2016-05-06

顧曉慧(1985—)，男，江蘇姜堰人，工程師，工學碩士，現主要從事電站安全分析相關工作

TL364+.5

：A

：0258-0918(2017)04-0691-08