核電廠的設備全面分級方法與實踐

李建，楊智翔

（中國廣核集團蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

1 核電廠設備全面分級方法的介紹

設備可靠性是標準核電績效模型中安全經濟發電相關的核心流程之一和重要支撐，但電廠資源有限，只有將有限的資源用于對安全、經濟、管理等有重要貢獻的設備上，并優化設備可靠性管理，才能實現核電的核心競爭力和業績目標。在世界核電行業幾十年的實踐過程中，已經形成了一套廣泛使用的INPO（Institute of Nuclear Power Operations）AP913（Equipment Reliability Process Description）設備可靠性管理流程，為保障核電廠安全經濟發電作出了重要貢獻。其中進行設備全面分級是設備可靠性管理流程的基本出發點，在對設備全面分級的基礎上，對關鍵、重要的設備進行有針對性的管理，加強狀態監測、實施動態管理、持續改進設備可靠性管理策略、加強中長期項目管理以及預防性維修等，從而保障電廠設備的可靠性水平。基于INPO AP-913框架，形成了一套核電廠設備全面分級方法，并在中國改進型三環路壓水堆（CPR1000）機組中得到了具體實踐。

1.1 分級的前提條件

設備全面分級主要考慮了以下前提條件假設：

（1）機組運行在0~100%功率區間或其它任何一個機組狀態。

（2）基于單一設備故障準則。

（3）主控室操縱員和現場操作員可以按照電廠管理規定，對報警和異常現象保持應有、及時的響應，并且可以按照報警卡和相關運行程序進行干預。

1.2 分級原則

設備全面分級主要包含4個維度：設備關鍵度、設備運行頻度、設備工作環境和設備失效后果的顯、隱性。

（1）設備關鍵度。基于單一設備故障準則，考慮機組運行在0~100%功率區間或其它任何一個狀態下，根據設備失效導致的后果，確定設備關鍵度。表1給出了具體的劃分準則。

從表1可知：C級設備的失效后果最為嚴重，將立即導致機組的核安全和可用性降級，其失效后果不可接受；S級設備失效不會立即導致機組的核安全和可用性降級，但是增加了不安全因素和重大設備被損壞的概率，這些設備故障出現的頻率非常低，且只產生極少量共因故障，才能接受。E級設備失效不導致機組的核安全和可用性降級，但實施預防性維修成本低于不實施預防性維修的設備運行至失效的成本。R級設備失效不導致機組的核安全和可用性降級，不需要任何預防性維修，可任其運行至失效。

表1 設備關鍵度劃分準則

（2）設備運行頻度。根據設備運行方式數據，確定設備運行頻度，分別為高運行頻度（H）和低運行頻度（L）。表2給出了具體的劃分準則。

表2 設備運行頻度的劃分準則

（3）設備工作環境。根據設備工作環境數據，確定設備工作環境，分別為惡劣環境（S）和一般環境（M）。表3給出了具體的劃分準則。

表3 設備工作環境的劃分準則

（4）設備失效后果的顯、隱性。根據設備失效后，工作人員能否知道，確定設備失效后果的顯、隱性。知道則為顯性，如運行設備失效等；不知道則為隱性，如備用設備、保護設備失效等。

2 核電廠的設備全面分級方法實踐

核電廠可靠性管理工作中，主要以系統為單元，采用上述方法逐一對各系統的設備進行全面分級，得到所有設備的關鍵信息：包括功能位置、功能位置描述、房間號、失效后果、設備關鍵度、設備運行頻度、設備工作環境和設備失效后果的顯、隱性等。

下面以CPR1000某核電廠定子冷卻水系統（GST）為例，說明核電廠設備全面分級方法的具體應用。

GST系統是閉式系統，其基本功能是利用低電導率的除鹽水在定子繞組空心導線內的循環流動，對定子繞組和出線端子進行冷卻，冷卻水吸收的熱量，通過冷卻器輸送到常規島閉路冷卻水系統。為了說明方便，本文給出GST系統的流程簡圖，見圖1，圓筒形的頭箱（001CW）保證系統中充滿冷卻水，并給水泵提供壓頭；頭箱上部覆蓋氮氣，并設置有氫氣泄漏測量裝置（001QD）；冷卻水通過水泵（001/002PO，2×100%容量）做功后，經過逆止閥（001VD/002VD）壓入冷卻器（001/002RF，2×100%容量），由溫度控制閥來調節冷卻水的流量，經冷卻后的冷卻水進入過濾器（001FI），通過孔板調節后，進入發電機定子繞組的進水環形母管、中性端子和出線端子；吸收了繞組熱量的冷卻水由出水母管進入水泵入口，完成一個循環；系統低點設置了排污閥（006VD）。同時，有一股連續的冷卻水經過離子交換器（001DN）進行小循環，承擔GST系統冷卻水的凈化功能。001CW液位低信號或001SD/002SD/003SD三取二流量低信號均將觸發跳機。

圖1 GST系統流程簡圖

2.1 關鍵度為C級的設備

根據本文第1.2節對設備關鍵度劃分原則的描述，下面列舉了部分關鍵度為C級的設備。

（1）頭箱（001CW）。在機組正常運行過程中，001CW介質外漏，001CW液位下降至預設定值時，將觸發跳機信號，機組立即停機，因此關鍵度為C級。因為其處于連續運行的狀態，且工作環境比較惡劣，所以運行頻度和工作環境分別為H和S。失效后果為顯性。部分研究中，認為001CW屬于失效不可信的靜態設備，因此不將其分級至“立即停機或停堆”等級。但在容器模糊可靠度計算研究領域中，認為001CW盡管可靠度較高，但仍然有不可忽視的風險。本文采取了保守策略，充分考慮了001CW外漏失效的后果，并將其關鍵度定為C級。

（2）流量開關平衡閥（003VD/004VD/005VD）。閥門003VD/004VD/005VD分別是流量開關001SD/002SD/003SD的平衡閥。由于001SD/002SD/003SD這3個流量開關的壓力信號來自同一條取樣支管，當任一平衡閥內漏，導致001SD/002SD/003SD測量值同時偏小，將觸發自動停機信號，機組立即停機，因此關鍵度為C級。因為其不需要頻繁動作，且工作環境良好，所以運行頻度和工作環境分別為L和M。失效后果為顯性。“001SD/002SD/003SD這3個流量開關的壓力信號來自同一條取樣支管”，屬于設計上的薄弱環節，不滿足獨立性設計中要求的保持多重系統或部件之間的獨立原則，由此增加了自動停機的風險。為了提高系統的可靠性，建議實施技術改造，將001SD/002SD/003SD壓力信號修改為來自3條獨立的取樣支管，完成后，003VD/004VD/005VD關鍵度將不再為C級。

2.2 關鍵度為S級的設備

根據本文第1.2節對設備關鍵度的劃分原則的描述，下面列舉了部分關鍵度為S級的設備。

（1）水泵（001PO/002PO）。在機組正常運行過程中，當001PO（或002PO）失效，增加了進入定子繞組和出線端子的低電導率除鹽冷卻水流量不足的風險，從而增加了重要設備被損壞的概率。因此關鍵度為S級。因為其處于連續運行的狀態，且工作環境比較惡劣，所以運行頻度和工作環境分別為H和S。失效后果為顯性。

（2）泵出口逆止閥（001VD/002VD）。在機組正常運行過程中，當001VD（或002VD）失效拒開，若疊加002PO（或001PO）故障跳閘，將導致定子冷卻水的流量低，從而自動停機，增加了停機停堆風險，因此關鍵度為S級。因為其處于頻繁動作狀態，且工作環境比較惡劣，所以運行頻度和工作環境分別為H和S。失效后果為隱性。研究結果表明：通過對冗余泵組的可靠性定量計算，認為止回閥的可靠性影響了整個泵組可靠性的提高，使得由貯備帶來的優勢被嚴重削弱。對于001VD/002VD失效拒開的隱性后果，應當引起足夠的重視，必要時采取定期試驗等方式來加強管理。

2.3 關鍵度為E級的設備

根據本文第1.2節對設備關鍵度劃分原則的描述，將離子交換器（001DN）關鍵度定為E級。

在機組正常運行過程中，001DN失效會導致定子冷卻水電導率緩慢上漲，系統設計了相關儀表進行實時監測并發出報警。一旦發現異常，可以采取措施控制事故的發展并糾正不良后果，不會導致機組的核安全和可用性降級。但實施必要的預防性維修，可以有效延長設備的使用壽命，其成本低于不實施預防性維修的設備運行至失效的成本。因此關鍵度為E級。因為其處于頻繁折損的運行狀態，且工作環境良好，所以運行頻度和工作環境分別為H和M。失效后果為顯性。

2.4 關鍵度為R級的設備

根據本文第1.2節對設備關鍵度的劃分原則的描述，將疏水閥（006VD）關鍵度定為R級。

在機組正常運行過程中，006VD失效會導致部分介質泄漏，但漏量較小，不影響系統整體的水裝量，可以采取在線堵漏等維修方式進行及時處理。不會導致機組核安全和可用性降級，且不需要任何預防性維修，可任其運行至失效，有效節約了核電廠的運維成本。因此關鍵度為R級。

3 結語

本文介紹了核電廠的設備全面分級方法的基本概念和原理，并運用該方法對CPR1000某核電廠的GST系統進行實踐，得出了如下研究結論：

（1）通過實施設備全面分級，可以明確區分設備的重要程度，為制定不同的管理方法和措施提供重要依據，有助于提升電廠設備的可靠性水平，并降低運維成本。

（2）部分失效概率低的設備，若其失效后果嚴重，應當保守決策，充分考慮潛在風險。

（3）設計階段應采取合理的設計措施，保證電廠的可靠性水平。