風(fēng)險(xiǎn)指引型技術(shù)在核電廠維修策略優(yōu)化中的應(yīng)用探索

楊 智,王詩(shī)薈,郗海英,張項(xiàng)飛,李瓊哲

(蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

2010年2月，國(guó)家核安全局頒布了關(guān)于在核安全領(lǐng)域中加強(qiáng)PSA應(yīng)用的技術(shù)政策聲明[1]，闡述了國(guó)家核安全局將在核安全領(lǐng)域中積極應(yīng)用概率安全分析技術(shù)的政策。

在該技術(shù)政策中國(guó)家核安全局認(rèn)為：近年來(lái)，概率安全分析技術(shù)已取得重大進(jìn)展，在主要核電國(guó)家，概率安全分析技術(shù)已不僅僅停留于核設(shè)施安全水平的評(píng)估，而且對(duì)于進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)核安全問(wèn)題，乃至對(duì)核安全要求的確定都在產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響；在國(guó)內(nèi)，概率安全分析技術(shù)經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，已具備了較好的技術(shù)基礎(chǔ)，因此，國(guó)家核安全局希望積極地、有步驟地推動(dòng)概率安全分析技術(shù)在國(guó)內(nèi)核安全領(lǐng)域中更深層次的應(yīng)用，為優(yōu)化資源配置、提高核安全監(jiān)督活動(dòng)效率和提升核安全水平提供技術(shù)基礎(chǔ)。

隨著核電廠的模型范圍越來(lái)越完善和模型的應(yīng)用能力越來(lái)強(qiáng)，風(fēng)險(xiǎn)指引型技術(shù)在核電廠工程改造、事件評(píng)價(jià)、維修工作安排等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，從安全上和電廠經(jīng)濟(jì)上都獲得收益。

本文以國(guó)內(nèi)某電廠設(shè)備冷卻水系統(tǒng)/重要廠用水系統(tǒng)(RRI/SEC)熱交換器維修策略調(diào)整事件為例，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)指引型技術(shù)進(jìn)行論證分析，以確定風(fēng)險(xiǎn)指引型技術(shù)在核電廠維修策略優(yōu)化領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性。

1 背景

按照該電廠運(yùn)行技術(shù)規(guī)范的要求，功率運(yùn)行模式下不允許人為造成RRI/SEC熱交換器的計(jì)劃性不可用，RRI/SEC熱交換器的預(yù)防性維修工作都是在大修期間反應(yīng)堆完全卸料模式下進(jìn)行。考慮到功率工況下多次出現(xiàn)熱交換器壓差高且大修中維修工作較多可能影響維修質(zhì)量的狀況，計(jì)劃將RRI/SEC熱交換器的預(yù)防性維修放在功率運(yùn)行期間進(jìn)行，以增強(qiáng)維修工作安排的靈活性、提高冷源可靠性、優(yōu)化大修資源配置、提高維修質(zhì)量。

2 RRI/SEC熱交換器的基本信息

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)和重要廠用水系統(tǒng)(SEC)都是由兩條獨(dú)立系列提供冷卻水。每一系列包括兩臺(tái)100%的離心泵和兩臺(tái)50%的板式熱交換器，以保證事故工況下每一系列能提供100%的冷卻水。RRI/SEC熱交換器是RRI系統(tǒng)和SEC系統(tǒng)的共用設(shè)備，通過(guò)該熱交換器，把RRI系統(tǒng)收集到的熱量傳輸?shù)阶罱K熱阱——海水。RRI系統(tǒng)作用原理如圖1所示。

圖1 熱交換器工作原理Fig.1 Heat exchanger working principle

3 分析方法

風(fēng)險(xiǎn)指引型(Risk Informed)方法，是在傳統(tǒng)工程分析(確定論分析、工程判斷等)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充概率安全分析的分析結(jié)果所形成的一種涵蓋風(fēng)險(xiǎn)信息的分析、決策與管理的方法。

核安全譯文NNSA-0147[2]和核安全譯文NNSA-0148[3]中對(duì)綜合決策過(guò)程中所包含的五個(gè)關(guān)鍵原則作了詳細(xì)描述，包括滿足現(xiàn)行管理規(guī)定、維持縱深防御、保持足夠的安全裕度、風(fēng)險(xiǎn)增量應(yīng)很小和采用性能管理策略來(lái)監(jiān)測(cè)擬議變更造成的影響。風(fēng)險(xiǎn)指引型綜合決策過(guò)程有四個(gè)要素：(1)確定并闡述擬議變更；(2)實(shí)施工程分析，結(jié)合傳統(tǒng)工程分析和 PSA 的判斷做出最后的決策；(3)確定實(shí)施和監(jiān)督大綱；(4)準(zhǔn)備書(shū)面的評(píng)估文件并提交變更申請(qǐng)。

本優(yōu)化主要分析流程如圖2所示。

4 運(yùn)行技術(shù)規(guī)范要求

參考該核電廠運(yùn)行技術(shù)規(guī)范，可以整理出機(jī)組不同運(yùn)行模式對(duì)RRI/SEC系統(tǒng)配置的要求，以及一臺(tái)熱交換器隨機(jī)不可用的規(guī)定(見(jiàn)表1)。從表中的內(nèi)容可以看出，由于技術(shù)規(guī)范的限制——不允許人為產(chǎn)生第一組事件的設(shè)備不可用，使得RRI/SEC熱交換器的預(yù)防性維修只能在反應(yīng)堆完全卸料模式下進(jìn)行。

圖2 RRI/SEC熱交換器維修策略優(yōu)化的風(fēng)險(xiǎn) 指引型分析方法流程圖Fig.2 RRI/SEC heat exchanger maintenance strategy optimization risk-informed analysis method flow chart

表1 不同工況下RRI/SEC配置要求和一 臺(tái)熱交換器隨機(jī)不可用的規(guī)定

5 可操作性分析

RRI/SEC熱交換器RRI側(cè)和SEC側(cè)上下游均有手動(dòng)閥，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的隔離。而且，在機(jī)組功率運(yùn)行期間，RRI/SEC熱交換器出現(xiàn)過(guò)多起壓差高、泄露等降級(jí)或者不可用而隔離排空進(jìn)行清洗的情況。

因此，實(shí)施在線維修從維修操作上是可行的。

6 工程安全分析

6.1 熱交換器換熱能力分析

實(shí)施在線維修后，維修列不能滿足LOCA事故下導(dǎo)熱需求；另外一列RRI/SEC能滿足LOCA事故下導(dǎo)熱需求，仍滿足確定論分析的要求。但總體上系統(tǒng)功能冗余度降低。對(duì)于這種情形可通過(guò)概率安全分析方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，根據(jù)分析結(jié)果，實(shí)施在線維修滿足風(fēng)險(xiǎn)限制要求。

6.2 確定論分析

確定論分析主要是從法規(guī)和規(guī)范的要求、縱深防御、安全裕量等方面對(duì)變更申請(qǐng)進(jìn)行分析，以證明技術(shù)規(guī)范變更和在線維修方案實(shí)施后仍然滿足要求。

6.2.1 法規(guī)和規(guī)范的要求

我國(guó)現(xiàn)有法規(guī)和導(dǎo)則中提及核電廠運(yùn)行要求的法規(guī)有HAF 102(《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》)[4]和HAF 103(《核動(dòng)力廠運(yùn)行安全規(guī)定》)[5]，導(dǎo)則有HAD 102/17(《核動(dòng)力廠安全評(píng)價(jià)與驗(yàn)證》)[6]、HAD 103/01(《核動(dòng)力廠運(yùn)行限值和條件及運(yùn)行規(guī)程》)[7]和HAD 103/06(《核動(dòng)力廠營(yíng)運(yùn)單位的組織和安全運(yùn)行管理》)[8]。

本次在線維修的論證和涉及的技術(shù)規(guī)范變更，滿足相關(guān)法規(guī)和導(dǎo)則中的要求。此外，國(guó)家核安全局于2010年2月頒布了關(guān)于在核安全領(lǐng)域中加強(qiáng)PSA應(yīng)用的技術(shù)政策聲明，在政策聲明中對(duì)如何開(kāi)展PSA應(yīng)用也提出了相應(yīng)的建議和要求，本次變更也遵守了該政策聲明的各項(xiàng)建議和要求。

6.2.2 縱深防御分析

RRI/SEC熱交換器的功能有：帶出核島輔助系統(tǒng)熱負(fù)荷；停堆過(guò)程和事故工況帶出堆芯的余熱，并將熱負(fù)荷經(jīng)過(guò)重要廠用水系統(tǒng)(SEC)傳至最終熱阱——海水。可以從以下8個(gè)方面來(lái)論述變更后系統(tǒng)的功能和縱深防御原則是否得到保證。

(1)實(shí)施RRI/SEC熱交換器在線維修并沒(méi)有改變熱交換器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件。而且，熱交換器的在線維修只是影響了功率工況下一列RRI/SEC的不可用度，并沒(méi)有影響設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求或基本原則。

(2)實(shí)施RRI/SEC熱交換器在線維后，雖然每次只影響1列RRI/SEC的可用性，而且不可用性增加有限，但是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可用性影響較小(參見(jiàn)定量分析)。

(3)實(shí)施RRI/SEC熱交換器在線維后，會(huì)降低RRI/SEC系統(tǒng)的冗余度，進(jìn)而降低安全功能系統(tǒng)的冗余度。但是仍可保證1列安全功能可用，滿足確定論事故分析的要求，而且沒(méi)有明顯增加核電廠的風(fēng)險(xiǎn)(參見(jiàn)定量分析)。

(4)實(shí)施RRI/SEC熱交換器在線維修沒(méi)有引入新的事故或瞬態(tài)，也不會(huì)明顯增加原設(shè)計(jì)所分析的事故或瞬態(tài)發(fā)生的可能性。

(5)預(yù)防堆芯損壞、預(yù)防安全殼失效和緩解事故后果是核電廠應(yīng)對(duì)事故，逐步深入的三個(gè)措施。實(shí)施RRI/SEC熱交換器在線維修，會(huì)對(duì)前兩個(gè)措施有潛在影響，但是從定量結(jié)果看，影響會(huì)很小，所以三個(gè)措施之間的合理平衡沒(méi)有明顯改變。

(6)實(shí)施RRI/SEC熱交換器在線維修沒(méi)有影響原有的防止?jié)撛凇肮惨颉惫收系拇胧膊粫?huì)引入新的共因故障模式。

(7)實(shí)施RRI/SEC熱交換器在線維修沒(méi)有減弱電廠原有的防止放射性核素釋放的實(shí)體屏障的獨(dú)立性。

(8)實(shí)施RRI/SEC熱交換器在線維修沒(méi)有影響原有的防止人員失誤的措施，也不增加在事故工況下任何新的操縱員響應(yīng)，不會(huì)引入原設(shè)計(jì)及安全分析中沒(méi)有考慮的新的人員失誤。雖然，在熱交換器的維修期間會(huì)臨時(shí)增加一些風(fēng)險(xiǎn)管理要求和操縱員的相應(yīng)操作，但這些都是臨時(shí)性的，有針對(duì)性，且是準(zhǔn)備充分的。

6.2.3 安全裕量分析

實(shí)施在線維修滿足事故分析的要求，沒(méi)有改變?cè)谠S可證基準(zhǔn)中所包含的相對(duì)于可接受準(zhǔn)則的安全分析裕量。

6.3 概率論分析

概率論分析就是用PSA模型，對(duì)變更所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，以確定是否滿足相關(guān)管理導(dǎo)則所確立的可接受準(zhǔn)則。由于RRI/SEC熱交換器的在線維修不僅影響熱交換器的維修不可用度，而且使得功率運(yùn)行模式下熱交換器不可用。對(duì)于所有這些變更，都必須滿足核安全譯文NNSA-0147[2]和核安全譯文NNSA-0148[3]的可接受準(zhǔn)則。因此，概率論分析主要是針對(duì)NNSA-0147和 NNSA-0148的準(zhǔn)則進(jìn)行驗(yàn)證。

6.3.1 模型和處理方式

分析工況——對(duì)于RRI/SEC熱交換器維修策略由完全卸料模式變更到功率工況，完全卸料模式的維修對(duì)堆芯安全無(wú)影響，所以僅考慮功率工況的風(fēng)險(xiǎn)變化。

不可用時(shí)間——概率論分析選取的預(yù)防性維修導(dǎo)致的熱交換器不可用時(shí)間。

維修活動(dòng)的影響——熱交換器退出影響了設(shè)備冷卻水系統(tǒng)配置。

外部事件處理——外部事件考慮了地震、火災(zāi)、強(qiáng)風(fēng)的影響。

始發(fā)事件的處理——本報(bào)告定量計(jì)算考慮了熱交換器在線維修對(duì)喪失熱阱始發(fā)事件的影響。

6.3.2 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

(1)配置風(fēng)險(xiǎn)控制原理

配置風(fēng)險(xiǎn)控制的原理如圖3所示，即控制設(shè)備退出期間所引入的風(fēng)險(xiǎn)增加小于某一個(gè)限值時(shí)，認(rèn)為由于設(shè)備退出運(yùn)行所引入的風(fēng)險(xiǎn)增加是可接受的。配置風(fēng)險(xiǎn)控制限值可參考NNSA-0148[3]、ICCDP和ICLERP限值分別設(shè)定為1.00×10-6和1.00×10-7，但是此限值針對(duì)的是內(nèi)、外部事件。

圖3 組態(tài)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算Fig.3 Configuration risk calculation

圖中：

nICCDP=(CDF1-CDF0)×T

式中：CDF0——機(jī)組處于基準(zhǔn)配置下的堆芯損壞頻率;

CDF1——相關(guān)設(shè)備不可用時(shí)的堆芯損壞頻率;

限值——1.00×10-6。

ICLERP=(LERF1-LERF0)×T

式中：LERF0——機(jī)組處于基準(zhǔn)配置下的早期放射性大量釋放頻率;

LERF1——相關(guān)設(shè)備不可用時(shí)的早期放射性大量釋放頻率;

限值——1.00×10-7。

(2)平均風(fēng)險(xiǎn)增量控制原理

平均風(fēng)險(xiǎn)增量控制原則如圖4所示，控制原理圖參考NNSA-0147[2]。如果設(shè)備退出時(shí)間增長(zhǎng)，必然導(dǎo)致平均不可用度增加，進(jìn)而會(huì)影響機(jī)組的平均風(fēng)險(xiǎn)水平。基于目前核電廠基準(zhǔn)CDF和LERF值，CDF和LERF的平均風(fēng)險(xiǎn)增量限值分別設(shè)定為1.00×10-6/堆年和1.00×10-7/堆年。

圖4 平均風(fēng)險(xiǎn)增量控制原則Fig.4 Average risk incremental control principle

6.3.3 風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則的驗(yàn)證

對(duì)NNSA-0148和 NNSA-0147中的定量準(zhǔn)則進(jìn)行定量驗(yàn)證。

(1)NNSA-0148準(zhǔn)則的驗(yàn)證

根據(jù)維修策略優(yōu)化的機(jī)組配置狀態(tài)和核電廠運(yùn)行技術(shù)規(guī)范的要求，可知一臺(tái)熱交換器的在線維修是在確定的機(jī)組配置狀態(tài)下進(jìn)行的。因此，在定量分析時(shí)可以使用零維修模型，即把PSA模型中所有的維修不可用置“FALSE”，分析結(jié)果如表2所示。

表2 一臺(tái)熱交換器在線維修3天引入的風(fēng)險(xiǎn)

從表2的分析結(jié)果可以看出，即使將耗時(shí)最長(zhǎng)的預(yù)防性維修項(xiàng)目放在功率工況下進(jìn)行，其導(dǎo)致機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)增量都小于NNSA-0148的準(zhǔn)則限值。功率運(yùn)行模式下實(shí)施熱交換器在線維修所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)增加是可接受的。

(2)NNSA-0147準(zhǔn)則的驗(yàn)證

NNSA-0147準(zhǔn)則驗(yàn)證所使用的PSA模型是平均模型，即考慮了設(shè)備的平均維修不可用度。在功率運(yùn)行模式下實(shí)施熱交換器的在線維修，必將會(huì)增加熱交換器的維修不可用度。為了把在線維修導(dǎo)致設(shè)備不可用度的增加體現(xiàn)到平均模型，需要對(duì)熱交換器的維修不可用根據(jù)維修的實(shí)際狀況進(jìn)行處理，分析結(jié)果如表3所示。

表3 RRI/SEC熱交換器實(shí)施在線 維修后的風(fēng)險(xiǎn)水平變化

從分析結(jié)果可知，熱交換器實(shí)施在線維修后，機(jī)組的平均風(fēng)險(xiǎn)水平增加小于NNSA-0147的準(zhǔn)則限值，即風(fēng)險(xiǎn)增加是可接受的。

6.3.4 概率論分析結(jié)論

對(duì)NNSA-0148和 NNSA-0147風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則的驗(yàn)證表明，功率運(yùn)行模式下實(shí)施RRI/SEC熱交換器在線維修，使得機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)增加較小，滿足風(fēng)險(xiǎn)指引型決策中關(guān)于“保證風(fēng)險(xiǎn)增加量很小”這一原則要求。

6.4 配置風(fēng)險(xiǎn)分析

配置風(fēng)險(xiǎn)分析的目的是找出RRI/SEC熱交換器在線維修后電廠可能存在的潛在高風(fēng)險(xiǎn)配置，并采取適當(dāng)?shù)募s束方法加以避免，以保證當(dāng)與運(yùn)行技術(shù)規(guī)范變更相關(guān)的電廠設(shè)備停運(yùn)時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)顯著的電廠配置。

RRI/SEC熱交換器在線維修通過(guò)技術(shù)規(guī)范中的限制條件進(jìn)行規(guī)定，實(shí)施在線維修的前提是不存在其他第一組I0，這在很大程度上避免了人為高風(fēng)險(xiǎn)配置的產(chǎn)生。

實(shí)施在線維修導(dǎo)致熱交換器不可用時(shí)，對(duì)于那些由于隨機(jī)失效而導(dǎo)致電廠處于高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備，運(yùn)行人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其狀態(tài)的關(guān)注。這類設(shè)備清單可用通過(guò)Risk Monitor獲取，作為熱交換器在線維修期間重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備。

7 結(jié)論及建議

應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)指引型技術(shù)優(yōu)化RRI/SEC熱交換器維修策略是可行的，但應(yīng)控制單臺(tái)熱交換器維修時(shí)間不超過(guò)3天。為了做好在線維修期間的風(fēng)險(xiǎn)控制，建議在維修工作實(shí)施前和實(shí)施中做好以下措施。

(1)做好計(jì)劃，在線維修期間不安排導(dǎo)致第一組不可用事件的設(shè)備不可用的維修或試驗(yàn)工作。

(2)建議同一核電廠的兩臺(tái)機(jī)組統(tǒng)一考慮。也就是說(shuō)在進(jìn)行在線維修期間，要求相鄰機(jī)組的RRI/SEC保持全部可用，并把相應(yīng)的公用負(fù)荷切換到相鄰機(jī)組，以保證實(shí)施維修機(jī)組的RRI/SEC有足夠的冷卻能力。

(3)在線維修期間，做好對(duì)運(yùn)行列RRI/SEC的巡檢工作，以保證運(yùn)行列的可用性。

(4)做好事故預(yù)想，主要關(guān)注的事故有：?jiǎn)适嶷濉⑹鹿剩⑹煜づc這些事故有關(guān)的規(guī)程。