以机组停运预防为目标的主给水系统可靠性 分析及优化
肖长歌，王大林
(国核电力规划设计研究院有限公司，北京100095}
I
摘要：依托CAP1400核电站，针对主给水系统可靠性问题，构建主给水系统包含共因失效的故障树模型。
对系统进行可靠性分析并逐步找出了造成系统失效并引起机组出力损失的主因。在分析基础上，探讨了设 计优化的可行方案并对可靠性结果进行了分析对比。为后续对主给水系统的优化设计，故障诊断，维护系 统的安全运行，提高整个核电站的经济效益提供指导。关键词：主给水系统；可靠性；共因失效；故障树；重要度
中图分类号：TM623. 7 文献标志码：A
DOI： 10. 12058/zghd. youxian. 033
文章编号：1674-1617 (2019) 01-0036-05
Reliability Analysis and Design Optimization of Main Feedwater System
XIAO Chang-ge, WANG Da-lin
(State Nuclear Electric Power Planning Design &. Research Institute Co. » Ltd. , Beijing 100095, China)
Abstract： In order to analyze the availability of the main feedwater system of CAP1400 nuclear power plant,
the fault tree model of the main feedwater system including the common cause failure is built. By analyzing the common cause failure and the importance degree of the system, the main cause of the failure of the main components is found out. The analysis provides guidance for the optimized design of the main water supply system, the fault diagnosis? the safe operation of the maintenance system and the economic benefit of the whole nuclear power plant.
Key words： main feedwater system； reliability； common cause failure; fault tree； importance degree CLC number： TM623. 7 Article character： A Article ID： 1674-1617 (2019) 01-0036-05
作为核电站的重要组成部分，常规岛的作用 不可忽视，针对其进行建模、仿真以及可靠性分析 对于整个核电站的安全稳定运行有着重要的意义， 而可靠性分析是其中的一项重要环节[12]。主给水 系统作为二回路的重要组成单元，可靠性分析不可 忽视。本文结合某核电站压水堆示范工程，探讨了 主给水系统的可靠性分析方法并确定了基于共因失 效的故障树分析方法，识别主给水系统中各个设备 的失效模式，并分析它们对该系统和机组的影响， 构建主给水系统故障树模型以评价该系统的可靠性 并分析由于主给水系统功能失效导致的机组不可 用，探讨优化方案并验证其可行性。
统为研究对象，主要包括3台并联的33. 3%电动
定速给水栗组（每台电动给水泵组由1台给水前 置栗和1台主给水泵组成）、4台50%容量的高 压加热器和相关的系统仪表，其主要系统图如 图1所示。
2机组不可用的组成
1主给水系统概述
本文以CAP1400核电站的二回路主给水系
导致机组不可用和出力丧失的因素包括：强 迫停运、维修停运、强迫降功率、经济停运（主 动停运）和计划停运（大修）。机组的最大可靠 容量去除上述因素导致的能力降低即为机组能 力，其百分比即为机组能力因子，其构成如图2 所示。
收稿日期：2018-09-14作者简介：肖长歌（1979—），男，山东青岛人，高级工程师，硕士，研究方向为核电厂设计、仪表与控制（E-mail: Xk0changge@ snpdri. com)。
36
1^〇1
除氧器
V9
AA
V10
1高压加热器1)
1高压加热器
HH
V4
V2
A过滤器A前置栗
A给冰
2高压加热器|)2高压加热器|)
V5
B过滤器B前置泵
B给水
V3
V8
C过滤器
V6
c前置泵
c给水
1主给水系统图
The main feedwatter system
图
s
籠MRCSSMW
全失效作为故障树的顶事件[3]，其失效准则主要 包括：三列主给水泵组均无法工作或两列6、7 号髙压加热器均无法工作。
3.2构模假设及简化
3.2.1系统设计及运行假设
根据主给水系统的运行状态和运行规程，系
2机组能力要素
Fig. 2 Main factors of unit capacity
图统设计假设包括：1) 一台主给水泵组可以维持 机组降功率运行；2) 6、7号高压加热器旁路阀 用于一列加热器失效的情况下提供流量补偿，在 两列加热器同时失效的情况下无法单独向蒸汽发 生器供水。
系统运行假设如下：1)三列主给水泵均投 运；2)两列6、7号高压加热器均投运。
3.2.2构模假设
其中，强迫停运损失是指由于设备可靠性引起 的机组紧急停堆或手动停堆（24 h内）导致的发电 损失。维修停运损失是指由于设备可用性引起的机 组按运行技术规范执行的状态后撤导致的发电损 失。强迫降功率运行损失是指由于设备可靠性或可 用性引起的机组降功率运行导致的发电损失。经济 停运是指运营方根据运行状态判断并进行的主动降 低功率或停运活动损失。计划停运（大修）损失: 由于计划大修引起的机组停运导致的发电损失。
在主给水系统中，由于各种因素的影响可能 致使主给水的流量下降或完全丧失，从而导致机 组强迫降功率运行和机组停运。鉴于主给水系统 故障不会导致机组主动后撤行为，判断主给水系 统可靠性对机组出力的影响需考虑强迫停运损失 和强迫降功率损失。本文即以强迫停运损失分析 为目标，分析验证主给水系统的可靠性及对机组 出力损失的影响。
采用故障树方法构建主给水系统可靠性模 型[4]，需考虑以下几个方面：1)本分析中涉及 电源、压缩空气、冷却和控制系统等支持系统的 模型以待发展事件表示，其失效概率未考虑；2) 不考虑主给水泵的试验维修不可用；3)不考虑 测试、冲洗、取样和排放的管线和阀门的泄漏;4)主给水调节阀在系统边界外，其失效在建模 中不考虑；5)不考虑只在启堆和低功率工况使 用的管线和设备失效；6)在正常的功率运行工 况下，再循环管线关闭不使用，只作为主给水流 量过低的保护措施，其失效在建模中不考虑；部 分逻辑关系的故障树图如图3〜图4所示。
3主给水系统故障树模型
3.3共因失效分析
一种应力引起一个以上的相同部件、单元或 者系统失效即为共因失效。就容错系统而言，共 因失效抵消了其优点，当一个部件或者单元失效
37
3.1顶事件的确定
导致机组强迫停运的主给水系统功能条件是 主给水系统功能完全丧失。因此以主给水系统完
2019年2月
POWER
3主给水系统完全失效故障树图
Fig. 3 The fault tree diagram of complete failure of the main feedwater system
图
\"S 0
图
S 0
4 A列主给水泵组失效故障树图
Fig. 4 The fault tree diagram of failure of the main pump A
时，容错系统可充分发挥其优点避免系统失效， 但若引起这个部件或单元的应力失效引发共因失 效，那么容错系统也无法发挥其优势，系统失效 在所难免。数据表明，对某些现场设备的PFD、 因此有必要对系统进行共因失效分析[57]。本文 针对主给水系统进行共因失效分析，其基本方法 理论上采用MGL模型处理相关数据并计算。其 一般计算公式如下：
Qk
1
乙 n-l
(IT^)x a
V i
=l
n
-Pk+1)xQtot
十
7
式中：/〇1=1，|〇2=乡，|〇3=，
n为CCF组所包含的基本事件数目。
y
l=
〇 且
MTTF等可靠性指标比可靠性模型预测要低，
在该模型中，对中间阶数的共因失效的贡献 也有详细的分析，其中二阶及以上阶数的共因失 效参数也是根据经验和历史数据统计获得。本分 析所使用共因参数组及参数值见表1。
38
表
1共因失效组及参数
Table 1 Common cause faHure parameters
参数
设备类
失效共因共因设备组
模式
阶数782
0. 100主给水栗组断断路器
30. 1500. 333路器前置泵组40. 1800. 5000. 333断路器
2
0. 050电动泵
30. 0800. 250主给水栗组前 置泵组
40. 1000. 4000. 2502
0. 0606、7号髙加出电动阀
30. 1000. 200入口电动隔离阀 主给水泵出入口4
0. 1300. 3070. 250电动隔离阀热交20. 321
6、7号髙压加换器
40. 3170. 5540. 993热器
2
0. 100前置泵差压传感 器主给水泵前流传感器
30. 1500. 333量传感器6、7号髙压加热器液位 4
0. 1800. 5000. 333
传感器
4故障树分析
本节主要分析二回路主给水系统完全失效概
率，采用故障树分析方法，结合主要通用标准确 定设备可靠性参数（主要根据中国核电厂设备可 靠性数据报告、NUREG/CR-6928相关标准）、 设备修复时间（主要遵循WASH-1400报告中对 于泵、阀门和机械设备、电气和仪表设备三种不 同类型设备修复时间的估计）、生产恢复时间 (本系统人为假设生产恢复平均时间为120 h)。
4.1事件发生概率计算
故障树分析的结果是计算出系统完全失效概 率，确定主给水系统不可用的支配性最小割集。 在本节分析中考虑全年功率运行的时间约为 8 000 h，主给水系统完全失效的瞬时发生概率 是5.50X1CT6,主给水系统失效导致的非计划 停机次数为4.4X1CT3次/堆年。考虑到每一次 主给水系统失效后发电机组停机重新恢复生产的 平均时间为120 h，每年由于主给水系统完全失 效导致机组不可用（不含降功率）的小时数为 〇. 528 h。造成主给水系统不可用的排序前10的 支配性最小割集如表2所示。
国
^1
表
2主给水系统不可用的支配性最小割集
Table 2 The dominant minimal cut sets resulting in
unavailabilityof the main feedwater system
序号描述
失效概率百分比1主给水泵组运行共因失效1. 73X10—631. 36%2前置泵运行共因失效1. 73X10-631. 36%3高压加热器二阶共因失效8. 52X10-715.48%4髙压加热器四阶共因失效7. 87X10-714. 31%5前置泵压差传感器共因失效1.48X10-72. 69%6管线不可隔离阀门外漏6. 89X10\"81.3%7高加进出口隔离阀共因误动作
3. 74X10-81.7%8栗断路器共因误动作3. 07X10-80. 56%9高压加热器液位传感器共因失效1. 83X10-80. 33%10
主给水泵前流量传感器共因失效
1. 83X10-8
0.33%
由以上分析可知，造成主给水系统不可用的
主要原因是前置栗组、主给水栗组和高加共因失效。
4. 2重要度分析
上节通过对故障树分析确定了系统的最小割 集，本节着重分析最小割集对顶事件发生的贡献 率，即重要度。分析主给水系统的最小割即重要 度，对于改进整个主给水系统的设计，诊断系统 故障，维护系统的安全运行有着重要意义。本文 将主给水完全失效确定为顶事件，分析最小割集 对顶事件的影响，确定了割集各成员对于主给水 完全失效的重要度。表3即主给水最小割集重 要度。
表
3主给水系统不可用的基本事件FV重要度
Table 3 The FV importance degree of basic events for the
unavailability of main feedwater system
序号描述
FV1主给水泵组运行共因失效3. 14X10\"12前置泵运行共因失效3. 14X10-13高压加热器二阶共因失效1. 55X10\"14髙压加热器四阶共因失效L 43X10\"15前置泵压差传感器共因失效2. 69X10—26管线不可隔离阀门外漏1. 25X10\"27高加进出口隔离阀共因误动作
6. 80X10-38泵断路器共因误动作5. 59X10-39高压加热器液位传感器共因失效3. 33X10 — 310
主给水泵前流量传感器共因失效
3. 33X10-3
经以上分析可知，确定主给水系统的底事件
39
________PUIMA MMPICAP pniAIFR
概率，进一步计算底事件对于顶事件的重要度， 可以直观的确定底事件的重要程度，为后续检修 排查，优化系统设计提供便利。
5基于可靠性的设计优化对比
从上述可靠性分析结果可知，主给水栗和前 置泵运行共因失效是造成主给水系统完全丧失的 最主要因素。为提升系统运行可靠性，考虑对其
进行设计改进对比，从冗余性和多样性角度提出
如下两种可能的设计改进建议并进行分析对比：
1) 增加一列冗余备用给水泵，其设备类型、管线布置与现有三列一致；2) 增加一列冗余多样备用给水泵，其设备 选型与现有三列不同，管线布置与现有三列
一致。
仍按前述过程对1)、2)进行可靠性分析， 得到系统可靠性对比结果见表4。
表
4设计优化结果对比
Table 4 Comparison of different design optimization results
系统失失效基设计方案
描述
效概率准对比三列33. 33%主给水
5. 50原方案
泵列；
X10\"6—
三列33. 33%主给水泵
4. 384设计改进1)
列+—列相同的备用 失效概率降 X10-6
低 20. 3%
主给水泵列；
三列33. 33%主给水泵
1. 812设计改进2)
列+—列不同的备用 失效概率降 X10-6
低 67,1%
主给水泵列；
从系统分析结果可知，增加备用列主给水栗
能够有效降低主给水系统完全丧失的失效概率， 而鉴于造成主给水栗全部丧失的共因失效，设计 改进引人多样性能够更加明显的提升系统设计的 可靠性，在相似经济性投人的情况下，建议采用
40
设计改进2)作为优化措施。
需要特别说明的是，本文分析的顶事件仅考 虑了主给水系统完全丧失的分析，在设计工程 中，还需进一步分析主给水系统部分丧失的可能 性，从概率等级上来看，主给水系统部分丧失的 发生可能性显著高于完全丧失事件，在工程设计 改进时还需全面分析后进行决策。
6结论本文根据CAP1400核电站主给水系统，并 基于故障树的共因失效分析方法，建立了基于共 因失效的主给水系统故障树模型，并计算了底层
事件失效发生概率和底层事件的重要度，全面的
评判了主给水系统的可靠性，为后续优化系统设 计，提高主给水系统可靠性建立了依据。具有很 强的工程实际意义。参考文献：
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(责任编辑：高树超)
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