以机组停运预防为目标的主给水系统可靠性分析及优化

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(国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095)

作为核电站的重要组成部分，常规岛的作用不可忽视，针对其进行建模、仿真以及可靠性分析对于整个核电站的安全稳定运行有着重要的意义，而可靠性分析是其中的一项重要环节[1-2]。主给水系统作为二回路的重要组成单元，可靠性分析不可忽视。本文结合某核电站压水堆示范工程，探讨了主给水系统的可靠性分析方法并确定了基于共因失效的故障树分析方法，识别主给水系统中各个设备的失效模式，并分析它们对该系统和机组的影响，构建主给水系统故障树模型以评价该系统的可靠性并分析由于主给水系统功能失效导致的机组不可用，探讨优化方案并验证其可行性。

1 主给水系统概述

本文以CAP1400核电站的二回路主给水系统为研究对象，主要包括3台并联的33.3%电动定速给水泵组(每台电动给水泵组由1台给水前置泵和1台主给水泵组成)、4台50%容量的高压加热器和相关的系统仪表，其主要系统图如图1所示。

2 机组不可用的组成

导致机组不可用和出力丧失的因素包括：强迫停运、维修停运、强迫降功率、经济停运(主动停运)和计划停运(大修)。机组的最大可靠容量去除上述因素导致的能力降低即为机组能力，其百分比即为机组能力因子，其构成如图2所示。

图1 主给水系统图Fig.1 The main feedwatter system

图2 机组能力要素Fig.2 Main factors of unit capacity

其中，强迫停运损失是指由于设备可靠性引起的机组紧急停堆或手动停堆(24 h内)导致的发电损失。维修停运损失是指由于设备可用性引起的机组按运行技术规范执行的状态后撤导致的发电损失。强迫降功率运行损失是指由于设备可靠性或可用性引起的机组降功率运行导致的发电损失。经济停运是指运营方根据运行状态判断并进行的主动降低功率或停运活动损失。计划停运(大修)损失：由于计划大修引起的机组停运导致的发电损失。

在主给水系统中，由于各种因素的影响可能致使主给水的流量下降或完全丧失，从而导致机组强迫降功率运行和机组停运。鉴于主给水系统故障不会导致机组主动后撤行为，判断主给水系统可靠性对机组出力的影响需考虑强迫停运损失和强迫降功率损失。本文即以强迫停运损失分析为目标，分析验证主给水系统的可靠性及对机组出力损失的影响。

3 主给水系统故障树模型

3.1 顶事件的确定

导致机组强迫停运的主给水系统功能条件是主给水系统功能完全丧失。因此以主给水系统完全失效作为故障树的顶事件[3]，其失效准则主要包括：三列主给水泵组均无法工作或两列6、7号高压加热器均无法工作。

3.2 构模假设及简化

3.2.1 系统设计及运行假设

根据主给水系统的运行状态和运行规程，系统设计假设包括：1)一台主给水泵组可以维持机组降功率运行；2)6、7号高压加热器旁路阀用于一列加热器失效的情况下提供流量补偿，在两列加热器同时失效的情况下无法单独向蒸汽发生器供水。

系统运行假设如下：1)三列主给水泵均投运；2)两列6、7号高压加热器均投运。

3.2.2 构模假设

采用故障树方法构建主给水系统可靠性模型[4]，需考虑以下几个方面：1)本分析中涉及电源、压缩空气、冷却和控制系统等支持系统的模型以待发展事件表示，其失效概率未考虑；2)不考虑主给水泵的试验维修不可用；3)不考虑测试、冲洗、取样和排放的管线和阀门的泄漏；4)主给水调节阀在系统边界外，其失效在建模中不考虑；5)不考虑只在启堆和低功率工况使用的管线和设备失效；6)在正常的功率运行工况下，再循环管线关闭不使用，只作为主给水流量过低的保护措施，其失效在建模中不考虑；部分逻辑关系的故障树图如图3～图4所示。

图3 主给水系统完全失效故障树图Fig.3 The fault tree diagram of complete failure of the main feedwater system

图4 A列主给水泵组失效故障树图Fig.4 The fault tree diagram of failure of the main pump A

3.3 共因失效分析

一种应力引起一个以上的相同部件、单元或者系统失效即为共因失效。就容错系统而言，共因失效抵消了其优点，当一个部件或者单元失效时，容错系统可充分发挥其优点避免系统失效，但若引起这个部件或单元的应力失效引发共因失效，那么容错系统也无法发挥其优势，系统失效在所难免。数据表明，对某些现场设备的PFD、MTTF等可靠性指标比可靠性模型预测要低，因此有必要对系统进行共因失效分析[5-7]。本文针对主给水系统进行共因失效分析，其基本方法理论上采用MGL模型处理相关数据并计算。其一般计算公式如下：

式中：ρ1=1,ρ2=β,ρ3=γ,ρ4=δΛρ1+1=0且n为CCF组所包含的基本事件数目。

在该模型中，对中间阶数的共因失效的贡献也有详细的分析，其中二阶及以上阶数的共因失效参数也是根据经验和历史数据统计获得。本分析所使用共因参数组及参数值见表1。

表1 共因失效组及参数

4 故障树分析

本节主要分析二回路主给水系统完全失效概率，采用故障树分析方法，结合主要通用标准确定设备可靠性参数(主要根据中国核电厂设备可靠性数据报告、NUREG/CR-6928相关标准)、设备修复时间(主要遵循WASH-1400报告中对于泵、阀门和机械设备、电气和仪表设备三种不同类型设备修复时间的估计)、生产恢复时间(本系统人为假设生产恢复平均时间为120 h)。

4.1 事件发生概率计算

故障树分析的结果是计算出系统完全失效概率，确定主给水系统不可用的支配性最小割集。在本节分析中考虑全年功率运行的时间约为8 000 h，主给水系统完全失效的瞬时发生概率是5.50×10-6，主给水系统失效导致的非计划停机次数为4.4×10-3次/堆年。考虑到每一次主给水系统失效后发电机组停机重新恢复生产的平均时间为120 h，每年由于主给水系统完全失效导致机组不可用(不含降功率)的小时数为0.528 h。造成主给水系统不可用的排序前10的支配性最小割集如表2所示。

表2 主给水系统不可用的支配性最小割集

由以上分析可知，造成主给水系统不可用的主要原因是前置泵组、主给水泵组和高加共因失效。

4.2 重要度分析

上节通过对故障树分析确定了系统的最小割集，本节着重分析最小割集对顶事件发生的贡献率，即重要度。分析主给水系统的最小割即重要度，对于改进整个主给水系统的设计，诊断系统故障，维护系统的安全运行有着重要意义。本文将主给水完全失效确定为顶事件，分析最小割集对顶事件的影响，确定了割集各成员对于主给水完全失效的重要度。表3即主给水最小割集重要度。

表3 主给水系统不可用的基本事件FV重要度

经以上分析可知，确定主给水系统的底事件概率，进一步计算底事件对于顶事件的重要度，可以直观的确定底事件的重要程度，为后续检修排查，优化系统设计提供便利。

5 基于可靠性的设计优化对比

从上述可靠性分析结果可知，主给水泵和前置泵运行共因失效是造成主给水系统完全丧失的最主要因素。为提升系统运行可靠性，考虑对其进行设计改进对比，从冗余性和多样性角度提出如下两种可能的设计改进建议并进行分析对比：

1)增加一列冗余备用给水泵，其设备类型、管线布置与现有三列一致；

2)增加一列冗余多样备用给水泵，其设备选型与现有三列不同，管线布置与现有三列一致。

仍按前述过程对1)、2)进行可靠性分析，得到系统可靠性对比结果见表4。

表4 设计优化结果对比

从系统分析结果可知，增加备用列主给水泵能够有效降低主给水系统完全丧失的失效概率，而鉴于造成主给水泵全部丧失的共因失效，设计改进引入多样性能够更加明显的提升系统设计的可靠性，在相似经济性投入的情况下，建议采用设计改进2)作为优化措施。

需要特别说明的是，本文分析的顶事件仅考虑了主给水系统完全丧失的分析，在设计工程中，还需进一步分析主给水系统部分丧失的可能性，从概率等级上来看，主给水系统部分丧失的发生可能性显著高于完全丧失事件，在工程设计改进时还需全面分析后进行决策。

6 结 论

本文根据CAP1400核电站主给水系统，并基于故障树的共因失效分析方法，建立了基于共因失效的主给水系统故障树模型，并计算了底层事件失效发生概率和底层事件的重要度，全面的评判了主给水系统的可靠性，为后续优化系统设计，提高主给水系统可靠性建立了依据。具有很强的工程实际意义。