水淹廠房風險分析

黃衛剛，楊志超，戴忠華，陳軍琦

（1.大亞灣核電運營管理有限責任公司，廣東 深圳 518124；2.中科華核電技術研究院有限公司，廣東 深圳 518026）

0 概述

水淹廠房是電力行業重要風險之一，不僅會發生在壓水堆核電廠，也同樣存在于水力發電廠，這是由于它們發電過程中使用了相同的工作介質——水。2009年8月17日在薩楊－舒申斯克水電廠發生的水淹廠房，導致變壓器發生爆炸，水電廠墻體損毀，機房進水，并造成75個工作人員傷亡，直接經濟損失超過40億美元。由此可見，水淹廠房事故在水電站中危害性非常大。

本文就核電廠水淹廠房的概率風險分析的方法進行了介紹，并希望將此方法推廣到水力發電領域。該方法的優勢在于，能夠通過建立水淹風險的數學模型，定量計算發電廠可能存在的水淹風險，評價該風險與經濟性之間的關系，找到發電廠導致水淹的關鍵敏感設備，以及發電廠設計中的薄弱環節，便于電廠減少水淹災害，尋求最經濟合理的改進方案。

壓水堆核電廠內部水淹風險分析是我國核安全法規對 “核電廠概率風險分析（PSA，Probabilistic Risk Analysis）”的最新要求，其目的是鼓勵核電廠應用概率風險分析技術來提高核電廠運營管理水平與核安全水平。研發與建立的廠房水淹風險計算模型和程序，可以快捷、便利地分析電廠每一個水淹區域的水淹漫延情況，該方法可以推廣應用到其他核電廠或水力發電等相關領域。

1 內部水淹概率安全評價方法

壓水堆核電廠內部水淹風險分析的目的是要確定可能導致電廠內部水淹風險重要事件序列，所有潛在的重要水淹源。這包括水淹引發的事件序列的表征，電廠水淹始發事件頻率的評估以及影響的評價，發電廠廠房水淹漫延路徑，電廠特定的空間相關性，各種管道或者其他非能動部件的壓力邊界失效，還有系統或運行設備的人誤啟動或誤動作等。

壓水堆核電廠內部水淹風險分析時需要考慮電廠的運行經驗、設備狀態、系統的設計改進，以及人員的可靠性狀態，包括運行人員培訓，電廠操作規程等。

2 研究范圍

壓水堆核電廠 “內部水淹”是指在電廠建筑物內發生的無意的或者意外的工藝介質的釋放和積聚。內部水淹概率風險分析只考慮冷/熱生水、廢水、硼水、飲用水、冷凝水和蒸汽閃變成熱水的釋放和泄漏。內部水淹概率風險分析不包括以下事件類型：①壓水堆核電廠安全殼噴淋系統的誤動作或者安全殼內任何壓力邊界失效；②壓水堆核電廠任何壓力邊界失效或者無意的設備動作導致潤滑油或電液控制流體的泄漏；③電廠雨水和在電廠廠區外很遠的水庫引起的廠房積水。

3 水淹類型

壓水堆核電廠內部水淹概率風險分析要考慮不同類型的非能動部件的壓力邊界失效，要考慮的類型主要包括噴淋、局部水淹和重大水淹。

（1）噴淋。這里定義的噴淋是指在廠房內地面沒有積水的噴淋事件。其基本假設為，從壓力邊界穿破管壁的裂縫產生的泄漏量在地表排水系統的緩解能力范圍之內。

（2）局部水淹。局部水淹事件特點是伴隨大的穿破流量的壓力邊界故障，并且廠房內地表有積水。局部水淹泄漏量的下限就是噴淋的泄漏量上限，局部水淹泄漏量的上限通常是安全相關構筑物的水淹設計基準泄漏量。

（3）重大水淹。重大水淹事件特點是壓力邊界結構故障，導致產生超出水淹設計基準的泄漏量。

4 主要步驟和任務

壓水堆核電廠內部水淹概率風險分析分為3個主要分析階段和11個任務，如圖1所示。

5 各主要任務的技術內容

確定壓水堆核電廠水淹區域、水淹區域定性篩選、水淹始發事件分析和水淹后果分析是建立數學模型的關鍵步驟。

5.1 確定水淹區域

圖1 核電廠水淹風險分析主要步驟和任務

以電廠巡訪確定的水淹區域為分析的基本單元，為了對所有易受水淹影響的區域進行更詳細的分析，內部水淹概率風險分析以確定的水淹區域為起點，經過定性篩選，對篩選后的區域進行定量分析，評估各區域發生水淹事件對電廠運行帶來的災害。利用巡訪得到的電廠信息確定水淹區域，是內部水淹概率風險分析首要工作。確定水淹區域的重要性可以評估水淹對機組安全的威脅。利用現有的電廠信息確定水淹區域，是內部水淹概率風險分析必須首先完成的一項工作。從以下3個方面考慮：第一，便于確定水淹對重要的設備有影響的區域；第二，便于確定需要考慮的水淹源和水淹成因；第三，為了描述需要分析的各種水淹漫延路徑，需要確定水淹區域。

5.1.1 確定水淹區域的原則

水淹區域的確定可以借鑒國外壓水堆核電廠比較成熟的水淹概率風險分析實踐經驗，并考慮到今后電廠分析結果應用方面的需求，在確定水淹區域時采用如下原則對廠房或房間進行劃分：

（1）電廠實體隔離的廠房或房間作為單獨的水淹區域（房間之間正常位置處于 “關閉”的門屬于實體隔離邊界），無實體隔離邊界的阻隔，可以直接相互漫延的相鄰房間合并成一個水淹區域。

（2）電廠廠房外無設備的走道或空曠區域不作為水淹區域。

5.1.2 確定水淹區域的方法

壓水堆核電廠水淹概率風險分析的開發中，確定水淹區域采用的分析過程為：先確定初步的水淹區域清單，然后通過后續的電廠巡訪工作不斷修正、完善初步的水淹區域清單，得出最終的水淹區域清單。分析過程如圖2所示。

5.2 水淹區域定性篩選

圖2 確定水淹區域的分析過程

核電廠初步確定的水淹區域數量很多，大亞灣核電廠1個機組就達到887個。為了減少后續定量評估的工作量，有必要將風險不重要的水淹區域排除，可采用2個原則：

（1）水淹區域內沒有水淹源。

（2）如果在重要設備即將淹沒時不會引起始發事件或無需電廠立即停堆，并滿足如下任一條件，則可在進一步評估的范圍中篩選掉這些水淹區域：①水淹區域內（包括水源能夠漫延到的相鄰區域內）沒有重要的構筑物、系統和部件；②水淹區域內沒有足以（如通過噴濺、淹沒或其他可用的機理）引起重要的構筑物、系統和部件故障的水源；③水淹區域內的水淹緩解系統（如排水溝或地坑泵）能夠防止不可接受的水淹深度，同時水淹（如通過噴濺、淹沒或其他適用的故障機理）不會引起重要的構筑物、系統和部件故障。

按照以上篩選準則，大亞灣核電廠和嶺澳核電廠1個機組的水淹區域就從初始的800、900個分別減少為62個和63個，大大減少了后續分析的工作量。

5.3 水淹始發事件分析

水淹始發事件分析的主要工作就是確定水淹區域的水淹始發事件頻率。在內部水淹概率風險分析中，通常考慮兩種水淹始發事件。一種是硬件失效引起的水淹，另一種是人因引起的水淹。

在大亞灣、嶺澳核電廠水淹概率風險分析中，對重要核設施失效引起的水淹頻率計算采用國外核電廠通用數據作為先驗數據，結合統計得到的大亞灣、嶺澳核電廠水淹事件和相應的系統管道長度進行貝葉斯處理，從而得到的適合本地環境特點的后驗數據，該數據可以作為本次水淹概率風險分析相關的系統、設備管徑范圍的水淹頻率。最后需要結合電廠巡訪統計得到的管道長度和管徑數據計算得到各水淹區域里的噴淋、局部水淹和重大水淹頻率。

對于人因引起的水淹始發事件頻率計算，采用經典估計和加權分配的方法。具體思路為：從電廠實際運行數據和事件單中統計得到人因引起的水淹次數，采用經典估計得到人因引起水淹的始發事件頻率。

通過核電廠的廠區環境和設備分析篩選，可以確定出具體的水淹源，并且篩選出有人因操作的區域清單。，對這些水淹區域合理分配各類水淹風險頻率，按照電廠水淹區域內水（或油）相關的設備數量多少為每個區域賦予權重因子。最后將經典估計得到的人因引起水淹的始發事件頻率加權分配到這些區域中，從而得到每一個有水淹源的區域的人因引起的水淹頻率。

5.4 水淹后果分析

電廠水淹后果分析是內部水淹概率風險分析中工作量比較繁重的一項任務，需要大量的電廠特定信息和支持性計算。水淹后果分析主要包括：確定電廠水淹漫延和緩解信息、評估水淹對電廠重要設備的影響、確定水淹導致的各類始發事件（例如：全廠斷電）。

5.4.1 確定水淹漫延和緩解信息

電廠水淹發生后，水可能從某個區域漫延到相鄰區域，也可能通過電廠緩解設施將水成功排出去。為了完整地分析水淹的風險，需要確定電廠水淹漫延和緩解信息。

確定電廠水淹漫延信息的方法是：通過電廠布置圖分析進行初步評估，通過電廠巡訪來確認信息是否正確，并確定哪些信息對水淹是至關重要的。一般來說，漫延路徑在布置圖上不明顯，但在巡訪時卻通常可以識別出來。

在電廠巡訪時，還需要收集水淹緩解信息。對每一水淹區域和每一水淹源確定能夠終止或限制水淹漫延的電廠設計特征。這些緩解信息包括：①電廠水淹報警；②電廠水淹防護堤、防水坎、地坑；③各區域排水溝；④水淹區域地坑泵、防噴濺屏障、水密門；⑤可以自動或手動操作的擋板。

5.4.2 評估水淹對設備的影響

對核電廠而言，有許多可導致設備失效的水淹效應，包括：浸沒、噴濺、噴射沖擊、甩管、潮濕、冷凝、溫度相關因素。在這些水淹效應中，浸沒和噴濺是需要重點分析的，對于其他未進行正式分析的水淹效應，采用保守的假設進行定性評估。

（1）部件浸沒。假定部件浸沒將導致電廠電氣設備失效。當設備最底下部分（例如底座之上）被浸沒時，通常認為該設備會失效。除非有詳細的評估證明，即使部分浸沒該部件仍然可用。為了證明區域發生水淹后，不會淹到電氣設備，需要進行大量的水淹高度計算。

（2）噴濺。水淹源的位置可能使噴濺比實際的水淹更重要。剛剛位于水淹水位以上的部件在實際的浸沒之前可能因噴濺而失效。假設水噴濺將導致電氣設備（如開關）失效，除非受到安裝適當的防護罩的保護。為了確定水噴濺是否會導致電氣設備失效，需要收集電氣設備的外殼防護信息。

對于噴淋、局部水淹和重大水淹3種水淹方式，需要分別確認是否會噴濺到重要的電氣設備上。5.4.3 確定水淹導致的始發事件

確定水淹導致的始發事件主要從3個方面來考慮：①水淹是否會導致電廠汽機跳閘或反應堆緊急停堆？②水淹是否會導致技術規范中的安全相關設備不可用？③水淹是否會直接導致內部事件一級概率風險分析中所分析的始發事件？

通過分析水淹導致的始發事件，可以在水淹始發事件和內部事件一級概率風險分析模型中建立一座橋梁，這樣就可以很容易計算得出內部水淹風險。

6 分析及思考

從內部水淹概率風險分析的重要度排序和支配性最小割集，通過分析總結如下：

（1）水淹導致電廠直流電喪失和水淹導致熱阱喪失是重要的風險貢獻。

（2）噴濺和浸沒這兩種主要的水淹效應中，浸沒的貢獻占主導。

（3）某一區域發生水淹，不但導致本區域重要設備不可用，還會因漫延而影響相鄰區域重要設備的可用性，這種情形的風險往往較高。

（4）相對于硬件失效引起的水淹，人員引起的水淹風險占主導。因此，電廠應加強工作過程中的跑水風險控制。

7 結 語

本文設計的水淹廠房的概率風險分析的方法和技術符合目前國際通行的概率風險分析技術標準；在數學計算模型建立時研發人員深入現場做巡訪和勘查，模型符合電廠的實際運行工況，風險計算結果合理，反復校驗認為可以用于大亞灣/嶺澳核電廠的風險管理，并且希望能將此方法借鑒引入水力發電領域。

專家評審認為：對于國內同類型新建核電廠，水淹廠房的概率風險分析模型能夠對核電廠的總體設計進行評價，發現設計的薄弱環節，從而對設計提出更有針對性的改進措施。對于在役核電廠來說，水淹概率風險分析還可以在強化安全決策、有效使用資源、減輕核電廠負擔等方面發揮巨大的作用，從而提高核電廠的安全水平和經濟效益。