潛在通路分析技術在AP1000核電廠主回路設計中的應用

徐 智，鮑 麒（. 中廣核工程設計有限公司，上海 004；. 咸寧核電有限公司，湖北 武漢 43005）

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潛在通路分析技術在AP1000核電廠主回路設計中的應用

徐 智1，鮑 麒2
（1. 中廣核工程設計有限公司，上海 200241；2. 咸寧核電有限公司，湖北 武漢 430205）

摘要：潛在通路分析是一種常用于提高電路設計可靠性的方法。給予功能延伸，將潛在通路分析（SCA）技術引入AP1000核電廠主回路系統(tǒng)的設計分析。通過建立和主回路工藝特性相適應的模型，并采用人工路徑搜索技術，判明標準設計中存在潛通路，再通過分析提出了工程上較為可行的方案，算例表明該方案可明顯降低潛通路的影響。

關鍵詞：潛在通路分析；AP1000；核電廠改進；主回路；主泵

CLC number： TL339 Article character： A Article ID： 1674-1617（2016）01-0012-08

在20世紀六七十年代，美國波音公司通過對電氣、電子等系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，相當數(shù)量的故障或重大事故并不是由元器件故障引發(fā)， 而是由設計者在設計階段無意識帶入設計方案中的固有狀態(tài)所致。由于系統(tǒng)存在著設計者未察覺的旁通回路，在某些特定狀態(tài)下，系統(tǒng)存在信息、能量或控制信號等不受控的傳輸。當系統(tǒng)被激發(fā)至這些特定狀態(tài)時， 即有可能產(chǎn)生某些非預期設計的動作，和/或妨礙預期設計的功能，因而可造成系統(tǒng)功能喪失、設備損壞，甚至人員傷亡的嚴重事故。波音公司基于對這些電子電氣系統(tǒng)的開發(fā)和研究，提出了潛在電路的概念。將這一概念引申，可以發(fā)現(xiàn)在復雜的氣路、液路系統(tǒng)亦有可能存在潛在旁通路徑， 而且可能同樣帶來嚴重危害［1］。我國的潛通路分析技術研究始自于20世紀90年代初期，主要針對運載火箭和導彈姿態(tài)控制系統(tǒng)。航天部相關研究部門對此進行了分析研究，已取得了一定的成果，并得到了軍事裝備可靠性標準化委員會的認可［2-3］。但這些分析工作量非常大， 而且對分析人員的技術水平要求較高， 導致該技術的推廣使用受到了限制。幾乎在同一時期，一些研究所和高等院校陸續(xù)展開了開發(fā)通用潛在分析系統(tǒng)的研究工作［1］。通常認為旨在設計階段發(fā)現(xiàn)潛在通路、并采取相應應對措施潛在通路分析技術， 是一種具有特殊社會經(jīng)濟效益的應用技術［3］。

隨著技術的發(fā)展及需求的變化，熱力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大且日益復雜，提高經(jīng)濟性、可靠性越發(fā)重要。國內(nèi)外的學者對此進行了大量的研究。基于對火電機組系統(tǒng)參數(shù)的計算分析［4］，在確保管材可靠性的前提下，給出提高再熱溫度至新蒸汽溫度的方案，來提高機組的經(jīng)濟性；文獻［5］給出基于圖論的火電機組熱能經(jīng)濟性定量分析方法；文獻［6］則采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡和回歸預測方法，對供熱系統(tǒng)的主要參數(shù)進行分析研究，從而提高了供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)能力；文獻［7］首次提出對電子電氣系統(tǒng)常用的潛在通路分析技術進行改造，通過熱力系統(tǒng)與電子/電氣系統(tǒng)進行功能分析和類比，成功的將潛在通路技術的應用領域進行拓展，并給出了該技術應用于熱力系統(tǒng)的案例。這項研究表明，采用潛在通路技術提高復雜熱力系統(tǒng)的可靠性和安全性是可行的。

在核電領域，Nureg-1174［8］明確了核電廠可采用潛在通路分析技術來評估系統(tǒng)間的相互影響。文獻［9］給出了采用潛在通路分析技術在核電廠安注系統(tǒng)的應用成果，文獻［10］給出了Quad Cities核電廠2號機組數(shù)字化給水控制系統(tǒng)中存在的潛在通路及解決方法，文獻［11］則指出了第三代核電廠爆破閥控制器設計中的潛在通路及解決辦法。但這些應用的分析對象均是電氣系統(tǒng)/設備。本文針對AP1000核電廠主回路系統(tǒng)所具有的熱工工藝特點，提出恰當?shù)哪Ｐ停状螌撛谕贩治黾夹g應用到核電廠主回路設計中，并對發(fā)現(xiàn)的潛在通路提出改進方案。

1 潛在通路分析技術

大量的研究表明潛在通路的種類主要有使能量、電流沿著非預期的通道或非預期的方向流動的潛在通道、事件以非預期或不正確順序出現(xiàn)的潛在定時、對于系統(tǒng)運行所必需的工作狀態(tài)，可引發(fā)相關人員采取不正確動作的那些不清楚或不正確的顯示，以及易引起歧義的或不正確標識系統(tǒng)的功能， 如輸入信號類型、控制開關顯示及通道標識等潛在標志等［12］。

文獻［12］同時還指出潛在通路分析技術的應用領域包括潛在通道分析、數(shù)字潛在通路分析、軟件潛在通道分析以及其他潛在通路分析技術。各個應用領域所采用的方法見表1。

對于簡單的電路，潛在通道分析可以采用人工干預分析， 但當系統(tǒng)線路圖比較復雜時，則必須利用計算機技術進行自動處理。一般來說，可通過將復雜的系統(tǒng)圖進行分割和簡化，將其轉(zhuǎn)化為由節(jié)點和分支組成的集合。再采用遍歷性的路徑搜尋和追蹤， 生成能表征系統(tǒng)連通性的網(wǎng)絡樹。文獻［13］的研究表明， 所有的網(wǎng)絡樹圖形可由5種基本拓撲圖形組合而成，即直線形（I形）、電源拱形（Y形）、地拱形（倒Y形）、組合拱形（X形）和“H”形（見圖1）。

設計期望行為和可能存在的非設計期望行為（潛在通路）都包含在上述基本拓撲圖形及其組合中。識別出系統(tǒng)各種運行狀態(tài)下相關網(wǎng)絡樹中所包含的拓撲圖形，就是進行SCA分析的主要工作。這種分析方法可發(fā)現(xiàn)拓撲圖形中是否存在非期望通路。對系統(tǒng)所有網(wǎng)絡樹的全部拓撲圖形都進行上述分析，就能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)所有潛通路。

表1 潛在通路分析技術的應用領域及方法Table 1 The application of SCA and approaches

圖1 SCA的基本拓撲模式Fig.1 General SCA topography patterns

線索表是一種指南，用于指導發(fā)現(xiàn)電路中可能出現(xiàn)的上述5種基本拓撲的結構中一個或多個設計缺陷。5種拓撲樹及其組合可能十分復雜，這給實際潛在通路分析帶來挑戰(zhàn)。比如，“H”形網(wǎng)絡中的6個開關的不同位置組合，就有64種不同的狀態(tài)，因此一種“H”形拓撲樹中可能存在上百條的潛在通路。根據(jù)文獻［13］，目前所識別出來的潛在通路， 將近一半可歸結為“H”形網(wǎng)絡。國內(nèi)自主開發(fā)基于SCA技術工具的成功應用也表明潛在通路技術對提高電路設計可靠性有顯著作用。文獻［3］給出4個應用實例的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

文獻［7］基于復雜熱力系統(tǒng)的運行特征，提出了一種可應用于熱力系統(tǒng)的潛通路分析方法：1）分割和簡化復雜熱力系統(tǒng)。簡化方法包括物理簡化和功能簡化。去除復雜熱力系統(tǒng)中不重要部件，只保留泵、閥、容器、負荷等具有通斷功能的重要部件，并用特定的簡單符號表示這些待分析部件的方法為物理簡化法。而功能簡化就是從系統(tǒng)中去除不關心功能的部件所在路徑，只保留能表征特定相關功能的部件路徑；2）基于熱力系統(tǒng)和電路系統(tǒng)元器件功能上的相似性制定相應規(guī)則，并基于這些特定規(guī)則將熱力系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)換為電路系統(tǒng)。再根據(jù)電氣系統(tǒng)潛在電路分析技術的成熟理論和方法構建網(wǎng)絡樹，將生成的網(wǎng)絡樹轉(zhuǎn)換成樹形拓撲圖，比如在圖上方布置電源，在圖下方布置地線及饋線，從左到右布置除電源、地外的輸入輸出信號，清除網(wǎng)絡樹結構中的自環(huán)和并行邊以便識別分析；3）創(chuàng)建適用于熱力系統(tǒng)的潛在通路線索表，并利用常見的潛在電路分析技術的成熟理論和方法，對拓撲圖樹進行路徑搜索和拓撲分析；4）產(chǎn)生分析報告。

表2 潛在通路技術應用統(tǒng)計Table 2 Statistic analysis for CSA application

2 AP1000核電廠主回路潛在通路分析

2.1 AP1000核電廠主回路工藝系統(tǒng)簡介

反應堆冷卻劑系統(tǒng)（Reactor Coolant System， RCS）又稱為主回路系統(tǒng)。RCS將反應堆系統(tǒng)中堆芯核裂變放出的熱能加熱冷卻劑后，通過蒸汽發(fā)生器將二次側主給水轉(zhuǎn)化為高溫飽和蒸汽，這些高能的蒸汽由汽輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)化為電能，而冷卻后的冷卻劑通過主泵加壓后由冷管段送回堆芯，完成冷卻劑介質(zhì)的循環(huán)。RCS是核電廠最為關鍵的部分，也是核電廠和常規(guī)火電廠最顯著的區(qū)別。

2.2 系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化

在正常運行時由于與穩(wěn)壓器相連接的波動管中無大量的流體流動，因此本文在分析中將其作為盲端，簡化忽略。主回路系統(tǒng)在進行物理簡化、功能簡化后所得的工藝系統(tǒng)簡圖如圖2所示。由于冷卻劑系統(tǒng)不存在一般熱工系統(tǒng)中常有的止回、閥門，主泵的上下游均無閥門，且主泵無防逆轉(zhuǎn)裝置，故存在自由逆轉(zhuǎn)的可能。因此必須采用改進的等效規(guī)則，即將系統(tǒng)中的冷卻劑流看做是電流；將主泵轉(zhuǎn)化為電流源，將主泵逆轉(zhuǎn)流阻轉(zhuǎn)換為串聯(lián)電阻，且串聯(lián)開關以便分析；將冷、熱管段、堆芯、蒸汽發(fā)生器等處流體阻力轉(zhuǎn)換為電阻。轉(zhuǎn)化后的電路如圖3所示。

圖2 RCS工藝系統(tǒng)簡化圖Fig.2 Simplified diagram of RCS

其中：E1、E2、E3、E4分別為4臺主泵對應轉(zhuǎn)換的電流源，K1、K01為連鎖開關，第1臺主泵運轉(zhuǎn)時K1斷開，K01閉合，當主泵停止運轉(zhuǎn)時K1閉合，K01斷開；K2、K02等同理。RL為堆芯壓頭損失對應的電阻，RH1為圖2左半部分熱段（堆芯出口到蒸汽發(fā)生器入口處）壓頭損失對應的電阻，RS1為蒸汽發(fā)生器入口處到主泵吸入口壓頭損失對應的電阻，Rc1為1號泵冷段壓頭損失對應的電阻，Rr1為主泵停運時泵體的壓頭損失對應的電阻（正常運轉(zhuǎn)時很小可忽略），Rc2為2號泵冷段壓頭損失對應的電阻，Rr2為2號主泵本身的壓頭損失對應的電阻；右半部分為鏡像，轉(zhuǎn)換過程類似。

圖3 轉(zhuǎn)化電路示意圖Fig.3 Conversion circuit

2.3 路徑搜索與分析

路徑搜索有人工和計算機輔助分析兩種，由于圖3規(guī)模較小，沒有必要將其轉(zhuǎn)化為標準拓撲圖，可直接采用人工搜索。結果見表3。

表3 路徑搜索Table 3 Path searching

在RCS主回路的設計中，額定參數(shù)一致，系統(tǒng)在額定工況下運行，可看作是鏡像系統(tǒng)。但主泵可能由于某些原因停運，由于工藝系統(tǒng)的耦合，各主要支路的流量不再均衡/對稱。文章將主泵運行狀態(tài)作為輸入，可以知道共有16種狀態(tài)，但值得關注的通路數(shù)要遠多于狀態(tài)數(shù)。為了簡化，沒有遍歷多泵停運的通路。即便如此，根據(jù)表3已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有較多的潛通路存在。這些潛通路部分旁通了本應該流過堆芯RL的流量，減小了系統(tǒng)帶出熱量的能力。

事實上由對圖3進一步的拓撲分析，可以看出其為Y形和倒Y形基本拓撲結構的組合體，而設計的本意為I形結構，根據(jù)文獻［15］，這樣的系統(tǒng)就可能存在潛通路。

2.4 改進分析

由于壓水堆核電廠主回路的工藝特殊性，使得一般防止?jié)撏返姆椒ǎㄈ缭黾痈綦x閥門等）難以實施。但從工程角度出發(fā)，存在的潛通路對系統(tǒng)正常功能影響只要在可接受范圍內(nèi)，就可以根據(jù)實際情況進行取舍。

從表3的（5）-（16）通路可以看出，停運的泵對與其直接并行連接的泵的旁通通路較短，即旁通流量大。如果增加旁通通路的路徑，將減小旁通的不利效應。尋找代價較小的一種可以增加旁通路徑的方法將十分有意義。

如果圖4中2RS1=RS11=RS12，2RS2=RS23=RS24，當K1、K2、K3、K4全部斷開時，該電路完全等效于圖3電路。潛通路的分析結果和表3的結果一致。當假設有一對開關狀態(tài)變化，即有一泵停運時，如K1閉合，K01斷開時，K1所在潛通路的旁通值（包括右半部分鏡像工藝的影響）為：

而根據(jù)圖3，同樣情況下，K1所在潛通路的旁通值為

很顯然，圖4對應的旁通值要小于圖3對應的旁通值。表4為基于系統(tǒng)一組假定歸一化模擬值的仿真計算結果。由表4可見，無論系統(tǒng)參數(shù)為何，改進后的方案在正常時，Rl流量無變化，但當1臺主泵停運時，改進方案的Rl流量均大于未改進值，即有較小的旁通流量。不同的系統(tǒng)參數(shù)，會導致不同的改進效果。

圖5為基于改進電路圖所對應的工藝簡圖。即在蒸汽發(fā)生器的下腔室主泵吸入口一側加上隔板，將流向兩個主泵吸入口的流量平均分割。正如上面分析所述，在所有泵正常運行時，和現(xiàn)有方案基本一致，沒有不良影響，但在有泵停運時，可以顯著減小旁通流量。根據(jù)文獻［16］可知，實施此改進的代價較小。

圖4 改進后的電路圖Fig.4 Improved circuit

圖5 改進后的RCS工藝簡圖Fig.5 Simplified RCS process after improvement

表4 數(shù)值優(yōu)化Table 4 Value optimization

3 結論

文章首次將SCA技術引入AP1000核電廠主回路設計，通過建立和主回路工藝特性一致的模型，并采用人工路徑搜索技術，判明現(xiàn)有標準設計中存在潛通路，再通過分析提出了工程上較為可行的方案，算例表明可將潛通路的影響明顯降低。

必須指出，目前的SCA技術基本上是定性研究，存在著誤報可能性。本文所涉及的轉(zhuǎn)化及計算也是定性和粗略的，實際的影響有待進一步核算。

可以看出，將SCA引入核電廠熱工設計分析的核心工作在于建立適合的對應轉(zhuǎn)換規(guī)則。這樣的工作應該在遵從一般規(guī)則的基礎上，可能需要具體問題具體分析。在此基礎上，可得到熱工系統(tǒng)對應的網(wǎng)絡樹，從而可以充分借鑒比較成熟的電子領域的SCA技術，甚至采用計算機輔助分析。本文的方法表明可以將SCA其應用到更大范圍的熱力系統(tǒng)，為核電廠復雜熱工系統(tǒng)設計的可靠性和優(yōu)化提供新的輔助分析方法。

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Application of Sneak Circuit Analysis Technique in Design of the RCS Loop of AP1000 Nuclear Power Plant

XU Zhi1， BAO Qi2
（1. China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Shanghai 200241， China；2. Xianning Nuclear Power Plant Co.， Ltd.， Wuhan of Hubei Prov. 430205， China）

Abstract：Sneak circuit analysis is a popular method for circuit reliability design. By extending the methodology， sneak circuit analysis is applied in the design of RCS of AP1000 nuclear power plant based on the modeling of process system properly. With the manual path searching technique， the sneak paths are disclosed in the current standard design. Based on further analysis， a practical engineering proposal is given and the simulation indicates the effectiveness of decreasing the effects of sneak paths.

Key words：sneak circuit analysis （SCA）； AP1000； nuclear power plant improvement；reactor coolant system（RCS）loop；reactor coolant pump （RCP）

中圖分類號：TL339

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1617（2016）01-0012-08

收稿日期：2015-10-08

作者簡介：徐 智（1973—），男，安徽廬江人，博士，高級工程師，現(xiàn)從事核電設計工作。