周春林,张江云,郑大吉,王文龙,邹德光,李子彦,陈启兵

HFETR供电系统概率安全评价

周春林,张江云,郑大吉,王文龙,邹德光,李子彦,陈启兵

(中国核动力研究设计院一所,四川成都610005)

反应堆供电系统失效可导致堆芯熔毁等严重事故后果。本工作应用RiskSpectrum软件,对高通量工程试验堆(简称HFETR)供电系统开展概率安全评价(PSA)工作。通过整合部分法考虑共因故障,建立了以全场断电(SBO)为顶事件的系统故障树模型,并定量给出HFETR发生SBO概率为7.49× 10－8,证明HFETR现役供电系统安全可靠。同时,以供电系统模型及运行可靠性数据为基础,进行了割集、重要度、敏感度等分析,较全面地分析了现役供电系统的风险水平,为HFETR供电系统变更、升级和改造提供了重要参考。

高通量工程试验堆;概率安全评价;供电系统;全场断电

高通量工程试验堆是中国核动力研究设计院运营的轻水慢化冷却压壳式研究堆,承担了材料辐照、元件考验及同位素生产等重要任务,是国内长期高功率运行的重要带核实验平台。高通量工程试验堆供电系统承担向堆安全重要负荷和非安全重要负荷的电力供应功能,其安全性、可靠性和可控性对反应堆的安全运行十分关键。

采用概率安全分析(PSA)手段对重要系统开展评价,对全面认识系统薄弱环节、系统改进具有重要意义。美国Yankee核电厂应用概率安全分析(PSA)发现柴油发电机冷却水阀的供电母线有重要的设计缺陷[1］;韩国原子能研究所针对KX核电厂对重要厂用水系统泵的共因失效(CCF)进行了研究,提出了新的α因子模型,并对不同CCF模型对堆芯损伤频率(CDF)的影响开展了分析[2］;大亚湾核电站全场断电事故及第5台应急柴油机改进项目进行了PSA分析,指出柴油机接入时间的长短对降低堆芯损坏频率有较大影响[3］;田湾核电站主冷却剂管道小破口失水事故概率安全分析建立了事件树模型并对重要系统开展了故障树分析,确定了系统的薄弱环节[4］;福清核电一期工程对ASG系统配置进行了改进,并通过PSA分析进行了工程和风险评价[5］。本文采用PSA分析的方法,定量评估HFETR供电系统失效概率及失效模式,并为开展HFETR运行阶段全面内部事件一级PSA分析确定外电失电等始发事件的事件树题头提供事件概率。

1 供电系统及全场断电

1.1 供电系统简化

HFETR供电系统图如图1所示。HFETR厂外电源分别通过两路35 k V高压输电线提供,然后通过三台厂区变电站进行35/6 k V降压后,再分别由高压一段和高压二段母线送至反应堆厂房。低压电源由6 k V高压电源经HFETR厂房四台厂用变压器降压后向厂房内低压段母线分段供电,其中1＃或3＃厂房变压器向低压一段母线提供380/220 V交流电,2＃和4＃主变压器向低压二段母线提供380/ 220 V交流电。1＃和3＃、2＃和4＃变压器互为备用。实际运行中,每段各有一台变压器在运行,必要时低压一、二段之间可通过低压母联相互供电。可靠段由低压一、二段或应急一段供电。应急一段交流母线由不间断供电系统1＃UPS或3＃UPS供电,应急二段交流母线由2＃UPS或3＃UPS供电。UPS的电力源分为市电输入、备电输入和蓄电池输入。其中,市电备电输入来自低压一、二段和柴油发电机。HFETR供电系统简图如图1所示。

图1 HFETR供电系统简图[6］Fig.1 Sketch of HFETR power supply system

在分析反应堆外电失电及全场断电事故时应当重点针对反应堆安全系统中具有重要作用的系统和设备,故该分析中不考虑在电力系统中对反应堆安全不构成威胁的系统和设备,进而对系统进行了简化。

1.2 全场断电

成功准则:两路外电源及两路应急母线任一路有交流供电即可。

顶事件:全场断电(SBO),亦即供电系统不可用。若两路外电源失电,则两段高压母线和两段低压母线均失电,此时反应堆重要的安全系统和安全设备由后备电源供电,如果叠加应急柴油机作为后备电源供电失败,失去了最后交流供电,这时就发生了全场断电(SBO),反应堆只能依靠厂内直流电源停闭。

基本假设:除母线外,不考虑其余电缆的失效;不考虑备用设备切换装置失效;假设系统任务时间为8 h;不考虑设备的可维修性。

2 可靠性数据处理

可靠性数据作为PSA分析的基本参数输入,其质量决定了本分析结果的可信度。HFETR在30多年的运行时间里,供电系统相关设备失效数据较少,这使得设备统计样本过少。若采用传统的统计推断方法对可靠性参数进行估计,往往与真实数据相差较大[7］,因此,一般采用将特有历史运行数据和通用数据库通过一定的算法进行耦合,使得最终的故障树模型采用的数据,既能够具有HFETR的运行特点,同时能够具有一定统计样本数量的优化数据。

本工作采用目前国内外PSA分析处理可靠性数据的通用方法——贝叶斯方法,该方法以通用数据为先验数据,以堆历史运行数据为样本数据,通过贝叶斯处理得到PSA量化计算的后验数据。对于部件的运行失效率和需求失效率而言,其分布是连续的,此时,贝叶斯处理公式为[8］:

式中:L——似然函数,表示在运行失效率λ确定的情况下,样品在确定的试验时间T内,失效次数的分布。对于指数型寿命的部件而言,该似然函数是一个泊松分布:

上式中只要确定先验分布g(θ),根据公式(1)就可求得后验分布h(θ|x1,x2,…,xn)。基于上述数学模型,利用Matlab设计开发了可靠性参数计算分析程序PSA-BAYES,并以国际原子能机构收集的数据IAEA-TECDOC-478[9］以及美国核管会的NUREG/CR-5750[10］为先验数据,以HFETR历史运行数据为特有数据,利用PSABAYES程序对论文涉及设备的可靠性数据进行贝叶斯处理,处理得到的数据见表1。

表1 PSA-BAYES处理得到的可靠性参数Table1 The reliability parameters by PSA-BAYES

3 HFETR系统可靠性分析

采用故障树分析方法,针对HFETR供电系统构件故障树模型,通过故障树模型分析获得顶事件的发生频率。分析时,对具有相同功能的部件还考虑了共因失效[11-12］,目前流行的共因分析方法:β因子法、多希腊字母(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,该方法将部分β因子法的19个子因子合并成8个子因子,分别定义为冗余性、隔离性、理解程度、分析情况、人机接口、安全文化、环境控制和环境试验,这八个子因子能够总体反映影响系统设备共因失效发生可能性的各个方面,通过对这八个子因子的分析评价就能将所分析的系统设备本身的设计及运行特点同UPM方法所提供的经验数据相结合,使得分析过程能更贴近工程实践。

在分析中考虑了两路外电失电和两台应急柴油机失效两方面的共因失效。采用UPM法,考虑二阶共因故障问题,根据HFETR实际运行情况,对各子因子属性赋值,填表计算出β因子分别为7.35×10－2和9.88×10－2。

3.1 供电系统故障树模型构建

使用RiskSpectrum软件,然后根据系统简图以SBO为顶事件建立供电系统故障树模型,并将通过贝叶斯方法处理得到的数据,对各底事件参数赋值计算。HFETR供电系统一共构建1棵主故障树,11棵子故障树(含4棵共因故障树),主故障树和共因故障树如图2所示。

图2 HFETR供电系统主故障树和共因故障树Fig.2 Main fault tree and CCF fault tree of HFETR power supply system(a)主故障树;(b)第一路外电失电共因故障树;(c)第二路外电失电共因故障树; (d)1＃柴油发电机失效共因故障树;(e)2＃柴油发电机失效共因故障树

3.2 结果分析及讨论

3.2.1 最小割集(MCS)分析

导致供电系统故障树顶事件(即SBO)发生的底事件的最小组合,即是供电系统的最小割集。最小割集反映导致系统顶事件发生的全部故障模式,为寻找系统薄弱环节、提高系统可靠性的途径提供了依据。根据构建的模型,按照割集的重要度将其排序。图3给出了HFETR堆SBO事件支配性最小割集及其割集重要度,图中基本事件CCF-35 k V-BETAALL,CCF-DG-BETA-ALL、35 k V-A、35 k VB、DG-1＃和DG-2＃,分别代表外电共因失电、柴油机共因失电、外电一路失电、外电二路失电、1＃柴油机失电和2＃柴油机失电。图中,割集1的概率为5.096×10－8,割集2的概率为2.387×10－8,割集3的概率为7.331× 10－11,其余割集的概率较小。由图3可知,外电共因失电叠加柴油机共因失效是导致SBO的最重要故障模式。

图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赛尔-威斯利(Fussell-Vesely,FV)重要度定义为单个基本事件相关的所有最小割集(MCS)发生频率在顶事件发生频率中所占有的份额,可直观地为寻找系统薄弱环节提供依据,其表达式如下[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表示顶事件的不可用度。

根据建立的模型,FV重要度结果如图4所示,可知,柴油机共因失效、外电源共因失效以及第一、二路外电源分别失效,在导致顶事件发生的所有最小割集中所占份额较大,是HFETR供电系统系统的薄弱环节。

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

同时可靠性参数的重要度分析有两种检测方法。一种是风险减少因子(RDF),即顶事件发生频率与所分析的基本事件失效参数为0 (部件完全可靠)所对应的顶事件发生频率的比值,用于度量某个部件不失效对降低目前风险水平的贡献;另一种是风险增加因子(RIF),是所分析基本事件失效参数为1(部件一定失效)所对应的顶事件频率与顶事件发生频率所对应的比值,用于度量某个部件失效对增加风险水平的贡献[15］。

风险减少因子RIF为公式:

式中:IRi表示基本事件i的RDF值,QTOP(Qi＝0)表示将基本事件i(或第i组中所有基本事件)的不可用度设为0,计算得到的顶事件的不可用度。

风险增加因子RIF为公式:

式中:IIi表示基本事件i的RIF值,QTOP(Qi＝1)表示将基本事件i(或第i组中所有基本事件)的不可用度设为1,计算得到的顶事件的不可用度。

HFETR供电系统可靠性参数重要度分析结果见图5。RIF计算结论显示,发生低压母线失效及柴油机失效对增加供电系统的风险水平贡献最大;同时,RDF计算结果显示,避免外电失电对降低供电系统目前风险水平贡献最大。

图5 可靠性参数重要度分析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单一基本事件对顶事件发生频率的敏感度,可以为实际在役系统的升级改造提供指导意见。对于所分析的基本事件或者参数乘以灵敏因子与其除以灵敏因子所对应的顶事件频率的比值,即是灵敏度[15］。其计算公式:

经过计算,所得SBO事件基本事件敏感度及HFETR供电系统可靠性参数敏感度见表2和表3。

表2和表3即是基本事件和基本参数的灵敏度分析。表1显示,柴油机共因失效和外电失电基本参数具有最大灵敏度。表明对供电系统改造升级的相关活动中,所引起的二者微小变化,可能导致顶事件的发生频率产生较大量变。

3.2.4 全场断电概率

通过软件联接所有故障树,计算得到HFETR供电系统失效致全场断电(SBO)概率为7.49×10－8。

由上述频率可知,HFETR发生全场断电(SBO)概率为典型百万千瓦级核电站的1/4。核电站主电气系统及其运行工况等较研究堆更为复杂,HFETR供电系统相对简单可靠。对比显示,HFETR供电系统安全可靠。

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

续表

表3 可靠性参数敏感度分析Table3 Sensitivityanalysis of reliability parameters

4 结论

针对HFETR供电系统构建的故障树模型,通过计算,分析该系统的最小割集、重要度和敏感度得到结论:

(1)外电共因失电叠加应急柴油发电机共因失效是导致HFETR发生SBO的最重要故障模式。

(2)柴油机共因失效、外电源共因失效及其分别失效导致HFETR发生SBO的支配性基本事件,属供电系统薄弱环节。

(3)RIF计算显示,发生低压母线失效及柴油机失效对增加供电系统的风险水平贡献最大;同时,RDF计算显示,避免外电失电对降低供电系统目前风险水平贡献最大。

(4)柴油机共因失效和外电失电基本参数具有最大灵敏度。表明对供电系统改造升级的相关活动中,所引起的二者微小变化,可能导致顶事件的发生概率产生较大量变。

(5)供电系统失效致全场断电(SBO)概率为7.49×10－8/a,系统安全可靠。

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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,四川仪陇人,工程师(助理研究员),2012年7月及12月分别毕业于法国卡昂大学GANIL-CIMAP实验室及兰州大学核学院现代物理系,获理学博士学位。现主要从事研究堆概率安全评价