核电蒸汽发生器控制分析

蒸汽发生器液位控制系统是保证核电站安全运行的关键仪表和控制子系统，也是最复杂的子系统之一，有80多个组件和多种故障模式。与传统方法相比，布尔逻辑驱动马尔可夫流程模型提供了更好的可靠性分析和更好的维护策略。

1、分析软件应用

蒸汽发生器液位控制系统的动态可靠性分析可以提高设备的可靠性。

数字仪表与控制系统(DICS)在核电站中得到了广泛的应用，其可靠性直接影响着核电站的安全水平。

蒸汽发生器(SG)是核岛内的关键设备。将水位保持在合理范围内是确保反应堆和汽轮机安全运行的条件之一。

因此，蒸汽发生器液位控制系统(SGLCS)是核电站DICS的重要子系统之一，其可靠性直接影响核岛的安全运行。

布尔逻辑驱动马尔可夫流程(BDMP)是一种强大的动态可靠性建模方法，它可以将马尔可夫流程与故障树的叶节点相关联，从而解决故障树方法不适合描述部件故障相关性强的可修模型和马尔可夫模型的组合爆炸问题。

法国电力公司(EDF)开发了BDMP建模软件KB3及其定量分析软件YAMS，已广泛应用于发电厂和电网中各种系统的可靠性分析。

然而，由于KB3软件是EDF拥有的内部软件，因此限制出口，只有教育版才能在其他国家应用。因此，它的建模能力受到很大限制。

在本研究中，定义了一种自定义脚本语言来描述BDMP模型，并开发了一个转换器程序来将BDMP脚本转换为PRISM脚本，后者用于定义马尔可夫模型。

然后使用可靠性领域广泛使用和认可的概率模型检查器RPISM进行定量分析。

使用该方法建立并分析了核电厂内SGLCS的BDMP模型，同时使用KB3(版本为3.5.1)和YAMS软件验证了分析结果。

最后，还得到了SGLCS不同部分的不可用性对总SGLCS的贡献。

2、定义BDMP模型

BDMP模型主要由顶部事件、底部事件、逻辑门、触发链接和逻辑链接组成。

根据故障树的基本概念，BDMP模型中的顶部节点是根节点，而底部节点是叶节点。

在BDMP模型中，触发链接是从触发节点到被触发节点。值、相关模式和所需模式是BDMP模型中每个节点最重要的三个属性，它们共同决定了BDMP模型的动态行为。

BDMP模型中每个叶节点的失效机制是不同的。只有当f类型的叶节点同时处于相关模式和所需模式时，它们才会失效。

只有当所需的模式发生变化时，类型i的叶节点才会失效。当sf类型的叶节点处于相关模式时，它们的必需模式和非必需模式对应于两种不同的故障率。

3、蒸汽发生器液位控制系统

图1：给水流量调节系统公用部分系统结构图

蒸汽发生器液位控制系统由蒸汽发生器给水流量调节系统和主给水泵调速系统组成。

前者的主要功能是调节每个蒸汽发生器的给水流量;后者的主要功能是将给水总管和蒸汽总管之间的压差保持在设定值。

三回路核电厂中的三个蒸汽发生器各有一个独立的蒸汽发生器给水流量调节系统，该系统通过控制安装在蒸汽发生器入口侧的主给水调节阀和旁路给水调节阀的开度来控制给水流量。

最后，为了达到控制蒸汽发生器水位的目的，同时，在三个蒸汽发生器的给水流量控制范围内有一个公共部分。

公共部分的主要功能是获得蒸汽发生器的负载信号，并在三个蒸汽发生器的主给水温度中选择最高温度，以获得水位控制增益，从而提高低负载下的稳定性。

给水流量调节系统公用部分的系统结构图如图1所示。

4、主给水泵调速

图2：主给水泵调速系统结构图

主给水泵调速系统的主要功能是将蒸汽母管和给水母管之间的压差保持在预设值，该压差随着负荷的增加而增加。

系统输入信号为主蒸汽流量信号和主蒸汽主管道与主给水主管道压差信号的不匹配信号，输出为泵速设定值。

核发电机组的给水系统为每台机组配备了三台电动给水泵，给水母管和蒸汽母管之间的实际压降由三个差压计测量。

主给水泵调速系统的系统结构图如图2所示。

5、蒸汽发生器控制装置的故障分析

图3：SGLCS不可用率对比图

将由所定义的脚本语言描述的BDMP模型文件输入到转换程序中，并通过转换程序获得用PRISM脚本语言所描述的等价马尔可夫模型。

最后，使用PRISM软件进行定量分析。然后将结果与EDF的KB3和YAMS的分析结果进行比较(由于KB3建模节点的限制，将YAMS的计算结果作为蒸汽发生器水位控制系统三部分的总和)，以验证所提出方法的正确性。

如图3所示，YAMS分析结果为1.45176E-3，PRISM分析结果为1.42581E-3。以YAMS分析结果为参考值，误差约为参考值的1.7%。

图4：SGLCS的三部分不可用性图

从图4中可以看出，给水流量调节系统(独立部分)的不可用率约占整个SGLCS不可用率的73.8%，给水流量调整系统(共用部分)的可用率约为24.4%，结果表明，给水流量调节系统的故障是造成核电站SGLCS故障的主要原因。

6、提高蒸汽发生器控制可靠性

针对传统动态可靠性分析方法中模型规模大、组合爆炸的问题，提出了一种基于BDMP和PRISM的DICS动态可靠性建模和定量分析新方法。

在这种情况下，BDMP首先应用于实际核电站的复杂控制系统。

首先，将所提出的方法用于实际核电站SGLCS的可用性分析。然后，将所提出的方法与商业BDMP建模和定量分析软件KB3和YAMS获得的结果进行了比较。该方法的相对偏差小于2%，验证了该方法的有效性。最终计算结果表明，在不定期检查的情况下，SGLCS的不可用率约为1.4E-3，其中给水流量调节系统(独立部分)的故障对系统不可用率的影响最大。

在实际操作和维护中，可以采取有针对性的策略来提高系统的可靠性。

本文提出的方法，使复杂动态系统的可靠性建模和定量分析方法在工程中得到广泛应用，为核电站SGLCS的可靠性管理和设备维护提供了指导和参考价值。