可靠性分配在核电厂设计中的应用研究

杨丽芳 陈树明

中国原子能科学研究院 北京 102413

我国2021年国务院《政府工作报告》中提出：“在确保安全的前提下积极有序发展核电。”为了提高核电厂安全水平，国家核安全局创建了中国核电厂设备可靠性数据平台，采集核电厂设备可靠性数据，多次发布了《中国核电厂设备可靠性数据报告》，给出了我国运行核电厂商常用设备类的可靠性数据统计结果。

核电厂在控制及运行操作方面具有一些特殊的安全问题，不但会影响其自身，而且会波及周围环境和相邻地区，因此从开发以来一直强调核安全，不放过任何一个措施，将风险降到能实现的最低水平。但是核电厂还存在其他的、常规电厂都会有的普通风险，比如热排放会对环境造成影响、设备(部件)故障或人为等因素可能引起核电厂安全问题。

这些常规风险或安全问题通常会造成很大的经济损失。而可靠性是研究产品故障发生规律的技术，研究如何预防和减少设备故障，从而提高核电厂经济性，笔者把可靠性分配应用到核电厂设计中。本文按照国军标中可靠性的定义，对照定义了核电厂的可靠性，给出了可靠性分配在核电厂的实施过程。

1 可靠性定义

GJB451A中规定可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。其中，产品是指研究的对象；规定的条件是指预先规定产品所受到的外部作用条件；规定时间是指产品能执行任务的时间；规定的功能是指产品的技术性能指标。

不同产品组成部分不同，其可靠性也不同，无法直接进行比较。不同产品通常受到工作环境、使用和维修等外部条件作用，产品可靠性通常随时间增长而逐步下降，离开时间就无可靠性而言，而规定时间的长短又随产品对象不同和使用目的不同而异；同时规定的功能是指完成全部规定的功能，而不只是其中的部分功能。

综上所述，一提到可靠性，应明确是什么产品的可靠性，在什么条件下的、什么时间内的可靠性，故障判据是什么。

2 核电厂的可靠性

根据可靠性的定义，定义核电厂的可靠性为核电厂在寿命周期内的满功率下，足额持续发电的能力。

(1)研究的对象是核电厂。

(2)规定的条件是厂址环境、不同运行模式、机械物理等。

(3)规定的时间是核电厂的寿命周期40年。

(4)规定的功能是核电厂保持其正常持续足额发电的能力。

按照规定的生产可用性要求，设计的电厂在整个寿命期间年平均生产可用性大于80%(负荷因子)[1]。

关于大修、换料时间和强迫停堆等参数，根据已有资料给出的参数为[1]：

强迫停机——电厂的设计应使强迫停机的频率和时间每年不超过5天。

换料时间——电厂的设计应使正常换料大修时间为17天或更少(主发电机断路器打开至关闭)，假设一天生产时间为24小时。

计划大修——电厂的设计应使换料和定期维修时间平均每年小于25天。

大修——电厂的设计应使大修频率和时间在1年内不超过18天，该要求是为了保证对偶然停堆修理或更换大型部件延长大修要求的不可用性作分配。

假设核电厂的日历寿命为40年，工作寿命由可用性指标0.8，则核电厂的工作寿命为32年。

在一年中，核电厂的首次大修寿命为365-(5+17+25+18)天，即300天。根据历史经验和专家的多次论证，确定在首次大修期间(一个换料周期)电厂的可靠度为0.96，置信度为0.9。

为了达到这个指标，就需要开展可靠性分配工作，确定核电厂各系统设备的可靠性指标。

3 可靠性分配

3.1 定义

可靠性分配是指把产品，即核电厂一个换料周期的可靠性定量指标(0.96)，按照给定的准则分配到各组成部分(包括子系统、设备、部件、元件和零件)而进行的工作。即把对核电厂的可靠性要求具体化为核电厂各组成设备的要求，使设计人员明确对各组成设备的具体要求，采取恰当的设计方法和有效的工程措施，选择正确的原材料、元器件、筛选试验等，对所需的人力、时间和资源进行估计，使设计人员明确对各组成设备的要求，并予以实现，最终实现核电厂一个换料周期的可靠性定量指标。

可靠性分配是可靠性设计的重要组成部分，也是可靠性工程的决策性问题。它由基本可靠性分配和任务可靠性分配两部分组成，其中基本可靠性为核电厂对维修人力费用和后勤保障资源的需求；任务可靠性为核电厂在规定的任务剖面中完成规定功能的能力。

为了提高核电厂的任务可靠性，必然要增加核电厂组成的冗余部件，此时基本可靠性降低。为了提高核电厂基本可靠性，将尽可能简化设计核电厂组成设备，而任务可靠性就会降低。

因此，需在二者之间进行权衡，完成核电厂的可靠性分配。本文应用基本可靠性分配方法对核电厂进行分配。

3.2 可靠性分配的原理

核电厂可靠性分配，原理是求解下面的基本不等式

(1)

(2)

如果对可靠性分配没有任何约束条件，则上式可以有无穷多个解；如果存在约束条件，可能有有限数量解或唯一解。因此，可靠性分配的关键在于确定合适的方法，进而得到合理的可靠性分配值。

3.3 可靠性分配方法

新设计的核电厂与已有核电厂系统通常是非常相似的，已有核电厂基本上反映了一定时期内核电厂能实现的可靠性。组成核电厂的各组成部件类型基本相同，但由于具体新核电厂设计时又有新的特点，在计算新核电站可靠性分配时就需按新核电厂可靠性要求，基于已有核电厂各组成系统的故障率[3-5]，给新核电厂的各组成系统分配故障率。表1给出了常见的可靠性分配方法[2]，比例组合法和评分分配法适用于基本可靠性的分配；考虑重要度和复杂度的分配方法、拉格朗日乘数法、动态规划法、直接寻查法等适用于任务可靠性分配。无约束分配法中的比例组合法，按照现实水平，可把新的核电厂可靠性指标按已有核电厂原有能力成比例地进行调整，更适用于这种情形下的新核电厂的可靠性分配。

表1 可靠性分配方法

假定新核电厂各组成单元寿命服从指数分布。故障率指标的计算表达式为：

(3)

4 应用

为了达到核电厂首次大修期间给定的可靠性指标，把可靠度0.96这个指标分配到电厂为了持续足额发电的能力而需要的系统设备。

设计的核电厂是两环路组成，满功率运行模式指两环路同时运行，电厂总R=0.96，R=1-(1-Ri)2求出一环路Ri=0.8。

可计算每一环路设备的总失效率λi=3.099×10-5，根据现阶段掌握的资料，选用比例组合法进行可靠性指标的分配。

表2 核电厂分配的结果

5 结论

(1)可靠性分配的关键是准确确定核电厂各设备的失效率，该失效率必须与实际情况相符，参考核电厂的数据库还不是很完善，所以部分数据引自IAEA的技术文档。要想确定相符的数据，需要对核电厂各设备的失效模式特别熟悉，然后进行试验分析，所使用的核电厂各设备的失效率还有待进一步验证。

(2)本文结合新核电厂与已有核电厂的关系，应用比例组合法对核电厂各组成单元进行分配。新核电厂往往采用已有核电厂成功产品的部件，经过多年的积累，已经收集到比较完整的可靠性数据，便于实现可靠性分配，因此已有经验对可靠性分配是很有用的。但即使这样，也难于做到准确地分配可靠性指标。

(3)可靠性分配的方法很多，随着核电厂设计工作的不断深入，所掌握的信息逐渐增多，可结合其他可靠性分配方法，如冗余度和重要度分配方法，进行下一阶段的分配工作。