艾瓊 劉才學 何攀 王瑤 彭翠云

【摘 要】核電站反應堆一回路系統(tǒng)故障診斷對核電站運行安全性與經(jīng)濟性具有重要意義。通過對核電站反應堆一回路系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)介紹闡述故障診斷的基本研究方向。簡單介紹了目前國內(nèi)故障診斷的情況。最后基于國內(nèi)實際情況提出了“兩步走”核電站反應堆一回路系統(tǒng)故障診斷策略，首先基于工程使用大力發(fā)展針對一回路系統(tǒng)單個設備的故障診斷技術，積累大量數(shù)據(jù)知識，待技術基礎穩(wěn)固后集成開發(fā)核反應堆一回路系統(tǒng)綜合故障診斷技術。

【關鍵詞】核電站 一回路系統(tǒng) 故障診斷

1引言

機械設備的結(jié)構(gòu)以及故障產(chǎn)生的機理日益復雜使得故障診斷技術應用于保護國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)的關鍵設備成為工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，核電工業(yè)尤其如此。作為安全、清潔、經(jīng)濟的能源，核電己被越來越多的國家政府和人們所認同。在我國，在核電機組的陸續(xù)建設和運行緩解我國現(xiàn)在的能源需求的同時，也對核電設備的安全性、可靠性提出了越來越高的要求。另一方面，系統(tǒng)和設備出現(xiàn)故障而造成的反應堆停堆會給核電站造成巨大的經(jīng)濟損失。所以無論是核電站安全性還是經(jīng)濟性的角度考慮，加強核電站系統(tǒng)設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術的研發(fā)都具有重大意義。

2 診斷對象

壓水堆核電廠主要是由反應堆、一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)和設備組成。壓水堆核電廠中具有放射性的一回路與不帶放射性的二回路系統(tǒng)是分開的，通常把壓水堆核電廠分為核島和常規(guī)島兩大部分。核島是指核的系統(tǒng)和設備部分；常規(guī)島是指那些和常規(guī)火電廠相似的系統(tǒng)—和設備部分。

反應堆將堆芯核裂變放出的熱能通過一回路冷卻劑的循環(huán)帶出反應堆并傳遞給二回路工質(zhì)以產(chǎn)生蒸汽?，F(xiàn)代商用壓水堆核電廠反應堆一回路一般有二至四條并聯(lián)在反應堆壓力容器上的封閉環(huán)路。每一條環(huán)路由一臺蒸汽發(fā)生器、一臺或兩臺反應堆冷卻劑泵及相應的管道組成，其中一個環(huán)路的熱管段上通過波動管與一臺穩(wěn)壓器相連。一回路內(nèi)的高溫高壓含硼水，由反應堆冷卻劑泵輸送，流經(jīng)反應堆堆芯，吸收了堆芯核裂變放出的熱能，再進入蒸汽發(fā)生器，通傳蒸汽發(fā)生器傳熱管壁降熱量傳給蒸汽發(fā)生器二次側(cè)給水，然后再由反應堆冷卻劑泵唧送回反應堆。如此循環(huán)往復，構(gòu)成封閉回路。整個一回路系統(tǒng)設有一臺穩(wěn)壓器。一回路系統(tǒng)的壓力靠穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)，且保持穩(wěn)定。

核能安全利用的目標是放射性釋放的潛在風險可控，其前提是保證核電站一回路系統(tǒng)各關鍵設備的安全運行。反應堆壓力容器與管道對放射源有保存、封閉的作用，所以保障壓力邊界的完整性很重要。主泵是一回路系統(tǒng)能量傳遞的唯一動力源，其正常運行對反應堆安全運行意義重大?？刂品磻褑?、停的控制棒提升和插入順暢。反應堆堆內(nèi)部件繁多，需要及時發(fā)現(xiàn)并合理的處置可能的松動或脫落。在盡量提高核電站自身的固有可靠性的同時開展故障診斷研究，開展核電站一回路系統(tǒng)的故障診斷研究，及時發(fā)現(xiàn)故障，防止故障的惡化，保障核電站運行安全。

3 研究現(xiàn)狀

我國核電站故障診斷起步較晚，1988年清華大學核研院開始跟蹤故障診斷專家系統(tǒng)學術動態(tài)，并于1993年利用故障樹分析技術開發(fā)了核電站二回路故障診斷專家系統(tǒng)（FBOLES），并通過了模擬機驗證。同年清華大學工程物理系開發(fā)了基于規(guī)則知識庫的壓水堆核電站運行故障診斷及處理專家系統(tǒng)ESPWR。90年代末期國內(nèi)核電站及反應堆故障系統(tǒng)的研究逐步轉(zhuǎn)向包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯、遺傳算法等的新型方法。清華大學核研院在其研究中加入了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的快速預測，采用遺傳算法的綜合評價。重慶大學進行了使用因果圖方法的核電站二回路故障診斷系統(tǒng)研究。盡管投入了大量的研究，但是具有其特殊性，目前能夠面向核電站一回路系統(tǒng)的綜合故障診斷系統(tǒng)非常少。國內(nèi)上尚沒有具有自主知識產(chǎn)權的并投入運行的核電站一回路系統(tǒng)綜合故障診斷系統(tǒng)。

目前也有很多針對一回路系統(tǒng)某個設備的故障診斷系統(tǒng)，這是較接近工程實用的診斷研發(fā)方向。中國原子能研究院使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡、小波分析、主成分分析等多種方法進行了針對試驗快堆鈉泵的故障診斷系統(tǒng)研究與開發(fā)。各大高校針對單個設備單一故障的特征提取、診斷方法研究進行了大量理論研究，但缺乏工程實用背景?？傮w看核電站一回路系統(tǒng)故障診斷研究和應用現(xiàn)狀呈現(xiàn)出理論研究強，工程應用研究不夠的問題。

4 故障診斷策略

故障監(jiān)測與診斷一般可分為信號采集、特征量提取、診斷知識獲取與診斷決策四個主要步驟。選擇合適的運行參數(shù)作為監(jiān)測信號，信號處理提取數(shù)據(jù)特征量數(shù)據(jù)，利用人工智能獲取診斷知識，最后利用診斷知識、模型等對在線或離線監(jiān)測獲得的運作狀態(tài)數(shù)據(jù)進行診斷，并提出診斷決策建議。

核電站反應堆一回路系統(tǒng)是一個龐大而復雜的系統(tǒng)，其運行中涉及的監(jiān)測參數(shù)很多，包括按照陣列排布的溫度、壓力參數(shù)、各設備的振動測量獲得的大量振動特征參量……這些數(shù)據(jù)具有時變性、多尺度性、非線性以及維度大等特征，不同的監(jiān)測和診斷目標下選擇合理的監(jiān)測參數(shù)和特征量需要進行反復地分析和斟酌。主要考慮那些對核反應堆的安全運行有著重要影響的參數(shù)作為監(jiān)測參數(shù)，并考慮某些參數(shù)間的關系。面對到不同的設備的不同監(jiān)測要求肯定會有不同的監(jiān)測參數(shù)組合，我們的選擇標準是：（1）可用性，容易采集表達；（2）完整性，能夠充分描述對應設備的動態(tài)行為；（3）最小化，盡可能使參數(shù)數(shù)目最少；（4）敏感性，對設備的某些故障比較敏感。

特征量的提取是故障診斷過程中的一個關鍵步驟，需從監(jiān)測的信號中分析提取出具有能代表故障特征的值的過程。準確的故障診斷依賴于良好的特征信息的提取，并直接的決定了故障診斷的效果。從時域分析、頻域分析、小波分析、分形維度和經(jīng)驗模態(tài)等多中方法入手，找到最好的表征故障信息的特征參量是很有必要的。這些方法特征提取過程的共同依據(jù)是能量保持。在特征提取中要盡可能多的提取多的特征參量以免信息遺漏。特征量的提取只是初始數(shù)據(jù)集預備與轉(zhuǎn)換過程中的第一步，它并不是進行診斷知識提取的最佳數(shù)據(jù)集，要對其進行許多轉(zhuǎn)換得到更有用的特征量組合。為得到更好的特征量組合需對原始特征數(shù)據(jù)進行處理和分析，異常點分析、合適的樣本容量，比率，標準化等都是最基本的，大型的數(shù)據(jù)集的簡化、歸約也是很有必要的，可以通過特征歸約，熵度量，主成分分析，值歸約，特征離散化技術等技術來實現(xiàn)。這些技術會幫助我們從紛繁的數(shù)據(jù)集中找到合適的用于故障診斷知識獲取的特征量或其組合。

由于人工智能在處理復雜動態(tài)系統(tǒng)故障診斷中兼具有理論意和應用價值，所以將人工智能用于核電站的故障診斷系統(tǒng)成為越來越普遍的選擇。基于人工智能的診斷知識的獲取方法很多，以單一設備故障診斷為例，需要根據(jù)已有的異常狀態(tài)信息對新監(jiān)測數(shù)據(jù)的故障與否、故障類型、故障程度等做出判斷，其實質(zhì)可以看作是分類問題?？梢圆捎玫姆诸惙椒ㄓ腥缦乱恍簺Q策樹分類法、基于規(guī)則分類法、最近鄰分類法、樸素貝葉斯分類、神經(jīng)網(wǎng)絡分類法、支持向量機和粗糙集分類方法等等。無論采用哪種方法，基于人工智能的診斷知識的獲取都是訓練算法從樣本特征數(shù)據(jù)中找到對故障類別進行良好分類準確度、并對新的數(shù)據(jù)具有好的泛化能力的診斷模型，也就是獲取診斷知識的載體。在一回路壓力邊界完整性診斷知識獲取中，可以基于聲發(fā)射信號衰減和傳感器陣列布置建立一個壓力邊界泄漏定位、定量解析模型，也就是泄漏診斷知識；在主泵故障診斷中可以基于支持向量建立各故障分類模型知識。

當對象從單一設備擴展到一回路這樣一個復雜系統(tǒng)的綜合故障診斷時，首先需要考慮系統(tǒng)各設備之間的關聯(lián)關系對特征的提取與簡化的影響，診斷知識的歸納與知識庫的建立往往需要一個很長的積累過程，海量數(shù)據(jù)下如何提高診斷效率的問題也會凸顯。

最后使用訓練好的診斷模型對新的監(jiān)測運行狀態(tài)做出診斷，診斷結(jié)果一般包括故障類別置（或位）和故障程度，診斷結(jié)果可以指導運行操作人員結(jié)合管理流程，做出維修保障行動或決策。

針對核電站一回路系統(tǒng)的綜合故障診斷技術研發(fā)成熟后，一般以一種操作人員的支持系統(tǒng)的方式服務于核電站一回路系統(tǒng)故障診斷，使得核電站一回路系統(tǒng)的運行中的故障診斷更容易、更準確，降低事故時的人因失誤，并減輕事故給操作人員帶來的壓力，提高系統(tǒng)的可靠性和有效性。隨著技術研發(fā)的進步，除單純的故障診斷外，支持系統(tǒng)還可能擴展狀態(tài)監(jiān)測、故障預測、故障隔離、故障定位、規(guī)程指導等功能，所使用的方法也隨著人工智能技術的廣泛應用而越來越趨向于智能化。

按照上面的研發(fā)思路，中國核動力研究院在核電站反應堆一回路系統(tǒng)關鍵設備故障診斷進行深入的研發(fā)，包括松脫部件與堆內(nèi)構(gòu)件振動監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，壓力管道缺陷與泄漏定位、定量診斷系統(tǒng)，主泵運行狀態(tài)振動監(jiān)測與故障診斷等設備級的故障診斷技術研發(fā)，緊密結(jié)合工程實用需求是其診斷研究的特點。2008年10月開始反應堆松脫部件與振動監(jiān)測系統(tǒng)（KIR系統(tǒng)）向秦山核電站供貨，目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功供貨28套，并成功實現(xiàn)14個核電機組的商用。KIR系統(tǒng)由松脫部件監(jiān)測系統(tǒng)（LPMS）和堆內(nèi)振動監(jiān)測系統(tǒng)（VMS）兩個部分，其主要功能是在線監(jiān)測核反應堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器內(nèi)可能出現(xiàn)的松動件、脫落件和外來件，周期性監(jiān)測反應堆壓力容器和堆內(nèi)構(gòu)件的振動。當監(jiān)測系統(tǒng)報警后啟動診斷服務，報警數(shù)據(jù)通過遠程等方式發(fā)送到診斷服務中心，診斷結(jié)論以報告形式返回，為核電站安全運行提供技術支持。此外針對壓力管道缺陷和泄漏定量、定位診斷技術的研發(fā)目前已逐步趨于成熟，即將實現(xiàn)供貨；針對主泵振動狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的技術已完成技術攻關。在不久的將來針對核電站一回路系統(tǒng)各關鍵設備的故障診斷技術都會投入商用，并積累大量一回路系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，這會大大促進核電站一回路系統(tǒng)綜合故障診斷系統(tǒng)的研發(fā)。

作者簡介：艾瓊（1983—），女，漢族，湖北天門人，博士，助理研究員，反應堆運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷；劉才學（1967—），男，漢族，四川大英人，碩士，研究員，反應堆運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷；何攀（1979—），男，碩士，漢族，四川渠縣人，副研究員，反應堆運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷；王瑤（1982—），女，碩士，漢族，重慶涪陵人，副研究員，反應堆運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷；彭翠云（1982—），女，碩士，漢族，安徽合肥人，助理研究員，反應堆運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。