基于壓水堆蒸汽系統(tǒng)的遺傳算法介紹

張磊 曲莎

摘要：本文介紹一種基于典型壓水反應(yīng)堆核電站的蒸汽循環(huán)的參數(shù)優(yōu)化框架，該方法確定蒸汽循環(huán)的最佳操作參數(shù)以最大化功率輸出，其中主回路保持不變。介紹建立蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué)的模型，以確定不同運(yùn)行條件下的功率輸出，為研究模型的可用性和準(zhǔn)確性提供參考。

關(guān)鍵詞：參數(shù)優(yōu)化；蒸汽系統(tǒng)模型；遺傳算法；壓水堆核電站

1.介紹

燃煤電廠占全國(guó)總耗電量的78.4%，占全國(guó)煤炭總消費(fèi)量的46%。作為世界上最大的能源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，中國(guó)面臨著增加電力供應(yīng)和減少溫室氣體和空氣污染物排放的相互沖突的壓力。為了解決這個(gè)問題，政府積極推動(dòng)核電站建設(shè)，可以大規(guī)模低排放發(fā)電。壓水反應(yīng)堆核電機(jī)組的特點(diǎn)是熱效率低（約33-34%），與使用化石燃料的蒸汽動(dòng)力裝置（約40-45%）相比，考慮到低熱效率削弱了壓水反應(yīng)堆核電站的經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)力，學(xué)者和設(shè)計(jì)師試圖以不同的方式改進(jìn)設(shè)計(jì)和操作以獲得更好的性能。本文介紹壓水反應(yīng)堆蒸汽循環(huán)的參數(shù)優(yōu)化方法，以最大化功率輸出，探討建立蒸汽輪機(jī)組，再熱系統(tǒng)，再生系統(tǒng)，蒸汽發(fā)生器和冷凝器等蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué)模型的思路，將遺傳算法和單純形算法與改進(jìn)的搜索策略相結(jié)合，介紹一種改進(jìn)的遺傳-單純形算法。

2.蒸汽循環(huán)的熱力學(xué)模型

2.1熱力學(xué)分析

在蒸汽循環(huán)系統(tǒng)中組合不同類型的部件以實(shí)現(xiàn)傳熱和發(fā)電，包括汽輪機(jī)、蒸汽發(fā)生器、汽水分離再熱器、除氧器、給水加熱器和冷凝器等。熱力學(xué)分析量化了組分中工作流體的焓值、壓力、溫度和質(zhì)量流量分布。

渦輪機(jī)：蒸汽輪機(jī)由串聯(lián)級(jí)組成，其中蒸汽的內(nèi)部能量被轉(zhuǎn)換成渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能。本文中設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)操作條件之間的主蒸汽參數(shù)的變化很小。因此引入合理的假設(shè)，即每個(gè)渦輪機(jī)組的效率是恒定的并且等于核電站的額定運(yùn)行條件的效率。應(yīng)考慮密封泄漏來(lái)糾正渦輪機(jī)的蒸汽流量。密封的流速的計(jì)算應(yīng)考慮密封徑向間隙的截面積、通過密封的節(jié)流閥的數(shù)量、比容、流量系數(shù)等因素。

汽水分離再熱器：汽水分離再熱器系統(tǒng)用于提高發(fā)電廠的熱效率并減少濕蒸汽引起的渦輪機(jī)的葉片腐蝕。關(guān)于系統(tǒng)的質(zhì)量和能量平衡，通常水分不能完全分離，少量殘留在蒸汽中。雖然殘余水分很少，但它對(duì)再熱蒸汽性能的影響不可忽視。可通過分離效率評(píng)估分離器的性能。

給水加熱器：給水加熱器通過提高管道輸送到蒸汽發(fā)生器的給水溫度來(lái)提高循環(huán)效率。為了優(yōu)化蒸汽循環(huán)，已知以下參數(shù)：入口給水的質(zhì)量流速和熱力學(xué)性質(zhì)、加熱蒸汽的質(zhì)量流量和熱力學(xué)性質(zhì)、來(lái)自前一個(gè)加熱器的排水管的質(zhì)量流量和熱力學(xué)性質(zhì)。將確定出口給水的熱力學(xué)性質(zhì)、出口排水管的熱力學(xué)性質(zhì)。

除氧器：除氧器用于核電站，用于在輸送到蒸汽發(fā)生器之前去除溶解在給水中的不可冷凝氣體。在除氧器中，將給水噴入薄液膜或微小液滴中，然后加熱至飽和狀態(tài)，該過程從給水中釋放出不可冷凝的氣體。事實(shí)上，除氧器還起到給水加熱器的作用，它是一個(gè)直接接觸式換熱器。因此，可以使用質(zhì)量和能量平衡方程對(duì)其進(jìn)行建模。

冷凝器：冷凝器是殼管式熱交換器。它冷凝渦輪機(jī)的排氣蒸汽，用于蒸汽循環(huán)的工作流體循環(huán)。蒸汽在殼側(cè)流動(dòng)并冷凝，冷卻水在管側(cè)內(nèi)循環(huán)。在冷凝器的運(yùn)行中，冷凝水流入熱阱并且可以稍微過冷。

冷凝泵和給水泵：在流入蒸汽發(fā)生器之前，通過冷凝泵和給水泵將給水加壓。由冷凝泵和給水泵加壓產(chǎn)生的給水焓值升高到估算值。為了精確模擬蒸汽循環(huán)，雖然它占總給水焓上升值的一小部分，但不應(yīng)忽略加壓的影響。

電廠功率輸出和熱效率：壓水反應(yīng)堆中的核燃料產(chǎn)生的熱量被傳遞到蒸汽發(fā)生器，在那里產(chǎn)生蒸汽用于渦輪發(fā)電機(jī)機(jī)組以產(chǎn)生電力。為了估算電廠功率輸出，應(yīng)首先確定蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽流量。對(duì)于給定的壓水反應(yīng)堆熱功率，蒸汽循環(huán)的熱效率可進(jìn)行簡(jiǎn)答表達(dá)。

2.2模型

基于上述分析基礎(chǔ)，可對(duì)蒸汽循環(huán)建模，對(duì)評(píng)估不同操作方案下的熱性能提供參考。首先，為了簡(jiǎn)化推導(dǎo)并同時(shí)確保仿真的有效性，提出了以下假設(shè)：

（1）對(duì)于任何操作方案，蒸汽循環(huán)處于穩(wěn)定狀態(tài)；

（2）熱功率保持不變，這意味著蒸汽發(fā)生器熱負(fù)荷對(duì)于所有運(yùn)行方案都是相同的；

（3）蒸汽循環(huán)中熱交換器的較低端子溫度差是固定的，以保持傳熱性能；

（4）管道和閥門中的壓力損失等于原始操作方案的壓力損失。

在模擬模型中，輸入變量是蒸汽壓力和提取的質(zhì)量流量，輸出結(jié)果包括電功率和熱效率。設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)條件之間蒸汽流量的定量關(guān)系可以流動(dòng)形式表示，其中需考慮蒸汽質(zhì)量流量、入口蒸汽壓力、入口蒸汽溫度等。

3.改進(jìn)的遺傳-單純形算法

改進(jìn)的混合算法采用改進(jìn)的搜索策略，并將遺傳算法與單純形算法相結(jié)合，使用基準(zhǔn)問題測(cè)試所提出的算法的性能。

非線性約束優(yōu)化問題：蒸汽循環(huán)的參數(shù)優(yōu)化旨在找到核電廠可行范圍內(nèi)的運(yùn)行參數(shù)的最佳組合。它是一個(gè)多變量非線性約束優(yōu)化問題。

遺傳算法是通過模擬生物進(jìn)化來(lái)搜索可行區(qū)域中的最優(yōu)解的全局算法。典型的遺傳算法基于在迭代序列中采用兩個(gè)進(jìn)化操作、交叉和變異。雖然被廣泛應(yīng)用，但遺傳算法的收斂速度慢，無(wú)法以良好控制的方式引導(dǎo)搜索。它有停滯在次優(yōu)解的趨勢(shì)，包括但不限于局部最優(yōu)。

單純形算法是一種經(jīng)典的非常強(qiáng)大的局部降階方法，它不使用任何梯度信息，然而作為局部搜索方法，單純形算法具有以局部最優(yōu)方式終止搜索的可能性。

改進(jìn)的遺傳-單純形算法：在遺傳算法和單純形算法的基礎(chǔ)上，改進(jìn)的遺傳-單純形算法采用三種改進(jìn)策略：遺傳算法和單純形算法的雜交，并行交叉和變異策略以及部分精英選擇策略。

4.結(jié)論

本文介紹了典型壓水堆核電廠蒸汽循環(huán)的熱力學(xué)模型，結(jié)合遺傳算法和單純形算法介紹了一種新的混合算法，為核電廠蒸汽循環(huán)算法優(yōu)化提供一種參考。

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（作者單位：中國(guó)中原對(duì)外工程有限公司）