建立風險指引型設計體系的研究

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

核電站的設計主要基于確定論的方法。安全分析的邊界條件,設計基準事故的預防和控制的安全要素以及每個安全功能的設計要求等都是來源于確定論準則,這些是沒有考慮事故的預防和緩解功能的可靠性[1]。目前，我國核安全法規HAF102《核動力廠設計安全規定》[2]中要求設計必須充分考慮確定論安全分析和概率論安全分析的結果。概率安全分析(Probabilistic safety analysis,PSA)在核電站設計和運行中發揮越來越重要的指導作用,近幾年該技術得到廣泛應用和推廣,也是原于該技術可以給出定量評價結果,便于進行方案比選和提供決策依據。

目前國際上,例如IAEA的設計安全規定,美國核電用戶要求文件[3](User Requirements Document,URD)和歐洲核電用戶要求文件(European User Requirements,EUR)及美國的反應堆監管程序(Reactor Oversight Program,ROP)等法規標準,都在鼓勵應用PSA技術優化核電站的設計和運行。根據目前調研的結果,國內外都在開展不同程度的風險指引型設計優化,例如：法國EDF在新堆設計之初就開展風險指引型技術規格書優化；EPR堆型研發過程中針對200多個重要信號開展了30多組典型信號的設計優化；AP1000的設計修改中,凡是涉及核安全的設計修改均需判斷是否對PSA結果有影響及影響程度等。國內目前開展較多的是系統設計方案比選、設計變更利益代價分析、運行規格書后撤時間延長和定期試驗周期優化等。而關于考慮更廣泛的設計領域,包括系統、布置、消防、總體設計和運行、力學、結構、應急、電氣、儀控等,使設計人員樹立風險指引設計理念,從設計之初就主動使用風險工具優化設計的做法,目前國內外尚未有可借鑒的經驗。

然而核電站的安全是設計出來的,設計才是源頭。如何采用更加科學合理的方法開展設計,是每位核電設計人員需要認真思考的問題。每位核電設計人員要樹立總體安全觀,將確定論和概率論貫穿于核電站的設計和運行。在頂層方案論證、系統設計、電氣設計、儀控設計、主控室設計、水淹分區、消防設計和抗震設計等核電站各個設計領域中應用風險指引型的技術進行設計優化。此外,在設計之初,就要為核電站運行做全盤考慮,對某些工作前置,例如風險指引型的技術規格書、大修優化等以進一步提高核電站能力因子等。優化配置資源,減輕業主負擔,以提高經濟性,加強核電市場的競爭力。

從福島核事故后開展全面PSA工作以來,中國核電工程有限公司(CNPE)PSA學科中包括PSA、系統、布置、消防、總體設計和運行、力學、結構、應急、電氣、儀控等各專業,積極參與到該專項工作中,經過這8年多的共同協作,目前CNPE內各專業廣泛認同了風險指引型設計理念,不過現狀是各設計專業沒有形成流程體系,有的專業提出需求太晚,導致很多設計無法修改,有的專業有需求了才考慮使用PSA,而不是把PSA工具作為設計過程中的一個環節,主動使用PSA優化設計。有必要建立風險指引型設計流程體系,在設計流程層面明確PSA的作用,即何時提出需求,上下游多專業的影響與配合,風險評價計算和實施要求等要形成閉環。

本研究的設計初衷也是源于長期從事PSA工作的設計人員漸漸發現該工具有助于本專業設計的優化和提升,以及有些設計專業對風險指引型設計優化開展試點實踐等。這些專業陸續提出編寫實施程序,提煉一套方法流程以指導和提升本專業設計。基于專業上的迫切需求和公司內各專業的實踐經驗,提出了建立風險指引型設計體系的研究方向,以期實現設計理念、方法和體系的創新和變革,引入了風險指引型設計理念。通過本文研究,通盤考慮各設計階段的設計內容和設計深度,提煉出適用于工程建立風險指引設計體系的方法論和各專業適用的實施程序,形成風險指引型設計流程體系。培養“設計+PSA計復合型人才,將PSA工具貫穿設計全過程。

1 體系建立的原則

CNPE在福島改進項、“華龍一號”、小堆、快堆和超大堆等項目的研發和工程設計中,采用PSA技術進行了設計方案比選、設計優化和決策支持等應用,但是目前還沒有相應的設計管理體系相匹配。本研究的目的是基于PSA技術應用的實踐,提煉適用于工程建立風險指引型設計體系的總的方法論,形成風險指引型的設計流程體系。

本研究建立風險指引型設計體系中可考慮遵循如下原則：

1)可以借鑒國外核電機組設計中的風險指引型設計優化的模式,結合設計院現有基礎制定；

2)所建立風險指引型設計體系中應涵蓋當前已經有的工作基礎,并具備較強的可實施性；

3)風險指引型設計理念應不僅僅限于某一單一項目,而應作為設計體系貫徹于設計院各個工程項目中；

4)風險指引型設計作為前沿先進的設計理念,在現階段不能一蹴而就,而應以試點、科研項目等方式開展并逐步完善,最終實現體系建立的目的;

5)風險指引型設計的執行效果應至少滿足HAF102中的相關要求。

2 主要研究內容

2.1 影響范圍識別

本研究主要采用概率論和可靠性的方法開展設計流程優化,根據目前的技術能力和之前項目經驗,對風險指引型設計影響到的范圍和專業進行識別[4],如表1所示。

表1 影響范圍

2.2 分析內容

通過影響范圍的分析可以看出,隨著全范圍PSA工作的推進,PSA學科主要包括PSA專業、電氣、儀控、系統、布置、力學、消防、結構、應急、總體設計和運行等專業。為了更好的對本研究內容和技術方案的理解,各專業定義如表2所示。

表2 專業定義

各專業識別可以優化的領域,根據可優化的領域開展風險指引型設計。一方面是PSA提出改進優化建議向設計反饋(PSA—Design,P—D過程)；由于P—D的過程通常是不完整的,局部的或框架性的問題,所以在本研究中設計了D-P的過程。即另一方面是各專業設計人員使用PSA工具開展各設計領域設計優化(Design—PSA,D-P過程)。

2.2.1 PSA學科向設計反饋(P—D過程)

1)PSA專業與各設計專業開展PSA與設計的結合,此過程需要雙方共同梳理和識別可以優化的領域。

2)PSA專業人員根據定量結果提出改進建議,并形成“經驗庫”和設計優化流程。

3)電氣、儀控、系統、布置、力學、消防、結構、應急等專業領域的人員在參與PSA工作中根據分析結果提出改進建議,并形成“經驗庫”和各設計優化流程。

2.2.2 各專業使用PSA工具開展設計優化(D—P過程)

電氣、儀控、系統、布置、力學、消防、結構、應急等專業領域的人員,每個設計人員根據各自的設計范圍進行準則和內容優化,都有明確的職責范圍。例如,系統設計人員的主要職責是開展系統設計準則優化和主工藝系統設計優化。

各專業人員與PSA專業梳理結合點,并開展相關的分析與討論,形成經驗庫。具體結合新堆設計開展準則優化和領域優化的案例分析,并結合各設計階段的案例提煉形成實施程序,包括分析內容、分析流程及步驟。

3 流程和方法

PSA作為風險決策工具,風險指引型設計體系須從概念設計階段開始介入整個設計過程,在總體設計階段、初步設計階段和施工圖設計階段為總體設計原則、各工種設計原則、總體布局、抗震要求、防水淹設計和消防設計、應急區劃分等提供風險指引型設計評價。可借鑒的技術流程如圖1所示[5]。

本體系建立是在“P—D”和“D—P”的實踐過程中,以層級遞進方式逐步深入,并結合設計階段完成的,本課題技術方案擬采用五層次法,如圖2所示。

第1層次和第2層次,完成識別點分析和經驗庫,作為后續層次工作開展的基礎。第3層和第4層以10個設計專業牽頭,其他專業配合,完成優化案例分析。從第3層和第4層開展過程中,需要結合核電站不同設計階段進行迭代分析,從概念階段,總體設計階段,初步設計階段到施工圖設計階段,具體設計階段及每個階段可以開展的設計優化內容,隨著新堆研發的設計深度而逐層、迭代開展。

圖1 可借鑒的技術流程Fig.1 Referential optimized flowchat

圖2 五層次法Fig.2 Five level method

4 問題與思考

本文設計了D—P的過程,較為完整的體現了PSA工具在設計中的實踐過程,屬于開創性的研究；目前建立風險指引型設計流程體系在國內外均無可以借鑒的經驗,屬于空白領域,是設計理念、方法、體系的創新和變革。

關于PSA的工作國內已經開展了30多年,但是建立風險指引型設計體系目前還沒有真正開展起來。主要原因是各工種設計人員介入較少或較晚,很難形成風險概念,就更難主動使用PSA技術優化設計領域完成D—P的過程。這也是PSA技術得不到廣泛推廣的瓶頸問題。我公司經過這8年PSA與各設計工種開展的福島改進項全范圍PSA工作以來,設計人員大范圍地參與到PSA工作的相關要素中,他們在潛移默化中已經具備了風險概念,開始積極主動開展設計優化。這就是所謂的“設計+PSA”的復合型人才。這些人才是建立風險指引型設計體系的關鍵所在。在這種大的環境背景下,建立風險指引型體系已經是未來設計能力提升的一個發展方向,未來設計院需要培養“設計+PSA”復合型人才,以做到設計能力引領國際的地位。

此外,開展風險指引型設計體系,涉及更多的專業參與。本研究是通過10個以上專業的案例實踐提煉出可以用于后續工程推廣使用的方法論。所以體系的建立推動起來難度很大,需要設置清晰的結構框架,明確各層級流程的職責以便于流程管理和執行。10個以上的專業,需要打破專業壁壘,將PSA技術應用在設計的各個環節,這也是對組織管理的巨大考驗。