CN110009228A - 概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,通过概率论识别系统及功能的重要度,确定多样性保护系统必须考虑的安全功能及系统;通过确定论确定安全系统功能的最小割集,确定多样性保护系统的功能需求。综合概率论与确定论的分析结果初步确定多样性保护系统的功能需求,并考虑相应的保护信号设置,最终通过概率论与确定论的定量化计算确定最优的多样性保护系统设置。本方法在传统的系统设计中引入了概率风险指引的方法,以实现系统设置最小化,安全功能最大的目的,在保障核电厂安全性的同时进一步优化核电厂的建造成本。
Description
技术领域
本发明涉及核电厂安全设计领域,具体涉及概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法。
背景技术
核电厂发生事故时,正常情况下由反应堆保护系统(RPS)触发紧急停堆、堆芯冷却功能、安全壳冷却等专设安全功能,若核电厂RPS发生共模故障,则事故工况下由RPS提供的紧急停堆保护、堆芯冷却功能、安全壳冷却功能无法被触发,导致核电厂事故升级,威胁核电厂安全,因此有必要针对核电厂保护系统设置一套多样性保护系统以应对事故工况下反应堆保护系统共模故障失效导致的事故升级,提升核电厂的安全性。
反应堆保护系统作为安全级的保护系统,主要从确定论角度考虑设计保护信号,使保护信号的设计能够应对预期范围内的所有核电厂设计基准事故,保障反应堆的安全性能。多样性保护系统作为反应堆保护系统失效的纵深防御,设计上需要考虑信号设置最小化,保护功能最大化的原则,提升核电厂的安全性能的同时兼顾经济性。多样性保护系统为反应堆保护系统(RPS)的纵深防御,即当反应堆保护系统由于共模故障导致功能性失效时,由多样性保护系统提供相同功能的反应堆保护功能,保障反应堆的安全性。
然而现有核电厂多样性保护系统设计主要是基于确定论的设计,主要侧重点依然是安全性,尚未有一套兼顾安全性能与经济性的设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,以解决现有技术中核电厂多样性保护系统没有兼顾经济性的问题,实现系统设置最小化、系统安全功能最大化,保障核电厂安全性能的同时降低核电厂的建设成本,提升经济性的目的。
本发明通过下述技术方案实现:
概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,包括以下步骤:
(A)进行概率论分析:
(1)建立核电厂事件序列概率模型;
(2)进行RPS故障导致的核电厂事件序列量化分析,确定重要序列;
(3)针对重要序列中的安全功能失效进行定量化分析,确定重要等级高的安全功能,设定其执行系统为安全等级高的系统;
(4)进行系统及功能的重要度识别,确定多样性保护系统中必须考虑的安全功能及系统;
进行确定论分析:
(a)对核电厂事故类别进行确定论分析;
(b)确定不同类别事故叠加RPS失效工况的验收准则;
(c)对不同类别事故叠加RPS失效的事故进程进行分析,确定满足验收准则情况下不同类别事故叠加RPS失效工况的安全系统功能需求的最小割集;
(B)根据概率论分析结果和确定论分析结果,确定多样性保护系统的功能需求;
(C)根据多样性保护系统的功能需求,确定相应的保护信号设置。
本发明考虑RPS系统功能性失效的频率,提出一种概率论与确定论相结合的设计方法,从而实现系统设置最小化,安全效果最大化的目的。多样性保护系统为反应堆保护系统(RPS)的纵深防御,即当反应堆保护系统由于共模故障导致功能性失效时,由多样性保护系统提供相同功能的反应堆保护功能,保障反应堆的安全性。设计考虑了多样性保护系统从信号采集到处理与RPS系统均不相同,因此避免了受RPS共模故障的影响。
首先进行概率论分析,建立核电厂事件序列概率模型,分析事故工况下RPS系统失效对于堆芯损失频率(CDF)的影响,识别RPS功能性失效导致CDF明显上升的事件序列,识别安全功能失效导致CDF明显上升的系统,确定安全系统对于CDF的重要等级。安全功能失效导致CDF上升越显著的系统的重要度越高,多样性保护系统的功能需求必须覆盖安全功能重要度高的系统。
同时,采用确定论分析方法对核电厂预期可能发生的事故类别进行分析,分析不同类别的事故叠加RPS功能性失效的事故进程,分析满足核电厂安全性能的前提下不同类别事故叠加RPS失效工况的安全系统功能的最低需求,确定多样性保护系统的功能要求的最小割集。
然后综合概率论与确定论的分析结果初步确定多样性保护系统的功能要求,进一步根据多样性保护系统的功能需求设置相应的保护信号,确定多样性保护信号的整定值及延迟时间等。最终采用概率论与确定论对多样性保护信号进行定量化分析,验证其设置的合理性,研究是否满足设置最小化,安全性能最大的目的。
所述核电厂事件序列概率模型为完整的核电厂一级概率安全评价内部事件逻辑模型,包括始发事件选取、事件树模型、故障树模型,开展定量化分析,确定核电厂的CDF作为基准CDF,记为CDF0。
所述RPS故障导致的核电厂事件序列量化分析方法为:分析核电厂事件考虑RPS失效事故导致的CDF,记为CDFi,并与基准CDF0进行比较,比例值为R=CDFi/CDF0;当R>10时,认定为重要序列。
针对重要序列中的安全功能失效进行定量化分析,序列中安全功能失效导致的CDF记为CDFj,并与基准CDF0进行比较,比例值r=CDFj/CDF0;当r>10时,确定此安全功能为重要等级高的功能,其执行系统为安全等级高的系统,多样性保护系统必须考虑此类系统在RPS失效情况下依然可以行使安全功能。
所述核电厂事件序列概率模型是指针对核电厂的设计特征,对可能发生的事故进行识别。
所述验收准则包括:放射性后果在可接受限值以内、保证反应堆冷却剂系统压力边界完整性、保证安全壳的完整性。
所述保护信号设置满足:多样性保护系统实现与RPS系统执行相同功能的信号到达整定值和时间均更晚。
(D)采用概率论与确定论对多样性保护系统的信号设置进行定量化分析,确定其信号设置的合理性,若不合理则进一步迭代设计,若合理则确定为最终的多样性保护系统设置。
所述合理性的确定方法为:分析多样性保护系统的信号设置是否实现设置最小化,安全性能最大化的目的,若不满足则为不合理,若满足则为合理。
所述保护信号设置需要能够全面覆盖不同类事故的需求。
本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:
本发明概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,通过概率论识别系统及功能的重要度,确定多样性保护系统必须考虑的安全功能及系统;通过确定论确定安全系统功能的最小割集,确定多样性保护系统的功能需求。综合概率论与确定论的分析结果初步确定多样性保护系统的功能需求,并考虑相应的保护信号设置,最终通过概率论与确定论的定量化计算确定最优的多样性保护系统设置。本方法在传统的系统设计中引入了概率风险指引的方法,以实现系统设置最小化,安全功能最大的目的,在保障核电厂安全性的同时进一步优化核电厂的建造成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
图1为本发明具体实施例的流程示意图;
图2为本发明具体实施例中保护信号设置原则示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。
实施例1:
如图1所示的概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,包括以下步骤:
(A)
进行概率论分析:
(1)建立核电厂事件序列概率模型;
(2)进行RPS故障导致的核电厂事件序列量化分析,确定重要序列;
(3)针对重要序列中的安全功能失效进行定量化分析,确定重要等级高的安全功能,设定其执行系统为安全等级高的系统;
(4)进行系统及功能的重要度识别,确定多样性保护系统中必须考虑的安全功能及系统;
进行确定论分析:
(a)对核电厂事故类别进行确定论分析;
(b)确定不同类别事故叠加RPS失效工况的验收准则;
(c)对不同类别事故叠加RPS失效的事故进程进行分析,确定满足验收准则情况下不同类别事故叠加RPS失效工况的安全系统功能需求的最小割集;
(B)根据概率论分析结果和确定论分析结果,确定多样性保护系统的功能需求;
(C)根据多样性保护系统的功能需求,确定相应的保护信号设置。
实施例2:
如图1与图2所示的概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,在实施例1的基础上,所述核电厂事件序列概率模型为完整的核电厂一级概率安全评价内部事件逻辑模型,包括始发事件选取、事件树模型、故障树模型,开展定量化分析,确定核电厂的CDF作为基准CDF,记为CDF0。
优选的,所述RPS故障导致的核电厂事件序列量化分析方法为:分析核电厂事件考虑RPS失效事故导致的CDF,记为CDFi,并与基准CDF0进行比较,比例值为R=CDFi/CDF0;当R>10时,认定为重要序列。
优选的,针对重要序列中的安全功能失效进行定量化分析,序列中安全功能失效导致的CDF记为CDFj,并与基准CDF0进行比较,比例值r=CDFj/CDF0;当r>10时,确定此安全功能为重要等级高的功能,其执行系统为安全等级高的系统,多样性保护系统必须考虑此类系统在RPS失效情况下依然可以行使安全功能。
优选的,所述核电厂事件序列概率模型是指针对核电厂的设计特征,对可能发生的事故进行识别。
优选的,所述验收准则包括:放射性后果在可接受限值以内、保证反应堆冷却剂系统压力边界完整性、保证安全壳的完整性。所述保护信号设置满足:多样性保护系统实现与RPS系统执行相同功能的信号到达整定值和时间均更晚。
实施例3:
如图1与图2所示的概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,包括以下步骤:
(A)进行概率论分析:
(1)建立核电厂事件序列概率模型;
(2)进行RPS故障导致的核电厂事件序列量化分析,确定重要序列;
(3)针对重要序列中的安全功能失效进行定量化分析,确定重要等级高的安全功能,设定其执行系统为安全等级高的系统;
(4)进行系统及功能的重要度识别,确定多样性保护系统中必须考虑的安全功能及系统;
进行确定论分析:
(a)对核电厂事故类别进行确定论分析;
(b)确定不同类别事故叠加RPS失效工况的验收准则;
(c)对不同类别事故叠加RPS失效的事故进程进行分析,确定满足验收准则情况下不同类别事故叠加RPS失效工况的安全系统功能需求的最小割集;
(B)根据概率论分析结果和确定论分析结果,确定多样性保护系统的功能需求;
(C)根据多样性保护系统的功能需求,确定相应的保护信号设置。
(D)采用概率论与确定论对多样性保护系统的信号设置进行定量化分析,确定其信号设置的合理性,若不合理则进一步迭代设计,若合理则确定为最终的多样性保护系统设置。
其中,所述合理性的确定方法为:分析多样性保护系统的信号设置是否实现设置最小化,安全性能最大化的目的,若不满足则为不合理,若满足则为合理。
实施例4:
1)概率论分析:
a)建立完整的核电厂一级概率安全评价(PSA)内部事件逻辑模型,包括始发事件选取、事件树模型、故障树模型,开展定量化分析,确定核电厂的CDF作为基准CDF,记为CDF0;
b)分析核电厂事件考虑RPS失效事故导致的CDF,记为CDFi,并与基准CDF0进行比较,比例值为R,R越大表明此事件对于CDF的影响越显著。当R>10时,即CDF增大一个量级的序列可认定为重要序列,多样性保护系统必须针对此类事件的应对措施考虑设置。其中R=CDFi/CDF0;
c)针对重要序列中的安全功能失效进行定量化分析,序列中安全功能失效导致的CDF记为CDFj,并与基准CDF0进行比较,比例值为r,比例值r越大表明此安全功能对于CDF影响越显著。当r>10时,确定此安全功能为重要等级高的功能,其执行系统为安全等级高的系统,多样性保护系统必须考虑此类系统在RPS失效情况下依然可以行使安全功能;其中r=CDFj/CDF0;
d)根据概率论分析的结果进行系统及功能的重要度识别,确定多样性保护系统中必须考虑的安全功能及系统;
2)确定论分析:
a)针对核电厂的设计特征,对可能发生的事故进行识别,对于常规压水堆主要有一次侧热输出增加类事故、二次侧排热减少类事故、冷却剂强迫流量减少类事故、反应性类事故、冷却剂装量增加类事故、冷却剂装量减少类事故;
b)考虑核电厂可能发生的事故叠加RPS失效发生的可能性及可能导致的后果,确定此类多重故障的验收准则。对于叠加RPS失效的多重故障工况必须满足的验收准则为:
放射性后果应在可接受限值以内,限值要求可参考GB 6249-2011《核动力厂环境辐射防护规定》中对极限事故的放射性后果要求。
反应堆冷却剂系统压力边界完整性必须保证。
安全壳的完整性必须保证。
对于丧失反应堆冷却剂类的事故,相关准则可参考GB 35730-2017第7.16.6节和GB/T 15761-1995第6.4.5节中对于LOCA类事故的准则规定。
c)对不同类别事故进程进行分析,分析不同类别事故叠加RPS失效事故能够满足验收准则所需的功能需求,并进行梳理,确定安全系统功能需求最小割集。
d)根据识别出的安全系统功能需求的最小割集,确定多样性保护系统的功能需求。
3)综合概率论与确定论分析结果,确定多样性保护系统的功能需求,以小型压水堆为例,最终确定了多样性保护系统必须覆盖紧急停堆、汽轮机停机、余热导出、安全注入、安全壳冷却、安全壳隔离、给水隔离、蒸汽隔离、主泵停运等功能。
4)根据多样性保护系统的功能需求,确定相应的保护信号设置,信号设置上应该考虑其典型性,能够全面覆盖不同类事故的需求,表1给出了小型压水堆多样性保护信号的设置考虑。信号设计上还需遵循多样性保护系统实现与RPS系统执行相同功能的信号到达整定值和时间更晚,避免RPS未失效的情况下多样性保护系统提前保护,如图2所示。
表1小型压水堆多样性保护信号设置示例
5)采用概率论与确定论对多样性保护系统的信号设置进行定量化分析,确定其信号设置的合理性,分析其设置是否实现设置最小化,安全性能最大化的目的。若不满足则进一步迭代设计,若满足则确定为最终的多样性保护系统设置。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
(A)
进行概率论分析:
(1)建立核电厂事件序列概率模型;
(2)进行RPS故障导致的核电厂事件序列量化分析,确定重要序列;
(3)针对重要序列中的安全功能失效进行定量化分析,确定重要等级高的安全功能,设定其执行系统为安全等级高的系统;
(4)进行系统及功能的重要度识别,确定多样性保护系统中必须考虑的安全功能及系统;
进行确定论分析:
(a)对核电厂事故类别进行确定论分析;
(b)确定不同类别事故叠加RPS失效工况的验收准则;
(c)对不同类别事故叠加RPS失效的事故进程进行分析,确定满足验收准则情况下不同类别事故叠加RPS失效工况的安全系统功能需求的最小割集;
(B)根据概率论分析结果和确定论分析结果,确定多样性保护系统的功能需求;
(C)根据多样性保护系统的功能需求,确定相应的保护信号设置。
2.根据权利要求1所述的概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,其特征在于,所述核电厂事件序列概率模型为完整的核电厂一级概率安全评价内部事件逻辑模型,包括始发事件选取、事件树模型、故障树模型,开展定量化分析,确定核电厂的CDF作为基准CDF,记为CDF0。
3.根据权利要求1所述的概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,其特征在于,所述RPS故障导致的核电厂事件序列量化分析方法为:分析核电厂事件考虑RPS失效事故导致的CDF,记为CDFi,并与基准CDF0进行比较,比例值为R=CDFi/CDF0;当R>10时,认定为重要序列。
4.根据权利要求1所述的概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,其特征在于,步骤(3)包括:针对重要序列中的安全功能失效进行定量化分析,序列中安全功能失效导致的CDF记为CDFj,并与基准CDF0进行比较,比例值r=CDFj/CDF0;当r>10时,确定此安全功能为重要等级高的功能,其执行系统为安全等级高的系统,多样性保护系统必须考虑此类系统在RPS失效情况下依然可以行使安全功能。
5.根据权利要求1所述的概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,其特征在于,所述核电厂事件序列概率模型是指针对核电厂的设计特征,对可能发生的事故进行识别。
6.根据权利要求1所述的概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,其特征在于,所述验收准则包括:放射性后果在可接受限值以内、保证反应堆冷却剂系统压力边界完整性、保证安全壳的完整性。
7.根据权利要求1所述的概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,其特征在于,所述保护信号设置满足:多样性保护系统实现与RPS系统执行相同功能的信号到达整定值和时间均更晚。
8.根据权利要求1所述的概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,其特征在于,还包括步骤(D):采用概率论与确定论对多样性保护系统的信号设置进行定量化分析,确定其信号设置的合理性,若不合理则进一步迭代设计,若合理则确定为最终的多样性保护系统设置。
9.根据权利要求8所述的概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,其特征在于,所述合理性的确定方法为:分析多样性保护系统的信号设置是否实现设置最小化,安全性能最大化的目的,若不满足则为不合理,若满足则为合理。
10.根据权利要求1所述的概率论与确定论相结合的核电厂多样性保护系统设计方法,其特征在于,所述保护信号设置需要能够全面覆盖不同类事故的需求。
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