風險指引型緩解系統性能指標在方家山核電廠的應用研究

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和相關設備的性能狀態，各國核電廠和核安全監管當局針對緩解系統設置了若干指標，如核電廠的系統不可用指標，世界核電運營者協會(World Association of Nuclear Operators，WANO)的安全系統性能指標，美國核管理委員會(Nuclear Regulatory Commission，NRC)以前所用的安全系統不可用度指標等。這些指標基本都只是關注了系統的可用性，即系統是否在線，而沒有考慮系統的可靠性，即設備能否成功啟動并穩定運行。事實上，系統或設備的性能是由系統或設備的可用性和可靠性共同體現的。此外，以往的性能指標所反映的都是停留在系統和設備本身，而沒有從核電廠整體風險的方面關注系統與系統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，以往對緩解系統的管理無法從風險的角度關注重要度高的問題。

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

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36個月的綜合系統運行維修狀態利用核電廠的概率安全分析(PSA)方法與基準數據進行對比的。緩解系統性能指標的目的是針對被選系統執行其風險重要功能的能力，監測被選系統的性能，包括三個要素：系統不可用度、系統不可靠度和系統部件性能限值。

1 MSPI簡介和評價方法

緩解系統性能指標(MSPI)是由核電廠系統的不可用度(UA)和不可靠度(UR)分別與業界標準基準值的差值導致的電廠堆芯損傷頻率的總變化(ΔCDF)；另外，系統部件性能限值作為MSPI的輔助指標。其中，不可用度是系統/列在過去12個季度的電廠臨界時間內由于計劃或非計劃維修或試驗不能完成其被監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，系統/列不能完成其相應功能的概率(可能性)；而基準值是指和當前電廠被計算的不可靠度與不可用度相對應的基準不可靠度和基準不可用度；系統部件性能限值是指在MSPI系統內被監測設備的性能比行業預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共有6個，包括高壓安注系統、輔助給水系統、應急柴油機系統、余熱排除系統、設備冷卻水系統和重要廠用水系統。NRC針對上述系統規定了一套MSPI計算方法，針對關鍵設備給出了性能基準，要求核電廠根據PSA模型提供計算MSPI 的基礎數據，并提供最近12個季度的參數。

目前，國內MSPI計算方法基本都是參照NRC的NEI99-02 Regulatory Assessment Performance Indicator Guideline的。根據NEI99-02，每個緩解系統的MSPI為不可用度指標(UAI)和不可靠度指標(URI)之和。若MSPI的評價結果為正數，說明系統實際性能低于基準性能；若MSPI的評價結果為負數，說明系統實際性能高于基準性能。根據NEI99-02的評級標準，MSPI的等級劃分為4個區間，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，Fa和Fm分別表示系統部件性能限值中的時間失效次數和最大失效次數，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的一級功率PSA模型，并從模型出發，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MSPI數據，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的選擇

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

2.2 相關列不可用引起的系統不可用UAI的計算

參與事故緩解的安全系統均有其設計功能，而這些功能是通過系統的相關列來完成的。當相關列上有設備不可用，就會導致相關列無法完成其設計功能。因此，UAI是基于系統的相關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NEI99-02的計算方法，UAI是按相關列級別來監測不可用度，而UAI的計算有三個主要步驟：先確定系統相關列，再收集核電廠基礎數據，最后UAI計算。

2.2.1 確定系統相關列

確定系統相關列需兩個步驟，即確定系統邊界和確定系統中的相關列。確定系統邊界包括實現系統被監測功能所要求的所有部件。確定系統的相關列數通常根據并列的熱交換器的臺數，或并列的泵的臺數，或并列流道的最小數量，或向停堆載荷提供電力的1E級應急發電機的臺數進行確定。

這樣按照以上的標準，將方家山1號機組的系統劃分成了以下幾個相關列，見表2。

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

*統計時間區間內的臨界小時數為24 989.87。

2.2.2 核電廠數據收集

UAI的特定電廠的數據收集包括：最近12個季度的實際系列總不可用數據，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。基準計劃不可用度是基于前12個季度實際的特定電廠值。由于國內現無完整的系列非計劃不可用度的歷史基準數據，故系統非計劃不可用度的歷史基準一般取自1999—2001年度反應堆監管(ROP)的工業數據。根據上述的準則，經統計方家山1號機組2019年7月1日至2022年6月30日緩解系統的相關工單，統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——單個系統中第t列的不可用度指標；

n——系統的列數。

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個季度內的實際不可用度；

UABLt——由選定期內核電廠的計劃不可用度及非計劃不可用度之和；

CDF[FV/UA]——設備不可用的風險權重比例因子，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。

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

由此，根據方家山1號機組緩解系統2019年7月1日至2022年6月30日的數據計算獲得方家山核電廠1號機組UAI數據見表3。

表3 方家山核電廠1號機組系統列UAI結果Table 3 UAI results ofFangjiashan Unit 1

2.3 系統部件失效引起的URI的計算

安全相關緩解系統在完成其安全功能時，其每一個設備的不可靠度均對系統的不可靠度產生影響，同時也將影響到核電廠的風險水平。根據NEI99-02的方法URI的計算分為以下3個步驟：先確定每個系統的被監測部件，再收集電廠數據，最后進行URI計算。

2.3.1 確定被監測部件

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

2.3.2 電廠數據收集

根據NEI99-02核電廠URI的計算要求，URI的電廠數據包括需求次數、投運時間和失效次數。經統計方家山核電廠1號機組2019年7月1日至2022年6月30日緩解系統的維修工單以及定期試驗工單，除安注系統重要部件失效次數為2外，其余系統所有重要部件的失效次數皆為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測，按系統級別進行計算。URI與特定電廠部件不可靠度和工業平均不可靠度之差是加權成比例的。由該部件不可靠度之差而導致的系統URI計算如下：

(4)

其中：URBj——前12個季度中系統內的某設備j貝葉斯處理后的實際不可靠度；

URBLj——系統中設備j業界不可靠度的平均值；

由此可見，URI反應的是系統中對所確定的系統功能有貢獻的所有設備的不可靠度的改變所帶來的風險變化。

方家山1號機組緩解系統2019年7月1日至2022年6月30日的數據計算獲得該機組URI數據見表4。

表4 方家山核電廠1號機組系統列URI結果Table 4 URI results ofFangjiashan Unit 1

2.4 系統部件性能限值的計算

被監測的緩解系統一般是核電廠最重要的系統。但是，在一定情況下，這些系統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，還可能會包括對其他緩解系統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性能已經處于白色區域的另一個判斷準則。該判斷準則建立在系統性能已經背離預期性能的基礎上。這個判斷準則是當一個系統的性能被認為很可能已經降級時，該系統就將被置于白色區域，即使計算所得的MSPI<1.0×10-6。

該準則可以用于緩解系統中的每一類部件。如果某個部件類型在過去的12個季度內的失效次數超過了性能基準限值，則該系統需被認為處于白色水平區域，不管MSPI計算結果是多少，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期失效次數(Fe)和根據該值計算性能限值(即最大失效次數Fm)。

其中，

Fe=Nd·p+λ·Tr

(5)

式中：Nd——需求次數；

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：

Fm=4.65Fe+4.2

(6)

如果一個系統中的一組相似部件在過去的12個季度中的時間失效次數(Fa)超出了Fm，則該系統將被置于白色性能區域內。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

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

表5 方家山核電廠1號機組MSPI指標結果Table 5 MSPI results of Fangjiashan Unit 1

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

表6 方家山1號機組緩解系統性能指標評價結果Table 6 MSPI evaluation results of Fangjiashan Unit 1

4 結 論

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

1)MSPI同時評價系統內所有設備不可靠度和不可用度對機組安全的影響。應高度關注生產活動中發生的設備的失效與降級，著重關注系統和設備的可靠度以及對核電廠安全的影響。

2)MSPI能夠將不同的系統和設備的性能的改變體現到核電廠風險變化上進行比較，能夠篩選出重要的安全問題和重要設備，能夠為設備維修和管理提供依據，也能夠篩選出需要關注的安全重要設備。

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

通過MSPI在方家山核電廠的具體應用實踐表明，使用MSPI能夠實現對安全緩解系統性能的定期評價，能夠從風險的角度有效的反應安全緩解系統的性能，避免了對設備不可靠度的忽視，為核電廠的風險指引型的設備管理和維修管理提供依據。