Komponentengruppenübergreifende Gemeinsam Verursachte Ausfälle (GVA) M. Leberecht

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1 Komponentengruppenübergreifende Gemeinsam Verursachte Ausfälle (GVA) M. Leberecht

2 Übersicht Einführung Der GVA in der PSA Der komponentengruppenübergreifende GVA Herausforderungen bei der Modellierung von komponentengruppenübergreifenden GVA Quantitative Bedeutung des komponentengruppenübergreifenden GVA 2

3 Wie wird eine Sicherheitsfunktion in der PSA modelliert? 3

4 Was ist eine Komponente? Komponente: Einheit, die selbsttätige Funktion innerhalb eines Prozesses wahrnimmt Beispiele: Pumpe, Diesel, Armatur, Batterie Für eine PSA muss die Unverfügbarkeit von sicherheitstechnisch wichtigen Komponenten modelliert und quantifiziert werden Bildquelle: EnBW, GKN-2 4

5 Was ist ein GVA? 5

6 Was ist ein GVA? 1. Einzelfehler 6

7 Was ist ein GVA? 2. Gemeinsam verursachter Ausfall (GVA) 7

8 Was ist ein GVA? Betriebserfahrung zeigt: Nicht alle Komponentenausfälle sind voneinander unabhängige Zufallsausfälle Gemeinsam verursachter Ausfall (GVA): mehrere Komponenten sind aus gleicher Ursache gleichzeitig unverfügbar Gleichzeitig: Innerhalb des Zeitraums, in dem die Komponenten angefordert werden 8

9 Wie werden GVA in der PSA berücksichtigt? Komponenten werden in Komponentengruppen zusammengefasst, für diese wird ein gemeinsamer Ausfall modelliert Typischerweise gleichartige Komponenten mit gleichartigen Betriebsbedingungen in einer Komponentengruppe Äquivalente Komponenten aus den einzelnen Strängen eines redundanten Systems bilden Komponentengruppe, für die ein GVA modelliert wird, z.b.: Alle Notspeisepumpen Alle Sicherheitseinspeisepumpen Alle D1-Notstromdiesel Alle D2-Notspeisenotstromdiesel 9

10 Wie werden GVA-Ausfallwahrscheinlichkeiten berechnet? Bestimmung aller Ausfallwahrscheinlichkeiten (z.b. 2v4-GVA, 3v4-GVA, 4v4- GVA) und der zugehörigen Unsicherheiten aus der Betriebserfahrung mit Hilfe von mathematischen Modellen Eingangsgrößen: Expertenbewertungen von Ereignissen aus der Betriebserfahrung Komponentenspezifische Daten (z.b. Einsatzzeit, Prüfintervalle) 10

11 Welche Betriebserfahrung ist verwendbar? Problem bei der Auswertung der Betriebserfahrung: GVA seltene Ereignisse Berücksichtigung der Betriebserfahrung aller deutschen Kernkraftwerke Berücksichtigung von zusätzlichen Ereignissen mit systematischer Ursache (GVA-Phänomene): Ereignisse mit einem Ausfall und mehreren Vorschädigungen Ereignisse mit mehreren Vorschädigungen Experte bewertet bei Ereignis vorgefundene Schäden qualitativ, z.b. eine Komponente ausgefallen, zwei beschädigt, eine unbeschädigt 11

12 Beeinflussen GVA das Ergebnis der PSA? Obwohl sie einen relativ kleinen Anteil der beobachteten Ereignisse darstellen, beeinflussen GVA das Ergebnis der PSA stark Die realistische Modellierung von GVA ist wichtiger Forschungsgegenstand nur unabhängige Ausfälle (UA) 15% nur Handmaßnahmen (OP) 0% UA & OP 5% 80% mit GVA nur GVA 26% UA & GVA 32% GVA & OP 3% UA & GVA & OP 19% Relativer Beitrag verschiedener Ereignisabläufe zum Kernschadenszustand 12

13 Was ist ein komponentengruppenübergreifender GVA? 1. Einzelfehler (EF) 2. Gemeinsam verursachter Ausfall (GVA) 13

14 Was ist ein komponentengruppenübergreifender GVA? 1. Einzelfehler (EF) 2. Gemeinsam verursachter Ausfall (GVA) 1. Einzelfehler 14

15 Was ist ein komponentengruppenübergreifender GVA? 1. Einzelfehler (EF) 2. Gemeinsam verursachter Ausfall (GVA) 2. GVA 15

16 Was ist ein komponentengruppenübergreifender GVA? 1. Einzelfehler (EF) 2. Gemeinsam verursachter Ausfall (GVA) 3. Übergreifender GVA (ÜGVA) 16

17 Was ist ein komponentengruppenübergreifender GVA? Untersuchung, inwieweit sich beobachtete GVA-Phänomene in ihren Auswirkungen auf Komponenten beschränkten, die in der PSA in der gleichen Komponentengruppe sind Untersuchungsumfang: GVA-Phänomene aus der deutschen Betriebserfahrung bis zum Jahre 2002 Ergebnisse: Ca. 14% der GVA-Phänomene betreffen Komponenten, die nicht in einer Komponentengruppe modelliert werden Komponentengruppenübergreifender GVA (ÜGVA) 17

18 Welche Komponentenarten können vom ÜGVA betroffen sein? Betroffene Komponentenarten: Motorbetätigte Armaturen Rückschlagarmaturen Batterien Druckabsicherung Druckhalter (hauptsächlich Vorsteuerventile) Frischdampfarmaturen (hauptsächlich Vorsteuerventile) Leittechnik-Komponenten (Vorrangbaugruppen, Kondensatoren, Relaisbaugruppen/Zeitglieder, Spannungsversorgungsbaugruppen) Messumformer Notstromdiesel Schalter Kreiselpumpen (nur Ereignisse am Leistungsschalter) Gleichrichter Ventilatoren 18

19 Beispiel ÜGVA aus Betriebserfahrung: Notstromdiesel Sachverhalt: Im Rahmen einer WKP fällt an einem D1-Notstromdiesel eine Kühlwasserleckage auf Ursache: Interkristalline Korrosion: Ungünstige Paarung Werkstoff und Kühlmittel Komponentengruppenübergreifender Charakter: Betroffener Diesel unverfügbar (Abschaltung durch Aggregateschutz nach ca. 30 Minuten) Ähnliche Befunde an übrigen D1-Notstromdieseln und schwächer ausgeprägte Befunde an D2-Notstandsdieseln: Gleicher Hersteller, gleiche Werkstoffe, gleiches Kühlmittel und gleiche Betriebsbedingungen Bildquelle: MTU/Rolls-Royce Power Systems AG 19

20 Beispiel ÜGVA aus Betriebserfahrung: Batterien Sachverhalt: Mehrere Batteriezellen in den 48V-Batterieanlagen des D1- und des D2-Netzes erreichen bei WKP die Sollspannungen nicht Ursache: Lösung von Chloriden aus PVC-Separatoren Korrosion der Anode Bildquelle: istockphoto.com/ phiamphoto Volumenzunahme der Anode Beschädigung der Separatoren Kurzschlüsse Komponentengruppenübergreifender Charakter: Batteriezellen des D1- und des D2-Notstromnetzes betroffen: Gleicher Hersteller, gleiches Separatormaterial Auslegungsfehler bei gleichem Bauteil Ähnliche Ereignisse auch in Folge von Fehlern in der Herstellung bekannt (z.b. Chlorideintrag über ungeeignete Reinigungsmittel) 20

21 Schlussfolgerungen aus der Auswertung der Betriebserfahrung Einzelne ÜGVA-Ereignisse bereits beobachtet ÜGVA-Phänomene betreffen fast alle modellierten Komponentenarten ÜGVA zur Zeit in der PSA nicht modelliert Weitere Untersuchungen notwendig: Wie können ÜGVA in der PSA modelliert werden? Wie groß ist der Einfluss von ÜGVA auf das Ergebnis der PSA? 21

22 Welche Herausforderungen bestehen bei der Modellierung von ÜGVA? Wie können ÜGVA, die Komponenten, die nur teilweise gleichartig sind (z.b. einzelne Bauteile gleich), modelliert werden? Wie kann die große Zahl von möglichen Ausfallkombinationen im PSA-Modell verarbeitet werden? 22

23 GRS-Ansatz zur Modellierung von ÜGVA Bildung von verallgemeinerten GVA-Komponentengruppen: Mengen von Komponenten, die, basierend auf entsprechender Betriebserfahrung, gemeinsam ausfallen können Beispiel Notstromdiesel: Bildung von 3 verallgemeinerten GVA-Komponentengruppen GVA der D1-Notstromdiesel GVA der D2-Notstandsdiesel ÜGVA der D1- und der D2-Diesel 23

24 GRS-Ansatz zur Verwendung der Betriebserfahrung Aufteilung der beobachteten Dieselereignisse: Potential für ÜGVA ÜGVA D1+D2-Diesel Kriterium: Schädigungen oder Korrekturmaßnahmen an beiden Dieselgruppen Beschränkt auf eine Komponentengruppe GVA D1-Diesel und GVA D2-Diesel Quantifizierung der Zuverlässigkeitskenngrößen für jede verallgemeinerte Komponentengruppe 24

25 GRS-Ansatz zur Integration von ÜGVA in das PSA-Modell Problem: Übergreifende GVA können sehr viele Komponenten betreffen (z. B. 30 gleichartige 10kV-Schalter) Exponentielles Anwachsen der Anzahl der Basisereignisse Kann durch PSA-Software nicht mehr verarbeitet werden GRS-Ansatz: Berücksichtigung durch Modifikation der Quantifizierung Interpretation von ÜGVA als statistische Korrelation von unterschiedlichen GVA und Einzelfehlern Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten 25

26 Wie groß ist der Einfluss von ÜGVA auf das Ergebnis der PSA? Beispielhafte Untersuchung der Auswirkungen der Modellierung von komponentengruppenübergreifenden GVA für die D1- und D2-Notstromdiesel bei dem einleitenden Ereignis Notstromfall Auswertung der Betriebserfahrung von Notstromdieseln (bis 2010) Quantifizierung der Zuverlässigkeitskenngrößen unter Verwendung des GRS- Kopplungsmodells Ergebnis: Erwartungswert der Häufigkeit von Gefährdungszuständen steigt Folgerung: Die Annahme von komponentengruppenübergreifenden GVA kann einen signifikanten Einfluss auf PSA-Ergebnisse haben 26

27 Zusammenfassung und Ausblick Komponentengruppenübergreifende GVA sind aus der Betriebserfahrung bekannt werden zur Zeit nicht in der PSA modelliert können einen signifikanten Einfluss auf PSA-Ergebnisse haben sind auch international Thema: Anlagenübergreifende Ausfälle bei Mehrblockanlagen Weitere Forschung und Entwicklung zu komponentengruppenübergreifenden GVA notwendig Implementierung und Erprobung des Quantifizierungsverfahrens für ÜGVA einer großen Anzahl von Komponenten Entwicklung von Rechenprogrammen Erweiterung der Untersuchung auf andere Komponentenarten Auswertung der Betriebserfahrung Analyse des Einflusses auf das PSA-Ergebnis 27