李永進(jìn) 劉洋
【摘 要】結(jié)合臺(tái)山EPR總體儀控試驗(yàn)設(shè)計(jì)策劃的方法,系統(tǒng)闡述試驗(yàn)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的識(shí)別初始事件、排除驗(yàn)證工況和優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)三個(gè)關(guān)鍵過程。通過對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的淺析,旨在為后續(xù)中方企業(yè)自主規(guī)劃和設(shè)計(jì)先進(jìn)核電站總體儀控試驗(yàn)提供借鑒和參考。
【關(guān)鍵詞】總體儀控;最終安全分析報(bào)告;單一故障;失電試驗(yàn);切換試驗(yàn)
中圖分類號(hào): TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 2095-2457(2018)13-0045-003
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.020
【Abstract】Combined with Taishan EPR Overall I&C; test design methodology,this document will give a detail description about how to build the Overall I&C; test structure with three Key steps:Identify initial events,Eliminate tested scenarios,Optimize test structures.The purpose for this overview introduction is to support other Chinese groups to design and build the similar Overall I&C; test structures for new developed nuclear power plant.
【Key words】Overall I&C;;Finally Safety Analysis Report;Single Failure;Power loss test;Switchover test
0 引言
臺(tái)山核電廠1、2號(hào)機(jī)組采用歐洲壓水堆核電廠(EPRTM)機(jī)組。由AREVA聯(lián)合EDF以及德國(guó)用戶開發(fā),以法國(guó)N4和德國(guó)KONVOI機(jī)組為基礎(chǔ),采用先進(jìn)核電技術(shù)演變而來。
EPR核電機(jī)組采用全新供電方式,廠用電系統(tǒng)接線設(shè)計(jì)為4列x 50%冗余,滿足N+2原則。執(zhí)行安全功能的電氣系統(tǒng)在各種運(yùn)行瞬態(tài)和假設(shè)事故狀態(tài)下,即使一列檢修加上一列單一故障仍然可以保證安全功能。因此,EPR與CPR1000機(jī)組供電方式不同。
對(duì)于安全級(jí)系統(tǒng),冗余序列的數(shù)量滿足N+2準(zhǔn)則:
N=正常運(yùn)行時(shí)所需要的列數(shù)(如果單列=100%能力,則只需1列;如果單列=50%能力,則需2列;如果單列=33%能力,則需3列)
+2=除了正常運(yùn)行所需的N外,還附加同樣容量的兩列作為備用,用于應(yīng)對(duì)兩種特殊運(yùn)行工況:1)發(fā)生事故而喪失一列;2)計(jì)劃維修而導(dǎo)致一列不可用。
基于EPR全新的供電方式和儀控設(shè)計(jì),AREVA聯(lián)合臺(tái)山調(diào)試團(tuán)隊(duì)為臺(tái)山EPR設(shè)計(jì)和策劃了全新的總體儀控試驗(yàn)程序結(jié)構(gòu)體系,并且將其命名為OIC試驗(yàn)(Overall I&C; test)。該試驗(yàn)為核島綜合性聯(lián)調(diào)試驗(yàn),包括機(jī)組降級(jí)運(yùn)行試驗(yàn)、儀控系統(tǒng)切換試驗(yàn)、儀控系統(tǒng)性能試驗(yàn)和特殊工況試驗(yàn)等類別,用以驗(yàn)證核島工藝和儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì),同時(shí)滿足儀控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證策略完整性的要求。
本分析報(bào)告將淺述EPR總體儀控試驗(yàn)的設(shè)計(jì)策劃方法,用于為后續(xù)機(jī)組策劃類似大型試驗(yàn)提供指導(dǎo)和借鑒。
1 EPR總體儀控試驗(yàn)設(shè)計(jì)總述
EPR核電機(jī)組作為三代商用核電機(jī)組,其設(shè)計(jì)理念和運(yùn)行方式不同與傳統(tǒng)的國(guó)內(nèi)二代核電機(jī)組CPR1000。僅僅在儀控系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面,與CPR1000機(jī)組相比,就有非常大的變化,所以適用于CPR1000機(jī)組的總體儀控試驗(yàn)設(shè)計(jì)策略不再適用于EPR核電機(jī)組。對(duì)于EPR機(jī)組來說,需要重新研究和設(shè)計(jì)與其相對(duì)應(yīng)的總體儀控試驗(yàn)策略。
根據(jù)臺(tái)山核電站最終安全分析報(bào)告FSAR(Final Safety Analysis Report)第7章中的設(shè)計(jì)承諾,儀控系統(tǒng)要能夠防御內(nèi)部和外部災(zāi)害所導(dǎo)致的共模故障。在各種災(zāi)害之下,儀控系統(tǒng)可以通過降級(jí)運(yùn)行、運(yùn)行模式切換等手段實(shí)現(xiàn)電站的安全控制,嚴(yán)重事故情況時(shí)可以通過安全停堆來保護(hù)核電站。
由于EPR核電機(jī)組不僅工藝和電氣系統(tǒng)采用了冗余的安全序列供電方式,DCS設(shè)備也采用了雙路冗余供電的模式,所以單一電源失電(單一故障)不會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生較大的影響。然而,在電站正常運(yùn)行階段,仍然存在著其它各種誘因,使得儀控系統(tǒng)必然存在眾多潛在風(fēng)險(xiǎn),從而導(dǎo)致部分功能不能正常運(yùn)行甚至不可用,此類潛在風(fēng)險(xiǎn)來自于:
1)電站正常運(yùn)行期間的維修工作,需要停運(yùn)部分機(jī)柜或者設(shè)備;
2)電站外部災(zāi)害,導(dǎo)致某一區(qū)域的儀控設(shè)備無法正常工作。比如飛機(jī)撞擊;
3)電站內(nèi)部災(zāi)害,導(dǎo)致部分儀控設(shè)備不可用;比如特定區(qū)域的蓄電池組爆炸;
4)儀控系統(tǒng)組件故障,比如卡件故障、網(wǎng)關(guān)失效、總線通訊喪失等;
5)儀控支持系統(tǒng)故障,比如供電故障、通風(fēng)喪失、冷卻喪失等;
……
正因上述潛在風(fēng)險(xiǎn)的存在,所以儀控系統(tǒng)在最初設(shè)計(jì)階段已經(jīng)協(xié)同機(jī)組總體設(shè)計(jì),配套設(shè)計(jì)考慮了機(jī)組運(yùn)行階段的降級(jí)運(yùn)行及運(yùn)行模式切換等各種運(yùn)行方式。同時(shí),上述風(fēng)險(xiǎn)也為總體儀控試驗(yàn)設(shè)計(jì)提出了新的要求。在設(shè)計(jì)策劃試驗(yàn)階段,不應(yīng)該將總體儀控試驗(yàn)僅僅定位于儀控系統(tǒng)自身的范疇,而應(yīng)該結(jié)合設(shè)計(jì)初始分析后適當(dāng)擴(kuò)大試驗(yàn)范圍,從總體儀控的角度出發(fā)考慮對(duì)機(jī)組整體運(yùn)行的影響。
結(jié)合EPR機(jī)組最終安全分析報(bào)告的設(shè)計(jì)承諾,EPR總體儀控試驗(yàn)設(shè)計(jì)從機(jī)組總體設(shè)計(jì)及運(yùn)行的角度出發(fā),統(tǒng)籌考慮了儀控、電氣及各工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn),最終完成了試驗(yàn)框架的設(shè)計(jì)和策劃工作。
總體而言,EPR核電廠總體儀控試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以分為如下三個(gè)階段:識(shí)別初始事件、排除驗(yàn)證工況和優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)。
2 EPR核電廠總體儀控試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介
2.1 識(shí)別初始事件
作為設(shè)計(jì)策劃總體儀控試驗(yàn)的第一步,識(shí)別初始事件主要通過對(duì)輸入文件的分析來完成。通過對(duì)最終安全分析報(bào)告(FSAR)、電站運(yùn)行技術(shù)規(guī)范(OTS)、EPR核電廠應(yīng)急事故程序(EOP)和儀控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)文件等輸入文件的分析,確定導(dǎo)致儀控系統(tǒng)及電站降級(jí)運(yùn)行的所有初始事件。
本階段工作主要基于如下設(shè)計(jì)分析展開:
1)EPR機(jī)組總體運(yùn)行設(shè)計(jì)文件分析(源于FSAR,包括預(yù)防性維修策略PM),主要用于研究分析機(jī)組運(yùn)行期間的特殊運(yùn)行工況管理;
2)EPR設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況(DBC)/超設(shè)計(jì)工況(DEC)設(shè)計(jì)分析(源于FSAR,包括單一故障準(zhǔn)則),主要用于研究適用于總體儀控試驗(yàn)的驗(yàn)證工況;
3)運(yùn)行技術(shù)規(guī)范分析(OTS),主要用于試驗(yàn)驗(yàn)證范圍及內(nèi)容的確定;
4)儀控總體設(shè)計(jì)分析(源于FSAR),主要用于研究分析試驗(yàn)程序設(shè)置的范圍,比如PICS切換至SICS運(yùn)行、MCR切換至RSS運(yùn)行、T2000切換至HKS運(yùn)行等;
5)災(zāi)害研究分析(源于FSAR),主要用于確定總體儀控試驗(yàn)可以覆蓋驗(yàn)證的災(zāi)害范圍,比如電氣廠房失火、通風(fēng)喪失等;
6)EPR核電廠應(yīng)急事故程序分析,主要用于研究分析試驗(yàn)程序場(chǎng)景的設(shè)置和試驗(yàn)邏輯的確定;
……
上述所有設(shè)計(jì)文件的分析工作,用于設(shè)計(jì)策劃總體儀控試驗(yàn)的程序結(jié)構(gòu),最終編制調(diào)試大綱文件SCP。在這些設(shè)計(jì)輸入中,DBC設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況的分析是核心關(guān)鍵。
DBC設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工況分析中,首先通過分析研究,梳理出所有的初始事件(Postulated Initiating Events:PIE);然后,結(jié)合單一事故準(zhǔn)則(SFC)、預(yù)防性維修(PM)的要求和EPR電站應(yīng)急事故管理策略(EOP),最終研究確定與電站運(yùn)行及總體儀控設(shè)計(jì)相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證場(chǎng)景。
對(duì)于各種工況和試驗(yàn)序列的設(shè)計(jì)驗(yàn)證,可以通過不同的試驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置來完成。比如,對(duì)于電氣和安全廠房通風(fēng)喪失(及火災(zāi))而引起儀控設(shè)備失效的試驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置,可以模擬環(huán)境溫度惡化來驗(yàn)證設(shè)備的真實(shí)動(dòng)作,也可以通過模擬設(shè)備斷電工況來驗(yàn)證設(shè)備失效的動(dòng)作響應(yīng)。
經(jīng)過全面分析和等效論證,最終選用了相對(duì)折中和保守的方案來策劃總體儀控試驗(yàn)方案。以儀控系統(tǒng)環(huán)境惡化、部分失效等情況為例,最終確認(rèn)通過模擬機(jī)組失電的工況來進(jìn)行驗(yàn)證。
上述機(jī)組失電及降級(jí)運(yùn)行模式的研究確認(rèn),僅針對(duì)與總體儀控相關(guān)的設(shè)計(jì)工況,其它與儀控失效或者降級(jí)運(yùn)行無關(guān)的設(shè)計(jì)工況不在試驗(yàn)策劃考慮的范疇之內(nèi)。
通過研究分析發(fā)現(xiàn),對(duì)于EPR核島設(shè)計(jì)而言,最有可能出現(xiàn)的工況為:
1)失去廠外電LOOP(>2H)工況疊加一臺(tái)柴油機(jī)單一故障或預(yù)防性維修(PM)工況,從而導(dǎo)致某單一核島電氣列完全失電(包括所在列儀控系統(tǒng));
2)失去廠外電LOOP(>2H)工況疊加一臺(tái)柴油機(jī)單一故障,再疊加其它列一臺(tái)柴油機(jī)預(yù)防性維修(PM)工況,從而導(dǎo)致產(chǎn)生核島兩個(gè)電氣列同時(shí)失電(包括所在列儀控系統(tǒng))。
在機(jī)組正常運(yùn)行過程中,結(jié)合EPR應(yīng)急事故管理策略(EOP),導(dǎo)致出現(xiàn)核島單列喪失事故的工況除了失電之外,還包括核島部分區(qū)域火災(zāi)工況。對(duì)于臺(tái)山EPR核電機(jī)組,當(dāng)核島某一區(qū)域出現(xiàn)火災(zāi)工況時(shí),為了更好的控制機(jī)組狀態(tài),避免操作人員不恰當(dāng)?shù)母深A(yù),在應(yīng)急事故管理策略中,將要求操縱人員利用火災(zāi)處理程序(FAIOp)停運(yùn)對(duì)應(yīng)列的所有電氣盤。這種特殊的運(yùn)行干預(yù)措施,也進(jìn)一步佐證了總體儀控試驗(yàn)利用失電來模擬部分設(shè)備失效工況的合理性。
最后,結(jié)合DEC超設(shè)計(jì)工況、儀控總體設(shè)計(jì)要求(FSAR第七章節(jié))和災(zāi)害分析,研究制定了其它總體儀控試驗(yàn)相關(guān)的特殊驗(yàn)證場(chǎng)景。
通過本階段的研究和策劃,總體儀控試驗(yàn)的初始程序范圍如圖1所示。
2.2 排除驗(yàn)證工況
在通過第一階段的研究策劃之后,已初步分析設(shè)計(jì)了所有與總體儀控試驗(yàn)相關(guān)的特殊驗(yàn)證工況。
然而,在這些特殊的試驗(yàn)場(chǎng)景之中:一些驗(yàn)證工作已在工廠測(cè)試期間進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試論證;另外一些工況由于在實(shí)際調(diào)試試驗(yàn)中無法模擬,因而只能在軟件平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證;還有一些工況已經(jīng)被分散安排在其它的各個(gè)單系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)中進(jìn)行生效驗(yàn)證……所有這些特殊的工況將在本階段中逐一分析排除。
2.2.1 工廠測(cè)試論證
對(duì)于EPR機(jī)組,在工廠測(cè)試期間,已經(jīng)全面對(duì)安全級(jí)和非安全級(jí)儀控功能進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。因此,與此相關(guān)的測(cè)試場(chǎng)景不需要進(jìn)一步在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證。
通過該階段分析論證后,可以排除初始程序清單中的如下場(chǎng)景:
1)儀控非抗震設(shè)備失效驗(yàn)證
2)喪失保護(hù)系統(tǒng)PS
2.2.2 單系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證
對(duì)于總體儀控試驗(yàn)初始清單中部分場(chǎng)景所涉及的內(nèi)容,相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證工作已經(jīng)分解在單系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證程序中。因此,在總體儀控試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)中,也將進(jìn)一步進(jìn)行排除。比如:
1)SAR喪失試驗(yàn)
2)激活嚴(yán)重事故儀控SA I&C;
2.2.3 其它聯(lián)調(diào)試驗(yàn)程序覆蓋
在EPR機(jī)組中,還設(shè)計(jì)有其它幾個(gè)與總體儀控試驗(yàn)相似的虛擬系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn),比如:電源切換試驗(yàn)(BAS)。這些虛擬系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)各自驗(yàn)證的范圍雖然不盡相同,但是部分驗(yàn)證內(nèi)容卻有交叉之處。
在電源切換試驗(yàn)(BAS)最初設(shè)計(jì)中,其已經(jīng)考慮了部分總體儀控試驗(yàn)所分析的試驗(yàn)場(chǎng)景。
另外,部分總體儀控試驗(yàn)場(chǎng)景也將覆蓋另外一部分試驗(yàn)場(chǎng)景。比如:核島單列喪失試驗(yàn)場(chǎng)景已經(jīng)覆蓋了單個(gè)機(jī)柜喪失場(chǎng)景的驗(yàn)證測(cè)試。
因此,通過該步驟的分析,又可以進(jìn)一步刪減部分總體儀控試驗(yàn)場(chǎng)景:
1)失去兩列核島電氣列試驗(yàn)工況
2)全廠失電(SBO)試驗(yàn)工況
3)喪失單個(gè)DCS機(jī)柜工況
……
最終,經(jīng)過本階段分析之后,總體儀控試驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)景變化如圖2所示。
2.3 優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)
結(jié)合參考電站的經(jīng)驗(yàn)反饋,總體儀控試驗(yàn)的試驗(yàn)窗口基本都在熱停堆工況,每份試驗(yàn)執(zhí)行的時(shí)間均在0.5-1天左右,耗時(shí)較長(zhǎng)。如果在總體儀控試驗(yàn)策劃初期沒有綜合考慮到試驗(yàn)周期的影響,那么勢(shì)必將影響到熱試的整個(gè)工期。
因此,對(duì)于前兩個(gè)階段已經(jīng)初步設(shè)計(jì)確定的試驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)景必須進(jìn)行進(jìn)一步的程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化,從而讓整個(gè)總體儀控試驗(yàn)既能夠滿足全面驗(yàn)證的要求,又可以在程序數(shù)量和時(shí)間窗口方面滿足工程進(jìn)度的需要。
為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)的目標(biāo),在整個(gè)策劃過程中采取了如下的措施:
1)經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn),EPR機(jī)組的核島第一區(qū)和核島第四區(qū)、核島第二區(qū)和核島第三區(qū)在初始設(shè)計(jì)方面,已經(jīng)考慮了對(duì)稱設(shè)計(jì)的原則,所以在相同的試驗(yàn)工況下可以精簡(jiǎn)一半的程序數(shù)量;
2)在總體儀控試驗(yàn)階段選擇方面,目前主要選定的試驗(yàn)階段為標(biāo)準(zhǔn)熱停堆工況和標(biāo)準(zhǔn)冷停堆工況(RIS-RHR)兩種工況平臺(tái);
3)對(duì)于喪失最終熱阱LUHS(Loss of Ultime Heat Sink)和喪失冷鏈LOCC(Loss of Coolant Chain)兩種工況,由于對(duì)機(jī)組總體運(yùn)行和儀控的影響與部分總體儀控試驗(yàn)及SBO工況相同,所以將統(tǒng)一在總體儀控及BAS SBO試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證;
4)對(duì)于部分區(qū)域火災(zāi)、通風(fēng)喪失、支持系統(tǒng)喪失等災(zāi)害或事故導(dǎo)致的工況,由于在調(diào)試期間無法正常模擬,所以可以通過失電的方式進(jìn)行統(tǒng)一模擬驗(yàn)證,從而達(dá)到程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)化;
5)作為儀控總體測(cè)試策略完整性的補(bǔ)充,最終在總體儀控試驗(yàn)程序中也添加補(bǔ)充了部分特殊試驗(yàn)程序,來保證儀控試驗(yàn)的完整性。
……
最終,經(jīng)過識(shí)別初始事件、排除驗(yàn)證工況和優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)的一體化研究分析,設(shè)計(jì)策劃了適用于臺(tái)山EPR的總體儀控試驗(yàn)程序體系。
上述程序結(jié)構(gòu)中,目前共計(jì)包括12份試驗(yàn)程序,該12份程序的設(shè)置、試驗(yàn)工況的選擇和傳統(tǒng)CPR試驗(yàn)相比有很大的不同之處。在EPR總體儀控試驗(yàn)程序中,這12份試驗(yàn)程序又可以按照試驗(yàn)內(nèi)容的不同劃分為四個(gè)不同的子項(xiàng):
1)機(jī)組降級(jí)試驗(yàn),包括TP OIC 101-104,主要通過在不同的試驗(yàn)平臺(tái)下,依次停運(yùn)核島四個(gè)分區(qū)的供電來模擬驗(yàn)證機(jī)組控制策略和儀控系統(tǒng)響應(yīng)。此部分試驗(yàn)通過失電來模擬。
2)總體儀控切換試驗(yàn):包括TP OIC 105-109,主要驗(yàn)證EPR I&C;系統(tǒng)在整體儀控設(shè)計(jì)中的不同降級(jí)運(yùn)行方式。此部分試驗(yàn)分為:機(jī)組從PICS切換到SICS運(yùn)行、機(jī)組從MCR切換到RSS運(yùn)行及機(jī)組從SPPA-T2000控制切換到HKS運(yùn)行控制等。
3)儀控系統(tǒng)性能試驗(yàn):此部分試驗(yàn)作為EPR儀控系統(tǒng)完整性試驗(yàn)策略的補(bǔ)充,包括TP OIC 112和901,主要用以驗(yàn)證特定工況下的DCS響應(yīng)時(shí)間測(cè)量和DCS負(fù)荷率。
4)特殊工況試驗(yàn):此部分試驗(yàn)為TP OIC 902,用于驗(yàn)證確認(rèn)DCS對(duì)機(jī)組狀態(tài)計(jì)算的準(zhǔn)確性。
3 結(jié)論
總體儀控試驗(yàn)是當(dāng)前EPR機(jī)組中復(fù)雜程度最高的幾項(xiàng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)之一,在傳統(tǒng)二代機(jī)組中,該類型試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法一直掌握在以EDF為代表的法國(guó)公司手中。通過對(duì)臺(tái)山EPR總體儀控試驗(yàn)程序結(jié)構(gòu)成型過程的研究分析,一方面將掌握核心調(diào)試技能;另一方面也將進(jìn)一步加強(qiáng)和提升中方公司在總體儀控系統(tǒng)試驗(yàn)策劃方面的能力,為后續(xù)其它技術(shù)路線核電站總體儀控試驗(yàn)策劃提供參考。
【參考文獻(xiàn)】
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[2]臺(tái)山核電廠運(yùn)行技術(shù)規(guī)范[內(nèi)部資料].