一种浮动核电站二回路主要设备体积优化方法技术

本发明专利技术公开了一种浮动式核电站二回路主要设备体积优化方法，包括：(1)建立二回路主要设备结构设计的数学模型；(2)选取优化参数；(3)建立目标函数；(4)建立约束条件；(5)建立二回路热力方案；(6)进行热平衡计算；(7)计算设备总体积，得到目标函数值；(8)参数优化，通过改进粒子群算法对优化参数进行优化，计算粒子速度并得到下一代粒子位置，更新个体最优粒子和全局最优粒子；(9)重复步骤(6)‑(8)，直到完成预先设置的迭代次数，将使目标函数值最小的一组优化参数作为最优解。本发明专利技术的方法保证了在对各个设备进行结构设计时设备之间能够相互匹配；采用的改进粒子群算法能够达到全局最优。

A volume optimization method for the main equipment in the secondary circuit of floating nuclear power plant

【技术实现步骤摘要】
一种浮动核电站二回路主要设备体积优化方法
本专利技术涉及设备体积优化方法，尤其是涉及一种面向浮动式核电站二回路应用的，能够适用于二回路主要设备的体积优化方法。
技术介绍
浮动式核电站是指利用浮动平台建造的可移动的核电站，在无电网地区供电、海水淡化等领域存在明显的优势。二回路系统是压水堆核动力装置的重要组成部分，其主要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的机械能，并生产电能和淡水。浮动式核电站二回路所占用的空间直接影响其机动性和灵活性，因此系统设计过程中须对二回路设备体积进行优化，保证其在一定功率下总体积最小。目前，针对核动力装置二回路尺寸的优化方法主要有以下两种：(1)对二回路单个设备的尺寸进行优化；(2)对二回路若干个主要设备的总体尺寸进行优化，手动输入热工水力参数。在第(1)种方式中，对单个设备进行尺寸优化只能得到单台设备的最优尺寸，而各个设备之间是相互制约的，单台设备尺寸优化后，其输出工质的热工水力参数也随之变化，这种变化可能导致下游设备的尺寸增大才能满足总体性能要求，因此，单个设备的尺寸最优未必是总体尺寸最优；在第(2)种方式中，虽然考虑了若干个设备的总体尺寸最优，但未在每一次优化前进行热平衡计算，手动输入热工水力参数导致最终得到的设备尺寸可能相互之间不匹配，即组合成为二回路系统后无法达到预期的性能需求。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种浮动式核电站二回路主要设备体积优化方法，该方法综合考虑蒸汽发生器、汽轮机和冷凝器三个主要设备的总体积，避免了优化单个设备而导致无法得到总体积最优的缺点；同时，该方法在每一次进行优化之前都进行热平衡计算，避免了多次优化后设备相互之间不匹配的缺点。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种浮动核电站二回路主要设备体积优化方法，包括：(1)建立二回路主要设备结构设计的数学模型，包括蒸汽发生器数学模型、汽轮机数学模型和冷凝器数学模型；(2)选取优化参数，选择对设备体积影响大的参数作为优化参数，包括蒸汽发生器二次侧压力、冷凝器壳侧压力、传热管外径、传热管节径比；(3)建立目标函数，目标函数值为上述三种二回路设备的总体积，通过寻找最优的优化参数值组合，得到最小目标函数值；(4)建立约束条件，从参数约束、性能约束和结构约束三方面建立约束条件，保证优化后设备参数合理；(5)建立二回路热力方案：配置各个设备的连接关系，使之成为完整的二回路系统；(6)进行热平衡计算，确定二回路负荷功率，建立各设备之间的质量和能量守恒方程，采用迭代法对方程进行求解，得到各设备相互匹配且能满足二回路负荷功率输出需求的热力方案；(7)计算设备总体积，将热平衡计算得到的热工参数作为二回路主要设备体积的数学模型的输入，结合优化参数，得到目标函数值；(8)参数优化，根据粒子个体最优位置和粒子群全局最优位置，通过改进粒子群算法对优化参数进行优化，若粒子进入迟滞状态则引入最优位置扰动，计算粒子速度并得到下一代粒子位置，更新个体最优粒子和全局最优粒子；(9)重复步骤(6)-(8)，直到完成预先设置的迭代次数，将使目标函数值最小的一组优化参数作为最优解。进一步的，所述建立二回路主要设备结构设计的数学模型具体包括：a.蒸汽发生器数学模型：计算的设计参数包括一回路放热量、一回路冷却剂流量、传热管内径、传热管数量、总换热面积、上筒体高度、上筒体外径、下筒体高度、下筒体外径、管板厚度等，蒸汽发生器的尺寸为上筒体尺寸与下筒体尺寸之和：b.汽轮机数学模型：计算的设计参数包括低压缸级数、低压缸第一级喷嘴高度、低压缸末级动叶高度、低压缸平均动叶直径、低压缸轴向长度、倒车级第一级喷嘴高度、倒车级末级动叶高度、倒车级气缸轴向长度、调节级喷嘴高度、调节级动叶高度、非调节级第一级喷嘴高度、非调节级末级动叶高度、高压缸轴向长度、高压缸平均动叶直径等，汽轮机的尺寸为高压缸尺寸与低压缸尺寸之和。c.冷凝器数学模型：计算的设计参数包括冷凝器长度、冷凝器宽度、冷凝器高度、主室总换热面积、冷却倍率、主室传热管长度、冷凝器主室热负荷、管束直径等。进一步的，所述建立约束条件具体包括：a.变量约束：对优化变量取值范围的限制；b.性能约束：是对某些热工水力参加取值范围的限制；c.结构约束：是对设备的某些结构参数的约束。进一步的，所述热平衡计算具体包括：a.主要热力参数选定：一回路冷却剂参数包括一回路压力、冷却剂过冷度，二回路工质参数包括蒸汽初参数、蒸汽终参数；b.建立各设备守恒方程：包括蒸汽发生器、冷凝器和汽轮机的守恒方程；c.解方程：采用迭代法解方程，首先给定热效率初值，进而按设备连接顺序对方程进行逐一求解，得到计算的热效率，通过多次迭代，使热效率误差小于设定限值，结束迭代，得到热平衡热工参数。进一步的，所述参数优化具体包括：a.随机产生规模为m初始粒子群；b.再次随机产生规模为m初始粒子群；c.最优位置扰动，即迟滞代数是否大于迟滞代数阈值，如果大于则进行扰动；d.计算粒子速度；e.更新个体最优位置、个体最优值、全局最优位置和全局最优值。进一步的，蒸汽发生器的尺寸Vsg为上筒体尺寸Vsg，up与下筒体尺寸Vsg，down之和：Vsg＝Vsg,up+Vsg,down其中，式中，hup、hdown分别为上、下筒体高度，m；Dout,up、Dout,down分别为上、下筒体外径，m。进一步的，汽轮机的尺寸Vt为高压缸尺寸Vt,h与低压缸尺寸Vt,l之和：Vt＝Vt,h+Vt,l其中，式中，Lt,h、Lt,l分别为高、低压缸轴向长度，m；Dave,h、Dave,l分别为高、低压缸平均动叶直径，m。进一步的，冷凝器的尺寸Vcd为:Vcd＝Lcd·Bcd·Hcd式中，Lcd——冷凝器长度，m；Bcd——冷凝器宽度，m；Hcd——冷凝器高度，m。进一步的，目标函数是以主要设备总体积为因变量、优化变量为自变量建立起来函数，在浮动式核电站二回路主要设备尺寸优化的问题中，目标函数表示为整体尺寸与蒸汽发生器二次侧压力ps、冷凝器壳侧压力pco、传热管外径do和传热管节径比τ之间的函数关系，此目标函数为：Vz(X*)＝Vz(ps,pco,do,τ)优化问题中包括的设备有蒸汽发生器、汽轮机、冷凝器，因此整体尺寸Vz为三个设备尺寸之和：Vz＝Vsg+Vt+Vco其中，与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果：(1)本专利技术采用设备结构设计与热平衡计算紧密结合的方式，二回路系统是所有设备组成的一个整体，各个设备之间存在紧密的联系，即某个设备的参数会对其他本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种浮动核电站二回路主要设备体积优化方法，其特征在于，包括：/n(1)建立二回路主要设备结构设计的数学模型，包括蒸汽发生器数学模型、汽轮机数学模型和冷凝器数学模型；/n(2)选取优化参数，选择对设备体积影响大的参数作为优化参数，包括蒸汽发生器二次侧压力、冷凝器壳侧压力、传热管外径、传热管节径比；/n(3)建立目标函数，目标函数值为上述三种二回路设备的总体积，通过寻找最优的优化参数值组合，得到最小目标函数值；/n(4)建立约束条件，从参数约束、性能约束和结构约束三方面建立约束条件，保证优化后设备参数合理；/n(5)建立二回路热力方案：配置各个设备的连接关系，使之成为完整的二回路系统；/n(6)进行热平衡计算，确定二回路负荷功率，建立各设备之间的质量和能量守恒方程，采用迭代法对方程进行求解，得到各设备相互匹配且能满足二回路负荷功率输出需求的热力方案；/n(7)计算设备总体积，将热平衡计算得到的热工参数作为二回路主要设备体积的数学模型的输入，结合优化参数，得到目标函数值；/n(8)参数优化，根据粒子个体最优位置和粒子群全局最优位置，通过改进粒子群算法对优化参数进行优化，若粒子进入迟滞状态则引入最优位置扰动，计算粒子速度并得到下一代粒子位置，更新个体最优粒子和全局最优粒子；/n(9)重复步骤(6)-(8)，直到完成预先设置的迭代次数，将使目标函数值最小的一组优化参数作为最优解。/n...

【技术特征摘要】
1.一种浮动核电站二回路主要设备体积优化方法，其特征在于，包括：
(1)建立二回路主要设备结构设计的数学模型，包括蒸汽发生器数学模型、汽轮机数学模型和冷凝器数学模型；
(2)选取优化参数，选择对设备体积影响大的参数作为优化参数，包括蒸汽发生器二次侧压力、冷凝器壳侧压力、传热管外径、传热管节径比；
(3)建立目标函数，目标函数值为上述三种二回路设备的总体积，通过寻找最优的优化参数值组合，得到最小目标函数值；
(4)建立约束条件，从参数约束、性能约束和结构约束三方面建立约束条件，保证优化后设备参数合理；
(5)建立二回路热力方案：配置各个设备的连接关系，使之成为完整的二回路系统；
(6)进行热平衡计算，确定二回路负荷功率，建立各设备之间的质量和能量守恒方程，采用迭代法对方程进行求解，得到各设备相互匹配且能满足二回路负荷功率输出需求的热力方案；
(7)计算设备总体积，将热平衡计算得到的热工参数作为二回路主要设备体积的数学模型的输入，结合优化参数，得到目标函数值；
(8)参数优化，根据粒子个体最优位置和粒子群全局最优位置，通过改进粒子群算法对优化参数进行优化，若粒子进入迟滞状态则引入最优位置扰动，计算粒子速度并得到下一代粒子位置，更新个体最优粒子和全局最优粒子；
(9)重复步骤(6)-(8)，直到完成预先设置的迭代次数，将使目标函数值最小的一组优化参数作为最优解。


2.根据权利要求1所述的浮动式核电站二回路主要设备体积优化方法，其特征在于，所述建立二回路主要设备结构设计的数学模型具体包括：
a.蒸汽发生器数学模型：计算的设计参数包括一回路放热量、一回路冷却剂流量、传热管内径、传热管数量、总换热面积、上筒体高度、上筒体外径、下筒体高度、下筒体外径、管板厚度，蒸汽发生器的尺寸为上筒体尺寸与下筒体尺寸之和：
b.汽轮机数学模型：计算的设计参数包括低压缸级数、低压缸第一级喷嘴高度、低压缸末级动叶高度、低压缸平均动叶直径、低压缸轴向长度、倒车级第一级喷嘴高度、倒车级末级动叶高度、倒车级气缸轴向长度、调节级喷嘴高度、调节级动叶高度、非调节级第一级喷嘴高度、非调节级末级动叶高度、高压缸轴向长度、高压缸平均动叶直径，汽轮机的尺寸为高压缸尺寸与低压缸尺寸之和。
c.冷凝器数学模型：计算的设计参数包括冷凝器长度、冷凝器宽度、冷凝器高度、主室总换热面积、冷却倍率、主室传热管长度、冷凝器主室热负荷、管束直径。


3.根据权利要求1所述的浮动式核电站二回路主要设备体积优化方法，其特征在于，所述建立约束条件具体包括：
a.变量约束：对优化变量取值范围的限制；
b.性能约束：是对热工水力参加取值范围的限制；
c.结构约束：是对设备的结构参数的约束。


4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭敏俊，张博文，成守宇，朱海山，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23