[发明专利]一种基于故障树的核电厂阀门本体失效的可靠性监测方法

摘要

本发明属于核电厂风险监测(Risk Monitor)领域，具体涉及一种基于故障树建模技术的、适用于核电厂在线风险监测中阀门设备本体失效的基于故障树的核电厂阀门本体失效的可靠性监测方法。本发明包括：(1)在线采集核电厂阀门的状态监测信息；(2)在线识别阀门的初始状态并建立初始状态转移图；(3)建立阀门设备本体失效的模块化故障树可靠性模型并在线更新；(4)在线计算基于故障树的阀门设备本体失效的可靠性。本发明基于故障树方法和状态监测技术，给出了一种针对核电厂阀门设备本体失效的可靠性监测方法的框架和步骤，可克服传统故障树方法在模化阀门设备状态和在线更新方面的不足。

主权项

1.一种基于故障树的核电厂阀门本体失效的可靠性监测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在线采集核电厂阀门的状态监测信息：从核电厂的信息监测及管理系统中采集阀门设备的监测信号，具体包括从实时监控系统采集阀门的开关信号，从辅助隔离计算系统采集阀门试验/故障记录信号，从数字化控制系统采集阀门的启动控制信号；根据上述信号和信息，构建一个阀门设备的状态监测征兆空间Ω，Ω包含的元素有：阀门常开信号1，阀门常关信号0，阀门维修/故障记录信号r，阀门开到关阶跃控制信号‑1，阀门关到开阶跃控制信号+1；其中，阀门常开信号和常关信号统称为阀门常量信号；阀门开到关和关到开阶跃控制信号统称为阀门阶跃信号；阀门设备状态监测征兆空间Ω表示为：Ω＝(1,0,r,‑1,+1)；(2)在线识别阀门的初始状态并建立初始状态转移图；(2.1)：建立阀门设备的初始状态空间So；So包含的状态有：开s1，关s2，故障s3，预防维修s4，纠正维修s5；阀门设备初始状态空间So表示为：SO＝(s1,s2,s3,s4,s5)通过阀门设备的状态监测征兆空间Ω，监测出阀门在实际运行中处于状态空间So中的哪种初始状态，确定阀门监测征兆空间Ω到阀门设备初始状态空间So的判据函数fC，方法如下：(2.1.1)阀门常量信号为1时状态为开；(2.1.2)阀门常量信号为0时状态为关；(2.1.3)故障记录信号r确定状态为纠正维修、预防维修或故障；(2.1.4)阀门阶跃信号+1或‑1代表阀门状态开或关的自动启动；建立以下映射关系：(2.2)根据实际运行建立阀门初始状态转移图；初始状态转移图建立方法如下：(2.2.1)基于建立的阀门设备初始状态空间SO确定阀门的初始状态，用椭圆框表示；(2.2.2)基于电厂实际运行确定初始状态之间的转移路径，用带箭头和数字的实线表示，数字表示初始状态之间转移路径序号；确定的完整转移路径包括：正常运行过程中，开s1与关s2的相互转换；维护过程中，开s1与预防维修s3的相互转换和关s2与预防维修s3的相互转换；失效过程中，开s1到故障s3的转换和关s2到故障s3的转换；修复过程中，故障s3到纠正维修s5的转换，纠正维修s5到开s1的转换和纠正维修s5到关s1的转换；阀门设备状态监测征兆空间Ω和判据函数fC监测初始状态或变更，在状态转移图中补充加入相关的监测信号输入；(3)建立阀门设备本体失效的模块化故障树可靠性模型并在线更新：(3.1)建立阀门设备的初始状态‑需求状态转移图：建立阀门设备的需求状态空间Sd，Sd包含的状态有：开Sd1，关Sd2，无需求O；Sd＝(sd1,sd2,o)；建立阀门设备初始状态到需求状态的映射关系，建立规则fs如下：(3.1.1)“初始状态”选取所定义的初始状态空间S0中的元素；(3.1.2)“需求状态”选取所定义的需求状态空间Sd中的元素；(3.1.3)阀门设备“初始状态”确定为不可用时“需求状态”为空；(3.1.4)阀门设备“初始状态”确定为可用时按实际运行确定映射对象；基于规则fs，阀门设备初始状态到需求状态的映射关系为：阀门设备初始为开S1状态时，电厂规定为可用，全部需求包括开Sd1和关Sd2状态；阀门初始为关S1状态时，电厂规定为可用，全部需求包括开Sd1和关Sd2状态；阀门设备初始为故障S3、预防维修S4、纠正维修S5状态时，电厂规定为不可用，此时需求状态为空，对应为“无需求O建立的映射关系如下：在初始状态转移图基础上建立阀门设备完整的初始状态‑需求状态转移图，建立规则为：(3.1.1.1)基于建立的阀门设备需求状态空间Sd确定阀门的需求状态，用方框表示；(3.1.1.2)基于电厂实际运行确定初始状态到需求状态的转移路径，用带箭头和字母的实线表示，字母表示初始状态到需求状态的转移路径序号；通过上述阀门设备初始状态到需求状态的映射关系，按照建立规则，在核电厂阀门初始状态的监测及转移图上建立出完整的阀门设备的初始状态‑需求状态转移图；(3.2)建立阀门设备本体失效的模块化故障树可靠性模型：阀门设备模块化故障树建模方法如下：(3.2.1)模块化故障树没有定义设备初始状态；(3.2.2)模块化故障树包络设备状态转移图中所有分析状态的失效模式；建立出设备的模块化故障树模型后，通过布尔运算求解出故障树的最小割集集合；如果包含N个最小割集，则第j个最小割集表示为：Kj＝(Xj1,Xj2,…,Xji,…·,Xjn)Xji表示失效模式，模块化故障树的最小割集集合表示为：Θ＝{K1,K2,…,KN}在Θ中，只要任一个最小割集Kj的全部底事件Xji发生，其中j＝1,2,…,N，故障树的顶事件必发生，最小割集集合用来表示故障树的结构函数；每一个故障树结构函数都是通过故障树的集合运算后简化、吸收的结果，即模块化故障树结构函数Θ0(X)表示为：各类阀门包含的失效模式如下：(3.2.1.1)电动阀：破裂，外漏，内漏，拒开，拒关，误开，误关；(3.2.1.2)止回阀：破裂，外漏，内漏，拒开；(3.2.1.3)手动阀：破裂，外漏，内漏，忘记打开，忘记关闭；(3.2.1.4)气动阀：破裂，外漏，内漏，误关，误关，手动开启失效；阀门设备处于“预防维修”、“纠正维修”、“故障”初始状态时，代表其发生不可用，此时只包含故障/维修不可用失效模式，进行故障树的不可用逻辑更新处理；(3.3)建立出阀门设备模块化故障树的更新规则，得到模块化故障树到各状态故障树的映射关系：(3.3.1)若将模块化故障树中Xji事件属性设置为False，表示该事件确定不发生；那么在故障树结构函数Θ0(X)中去掉包含Xji的所有最小割集，重新进行集合运算吸收、简化后生成新的结构函数Θi(X)；(3.3.2)若将模块化故障树中Xji事件属性设置为True，表示该事件已发生；在故障树结构函数Θ0(X)中去掉最小割集中包含的Xji元素，重新进行集合运算吸收、简化后生成新的结构函数Θi(X)；(3.3.3)若将模块化故障树中Xji事件属性设置为Normal，表示该事件以某种概率发生，则代入基本事件可靠性模型计算；即故障树结构函数Θ0(X)不改变；在阀门模块化故障树模型的基础上，得到各个状态的故障树模型；即通过模块化故障树结构函数Θ0(X)，建立实际映射关系fx，得到设备各状态故障树模型的结构函数；映射表示为：对于每个确定阀门设备状态，都对应有一个状态故障树结构函数Θi(X)：Θi(X)＝fxi[Θ0(X)]针对阀门需求状态变化更新的特性二次更新如下：(3.3.3.1)一次更新：监测到阀门初始状态变化，设需求状态与初始状态相同，进行阀门状态的更新；监测到阀门初始状态不变，电厂组态变化导致阀门需求状态更新，直接进行阀门状态的更新；(3.3.3.2)二次更新：对于一次更新中监测到阀门初始状态变化情况，判断阀门实际需求状态是否与初始状态相同，相同则只执行一次更新，不同则需要确定初始状态后变化需求状态二次更新；建立模块化故障树二次更新规则：在每次阀门状态更新时，定义一个Fi状态向Fj状态的转移过程：Fi→j＝Fj‑FiFi→j对应为状态转移图中的转移路径；在Θ(X)中，有一个Fi状态的故障树结构函数Θi(X)向Fj状态的故障树结构函数Θj(X)的变化过程：Θi→j(X)＝Θj(X)‑Θi(X)生成的Φi→j(X)就是更新规则，且有以下对应关系：Fi→j——→Φi→j(X)阀门本体失效模块化故障树底事件中，破裂、外漏可归纳为开/关运行失效；内漏为需求为关运行失效；拒开、拒关、误开、误关可归纳为需求失效；其中拒开和误开是关到开的过程，称需求失效1；拒关和误关是开到关的过程，称需求失效2；一次更新路径：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，a，d号路径；二次更新路径：1‑d，2‑a，6‑a，7‑d，9‑a，11‑d号路径；(3.4)判断阀门的状态并对其模块化故障树执行更新规则；首先判断阀门“初始状态”，若不变判断阀门需求状态，若变化对其模块化故障树执行第一次更新后再判断阀门需求状态；然后在初始状态不变情况下判断阀门需求状态，若不变则毋须对其模块化故障树执行更新，若变化同样执行第一次更新；最后在初始状态变化情况下判断阀门需求状态，若不变则毋须对其模块化故障树执行第二次更新，若变化还需执行第二次更新；(4)在线计算基于故障树的阀门设备本体失效的可靠性；建立阀门本体失效的模块化故障树，通过调用建立的更新规则，对模块化故障树进行逻辑赋值；通过故障树模型的布尔集合运算简化、吸收后得到可靠性模型的最小割集集合；最后转化为对应的故障树结构函数，进行不交化处理后代入相应的基本事件可靠性模型，计算出阀门本体失效的失效概率；通过最小割集集合转化的结构函数Φ(X)为：代入t时刻基本事件Xji可靠性模型所求得的基本事件失效概率Pji(t)，得到阀门设备本体失效的不可靠度R(X,t)，即：