可靠性工程大作业

1、AP1000设备冷却水系统建模哈尔滨工程大学核科学与技术学院AP1000设备冷却水系统建模姓名： 学号：摘要：本文针对非能动安全先进核电厂 AP1000的设备冷却水系统(Component Water System ,CCS)的主要工作方式和工作流程，通过对系统运行过程分析，简 述了其不同工作状态下的任务剖面状态，并建立了AP1000设备冷却水系统可靠性框图以及数学模型。关键词：AP1000设备冷却水系统；任务剖面；可靠性分析；数学模型1. 引言AP1000在传统成熟的压水堆核电技术基础上，在设计中采用了非能动的严重事故预防和缓解措施，大大降低了发生人为因素错误的可能性，使AP1000的安全性

2、能得到显著提高的同时也提升了经济竞争力。本文针对AP1000设备冷却水系统可靠性建模研究，旨在对该系统的各个运行阶段进行可靠性验证，并提出相应数学模型，从而加深对 AP1000的理解。2. 设备冷却水系统综述 2.1系统功能设备冷却水系统是一个非安全相关的封闭回路冷却水系统，在放射性系统和 外界环境之间起到一个屏障的作用，执行非安全相关的纵深防御功能。 2.2系统组成设备冷却水系统包括两个相互并联并互为支持的独立系列，包括两台 CC泵、 两台CC换热器、一台CC膨胀水箱、一台化学加药箱、一台辐射监测器装置和相 关的管道、阀门、控制设备和仪表。设备水系统如图 1所示：馨 J1燦uhi .1 a

3、| imhrA83詈鸭fi!4W書！uirL-d Hl-I1W1H图&*设簣冷却术罷统號崔用2.3系统不同工况的任务剖面简述如前所述，CC除安全壳隔离外，不执行任何安全相关的功能，但CCS勺设计遵循 非安全相关的纵深防御原则。在系统运行的各个阶段，其工作条件、环境及成功 准则如下所述：2.3.1电厂启动阶段电厂启动是指将反应堆从冷停堆状态带到零功率运行的温度和压力，然后进 入功率运行状态，该过程要求两个换料后设备冷却水系统的两个系列都投入运 行。电厂启动阶段的成功准则为：两系列设备冷却水系统都投入运行，同时关闭 余热排出泵，四台冷却剂泵(RCP得到冷却，下泄热交换器设置为温度自动控 制

4、模式，同时监测设备冷却水的流量和温度，使之在所要求的范围内。2.3.2正常运行阶段在电厂正常运行期间，只需要设备冷却水系统一个系列的设备投入运行，如 果运行系列的设备冷却水泵发生故障，另一系列将自动启动。正常运行期间，设 备冷却水系统的泄露将由膨胀箱低水位信号触发补水管线上阀门的自动开启来 进行补给。电厂运行人员定期对设备冷却水取样，以确定其化学成分是否满足要 求。与此同时，相应的温度、波动能力运行压力、放射性泄露等条件应得到满足。正常运行阶段的成功准则为：设备冷却水系统二者取其一正常工作，若出故 障，另一自动启动。膨胀水箱正常工作控制补给，四台冷却剂泵得到冷却。 同时压力水温等检测器正常工作

5、以保证各项指标均在所要求范围内。2.3.3电厂停堆阶段电厂停堆是指反应堆从功率运行阶段至换料阶段。在电厂停堆过程中，通常设 备冷却水系统的两个独立系列都需运行。该过程分两个阶段，第一阶段是反应堆冷却剂系统通过蒸汽发生器和主蒸汽系统实现突然降温降压；第二阶段是在温度和压力都分别降至要求时，余热排出系统投入运行。在停堆96小时内，设备冷 却水系统和正常余热排出系统以及厂用水系统将反应堆冷却剂系统降温至125 T(517C)。在停堆冷却阶段，各设备的设冷水进口温度不能超过110T (43.3C)。 电厂停堆阶段的成功准则为：设备冷却水系统的两个系列都成功运行，四台 冷却剂泵成功冷却，两台正常余热排出

6、系统成功运行以及水温和冷却速率等检测 装置成功运行以保证各项指标均在所要求范围内。2.3.4换料阶段在换料期间，设备冷却水系统的两个系统都需要投入运行，在倒料(部分堆 芯换料)时，冷却水系统响亮台乏燃料池热交换器供水，使乏燃料水温维持在 120 T (48.9 C)以下。换料阶段的成功准则为：设备冷却水系统的两个系列都成功运行，设备冷却 水系统两台乏燃料池热交换器供水成功，温度保持在所要求的范围内。 2.3.5应急整堆卸料阶段在应急整堆卸料阶段期间，设备冷却水系统的两个系统都需要投入运行，以 维持乏燃料池温度低于120T (48.9 C)(假设池中积累了最大数量的乏燃料)。设 备冷却水系统同时

7、向两台乏燃料池冷却水系统热交换器和一台正常余热排出热 交换器供水，以冷却乏燃料池。应急整堆卸料阶段的成功准则为：设备冷却水系统的两个系列都成功运行， 两台乏燃料池冷却水系统热交换器均供水成功，任意一台正常余热排出热交换器 供水成功，同时乏燃料池水温维持在所要求范围内。236丧失厂外电丧失厂外电后，两台备用柴油发电机启动运行，设备冷却水系统泵自动加载 至柴油发电机以继续向RN热交换器和泵、SF熱交换器以及CV$卜给泵小流量热 交换器等设备提供冷却水。SW泵也通过柴油发电机维持工作。丧失厂外电情况下的成功标准：柴油机正常工作，设备冷却水系统的两个系 统加载柴油机电力正常工作，RNS泵、RNS热交换

8、器、CVS补给泵小流量热交换 器得到冷却，SWS加载柴油机电力正常工作。237 IRWST的冷却IRWST中的水温可以通过与其相连的正常余热排出泵来进行控制，多余的热量可以通过RNS热交换器、设备冷却水系统给及SWS导出。IRWST冷却的成功准则：与IRWST相连的正常余热排出泵RNS热交换器、设备 冷却水系统给及SWS均正常运行，使IRWST成功冷却。238事故后冷却与恢复此时自动降压系统ADS触发，安全壳被IRWST流入安全壳地坑的水淹没后， 通过正常余热排出系统泵和热交换器以及设备冷却水系统和厂用水系统的运行 来排出堆芯衰变热，实现对地坑水的冷却。这些冷却水通过非能动堆芯冷却系统 来冷却

9、堆芯。整个过程中，电动隔离阀关闭。事故后冷却与恢复的成功准则：电动隔离阀关闭，正常余热排出系统泵和热 交换器、设备冷却水系统以及厂用水系统均正常工作。3. 系统可靠性框图模型3.1可靠性框图模型综述3.1.1建模假设系统与单元满足两状态假设及相互独立假设。3.1.2各设备工况可靠度假设各设备可靠度基本假设如下表所示（单个设备可靠性）表1.各设备可靠性表设备工况可靠度设备工况可靠度安全壳内安全壳外CCSE常工作R(CCS)电动隔离阀导通R(M)R(M 2)CC热交换器R(CCSE)手动隔离阀导通R(M)R(V 2)CCSIR(CCSB)止回阀导通R(C)R(C2)SW正常工作R(SWS)管道导通

10、R(R)R(P2)RNSE常工作R(RNS)SFS供水成功（2个）R(SFS)RC得到冷却R(RCP)膨胀水箱正常工作R(T)CVS!到冷却R(CVS)相关监测装置R(J)柴油机正常工作R(D)其中，R(SWS)各阀门内外可靠度以及管道导通可靠度均是给定常数；而R(CCS)、R(RCP) R(RNS和 R(SFS)需要进一步建模计算求得。其可靠性框图分别如下所 示。3.121 CCS正常工作可靠性框图模型由图1分析可以得到，CCS正常工作时，要求CCS热交换器、SWSCCS泵以及各 相关阀门都导通，故其可靠性框图模型为图2.CC列靠性框图3.1.2.2 RCP得到冷却的可靠性框图模型由图1分析

11、可以得到，RC得到冷却时，需要RC两端的阀门均导通，其可靠性框 图模型为手动隔离止回阀阀(内)(内)图3.RCP寻到冷却的可靠性框图3.1.2.3 RNS正常工作可靠性框图模型由图1分析可得，使RNS正常工作，需使与之串联的手动隔离阀导通， 故其可靠 性框图模型为手动隔离阀(外)图4.RCN可靠性框图3.1.2.4 SFS供水成功可靠性框图模型由图1分析可得，使SFS正常工作，需使与之串联的手动隔离阀导通， 故其可靠 性框图模型为手动隔离阀（外）图5.SFS可靠性框图3.2系统不同工况的可靠性模型根据以上任务剖面及相关可靠性分析，可以得到系统不同工况的可靠性模型如 下。3.2.1电厂启动阶段该

12、阶段为所有单元组成的串联模型，其可靠性框图如下图6.电厂启动阶段可靠性框图3.2.2正常运行阶段CCS系统与其他各相关设备组成串联模型。由于两个 CCS系统只运行其一，而另 一系统只在第一个发生故障时启用， 所以CCS系统可靠性模型为冷贮备模型，较 复杂，将由概率图模型来分析其可靠性。为计算方便，将每个CCS热交换器和CCS泵分别与其两端的阀门组成子系统, 以这些子系统及连接子系统的阀门为研究对象，列出概率图表如下。表2概率图表、cdeab00000101101011011110110000110111*:1 ；二 *> n | 1 11I 1t 111111111110#；1 i: 1

13、=111其中，a、b分别代表两个CCS热交换器及其两侧阀门组成的子系统，c、d分别 代表两个CCS泵及其两侧的阀门组成的子系统，e代表连接两个CCS系统之间 的手动隔离阀（外）。3.2.3电厂停堆阶段该阶段运行两个CCS，并与其他设备组成串联模型，其可靠性框图模型为图8电厂停堆阶段可靠性框图324换料阶段该阶段运行两个CCS，并与其他设备组成串联模型，其可靠性框图模型为图9换料阶段阶段可靠性框图325应急整堆卸料阶段该阶段运行两个CCS,与SFS热交换器串联，与两个冷却 RNS系统组成的并联 系统串联，其可靠性框图模型为图10换料阶段阶段可靠性框图326丧失厂外电该阶段两台CCS均加载柴油机电

14、力工作，并与 RNS SFS热交换器，CVSft串联 其可靠性框图模型为图11丧失厂外电可靠性框图3.2.7 IRWST 的冷却该阶段，与IRWST相连的正常余热排出泵RNS热交换器、设备冷却水系统给及SWS组成串联模型，其可靠性框图模型为图12.IRWST的冷却可靠性框图328事故后冷却与恢复该情况下，电动隔离阀关闭，正常余热排出系统泵和热交换器、 设备冷却水系统 以及厂用水系统组成串联模型，其可靠性框图模型为图13.事故后冷却与恢复可靠性框图4. 各设备工况可靠性的数学模型4.1各设备工况可靠度参照表1所列可以得到部分设备工况可靠度，而需计算得出的部分设备工况可靠 度如下所示。4.1.1

15、CCS正常工作可靠度由图2可靠性框图分析可以得到，CCSE常工作的可靠度数学表达式为R(CCS)= R(V2) R(CCSE) R(SWS) R(V2) R(C2) R(CCSB) R(V2)3=R(V 2) R(CCSE)- R(CCSB)- R(SWS) R(C2)4.1.2 RCP得到冷却的可靠度由图3可靠性框图分析可以得到，RC得到冷却可靠度数学表达式为R(RCP)=R(V) R(G)4.1.3 RNS正常工作可靠度由图4可靠度分析可得，RNSE常工作的可靠度数学表达式为R(RNS)= R(V2)4.1.4 SFS供水成功可靠度由图5可靠性框图分析可得，SF联水成功可靠度数学表达式为R

16、(SFS)= R(V2)4.2系统不同工况的可靠度根据3.2对系统不同工况的可靠性模型，可以得到系统不同工况的可靠度数学表 达式如下4.2.1电厂启动阶段根据图6可靠性框图及图1,可得到电厂启动阶段可靠度数学表达式为242Rs(电厂启动阶段)=R(CCS) R(RCP) R(J) R(M) R(Ci) R(M) R(Pi) R(P2)把R(CCS和 R(RCP表达式带入上式可得Rs(电厂启动阶段)=R(Vi)4 R(M)6 R(C)5 R(C2)2 R(CCSE$ R(CCSB$ R(SWS$ R(J) R(M) R(M)2 R(Pi) R(P2)4.2.2正常运行阶段根据图7可靠性框图及图1

17、,可得到电厂启动阶段可靠度数学表达式为Rs( 正 常 运 行 阶 段 )=R(T) R(CCS二 者 其一) R(RCP)4- R(J) R(M)2 R(Ci) R(M) R(Pi) R(P2)其中，R(CCS1者其一)可由概率图表计算得出2R(CCS1 者其一 )=R (CCSE)2+i-R(CCSE)R(CCSE)i-R(C2)R(V2)R(CCSB)R(C2)R(V2)R(CCSB)+i-R(CCSE)R(CCSE)i-R(C2)R(V2)R(CCSB)R(C2)R(V2)R(CCSB)R(V)2 2 2 2 2 2 2+i-R(CCSE) R(C2) R(V) R(CCSB)1-R(V

18、2)+R(C2)R(V) R(CCSB)R(V)+1-R(CCSE)R(CCSE)R(C2)2R(V2) 2R(CCSB)1-R(V 2)+R(C 2)2R(V2)2R(CCSb)r(V22)+1-R(C 2)R(V2)R(CCSB)R(C2)R(V2)R(CCSB)+1-R(CCSE)R(CCSE)1-R(C 2)R(V2)R(CCSB)R(C2)R(V2)R(CCSB)1-R(V2)+R(C 22 2 2 2 2 2)R(V) R(CCSB)1-R(V2)+R(C 2) R(V2) R(CCSB)R(V2)+1-R(C 2)R(V2)R(CCSB)R(c)R(V2)2R(CCSB)再把R(

19、RCP)表达式带入原式，即可求得Rs( 正 常 运 行 阶 段 )=R(T) R(CCS二 者 其442一) R(Vi) R(Ci)5 R(J) R(M) R(Ci) R(M) R(Pi) R(R)2 2=R (CCSE)+1-R(CCSE)R(CCSE)1-R(C2)R(V2)R(CCSB)R(C2)R(V2)R(CCSB)+1-R(CCSE)R(CCSE)1-R(C2)R(V2)R(CCSB)R(C2)R(V2)R(CCSB)R(V)+1-R(CCSE) 2R(C2)2R(V)2R(CCSB$1-R(V 2)+R(C 2)2R(VO2R(CCSB$R(V)2 2 2 2 2+1-R(CCS

20、E)R(CCSE)R(C2) R(V) R(CCSB)1-R(V 2)+R(C 2)2R(V2)R(CCSB)R(V2 )+1-R(C 2)R(V2)R(CCSB)R(C2)R(V2)2r(ccsb)+1-R(CCSE)R(CCSE)1-R(C 2)R(V2)R(CCSB)R(C2)R(V2)R(CCSB)1-R(V2)+R(C 22 2 2 2 2 2)R(V) R(CCSB)1-R(V2)+R(C 2) R(V2) R(CCSB)R(V2)+1-R(C 2)R(V2)R(CCSB)R( C)R(V2)2R(CCSB) R(T) R(Vi)4 R(Ci)54 R(J) R(M)2 R(Ci)

21、 R(M) R(Pi) R(P2)4.2.3电厂停堆阶段根据图8可靠性框图及图1,可得到电厂启动阶段可靠度数学表达式为Rs(电厂停堆阶段)=R(CCS)2 - R(RCP4 - R(RNS) - R(J) - R(M2)2 - R(G) R(M1) - R(P” RR)把R(CCS) R(RCP) R(RNS)表达式带入即可算得电厂停堆阶段可靠度为Rs(电厂停堆阶段)=R(V)4 - R(V)8 - R(C)5 R(C2)2 - R(CCSE$ - R(CCSB$ R(SWS, R(J) - R(2M) R(M) R(P1) R(P2)424换料阶段根据图9可靠性框图及图1，可得到换料阶段可靠度数学表达式为2Rs(换料阶段)=R(CCS) - R(SFS) - R(R)把R(CCS) R(SFS)表达式带入即可算得电厂停堆阶段可靠度为Rs(换料阶段)=Rs(V2)7 R(C2)2 - R(CCSE» - R(CCSB$ - R(SWS$ - R(P2)4.2.5应急整堆卸料阶段根据图10可靠性框图及图1,可得到应急整堆卸料阶段可靠度数学表达式为2 2Rs(应急整堆卸料阶段)=R(CCS) - R(SFS) - 1-1-R(RNS) - R(P2)把R(CCS) R(SFS)、R(RNS)表达式带入即可算得应急整堆卸料阶段可靠度为Rs(应急整堆卸料阶段)=R(V