“华龙一号”安全壳喷淋系统可靠性评估模型

孟凡鹏，门新红，隋阳,,*，丁睿，崔贺

（1.南华大学 核科学技术学院，湖南 衡阳 421001；2.福建福清核电有限公司，福建 福清 350300；3. 海南核电有限公司，海南 海口 572733）

“华龙一号”（HPR1000）是我国自主研发的第三代核电机组，采用了能动与非能动性相结合的先进安全设计理念，实现了机组先进性和成熟性的统一、安全性和经济性的平衡[1]。全球首台“华龙一号”已于2021 年1 月30 日在福建福清核电有限公司（简称：福清核电）商业运行。“华龙一号”安全壳喷淋系统（CSS）是其重要的安全保护系统之一，因此须对它的可靠性进行评估。

目前，主要应用失效模式与影响分析（FMEA）和故障树分析（FTA）方法对核电厂系统可靠性进行评估[2-5]。FMEA 是一种具备系统性和前瞻性的分析方法，能够在系统发生故障之前识别系统所有潜在的失效模式，并分析其产生的原因及其对系统造成的所有可能影响[6]。FTA 是一种图形演绎方法，它将系统中可能发生的失效事件作为顶事件，自上而下层层分析其直接和间接原因事件（即中间事件），直至分析到基本原因事件（即底事件）为止，并运用逻辑门符号表达三类事件间的逻辑关系，以此建立能够直观地呈现系统失效路径的故障树。但是该方法在以下方面存在不足[7,8]：

（1）常用于描述系统事件的二态性（正常或失效这两种状态），难用于描述核电厂安全系统事件的多态性；

（2）故障树中的逻辑门能够用于描述事件间的确定性逻辑关系，难以表达事件间的不确定逻辑关系；

（3）不适用于系统失效诊断（即分析系统关键事件）。

贝叶斯网络（BN）是一种基于概率分析、图论的表达不确定性因素和诊断推理的模型[9]。该方法具有下述优点：

（1）能够通过修正条件概率表，表达系统事件的多态性和事件间的不确定逻辑关系[10,11]；

（2）具有双向推理能力，既可以通过正向推理计算系统失效概率，又可以通过逆向推理分析系统关键事件[12]。

因此，BN 可以有效弥补FMEA 和FTA 方法存在的不足。

本文首先应用FMEA 方法，分析CSS 部件的失效模式、失效原因和失效影响；随后应用FTA 方法，分析上述事件间的确定性逻辑关系，建立CSS 故障树；最后应用BN 方法，基于CSS故障树，修正了条件概率表来表达系统事件的多态性和事件间的不确定逻辑关系，建立“华龙一号”CSS 可靠性评估模型。

1 “华龙一号”CSS 的功能及组成

1.1 CSS 的功能

CSS 的主要功能包括：

（1）在冷却剂丧失事故（LOCA）或安全壳内蒸汽管道破裂工况下，当安全壳内压力和温度升高到一定值时，将其降低至可接受的水平，以保证安全壳的完整性；

（2）在LOCA 工况下，降低安全壳内气载放射性水平。

此外，CSS 还具有如下辅助功能：

（1）在反应堆冷停堆期间，如果反应堆厂房发生火灾，CSS 可用于消防，防止火灾蔓延；

（2）在反应堆冷停堆期间，如果反应堆换料水箱的水温超过某一阈值时，CSS 也可用于冷却该水箱。

1.2 CSS 的组成

CSS 由两个相同且独立的A、B 系列组成，仅有一部分共用。每个系列主要包括：一台安喷泵（001PO/002PO）、一台化学添加剂喷射器（001EJ/002EJ）、一台热交换器（001RF/002RF）、各组阀门。共用部分包括：一台化学添加箱（001BA）、一台混合泵、内置换料水箱（IRWST）以及与其相连接的喷射器试验管线。

安喷泵的出口安全壳隔离是通过两台并联电动阀（007VB、009VB 或008VB、010VB）和一台止回阀（011VB/012VB）实现的，更大地提高了系统可靠性。每台安喷泵的试验管线上都装有两台串联的电动阀（131VB/132VB、133VB/134VB），为换料水箱和安喷泵之间提供了双重隔离。从换料水箱通往安喷泵的每条吸入管线上都设有一台起到隔离作用的电动阀（013VB/014VB）。每一台喷射器吸入管线上设有一台电动阀（CSS145VR/146VR）用于隔离化学添加箱和CSS，并利用气动阀125VR 控制注入CSS 的氢氧化钠的流量。

“华龙一号”CSS 结构简图如图1 所示。

2 系统故障树的建立

应用FMEA 方法，分析“华龙一号”CSS所有部件的失效模式、失效原因（包括CSS 部件失效和操作员失误）和部件失效模式对系统的失效影响。

应用FTA 方法，确定CSS 失效模式、失效原因和失效影响间的确定性逻辑关系，建立“华龙一号”CSS 故障树的步骤如下：

（1）将应用FMEA 方法分析得到的CSS 失效模式、失效原因和失效影响分别转换为CSS故障树的中间事件、底事件和顶事件；

（2）确定上述事件间的确定性逻辑关系，运用逻辑门符号对其进行表达；

（3）采用Edraw Max 软件构建“华龙一号”CSS 故障树，如图2 所示。

3 可靠性评估模型的建立

在已得到的“华龙一号”CSS 故障树的基础上，应用BN 方法建立CSS 可靠性评估模型的步骤如下：

（1）将CSS 故障树中的底事件、中间事件和顶事件分别转换为BN 模型中的根节点、中间节点和叶节点（对于“华龙一号”CSS 故障树中重复出现的事件，在BN 模型中只建立一个节点）。

（2）参考美国 NUREG/CR-6928 和法国EPS900&1300 数据源，并根据“华龙一号”机组设备可靠性数据，确定“华龙一号”CSS可靠性评估模型根节点的先验概率[13]，如表1所示。

（3）通过故障树向BN 模型的转换关系[14]，确定可靠性评估模型非根节点的条件概率表。

（4）通过修正条件概率表来表达系统事件的多态性和事件间的不确定性逻辑关系。经专家分析，可靠性评估模型节点F4/14 的状态呈现“正常”“失效”二态性是不合理的，应将“失效”状态细分为运行失效≤1 h（Failure 1）和运行失效＞1 h（Failure 2）。修正后的先验概率如表2 所示，A 列阀门、设备外漏（C3）和B列阀门、设备外漏（C4）修改后的条件概率如表3 所示。

表2 “华龙一号”CSS 可靠性评估模型节点F4/14 修正后的先验概率Table 2 The modified prior probability of nodes F4/14 in the reliability assessment model for the CSS of HPR1000

表3 修正后的C3 和C4 节点部分条件概率Table 3 Some corrected conditional probabilities of C3 and C4 nodes

（5）在步骤1 至4 的基础上，采用GeNIe软件建立“华龙一号”CSS 可靠性评估模型，如图3 所示。

图3 应用BN 方法建立的“华龙一号”CSS 可靠性评估模型Fig.3 The reliability assessment model for the CSS of HPR1000

（6）失效概率计算和敏感性分析[15]。根据步骤（5）所建立的可靠性评估模型，采用GeNIe软件和贝叶斯网络公式，进行“华龙一号”安全壳喷淋系统失效概率计算和敏感性分析。

4 分析与讨论

（1）失效概率的计算。利用BN 模型的正向推理功能，将根节点的先验概率和非根节点的条件概率输入GeNIe 软件中，对“华龙一号”CSS 可靠性进行评估。经计算，CSS 失效概率为1.787 × 10-5。这表明“华龙一号”CSS 失效概率低，可靠性高。

（2）敏感性分析。利用BN 模型的逆向推理功能，采用GeNIe 软件进行分析，当系统失效为yes 时，将叶节点A 设置为“Set Target”状态，得到了“华龙一号”CSS 敏感性分析结果，如图4 所示。

由图4 可知，颜色为黑色的根节点为CSS关键事件，即相对于其他节点，这些根节点对叶节点的影响程度更大。

为了定量地反映这些根节点对叶节点的影响程度，当系统失效为yes 时将叶节点定义为Sensitivity Tornado 状态，得到了“华龙一号”CSS 敏感性分析龙卷风图，如图5 所示。

由图4 和图5 可知，可靠性评估BN 模型中，根节点 D10/D11/D17/D15、D12/D18、D9/D16、D7/D8/D14/D13 对CSS 失效的影响程度最大。这表明，电动阀（131VB/133VB/134VB/132VB）外漏、手动阀（045VB/046VB）外漏，热交换器（001RF/002RF）外漏，止回阀（047VB/011VB/012VB/048VB）外漏为“华龙一号”CSS 关键事件。针对这些关键事件，福清核电提出了如下的针对性措施：开展在役检查和预防性检测及维修，及时更换有缺陷或性能降级的部件。

图4 “华龙一号”CSS 敏感性分析Fig.4 The sensitivity analysis of the CSS of HPR1000

图5 “华龙一号”CSS 敏感性分析龙卷风图Fig.5 The tornado chart of CSS sensitivity analysis of HPR1000

5 结论

本文提出了一个基于FMEA、FTA 和BN方法的“华龙一号”CSS 可靠性评估模型，得到了如下结论：

（1）该模型既具有FMEA 方法的系统性和前瞻性分析功能，又具有FTA 方法的逻辑关系分析功能，还具有BN 方法的双向推理功能，是迄今为止最先进的核电厂CSS 可靠性评估模型之一。

（2）该模型不仅能够评估CSS 可靠性（失效概率为1.787×10-5），还能够通过敏感性分析，识别CSS 的关键事件，明确了进一步提高其可靠性的方向。

（3）采用该模型对“华龙一号”CSS 进行可靠性评估，验证了其适用性。