《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：A systematic method for designing aging-resilient nuclear balance-of-plant systems: Theoretical foundations
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摘要维护服务连续性是核电站的基本要求，尤其是向无法接入缓冲性热力网络的工业热用户供热时。在此类场景中，常规岛组件的性能渐进式退化会直接导致热电交付量的削减。本文提出了 PRIORITY（基于退化感知的缓解策略选择的运行可靠性概率排序），这是一种计算轻量级、适用于设计阶段的框架
摘要
维护服务连续性是核电站的基本要求，尤其是向无法接入缓冲性热力网络的工业热用户供热时。在此类场景中，常规岛组件的性能渐进式退化会直接导致热电交付量的削减。本文提出了 PRIORITY（基于退化感知的缓解策略选择的运行可靠性概率排序），这是一种计算轻量级、适用于设计阶段的框架，能够（i）识别哪些组件退化最严重地限制了生产能力，以及（ii）对候选缓解策略组合（如冗余配置、过尺寸设计、旁路、专用控制方案）进行排序。该方法将长时域退化轨迹替换为一种遍历性蒙特卡洛公式，其中多组件健康状态从有界分布中采样，该分布由故障模式与影响分析（FMEA）确定，其定义域位于名义性能与维护阈值之间的允许范围。对于每个采样状态，稳态性能模型评估一个结合交付工艺热和以热等效单位表示的净电力输出的退化容量指标。由于所有设计变体均在相同的采样状态集上进行评估，因此它们的性能分布可以通过超优概率进行比较，并综合为全局排序（Bradley–Terry模型）。该框架明确指出了建模假设（平稳性、近似独立性、排除共因故障）并概述了向依赖退化扩展和成本感知选择的方向。一篇配套论文将 PRIORITY 应用于具有代表性的热电联产配置，并量化了特定缓解策略组合的价值。
引言
核电站（NPP）通常按照高容量因子进行设计和运行，因为其经济特性有利于资本密集型资产的持续、近连续运行。在并网服务中，系统级灵活性和市场机制可以部分吸收短期的机组级降额或中断。相比之下，当核发电机组直接耦合到工业热用户时，这种缓冲作用几乎不存在：没有成熟的热力网络基础设施，且现场热储能仅能提供有限的、时间受限的过渡运行。储热容量是有限的，并在中断期间逐渐消耗，由于供给短缺的时间和持续时间具有不确定性，工业运营商无法仅依赖储能来保证供应的连续性。因此，常规岛（BOP）组件的渐进性能损失会直接转化为热或电力交付量的削减。因此，服务连续性成为能量转换系统的首要设计要求。
近期可靠性与运维工程领域的研究显著推动了退化感知的决策支持。现有方法主要针对维护计划和运行可靠性，且在退化数据可用时最为有效。例如，Sellitto 和 Pinho [1] 利用故障间隔时间和修复时间数据来识别可能的故障分布，Carpitella 等人 [2] 提出了一种多准则决策框架以对风险和干预措施进行优先级排序。这些进展对于核电站等安全关键基础设施尤其相关，在这些设施中，物理退化过程与运维决策之间的耦合已成为高级预测性维护框架的核心 [3]、[4]。近年来，强化学习及相关方法越来越多地被用于优化随系统状态演进而自适应的条件依赖性维护策略 [5]、[6]。同时，Dui 等人 [7] 研究了级联故障行为，并强调了系统级相互作用在塑造整体性能损失方面的作用。这些进展共同强调了韧性导向的设计和决策对于在不利条件下保持关键基础设施功能的重要性。风险评估量化了不利事件的发生概率和影响，而韧性则强调系统预见和吸收中断、适应变化条件并及时恢复功能的能力 [8]、[9]。
大多数近期方法侧重于运行阶段的决策，即在退化记录可用且动态控制框架已建立的情况下，随时间优化维护行动。相比之下，对设计阶段选择缓解策略——如冗余、过尺寸设计、旁路和专用控制逻辑——以在渐进的多组件退化下保持生产能力，关注甚少。换言之，给定一组常规岛组件合理的退化机制，一个开放的设计问题是：应从一开始纳入哪些缓解策略，以便厂站在面对这些退化时仍能保持生产？ 这一问题对于服务工业用户的核常规岛系统尤为相关，因为在这些系统中，即使是中等程度的退化也可能损害满足规定热和电力需求的能力。此外，对厂站级性能的长时域预测通常需要计算密集型的模拟，而许多可靠性分析仍然集中在故障时间而非可交付生产能力的渐进性损失上 [10]。
为解决这一差距，本工作提出了 PRIORITY，一种面向混合核能应用的计算轻量级、设计阶段方法论。该框架旨在识别一种能够尽可能长时间保持核常规岛整体性能的最优缓解策略组合。为实现此目标，该方法用基于遍历性的有界多组件退化状态的蒙特卡洛采样替换长时域瞬态分析。每个采样状态通过标准的稳态性能模型进行评估，且所有候选设计变体均在相同的退化场景集上进行评估。这使得完整的性能分布得以比较，并可在分布感知的意义上对缓解选项进行排序。所提出的框架仅需要每个组件的有界退化包络和一个稳态性能模型，这使其非常适合早期阶段的设计权衡研究和退化数据稀疏或不均匀的应用场景。退化包络可以通过专家判断获取或从供应商规格中汇编，而性能模型可以是常规岛设计研究中已经使用的任何非设计工况稳态模拟器。这种有限的数据需求保持了计算的可行性并促进了多个设计变体的比较。关键的建模假设明确陈述——包括平稳性、组件退化之间的近似独立性以及排除共因故障——并且该框架天然允许向依赖感知采样、非平稳退化和显式成本感知优化的扩展。
本文其余部分组织如下。第2节概述与核热电联产相关的运行挑战，特别关注负荷管理和容量可持续性。第3节介绍优化方法，包括采样方案和评估工具。第4节详述基本假设并讨论其影响。第5节描述实施工作流程、排序过程和所选的性能指标。
章节摘要
核热电联产中的电力与热负荷管理
应用于核电站时，热电联产指在生产电力的同时从反应堆输送有用热量的厂站配置。历史上，交付的电力与热力分配严重偏向电力；2019年，用于区域供暖和海水淡化等应用的热提取量不足总输出的5% [11]。间歇性可再生能源日益增长的渗透率给以下方面带来了新的挑战
方法论概述
所提出的方法追求两个主要目标：（i）识别哪些常规岛组件的退化最严重地限制了厂站性能并量化其影响；（ii）选择在设计阶段可纳入的最优缓解策略组合，以维持或恢复产能。为在设计工况和非设计工况下高效评估每种候选厂站配置，需要一种热力学性能计算软件（如 Ebsilon Professional [17]）。
建模假设
在理想情况下，常规岛模型应以足够的细节捕捉性能特征和材料退化机制，从而模拟整个服役寿命内的厂站响应。每个组件都将经历真实的力热瞬态过程，并明确建模退化机制。系统的退化产能可以与下游工业用户的用电需求轨迹进行比较，从而实现逐时评估可用产能与需求之间的关系。对于每个
将退化机制映射到健康参数
第一步是为基线常规岛中的每个主要组件识别主导的退化模式和导致性能渐进损失的相关机制。定义这一组离散的有害条件为评估厂站在面对合理的长期损伤时能否维持可接受输出提供了结构化基础。与侧重于设计基准事故的安全设计不同，此处关注的是相对可能发生且严重程度适中的缓慢老化机制
结论
PRIORITY 为核常规岛配置中选择缓解策略提供了设计阶段指导。通过将全寿命时间域模拟替换为退化稳态快照的遍历采样，并在共同场景集上评估所有增强变体，该框架（i）识别了哪些组件的退化最严重地限制了产能，（ii）利用分布感知比较对缓解策略组合进行排序。在此过程中，它支持优先级排序
CRediT 作者贡献声明
Roberto Ponciroli：撰写 – 初稿、方法论、形式化分析、概念构思。Luca Coita：撰写 – 初稿、调查研究、数据管理、概念构思。Stefano Lorenzi：撰写 – 审阅与编辑、监督指导。Michele Frignani：撰写 – 审阅与编辑、监督指导。Haoyu Wang：监督指导。Richard B. Vilim：撰写 – 审阅与编辑、监督指导、形式化分析。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告工作的客观性。
致谢
本研究得到了美国能源部核能办公室的支持。作者感谢先进传感器与仪器项目的支持及技术讨论。作者确认在稿件准备过程中使用了 ChatGPT（OpenAI；版本 5.2）进行语言编辑辅助。所有内容均由作者生成、审核并批准。
Roberto Ponciroli|Luca Coita|Stefano Lorenzi|Michele Frignani|Haoyu Wang|Richard B. Vilim
