馬旭升
(上海核工程研究設(shè)計(jì)院,上海 200233)
根據(jù)我國(guó)核安全法規(guī)的要求,核電廠在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須針對(duì)電廠安全運(yùn)行要求,制定一組運(yùn)行要求和限制,包括安全系統(tǒng)整定值[1]。同時(shí),在確定核電廠安全級(jí)儀控系統(tǒng)整定值過(guò)程中,應(yīng)考慮測(cè)量通道的不確定度[2-3]。核電廠重要儀表測(cè)量通道的不確定度計(jì)算是核電廠安全分析報(bào)告編制的重要工作內(nèi)容之一。
本文在對(duì)我國(guó)核安全法規(guī)、導(dǎo)則以及標(biāo)準(zhǔn)中與整定值確定相關(guān)要求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)出口巴基斯坦的恰西瑪核電廠重要儀表測(cè)量通道的不確定度計(jì)算經(jīng)驗(yàn),整理并總結(jié)出一套測(cè)量通道不確定度計(jì)算的方法。通過(guò)計(jì)算案例的演示以及與國(guó)外同類(lèi)計(jì)算方法比較,證明本文所述方法具有一定的借鑒意義。
本文總結(jié)的核電廠重要儀表測(cè)量通道不確定度計(jì)算方法的體系由3個(gè)層次構(gòu)成,依照從上到下的關(guān)系原則,分別是核安全法規(guī)和導(dǎo)則、整定值確定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和具體實(shí)施方法。這3個(gè)層次之間的關(guān)系如圖1所示。
關(guān)系圖中每一層所提出的要求都由直接對(duì)應(yīng)的下一層進(jìn)行解釋或分解為更具體的要求和實(shí)施方法。通過(guò)該自上而下的要求分解過(guò)程所得到的具體實(shí)施方法,可以較好地保證計(jì)算的結(jié)果,滿(mǎn)足法規(guī)和導(dǎo)則的要求,同時(shí)也較容易獲得核安全監(jiān)管局的認(rèn)可。
為保證儀表測(cè)量不確定度計(jì)算結(jié)果能夠順利獲得核安全局的認(rèn)可,必須保證計(jì)算所使用的方法能夠滿(mǎn)足法規(guī)和導(dǎo)則的要求。由于法規(guī)和導(dǎo)則的原則要求需要整理出符合原則要求的標(biāo)準(zhǔn),其很難在具體的整定值確定和測(cè)量不確定度計(jì)算中直接應(yīng)用,因此在制定方法前,開(kāi)展法規(guī)導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn)分析必不可少。
我國(guó)的核安全法規(guī)和導(dǎo)則總體上可以看作是一個(gè)自上而下的需求體系。在這個(gè)體系中,HAF 102是一個(gè)頂層的設(shè)計(jì)要求[1]。在這個(gè)頂層設(shè)計(jì)要求中,通過(guò)各種設(shè)計(jì)方法,保證核電廠安全功能在各種預(yù)計(jì)運(yùn)行工況和事故工況下正常發(fā)揮功能是其核心要求。核安全導(dǎo)則對(duì)法規(guī)的內(nèi)容解釋?zhuān)尚纬筛敿?xì)的條款和要求用于更有效的指導(dǎo)設(shè)計(jì)[1]。與整定值確定和儀表測(cè)量不確定度相關(guān)的法規(guī)導(dǎo)則之間的關(guān)系如圖2所示。
圖2 法規(guī)和導(dǎo)則關(guān)系Fig.2 Relationship between HAF and HAD
在HAF 102中,與整定值確定相關(guān)的主要內(nèi)容包括:設(shè)計(jì)過(guò)程中必須針對(duì)核動(dòng)力廠安全運(yùn)行的要求,制定一組運(yùn)行要求和限制,包括安全系統(tǒng)整定值;必須設(shè)置適當(dāng)?shù)目刂剖侄危瑢⑸鲜鲎兞勘3衷谝?guī)定的運(yùn)行范圍內(nèi)。這些要求是確定整定值和開(kāi)展儀表測(cè)量通道不確定度計(jì)算在法規(guī)層面的最高要求[1]。
HAD 102和HAD 103等核安全導(dǎo)則對(duì)HAF 102的最高要求作了進(jìn)一步分解[2-6],在 HAD 102/14 的3.1.2節(jié)中可以看到這一分解的相關(guān)內(nèi)容[3]。按照HAD 102的要求,儀表和控制系統(tǒng)的性能要求必須根據(jù)核電廠的安全要求和安全分析加以規(guī)定。對(duì)于每一假設(shè)始發(fā)事件和(或)有關(guān)的運(yùn)行工況,不僅需要確定所需儀表和控制系統(tǒng)的動(dòng)作,而且還需要確定所測(cè)變量的量程、精確度、響應(yīng)時(shí)間和輸出信號(hào)電平等性能要求。在安全有關(guān)儀表和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,必需考慮動(dòng)力源特性的瞬態(tài)偏差和正常偏差(如電壓波動(dòng)、頻率偏差)、儀表壓縮空氣的氣壓偏差等對(duì)其的影響[4-5]。
HAD 102要求可以從以下4個(gè)方面加以理解。
①核電廠安全要求和安全分析是核電廠控制系統(tǒng)性能依據(jù)。
②對(duì)于每一假設(shè)始發(fā)事件和(或)有關(guān)的運(yùn)行工況,必須確定所需儀表和控制系統(tǒng)的動(dòng)作(即確定控制系統(tǒng)整定值)。
③安全分析的每個(gè)工況所要求的控制動(dòng)作必須考慮其量程、精確度、響應(yīng)時(shí)間以及輸出信號(hào)電平等性能要求。
④必須考慮控制動(dòng)作時(shí)電廠環(huán)境波動(dòng)對(duì)儀表控制系統(tǒng)造成的影響。
除了HAD 102對(duì)核電廠安全有關(guān)儀表和控制系統(tǒng)作出的上述要求外[4-5],在其他的一些核安全導(dǎo)則中也有類(lèi)似要求,但都沒(méi)有超出HAD 102的范圍。
通過(guò)法規(guī)和導(dǎo)則分析,可以得到上文所述的4方面要求。我國(guó)制定的標(biāo)準(zhǔn)EJ/T 799-2006規(guī)范了確定整定值所需的上述4項(xiàng)內(nèi)容[7]。在EJ/T 799中,安全系統(tǒng)整定值與其他限值的關(guān)系如圖3所示。
圖3 安全系統(tǒng)整定值與其他限值之間的關(guān)系Fig.3 Relationship among safety system tuning values and other limits
圖3中,A為EJ 799中4.4.1節(jié)規(guī)定的允許范圍;B為EJ 799中4.4.4節(jié)規(guī)定的允許范圍;C為儀表通道可能不工作的區(qū)域;D為核電廠的運(yùn)行裕度;E為EJ 799中4.4.1節(jié)規(guī)定的校準(zhǔn)允許誤差(按運(yùn)行裕度是可接受的);F為EJ 799規(guī)定的安全裕度。
EJ/T 799[7]中的安全分析及假設(shè)事件下的整定值確定主要屬于安全分析和工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的范疇,且這兩個(gè)領(lǐng)域都具有成熟的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系,在EJ/T 799中沒(méi)有進(jìn)一步展開(kāi)論述。EJ/T 799重點(diǎn)定義了儀表測(cè)量不確定度的計(jì)算要素和計(jì)算方法,但僅依靠EJ/T 799中的定義,仍較難開(kāi)展實(shí)際不確定度計(jì)算。如EJ/T 799的4.4.1.6節(jié)中并沒(méi)有具體計(jì)算操作說(shuō)明,而只給出過(guò)程影響定義。
與EJ 799相比,國(guó)際上另一個(gè)較為通用的整定值確定標(biāo)準(zhǔn) ISA 67.04.01有其對(duì)應(yīng)的實(shí)施方法標(biāo)準(zhǔn)ISA 67.04.02[2,8]。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì) ISA 67.04.01 中的一些條款作了更進(jìn)一步的解釋?zhuān)⒔o出了一些具體實(shí)施方法。標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系如圖4所示。由圖4可以看出,EJ/T 799和ISA 67.04.01在整定值確定和儀表測(cè)量通道不確定度計(jì)算在技術(shù)上等效[6]。這為ISA 67.04.02應(yīng)用于計(jì)算儀表測(cè)量通道不確定度計(jì)算和確定整定值提供了依據(jù)[2,7-10]。
圖4 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系圖Fig.4 Relationship of standards
ISA 67.04.02較為詳細(xì)地介紹了儀表測(cè)量不確定度計(jì)算和計(jì)算結(jié)果參與整定值確定的細(xì)則,它能更有效地提供實(shí)際操作指導(dǎo)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)中的細(xì)則,在此將不展開(kāi)論述,下面主要介紹在實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)使用中的一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。經(jīng)驗(yàn)總結(jié)分為不確定度計(jì)算的通道類(lèi)型、國(guó)產(chǎn)儀表不確定度項(xiàng)的區(qū)分、環(huán)境條件的區(qū)分和整定值的確定4個(gè)方面。
核電廠重要儀表測(cè)量按通道不確定度的計(jì)算范圍劃分,一般分為核電廠安全分析報(bào)告中停堆、保護(hù)和專(zhuān)設(shè)的儀表測(cè)量通道。作為計(jì)算對(duì)象的測(cè)量通道,一般可以歸納為壓力、溫度、流量、液位測(cè)量通道等幾種類(lèi)型。
典型儀表測(cè)量通道由于測(cè)量原理相似,構(gòu)成測(cè)量通道的不確定度項(xiàng)也比較相似。一些一次測(cè)量元件本身就有很具體的不確定度計(jì)算方法指導(dǎo),如流量孔板等[11-12]。按照上述4種主要類(lèi)型,可以進(jìn)一步將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的典型測(cè)量通道模型按照壓力、溫度、流量和液位等類(lèi)型設(shè)計(jì)各自的測(cè)量通道模型[8]。在ISA 67.04.02中,給出了一種通用的儀表通道及不確定度項(xiàng)來(lái)源模型。在實(shí)際開(kāi)展儀表測(cè)量通道不確定度計(jì)算前,如按照類(lèi)別分別制定典型儀表測(cè)量通道模型,將有利于計(jì)算項(xiàng)目的實(shí)施。
典型儀表測(cè)量通道分布模型如圖5所示。
圖5 典型儀表測(cè)量通道分布圖Fig.5 Typical layout of the instrument measurement channels
自“十一五”以來(lái),我國(guó)核電的蓬勃發(fā)展為電力設(shè)備供應(yīng)商提供了廣闊的市場(chǎng),相當(dāng)多的核電儀控設(shè)備供貨商都逐步具備了核電設(shè)備的供貨能力,為降低我國(guó)核電成本和提高核電的國(guó)產(chǎn)化率奠定了基礎(chǔ)。一些重要儀表測(cè)量通道的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備雖然已經(jīng)具備供貨能力,但有時(shí)供貨商提供的一些不確定度技術(shù)參數(shù)并不能直觀地符合標(biāo)準(zhǔn)的不確定度項(xiàng)定義。
以國(guó)內(nèi)電廠較為通用的某型壓力變送器為例。按照ISA 67.04.02標(biāo)準(zhǔn)的要求,變送器需要考慮的不確定度主要包括參考精度、壓力影響、溫度影響和漂移等。而變送器供貨商實(shí)際能夠提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)是參考精度、壓力影響、溫度影響、穩(wěn)定性和靜壓影響。一旦發(fā)生這類(lèi)情況,就需要與供貨商進(jìn)行交流,進(jìn)一步獲得供貨商的支持性資料。設(shè)計(jì)人員應(yīng)在這些資料的基礎(chǔ)上,按照不確定度區(qū)分模型對(duì)供貨商數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度項(xiàng)分類(lèi)[8]。不確定度模型如圖6所示。
圖6 不確定度模型Fig.6 Model of uncertainty
儀表測(cè)量通道所在環(huán)境條件的區(qū)分是開(kāi)展儀表測(cè)量不確定度計(jì)算過(guò)程的一個(gè)重要方面。環(huán)境條件的區(qū)分不但要考慮儀控設(shè)備所在區(qū)域,還要考慮整定值對(duì)應(yīng)的電廠工況。同時(shí),按照不同電廠區(qū)域與各種電廠工況的組合確定儀控設(shè)備的不確定度項(xiàng)。ISA 67.04.02標(biāo)準(zhǔn)將區(qū)域、電廠工況、儀控設(shè)備之間的關(guān)系用模型圖的形式進(jìn)行了定義。在開(kāi)展整定值確定和不確定度計(jì)算前,應(yīng)根據(jù)電廠區(qū)域和可能引起環(huán)境條件變化的假設(shè)事件,確定典型儀表測(cè)量通道在不同環(huán)境條件下的具體形式。在一些計(jì)算中,由于較難獲得某整定值觸發(fā)時(shí)的準(zhǔn)確環(huán)境條件和設(shè)備數(shù)據(jù),建議在確保安全分析允差有足夠裕量的前提下,對(duì)不確定度進(jìn)行保守放大。
依照ISA 67.04.02,整定值和儀表測(cè)量通道的不確定度可表達(dá)為:
式中:TS為停堆整定值;AL為分析限值;CU為通道不確定度;裕量為一個(gè)可選量,在需要的情況下可進(jìn)一步使停堆整定值更加保守。
在整定值的確定過(guò)程中,裕量的選擇應(yīng)符合特定電廠的需要,以保證有足夠的安全裕度且不過(guò)分保守。核算的結(jié)果可能證明原有電廠整定值合適,也可能導(dǎo)致原有整定值的修改。在此,需要盡量避免第二種可能性,以確保電廠的原有安全基準(zhǔn)受到盡量少的影響。當(dāng)這一可能性發(fā)生時(shí),需嚴(yán)格考察通道不確定度計(jì)算和整定值確定方法可能造成的過(guò)分保守。
根據(jù)HAF 102和HAD 102/14的要求,儀表測(cè)量通道的計(jì)算過(guò)程和結(jié)果需要用文件或表格形式記錄保存。在ISA 67.04.02標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)計(jì)算書(shū)的格式作了大致的定義。
目前,國(guó)內(nèi)外各設(shè)計(jì)單位的計(jì)算書(shū)格式實(shí)際上還須滿(mǎn)足所服務(wù)的項(xiàng)目和質(zhì)保要求,因此標(biāo)準(zhǔn)推薦的文件格式僅具有參考意義。本章以某核電項(xiàng)目中使用的壓力停堆計(jì)算書(shū)為例,介紹了一種工程實(shí)際中使用的儀表測(cè)量通道計(jì)算書(shū)模板。為了演示計(jì)算過(guò)程,下面計(jì)算范例中提及的電廠名、文件和數(shù)據(jù)都作了適當(dāng)?shù)奶鎿Q。
本節(jié)的目的是計(jì)算某核電機(jī)組技術(shù)規(guī)格書(shū)中確定的整定值在特定環(huán)境條件下的不確定度。
本實(shí)例是對(duì)該核電機(jī)組中用于蒸汽管道隔離邏輯的安全殼壓力高整定值開(kāi)展的相關(guān)計(jì)算。由于該核電機(jī)組部分邏輯相關(guān)的設(shè)備供貨商與其參考核電機(jī)組不同,所以有必要進(jìn)行不確定度計(jì)算,以證明儀表測(cè)量通道不確定度與該核電機(jī)組的最終安全分析報(bào)告中內(nèi)容一致。
計(jì)算中使用的假設(shè)包括:測(cè)量通道中使用的模塊沒(méi)有偏差或相關(guān)不確定度項(xiàng);電廠校準(zhǔn)不確定度項(xiàng)(M&TE)的不確定度為量程的±0.5%;為保證計(jì)算結(jié)果的一致性,最終的計(jì)算結(jié)果都只保留一位小數(shù)。整個(gè)通道不確定度的裕量為1 kPa;環(huán)境溫度變化對(duì)壓力變送器的影響為±1.0%F·S。
安全殼壓力的監(jiān)測(cè)功能使用冗余的壓力變送器實(shí)現(xiàn)。整個(gè)測(cè)量通道模塊包含2個(gè)壓力變送器、2個(gè)通道信號(hào)隔離部件和2個(gè)通道觸發(fā)器,其配置如表1所示。所有設(shè)備都位于安全殼外部。
表1 安全殼壓力測(cè)量通道配置表Tab.1 Configuration of the containment pressure measurement channel
安全殼壓力測(cè)量通道結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。
圖7 安全殼壓力測(cè)量通道結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of the containment pressure measurement channel
圖7中,①、②、③、④分別對(duì)應(yīng)的不確定項(xiàng)為過(guò)程測(cè)量影響、設(shè)備不確定度、校準(zhǔn)不確定度和其他不確定度[8]。
整個(gè)通道不確定度計(jì)算公式如下。
式中:從模塊1~模塊n任何一點(diǎn)的CU值都可以計(jì)算;PM為通道的過(guò)程測(cè)量不確定度;en為模塊的總隨機(jī)不確定度,由模塊e1~en組成,包括全部無(wú)法分類(lèi)為隨機(jī)不確定度項(xiàng)(包括正偏差以及任意分布不確定度項(xiàng))的PM、PE或者模塊;為通道的總正偏差量為通道的總負(fù)偏差量。
每個(gè)模塊的隨機(jī)不確定度項(xiàng)是其本身不確定度的統(tǒng)計(jì)組合。模塊不確定度的確定隨著模塊的類(lèi)型、安裝位置、影響精度等因素的變化而變化。
模塊的不確定度計(jì)算公式為:
式中:e為模塊不確定度;RA為模塊參考精度;DR為一段時(shí)間內(nèi)模塊的漂移;TE為模塊的環(huán)境溫度影響;RE為輻照對(duì)模塊精度的影響,RE可以為運(yùn)行狀態(tài)的RE,也可以為故障狀態(tài)下的RE;SE為地震或者振動(dòng)對(duì)模塊精度的影響;HE為濕度對(duì)模塊精度的影響;SP為模塊的靜壓影響、系統(tǒng)靜壓對(duì)模塊的影響;MTE為維護(hù)及定期校準(zhǔn)設(shè)備對(duì)模塊的影響;B為模塊偏差。
對(duì)以上各不確定項(xiàng)進(jìn)行判斷,PM、PE、SP均不適用。
MTE項(xiàng)主要是以回路整體考慮,而不是針對(duì)其中一個(gè)模塊。其他不確定度項(xiàng),如絕緣電阻因素等不考慮。變送器的電纜敷在安全殼外面,不暴露在嚴(yán)酷環(huán)境中。因此,可將通道不確定度計(jì)算式(2)和式(3)轉(zhuǎn)換為:
以下涉及壓力變送器(PT-01A)以及相關(guān)項(xiàng)的下標(biāo)用 1表示,如 e1、RA1。RA1= ±1% 量程、DR1=±0.1%上限;HE1=±5%上限,該值是包含事故后工況下所有影響的一個(gè)保守值。計(jì)算中用到的壓力變送器都安裝在安全殼外,所以在儀表測(cè)量不確定度運(yùn)行時(shí)不會(huì)受到安全殼內(nèi)環(huán)境的影響,±5%包含了所有由于安全殼內(nèi)高能管道破裂對(duì)輔助廠房中的壓力變送器的影響。
在本計(jì)算實(shí)例中,TE1、RE1、SE1和 HE1統(tǒng)一記為EE1。在供貨方提供的抽樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,能夠保證該值取±5%隨機(jī)性。
除了式(4)和式(5)中涉及的不確定項(xiàng)外,變送器還受到回路電源變化的影響。因此,增加PS1項(xiàng)。PS1=±0.01%量程每伏,最大的電壓變化
由此可得:
參考電廠相關(guān)數(shù)據(jù),可得量程范圍為0~75 kPa,變送器量程上限=100 kPa,則:
以下涉及信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊(JS-01A)以及相關(guān)項(xiàng)的下標(biāo)用 2 表示,如 e2、RA2。
RA2= ±0.25% 量程、DR2= ±0.25%量程、TE2=±0.02%量程每100℃、溫度變化 =50℃;RE2、SE2和HE2表示不適用(參考本模塊安裝位置)。
除式(4)和式(5)所涉及的不確定項(xiàng)外,本模塊同樣受到回路電源變化的影響,因此,引入PS2。PS2=±0.01%量程每伏,最大的電壓變化=±2 V。
通過(guò)計(jì)算,就可以確定該儀表測(cè)量通道的不確定度,并在其后的整定值確定過(guò)程中依據(jù)分析限值A(chǔ)L=25 kPa。通過(guò)整定值核算得出的停堆整定值為18.7 kPa,大于實(shí)際電廠安全分析所給的停堆整定值18.5 kPa。由此可以證明原停堆觸發(fā)整定值能夠保證電廠安全,并且還有0.2 kPa的裕量。
對(duì)某國(guó)外核電設(shè)計(jì)公司的同類(lèi)儀表測(cè)量通道計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,具體是將相關(guān)數(shù)據(jù)代入計(jì)算,得到以下結(jié)果:
整定值確定過(guò)程中,依據(jù)分析限值A(chǔ)L=25 kPa,使用與我方相同的整定值核算方法得出的停堆整定值為17.8 kPa。該值小于實(shí)際電廠安全分析所給的停堆整定值18.5 kPa,這會(huì)使電廠安全分析基準(zhǔn)受到影響,從而造成安全分析的推倒重來(lái)。
利用本文總結(jié)的方法,可以將儀表測(cè)量不確定度的計(jì)算納入規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系中,使計(jì)算結(jié)果具有更好的通用性,能夠更好地避免疏漏,同時(shí)也更加符合標(biāo)準(zhǔn)要求且易于為審查部門(mén)認(rèn)可。與某國(guó)外公司的方法相比,本方法在滿(mǎn)足我國(guó)法規(guī)和國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)的前提下,保守值更小,能夠更好地支持某型核電廠的原有安全分析結(jié)果[13-17]。
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