核電廠的設(shè)備全面分級(jí)方法與實(shí)踐

李建，楊智翔

（中國廣核集團(tuán)蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

1 核電廠設(shè)備全面分級(jí)方法的介紹

設(shè)備可靠性是標(biāo)準(zhǔn)核電績效模型中安全經(jīng)濟(jì)發(fā)電相關(guān)的核心流程之一和重要支撐，但電廠資源有限，只有將有限的資源用于對(duì)安全、經(jīng)濟(jì)、管理等有重要貢獻(xiàn)的設(shè)備上，并優(yōu)化設(shè)備可靠性管理，才能實(shí)現(xiàn)核電的核心競爭力和業(yè)績目標(biāo)。在世界核電行業(yè)幾十年的實(shí)踐過程中，已經(jīng)形成了一套廣泛使用的INPO（Institute of Nuclear Power Operations）AP913（Equipment Reliability Process Description）設(shè)備可靠性管理流程，為保障核電廠安全經(jīng)濟(jì)發(fā)電作出了重要貢獻(xiàn)。其中進(jìn)行設(shè)備全面分級(jí)是設(shè)備可靠性管理流程的基本出發(fā)點(diǎn)，在對(duì)設(shè)備全面分級(jí)的基礎(chǔ)上，對(duì)關(guān)鍵、重要的設(shè)備進(jìn)行有針對(duì)性的管理，加強(qiáng)狀態(tài)監(jiān)測、實(shí)施動(dòng)態(tài)管理、持續(xù)改進(jìn)設(shè)備可靠性管理策略、加強(qiáng)中長期項(xiàng)目管理以及預(yù)防性維修等，從而保障電廠設(shè)備的可靠性水平?；贗NPO AP-913框架，形成了一套核電廠設(shè)備全面分級(jí)方法，并在中國改進(jìn)型三環(huán)路壓水堆（CPR1000）機(jī)組中得到了具體實(shí)踐。

1.1 分級(jí)的前提條件

設(shè)備全面分級(jí)主要考慮了以下前提條件假設(shè)：

（1）機(jī)組運(yùn)行在0~100%功率區(qū)間或其它任何一個(gè)機(jī)組狀態(tài)。

（2）基于單一設(shè)備故障準(zhǔn)則。

（3）主控室操縱員和現(xiàn)場操作員可以按照電廠管理規(guī)定，對(duì)報(bào)警和異?，F(xiàn)象保持應(yīng)有、及時(shí)的響應(yīng)，并且可以按照?qǐng)?bào)警卡和相關(guān)運(yùn)行程序進(jìn)行干預(yù)。

1.2 分級(jí)原則

設(shè)備全面分級(jí)主要包含4個(gè)維度：設(shè)備關(guān)鍵度、設(shè)備運(yùn)行頻度、設(shè)備工作環(huán)境和設(shè)備失效后果的顯、隱性。

（1）設(shè)備關(guān)鍵度。基于單一設(shè)備故障準(zhǔn)則，考慮機(jī)組運(yùn)行在0~100%功率區(qū)間或其它任何一個(gè)狀態(tài)下，根據(jù)設(shè)備失效導(dǎo)致的后果，確定設(shè)備關(guān)鍵度。表1給出了具體的劃分準(zhǔn)則。

從表1可知：C級(jí)設(shè)備的失效后果最為嚴(yán)重，將立即導(dǎo)致機(jī)組的核安全和可用性降級(jí)，其失效后果不可接受；S級(jí)設(shè)備失效不會(huì)立即導(dǎo)致機(jī)組的核安全和可用性降級(jí)，但是增加了不安全因素和重大設(shè)備被損壞的概率，這些設(shè)備故障出現(xiàn)的頻率非常低，且只產(chǎn)生極少量共因故障，才能接受。E級(jí)設(shè)備失效不導(dǎo)致機(jī)組的核安全和可用性降級(jí)，但實(shí)施預(yù)防性維修成本低于不實(shí)施預(yù)防性維修的設(shè)備運(yùn)行至失效的成本。R級(jí)設(shè)備失效不導(dǎo)致機(jī)組的核安全和可用性降級(jí)，不需要任何預(yù)防性維修，可任其運(yùn)行至失效。

表1 設(shè)備關(guān)鍵度劃分準(zhǔn)則

（2）設(shè)備運(yùn)行頻度。根據(jù)設(shè)備運(yùn)行方式數(shù)據(jù)，確定設(shè)備運(yùn)行頻度，分別為高運(yùn)行頻度（H）和低運(yùn)行頻度（L）。表2給出了具體的劃分準(zhǔn)則。

表2 設(shè)備運(yùn)行頻度的劃分準(zhǔn)則

（3）設(shè)備工作環(huán)境。根據(jù)設(shè)備工作環(huán)境數(shù)據(jù)，確定設(shè)備工作環(huán)境，分別為惡劣環(huán)境（S）和一般環(huán)境（M）。表3給出了具體的劃分準(zhǔn)則。

表3 設(shè)備工作環(huán)境的劃分準(zhǔn)則

（4）設(shè)備失效后果的顯、隱性。根據(jù)設(shè)備失效后，工作人員能否知道，確定設(shè)備失效后果的顯、隱性。知道則為顯性，如運(yùn)行設(shè)備失效等；不知道則為隱性，如備用設(shè)備、保護(hù)設(shè)備失效等。

2 核電廠的設(shè)備全面分級(jí)方法實(shí)踐

核電廠可靠性管理工作中，主要以系統(tǒng)為單元，采用上述方法逐一對(duì)各系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行全面分級(jí)，得到所有設(shè)備的關(guān)鍵信息：包括功能位置、功能位置描述、房間號(hào)、失效后果、設(shè)備關(guān)鍵度、設(shè)備運(yùn)行頻度、設(shè)備工作環(huán)境和設(shè)備失效后果的顯、隱性等。

下面以CPR1000某核電廠定子冷卻水系統(tǒng)（GST）為例，說明核電廠設(shè)備全面分級(jí)方法的具體應(yīng)用。

GST系統(tǒng)是閉式系統(tǒng)，其基本功能是利用低電導(dǎo)率的除鹽水在定子繞組空心導(dǎo)線內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)，對(duì)定子繞組和出線端子進(jìn)行冷卻，冷卻水吸收的熱量，通過冷卻器輸送到常規(guī)島閉路冷卻水系統(tǒng)。為了說明方便，本文給出GST系統(tǒng)的流程簡圖，見圖1，圓筒形的頭箱（001CW）保證系統(tǒng)中充滿冷卻水，并給水泵提供壓頭；頭箱上部覆蓋氮?dú)?，并設(shè)置有氫氣泄漏測量裝置（001QD）；冷卻水通過水泵（001/002PO，2×100%容量）做功后，經(jīng)過逆止閥（001VD/002VD）壓入冷卻器（001/002RF，2×100%容量），由溫度控制閥來調(diào)節(jié)冷卻水的流量，經(jīng)冷卻后的冷卻水進(jìn)入過濾器（001FI），通過孔板調(diào)節(jié)后，進(jìn)入發(fā)電機(jī)定子繞組的進(jìn)水環(huán)形母管、中性端子和出線端子；吸收了繞組熱量的冷卻水由出水母管進(jìn)入水泵入口，完成一個(gè)循環(huán)；系統(tǒng)低點(diǎn)設(shè)置了排污閥（006VD）。同時(shí)，有一股連續(xù)的冷卻水經(jīng)過離子交換器（001DN）進(jìn)行小循環(huán)，承擔(dān)GST系統(tǒng)冷卻水的凈化功能。001CW液位低信號(hào)或001SD/002SD/003SD三取二流量低信號(hào)均將觸發(fā)跳機(jī)。

圖1 GST系統(tǒng)流程簡圖

2.1 關(guān)鍵度為C級(jí)的設(shè)備

根據(jù)本文第1.2節(jié)對(duì)設(shè)備關(guān)鍵度劃分原則的描述，下面列舉了部分關(guān)鍵度為C級(jí)的設(shè)備。

（1）頭箱（001CW）。在機(jī)組正常運(yùn)行過程中，001CW介質(zhì)外漏，001CW液位下降至預(yù)設(shè)定值時(shí)，將觸發(fā)跳機(jī)信號(hào)，機(jī)組立即停機(jī)，因此關(guān)鍵度為C級(jí)。因?yàn)槠涮幱谶B續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)，且工作環(huán)境比較惡劣，所以運(yùn)行頻度和工作環(huán)境分別為H和S。失效后果為顯性。部分研究中，認(rèn)為001CW屬于失效不可信的靜態(tài)設(shè)備，因此不將其分級(jí)至“立即停機(jī)或停堆”等級(jí)。但在容器模糊可靠度計(jì)算研究領(lǐng)域中，認(rèn)為001CW盡管可靠度較高，但仍然有不可忽視的風(fēng)險(xiǎn)。本文采取了保守策略，充分考慮了001CW外漏失效的后果，并將其關(guān)鍵度定為C級(jí)。

（2）流量開關(guān)平衡閥（003VD/004VD/005VD）。閥門003VD/004VD/005VD分別是流量開關(guān)001SD/002SD/003SD的平衡閥。由于001SD/002SD/003SD這3個(gè)流量開關(guān)的壓力信號(hào)來自同一條取樣支管，當(dāng)任一平衡閥內(nèi)漏，導(dǎo)致001SD/002SD/003SD測量值同時(shí)偏小，將觸發(fā)自動(dòng)停機(jī)信號(hào)，機(jī)組立即停機(jī)，因此關(guān)鍵度為C級(jí)。因?yàn)槠洳恍枰l繁動(dòng)作，且工作環(huán)境良好，所以運(yùn)行頻度和工作環(huán)境分別為L和M。失效后果為顯性?！?01SD/002SD/003SD這3個(gè)流量開關(guān)的壓力信號(hào)來自同一條取樣支管”，屬于設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)，不滿足獨(dú)立性設(shè)計(jì)中要求的保持多重系統(tǒng)或部件之間的獨(dú)立原則，由此增加了自動(dòng)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，建議實(shí)施技術(shù)改造，將001SD/002SD/003SD壓力信號(hào)修改為來自3條獨(dú)立的取樣支管，完成后，003VD/004VD/005VD關(guān)鍵度將不再為C級(jí)。

2.2 關(guān)鍵度為S級(jí)的設(shè)備

根據(jù)本文第1.2節(jié)對(duì)設(shè)備關(guān)鍵度的劃分原則的描述，下面列舉了部分關(guān)鍵度為S級(jí)的設(shè)備。

（1）水泵（001PO/002PO）。在機(jī)組正常運(yùn)行過程中，當(dāng)001PO（或002PO）失效，增加了進(jìn)入定子繞組和出線端子的低電導(dǎo)率除鹽冷卻水流量不足的風(fēng)險(xiǎn)，從而增加了重要設(shè)備被損壞的概率。因此關(guān)鍵度為S級(jí)。因?yàn)槠涮幱谶B續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)，且工作環(huán)境比較惡劣，所以運(yùn)行頻度和工作環(huán)境分別為H和S。失效后果為顯性。

（2）泵出口逆止閥（001VD/002VD）。在機(jī)組正常運(yùn)行過程中，當(dāng)001VD（或002VD）失效拒開，若疊加002PO（或001PO）故障跳閘，將導(dǎo)致定子冷卻水的流量低，從而自動(dòng)停機(jī)，增加了停機(jī)停堆風(fēng)險(xiǎn)，因此關(guān)鍵度為S級(jí)。因?yàn)槠涮幱陬l繁動(dòng)作狀態(tài)，且工作環(huán)境比較惡劣，所以運(yùn)行頻度和工作環(huán)境分別為H和S。失效后果為隱性。研究結(jié)果表明：通過對(duì)冗余泵組的可靠性定量計(jì)算，認(rèn)為止回閥的可靠性影響了整個(gè)泵組可靠性的提高，使得由貯備帶來的優(yōu)勢被嚴(yán)重削弱。對(duì)于001VD/002VD失效拒開的隱性后果，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視，必要時(shí)采取定期試驗(yàn)等方式來加強(qiáng)管理。

2.3 關(guān)鍵度為E級(jí)的設(shè)備

根據(jù)本文第1.2節(jié)對(duì)設(shè)備關(guān)鍵度劃分原則的描述，將離子交換器（001DN）關(guān)鍵度定為E級(jí)。

在機(jī)組正常運(yùn)行過程中，001DN失效會(huì)導(dǎo)致定子冷卻水電導(dǎo)率緩慢上漲，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相關(guān)儀表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并發(fā)出報(bào)警。一旦發(fā)現(xiàn)異常，可以采取措施控制事故的發(fā)展并糾正不良后果，不會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的核安全和可用性降級(jí)。但實(shí)施必要的預(yù)防性維修，可以有效延長設(shè)備的使用壽命，其成本低于不實(shí)施預(yù)防性維修的設(shè)備運(yùn)行至失效的成本。因此關(guān)鍵度為E級(jí)。因?yàn)槠涮幱陬l繁折損的運(yùn)行狀態(tài)，且工作環(huán)境良好，所以運(yùn)行頻度和工作環(huán)境分別為H和M。失效后果為顯性。

2.4 關(guān)鍵度為R級(jí)的設(shè)備

根據(jù)本文第1.2節(jié)對(duì)設(shè)備關(guān)鍵度的劃分原則的描述，將疏水閥（006VD）關(guān)鍵度定為R級(jí)。

在機(jī)組正常運(yùn)行過程中，006VD失效會(huì)導(dǎo)致部分介質(zhì)泄漏，但漏量較小，不影響系統(tǒng)整體的水裝量，可以采取在線堵漏等維修方式進(jìn)行及時(shí)處理。不會(huì)導(dǎo)致機(jī)組核安全和可用性降級(jí)，且不需要任何預(yù)防性維修，可任其運(yùn)行至失效，有效節(jié)約了核電廠的運(yùn)維成本。因此關(guān)鍵度為R級(jí)。

3 結(jié)語

本文介紹了核電廠的設(shè)備全面分級(jí)方法的基本概念和原理，并運(yùn)用該方法對(duì)CPR1000某核電廠的GST系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐，得出了如下研究結(jié)論：

（1）通過實(shí)施設(shè)備全面分級(jí)，可以明確區(qū)分設(shè)備的重要程度，為制定不同的管理方法和措施提供重要依據(jù)，有助于提升電廠設(shè)備的可靠性水平，并降低運(yùn)維成本。

（2）部分失效概率低的設(shè)備，若其失效后果嚴(yán)重，應(yīng)當(dāng)保守決策，充分考慮潛在風(fēng)險(xiǎn)。

（3）設(shè)計(jì)階段應(yīng)采取合理的設(shè)計(jì)措施，保證電廠的可靠性水平。