水淹厂房风险分析

黄卫刚，杨志超，戴忠华，陈军琦

（1.大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东 深圳 518124；2.中科华核电技术研究院有限公司，广东 深圳 518026）

0 概述

水淹厂房是电力行业重要风险之一，不仅会发生在压水堆核电厂，也同样存在于水力发电厂，这是由于它们发电过程中使用了相同的工作介质——水。2009年8月17日在萨杨－舒申斯克水电厂发生的水淹厂房，导致变压器发生爆炸，水电厂墙体损毁，机房进水，并造成75个工作人员伤亡，直接经济损失超过40亿美元。由此可见，水淹厂房事故在水电站中危害性非常大。

本文就核电厂水淹厂房的概率风险分析的方法进行了介绍，并希望将此方法推广到水力发电领域。该方法的优势在于，能够通过建立水淹风险的数学模型，定量计算发电厂可能存在的水淹风险，评价该风险与经济性之间的关系，找到发电厂导致水淹的关键敏感设备，以及发电厂设计中的薄弱环节，便于电厂减少水淹灾害，寻求最经济合理的改进方案。

压水堆核电厂内部水淹风险分析是我国核安全法规对 “核电厂概率风险分析（PSA，Probabilistic Risk Analysis）”的最新要求，其目的是鼓励核电厂应用概率风险分析技术来提高核电厂运营管理水平与核安全水平。研发与建立的厂房水淹风险计算模型和程序，可以快捷、便利地分析电厂每一个水淹区域的水淹漫延情况，该方法可以推广应用到其他核电厂或水力发电等相关领域。

1 内部水淹概率安全评价方法

压水堆核电厂内部水淹风险分析的目的是要确定可能导致电厂内部水淹风险重要事件序列，所有潜在的重要水淹源。这包括水淹引发的事件序列的表征，电厂水淹始发事件频率的评估以及影响的评价，发电厂厂房水淹漫延路径，电厂特定的空间相关性，各种管道或者其他非能动部件的压力边界失效，还有系统或运行设备的人误启动或误动作等。

压水堆核电厂内部水淹风险分析时需要考虑电厂的运行经验、设备状态、系统的设计改进，以及人员的可靠性状态，包括运行人员培训，电厂操作规程等。

2 研究范围

压水堆核电厂 “内部水淹”是指在电厂建筑物内发生的无意的或者意外的工艺介质的释放和积聚。内部水淹概率风险分析只考虑冷/热生水、废水、硼水、饮用水、冷凝水和蒸汽闪变成热水的释放和泄漏。内部水淹概率风险分析不包括以下事件类型：①压水堆核电厂安全壳喷淋系统的误动作或者安全壳内任何压力边界失效；②压水堆核电厂任何压力边界失效或者无意的设备动作导致润滑油或电液控制流体的泄漏；③电厂雨水和在电厂厂区外很远的水库引起的厂房积水。

3 水淹类型

压水堆核电厂内部水淹概率风险分析要考虑不同类型的非能动部件的压力边界失效，要考虑的类型主要包括喷淋、局部水淹和重大水淹。

（1）喷淋。这里定义的喷淋是指在厂房内地面没有积水的喷淋事件。其基本假设为，从压力边界穿破管壁的裂缝产生的泄漏量在地表排水系统的缓解能力范围之内。

（2）局部水淹。局部水淹事件特点是伴随大的穿破流量的压力边界故障，并且厂房内地表有积水。局部水淹泄漏量的下限就是喷淋的泄漏量上限，局部水淹泄漏量的上限通常是安全相关构筑物的水淹设计基准泄漏量。

（3）重大水淹。重大水淹事件特点是压力边界结构故障，导致产生超出水淹设计基准的泄漏量。

4 主要步骤和任务

压水堆核电厂内部水淹概率风险分析分为3个主要分析阶段和11个任务，如图1所示。

5 各主要任务的技术内容

确定压水堆核电厂水淹区域、水淹区域定性筛选、水淹始发事件分析和水淹后果分析是建立数学模型的关键步骤。

5.1 确定水淹区域

图1 核电厂水淹风险分析主要步骤和任务

以电厂巡访确定的水淹区域为分析的基本单元，为了对所有易受水淹影响的区域进行更详细的分析，内部水淹概率风险分析以确定的水淹区域为起点，经过定性筛选，对筛选后的区域进行定量分析，评估各区域发生水淹事件对电厂运行带来的灾害。利用巡访得到的电厂信息确定水淹区域，是内部水淹概率风险分析首要工作。确定水淹区域的重要性可以评估水淹对机组安全的威胁。利用现有的电厂信息确定水淹区域，是内部水淹概率风险分析必须首先完成的一项工作。从以下3个方面考虑：第一，便于确定水淹对重要的设备有影响的区域；第二，便于确定需要考虑的水淹源和水淹成因；第三，为了描述需要分析的各种水淹漫延路径，需要确定水淹区域。

5.1.1 确定水淹区域的原则

水淹区域的确定可以借鉴国外压水堆核电厂比较成熟的水淹概率风险分析实践经验，并考虑到今后电厂分析结果应用方面的需求，在确定水淹区域时采用如下原则对厂房或房间进行划分：

（1）电厂实体隔离的厂房或房间作为单独的水淹区域（房间之间正常位置处于 “关闭”的门属于实体隔离边界），无实体隔离边界的阻隔，可以直接相互漫延的相邻房间合并成一个水淹区域。

（2）电厂厂房外无设备的走道或空旷区域不作为水淹区域。

5.1.2 确定水淹区域的方法

压水堆核电厂水淹概率风险分析的开发中，确定水淹区域采用的分析过程为：先确定初步的水淹区域清单，然后通过后续的电厂巡访工作不断修正、完善初步的水淹区域清单，得出最终的水淹区域清单。分析过程如图2所示。

5.2 水淹区域定性筛选

图2 确定水淹区域的分析过程

核电厂初步确定的水淹区域数量很多，大亚湾核电厂1个机组就达到887个。为了减少后续定量评估的工作量，有必要将风险不重要的水淹区域排除，可采用2个原则：

（1）水淹区域内没有水淹源。

（2）如果在重要设备即将淹没时不会引起始发事件或无需电厂立即停堆，并满足如下任一条件，则可在进一步评估的范围中筛选掉这些水淹区域：①水淹区域内（包括水源能够漫延到的相邻区域内）没有重要的构筑物、系统和部件；②水淹区域内没有足以（如通过喷溅、淹没或其他可用的机理）引起重要的构筑物、系统和部件故障的水源；③水淹区域内的水淹缓解系统（如排水沟或地坑泵）能够防止不可接受的水淹深度，同时水淹（如通过喷溅、淹没或其他适用的故障机理）不会引起重要的构筑物、系统和部件故障。

按照以上筛选准则，大亚湾核电厂和岭澳核电厂1个机组的水淹区域就从初始的800、900个分别减少为62个和63个，大大减少了后续分析的工作量。

5.3 水淹始发事件分析

水淹始发事件分析的主要工作就是确定水淹区域的水淹始发事件频率。在内部水淹概率风险分析中，通常考虑两种水淹始发事件。一种是硬件失效引起的水淹，另一种是人因引起的水淹。

在大亚湾、岭澳核电厂水淹概率风险分析中，对重要核设施失效引起的水淹频率计算采用国外核电厂通用数据作为先验数据，结合统计得到的大亚湾、岭澳核电厂水淹事件和相应的系统管道长度进行贝叶斯处理，从而得到的适合本地环境特点的后验数据，该数据可以作为本次水淹概率风险分析相关的系统、设备管径范围的水淹频率。最后需要结合电厂巡访统计得到的管道长度和管径数据计算得到各水淹区域里的喷淋、局部水淹和重大水淹频率。

对于人因引起的水淹始发事件频率计算，采用经典估计和加权分配的方法。具体思路为：从电厂实际运行数据和事件单中统计得到人因引起的水淹次数，采用经典估计得到人因引起水淹的始发事件频率。

通过核电厂的厂区环境和设备分析筛选，可以确定出具体的水淹源，并且筛选出有人因操作的区域清单。，对这些水淹区域合理分配各类水淹风险频率，按照电厂水淹区域内水（或油）相关的设备数量多少为每个区域赋予权重因子。最后将经典估计得到的人因引起水淹的始发事件频率加权分配到这些区域中，从而得到每一个有水淹源的区域的人因引起的水淹频率。

5.4 水淹后果分析

电厂水淹后果分析是内部水淹概率风险分析中工作量比较繁重的一项任务，需要大量的电厂特定信息和支持性计算。水淹后果分析主要包括：确定电厂水淹漫延和缓解信息、评估水淹对电厂重要设备的影响、确定水淹导致的各类始发事件（例如：全厂断电）。

5.4.1 确定水淹漫延和缓解信息

电厂水淹发生后，水可能从某个区域漫延到相邻区域，也可能通过电厂缓解设施将水成功排出去。为了完整地分析水淹的风险，需要确定电厂水淹漫延和缓解信息。

确定电厂水淹漫延信息的方法是：通过电厂布置图分析进行初步评估，通过电厂巡访来确认信息是否正确，并确定哪些信息对水淹是至关重要的。一般来说，漫延路径在布置图上不明显，但在巡访时却通常可以识别出来。

在电厂巡访时，还需要收集水淹缓解信息。对每一水淹区域和每一水淹源确定能够终止或限制水淹漫延的电厂设计特征。这些缓解信息包括：①电厂水淹报警；②电厂水淹防护堤、防水坎、地坑；③各区域排水沟；④水淹区域地坑泵、防喷溅屏障、水密门；⑤可以自动或手动操作的挡板。

5.4.2 评估水淹对设备的影响

对核电厂而言，有许多可导致设备失效的水淹效应，包括：浸没、喷溅、喷射冲击、甩管、潮湿、冷凝、温度相关因素。在这些水淹效应中，浸没和喷溅是需要重点分析的，对于其他未进行正式分析的水淹效应，采用保守的假设进行定性评估。

（1）部件浸没。假定部件浸没将导致电厂电气设备失效。当设备最底下部分（例如底座之上）被浸没时，通常认为该设备会失效。除非有详细的评估证明，即使部分浸没该部件仍然可用。为了证明区域发生水淹后，不会淹到电气设备，需要进行大量的水淹高度计算。

（2）喷溅。水淹源的位置可能使喷溅比实际的水淹更重要。刚刚位于水淹水位以上的部件在实际的浸没之前可能因喷溅而失效。假设水喷溅将导致电气设备（如开关）失效，除非受到安装适当的防护罩的保护。为了确定水喷溅是否会导致电气设备失效，需要收集电气设备的外壳防护信息。

对于喷淋、局部水淹和重大水淹3种水淹方式，需要分别确认是否会喷溅到重要的电气设备上。5.4.3 确定水淹导致的始发事件

确定水淹导致的始发事件主要从3个方面来考虑：①水淹是否会导致电厂汽机跳闸或反应堆紧急停堆？②水淹是否会导致技术规范中的安全相关设备不可用？③水淹是否会直接导致内部事件一级概率风险分析中所分析的始发事件？

通过分析水淹导致的始发事件，可以在水淹始发事件和内部事件一级概率风险分析模型中建立一座桥梁，这样就可以很容易计算得出内部水淹风险。

6 分析及思考

从内部水淹概率风险分析的重要度排序和支配性最小割集，通过分析总结如下：

（1）水淹导致电厂直流电丧失和水淹导致热阱丧失是重要的风险贡献。

（2）喷溅和浸没这两种主要的水淹效应中，浸没的贡献占主导。

（3）某一区域发生水淹，不但导致本区域重要设备不可用，还会因漫延而影响相邻区域重要设备的可用性，这种情形的风险往往较高。

（4）相对于硬件失效引起的水淹，人员引起的水淹风险占主导。因此，电厂应加强工作过程中的跑水风险控制。

7 结 语

本文设计的水淹厂房的概率风险分析的方法和技术符合目前国际通行的概率风险分析技术标准；在数学计算模型建立时研发人员深入现场做巡访和勘查，模型符合电厂的实际运行工况，风险计算结果合理，反复校验认为可以用于大亚湾/岭澳核电厂的风险管理，并且希望能将此方法借鉴引入水力发电领域。

专家评审认为：对于国内同类型新建核电厂，水淹厂房的概率风险分析模型能够对核电厂的总体设计进行评价，发现设计的薄弱环节，从而对设计提出更有针对性的改进措施。对于在役核电厂来说，水淹概率风险分析还可以在强化安全决策、有效使用资源、减轻核电厂负担等方面发挥巨大的作用，从而提高核电厂的安全水平和经济效益。