核電站反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)故障診斷策略探討

艾瓊 劉才學(xué) 何攀 王瑤 彭翠云

【摘 要】核電站反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)故障診斷對核電站運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。通過對核電站反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)介紹闡述故障診斷的基本研究方向。簡單介紹了目前國內(nèi)故障診斷的情況。最后基于國內(nèi)實際情況提出了“兩步走”核電站反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)故障診斷策略，首先基于工程使用大力發(fā)展針對一回路系統(tǒng)單個設(shè)備的故障診斷技術(shù)，積累大量數(shù)據(jù)知識，待技術(shù)基礎(chǔ)穩(wěn)固后集成開發(fā)核反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)綜合故障診斷技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】核電站 一回路系統(tǒng) 故障診斷

1引言

機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及故障產(chǎn)生的機(jī)理日益復(fù)雜使得故障診斷技術(shù)應(yīng)用于保護(hù)國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備成為工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，核電工業(yè)尤其如此。作為安全、清潔、經(jīng)濟(jì)的能源，核電己被越來越多的國家政府和人們所認(rèn)同。在我國，在核電機(jī)組的陸續(xù)建設(shè)和運(yùn)行緩解我國現(xiàn)在的能源需求的同時，也對核電設(shè)備的安全性、可靠性提出了越來越高的要求。另一方面，系統(tǒng)和設(shè)備出現(xiàn)故障而造成的反應(yīng)堆停堆會給核電站造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以無論是核電站安全性還是經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，加強(qiáng)核電站系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研發(fā)都具有重大意義。

2 診斷對象

壓水堆核電廠主要是由反應(yīng)堆、一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)和設(shè)備組成。壓水堆核電廠中具有放射性的一回路與不帶放射性的二回路系統(tǒng)是分開的，通常把壓水堆核電廠分為核島和常規(guī)島兩大部分。核島是指核的系統(tǒng)和設(shè)備部分；常規(guī)島是指那些和常規(guī)火電廠相似的系統(tǒng)—和設(shè)備部分。

反應(yīng)堆將堆芯核裂變放出的熱能通過一回路冷卻劑的循環(huán)帶出反應(yīng)堆并傳遞給二回路工質(zhì)以產(chǎn)生蒸汽。現(xiàn)代商用壓水堆核電廠反應(yīng)堆一回路一般有二至四條并聯(lián)在反應(yīng)堆壓力容器上的封閉環(huán)路。每一條環(huán)路由一臺蒸汽發(fā)生器、一臺或兩臺反應(yīng)堆冷卻劑泵及相應(yīng)的管道組成，其中一個環(huán)路的熱管段上通過波動管與一臺穩(wěn)壓器相連。一回路內(nèi)的高溫高壓含硼水，由反應(yīng)堆冷卻劑泵輸送，流經(jīng)反應(yīng)堆堆芯，吸收了堆芯核裂變放出的熱能，再進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，通傳蒸汽發(fā)生器傳熱管壁降熱量傳給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)給水，然后再由反應(yīng)堆冷卻劑泵唧送回反應(yīng)堆。如此循環(huán)往復(fù)，構(gòu)成封閉回路。整個一回路系統(tǒng)設(shè)有一臺穩(wěn)壓器。一回路系統(tǒng)的壓力靠穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)，且保持穩(wěn)定。

核能安全利用的目標(biāo)是放射性釋放的潛在風(fēng)險可控，其前提是保證核電站一回路系統(tǒng)各關(guān)鍵設(shè)備的安全運(yùn)行。反應(yīng)堆壓力容器與管道對放射源有保存、封閉的作用，所以保障壓力邊界的完整性很重要。主泵是一回路系統(tǒng)能量傳遞的唯一動力源，其正常運(yùn)行對反應(yīng)堆安全運(yùn)行意義重大。控制反應(yīng)堆啟、停的控制棒提升和插入順暢。反應(yīng)堆堆內(nèi)部件繁多，需要及時發(fā)現(xiàn)并合理的處置可能的松動或脫落。在盡量提高核電站自身的固有可靠性的同時開展故障診斷研究，開展核電站一回路系統(tǒng)的故障診斷研究，及時發(fā)現(xiàn)故障，防止故障的惡化，保障核電站運(yùn)行安全。

3 研究現(xiàn)狀

我國核電站故障診斷起步較晚，1988年清華大學(xué)核研院開始跟蹤故障診斷專家系統(tǒng)學(xué)術(shù)動態(tài)，并于1993年利用故障樹分析技術(shù)開發(fā)了核電站二回路故障診斷專家系統(tǒng)（FBOLES），并通過了模擬機(jī)驗證。同年清華大學(xué)工程物理系開發(fā)了基于規(guī)則知識庫的壓水堆核電站運(yùn)行故障診斷及處理專家系統(tǒng)ESPWR。90年代末期國內(nèi)核電站及反應(yīng)堆故障系統(tǒng)的研究逐步轉(zhuǎn)向包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、遺傳算法等的新型方法。清華大學(xué)核研院在其研究中加入了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的快速預(yù)測，采用遺傳算法的綜合評價。重慶大學(xué)進(jìn)行了使用因果圖方法的核電站二回路故障診斷系統(tǒng)研究。盡管投入了大量的研究，但是具有其特殊性，目前能夠面向核電站一回路系統(tǒng)的綜合故障診斷系統(tǒng)非常少。國內(nèi)上尚沒有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的并投入運(yùn)行的核電站一回路系統(tǒng)綜合故障診斷系統(tǒng)。

目前也有很多針對一回路系統(tǒng)某個設(shè)備的故障診斷系統(tǒng)，這是較接近工程實用的診斷研發(fā)方向。中國原子能研究院使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、主成分分析等多種方法進(jìn)行了針對試驗快堆鈉泵的故障診斷系統(tǒng)研究與開發(fā)。各大高校針對單個設(shè)備單一故障的特征提取、診斷方法研究進(jìn)行了大量理論研究，但缺乏工程實用背景。總體看核電站一回路系統(tǒng)故障診斷研究和應(yīng)用現(xiàn)狀呈現(xiàn)出理論研究強(qiáng)，工程應(yīng)用研究不夠的問題。

4 故障診斷策略

故障監(jiān)測與診斷一般可分為信號采集、特征量提取、診斷知識獲取與診斷決策四個主要步驟。選擇合適的運(yùn)行參數(shù)作為監(jiān)測信號，信號處理提取數(shù)據(jù)特征量數(shù)據(jù)，利用人工智能獲取診斷知識，最后利用診斷知識、模型等對在線或離線監(jiān)測獲得的運(yùn)作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，并提出診斷決策建議。

核電站反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，其運(yùn)行中涉及的監(jiān)測參數(shù)很多，包括按照陣列排布的溫度、壓力參數(shù)、各設(shè)備的振動測量獲得的大量振動特征參量……這些數(shù)據(jù)具有時變性、多尺度性、非線性以及維度大等特征，不同的監(jiān)測和診斷目標(biāo)下選擇合理的監(jiān)測參數(shù)和特征量需要進(jìn)行反復(fù)地分析和斟酌。主要考慮那些對核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行有著重要影響的參數(shù)作為監(jiān)測參數(shù)，并考慮某些參數(shù)間的關(guān)系。面對到不同的設(shè)備的不同監(jiān)測要求肯定會有不同的監(jiān)測參數(shù)組合，我們的選擇標(biāo)準(zhǔn)是：（1）可用性，容易采集表達(dá)；（2）完整性，能夠充分描述對應(yīng)設(shè)備的動態(tài)行為；（3）最小化，盡可能使參數(shù)數(shù)目最少；（4）敏感性，對設(shè)備的某些故障比較敏感。

特征量的提取是故障診斷過程中的一個關(guān)鍵步驟，需從監(jiān)測的信號中分析提取出具有能代表故障特征的值的過程。準(zhǔn)確的故障診斷依賴于良好的特征信息的提取，并直接的決定了故障診斷的效果。從時域分析、頻域分析、小波分析、分形維度和經(jīng)驗?zāi)B(tài)等多中方法入手，找到最好的表征故障信息的特征參量是很有必要的。這些方法特征提取過程的共同依據(jù)是能量保持。在特征提取中要盡可能多的提取多的特征參量以免信息遺漏。特征量的提取只是初始數(shù)據(jù)集預(yù)備與轉(zhuǎn)換過程中的第一步，它并不是進(jìn)行診斷知識提取的最佳數(shù)據(jù)集，要對其進(jìn)行許多轉(zhuǎn)換得到更有用的特征量組合。為得到更好的特征量組合需對原始特征數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，異常點分析、合適的樣本容量，比率，標(biāo)準(zhǔn)化等都是最基本的，大型的數(shù)據(jù)集的簡化、歸約也是很有必要的，可以通過特征歸約，熵度量，主成分分析，值歸約，特征離散化技術(shù)等技術(shù)來實現(xiàn)。這些技術(shù)會幫助我們從紛繁的數(shù)據(jù)集中找到合適的用于故障診斷知識獲取的特征量或其組合。

由于人工智能在處理復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)故障診斷中兼具有理論意和應(yīng)用價值，所以將人工智能用于核電站的故障診斷系統(tǒng)成為越來越普遍的選擇。基于人工智能的診斷知識的獲取方法很多，以單一設(shè)備故障診斷為例，需要根據(jù)已有的異常狀態(tài)信息對新監(jiān)測數(shù)據(jù)的故障與否、故障類型、故障程度等做出判斷，其實質(zhì)可以看作是分類問題。可以采用的分類方法有如下一些：決策樹分類法、基于規(guī)則分類法、最近鄰分類法、樸素貝葉斯分類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法、支持向量機(jī)和粗糙集分類方法等等。無論采用哪種方法，基于人工智能的診斷知識的獲取都是訓(xùn)練算法從樣本特征數(shù)據(jù)中找到對故障類別進(jìn)行良好分類準(zhǔn)確度、并對新的數(shù)據(jù)具有好的泛化能力的診斷模型，也就是獲取診斷知識的載體。在一回路壓力邊界完整性診斷知識獲取中，可以基于聲發(fā)射信號衰減和傳感器陣列布置建立一個壓力邊界泄漏定位、定量解析模型，也就是泄漏診斷知識；在主泵故障診斷中可以基于支持向量建立各故障分類模型知識。

當(dāng)對象從單一設(shè)備擴(kuò)展到一回路這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)的綜合故障診斷時，首先需要考慮系統(tǒng)各設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系對特征的提取與簡化的影響，診斷知識的歸納與知識庫的建立往往需要一個很長的積累過程，海量數(shù)據(jù)下如何提高診斷效率的問題也會凸顯。

最后使用訓(xùn)練好的診斷模型對新的監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)做出診斷，診斷結(jié)果一般包括故障類別置（或位）和故障程度，診斷結(jié)果可以指導(dǎo)運(yùn)行操作人員結(jié)合管理流程，做出維修保障行動或決策。

針對核電站一回路系統(tǒng)的綜合故障診斷技術(shù)研發(fā)成熟后，一般以一種操作人員的支持系統(tǒng)的方式服務(wù)于核電站一回路系統(tǒng)故障診斷，使得核電站一回路系統(tǒng)的運(yùn)行中的故障診斷更容易、更準(zhǔn)確，降低事故時的人因失誤，并減輕事故給操作人員帶來的壓力，提高系統(tǒng)的可靠性和有效性。隨著技術(shù)研發(fā)的進(jìn)步，除單純的故障診斷外，支持系統(tǒng)還可能擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測、故障隔離、故障定位、規(guī)程指導(dǎo)等功能，所使用的方法也隨著人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用而越來越趨向于智能化。

按照上面的研發(fā)思路，中國核動力研究院在核電站反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備故障診斷進(jìn)行深入的研發(fā)，包括松脫部件與堆內(nèi)構(gòu)件振動監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，壓力管道缺陷與泄漏定位、定量診斷系統(tǒng)，主泵運(yùn)行狀態(tài)振動監(jiān)測與故障診斷等設(shè)備級的故障診斷技術(shù)研發(fā)，緊密結(jié)合工程實用需求是其診斷研究的特點。2008年10月開始反應(yīng)堆松脫部件與振動監(jiān)測系統(tǒng)（KIR系統(tǒng)）向秦山核電站供貨，目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功供貨28套，并成功實現(xiàn)14個核電機(jī)組的商用。KIR系統(tǒng)由松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)（LPMS）和堆內(nèi)振動監(jiān)測系統(tǒng)（VMS）兩個部分，其主要功能是在線監(jiān)測核反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器內(nèi)可能出現(xiàn)的松動件、脫落件和外來件，周期性監(jiān)測反應(yīng)堆壓力容器和堆內(nèi)構(gòu)件的振動。當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)報警后啟動診斷服務(wù)，報警數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程等方式發(fā)送到診斷服務(wù)中心，診斷結(jié)論以報告形式返回，為核電站安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。此外針對壓力管道缺陷和泄漏定量、定位診斷技術(shù)的研發(fā)目前已逐步趨于成熟，即將實現(xiàn)供貨；針對主泵振動狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的技術(shù)已完成技術(shù)攻關(guān)。在不久的將來針對核電站一回路系統(tǒng)各關(guān)鍵設(shè)備的故障診斷技術(shù)都會投入商用，并積累大量一回路系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，這會大大促進(jìn)核電站一回路系統(tǒng)綜合故障診斷系統(tǒng)的研發(fā)。

作者簡介：艾瓊（1983—），女，漢族，湖北天門人，博士，助理研究員，反應(yīng)堆運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷；劉才學(xué)（1967—），男，漢族，四川大英人，碩士，研究員，反應(yīng)堆運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷；何攀（1979—），男，碩士，漢族，四川渠縣人，副研究員，反應(yīng)堆運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷；王瑤（1982—），女，碩士，漢族，重慶涪陵人，副研究員，反應(yīng)堆運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷；彭翠云（1982—），女，碩士，漢族，安徽合肥人，助理研究員，反應(yīng)堆運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。