可靠性分配在核電廠設計中的應用研究

楊麗芳 陳樹明

中國原子能科學研究院 北京 102413

我國2021年國務院《政府工作報告》中提出：“在確保安全的前提下積極有序發展核電。”為了提高核電廠安全水平，國家核安全局創建了中國核電廠設備可靠性數據平臺，采集核電廠設備可靠性數據，多次發布了《中國核電廠設備可靠性數據報告》，給出了我國運行核電廠商常用設備類的可靠性數據統計結果。

核電廠在控制及運行操作方面具有一些特殊的安全問題，不但會影響其自身，而且會波及周圍環境和相鄰地區，因此從開發以來一直強調核安全，不放過任何一個措施，將風險降到能實現的最低水平。但是核電廠還存在其他的、常規電廠都會有的普通風險，比如熱排放會對環境造成影響、設備(部件)故障或人為等因素可能引起核電廠安全問題。

這些常規風險或安全問題通常會造成很大的經濟損失。而可靠性是研究產品故障發生規律的技術，研究如何預防和減少設備故障，從而提高核電廠經濟性，筆者把可靠性分配應用到核電廠設計中。本文按照國軍標中可靠性的定義，對照定義了核電廠的可靠性，給出了可靠性分配在核電廠的實施過程。

1 可靠性定義

GJB451A中規定可靠性是指產品在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力。其中，產品是指研究的對象；規定的條件是指預先規定產品所受到的外部作用條件；規定時間是指產品能執行任務的時間；規定的功能是指產品的技術性能指標。

不同產品組成部分不同，其可靠性也不同，無法直接進行比較。不同產品通常受到工作環境、使用和維修等外部條件作用，產品可靠性通常隨時間增長而逐步下降，離開時間就無可靠性而言，而規定時間的長短又隨產品對象不同和使用目的不同而異；同時規定的功能是指完成全部規定的功能，而不只是其中的部分功能。

綜上所述，一提到可靠性，應明確是什么產品的可靠性，在什么條件下的、什么時間內的可靠性，故障判據是什么。

2 核電廠的可靠性

根據可靠性的定義，定義核電廠的可靠性為核電廠在壽命周期內的滿功率下，足額持續發電的能力。

(1)研究的對象是核電廠。

(2)規定的條件是廠址環境、不同運行模式、機械物理等。

(3)規定的時間是核電廠的壽命周期40年。

(4)規定的功能是核電廠保持其正常持續足額發電的能力。

按照規定的生產可用性要求，設計的電廠在整個壽命期間年平均生產可用性大于80%(負荷因子)[1]。

關于大修、換料時間和強迫停堆等參數，根據已有資料給出的參數為[1]：

強迫停機——電廠的設計應使強迫停機的頻率和時間每年不超過5天。

換料時間——電廠的設計應使正常換料大修時間為17天或更少(主發電機斷路器打開至關閉)，假設一天生產時間為24小時。

計劃大修——電廠的設計應使換料和定期維修時間平均每年小于25天。

大修——電廠的設計應使大修頻率和時間在1年內不超過18天，該要求是為了保證對偶然停堆修理或更換大型部件延長大修要求的不可用性作分配。

假設核電廠的日歷壽命為40年，工作壽命由可用性指標0.8，則核電廠的工作壽命為32年。

在一年中，核電廠的首次大修壽命為365-(5+17+25+18)天，即300天。根據歷史經驗和專家的多次論證，確定在首次大修期間(一個換料周期)電廠的可靠度為0.96，置信度為0.9。

為了達到這個指標，就需要開展可靠性分配工作，確定核電廠各系統設備的可靠性指標。

3 可靠性分配

3.1 定義

可靠性分配是指把產品，即核電廠一個換料周期的可靠性定量指標(0.96)，按照給定的準則分配到各組成部分(包括子系統、設備、部件、元件和零件)而進行的工作。即把對核電廠的可靠性要求具體化為核電廠各組成設備的要求，使設計人員明確對各組成設備的具體要求，采取恰當的設計方法和有效的工程措施，選擇正確的原材料、元器件、篩選試驗等，對所需的人力、時間和資源進行估計，使設計人員明確對各組成設備的要求，并予以實現，最終實現核電廠一個換料周期的可靠性定量指標。

可靠性分配是可靠性設計的重要組成部分，也是可靠性工程的決策性問題。它由基本可靠性分配和任務可靠性分配兩部分組成，其中基本可靠性為核電廠對維修人力費用和后勤保障資源的需求；任務可靠性為核電廠在規定的任務剖面中完成規定功能的能力。

為了提高核電廠的任務可靠性，必然要增加核電廠組成的冗余部件，此時基本可靠性降低。為了提高核電廠基本可靠性，將盡可能簡化設計核電廠組成設備，而任務可靠性就會降低。

因此，需在二者之間進行權衡，完成核電廠的可靠性分配。本文應用基本可靠性分配方法對核電廠進行分配。

3.2 可靠性分配的原理

核電廠可靠性分配，原理是求解下面的基本不等式

(1)

(2)

如果對可靠性分配沒有任何約束條件，則上式可以有無窮多個解；如果存在約束條件，可能有有限數量解或唯一解。因此，可靠性分配的關鍵在于確定合適的方法，進而得到合理的可靠性分配值。

3.3 可靠性分配方法

新設計的核電廠與已有核電廠系統通常是非常相似的，已有核電廠基本上反映了一定時期內核電廠能實現的可靠性。組成核電廠的各組成部件類型基本相同，但由于具體新核電廠設計時又有新的特點，在計算新核電站可靠性分配時就需按新核電廠可靠性要求，基于已有核電廠各組成系統的故障率[3-5]，給新核電廠的各組成系統分配故障率。表1給出了常見的可靠性分配方法[2]，比例組合法和評分分配法適用于基本可靠性的分配；考慮重要度和復雜度的分配方法、拉格朗日乘數法、動態規劃法、直接尋查法等適用于任務可靠性分配。無約束分配法中的比例組合法，按照現實水平，可把新的核電廠可靠性指標按已有核電廠原有能力成比例地進行調整，更適用于這種情形下的新核電廠的可靠性分配。

表1 可靠性分配方法

假定新核電廠各組成單元壽命服從指數分布。故障率指標的計算表達式為：

(3)

4 應用

為了達到核電廠首次大修期間給定的可靠性指標，把可靠度0.96這個指標分配到電廠為了持續足額發電的能力而需要的系統設備。

設計的核電廠是兩環路組成，滿功率運行模式指兩環路同時運行，電廠總R=0.96，R=1-(1-Ri)2求出一環路Ri=0.8。

可計算每一環路設備的總失效率λi=3.099×10-5，根據現階段掌握的資料，選用比例組合法進行可靠性指標的分配。

表2 核電廠分配的結果

5 結論

(1)可靠性分配的關鍵是準確確定核電廠各設備的失效率，該失效率必須與實際情況相符，參考核電廠的數據庫還不是很完善，所以部分數據引自IAEA的技術文檔。要想確定相符的數據，需要對核電廠各設備的失效模式特別熟悉，然后進行試驗分析，所使用的核電廠各設備的失效率還有待進一步驗證。

(2)本文結合新核電廠與已有核電廠的關系，應用比例組合法對核電廠各組成單元進行分配。新核電廠往往采用已有核電廠成功產品的部件，經過多年的積累，已經收集到比較完整的可靠性數據，便于實現可靠性分配，因此已有經驗對可靠性分配是很有用的。但即使這樣，也難于做到準確地分配可靠性指標。

(3)可靠性分配的方法很多，隨著核電廠設計工作的不斷深入，所掌握的信息逐漸增多，可結合其他可靠性分配方法，如冗余度和重要度分配方法，進行下一階段的分配工作。