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核电厂数字化仪控系统动态概率安全分析方法

发表时间：2020/1/10 来源：《防护工程》2019年18期作者：邵乾坤金扬扬

[导读] 其分析对象不仅仅局限于设计基准工况，而是尽可能地考虑更广泛的事故谱，并对这些事件的进程进行全面分析，在此基础上对风险进行量化。

海南核电有限公司海南省 572733
　　摘要：对于核电厂数字化仪控系统，传统的概率安全分析（PSA）方法采用事件树/故障树（ET/FT）方法，不能完整地解释其动态交互作用，可能造成忽略一些事故后果的状况。动态概率安全分析（动态PSA）方法，可弥补传统PSA方法的不足，补充和完善现有核电厂的可靠性与安全性评估技术体系。文章主要分析了传统PSA方法用于数字化仪控系统的不足，对动态PSA方法的分类进行了介绍，并根据动态PSA需满足的11项条件进行了比较和分析，可作为选取合适动态PSA方法，开展具体分析计算的理论基础。
　　关键词：核电厂；数字化仪控系统；动态概率；安全分析
　　
　　
　　引言
　　概率安全分析（ProbabilisticSafetyAnalysis，简称PSA）是以概率论为基础的风险量化评价方法。与传统的确定论安全分析方法相比，概率安全分析方法可较现实地反映核电厂的实际状况，其分析对象不仅仅局限于设计基准工况，而是尽可能地考虑更广泛的事故谱，并对这些事件的进程进行全面分析，在此基础上对风险进行量化。
　　1概率安全分析方法相关理论与概念
　　概率安全（PRA技术分析系统）分析的首次运用是在在美国核管20世界80年代出版发行的《反应堆风险分析评估美国商用核电站事故风险》报告中，该报告对堆芯熔化的风险和概率进行分析与评估的时候第一次运用了概率安全分析方法。根据国内外学者的研究，可以将概率安全分析方法定义为：以概率论和稳定性作为前提，按照事件已知概率，对某一错综复杂的系统或者事件进行分析研究，对估算客体的风险与后果进行分析与评估的技术手段和方法。
　　概率安全分析系统将一个运行中的复杂系统进行全面考量，可能对核电站安全稳定运行产生影响的全部因素都要进行研究与排查，将各种可能的核电事故情形均纳入研究范围。因而，PRA技术分析系统不仅能够及时准确发现设计缺陷、共因概率和各种失效模式，以及核电厂内诸多不利因素之间的作用程度和方式，而且还能够被用于评估修改设计的成本与代价，因而对核电站周边居民身体健康与生命、财产安全提供了保障。
　　PRA安全分析系统可以分为三级。第一级主要目的为评估堆芯损坏频率和程度。第二级主要对于堆芯熔化的物理过程进行分析研究。第三级分析研究重点在于环境中放射性物质的扩散对环境生态以及生命财产安全存在的威胁与损害后果。我国现阶段PRA安全分析系统主要以静态分析为主，动态概率安全系统的研究与运用尚处于初级阶段。目前我国核电厂尚未运用动态理念对核电厂进行综合分析评估，对安全性的评估偏向于保守。
　　2动态可靠性方法分类
　　（1）时间连续方法，主要有连续事件树方法（CET）和连续区间映射方法（CCCM）。连续时间方法可以利用对系统动态特性描述的准备描述计算出系统位于特定时间、特定配置情况下的概率。
　　（2）离散时间方法，主要有动态逻辑方法（DYLAM）、动态事件树分析方法（DETAM）、动态离散事件树（DDET）、事故动态仿真（ADS）、集成安全评估（ISA）、动态离散事件树/蒙特卡洛混合仿真（DDET/MC）和马尔科夫区间映射技巧（Markov/CCMT）。其中，DYLAM、DETAM、DDET、ADS和ISA方法属于动态事件树类方法，通过模拟机建立具有分支规则的确定性动态系统行为模型，并通过结合相关概率计算系统由始发事件开始的不同演变路径的概率。DDET/MC方法通过DDET产生模型分支，并通过MC采样的不确定性量化可能路径的概率。

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Markov/CCMT是基于离散时间版本的CCCM方法，并结合马尔科夫链的演变过程计算系统失效率。
　　（3）图形交互方法，主要有Petri网络方法、动态流图方法（DFM）、事件序列图方法（ESD）和Go-Flow法。Petri网络方法与故障树分析类似，建立可视化模型来表示事件因果关系和产生最小割集，但加入了时间要素，能够同时模拟动态活动和时间延迟。DFM是基于图论的方法，过程变量通过具有多个状态的节点表示，其系统的动态特性由这些状态节点间的因果关系进行反映。ESD方法使用一个六维变量，包括事件、状态、门、过程参数、约束和依赖规则表示系统演变概率，其中事件表示系统状态间的转移。该方法是对CET方法的延伸。Go-Flow法使用信号线和操作元进行建模，操作元表示物理设备的功能或故障、逻辑门或信号源，信号线表示物理信息或物理量。
　　3动态可靠性方法的综合与应用研究
　　近年来，除动态可靠性方法本身的发展外，在多种方法如何进行综合以及在2级SPA等方面的应用也有一些研究。
　　如前所述，目前存在着多种动态可靠性方法，它们各具特点和优势，如果能将其综合使用、发挥各自长处是较为理想的。
　　在2000年提出了构建包含多种现有方法的综合平台的设想，将动态可靠性模型分为３个模块，即输入表达模块、计算引擎模块和结果输出模块。其中，输入表达模块可采用状态转移图、随机PetriI网、ESD、GO－FLOW、DFM等图形化建模方法来辅助构建系统模型；计算引擎模块则可采用离散动态事件树（如CCMT、DYL－AM等）、MC模拟等方法来实现；结果输出模块则采用图形化界面提供相关量的时间分布、过程分布和重要度等。目前，这种综合平台尚处于理论探讨阶段，不同模型间的连接等许多问题还有待解决，距实用还有较大差距。
　　另外，就动态可靠性方法在PSA中的应用而言，除在１级PSA应用外，还可应用到２级PSA分析中，如俄亥俄州立大学开发的ADAPT方法就是基于DDET的一种动态风险评估方法。由于2级PSA中事故发展的动态特性更加明显，因此，对动态方法进行尝试的意义也显得更加重要。
　　4动态概率安全分析方法的对比分析
　　NRC在2006年后发布了一系列关于动态概率安全分析方法的指导导则，并在NUREG/CR6901及NUREG/CR6942对现有大部分动态PSA方法所满足的需求特点进行分析，其中评价动态PSA方法的标准有以下几方面：
　　（1）模型应能很好预测遇到的和未来可能发生的失效；
　　（2）模型应能将系统的相关技术特纳入考虑；
　　（3）模型应能进行有效且可信的假设；
　　（4）模型应能准确量化失效事件之间的依赖关系；
　　（5）设计中必须考虑到对于用户来说，该模型要求没有学习上和应用上的困难；
　　（6）用于量化过程的数据必须有足够的可信度，并得到技术界的普遍认同；
　　（7）模型应能区分安全检查失效状态和多重失效状态；
　　（8）能够区分共因失效和间歇失效；
　　（9）能够为用户提供相关的信息，如割集、失效概率、结果的不确定度等；
　　（10）能够模拟数字化仪控系统和非数字化系统关于事故情景的部分接口；
　　（11）不需要高度的时间依赖性和连续的状态信息。
　　结语
　　经30年左右的发展，动态可靠性已具备基本成体系的理论基础，形成了MC模拟、DYL－AM、ADS和MCDET等几种较为成熟的分析方法，且有了一定的实际应用，但计算量大、结果分析较困难、人员响应模型不够完善等因素还限制着动态可靠性方法的发展与应用。纵观动态可靠性方法的发展形势，综合多种方法的混合技术和动静结合（即仅对动态特性明显的系统和事故进程阶段使用动态分析方法，而其它系统和事故阶段仍采用静态分析方法）的使用策略应为未来几年动态可靠性方法与应用的主要潮流。
　　参考文献：
　　[1]中国核工业集团公司．核电厂概率安全分析及其应用[M]．北京：原子能出版社，2010.
　　[2]朱继洲，奚树人，单建强，等．核反应堆安全分析[M]．西安：西安交通大学出版，北京：原子能出版社，2004.