船舶核动力装置二回路故障分析及安全性研究

徐立，邓儒超，徐楚，张笛，方军庭

(1.武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室，湖北武汉430063;2.武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉430063;3.武汉理工大学水路公路交通安全控制与装备教育部工程研究中心，湖北武汉430063;4.中国核动力研究设计院反应堆运行与应用研究所，四川成都610064)

发展新能源与可再生能源是当今世界能源发展大趋势，也是世界各国能源发展战略的主流［1］。核能以其持久、经济、安全和清洁等优势被人们认为是当前最具开发价值和发展潜力的新型能源，调整能源结构，发展低碳、绿色核能是我国能源发展的重要战略。在节能减排的大目标下，开展核动力在民用船舶应用的研究是实现航运业零排放的一种有益尝试。目前，国外核动力船舶［1-4］的研究主要集中在破冰船/破冰运输船、超大型集装箱船、定航线超大型矿砂船、大型海上浮式生产储油船［5］等船型的研究。虽然核动力推进船舶在绿色低碳、节能减排方面有较强的优势和很好的发展前景，但核动力推进船舶的风险也是明显的，对于决策者和公民来说，最为关心的莫过于其安全问题。核工业是一个高危产业［6］，有必要对民用核动力船舶进行安全性分析［7-8］。本文考虑在客观概率数据缺失等制约条件下，运用层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)［9-10］进行研究，分析民用船舶核动力装置二回路系统及各个子系统间的层级关系和事故发生时对安全影响较大的系统和设备。

1 核动力装置二回路系统及层次分析模型

1.1 核动力装置二回路系统

二回路系统［10］是压水堆核动力装置的重要组成部分，其主要的功能是将反应堆及一回路系统产生并传递过来的热量转化为船舶航行所需要的机械能，并产生动力装置及全船所需的电能和淡水。二回路系统的组成以朗肯循环为基础，由蒸汽发生器二次侧、汽轮机、冷凝器、凝水泵、给水泵、给水加热器等主要设备以及连接这些设备的汽水管道构成的热力循环，实现能量的传递和转换，其热力流程图如图1所示。

图1 二回路系统热力流程图Fig.1 Heat flow chart of second loop system

反应堆内核燃料裂变产生的热量由流经堆芯的冷却剂带走，在蒸汽发生器中传递给二回路系统工质，二回路系统工质吸热后产生一定温度和压力的蒸汽，通过蒸汽系统输送到汽轮机做功或耗热设备使用，主汽轮机做功后废汽排入冷凝器，被由舷外引入的循环冷切水冷凝成水，再经给水泵增压后送回蒸汽发生器，开始下一次循环。

1.2 二回路系统的层次分析模型

在研究船用核动力装置二回路系统时，将其划分为3个子系统，即功率的匹配、循环、能量的转换。对应上述3个子系统，将二回路系统中各个系统或设备按其各自的功能分别归属到3个子系统下，从而形成层次有序的二回路系统递阶层次结构，如图2所示。

图2 二回路系统递阶层次结构Fig.2 Hierarchical structure of second loop system

2 运用层次分析法确定系统权重

2.1 构造判断矩阵

专家利用1～9比例标度法［11-12］，分别对各层的分析指标的相对重要性进行定性判断描述，再用确切的数字进行量化表述，各个数字取值所代表的意义见表1。根据专家的打分可以构建两两比较的判断矩阵，B层因素对于A层因素的相对重要性的判断矩阵 A-B，如表2所示。

表中aij=Bi/Bj，表示对于总目A而言，因素Bi对因素Bj相对重要性的判断值，数值的大小参照表2的规定决定。判断矩阵的特点是对角线上的元素均为1，即每个因素对其自身而言重要性为1，同时不难得出aij=1/aji的结论。

表1 专家调查表取值含义Table 1 The values meaning of expert survey

表2 判断矩阵A-BTable 2 The judgment matrix A-B

2.2 确定系统权重

综合评分法中主要应用和法求解相对权重。和法就是取这N个归一化后的列向量的算术平均值作为相对权重，因此可得计算公式:

对于构造判断矩阵，多数情况下判断矩阵是不一致的，所以结果往往是近似的。需要对判断矩阵进行一致性检验，检验步骤如下:

1)计算一致性指标 C.I.

2)查找对应的平均随机一致性指标R.I.

表3给出1～15阶正互反矩阵计算得到的平均随机一致性指标。

3)计算一致性比例指标C.R.

表3 1～15阶正互反矩阵平均随机一致性指标Table 3 Average consistency index of 1～15 order matrix

当 C.R.＜0.1 时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的;当 C.R.＞0.1 时，应该对判断矩阵作适当修正。

上面得到的仅仅是一组元素对其上层中某元素的权重向量。还要得到各层元素对于总目标的相对权重，即所谓“合成权重”:

3 基于AHP的二回路系统故障分析

3.1 应用AHP对二回路系统进行分析

邀请专家对二回路系统模型中的各层次因素进行两两比较，将比较结果用于建立判断矩阵。通过对B层、C层和D层因素的相对重要性做出判断，得到AB、B-C、C-D判断矩阵，由于篇幅所限这里只给出A-B判断矩阵，结果如表4(以其中一位专家所给出的调查评分表为例)所示。

表4 二回路系统判断矩阵A-BTable 4 Judgment matrix A-B of second loop system

先将3位专家的数据进行加权平均，再应用和法计算上述二回路判断矩阵中B层、C层和D层因素相对于上一层准则的相对权重。以判断矩阵A-B为例，计算步骤如下:

1)根据专家的资历，给定3位专家的数据权值分别为:0.5，0.4，0.1，由w=f1w1+f2w2+f3w3计算加权平均值，其中f1、f2、f3分别是3位专家的权重值。计算结果如表5所示。

表5 A-B矩阵参数的加权平均Table 5 A-B Weighted average of matrix argument

2)将判断矩阵A-B的元素按列归一化:

3)B层元素相对于A的相对权重即是归一化后列向量的算术平均值:

对判断矩阵A-B进行一致性检验，步骤如下:

1)应用MATLAB软件，设 A-B判断矩阵为A，输入程序“λ=eig(A)”，运行结果即为A的特征根，从而确定A的最大特征根λmax=3.034 9。

2)计算一致性指标 C.I.

3)查表3得n=3时，平均随机一致性指标R.I.=0.52。计算一致性比例指标 C.R.，并检验一致性。

C.R.＜0.1，因此通过一致性检验。

按照上述方法步骤求解二回路各个判断矩阵AB、B-C、C-D元素相对于上一层准则的相对权重以及进行一致性检验，结果如表6所示。

表6 一致性检验结果Table 6 The results of consistency test

计算二回路系统递阶层次结构底层指标相对于A层总目标的综合权重，再对各个指标的权重值进行排序，结果列入表7中。

表7 二回路系统层次分析结果Table 7 AHP results of second loop system

3.2 分析结果

由表7可以分别得到二回路系统各个指标相对于递阶层次结构模型A层总目标的综合权重。其中有4个指标的综合权重超过 0.1 或接近0.1，即D5、C2、D6和D9，而其他指标均远小于0.1。事故时恶劣的工作环境极大地考验着二回路系统汽动和电动给水泵的安全可靠性，而其运行情况又极大地影响着二回路系统的运行安全，同时负荷的剧烈变化将对主给水流量控制系统造成严重的影响，对此应予以重点关注。

4 结束语

本文构建了民用船舶核动力装置二回路系统的递阶层次结构模型，并在此基础之上运用AHP进行故障分析，由专家打分，分析、处理、计算得到各个系统指标的相对权重。分析表明汽动给水泵系统、电动给水泵系统、主给水流量控制系统和高压给水加热器系统为民用船舶核动力装置二回路系统中的风险较大的关键因素，在民用核动力船舶的设计过程中应予以重视。在今后的研究过程中，应该努力扩宽数据来源的渠道，对民用船舶核动力装置二回路系统的递阶层次结构进一步的完善和细化，这些都有利于研究的深入发展。

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