風(fēng)險指引型緩解系統(tǒng)性能指標在方家山核電廠的應(yīng)用研究

劉德懿，曹 勇，王子龍，徐 中，鄒勝佳

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

為了能有效跟蹤核電廠緩解系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備的性能狀態(tài)，各國核電廠和核安全監(jiān)管當(dāng)局針對緩解系統(tǒng)設(shè)置了若干指標，如核電廠的系統(tǒng)不可用指標，世界核電運營者協(xié)會(World Association of Nuclear Operators，WANO)的安全系統(tǒng)性能指標，美國核管理委員會(Nuclear Regulatory Commission，NRC)以前所用的安全系統(tǒng)不可用度指標等。這些指標基本都只是關(guān)注了系統(tǒng)的可用性，即系統(tǒng)是否在線，而沒有考慮系統(tǒng)的可靠性，即設(shè)備能否成功啟動并穩(wěn)定運行。事實上，系統(tǒng)或設(shè)備的性能是由系統(tǒng)或設(shè)備的可用性和可靠性共同體現(xiàn)的。此外，以往的性能指標所反映的都是停留在系統(tǒng)和設(shè)備本身，而沒有從核電廠整體風(fēng)險的方面關(guān)注系統(tǒng)與系統(tǒng)性能改變對電廠安全的影響，更無法定量地表明其影響程度的大小。長期的實踐表明，以往對緩解系統(tǒng)的管理無法從風(fēng)險的角度關(guān)注重要度高的問題。

隨著以概率安全分析(Probabilistic Safety Analysis，PSA)為基礎(chǔ)的風(fēng)險指引型方法的不斷推廣，風(fēng)險指引型的緩解系統(tǒng)性能指標(Mitigating System Performance Index，MSPI)應(yīng)運而生，MSPI全面關(guān)注緩解系統(tǒng)的性能，包括可靠性和可用性，能夠應(yīng)用風(fēng)險見解更加合理地跟蹤系統(tǒng)設(shè)備性能及其對核電廠整體安全水平的影響。中國核電于2018年上線了設(shè)備可靠性管理系統(tǒng)，通過MSPI的計算，可為中國核電的設(shè)備可靠性管理提供相應(yīng)的理論和數(shù)據(jù)支持。本文通過MSPI在方家山核電廠的具體應(yīng)用情況，闡述了MSPI指標在核電廠安全管理和設(shè)備管理中的作用。

方家山核電廠目前兩臺百萬千瓦級壓水堆核電機組投運，MSPI是根據(jù)36個月的綜合系統(tǒng)運行維修狀態(tài)利用核電廠的概率安全分析(PSA)方法與基準數(shù)據(jù)進行對比的。緩解系統(tǒng)性能指標的目的是針對被選系統(tǒng)執(zhí)行其風(fēng)險重要功能的能力，監(jiān)測被選系統(tǒng)的性能，包括三個要素：系統(tǒng)不可用度、系統(tǒng)不可靠度和系統(tǒng)部件性能限值。

1 MSPI簡介和評價方法

緩解系統(tǒng)性能指標(MSPI)是由核電廠系統(tǒng)的不可用度(UA)和不可靠度(UR)分別與業(yè)界標準基準值的差值導(dǎo)致的電廠堆芯損傷頻率的總變化(ΔCDF)；另外，系統(tǒng)部件性能限值作為MSPI的輔助指標。其中，不可用度是系統(tǒng)/列在過去12個季度的電廠臨界時間內(nèi)由于計劃或非計劃維修或試驗不能完成其被監(jiān)視功能的時間與電廠在過去12個季度的臨界時間的比值；不可靠度是針對PSA中的成功準則而言的，并且是選擇其中最嚴格的成功準則來看，在最近12個季度內(nèi)，系統(tǒng)/列不能完成其相應(yīng)功能的概率(可能性)；而基準值是指和當(dāng)前電廠被計算的不可靠度與不可用度相對應(yīng)的基準不可靠度和基準不可用度；系統(tǒng)部件性能限值是指在MSPI系統(tǒng)內(nèi)被監(jiān)測設(shè)備的性能比行業(yè)預(yù)期性能明顯降低的情況下，對于性能降級的一種度量。

對于壓水堆機組，NRC確定使用MSPI管理的重要緩解系統(tǒng)共有6個，包括高壓安注系統(tǒng)、輔助給水系統(tǒng)、應(yīng)急柴油機系統(tǒng)、余熱排除系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和重要廠用水系統(tǒng)。NRC針對上述系統(tǒng)規(guī)定了一套MSPI計算方法，針對關(guān)鍵設(shè)備給出了性能基準，要求核電廠根據(jù)PSA模型提供計算MSPI 的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并提供最近12個季度的參數(shù)。

目前，國內(nèi)MSPI計算方法基本都是參照NRC的NEI99-02 Regulatory Assessment Performance Indicator Guideline的。根據(jù)NEI99-02，每個緩解系統(tǒng)的MSPI為不可用度指標(UAI)和不可靠度指標(URI)之和。若MSPI的評價結(jié)果為正數(shù)，說明系統(tǒng)實際性能低于基準性能；若MSPI的評價結(jié)果為負數(shù)，說明系統(tǒng)實際性能高于基準性能。根據(jù)NEI99-02的評級標準，MSPI的等級劃分為4個區(qū)間，分別用綠、白、黃、紅四種顏色來表示，具體的評價準則見表1。

表1 MSPI指標評價準則Table 1 The evaluation criteria of MSPI

其中，F(xiàn)a和Fm分別表示系統(tǒng)部件性能限值中的時間失效次數(shù)和最大失效次數(shù)，具體計算和評價方法見后文。

MSPI評價的必要條件是電廠具有相應(yīng)的一級功率PSA模型，并從模型出發(fā)，按照圖1所示步驟完成MSPI的評價。

圖1 MSPI評價步驟Fig.1 MSPI evaluation steps

根據(jù)上述計算和評價方法，本文以方家山1號機組為例，計算了其各個緩解系統(tǒng)MSPI數(shù)據(jù)，并進行了評價。

2 方家山MSPI的計算方法

2.1 方家山核電廠安全緩解系統(tǒng)的選擇

根據(jù)NEI99-02中的規(guī)定，安全緩解系統(tǒng)可以選擇為應(yīng)急交流電源系統(tǒng)、高壓安注系統(tǒng)、輔助給水系統(tǒng)、設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和重要廠用水系統(tǒng)。參照這個標準，方家山核電廠兩臺機組安全緩解系統(tǒng)指標監(jiān)測的對象選擇為安注系統(tǒng)(RIS/RCV)、柴油發(fā)電機系統(tǒng)(LHP/LHQ)、輔助給水系統(tǒng)(ASG)、重要廠用水系統(tǒng)(SEC)和設(shè)備冷卻水系統(tǒng)(RRI)。以下以方家山1號機組(2014年12月商運)最新數(shù)據(jù)(2019年7月1日至2022年6月30日)來計算MSPI指標。

2.2 相關(guān)列不可用引起的系統(tǒng)不可用UAI的計算

參與事故緩解的安全系統(tǒng)均有其設(shè)計功能，而這些功能是通過系統(tǒng)的相關(guān)列來完成的。當(dāng)相關(guān)列上有設(shè)備不可用，就會導(dǎo)致相關(guān)列無法完成其設(shè)計功能。因此，UAI是基于系統(tǒng)的相關(guān)列完成其安全功能時的不可用度來計算的，而安全功能的成功準則就是核電廠PSA模型中的成功準則。根據(jù)NEI99-02的計算方法，UAI是按相關(guān)列級別來監(jiān)測不可用度，而UAI的計算有三個主要步驟：先確定系統(tǒng)相關(guān)列，再收集核電廠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最后UAI計算。

2.2.1 確定系統(tǒng)相關(guān)列

確定系統(tǒng)相關(guān)列需兩個步驟，即確定系統(tǒng)邊界和確定系統(tǒng)中的相關(guān)列。確定系統(tǒng)邊界包括實現(xiàn)系統(tǒng)被監(jiān)測功能所要求的所有部件。確定系統(tǒng)的相關(guān)列數(shù)通常根據(jù)并列的熱交換器的臺數(shù)，或并列的泵的臺數(shù)，或并列流道的最小數(shù)量，或向停堆載荷提供電力的1E級應(yīng)急發(fā)電機的臺數(shù)進行確定。

這樣按照以上的標準，將方家山1號機組的系統(tǒng)劃分成了以下幾個相關(guān)列，見表2。

表2 方家山核電廠1號機組UAI系統(tǒng)列及不可用小時數(shù)Table 2 The UAI system column and unavailable hours of Fangjiashan Unit 1

*統(tǒng)計時間區(qū)間內(nèi)的臨界小時數(shù)為24 989.87。

2.2.2 核電廠數(shù)據(jù)收集

UAI的特定電廠的數(shù)據(jù)收集包括：最近12個季度的實際系列總不可用數(shù)據(jù)，特定電廠計劃不可用度基準值和通用非計劃不可用度基準值?；鶞视媱澆豢捎枚仁腔谇?2個季度實際的特定電廠值。由于國內(nèi)現(xiàn)無完整的系列非計劃不可用度的歷史基準數(shù)據(jù)，故系統(tǒng)非計劃不可用度的歷史基準一般取自1999—2001年度反應(yīng)堆監(jiān)管(ROP)的工業(yè)數(shù)據(jù)。根據(jù)上述的準則，經(jīng)統(tǒng)計方家山1號機組2019年7月1日至2022年6月30日緩解系統(tǒng)的相關(guān)工單，統(tǒng)計計算了系列不可用時間，見表2所示。

2.2.3 UAI計算

如果有一個有n列，其UAI的計算公式可表示為：

(1)

(2)

(3)

其中：UAIt——單個系統(tǒng)中第t列的不可用度指標；

n——系統(tǒng)的列數(shù)。

CDFp——核電廠機組功率運行工況下的堆芯損壞頻率；

FVUAp——特定列不可用度的FV重要度；

UAp——核電廠PSA模型中特定列的不可用度；

UAt——t列在12個季度內(nèi)的實際不可用度；

UABLt——由選定期內(nèi)核電廠的計劃不可用度及非計劃不可用度之和；

CDF[FV/UA]——設(shè)備不可用的風(fēng)險權(quán)重比例因子，由核電廠的PSA模型確定。

不可用度的具體計算過程，可參見附錄中LHP/LHQ的計算實例。

根據(jù)表2中不可用小時及公式3可算出方家山緩解系統(tǒng)各列的實際不可用率如表2所示。

由此，根據(jù)方家山1號機組緩解系統(tǒng)2019年7月1日至2022年6月30日的數(shù)據(jù)計算獲得方家山核電廠1號機組UAI數(shù)據(jù)見表3。

表3 方家山核電廠1號機組系統(tǒng)列UAI結(jié)果Table 3 UAI results ofFangjiashan Unit 1

2.3 系統(tǒng)部件失效引起的URI的計算

安全相關(guān)緩解系統(tǒng)在完成其安全功能時，其每一個設(shè)備的不可靠度均對系統(tǒng)的不可靠度產(chǎn)生影響，同時也將影響到核電廠的風(fēng)險水平。根據(jù)NEI99-02的方法URI的計算分為以下3個步驟：先確定每個系統(tǒng)的被監(jiān)測部件，再收集電廠數(shù)據(jù)，最后進行URI計算。

2.3.1 確定被監(jiān)測部件

被監(jiān)測部件是指因自身不能改變狀態(tài)或不能保持運行導(dǎo)致系列不能執(zhí)行其被監(jiān)測功能的部件。此外，所有被監(jiān)測系統(tǒng)的泵和柴油機都視為被監(jiān)測部件。為減少計算負荷，只監(jiān)測每個系統(tǒng)中風(fēng)險重要度最大的部件，而不是監(jiān)測所有失效部件和按照維修規(guī)定監(jiān)測的部件。

2.3.2 電廠數(shù)據(jù)收集

根據(jù)NEI99-02核電廠URI的計算要求，URI的電廠數(shù)據(jù)包括需求次數(shù)、投運時間和失效次數(shù)。經(jīng)統(tǒng)計方家山核電廠1號機組2019年7月1日至2022年6月30日緩解系統(tǒng)的維修工單以及定期試驗工單，除安注系統(tǒng)重要部件失效次數(shù)為2外，其余系統(tǒng)所有重要部件的失效次數(shù)皆為0。以此進行URI的計算。

2.3.3 URI計算

URI不可靠度是按部件級別進行監(jiān)測，按系統(tǒng)級別進行計算。URI與特定電廠部件不可靠度和工業(yè)平均不可靠度之差是加權(quán)成比例的。由該部件不可靠度之差而導(dǎo)致的系統(tǒng)URI計算如下：

(4)

其中：URBj——前12個季度中系統(tǒng)內(nèi)的某設(shè)備j貝葉斯處理后的實際不可靠度；

URBLj——系統(tǒng)中設(shè)備j業(yè)界不可靠度的平均值；

由此可見，URI反應(yīng)的是系統(tǒng)中對所確定的系統(tǒng)功能有貢獻的所有設(shè)備的不可靠度的改變所帶來的風(fēng)險變化。

方家山1號機組緩解系統(tǒng)2019年7月1日至2022年6月30日的數(shù)據(jù)計算獲得該機組URI數(shù)據(jù)見表4。

表4 方家山核電廠1號機組系統(tǒng)列URI結(jié)果Table 4 URI results ofFangjiashan Unit 1

2.4 系統(tǒng)部件性能限值的計算

被監(jiān)測的緩解系統(tǒng)一般是核電廠最重要的系統(tǒng)。但是，在一定情況下，這些系統(tǒng)在特定核電廠中并不那么重要。這主要是由電廠的特性引起的。在這些情況下，在風(fēng)險重要度達到MSPI越過白色界限點之前，性能可能就會有明顯的降級。同時，性能降級很有可能不僅限于一個系統(tǒng)，還可能會包括對其他緩解系統(tǒng)性能有潛在影響的交叉性問題。

用于判斷性能下降的基于性能的準則，也可以作為確定緩解系統(tǒng)性能已經(jīng)處于白色區(qū)域的另一個判斷準則。該判斷準則建立在系統(tǒng)性能已經(jīng)背離預(yù)期性能的基礎(chǔ)上。這個判斷準則是當(dāng)一個系統(tǒng)的性能被認為很可能已經(jīng)降級時，該系統(tǒng)就將被置于白色區(qū)域，即使計算所得的MSPI<1.0×10-6。

該準則可以用于緩解系統(tǒng)中的每一類部件。如果某個部件類型在過去的12個季度內(nèi)的失效次數(shù)超過了性能基準限值，則該系統(tǒng)需被認為處于白色水平區(qū)域，不管MSPI計算結(jié)果是多少，即表1中所表示的Fa>Fm。

性能基準限值的計算步驟分為兩步：確定某類部件類型的預(yù)期失效次數(shù)(Fe)和根據(jù)該值計算性能限值(即最大失效次數(shù)Fm)。

其中，

Fe=Nd·p+λ·Tr

(5)

式中：Nd——需求次數(shù)；

p——需求失效概率；

λ——失效率；

Tr——部件運行時間。

公式5中計算所得值用于公式6中，計算出最大失效次數(shù)：

Fm=4.65Fe+4.2

(6)

如果一個系統(tǒng)中的一組相似部件在過去的12個季度中的時間失效次數(shù)(Fa)超出了Fm，則該系統(tǒng)將被置于白色性能區(qū)域內(nèi)。如果計算所得MSPI>1.0×10-5，則由MSPI值來表示其水平。性能限值的具體計算過程，可參見附錄中LHP/LHQ的計算實例。

3 方家山核電廠MSPI的評價

根據(jù)前述的方法計算得出方家山1號機組緩解系統(tǒng)2019年7月1日至2022年6月30日的UAI、URI指標和系統(tǒng)部件性能限值及MSPI，詳見表5。

表5 方家山核電廠1號機組MSPI指標結(jié)果Table 5 MSPI results of Fangjiashan Unit 1

根據(jù)NEI99-02中的性能評價指標(表1)對方家山1號機組的緩解系統(tǒng)性能指標進行評價，結(jié)果如表6所示，目前方家山1號機組緩解系統(tǒng)的性能區(qū)域均處于綠色區(qū)域，且失效次數(shù)裕量充足(失效次數(shù)裕量=Fm-Fa)，維持例行管理即可。

表6 方家山1號機組緩解系統(tǒng)性能指標評價結(jié)果Table 6 MSPI evaluation results of Fangjiashan Unit 1

4 結(jié) 論

MSPI指標是安全監(jiān)督的重要指標，該指標在核電廠的安全管理和設(shè)備可靠性管理中有著直接的指導(dǎo)意義。MSPI在核電廠設(shè)備維修和管理方面有以下指導(dǎo)作用：

1)MSPI同時評價系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備不可靠度和不可用度對機組安全的影響。應(yīng)高度關(guān)注生產(chǎn)活動中發(fā)生的設(shè)備的失效與降級，著重關(guān)注系統(tǒng)和設(shè)備的可靠度以及對核電廠安全的影響。

2)MSPI能夠?qū)⒉煌南到y(tǒng)和設(shè)備的性能的改變體現(xiàn)到核電廠風(fēng)險變化上進行比較，能夠篩選出重要的安全問題和重要設(shè)備，能夠為設(shè)備維修和管理提供依據(jù)，也能夠篩選出需要關(guān)注的安全重要設(shè)備。

3)MSPI從風(fēng)險的方面對整個系統(tǒng)定量地、綜合評價系統(tǒng)的性能，為安全管理和監(jiān)督與決策提供了綜合的定量指標，能夠更客觀的反應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)。

通過MSPI在方家山核電廠的具體應(yīng)用實踐表明，使用MSPI能夠?qū)崿F(xiàn)對安全緩解系統(tǒng)性能的定期評價，能夠從風(fēng)險的角度有效的反應(yīng)安全緩解系統(tǒng)的性能，避免了對設(shè)備不可靠度的忽視，為核電廠的風(fēng)險指引型的設(shè)備管理和維修管理提供依據(jù)。