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堆核電站的蒸汽循環(huán)的參數優(yōu)化框架，該方法確定蒸汽循環(huán)的最佳操作參數以最大化功率輸出，其中主回路保持不變。介紹建立蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的熱力學的模型，以確定不同運行條件下的功率輸出，為研究模型的可用性和準確性提供參考。

關鍵詞：參數優(yōu)化；蒸汽系統(tǒng)模型；遺傳算法；壓水堆核電站

1.介紹

燃煤電廠占全國總耗電量的78.4%，占全國煤炭總消費量的46%。作為世界上最大的能源生產國和消費國，中國面臨著增加電力供應和減少溫室氣體和空氣污染物排放的相互沖突的壓力。為了解決這個問題，政府積極推動核電站建設，可以大規(guī)模低排放發(fā)電。壓水反應堆核電機組的特點是熱效率低（約33-34%），與使用化石燃料的蒸汽動力裝置（約40-45%）相比，考慮到低熱效率削弱了壓水反應堆核電站的經濟性和競爭力，學者和設計師試圖以不同的方式改進設計和操作以獲得更好的性能。本文介紹壓水反應堆蒸汽循環(huán)的參數優(yōu)化方法，以最大化功率輸出，探討建立蒸汽輪機組，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)的熱力學模型的思路，將遺傳算法和單純形算法與改進的搜索策略相結合，介紹一種改進的遺傳-單純形算法。

2.蒸汽循環(huán)的熱力學模型

2.1熱力學分析

在蒸汽循環(huán)系統(tǒng)中組合不同類型的部件以實現(xiàn)傳熱和發(fā)電，包括汽輪機、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。熱力學分析量化了組分中工作流體的焓值、壓力、溫度和質量流量分布。

渦輪機：蒸汽輪機由串聯(lián)級組成，其中蒸汽的內部能量被轉換成渦輪機轉子的動能。本文中設計和非設計操作條件之間的主蒸汽參數的變化很小。因此引入合理的假設，即每個渦輪機組的效率是恒定的并且等于核電站的額定運行條件的效率。應考慮密封泄漏來糾正渦輪機的蒸汽流量。密封的流速的計算應考慮密封徑向間隙的截面積、通過密封的節(jié)流閥的數量、比容、流量系數等因素。

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的葉片腐蝕。關于系統(tǒng)的質量和能量平衡，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，但它對再熱蒸汽性能的影響不可忽視?？赏ㄟ^分離效率評估分離器的性能。

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

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。事實上，除氧器還起到給水加熱器的作用，它是一個直接接觸式換熱器。因此，可以使用質量和能量平衡方程對其進行建模。

冷凝器：冷凝器是殼管式熱交換器。它冷凝渦輪機的排氣蒸汽，用于蒸汽循環(huán)的工作流體循環(huán)。蒸汽在殼側流動并冷凝，冷卻水在管側內循環(huán)。在冷凝器的運行中，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，但不應忽略加壓的影響。

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

2.2模型

基于上述分析基礎，可對蒸汽循環(huán)建模，對評估不同操作方案下的熱性能提供參考。首先，為了簡化推導并同時確保仿真的有效性，提出了以下假設：

（1）對于任何操作方案，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)生器熱負荷對于所有運行方案都是相同的；

（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量流量，輸出結果包括電功率和熱效率。設計和非設計條件之間蒸汽流量的定量關系可以流動形式表示，其中需考慮蒸汽質量流量、入口蒸汽壓力、入口蒸汽溫度等。

3.改進的遺傳-單純形算法

改進的混合算法采用改進的搜索策略，并將遺傳算法與單純形算法相結合，使用基準問題測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)的參數優(yōu)化旨在找到核電廠可行范圍內的運行參數的最佳組合。它是一個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化來搜索可行區(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進化操作、交叉和變異。雖然被廣泛應用，但遺傳算法的收斂速度慢，無法以良好控制的方式引導搜索。它有停滯在次優(yōu)解的趨勢，包括但不限于局部最優(yōu)。

單純形算法是一種經典的非常強大的局部降階方法，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。

改進的遺傳-單純形算法：在遺傳算法和單純形算法的基礎上，改進的遺傳-單純形算法采用三種改進策略：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.結論

本文介紹了典型壓水堆核電廠蒸汽循環(huán)的熱力學模型，結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。

參考文獻

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