核电厂重大设备可靠性分析方法与软件实现
刘啸天，施震灏，牛绍蕊，薛飞，任淑红
（苏州热工研究院有限公司，苏州，215004）
摘要：核电厂重大设备结构复杂、部件众多，其可靠性对于保证核电厂的安全、可靠和经济运行具有重大意义。这类设备的失效数据具有样本小、失效少甚至无失效的特点，不能单一应用传统分析方法进行可靠性分析。基于核电厂重大设备可靠性分析方法，采用LabVIEW 平台开发的分析软件能够针对不同数据情况下的分析需求，合理选用分析方法，得到设备可靠性指标并辅以准确直观的呈现方法，为核电厂重大设备的可靠性分析工作提供了有力支持。
关键词：核电厂；重大设备；可靠性；LabVIEW ；软件
Abstract: The reliability of the key equipments which is composed of numbered components in a complex constitution of a nuclear power plant plays an important role in operating safety and economically. The data sample of the failure data of the key equipments is small and the traditional reliability analysis method cannot be performed on the insufficient data. The analysis software has been developed in LabVIEW base on the reliability analysis methods of the key equipments of nuclear power plant which can choose the proper method by recognizing the characteristic of the failure data sample and perform the reliability analysis and the result can be presented in an easy-recognize way. Key Words：nuclear power plant; key equipment; reliability; LabVIEW; software
1、 概述
随着我国核电事业的快速发展，核电厂安全性、可靠性、经济性成为了行业内外关注的重点，其中核电厂重大设备在保证整个核电厂的安全、稳定运行方面起到至关重要的作用。针对这些设备进行的部件、设备可靠性分析也具有十分重要的意义：分析结果可作为核电运营机构、核电设备设计、生产制造单位制定运营计划、设计改进的重要参考，同时也可作为核安全审查监管机构进行定期安全审查与延寿审查等方面的重要依据。
传统可靠性评估是建立在大量的数据样本与大量的失效数据基础之上的[1]，当前我国核电事业正处在加速发展阶段，虽然新建机组多，但在运机组少，导致分析对象样本数量少；并且已投运机组运行年限较短，加之核电厂重大设备还具有高可靠性和长寿命的特点，其失效数据少甚至无失效数据。在这种情况下，很多部件不能单纯应用传统的可靠性分析方法，而需要引入外部失效事件、行业失效率及运行数据等，并应用适当的数学方法对其进行分析[2-5]。在核电及相关领
域具有丰富经验的美国电力研究院EPRI （Electric
Power Research Institute）一般使用累积频率直方图法来计算供参照的设备可靠性指标[6]，其使用这种方法计算的基础是比国内核电厂数据丰富得多的失效数据，同时这些失效数据产生于不同于国内机组的工况下，所以需要考虑环境折合系数，其数据具有一定的参考意义；核电重大设备供货商多为实力雄厚、历史悠久的核电设备制造大厂，可能会提供其产品的通用失效率。对于上述行业数据，可以通过适当的数学方法结合电厂的失效、运行数据进行设备可靠性分析。
2、 核电厂重大设备可靠性分析方法
针对核电厂重大设备可靠性分析需求，建立了适用的分析体系（图1），其中部件可靠性定量分析（STEP 3）的结果，将作为系统级可靠性定量分析的输入，在很大程度上决定了整个设备可靠性分析的准确性与合理性。该级分析对象为重大设备可靠性模型中的各主要部件，需要在确定失效分布类型的基础上综合各输入数据的特点进行综合判断以合理选定分析方法。
图1 核电厂重大设备可靠性分析体系
部件失效率随时间变化的模型一般公认为率极低或发生时间随机分散时可认为部件处于有浴盆曲线，即部件的失效分布包括了早期失效时用寿命期的偶然失效阶段，但部件在某个时间段期、有用寿命失效时期和耗损失效时期。在实际突然出现大量集中失效时，可认为部件已进入耗的运行中，这三个失效阶段的不能明确的界定，损失效阶段。 需要根据部件的设计寿命、运行环境、运行经验、在确定了部件的失效分布类型后，利用不同故障时间等综合考虑。一般认为，核电站实际投情况下的分析方法计算部件的失效率。 运的部件在投运前的设计试验和调试阶段已经经分析方法的选择是部件可靠性分析中，尤其历了早期失效阶段，在实际运行工况符合设计要是失效数据少或无失效情况下保证分析准确度的求时，接近或大于设计寿命的时间部件处于耗损关键步骤，对于相同的数据，选用的分析方法不失效期；在此之前部件处于偶然失效期。在实际同时，所得结果可能有几个数量级的差别。方法运行工况较设计工况恶劣时，耗损失效期的时间选择过程需要综合考虑行业失效率、失效数据特则需适当提前。同时可以根据故障数据或失效数点、专家经验、实际合理性等多方面的信息，其据判断设备所处的寿命失效阶段：当故障发生频主要考虑的因素以及逻辑关系如图2所示。
图2 分析方法选择
当存在由厂家或权威管理机构提供/发布的通过电厂运行数据对通用失效率进行r=0情况下部件通用失效率时，可以结合电厂失效数据或外的修正； 部失效数据，以及电厂运行数据分情况对其进行当存在上述失效数据时，根据数据的多寡选修正： 择：若数据较少，则通过电厂运行数据对通用失
当不存在电厂失效数据与外部失效数据时，效率进行r ≠0情况下的修正；若数据较多，则通
过经典可靠性评估方法对其进行分析。在这种情况下，又需要根据失效数据是否为完全失效数据，来判断采用极大似然估计方法分析或使用非完全失效数据适用的最小二乘平均秩次方法进行分析。
当不存在上述通用失效率时，可以主要通过Bayes 估计或者减函数方法分情况进行分析：
当不存在电厂失效数据与外部失效数据时，可以采用减函数方法，使用电厂运行数据对部件进行分析；
当存在上述失效数据时，根据数据的多寡选
择。若数据较少，则使用Bayes 估计方法进行分析；若数据较多，则采用上述的经典可靠性评估方法对其进行分析。
在一些情况下，还需要对同一部件运用多种方法进行对比分析。
3、 软件实现
通过对分析工作进行的需求分析，基于LabVIEW 软件开发平台开发了适用于核电厂重大设备（部件）可靠性分析的软件，程序流程如图3所示。
图3 程序流程
在进行分析时，软件将提示用户导入分析用后，其结果将包括：设备编号、部件编号、通用失效数据与部件信息、设置分析用参数（图4），失效率、分析方法、分布类型、失效率、MTTFF 软件将自动对输入数据进行预处理使其符合分析以及自动绘制的设备可靠度曲线并可根据需要查需求；根据输入数据的特点，软件将与其内置分看所有部件或某一部件的曲线；分析结果同时将析模型进行特征对比，为每个部件选用适用的分自动储存至“历史记录”中供历史回顾。 析方法（包括分布类型）并进行分析，分析完成
图4 软件界面
软件开发所基于的LabVIEW 是测试测量领域动态数据、其他数据库连接，同时还可方便的将的行业标准，故软件的分析结果易于与电厂监控分析参数与分析结果导出为不同格式的信息向其
他软件、系统传递，便于进行下一步分析。 尽的历史记录，以便于对分析工作进行回顾、审
利用该软件进行分析工作具有下列特点： 查，同时也可为分析特定部件的可靠性变化过程、● 输入数据自动预处理： 趋势提供支持； 软件会自动根据不同的分析需求对数据进● 高分析效率： 行预处理，可以大大减少人工负担，提高工作效对于包含约50个部件的分析工作，其整个率； 过程在一般配置的PC 上可在3秒内完成，相对
● 自动选择分析方法： 人工操作来说，准确率、分析效率都有很大提升。
由于方法选择过程需要综合考虑行业失效
率、失效数据特点、专家经验、实际合理性等多4、 实际应用 方面的信息，通过软件进行的方法选择具有快速、应用该软件，对某核电站发电机、凝汽器等准确，一致性好的特点； 重大设备部件可靠性进行了分析，并与人工分析
● 分析结果直观呈现： 结果进行了对比，其分析方法选择的合理性、分部件可靠性分析的结果支持以多种格式、形析结果的准确性均得到了验证。在推广应用至汽式（包括图形）向系统级可靠性分析工作提供支轮机、蒸汽发生器等设备时，以高速的分析速度持，可以将失效率等指标以特定格式输出，也可节约了大量人力，为设备可靠性评估提供了有力以将其中的参数例如使用双参数weibull 分布时支持；对某核电站核岛通风系统多个型号的动力的参数进行输出，同时也可以为分析人员提供包及控制设备进行的可靠性分析结果得到了设计制括图形在内的阶段性报表，可以直观的观察分析造方的认可，并将其作为了重要的技术支持文件。结果； 部分分析结果见表1。
● 历史记录回顾：
软件在完成分析工作后会自动存储与分析过程相关的分析方法、分析参数、分析时间等详
表1 部件可靠性分析结果
5、 结论：
核电厂重大设备对核电厂的安全、可靠和经济运行具有重大意义，适用于其失效数据样本小、失效少甚至无失效的数据特点的可靠性分析软件在该领域中发挥了重要作用，对大亚湾蒸汽发生器、主变、汽轮机等6个重大设备以及EPR 核岛
参考文献：
验，验证了其适用性。该软件通过分析方法的合理选用和自动分析，可大大减少分析工作量及人为失误可能，并可对数据更新、分析参数改变做出实时响应。其核心算法内置、数据输入输出形式灵活，兼容性好，可与数据库或其他分析软件方便结合，具有良好的推广应用前景。
[1] 金星，洪延姬，沈怀荣，张峥．可靠性数据计算及应用．国防工业出版社，2003: 30~33．
[2] 张金槐，蔡洪．Bayes 小子样理论的应用研究-回顾与展望[J] ．飞行器测控学报，1998，17(1): l-4.
[3] 王玲玲，王炳兴．无失效数据的统计分析—修正似然函数方法．数理统计与应用概率，1996，11 (1): 64~70． [4] 韩明．某型发电机无失效数据的可靠性分析．系统工程与电子技术，1998: 103~105． [5] 龚庆祥．型号可靠性工程手册．国防工业出版社出版，2007: 502~507．
[6] EPRI ．Life Cycle Management Planning Sourcebooks—Overview Report，2001: 36~37．
作者简介 刘啸天，1984年生，硕士研究生，助理工程师，主要从事核电站寿命评估与寿命管理工作。
核电厂重大设备可靠性分析方法与软件实现
刘啸天，施震灏，牛绍蕊，薛飞，任淑红
（苏州热工研究院有限公司，苏州，215004）
摘要：核电厂重大设备结构复杂、部件众多，其可靠性对于保证核电厂的安全、可靠和经济运行具有重大意义。这类设备的失效数据具有样本小、失效少甚至无失效的特点，不能单一应用传统分析方法进行可靠性分析。基于核电厂重大设备可靠性分析方法，采用LabVIEW 平台开发的分析软件能够针对不同数据情况下的分析需求，合理选用分析方法，得到设备可靠性指标并辅以准确直观的呈现方法，为核电厂重大设备的可靠性分析工作提供了有力支持。
关键词：核电厂；重大设备；可靠性；LabVIEW ；软件
Abstract: The reliability of the key equipments which is composed of numbered components in a complex constitution of a nuclear power plant plays an important role in operating safety and economically. The data sample of the failure data of the key equipments is small and the traditional reliability analysis method cannot be performed on the insufficient data. The analysis software has been developed in LabVIEW base on the reliability analysis methods of the key equipments of nuclear power plant which can choose the proper method by recognizing the characteristic of the failure data sample and perform the reliability analysis and the result can be presented in an easy-recognize way. Key Words：nuclear power plant; key equipment; reliability; LabVIEW; software
1、 概述
随着我国核电事业的快速发展，核电厂安全性、可靠性、经济性成为了行业内外关注的重点，其中核电厂重大设备在保证整个核电厂的安全、稳定运行方面起到至关重要的作用。针对这些设备进行的部件、设备可靠性分析也具有十分重要的意义：分析结果可作为核电运营机构、核电设备设计、生产制造单位制定运营计划、设计改进的重要参考，同时也可作为核安全审查监管机构进行定期安全审查与延寿审查等方面的重要依据。
传统可靠性评估是建立在大量的数据样本与大量的失效数据基础之上的[1]，当前我国核电事业正处在加速发展阶段，虽然新建机组多，但在运机组少，导致分析对象样本数量少；并且已投运机组运行年限较短，加之核电厂重大设备还具有高可靠性和长寿命的特点，其失效数据少甚至无失效数据。在这种情况下，很多部件不能单纯应用传统的可靠性分析方法，而需要引入外部失效事件、行业失效率及运行数据等，并应用适当的数学方法对其进行分析[2-5]。在核电及相关领
域具有丰富经验的美国电力研究院EPRI （Electric
Power Research Institute）一般使用累积频率直方图法来计算供参照的设备可靠性指标[6]，其使用这种方法计算的基础是比国内核电厂数据丰富得多的失效数据，同时这些失效数据产生于不同于国内机组的工况下，所以需要考虑环境折合系数，其数据具有一定的参考意义；核电重大设备供货商多为实力雄厚、历史悠久的核电设备制造大厂，可能会提供其产品的通用失效率。对于上述行业数据，可以通过适当的数学方法结合电厂的失效、运行数据进行设备可靠性分析。
2、 核电厂重大设备可靠性分析方法
针对核电厂重大设备可靠性分析需求，建立了适用的分析体系（图1），其中部件可靠性定量分析（STEP 3）的结果，将作为系统级可靠性定量分析的输入，在很大程度上决定了整个设备可靠性分析的准确性与合理性。该级分析对象为重大设备可靠性模型中的各主要部件，需要在确定失效分布类型的基础上综合各输入数据的特点进行综合判断以合理选定分析方法。
图1 核电厂重大设备可靠性分析体系
部件失效率随时间变化的模型一般公认为率极低或发生时间随机分散时可认为部件处于有浴盆曲线，即部件的失效分布包括了早期失效时用寿命期的偶然失效阶段，但部件在某个时间段期、有用寿命失效时期和耗损失效时期。在实际突然出现大量集中失效时，可认为部件已进入耗的运行中，这三个失效阶段的不能明确的界定，损失效阶段。 需要根据部件的设计寿命、运行环境、运行经验、在确定了部件的失效分布类型后，利用不同故障时间等综合考虑。一般认为，核电站实际投情况下的分析方法计算部件的失效率。 运的部件在投运前的设计试验和调试阶段已经经分析方法的选择是部件可靠性分析中，尤其历了早期失效阶段，在实际运行工况符合设计要是失效数据少或无失效情况下保证分析准确度的求时，接近或大于设计寿命的时间部件处于耗损关键步骤，对于相同的数据，选用的分析方法不失效期；在此之前部件处于偶然失效期。在实际同时，所得结果可能有几个数量级的差别。方法运行工况较设计工况恶劣时，耗损失效期的时间选择过程需要综合考虑行业失效率、失效数据特则需适当提前。同时可以根据故障数据或失效数点、专家经验、实际合理性等多方面的信息，其据判断设备所处的寿命失效阶段：当故障发生频主要考虑的因素以及逻辑关系如图2所示。
图2 分析方法选择
当存在由厂家或权威管理机构提供/发布的通过电厂运行数据对通用失效率进行r=0情况下部件通用失效率时，可以结合电厂失效数据或外的修正； 部失效数据，以及电厂运行数据分情况对其进行当存在上述失效数据时，根据数据的多寡选修正： 择：若数据较少，则通过电厂运行数据对通用失
当不存在电厂失效数据与外部失效数据时，效率进行r ≠0情况下的修正；若数据较多，则通
过经典可靠性评估方法对其进行分析。在这种情况下，又需要根据失效数据是否为完全失效数据，来判断采用极大似然估计方法分析或使用非完全失效数据适用的最小二乘平均秩次方法进行分析。
当不存在上述通用失效率时，可以主要通过Bayes 估计或者减函数方法分情况进行分析：
当不存在电厂失效数据与外部失效数据时，可以采用减函数方法，使用电厂运行数据对部件进行分析；
当存在上述失效数据时，根据数据的多寡选
择。若数据较少，则使用Bayes 估计方法进行分析；若数据较多，则采用上述的经典可靠性评估方法对其进行分析。
在一些情况下，还需要对同一部件运用多种方法进行对比分析。
3、 软件实现
通过对分析工作进行的需求分析，基于LabVIEW 软件开发平台开发了适用于核电厂重大设备（部件）可靠性分析的软件，程序流程如图3所示。
图3 程序流程
在进行分析时，软件将提示用户导入分析用后，其结果将包括：设备编号、部件编号、通用失效数据与部件信息、设置分析用参数（图4），失效率、分析方法、分布类型、失效率、MTTFF 软件将自动对输入数据进行预处理使其符合分析以及自动绘制的设备可靠度曲线并可根据需要查需求；根据输入数据的特点，软件将与其内置分看所有部件或某一部件的曲线；分析结果同时将析模型进行特征对比，为每个部件选用适用的分自动储存至“历史记录”中供历史回顾。 析方法（包括分布类型）并进行分析，分析完成
图4 软件界面
软件开发所基于的LabVIEW 是测试测量领域动态数据、其他数据库连接，同时还可方便的将的行业标准，故软件的分析结果易于与电厂监控分析参数与分析结果导出为不同格式的信息向其
他软件、系统传递，便于进行下一步分析。 尽的历史记录，以便于对分析工作进行回顾、审
利用该软件进行分析工作具有下列特点： 查，同时也可为分析特定部件的可靠性变化过程、● 输入数据自动预处理： 趋势提供支持； 软件会自动根据不同的分析需求对数据进● 高分析效率： 行预处理，可以大大减少人工负担，提高工作效对于包含约50个部件的分析工作，其整个率； 过程在一般配置的PC 上可在3秒内完成，相对
● 自动选择分析方法： 人工操作来说，准确率、分析效率都有很大提升。
由于方法选择过程需要综合考虑行业失效
率、失效数据特点、专家经验、实际合理性等多4、 实际应用 方面的信息，通过软件进行的方法选择具有快速、应用该软件，对某核电站发电机、凝汽器等准确，一致性好的特点； 重大设备部件可靠性进行了分析，并与人工分析
● 分析结果直观呈现： 结果进行了对比，其分析方法选择的合理性、分部件可靠性分析的结果支持以多种格式、形析结果的准确性均得到了验证。在推广应用至汽式（包括图形）向系统级可靠性分析工作提供支轮机、蒸汽发生器等设备时，以高速的分析速度持，可以将失效率等指标以特定格式输出，也可节约了大量人力，为设备可靠性评估提供了有力以将其中的参数例如使用双参数weibull 分布时支持；对某核电站核岛通风系统多个型号的动力的参数进行输出，同时也可以为分析人员提供包及控制设备进行的可靠性分析结果得到了设计制括图形在内的阶段性报表，可以直观的观察分析造方的认可，并将其作为了重要的技术支持文件。结果； 部分分析结果见表1。
● 历史记录回顾：
软件在完成分析工作后会自动存储与分析过程相关的分析方法、分析参数、分析时间等详
表1 部件可靠性分析结果
5、 结论：
核电厂重大设备对核电厂的安全、可靠和经济运行具有重大意义，适用于其失效数据样本小、失效少甚至无失效的数据特点的可靠性分析软件在该领域中发挥了重要作用，对大亚湾蒸汽发生器、主变、汽轮机等6个重大设备以及EPR 核岛
参考文献：
验，验证了其适用性。该软件通过分析方法的合理选用和自动分析，可大大减少分析工作量及人为失误可能，并可对数据更新、分析参数改变做出实时响应。其核心算法内置、数据输入输出形式灵活，兼容性好，可与数据库或其他分析软件方便结合，具有良好的推广应用前景。
[1] 金星，洪延姬，沈怀荣，张峥．可靠性数据计算及应用．国防工业出版社，2003: 30~33．
[2] 张金槐，蔡洪．Bayes 小子样理论的应用研究-回顾与展望[J] ．飞行器测控学报，1998，17(1): l-4.
[3] 王玲玲，王炳兴．无失效数据的统计分析—修正似然函数方法．数理统计与应用概率，1996，11 (1): 64~70． [4] 韩明．某型发电机无失效数据的可靠性分析．系统工程与电子技术，1998: 103~105． [5] 龚庆祥．型号可靠性工程手册．国防工业出版社出版，2007: 502~507．
[6] EPRI ．Life Cycle Management Planning Sourcebooks—Overview Report，2001: 36~37．
作者简介 刘啸天，1984年生，硕士研究生，助理工程师，主要从事核电站寿命评估与寿命管理工作。