王家群,王 芳,汪 進,顧曉慧,袁 潤,殷 園,3,汪建業(yè),李亞洲,胡麗琴,吳宜燦,曾 春,宋明海,蘇長松,彭曉春,張剛平

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥 230026;2.中國科學(xué)院等離子體物理研究所,安徽 合肥 230031;3.深圳大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)系,廣東 深圳 518060;4.秦山第三核電有限公司,浙江 嘉興 314300)

概率安全/風(fēng)險評價(Probability Safety/Risk A ssessment,PSA/PRA)是 20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種用于安全和可靠性評價的系統(tǒng)工程方法,其在核能、航天、電子等領(lǐng)域均已有廣泛應(yīng)用。隨著近年來在核電站的工程設(shè)計、執(zhí)照管理和維修計劃等工作中的應(yīng)用,PSA正受到人們越來越多的關(guān)注[1-2]。

核電站一般是包括幾十甚至幾百個子系統(tǒng)及成千上萬個部件的大型復(fù)雜系統(tǒng),與之相應(yīng)的PSA模型也比較復(fù)雜;另外核電站PSA的分析計算工作一般都要有一個迭代的過程,對于同一個核電站的PSA模型要重復(fù)計算多次[3]。為了保證分析過程的可靠性和評價結(jié)果的可信性,目前核電站PSA中的分析計算工作一般都借助于 PSA軟件完成,如瑞典RELCON Scandpow er AB公司開發(fā)的Risk Spectrum[4]、韓國 Korea A tom ic Energy Research Institute開發(fā)的FTREX[5]、美國Data System s and Solutions公司和Electric Pow er Research Institute聯(lián)合開發(fā)的 R&RW orkstation[6]以及FDS團隊自主開發(fā)的大型集成概率安全評價軟件RiskA等[1]。

上述PSA軟件平臺一般支持對于多種計算引擎的調(diào)用[7-9]。對于第三方計算引擎調(diào)用的研究,一方面能夠促進對于該計算平臺計算流程和分析接口的深入理解;另一方面通過在同一平臺下完成對于不同計算引擎調(diào)用,可以為結(jié)果正確性校核、速度比較提供基礎(chǔ)。本文主要研究并完成了在R&RWorkstation平臺下對于完全自主知識產(chǎn)權(quán) RiskA計算引擎的調(diào)用,使用真實核電站的PSA模型進行了RiskA計算引擎的正確性驗證,并且比較了RiskA計算引擎與CQUANT計算引擎之間計算速度的差異。

1 軟件系統(tǒng)介紹

1.1 R&RWorkstation和PRAQUANT

美國Data Systems and Solutions公司和Electric Power Research Institute聯(lián)合開發(fā)的概率安全分析計算機輔助軟件包R&RW orkstation,主要包括CAFTA(故障樹分析)、ETA(事件樹分析)、PRAQUANT(事故序列定量計算)、UNCERT(不確定性分析)等模塊,其自帶的計算引擎為CQUANT,另外該平臺還支持用戶自己配置其他的計算引擎[7-10]。目前國內(nèi)已有幾家該軟件的用戶,如秦山第三核電有限公司(以下簡稱“秦山三核”)、中國核動力研究設(shè)計院等。

作為 R&R Workstation的子模塊,PRAQUANT是一個事故序列定量化計算的工具,它使用故障樹鏈接法自動實現(xiàn)事故序列的定量計算。PRAQUANT可以在計算時使用多種最小割集計算引擎,如CQUANT、RELMCS以及RSAT等[7],軟件包中原有的計算引擎為CQUANT。CQUANT求解大規(guī)模故障樹時耗費計算時間較長,導(dǎo)致了用戶在使用CQUANT引擎進行分析計算時要耗費較多的計算時間,給PSA工作效率提升帶來了不利影響。利用 R&RWorkstation平臺支持用戶自己配置第三方計算引擎的特性,尋找一個在計算速度上優(yōu)于CQUANT的計算引擎是解決上述問題的一條有效途徑。

1.2 RiskA

RiskA是FDS團隊在廣泛調(diào)研和深入分析國際現(xiàn)有概率安全分析軟件及其關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)的,具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型概率安全分析軟件系統(tǒng)。目前RiskA已經(jīng)發(fā)展到了比較成熟的階段,其3.0版本已通過與國際同類型軟件校核證明了計算結(jié)果正確[11],并已在多項工程實例中成功應(yīng)用,如秦山三期重水堆核電站風(fēng)險監(jiān)測系統(tǒng)TQRM[12-14]、國際熱核聚變實驗堆實驗包層模塊ITER-TBM可靠性分析、國家大科學(xué)工程全超導(dǎo)托卡馬克EAST安全分析以及 FDS系列先進反應(yīng)堆設(shè)計等[15-16]。

目前RiskA 3.0版本的主要功能包括：系統(tǒng)建模、模型導(dǎo)入、故障樹分析、事件樹分析、不確定性分析、敏感性分析、重要度分析、數(shù)據(jù)管理與分析[1],其中故障樹分析是PSA分析的核心(圖1)。

圖1 RiskA主要功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Modules of RiskA

2 計算引擎調(diào)用

在PRAQUANT下使用RiskA計算引擎,可以在更多真實核電站的PSA模型中驗證RiskA計算結(jié)果正確,同時也可以與其他計算引擎進行計算速度的比較。

2.1 計算流程

首先對PRAQUANT的計算流程做一簡要介紹,如圖2中所示。

2.2 關(guān)鍵問題

PRAQUANT在調(diào)用最小割集計算引擎時通過參數(shù)傳遞的方式與計算引擎通信。以CQUANT為例,PRAQUANT調(diào)用該計算引擎時與其傳遞的參數(shù)主要包括：輸入文件信息,輸出文件信息,截斷值設(shè)定,以及其他優(yōu)化設(shè)定等[7]。

圖2 PRAQUANT計算流程Fig.2 Calculation procedure of PRAQUANT

圖3給出了在PRAQUANT軟件調(diào)用計算引擎時若干關(guān)鍵的程序接口。

圖3 PRAQUANT調(diào)用計算引擎接口Fig.3 Interface between PRAQUANT and calculation engine

完成PRAQUANT下調(diào)用RiskA計算引擎,需要解決的關(guān)鍵問題主要有以下3個[7-9]。

(1)識別CAFTA輸入文件的格式。由于在PRAQUANT調(diào)用計算引擎時,提供給計算引擎的輸入文件格式為CAFTA的故障樹文件,因此RiskA能夠正確識別并讀入此類故障樹文件是所有工作的基礎(chǔ)。

(2)能與PRAQUANT通信。上文中已提到,PRAQUANT通過參數(shù)傳遞的方式在軟件界面與計算引擎之間通信。因此,能否正確接收并執(zhí)行PRAQUANT傳遞的參數(shù)是保證計算結(jié)果正確可靠的必要條件。

(3)生成PRAQUANT可識別的最小割集。PRAQUANT在調(diào)用命令正確執(zhí)行之后會讀取計算引擎生成的最小割集文件,必須保證RiskA可以生成能被PRAQUANT正確讀取的最小割集文件。

其中,解決RiskA與CAFTA軟件使用文件格式兼容的問題是RiskA計算引擎得以成功配置的關(guān)鍵。本文基于 RiskA已有的工作基礎(chǔ)解決了上述關(guān)建問題,并成功實現(xiàn)了PRAQUANT下調(diào)用RiskA計算引擎。

3 測試例題與結(jié)果分析

完成RiskA計算引擎在PRAQUANT下的調(diào)用之后,以秦山第三核電有限公司基準(zhǔn)PSA模型為測試例題進行了正確性驗證以及與CQUANT引擎計算速度的比較。秦山三核基準(zhǔn)PSA模型復(fù)雜且規(guī)模大,使用的基本事件數(shù)量達7 564個,邏輯門5 908個,PSA的分析計算使用了 R&RWorkstation軟件包[6]。它包含50棵事件樹模型以及26個用于事故序列定量化的故障樹模型,共計1 007條導(dǎo)致嚴重堆芯損傷(SCD,Several Core Damage)的事故序列。測試中各事故序列例題的概率截斷值均設(shè)為1.00E-10,分別使用RiskA計算引擎3.0版本和CQUANT 4.0b版本;測試用計算機配置的處理器型號為Intel Q9400(2.66 GHz),內(nèi)存3.5 GB,操作系統(tǒng)為M icrosoftW indow s XP。

3.1 正確性驗證

經(jīng)秦山三核基準(zhǔn) PSA模型的驗證,PRAQUANT下調(diào)用RiskA計算引擎與調(diào)用CQUANT得到的結(jié)果完全相同。囿于篇幅,表1中給出了部分測試例題的結(jié)果。

表1 測試結(jié)果Table 1 Testing result

使用文件比較工具分別對 RiskA和CQUANT計算結(jié)果進行比較,驗證了兩者生成的最小割集及其排序完全一致。

3.2 計算速度測試

分別統(tǒng)計了PRAQUANT調(diào)用RiskA和CQUANT計算引擎的耗時。通過比較發(fā)現(xiàn),在PRAQUANT下使用RiskA計算引擎的計算耗時明顯少于CQUANT引擎,測試中設(shè)定條件下未發(fā)現(xiàn)RiskA計算引擎計算耗時多于CQUANT的序列。表2中給出了部分序列的測試時間統(tǒng)計,RiskA計算引擎的計算耗時在CQUANT耗時的1‰以下,例題PCTR-S49中達到了1/3 498。

表2 計算時間Table 2 Calcu lated time

4 總結(jié)

基于FDS團隊開發(fā)的大型集成概率安全分析軟件RiskA,實現(xiàn)了在PRAQUANT軟件下調(diào)用RiskA計算引擎。使用真實電站PSA模型進行校核,結(jié)果表明正確地實現(xiàn)了在PRAQUANT下對于RiskA計算引擎的配置,RiskA的定性分析和定量計算結(jié)果正確。在計算速度上 RiskA 計算引擎明顯優(yōu)于CQUANT,測試中部分例題 RiskA的計算速度高達CQUANT的數(shù)千倍。

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