船舶核動(dòng)力裝置二回路故障分析及安全性研究

徐立，鄧儒超，徐楚，張笛，方軍庭

(1.武漢理工大學(xué)高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430063;2.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430063;3.武漢理工大學(xué)水路公路交通安全控制與裝備教育部工程研究中心，湖北武漢430063;4.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆運(yùn)行與應(yīng)用研究所，四川成都610064)

發(fā)展新能源與可再生能源是當(dāng)今世界能源發(fā)展大趨勢(shì)，也是世界各國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略的主流［1］。核能以其持久、經(jīng)濟(jì)、安全和清潔等優(yōu)勢(shì)被人們認(rèn)為是當(dāng)前最具開發(fā)價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Φ男滦湍茉?，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展低碳、綠色核能是我國(guó)能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略。在節(jié)能減排的大目標(biāo)下，開展核動(dòng)力在民用船舶應(yīng)用的研究是實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)零排放的一種有益嘗試。目前，國(guó)外核動(dòng)力船舶［1-4］的研究主要集中在破冰船/破冰運(yùn)輸船、超大型集裝箱船、定航線超大型礦砂船、大型海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船［5］等船型的研究。雖然核動(dòng)力推進(jìn)船舶在綠色低碳、節(jié)能減排方面有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)和很好的發(fā)展前景，但核動(dòng)力推進(jìn)船舶的風(fēng)險(xiǎn)也是明顯的，對(duì)于決策者和公民來(lái)說(shuō)，最為關(guān)心的莫過(guò)于其安全問(wèn)題。核工業(yè)是一個(gè)高危產(chǎn)業(yè)［6］，有必要對(duì)民用核動(dòng)力船舶進(jìn)行安全性分析［7-8］。本文考慮在客觀概率數(shù)據(jù)缺失等制約條件下，運(yùn)用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)［9-10］進(jìn)行研究，分析民用船舶核動(dòng)力裝置二回路系統(tǒng)及各個(gè)子系統(tǒng)間的層級(jí)關(guān)系和事故發(fā)生時(shí)對(duì)安全影響較大的系統(tǒng)和設(shè)備。

1 核動(dòng)力裝置二回路系統(tǒng)及層次分析模型

1.1 核動(dòng)力裝置二回路系統(tǒng)

二回路系統(tǒng)［10］是壓水堆核動(dòng)力裝置的重要組成部分，其主要的功能是將反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)產(chǎn)生并傳遞過(guò)來(lái)的熱量轉(zhuǎn)化為船舶航行所需要的機(jī)械能，并產(chǎn)生動(dòng)力裝置及全船所需的電能和淡水。二回路系統(tǒng)的組成以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)，由蒸汽發(fā)生器二次側(cè)、汽輪機(jī)、冷凝器、凝水泵、給水泵、給水加熱器等主要設(shè)備以及連接這些設(shè)備的汽水管道構(gòu)成的熱力循環(huán)，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和轉(zhuǎn)換，其熱力流程圖如圖1所示。

圖1 二回路系統(tǒng)熱力流程圖Fig.1 Heat flow chart of second loop system

反應(yīng)堆內(nèi)核燃料裂變產(chǎn)生的熱量由流經(jīng)堆芯的冷卻劑帶走，在蒸汽發(fā)生器中傳遞給二回路系統(tǒng)工質(zhì)，二回路系統(tǒng)工質(zhì)吸熱后產(chǎn)生一定溫度和壓力的蒸汽，通過(guò)蒸汽系統(tǒng)輸送到汽輪機(jī)做功或耗熱設(shè)備使用，主汽輪機(jī)做功后廢汽排入冷凝器，被由舷外引入的循環(huán)冷切水冷凝成水，再經(jīng)給水泵增壓后送回蒸汽發(fā)生器，開始下一次循環(huán)。

1.2 二回路系統(tǒng)的層次分析模型

在研究船用核動(dòng)力裝置二回路系統(tǒng)時(shí)，將其劃分為3個(gè)子系統(tǒng)，即功率的匹配、循環(huán)、能量的轉(zhuǎn)換。對(duì)應(yīng)上述3個(gè)子系統(tǒng)，將二回路系統(tǒng)中各個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備按其各自的功能分別歸屬到3個(gè)子系統(tǒng)下，從而形成層次有序的二回路系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 二回路系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)Fig.2 Hierarchical structure of second loop system

2 運(yùn)用層次分析法確定系統(tǒng)權(quán)重

2.1 構(gòu)造判斷矩陣

專家利用1～9比例標(biāo)度法［11-12］，分別對(duì)各層的分析指標(biāo)的相對(duì)重要性進(jìn)行定性判斷描述，再用確切的數(shù)字進(jìn)行量化表述，各個(gè)數(shù)字取值所代表的意義見表1。根據(jù)專家的打分可以構(gòu)建兩兩比較的判斷矩陣，B層因素對(duì)于A層因素的相對(duì)重要性的判斷矩陣 A-B，如表2所示。

表中aij=Bi/Bj，表示對(duì)于總目A而言，因素Bi對(duì)因素Bj相對(duì)重要性的判斷值，數(shù)值的大小參照表2的規(guī)定決定。判斷矩陣的特點(diǎn)是對(duì)角線上的元素均為1，即每個(gè)因素對(duì)其自身而言重要性為1，同時(shí)不難得出aij=1/aji的結(jié)論。

表1 專家調(diào)查表取值含義Table 1 The values meaning of expert survey

表2 判斷矩陣A-BTable 2 The judgment matrix A-B

2.2 確定系統(tǒng)權(quán)重

綜合評(píng)分法中主要應(yīng)用和法求解相對(duì)權(quán)重。和法就是取這N個(gè)歸一化后的列向量的算術(shù)平均值作為相對(duì)權(quán)重，因此可得計(jì)算公式:

對(duì)于構(gòu)造判斷矩陣，多數(shù)情況下判斷矩陣是不一致的，所以結(jié)果往往是近似的。需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)步驟如下:

1)計(jì)算一致性指標(biāo) C.I.

2)查找對(duì)應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.

表3給出1～15階正互反矩陣計(jì)算得到的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

3)計(jì)算一致性比例指標(biāo)C.R.

表3 1～15階正互反矩陣平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 3 Average consistency index of 1～15 order matrix

當(dāng) C.R.＜0.1 時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的;當(dāng) C.R.＞0.1 時(shí)，應(yīng)該對(duì)判斷矩陣作適當(dāng)修正。

上面得到的僅僅是一組元素對(duì)其上層中某元素的權(quán)重向量。還要得到各層元素對(duì)于總目標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，即所謂“合成權(quán)重”:

3 基于AHP的二回路系統(tǒng)故障分析

3.1 應(yīng)用AHP對(duì)二回路系統(tǒng)進(jìn)行分析

邀請(qǐng)專家對(duì)二回路系統(tǒng)模型中的各層次因素進(jìn)行兩兩比較，將比較結(jié)果用于建立判斷矩陣。通過(guò)對(duì)B層、C層和D層因素的相對(duì)重要性做出判斷，得到AB、B-C、C-D判斷矩陣，由于篇幅所限這里只給出A-B判斷矩陣，結(jié)果如表4(以其中一位專家所給出的調(diào)查評(píng)分表為例)所示。

表4 二回路系統(tǒng)判斷矩陣A-BTable 4 Judgment matrix A-B of second loop system

先將3位專家的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，再應(yīng)用和法計(jì)算上述二回路判斷矩陣中B層、C層和D層因素相對(duì)于上一層準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重。以判斷矩陣A-B為例，計(jì)算步驟如下:

1)根據(jù)專家的資歷，給定3位專家的數(shù)據(jù)權(quán)值分別為:0.5，0.4，0.1，由w=f1w1+f2w2+f3w3計(jì)算加權(quán)平均值，其中f1、f2、f3分別是3位專家的權(quán)重值。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 A-B矩陣參數(shù)的加權(quán)平均Table 5 A-B Weighted average of matrix argument

2)將判斷矩陣A-B的元素按列歸一化:

3)B層元素相對(duì)于A的相對(duì)權(quán)重即是歸一化后列向量的算術(shù)平均值:

對(duì)判斷矩陣A-B進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，步驟如下:

1)應(yīng)用MATLAB軟件，設(shè) A-B判斷矩陣為A，輸入程序“λ=eig(A)”，運(yùn)行結(jié)果即為A的特征根，從而確定A的最大特征根λmax=3.034 9。

2)計(jì)算一致性指標(biāo) C.I.

3)查表3得n=3時(shí)，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I.=0.52。計(jì)算一致性比例指標(biāo) C.R.，并檢驗(yàn)一致性。

C.R.＜0.1，因此通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

按照上述方法步驟求解二回路各個(gè)判斷矩陣AB、B-C、C-D元素相對(duì)于上一層準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重以及進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

表6 一致性檢驗(yàn)結(jié)果Table 6 The results of consistency test

計(jì)算二回路系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)底層指標(biāo)相對(duì)于A層總目標(biāo)的綜合權(quán)重，再對(duì)各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值進(jìn)行排序，結(jié)果列入表7中。

表7 二回路系統(tǒng)層次分析結(jié)果Table 7 AHP results of second loop system

3.2 分析結(jié)果

由表7可以分別得到二回路系統(tǒng)各個(gè)指標(biāo)相對(duì)于遞階層次結(jié)構(gòu)模型A層總目標(biāo)的綜合權(quán)重。其中有4個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重超過(guò) 0.1 或接近0.1，即D5、C2、D6和D9，而其他指標(biāo)均遠(yuǎn)小于0.1。事故時(shí)惡劣的工作環(huán)境極大地考驗(yàn)著二回路系統(tǒng)汽動(dòng)和電動(dòng)給水泵的安全可靠性，而其運(yùn)行情況又極大地影響著二回路系統(tǒng)的運(yùn)行安全，同時(shí)負(fù)荷的劇烈變化將對(duì)主給水流量控制系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響，對(duì)此應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建了民用船舶核動(dòng)力裝置二回路系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)模型，并在此基礎(chǔ)之上運(yùn)用AHP進(jìn)行故障分析，由專家打分，分析、處理、計(jì)算得到各個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重。分析表明汽動(dòng)給水泵系統(tǒng)、電動(dòng)給水泵系統(tǒng)、主給水流量控制系統(tǒng)和高壓給水加熱器系統(tǒng)為民用船舶核動(dòng)力裝置二回路系統(tǒng)中的風(fēng)險(xiǎn)較大的關(guān)鍵因素，在民用核動(dòng)力船舶的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)予以重視。在今后的研究過(guò)程中，應(yīng)該努力擴(kuò)寬數(shù)據(jù)來(lái)源的渠道，對(duì)民用船舶核動(dòng)力裝置二回路系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的完善和細(xì)化，這些都有利于研究的深入發(fā)展。

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