建立風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)體系的研究

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

核電站的設(shè)計(jì)主要基于確定論的方法。安全分析的邊界條件,設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的預(yù)防和控制的安全要素以及每個(gè)安全功能的設(shè)計(jì)要求等都是來(lái)源于確定論準(zhǔn)則,這些是沒(méi)有考慮事故的預(yù)防和緩解功能的可靠性[1]。目前，我國(guó)核安全法規(guī)HAF102《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》[2]中要求設(shè)計(jì)必須充分考慮確定論安全分析和概率論安全分析的結(jié)果。概率安全分析(Probabilistic safety analysis,PSA)在核電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行中發(fā)揮越來(lái)越重要的指導(dǎo)作用,近幾年該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用和推廣,也是原于該技術(shù)可以給出定量評(píng)價(jià)結(jié)果,便于進(jìn)行方案比選和提供決策依據(jù)。

目前國(guó)際上,例如IAEA的設(shè)計(jì)安全規(guī)定,美國(guó)核電用戶(hù)要求文件[3](User Requirements Document,URD)和歐洲核電用戶(hù)要求文件(European User Requirements,EUR)及美國(guó)的反應(yīng)堆監(jiān)管程序(Reactor Oversight Program,ROP)等法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),都在鼓勵(lì)應(yīng)用PSA技術(shù)優(yōu)化核電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。根據(jù)目前調(diào)研的結(jié)果,國(guó)內(nèi)外都在開(kāi)展不同程度的風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)優(yōu)化,例如：法國(guó)EDF在新堆設(shè)計(jì)之初就開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)指引型技術(shù)規(guī)格書(shū)優(yōu)化；EPR堆型研發(fā)過(guò)程中針對(duì)200多個(gè)重要信號(hào)開(kāi)展了30多組典型信號(hào)的設(shè)計(jì)優(yōu)化；AP1000的設(shè)計(jì)修改中,凡是涉及核安全的設(shè)計(jì)修改均需判斷是否對(duì)PSA結(jié)果有影響及影響程度等。國(guó)內(nèi)目前開(kāi)展較多的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比選、設(shè)計(jì)變更利益代價(jià)分析、運(yùn)行規(guī)格書(shū)后撤時(shí)間延長(zhǎng)和定期試驗(yàn)周期優(yōu)化等。而關(guān)于考慮更廣泛的設(shè)計(jì)領(lǐng)域,包括系統(tǒng)、布置、消防、總體設(shè)計(jì)和運(yùn)行、力學(xué)、結(jié)構(gòu)、應(yīng)急、電氣、儀控等,使設(shè)計(jì)人員樹(shù)立風(fēng)險(xiǎn)指引設(shè)計(jì)理念,從設(shè)計(jì)之初就主動(dòng)使用風(fēng)險(xiǎn)工具優(yōu)化設(shè)計(jì)的做法,目前國(guó)內(nèi)外尚未有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

然而核電站的安全是設(shè)計(jì)出來(lái)的,設(shè)計(jì)才是源頭。如何采用更加科學(xué)合理的方法開(kāi)展設(shè)計(jì),是每位核電設(shè)計(jì)人員需要認(rèn)真思考的問(wèn)題。每位核電設(shè)計(jì)人員要樹(shù)立總體安全觀,將確定論和概率論貫穿于核電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。在頂層方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、儀控設(shè)計(jì)、主控室設(shè)計(jì)、水淹分區(qū)、消防設(shè)計(jì)和抗震設(shè)計(jì)等核電站各個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)指引型的技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。此外,在設(shè)計(jì)之初,就要為核電站運(yùn)行做全盤(pán)考慮,對(duì)某些工作前置,例如風(fēng)險(xiǎn)指引型的技術(shù)規(guī)格書(shū)、大修優(yōu)化等以進(jìn)一步提高核電站能力因子等。優(yōu)化配置資源,減輕業(yè)主負(fù)擔(dān),以提高經(jīng)濟(jì)性,加強(qiáng)核電市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

從福島核事故后開(kāi)展全面PSA工作以來(lái),中國(guó)核電工程有限公司(CNPE)PSA學(xué)科中包括PSA、系統(tǒng)、布置、消防、總體設(shè)計(jì)和運(yùn)行、力學(xué)、結(jié)構(gòu)、應(yīng)急、電氣、儀控等各專(zhuān)業(yè),積極參與到該專(zhuān)項(xiàng)工作中,經(jīng)過(guò)這8年多的共同協(xié)作,目前CNPE內(nèi)各專(zhuān)業(yè)廣泛認(rèn)同了風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)理念,不過(guò)現(xiàn)狀是各設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)沒(méi)有形成流程體系,有的專(zhuān)業(yè)提出需求太晚,導(dǎo)致很多設(shè)計(jì)無(wú)法修改,有的專(zhuān)業(yè)有需求了才考慮使用PSA,而不是把PSA工具作為設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)環(huán)節(jié),主動(dòng)使用PSA優(yōu)化設(shè)計(jì)。有必要建立風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)流程體系,在設(shè)計(jì)流程層面明確PSA的作用,即何時(shí)提出需求,上下游多專(zhuān)業(yè)的影響與配合,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算和實(shí)施要求等要形成閉環(huán)。

本研究的設(shè)計(jì)初衷也是源于長(zhǎng)期從事PSA工作的設(shè)計(jì)人員漸漸發(fā)現(xiàn)該工具有助于本專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和提升,以及有些設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)優(yōu)化開(kāi)展試點(diǎn)實(shí)踐等。這些專(zhuān)業(yè)陸續(xù)提出編寫(xiě)實(shí)施程序,提煉一套方法流程以指導(dǎo)和提升本專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)。基于專(zhuān)業(yè)上的迫切需求和公司內(nèi)各專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),提出了建立風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)體系的研究方向,以期實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)理念、方法和體系的創(chuàng)新和變革,引入了風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)理念。通過(guò)本文研究,通盤(pán)考慮各設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)深度,提煉出適用于工程建立風(fēng)險(xiǎn)指引設(shè)計(jì)體系的方法論和各專(zhuān)業(yè)適用的實(shí)施程序,形成風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)流程體系。培養(yǎng)“設(shè)計(jì)+PSA計(jì)復(fù)合型人才,將PSA工具貫穿設(shè)計(jì)全過(guò)程。

1 體系建立的原則

CNPE在福島改進(jìn)項(xiàng)、“華龍一號(hào)”、小堆、快堆和超大堆等項(xiàng)目的研發(fā)和工程設(shè)計(jì)中,采用PSA技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)方案比選、設(shè)計(jì)優(yōu)化和決策支持等應(yīng)用,但是目前還沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)計(jì)管理體系相匹配。本研究的目的是基于PSA技術(shù)應(yīng)用的實(shí)踐,提煉適用于工程建立風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)體系的總的方法論,形成風(fēng)險(xiǎn)指引型的設(shè)計(jì)流程體系。

本研究建立風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)體系中可考慮遵循如下原則：

1)可以借鑒國(guó)外核電機(jī)組設(shè)計(jì)中的風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)優(yōu)化的模式,結(jié)合設(shè)計(jì)院現(xiàn)有基礎(chǔ)制定；

2)所建立風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)體系中應(yīng)涵蓋當(dāng)前已經(jīng)有的工作基礎(chǔ),并具備較強(qiáng)的可實(shí)施性；

3)風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)理念應(yīng)不僅僅限于某一單一項(xiàng)目,而應(yīng)作為設(shè)計(jì)體系貫徹于設(shè)計(jì)院各個(gè)工程項(xiàng)目中；

4)風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)作為前沿先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念,在現(xiàn)階段不能一蹴而就,而應(yīng)以試點(diǎn)、科研項(xiàng)目等方式開(kāi)展并逐步完善,最終實(shí)現(xiàn)體系建立的目的;

5)風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)的執(zhí)行效果應(yīng)至少滿足HAF102中的相關(guān)要求。

2 主要研究?jī)?nèi)容

2.1 影響范圍識(shí)別

本研究主要采用概率論和可靠性的方法開(kāi)展設(shè)計(jì)流程優(yōu)化,根據(jù)目前的技術(shù)能力和之前項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)影響到的范圍和專(zhuān)業(yè)進(jìn)行識(shí)別[4],如表1所示。

表1 影響范圍

2.2 分析內(nèi)容

通過(guò)影響范圍的分析可以看出,隨著全范圍PSA工作的推進(jìn),PSA學(xué)科主要包括PSA專(zhuān)業(yè)、電氣、儀控、系統(tǒng)、布置、力學(xué)、消防、結(jié)構(gòu)、應(yīng)急、總體設(shè)計(jì)和運(yùn)行等專(zhuān)業(yè)。為了更好的對(duì)本研究?jī)?nèi)容和技術(shù)方案的理解,各專(zhuān)業(yè)定義如表2所示。

表2 專(zhuān)業(yè)定義

各專(zhuān)業(yè)識(shí)別可以?xún)?yōu)化的領(lǐng)域,根據(jù)可優(yōu)化的領(lǐng)域開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)。一方面是PSA提出改進(jìn)優(yōu)化建議向設(shè)計(jì)反饋(PSA—Design,P—D過(guò)程)；由于P—D的過(guò)程通常是不完整的,局部的或框架性的問(wèn)題,所以在本研究中設(shè)計(jì)了D-P的過(guò)程。即另一方面是各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員使用PSA工具開(kāi)展各設(shè)計(jì)領(lǐng)域設(shè)計(jì)優(yōu)化(Design—PSA,D-P過(guò)程)。

2.2.1 PSA學(xué)科向設(shè)計(jì)反饋(P—D過(guò)程)

1)PSA專(zhuān)業(yè)與各設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)開(kāi)展PSA與設(shè)計(jì)的結(jié)合,此過(guò)程需要雙方共同梳理和識(shí)別可以?xún)?yōu)化的領(lǐng)域。

2)PSA專(zhuān)業(yè)人員根據(jù)定量結(jié)果提出改進(jìn)建議,并形成“經(jīng)驗(yàn)庫(kù)”和設(shè)計(jì)優(yōu)化流程。

3)電氣、儀控、系統(tǒng)、布置、力學(xué)、消防、結(jié)構(gòu)、應(yīng)急等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的人員在參與PSA工作中根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)建議,并形成“經(jīng)驗(yàn)庫(kù)”和各設(shè)計(jì)優(yōu)化流程。

2.2.2 各專(zhuān)業(yè)使用PSA工具開(kāi)展設(shè)計(jì)優(yōu)化(D—P過(guò)程)

電氣、儀控、系統(tǒng)、布置、力學(xué)、消防、結(jié)構(gòu)、應(yīng)急等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的人員,每個(gè)設(shè)計(jì)人員根據(jù)各自的設(shè)計(jì)范圍進(jìn)行準(zhǔn)則和內(nèi)容優(yōu)化,都有明確的職責(zé)范圍。例如,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的主要職責(zé)是開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則優(yōu)化和主工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

各專(zhuān)業(yè)人員與PSA專(zhuān)業(yè)梳理結(jié)合點(diǎn),并開(kāi)展相關(guān)的分析與討論,形成經(jīng)驗(yàn)庫(kù)。具體結(jié)合新堆設(shè)計(jì)開(kāi)展準(zhǔn)則優(yōu)化和領(lǐng)域優(yōu)化的案例分析,并結(jié)合各設(shè)計(jì)階段的案例提煉形成實(shí)施程序,包括分析內(nèi)容、分析流程及步驟。

3 流程和方法

PSA作為風(fēng)險(xiǎn)決策工具,風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)體系須從概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始介入整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程,在總體設(shè)計(jì)階段、初步設(shè)計(jì)階段和施工圖設(shè)計(jì)階段為總體設(shè)計(jì)原則、各工種設(shè)計(jì)原則、總體布局、抗震要求、防水淹設(shè)計(jì)和消防設(shè)計(jì)、應(yīng)急區(qū)劃分等提供風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)?？山梃b的技術(shù)流程如圖1所示[5]。

本體系建立是在“P—D”和“D—P”的實(shí)踐過(guò)程中,以層級(jí)遞進(jìn)方式逐步深入,并結(jié)合設(shè)計(jì)階段完成的,本課題技術(shù)方案擬采用五層次法,如圖2所示。

第1層次和第2層次,完成識(shí)別點(diǎn)分析和經(jīng)驗(yàn)庫(kù),作為后續(xù)層次工作開(kāi)展的基礎(chǔ)。第3層和第4層以10個(gè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)牽頭,其他專(zhuān)業(yè)配合,完成優(yōu)化案例分析。從第3層和第4層開(kāi)展過(guò)程中,需要結(jié)合核電站不同設(shè)計(jì)階段進(jìn)行迭代分析,從概念階段,總體設(shè)計(jì)階段,初步設(shè)計(jì)階段到施工圖設(shè)計(jì)階段,具體設(shè)計(jì)階段及每個(gè)階段可以開(kāi)展的設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容,隨著新堆研發(fā)的設(shè)計(jì)深度而逐層、迭代開(kāi)展。

圖1 可借鑒的技術(shù)流程Fig.1 Referential optimized flowchat

圖2 五層次法Fig.2 Five level method

4 問(wèn)題與思考

本文設(shè)計(jì)了D—P的過(guò)程,較為完整的體現(xiàn)了PSA工具在設(shè)計(jì)中的實(shí)踐過(guò)程,屬于開(kāi)創(chuàng)性的研究；目前建立風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)流程體系在國(guó)內(nèi)外均無(wú)可以借鑒的經(jīng)驗(yàn),屬于空白領(lǐng)域,是設(shè)計(jì)理念、方法、體系的創(chuàng)新和變革。

關(guān)于PSA的工作國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展了30多年,但是建立風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)體系目前還沒(méi)有真正開(kāi)展起來(lái)。主要原因是各工種設(shè)計(jì)人員介入較少或較晚,很難形成風(fēng)險(xiǎn)概念,就更難主動(dòng)使用PSA技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域完成D—P的過(guò)程。這也是PSA技術(shù)得不到廣泛推廣的瓶頸問(wèn)題。我公司經(jīng)過(guò)這8年P(guān)SA與各設(shè)計(jì)工種開(kāi)展的福島改進(jìn)項(xiàng)全范圍PSA工作以來(lái),設(shè)計(jì)人員大范圍地參與到PSA工作的相關(guān)要素中,他們?cè)跐撘颇幸呀?jīng)具備了風(fēng)險(xiǎn)概念,開(kāi)始積極主動(dòng)開(kāi)展設(shè)計(jì)優(yōu)化。這就是所謂的“設(shè)計(jì)+PSA”的復(fù)合型人才。這些人才是建立風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)體系的關(guān)鍵所在。在這種大的環(huán)境背景下,建立風(fēng)險(xiǎn)指引型體系已經(jīng)是未來(lái)設(shè)計(jì)能力提升的一個(gè)發(fā)展方向,未來(lái)設(shè)計(jì)院需要培養(yǎng)“設(shè)計(jì)+PSA”復(fù)合型人才,以做到設(shè)計(jì)能力引領(lǐng)國(guó)際的地位。

此外,開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)指引型設(shè)計(jì)體系,涉及更多的專(zhuān)業(yè)參與。本研究是通過(guò)10個(gè)以上專(zhuān)業(yè)的案例實(shí)踐提煉出可以用于后續(xù)工程推廣使用的方法論。所以體系的建立推動(dòng)起來(lái)難度很大,需要設(shè)置清晰的結(jié)構(gòu)框架,明確各層級(jí)流程的職責(zé)以便于流程管理和執(zhí)行。10個(gè)以上的專(zhuān)業(yè),需要打破專(zhuān)業(yè)壁壘,將PSA技術(shù)應(yīng)用在設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié),這也是對(duì)組織管理的巨大考驗(yàn)。