建立风险指引型设计体系的研究

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

核电站的设计主要基于确定论的方法。安全分析的边界条件,设计基准事故的预防和控制的安全要素以及每个安全功能的设计要求等都是来源于确定论准则,这些是没有考虑事故的预防和缓解功能的可靠性[1]。目前，我国核安全法规HAF102《核动力厂设计安全规定》[2]中要求设计必须充分考虑确定论安全分析和概率论安全分析的结果。概率安全分析(Probabilistic safety analysis,PSA)在核电站设计和运行中发挥越来越重要的指导作用,近几年该技术得到广泛应用和推广,也是原于该技术可以给出定量评价结果,便于进行方案比选和提供决策依据。

目前国际上,例如IAEA的设计安全规定,美国核电用户要求文件[3](User Requirements Document,URD)和欧洲核电用户要求文件(European User Requirements,EUR)及美国的反应堆监管程序(Reactor Oversight Program,ROP)等法规标准,都在鼓励应用PSA技术优化核电站的设计和运行。根据目前调研的结果,国内外都在开展不同程度的风险指引型设计优化,例如：法国EDF在新堆设计之初就开展风险指引型技术规格书优化；EPR堆型研发过程中针对200多个重要信号开展了30多组典型信号的设计优化；AP1000的设计修改中,凡是涉及核安全的设计修改均需判断是否对PSA结果有影响及影响程度等。国内目前开展较多的是系统设计方案比选、设计变更利益代价分析、运行规格书后撤时间延长和定期试验周期优化等。而关于考虑更广泛的设计领域,包括系统、布置、消防、总体设计和运行、力学、结构、应急、电气、仪控等,使设计人员树立风险指引设计理念,从设计之初就主动使用风险工具优化设计的做法,目前国内外尚未有可借鉴的经验。

然而核电站的安全是设计出来的,设计才是源头。如何采用更加科学合理的方法开展设计,是每位核电设计人员需要认真思考的问题。每位核电设计人员要树立总体安全观,将确定论和概率论贯穿于核电站的设计和运行。在顶层方案论证、系统设计、电气设计、仪控设计、主控室设计、水淹分区、消防设计和抗震设计等核电站各个设计领域中应用风险指引型的技术进行设计优化。此外,在设计之初,就要为核电站运行做全盘考虑,对某些工作前置,例如风险指引型的技术规格书、大修优化等以进一步提高核电站能力因子等。优化配置资源,减轻业主负担,以提高经济性,加强核电市场的竞争力。

从福岛核事故后开展全面PSA工作以来,中国核电工程有限公司(CNPE)PSA学科中包括PSA、系统、布置、消防、总体设计和运行、力学、结构、应急、电气、仪控等各专业,积极参与到该专项工作中,经过这8年多的共同协作,目前CNPE内各专业广泛认同了风险指引型设计理念,不过现状是各设计专业没有形成流程体系,有的专业提出需求太晚,导致很多设计无法修改,有的专业有需求了才考虑使用PSA,而不是把PSA工具作为设计过程中的一个环节,主动使用PSA优化设计。有必要建立风险指引型设计流程体系,在设计流程层面明确PSA的作用,即何时提出需求,上下游多专业的影响与配合,风险评价计算和实施要求等要形成闭环。

本研究的设计初衷也是源于长期从事PSA工作的设计人员渐渐发现该工具有助于本专业设计的优化和提升,以及有些设计专业对风险指引型设计优化开展试点实践等。这些专业陆续提出编写实施程序,提炼一套方法流程以指导和提升本专业设计。基于专业上的迫切需求和公司内各专业的实践经验,提出了建立风险指引型设计体系的研究方向,以期实现设计理念、方法和体系的创新和变革,引入了风险指引型设计理念。通过本文研究,通盘考虑各设计阶段的设计内容和设计深度,提炼出适用于工程建立风险指引设计体系的方法论和各专业适用的实施程序,形成风险指引型设计流程体系。培养“设计+PSA计复合型人才,将PSA工具贯穿设计全过程。

1 体系建立的原则

CNPE在福岛改进项、“华龙一号”、小堆、快堆和超大堆等项目的研发和工程设计中,采用PSA技术进行了设计方案比选、设计优化和决策支持等应用,但是目前还没有相应的设计管理体系相匹配。本研究的目的是基于PSA技术应用的实践,提炼适用于工程建立风险指引型设计体系的总的方法论,形成风险指引型的设计流程体系。

本研究建立风险指引型设计体系中可考虑遵循如下原则：

1)可以借鉴国外核电机组设计中的风险指引型设计优化的模式,结合设计院现有基础制定；

2)所建立风险指引型设计体系中应涵盖当前已经有的工作基础,并具备较强的可实施性；

3)风险指引型设计理念应不仅仅限于某一单一项目,而应作为设计体系贯彻于设计院各个工程项目中；

4)风险指引型设计作为前沿先进的设计理念,在现阶段不能一蹴而就,而应以试点、科研项目等方式开展并逐步完善,最终实现体系建立的目的;

5)风险指引型设计的执行效果应至少满足HAF102中的相关要求。

2 主要研究内容

2.1 影响范围识别

本研究主要采用概率论和可靠性的方法开展设计流程优化,根据目前的技术能力和之前项目经验,对风险指引型设计影响到的范围和专业进行识别[4],如表1所示。

表1 影响范围

2.2 分析内容

通过影响范围的分析可以看出,随着全范围PSA工作的推进,PSA学科主要包括PSA专业、电气、仪控、系统、布置、力学、消防、结构、应急、总体设计和运行等专业。为了更好的对本研究内容和技术方案的理解,各专业定义如表2所示。

表2 专业定义

各专业识别可以优化的领域,根据可优化的领域开展风险指引型设计。一方面是PSA提出改进优化建议向设计反馈(PSA—Design,P—D过程)；由于P—D的过程通常是不完整的,局部的或框架性的问题,所以在本研究中设计了D-P的过程。即另一方面是各专业设计人员使用PSA工具开展各设计领域设计优化(Design—PSA,D-P过程)。

2.2.1 PSA学科向设计反馈(P—D过程)

1)PSA专业与各设计专业开展PSA与设计的结合,此过程需要双方共同梳理和识别可以优化的领域。

2)PSA专业人员根据定量结果提出改进建议,并形成“经验库”和设计优化流程。

3)电气、仪控、系统、布置、力学、消防、结构、应急等专业领域的人员在参与PSA工作中根据分析结果提出改进建议,并形成“经验库”和各设计优化流程。

2.2.2 各专业使用PSA工具开展设计优化(D—P过程)

电气、仪控、系统、布置、力学、消防、结构、应急等专业领域的人员,每个设计人员根据各自的设计范围进行准则和内容优化,都有明确的职责范围。例如,系统设计人员的主要职责是开展系统设计准则优化和主工艺系统设计优化。

各专业人员与PSA专业梳理结合点,并开展相关的分析与讨论,形成经验库。具体结合新堆设计开展准则优化和领域优化的案例分析,并结合各设计阶段的案例提炼形成实施程序,包括分析内容、分析流程及步骤。

3 流程和方法

PSA作为风险决策工具,风险指引型设计体系须从概念设计阶段开始介入整个设计过程,在总体设计阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段为总体设计原则、各工种设计原则、总体布局、抗震要求、防水淹设计和消防设计、应急区划分等提供风险指引型设计评价。可借鉴的技术流程如图1所示[5]。

本体系建立是在“P—D”和“D—P”的实践过程中,以层级递进方式逐步深入,并结合设计阶段完成的,本课题技术方案拟采用五层次法,如图2所示。

第1层次和第2层次,完成识别点分析和经验库,作为后续层次工作开展的基础。第3层和第4层以10个设计专业牵头,其他专业配合,完成优化案例分析。从第3层和第4层开展过程中,需要结合核电站不同设计阶段进行迭代分析,从概念阶段,总体设计阶段,初步设计阶段到施工图设计阶段,具体设计阶段及每个阶段可以开展的设计优化内容,随着新堆研发的设计深度而逐层、迭代开展。

图1 可借鉴的技术流程Fig.1 Referential optimized flowchat

图2 五层次法Fig.2 Five level method

4 问题与思考

本文设计了D—P的过程,较为完整的体现了PSA工具在设计中的实践过程,属于开创性的研究；目前建立风险指引型设计流程体系在国内外均无可以借鉴的经验,属于空白领域,是设计理念、方法、体系的创新和变革。

关于PSA的工作国内已经开展了30多年,但是建立风险指引型设计体系目前还没有真正开展起来。主要原因是各工种设计人员介入较少或较晚,很难形成风险概念,就更难主动使用PSA技术优化设计领域完成D—P的过程。这也是PSA技术得不到广泛推广的瓶颈问题。我公司经过这8年PSA与各设计工种开展的福岛改进项全范围PSA工作以来,设计人员大范围地参与到PSA工作的相关要素中,他们在潜移默化中已经具备了风险概念,开始积极主动开展设计优化。这就是所谓的“设计+PSA”的复合型人才。这些人才是建立风险指引型设计体系的关键所在。在这种大的环境背景下,建立风险指引型体系已经是未来设计能力提升的一个发展方向,未来设计院需要培养“设计+PSA”复合型人才,以做到设计能力引领国际的地位。

此外,开展风险指引型设计体系,涉及更多的专业参与。本研究是通过10个以上专业的案例实践提炼出可以用于后续工程推广使用的方法论。所以体系的建立推动起来难度很大,需要设置清晰的结构框架,明确各层级流程的职责以便于流程管理和执行。10个以上的专业,需要打破专业壁垒,将PSA技术应用在设计的各个环节,这也是对组织管理的巨大考验。