CN107609313B - 一种船用非能动安全系统可靠性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船用非能动安全系统可靠性分析方法，属于船用核动力装置的概率安全分析与评价领域。本发明提公的方法过程如下：(1)将复杂的海洋运动视作不确定性参数，结合海洋条件下热工水力分析计算；(2)利用全局敏感性分析方法对不同运行状态下的系统关键参数进行筛选；(3)生成响应面替代模型提高计算效率；(4)将物理失效结果整合到PSA模型中，定量计算不同海洋条件下非能动安全系统的可靠性。本发明提供的方法将复杂的外部运行环境整合到概率安全分析过程中，更加高效、精确、全面地计算非能动安全系统在不同海况下的系统可靠性，拓展了非能动系统可靠性分析方法的适用范围。

Description

一种船用非能动安全系统可靠性分析方法

技术领域

本发明属于船用核动力装置的概率安全分析与评价领域，涉及针对船用非能动安全系统的可靠性评估方法。

背景技术

日本福岛事故发生后，新一代反应堆设计对固有安全性提出了更高的要求。非能动安全系统依靠自然循环、重力等自然法则作为驱动力，减少了对外部电源以及操作员干预的依赖；非能动安全系统极大的简化了系统布置，取消了阀门、泵等设备，在保证安全性的同时，也极大地提高了其经济性。

非能动安全系统依靠物理法则实现系统功能，其驱动力较小，对于外界运行环境以及运行参数的波动更加敏感，实际工程中，各主要参数都在区间内服从某一分布波动，正是参数的不确定性导致系统可能无法顺利完成预期功能，使得非能动系统可靠性分析的方法也与能动方法有所区别，特别是船用核动力装置，多变的运行环境使得其可靠性分析必须区别处理。

为了支持带有非能动系统的先进堆发展，许多IAEA成员国开展了可靠性方法论的调研工作。并在2008年开展了CRP(Coordinated Research Project)项目，旨在建立一种统一的非能动安全系统可靠性分析方法，这种方法将会用于先进反应堆优化设计、安全资格审查的过程中。经过多年的努力，形成了RMPS方法(Reliability Methods for PassiveSafety Functions)以及APSRA(Assessment ofPassive System Reliability)。但目前，常用的直接蒙特卡洛方法计算效率较差，多项式响应面方法对于非线性度大的问题存在拟合精度差的缺陷，常用于关键参数筛选的层次分析法具有主观性强、不能定量计算的不足，而Sobol、FAST等全局敏感性分析方法又存在着对于多维问题计算量过大的问题。

船用核动力装置相比于常规动力装置具有污染小、噪声小隐蔽性强、续航性能好等多方面优点，确保船用核动力装置的安全性是海洋强国战略中不可或缺的重要环节。但由于海洋条件的影响，使得船用非能动安全系统的运行环境处于复杂多变的状态，自然循环流动与传热特性受到摇摆、倾斜等海况的影响，非能动安全系统的运行特性也必然受到影响，进而影响到非能动系统可靠性。

通过对已有文献的调研发现，目前针对非能动安全系统的可靠性分析工作都是针对陆基核电站进行分析，并没有对外部运行环境的影响加以考虑。随着国家大力发展海上军事实力的需求，船用非能动安全系统的可靠性分析工作势必成为领域内研究的焦点。

发明内容

本发明提供了一种一种船用非能动安全系统可靠性分析方法，目的在于进行船用核动力装置非能动安全系统的可靠性分析，本发明的目的是这样实现的：

(1)明确所分析非能动安全系统功能，利用故障模式及影响分析技术识别系统失效模式，根据系统失效模式分析系统成功/失效准则；(2)利用海洋参数处理技术，明确不同海况下的不确定性参数并筛选关键参数；(3)开发适用于船用非能动系统可靠性分析的热工水力计算程序，利用开发程序计算响应面设计点，并确定高精度的响应面；(4)利用响应面进行不确定性传递计算物理过程失效概率，结合PSA分析模型定量计算系统可靠性。

确定系统实现功能时所涉及的事故序列，其中事故序列包括内部事故序列与外部事件，外部事件应包括核动力装置运行处于的海洋环境；利用海洋参数处理技术将核动力装置所处的运行环境加以考虑，将系统所处复杂海况视为不确定性参数引入可靠性分析过程中；把复杂的海洋运行环境划分为倾斜、摇摆、浮沉这三类不确定性参数进行考虑，使其具有特定的分布类型与分布范围；利用海洋参数数据处理技术，确定系统参数的不确定性区间，其中部分参数因受到海洋条件的影响，在不同海况下会具有不同的不确定性区间；数据处理技术所处理的不确定性参数主要可以分为：海洋条件参数(倾斜角度、摇摆振幅、摇摆周期等)、设计参数(压力容器内压力值)、过程参数(用于系统分析的物理变量如流量、功率、温度、压力、热流密度)、几何性质参数(换热面积、管道尺寸等)、模型参数(努塞尔数、雷诺数等)；针对不同海况，筛选系统关键参数；不确定性参数在不同海洋条件下会对系统功能造成不同的影响，其重要度也会因此发生改变；利用全局敏感性分析方法对各海况下的参数分别进行敏感性指标计算，得到对系统影响显著的关键参数。

将高效响应面计算得到的物理过程失效概率作为底事件，整合到故障树分析模型中，综合计算分析设备失效与物理过程失效的可能；以船体所处的海洋条件作为初始事件建立事件树模型，将不同事故工况以及外部运行环境下的非能动系统可靠性结果整合到概率安全分析模型中。

与现有技术相比，本发明提供的方法优势在于：

(1)针对船用核动力装置的非能动安全系统，考虑了外部复杂运行环境因素，将海洋条件视为不确定性参数引入热工水力计算过程中；利用海洋参数处理技术，使得不同海洋条件下的不确定性参数具有不同的分布区间，拓展了非能动系统可靠性分析方法的适用范围。

(2)开发具有海洋条件分析能力的热工水力计算程序，生成了高效的响应面模型进行不确定性传递，能够高效、准确的计算船用非能动安全系统的物理失效概率；利用故障树与事件树模型将物理失效与设备失效概率整合，得到全面的系统失效概率。该方法可以填补目前针对船用核动力装置非能动安全系统可靠性分析领域的空白，将复杂的外部运行环境整合到概率安全分析过程中，更加高效、精确、全面地计算非能动安全系统在不同海况下的系统可靠性。

附图说明

图1为船用非能动余热排出系统可靠性分析流程图；

图2为船用非能动余热排出系统示意图；

图3为部分RELAP-OCEAN计算结果；

图4为神经网络训练结果图；

图5为非能动余热排出系统故障树；

图6为海洋条件下事件树模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种船用非能动安全系统可靠性分析方法进行具体实施方法进行描述：

图1表示出了本发明提供的一种船用非能动安全系统可靠性分析流程图。

非能动余热排出系统的作用机理是基于自然循环，涉及复杂的热工水力过程，特别是在海洋运动条件下，其系统功能能否实现是由整个核动力装置运行状态耦合决定的。在利用海洋参数处理技术处理复杂多变的海况时，通常将核动力装置的运动分解为6个自由度的运动，包括绕各轴的旋转运动以及沿各轴的直线运动。其倾斜、起伏和摇摆会改变装置的几何姿态，并产生作用于流体的非稳态力场，影响核动力装置的热工水力特性与系统运行状态，进而影响到系统的可靠性。所以，首先需要开发适用于海洋条件下热工水力分析的仿真程序，计算在内部事件与外部事件发生时非能动安全系统的瞬态特性。所开发的热工水力分析程序RELAP-OCEAN具备能够计算海洋运动产生的附加力对流体流动与换热的模块，根据典型海洋条件下的流体受力分析，分别建立倾斜、起伏和摇摆条件下的附加力计算模块，并在非惯性系下的动量方程中添加了附加惯性力项；考虑到摇摆条件下的流体所受附加力和流体的空间位置有关，建立了控制体空间坐标求解模块；利用实验数据验证了该程序的适用性。

采用非能动安全系统可靠性分析方法，首先需要确定系统功能。非能动余热排出系统的功能就是发生全场断电时或能动余热排出系统无法正常投入使用时，通过自然循环带走反应堆衰变热，防止堆芯冷却剂出现汽化，确保堆芯包壳的完整性，实现堆芯的长期冷却。利用故障模式及影响分析技术识别系统失效模式，根据失效模式确定非能动余热排出系统的失效准则。堆芯冷却剂出口温度与非能动余热排出系统带走的热量是衡量系统功能的重要标准，当有任意准则不满足要求时，系统处于失效状态。

首先需确定要分析的海洋运动，利用海洋参数处理技术确定不同海况下不确定性参数分布范围。不确定性参数主要包括海洋条件参数(倾斜角度、摇摆振幅、摇摆周期等)、设计参数(压力容器内压力值)、过程参数(用于系统分析的物理变量如流量、功率、温度、压力、热流密度)、几何性质参数(换热面积、管道尺寸等)、模型参数(努塞尔数、雷诺数等)；其中结构参数(如PRHR换热管径、PRHR换热器换热面积等)不随海洋条件改变而变化，而对于系统运行参数，模型参数等受到海洋条件影响而具有不同的分布范围。

根据所选定的参数范围，利用全局敏感性分析Morris方法定量计算各参数的敏感性指标。Morris方法是一种全局敏感性分析方法，能够快速有效地筛选出对系统有重要影响的参数。相比于定量的全局敏感性分析方法Sobol，FAST等，Morris方法所需的计算量明显小于Sobol与FAST，Morris已被证实可高效地实现高维问题的参数筛选，由于在不同海洋条件下，各主要参数的作用效果与重要度也并不相同，分别利用参数筛选技术得到不同海况下的系统关键参数。若识别为非关键参数，则其值采用设计值，若为系统关键参数则利用拉丁超立方方法在分布范围内抽样。

拉丁超立方(LHS)是改进的蒙特卡洛方法，将参数以相等概率地分到n个不重叠的区间中，并在每个区间内随机抽样，可以提高所抽样本的填充性，较少样本即可反映出参数的概率分布特性，LHS在输入参数均值、方差等预估效果已得到了广泛的认可。另一方面，利用拉丁超立方方法代替蒙特卡洛方法的对参数进行抽样的计算量小，很大程度上提高了计算效率。

将抽取得到的样本形成输入矢量作为热工水力程序RELAP5-OCEAN的输入，进行不确定性传递，并计算响应值即系统失效判据。将输入与输出组成样本点用于训练人工神经网络，利用人工神经网络作为复杂热工程序的替代模型，可以避免多项式响应面在拟合非线性程度高的问题时精度差的问题。得到训练好的人工神经网络，利用直接蒙特卡洛抽样进行可靠性计算，定量计算不同海洋条件下，非能动余热排出系统的物理失效概率。

将上述计算得到的物理失效概率作为底事件，整合到传统概率安全分析的故障树模型中，同时考虑部件失效与物理失效对非能动系统可靠性的影响，最终定量计算到不同海洋条件下的系统失效概率。

下面根据实施例对本方法进行详细描述：

针对船用核动力装置的非能动余热排出系统进行可靠性分析，图2为该非能动余热排出系统示意图。正常状态下，PRHRS管道中充满冷却水，PRHRS隔离阀处于常关状态。当发生事故需要非能动余热排出系统投入时，给水中断，主蒸汽隔离阀隔离关闭，PRHRS管道上的隔离阀自动打开，管道中的冷却水迅速进入直流蒸汽发生器，带走一回路热量汽化后进入PRHR热交换器，将热量传递给冷却水箱后冷凝回到直流蒸汽发生器，实现循环冷却。水箱作为最终热阱具有长期冷却的能力，确保反应堆安全。

首先，确定系统的失效准则，通过研究分析发现，非能动余热排出系统出现失效概率较大的两个阶段分别是非能动余热排出系统启动阶段与长期冷却阶段。

定义冷却剂温度准则与输热能力准则。冷却剂温度准则：当堆芯出口冷却剂的温度高于618K时，堆芯出口温度过高可能导致冷却剂与燃料棒之间的传热恶化，甚至出现冷却剂沸腾，不满足安全运行的要求，认为系统功能失效。输热能力准则：为了衡量长期冷却阶段，非能动余热排出系统的导热能力。定义在任务时间内，堆芯衰变热的产热量与非能动余热排出系统通过冷却剂水箱吸收的水量的比值G，当G值大于1时，认为堆芯衰变热并未完全导出，余热排出系统的输热能力不足，系统失效。当系统响应值不满足上述任意准则时，都认为系统属于失效状态。

分别针对最初确立的不同海洋条件，根据在该海洋条件下的非能动系统运行特性分析以及海洋参数处理技术确定不确定性参数分布区间，其中结构参数并不受海洋条件的影响，而运行参数由于海洋运动的影响会具有不同的分布范围。这里给出倾斜条件下的参数分布形式与范围，如表1所示。

表1倾斜条件下非能动余热排出系统关键参数分布

上述不确定性参数范围是根据倾斜条件给出，针对不同海洋条件，部分运行参数可能的取值区间会有所不同，如PRHRS进、出口阻力系数，换热面积、初始液位等。

在不同海洋条件下，对非能动系统功能具有重要贡献度的参数可能会有所不同，需根据不同的海洋条件下的参数取值范围，分别利用Morris方法进行敏感性分析，筛选对系统影响的关键参数，减少响应面变量维度，可以极大程度地减少计算量。Morris法是先将每个参数映射到[0,1]中，并将其离散化为p个水平，构成n维p水平的采样空间，依据一次变化法的试验设计对参数进行随机采样。在实施例中n＝18，p＝6。将Morris法生成的样本点通过RELAP-OCEAN进行计算，得到响应值后定量计算各参数敏感性，实现不同海况下的关键参数的筛选。

RELAP-OCEAN程序是基于最佳估算程序RELAP5进行修改，建立了附加力计算模块、节点空间坐标求解模块以及相应流动、换热模型用于海洋条件下热工水力分析，并已通过实验进行验证，该程序具有计算不同海洋条件下非能动余热排出系统运行特性的能力，能够高精度地模拟在内部与外部事件下系统的瞬态响应。

部分RELAP-OCEAN结果图如图3所示，利用RELAP5-OCEAN的输出结果与输入参数形成样本集合{x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,y}，利用神经网络响应面法进行训练，基于神经元发挥作用的方式，经过训练与反馈，使得方法具有很好的非线性拟合能力。由于迭代初始点的不同，会导致每次训练结果的均方差(MSE)不同，多次训练，直至所生成的响应面的MSE满足精度要求。这里所训练得到的神经网络响应面是具有对倾斜条件加以考虑的非线性响应面，能够充分考虑海洋条件对系统响应的影响。根据选定的最优神经网络，以及输入参数分布范围，分别利用蒙卡抽样抽取1000、10000、100000、500000、1000000组数据，将抽取样本输入到响应面中，得到系统训练结果，图4为样本数量为10000个时神经网络的训练结果，由此可得到核动力装置在发生倾斜情况时，非能动余热排出系统功能失效概率值。为了综合考虑功能失效与部件失效对系统可靠性的影响，将物理失效概率与传统概率安全分析的故障树模型相结合，将功能失效作为底事件引入故障树中，计算非能动余热排出系统在倾斜海洋条件下的总失效概率。所建立的核动力装置非能动余热排出系统故障树如图5所示。

以上算例是针对倾斜海洋条件进行计算，当分析不同海洋条件时，如摇摆与浮沉情况，分析方法与之类似。需要注意的是，发生不同海洋条件时，系统某些不确定性参数可能具有不同的分布范围，需要分别处理。

以船用核动力装置所处的海洋条件作为初始事件建立事件树模型，将不同事故工况以及外部运行环境下的非能动系统可靠性结果整合到PSA模型中，在事件树分析过程中用到得可靠性数据与事故序列应与事先计算的故障树模型相对应，海洋条件下事件树分析模型示意图如图6所示。

本发明提供的分析方法可以高效、准确地计算不同海洋条件下，非能动余热排出系统的可靠性。由于将物理失效结果整合到PSA分析模型中，可以同时考虑物理失效与部件失效对系统失效概率带来的影响。开发了针对海洋条件下热工水力分析的仿真程序RELAP-OCEAN，考虑外界运行环境对船用核动力装置运行特性的影响，更加真实地反应了系统功能与状态，得到更加可信的可靠性计算结果，具有重要意义。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术，以上公开的仅为本发明的具体实施例，但本发明并非局限于此，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动与替换而不脱离本发明的精神和原理。这些改动和变型均涵盖在本发明要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种船用非能动安全系统可靠性分析方法，其特征在于：所述的船用非能动安全系统可靠性分析方法步骤如下：

(1)明确所分析非能动安全系统功能，利用故障模式及影响分析技术识别系统失效模式，根据系统失效模式分析系统成功、失效准则；

(2)利用海洋参数处理技术，明确不同海况下的不确定性参数并筛选关键参数；

所述的不确定性参数为：海洋条件参数为倾斜角度、摇摆振幅、摇摆周期，设计参数为压力容器内压力值，过程参数为用于系统分析的物理变量：流量、功率、温度、压力、热流密度，几何性质参数为换热面积、管道尺寸，模型参数为努塞尔数、雷诺数；

所述的参数处理过程为：利用海洋参数数据处理技术，将系统所处复杂海况视为不确定性参数引入可靠性分析过程中，把复杂的海洋运行环境划分为倾斜、摇摆、浮沉这三类不确定性参数进行考虑，确定系统参数的不确定性区间，其中部分参数因受到海洋条件的影响，在不同海况下会具有不同的不确定性区间；针对不同海况，利用全局敏感性分析方法对各海况下的参数分别进行敏感性指标计算，得到对系统影响显著的关键参数；

所述的全局敏感性分析方法为Morris方法，利用该方法定量计算各参数的敏感性指标，若识别为非关键参数，则其值采用设计值，若为系统关键参数则利用拉丁超立方方法在分布范围内抽样；

(3)开发适用于船用非能动系统可靠性分析的热工水力计算程序，利用开发程序计算响应面设计点，并确定高精度的响应面；

所述的热工水力计算程序包括：根据典型海洋条件下的流体受力分析，分别建立倾斜、起伏和摇摆条件下的附加力计算模块，并在非惯性系下的动量方程中添加了附加惯性力项，考虑到摇摆条件下的流体所受附加力和流体的空间位置有关，建立了控制体空间坐标求解模块；

(4)利用响应面进行不确定性传递计算物理过程失效概率，结合PSA分析模型定量计算系统可靠性；

将高效响应面计算得到的物理过程失效概率作为底事件，整合到故障树分析模型中，综合计算分析设备失效与物理过程失效的可能；以船体所处的海洋条件作为初始事件建立事件树模型，将不同事故工况以及外部运行环境下的非能动系统可靠性结果整合到概率安全分析模型中。

2.根据权利要求1所述的一种船用非能动安全系统可靠性分析方法，其特征在于：所述的明确所分析非能动安全系统功能及分析系统成功、失效准则过程为，确定系统实现功能时所涉及的事故序列，其中事故序列包括内部事故序列与外部事件，外部事件应包括核动力装置运行处于的海洋环境，利用故障模式及影响分析技术识别系统失效模式，根据失效模式确定非能动余热排出系统的失效准则，堆芯冷却剂出口温度与非能动余热排出系统带走的热量是衡量系统功能的重要标准，当有任意准则不满足要求时，系统处于失效状态。

Images