黃衛(wèi)剛，楊志超，戴忠華，陳軍琦

（1.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518124；2.中科華核電技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳 518026）

0 概述

水淹廠房是電力行業(yè)重要風(fēng)險(xiǎn)之一，不僅會(huì)發(fā)生在壓水堆核電廠，也同樣存在于水力發(fā)電廠，這是由于它們發(fā)電過程中使用了相同的工作介質(zhì)——水。2009年8月17日在薩楊－舒申斯克水電廠發(fā)生的水淹廠房，導(dǎo)致變壓器發(fā)生爆炸，水電廠墻體損毀，機(jī)房進(jìn)水，并造成75個(gè)工作人員傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失超過40億美元。由此可見，水淹廠房事故在水電站中危害性非常大。

本文就核電廠水淹廠房的概率風(fēng)險(xiǎn)分析的方法進(jìn)行了介紹，并希望將此方法推廣到水力發(fā)電領(lǐng)域。該方法的優(yōu)勢(shì)在于，能夠通過建立水淹風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)學(xué)模型，定量計(jì)算發(fā)電廠可能存在的水淹風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)價(jià)該風(fēng)險(xiǎn)與經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系，找到發(fā)電廠導(dǎo)致水淹的關(guān)鍵敏感設(shè)備，以及發(fā)電廠設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，便于電廠減少水淹災(zāi)害，尋求最經(jīng)濟(jì)合理的改進(jìn)方案。

壓水堆核電廠內(nèi)部水淹風(fēng)險(xiǎn)分析是我國核安全法規(guī)對(duì) “核電廠概率風(fēng)險(xiǎn)分析（PSA，Probabilistic Risk Analysis）”的最新要求，其目的是鼓勵(lì)核電廠應(yīng)用概率風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)來提高核電廠運(yùn)營管理水平與核安全水平。研發(fā)與建立的廠房水淹風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型和程序，可以快捷、便利地分析電廠每一個(gè)水淹區(qū)域的水淹漫延情況，該方法可以推廣應(yīng)用到其他核電廠或水力發(fā)電等相關(guān)領(lǐng)域。

1 內(nèi)部水淹概率安全評(píng)價(jià)方法

壓水堆核電廠內(nèi)部水淹風(fēng)險(xiǎn)分析的目的是要確定可能導(dǎo)致電廠內(nèi)部水淹風(fēng)險(xiǎn)重要事件序列，所有潛在的重要水淹源。這包括水淹引發(fā)的事件序列的表征，電廠水淹始發(fā)事件頻率的評(píng)估以及影響的評(píng)價(jià)，發(fā)電廠廠房水淹漫延路徑，電廠特定的空間相關(guān)性，各種管道或者其他非能動(dòng)部件的壓力邊界失效，還有系統(tǒng)或運(yùn)行設(shè)備的人誤啟動(dòng)或誤動(dòng)作等。

壓水堆核電廠內(nèi)部水淹風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)需要考慮電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備狀態(tài)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，以及人員的可靠性狀態(tài)，包括運(yùn)行人員培訓(xùn)，電廠操作規(guī)程等。

2 研究范圍

壓水堆核電廠 “內(nèi)部水淹”是指在電廠建筑物內(nèi)發(fā)生的無意的或者意外的工藝介質(zhì)的釋放和積聚。內(nèi)部水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析只考慮冷/熱生水、廢水、硼水、飲用水、冷凝水和蒸汽閃變成熱水的釋放和泄漏。內(nèi)部水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析不包括以下事件類型：①壓水堆核電廠安全殼噴淋系統(tǒng)的誤動(dòng)作或者安全殼內(nèi)任何壓力邊界失效；②壓水堆核電廠任何壓力邊界失效或者無意的設(shè)備動(dòng)作導(dǎo)致潤滑油或電液控制流體的泄漏；③電廠雨水和在電廠廠區(qū)外很遠(yuǎn)的水庫引起的廠房積水。

3 水淹類型

壓水堆核電廠內(nèi)部水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析要考慮不同類型的非能動(dòng)部件的壓力邊界失效，要考慮的類型主要包括噴淋、局部水淹和重大水淹。

（1）噴淋。這里定義的噴淋是指在廠房內(nèi)地面沒有積水的噴淋事件。其基本假設(shè)為，從壓力邊界穿破管壁的裂縫產(chǎn)生的泄漏量在地表排水系統(tǒng)的緩解能力范圍之內(nèi)。

（2）局部水淹。局部水淹事件特點(diǎn)是伴隨大的穿破流量的壓力邊界故障，并且廠房內(nèi)地表有積水。局部水淹泄漏量的下限就是噴淋的泄漏量上限，局部水淹泄漏量的上限通常是安全相關(guān)構(gòu)筑物的水淹設(shè)計(jì)基準(zhǔn)泄漏量。

（3）重大水淹。重大水淹事件特點(diǎn)是壓力邊界結(jié)構(gòu)故障，導(dǎo)致產(chǎn)生超出水淹設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的泄漏量。

4 主要步驟和任務(wù)

壓水堆核電廠內(nèi)部水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析分為3個(gè)主要分析階段和11個(gè)任務(wù)，如圖1所示。

5 各主要任務(wù)的技術(shù)內(nèi)容

確定壓水堆核電廠水淹區(qū)域、水淹區(qū)域定性篩選、水淹始發(fā)事件分析和水淹后果分析是建立數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵步驟。

5.1 確定水淹區(qū)域

圖1 核電廠水淹風(fēng)險(xiǎn)分析主要步驟和任務(wù)

以電廠巡訪確定的水淹區(qū)域?yàn)榉治龅幕締卧瑸榱藢?duì)所有易受水淹影響的區(qū)域進(jìn)行更詳細(xì)的分析，內(nèi)部水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析以確定的水淹區(qū)域?yàn)槠瘘c(diǎn)，經(jīng)過定性篩選，對(duì)篩選后的區(qū)域進(jìn)行定量分析，評(píng)估各區(qū)域發(fā)生水淹事件對(duì)電廠運(yùn)行帶來的災(zāi)害。利用巡訪得到的電廠信息確定水淹區(qū)域，是內(nèi)部水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析首要工作。確定水淹區(qū)域的重要性可以評(píng)估水淹對(duì)機(jī)組安全的威脅。利用現(xiàn)有的電廠信息確定水淹區(qū)域，是內(nèi)部水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析必須首先完成的一項(xiàng)工作。從以下3個(gè)方面考慮：第一，便于確定水淹對(duì)重要的設(shè)備有影響的區(qū)域；第二，便于確定需要考慮的水淹源和水淹成因；第三，為了描述需要分析的各種水淹漫延路徑，需要確定水淹區(qū)域。

5.1.1 確定水淹區(qū)域的原則

水淹區(qū)域的確定可以借鑒國外壓水堆核電廠比較成熟的水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并考慮到今后電廠分析結(jié)果應(yīng)用方面的需求，在確定水淹區(qū)域時(shí)采用如下原則對(duì)廠房或房間進(jìn)行劃分：

（1）電廠實(shí)體隔離的廠房或房間作為單獨(dú)的水淹區(qū)域（房間之間正常位置處于 “關(guān)閉”的門屬于實(shí)體隔離邊界），無實(shí)體隔離邊界的阻隔，可以直接相互漫延的相鄰房間合并成一個(gè)水淹區(qū)域。

（2）電廠廠房外無設(shè)備的走道或空曠區(qū)域不作為水淹區(qū)域。

5.1.2 確定水淹區(qū)域的方法

壓水堆核電廠水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析的開發(fā)中，確定水淹區(qū)域采用的分析過程為：先確定初步的水淹區(qū)域清單，然后通過后續(xù)的電廠巡訪工作不斷修正、完善初步的水淹區(qū)域清單，得出最終的水淹區(qū)域清單。分析過程如圖2所示。

5.2 水淹區(qū)域定性篩選

圖2 確定水淹區(qū)域的分析過程

核電廠初步確定的水淹區(qū)域數(shù)量很多，大亞灣核電廠1個(gè)機(jī)組就達(dá)到887個(gè)。為了減少后續(xù)定量評(píng)估的工作量，有必要將風(fēng)險(xiǎn)不重要的水淹區(qū)域排除，可采用2個(gè)原則：

（1）水淹區(qū)域內(nèi)沒有水淹源。

（2）如果在重要設(shè)備即將淹沒時(shí)不會(huì)引起始發(fā)事件或無需電廠立即停堆，并滿足如下任一條件，則可在進(jìn)一步評(píng)估的范圍中篩選掉這些水淹區(qū)域：①水淹區(qū)域內(nèi)（包括水源能夠漫延到的相鄰區(qū)域內(nèi)）沒有重要的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件；②水淹區(qū)域內(nèi)沒有足以（如通過噴濺、淹沒或其他可用的機(jī)理）引起重要的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件故障的水源；③水淹區(qū)域內(nèi)的水淹緩解系統(tǒng)（如排水溝或地坑泵）能夠防止不可接受的水淹深度，同時(shí)水淹（如通過噴濺、淹沒或其他適用的故障機(jī)理）不會(huì)引起重要的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件故障。

按照以上篩選準(zhǔn)則，大亞灣核電廠和嶺澳核電廠1個(gè)機(jī)組的水淹區(qū)域就從初始的800、900個(gè)分別減少為62個(gè)和63個(gè)，大大減少了后續(xù)分析的工作量。

5.3 水淹始發(fā)事件分析

水淹始發(fā)事件分析的主要工作就是確定水淹區(qū)域的水淹始發(fā)事件頻率。在內(nèi)部水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析中，通常考慮兩種水淹始發(fā)事件。一種是硬件失效引起的水淹，另一種是人因引起的水淹。

在大亞灣、嶺澳核電廠水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析中，對(duì)重要核設(shè)施失效引起的水淹頻率計(jì)算采用國外核電廠通用數(shù)據(jù)作為先驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)得到的大亞灣、嶺澳核電廠水淹事件和相應(yīng)的系統(tǒng)管道長度進(jìn)行貝葉斯處理，從而得到的適合本地環(huán)境特點(diǎn)的后驗(yàn)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以作為本次水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析相關(guān)的系統(tǒng)、設(shè)備管徑范圍的水淹頻率。最后需要結(jié)合電廠巡訪統(tǒng)計(jì)得到的管道長度和管徑數(shù)據(jù)計(jì)算得到各水淹區(qū)域里的噴淋、局部水淹和重大水淹頻率。

對(duì)于人因引起的水淹始發(fā)事件頻率計(jì)算，采用經(jīng)典估計(jì)和加權(quán)分配的方法。具體思路為：從電廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和事件單中統(tǒng)計(jì)得到人因引起的水淹次數(shù)，采用經(jīng)典估計(jì)得到人因引起水淹的始發(fā)事件頻率。

通過核電廠的廠區(qū)環(huán)境和設(shè)備分析篩選，可以確定出具體的水淹源，并且篩選出有人因操作的區(qū)域清單。，對(duì)這些水淹區(qū)域合理分配各類水淹風(fēng)險(xiǎn)頻率，按照電廠水淹區(qū)域內(nèi)水（或油）相關(guān)的設(shè)備數(shù)量多少為每個(gè)區(qū)域賦予權(quán)重因子。最后將經(jīng)典估計(jì)得到的人因引起水淹的始發(fā)事件頻率加權(quán)分配到這些區(qū)域中，從而得到每一個(gè)有水淹源的區(qū)域的人因引起的水淹頻率。

5.4 水淹后果分析

電廠水淹后果分析是內(nèi)部水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析中工作量比較繁重的一項(xiàng)任務(wù)，需要大量的電廠特定信息和支持性計(jì)算。水淹后果分析主要包括：確定電廠水淹漫延和緩解信息、評(píng)估水淹對(duì)電廠重要設(shè)備的影響、確定水淹導(dǎo)致的各類始發(fā)事件（例如：全廠斷電）。

5.4.1 確定水淹漫延和緩解信息

電廠水淹發(fā)生后，水可能從某個(gè)區(qū)域漫延到相鄰區(qū)域，也可能通過電廠緩解設(shè)施將水成功排出去。為了完整地分析水淹的風(fēng)險(xiǎn)，需要確定電廠水淹漫延和緩解信息。

確定電廠水淹漫延信息的方法是：通過電廠布置圖分析進(jìn)行初步評(píng)估，通過電廠巡訪來確認(rèn)信息是否正確，并確定哪些信息對(duì)水淹是至關(guān)重要的。一般來說，漫延路徑在布置圖上不明顯，但在巡訪時(shí)卻通?？梢宰R(shí)別出來。

在電廠巡訪時(shí)，還需要收集水淹緩解信息。對(duì)每一水淹區(qū)域和每一水淹源確定能夠終止或限制水淹漫延的電廠設(shè)計(jì)特征。這些緩解信息包括：①電廠水淹報(bào)警；②電廠水淹防護(hù)堤、防水坎、地坑；③各區(qū)域排水溝；④水淹區(qū)域地坑泵、防噴濺屏障、水密門；⑤可以自動(dòng)或手動(dòng)操作的擋板。

5.4.2 評(píng)估水淹對(duì)設(shè)備的影響

對(duì)核電廠而言，有許多可導(dǎo)致設(shè)備失效的水淹效應(yīng)，包括：浸沒、噴濺、噴射沖擊、甩管、潮濕、冷凝、溫度相關(guān)因素。在這些水淹效應(yīng)中，浸沒和噴濺是需要重點(diǎn)分析的，對(duì)于其他未進(jìn)行正式分析的水淹效應(yīng)，采用保守的假設(shè)進(jìn)行定性評(píng)估。

（1）部件浸沒。假定部件浸沒將導(dǎo)致電廠電氣設(shè)備失效。當(dāng)設(shè)備最底下部分（例如底座之上）被浸沒時(shí)，通常認(rèn)為該設(shè)備會(huì)失效。除非有詳細(xì)的評(píng)估證明，即使部分浸沒該部件仍然可用。為了證明區(qū)域發(fā)生水淹后，不會(huì)淹到電氣設(shè)備，需要進(jìn)行大量的水淹高度計(jì)算。

（2）噴濺。水淹源的位置可能使噴濺比實(shí)際的水淹更重要。剛剛位于水淹水位以上的部件在實(shí)際的浸沒之前可能因噴濺而失效。假設(shè)水噴濺將導(dǎo)致電氣設(shè)備（如開關(guān)）失效，除非受到安裝適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)罩的保護(hù)。為了確定水噴濺是否會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備失效，需要收集電氣設(shè)備的外殼防護(hù)信息。

對(duì)于噴淋、局部水淹和重大水淹3種水淹方式，需要分別確認(rèn)是否會(huì)噴濺到重要的電氣設(shè)備上。5.4.3 確定水淹導(dǎo)致的始發(fā)事件

確定水淹導(dǎo)致的始發(fā)事件主要從3個(gè)方面來考慮：①水淹是否會(huì)導(dǎo)致電廠汽機(jī)跳閘或反應(yīng)堆緊急停堆？②水淹是否會(huì)導(dǎo)致技術(shù)規(guī)范中的安全相關(guān)設(shè)備不可用？③水淹是否會(huì)直接導(dǎo)致內(nèi)部事件一級(jí)概率風(fēng)險(xiǎn)分析中所分析的始發(fā)事件？

通過分析水淹導(dǎo)致的始發(fā)事件，可以在水淹始發(fā)事件和內(nèi)部事件一級(jí)概率風(fēng)險(xiǎn)分析模型中建立一座橋梁，這樣就可以很容易計(jì)算得出內(nèi)部水淹風(fēng)險(xiǎn)。

6 分析及思考

從內(nèi)部水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析的重要度排序和支配性最小割集，通過分析總結(jié)如下：

（1）水淹導(dǎo)致電廠直流電喪失和水淹導(dǎo)致熱阱喪失是重要的風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)。

（2）噴濺和浸沒這兩種主要的水淹效應(yīng)中，浸沒的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)。

（3）某一區(qū)域發(fā)生水淹，不但導(dǎo)致本區(qū)域重要設(shè)備不可用，還會(huì)因漫延而影響相鄰區(qū)域重要設(shè)備的可用性，這種情形的風(fēng)險(xiǎn)往往較高。

（4）相對(duì)于硬件失效引起的水淹，人員引起的水淹風(fēng)險(xiǎn)占主導(dǎo)。因此，電廠應(yīng)加強(qiáng)工作過程中的跑水風(fēng)險(xiǎn)控制。

7 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的水淹廠房的概率風(fēng)險(xiǎn)分析的方法和技術(shù)符合目前國際通行的概率風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；在數(shù)學(xué)計(jì)算模型建立時(shí)研發(fā)人員深入現(xiàn)場做巡訪和勘查，模型符合電廠的實(shí)際運(yùn)行工況，風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果合理，反復(fù)校驗(yàn)認(rèn)為可以用于大亞灣/嶺澳核電廠的風(fēng)險(xiǎn)管理，并且希望能將此方法借鑒引入水力發(fā)電領(lǐng)域。

專家評(píng)審認(rèn)為：對(duì)于國內(nèi)同類型新建核電廠，水淹廠房的概率風(fēng)險(xiǎn)分析模型能夠?qū)穗姀S的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，從而對(duì)設(shè)計(jì)提出更有針對(duì)性的改進(jìn)措施。對(duì)于在役核電廠來說，水淹概率風(fēng)險(xiǎn)分析還可以在強(qiáng)化安全決策、有效使用資源、減輕核電廠負(fù)擔(dān)等方面發(fā)揮巨大的作用，從而提高核電廠的安全水平和經(jīng)濟(jì)效益。