潜在通路分析技术在AP1000核电厂主回路设计中的应用

徐 智，鲍 麒（. 中广核工程设计有限公司，上海 004；. 咸宁核电有限公司，湖北 武汉 43005）



潜在通路分析技术在AP1000核电厂主回路设计中的应用

徐 智1，鲍 麒2
（1. 中广核工程设计有限公司，上海 200241；2. 咸宁核电有限公司，湖北 武汉 430205）

摘要：潜在通路分析是一种常用于提高电路设计可靠性的方法。给予功能延伸，将潜在通路分析（SCA）技术引入AP1000核电厂主回路系统的设计分析。通过建立和主回路工艺特性相适应的模型，并采用人工路径搜索技术，判明标准设计中存在潜通路，再通过分析提出了工程上较为可行的方案，算例表明该方案可明显降低潜通路的影响。

关键词：潜在通路分析；AP1000；核电厂改进；主回路；主泵

CLC number： TL339 Article character： A Article ID： 1674-1617（2016）01-0012-08

在20世纪六七十年代，美国波音公司通过对电气、电子等系统的研究发现，相当数量的故障或重大事故并不是由元器件故障引发， 而是由设计者在设计阶段无意识带入设计方案中的固有状态所致。由于系统存在着设计者未察觉的旁通回路，在某些特定状态下，系统存在信息、能量或控制信号等不受控的传输。当系统被激发至这些特定状态时， 即有可能产生某些非预期设计的动作，和/或妨碍预期设计的功能，因而可造成系统功能丧失、设备损坏，甚至人员伤亡的严重事故。波音公司基于对这些电子电气系统的开发和研究，提出了潜在电路的概念。将这一概念引申，可以发现在复杂的气路、液路系统亦有可能存在潜在旁通路径， 而且可能同样带来严重危害［1］。我国的潜通路分析技术研究始自于20世纪90年代初期，主要针对运载火箭和导弹姿态控制系统。航天部相关研究部门对此进行了分析研究，已取得了一定的成果，并得到了军事装备可靠性标准化委员会的认可［2-3］。但这些分析工作量非常大， 而且对分析人员的技术水平要求较高， 导致该技术的推广使用受到了限制。几乎在同一时期，一些研究所和高等院校陆续展开了开发通用潜在分析系统的研究工作［1］。通常认为旨在设计阶段发现潜在通路、并采取相应应对措施潜在通路分析技术， 是一种具有特殊社会经济效益的应用技术［3］。

随着技术的发展及需求的变化，热力系统规模不断扩大且日益复杂，提高经济性、可靠性越发重要。国内外的学者对此进行了大量的研究。基于对火电机组系统参数的计算分析［4］，在确保管材可靠性的前提下，给出提高再热温度至新蒸汽温度的方案，来提高机组的经济性；文献［5］给出基于图论的火电机组热能经济性定量分析方法；文献［6］则采用BP神经网络和回归预测方法，对供热系统的主要参数进行分析研究，从而提高了供热系统运行调节能力；文献［7］首次提出对电子电气系统常用的潜在通路分析技术进行改造，通过热力系统与电子/电气系统进行功能分析和类比，成功的将潜在通路技术的应用领域进行拓展，并给出了该技术应用于热力系统的案例。这项研究表明，采用潜在通路技术提高复杂热力系统的可靠性和安全性是可行的。

在核电领域，Nureg-1174［8］明确了核电厂可采用潜在通路分析技术来评估系统间的相互影响。文献［9］给出了采用潜在通路分析技术在核电厂安注系统的应用成果，文献［10］给出了Quad Cities核电厂2号机组数字化给水控制系统中存在的潜在通路及解决方法，文献［11］则指出了第三代核电厂爆破阀控制器设计中的潜在通路及解决办法。但这些应用的分析对象均是电气系统/设备。本文针对AP1000核电厂主回路系统所具有的热工工艺特点，提出恰当的模型，首次将潜在通路分析技术应用到核电厂主回路设计中，并对发现的潜在通路提出改进方案。

1 潜在通路分析技术

大量的研究表明潜在通路的种类主要有使能量、电流沿着非预期的通道或非预期的方向流动的潜在通道、事件以非预期或不正确顺序出现的潜在定时、对于系统运行所必需的工作状态，可引发相关人员采取不正确动作的那些不清楚或不正确的显示，以及易引起歧义的或不正确标识系统的功能， 如输入信号类型、控制开关显示及通道标识等潜在标志等［12］。

文献［12］同时还指出潜在通路分析技术的应用领域包括潜在通道分析、数字潜在通路分析、软件潜在通道分析以及其他潜在通路分析技术。各个应用领域所采用的方法见表1。

对于简单的电路，潜在通道分析可以采用人工干预分析， 但当系统线路图比较复杂时，则必须利用计算机技术进行自动处理。一般来说，可通过将复杂的系统图进行分割和简化，将其转化为由节点和分支组成的集合。再采用遍历性的路径搜寻和追踪， 生成能表征系统连通性的网络树。文献［13］的研究表明， 所有的网络树图形可由5种基本拓扑图形组合而成，即直线形（I形）、电源拱形（Y形）、地拱形（倒Y形）、组合拱形（X形）和“H”形（见图1）。

设计期望行为和可能存在的非设计期望行为（潜在通路）都包含在上述基本拓扑图形及其组合中。识别出系统各种运行状态下相关网络树中所包含的拓扑图形，就是进行SCA分析的主要工作。这种分析方法可发现拓扑图形中是否存在非期望通路。对系统所有网络树的全部拓扑图形都进行上述分析，就能发现系统所有潜通路。

表1 潜在通路分析技术的应用领域及方法Table 1 The application of SCA and approaches

图1 SCA的基本拓扑模式Fig.1 General SCA topography patterns

线索表是一种指南，用于指导发现电路中可能出现的上述5种基本拓扑的结构中一个或多个设计缺陷。5种拓扑树及其组合可能十分复杂，这给实际潜在通路分析带来挑战。比如，“H”形网络中的6个开关的不同位置组合，就有64种不同的状态，因此一种“H”形拓扑树中可能存在上百条的潜在通路。根据文献［13］，目前所识别出来的潜在通路， 将近一半可归结为“H”形网络。国内自主开发基于SCA技术工具的成功应用也表明潜在通路技术对提高电路设计可靠性有显著作用。文献［3］给出4个应用实例的统计数据见表2。

文献［7］基于复杂热力系统的运行特征，提出了一种可应用于热力系统的潜通路分析方法：1）分割和简化复杂热力系统。简化方法包括物理简化和功能简化。去除复杂热力系统中不重要部件，只保留泵、阀、容器、负荷等具有通断功能的重要部件，并用特定的简单符号表示这些待分析部件的方法为物理简化法。而功能简化就是从系统中去除不关心功能的部件所在路径，只保留能表征特定相关功能的部件路径；2）基于热力系统和电路系统元器件功能上的相似性制定相应规则，并基于这些特定规则将热力系统等效转换为电路系统。再根据电气系统潜在电路分析技术的成熟理论和方法构建网络树，将生成的网络树转换成树形拓扑图，比如在图上方布置电源，在图下方布置地线及馈线，从左到右布置除电源、地外的输入输出信号，清除网络树结构中的自环和并行边以便识别分析；3）创建适用于热力系统的潜在通路线索表，并利用常见的潜在电路分析技术的成熟理论和方法，对拓扑图树进行路径搜索和拓扑分析；4）产生分析报告。

表2 潜在通路技术应用统计Table 2 Statistic analysis for CSA application

2 AP1000核电厂主回路潜在通路分析

2.1 AP1000核电厂主回路工艺系统简介

反应堆冷却剂系统（Reactor Coolant System， RCS）又称为主回路系统。RCS将反应堆系统中堆芯核裂变放出的热能加热冷却剂后，通过蒸汽发生器将二次侧主给水转化为高温饱和蒸汽，这些高能的蒸汽由汽轮发电机组转化为电能，而冷却后的冷却剂通过主泵加压后由冷管段送回堆芯，完成冷却剂介质的循环。RCS是核电厂最为关键的部分，也是核电厂和常规火电厂最显著的区别。

2.2 系统模型转化

在正常运行时由于与稳压器相连接的波动管中无大量的流体流动，因此本文在分析中将其作为盲端，简化忽略。主回路系统在进行物理简化、功能简化后所得的工艺系统简图如图2所示。由于冷却剂系统不存在一般热工系统中常有的止回、阀门，主泵的上下游均无阀门，且主泵无防逆转装置，故存在自由逆转的可能。因此必须采用改进的等效规则，即将系统中的冷却剂流看做是电流；将主泵转化为电流源，将主泵逆转流阻转换为串联电阻，且串联开关以便分析；将冷、热管段、堆芯、蒸汽发生器等处流体阻力转换为电阻。转化后的电路如图3所示。

图2 RCS工艺系统简化图Fig.2 Simplified diagram of RCS

其中：E1、E2、E3、E4分别为4台主泵对应转换的电流源，K1、K01为连锁开关，第1台主泵运转时K1断开，K01闭合，当主泵停止运转时K1闭合，K01断开；K2、K02等同理。RL为堆芯压头损失对应的电阻，RH1为图2左半部分热段（堆芯出口到蒸汽发生器入口处）压头损失对应的电阻，RS1为蒸汽发生器入口处到主泵吸入口压头损失对应的电阻，Rc1为1号泵冷段压头损失对应的电阻，Rr1为主泵停运时泵体的压头损失对应的电阻（正常运转时很小可忽略），Rc2为2号泵冷段压头损失对应的电阻，Rr2为2号主泵本身的压头损失对应的电阻；右半部分为镜像，转换过程类似。

图3 转化电路示意图Fig.3 Conversion circuit

2.3 路径搜索与分析

路径搜索有人工和计算机辅助分析两种，由于图3规模较小，没有必要将其转化为标准拓扑图，可直接采用人工搜索。结果见表3。

表3 路径搜索Table 3 Path searching

在RCS主回路的设计中，额定参数一致，系统在额定工况下运行，可看作是镜像系统。但主泵可能由于某些原因停运，由于工艺系统的耦合，各主要支路的流量不再均衡/对称。文章将主泵运行状态作为输入，可以知道共有16种状态，但值得关注的通路数要远多于状态数。为了简化，没有遍历多泵停运的通路。即便如此，根据表3已经发现有较多的潜通路存在。这些潜通路部分旁通了本应该流过堆芯RL的流量，减小了系统带出热量的能力。

事实上由对图3进一步的拓扑分析，可以看出其为Y形和倒Y形基本拓扑结构的组合体，而设计的本意为I形结构，根据文献［15］，这样的系统就可能存在潜通路。

2.4 改进分析

由于压水堆核电厂主回路的工艺特殊性，使得一般防止潜通路的方法（如增加隔离阀门等）难以实施。但从工程角度出发，存在的潜通路对系统正常功能影响只要在可接受范围内，就可以根据实际情况进行取舍。

从表3的（5）-（16）通路可以看出，停运的泵对与其直接并行连接的泵的旁通通路较短，即旁通流量大。如果增加旁通通路的路径，将减小旁通的不利效应。寻找代价较小的一种可以增加旁通路径的方法将十分有意义。

如果图4中2RS1=RS11=RS12，2RS2=RS23=RS24，当K1、K2、K3、K4全部断开时，该电路完全等效于图3电路。潜通路的分析结果和表3的结果一致。当假设有一对开关状态变化，即有一泵停运时，如K1闭合，K01断开时，K1所在潜通路的旁通值（包括右半部分镜像工艺的影响）为：

而根据图3，同样情况下，K1所在潜通路的旁通值为

很显然，图4对应的旁通值要小于图3对应的旁通值。表4为基于系统一组假定归一化模拟值的仿真计算结果。由表4可见，无论系统参数为何，改进后的方案在正常时，Rl流量无变化，但当1台主泵停运时，改进方案的Rl流量均大于未改进值，即有较小的旁通流量。不同的系统参数，会导致不同的改进效果。

图5为基于改进电路图所对应的工艺简图。即在蒸汽发生器的下腔室主泵吸入口一侧加上隔板，将流向两个主泵吸入口的流量平均分割。正如上面分析所述，在所有泵正常运行时，和现有方案基本一致，没有不良影响，但在有泵停运时，可以显著减小旁通流量。根据文献［16］可知，实施此改进的代价较小。

图4 改进后的电路图Fig.4 Improved circuit

图5 改进后的RCS工艺简图Fig.5 Simplified RCS process after improvement

表4 数值优化Table 4 Value optimization

3 结论

文章首次将SCA技术引入AP1000核电厂主回路设计，通过建立和主回路工艺特性一致的模型，并采用人工路径搜索技术，判明现有标准设计中存在潜通路，再通过分析提出了工程上较为可行的方案，算例表明可将潜通路的影响明显降低。

必须指出，目前的SCA技术基本上是定性研究，存在着误报可能性。本文所涉及的转化及计算也是定性和粗略的，实际的影响有待进一步核算。

可以看出，将SCA引入核电厂热工设计分析的核心工作在于建立适合的对应转换规则。这样的工作应该在遵从一般规则的基础上，可能需要具体问题具体分析。在此基础上，可得到热工系统对应的网络树，从而可以充分借鉴比较成熟的电子领域的SCA技术，甚至采用计算机辅助分析。本文的方法表明可以将SCA其应用到更大范围的热力系统，为核电厂复杂热工系统设计的可靠性和优化提供新的辅助分析方法。

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Application of Sneak Circuit Analysis Technique in Design of the RCS Loop of AP1000 Nuclear Power Plant

XU Zhi1， BAO Qi2
（1. China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Shanghai 200241， China；2. Xianning Nuclear Power Plant Co.， Ltd.， Wuhan of Hubei Prov. 430205， China）

Abstract：Sneak circuit analysis is a popular method for circuit reliability design. By extending the methodology， sneak circuit analysis is applied in the design of RCS of AP1000 nuclear power plant based on the modeling of process system properly. With the manual path searching technique， the sneak paths are disclosed in the current standard design. Based on further analysis， a practical engineering proposal is given and the simulation indicates the effectiveness of decreasing the effects of sneak paths.

Key words：sneak circuit analysis （SCA）； AP1000； nuclear power plant improvement；reactor coolant system（RCS）loop；reactor coolant pump （RCP）

中图分类号：TL339

文献标志码：A

文章编号：1674-1617（2016）01-0012-08

收稿日期：2015-10-08

作者简介：徐 智（1973—），男，安徽庐江人，博士，高级工程师，现从事核电设计工作。