一种核动力热力系统多工况多目标优化方法与流程

1.本技术涉及动力优化领域，具体而言，涉及一种核动力热力系统多工况多目标优化方法。


背景技术：

2.核动力系统的效率、重量和体积是评价核动力系统设计水平的重要指标，在船舶核动力系统大功率、高推进速度的发展趋势下，核动力系统的重量和体积进一步增加，为核动力设备的设计安装带来很大困难，并严重影响核动力系统总体性能和船舶机动性。在输出功率相同的条件下，减小核动力系统尺寸和重量有利于提高航速、提高装置生命力，还可以节约特殊材料、降低成本造价、缩短建造周期。
3.近年来随着计算机技术的进步和优化理论的发展，可以使用各种计算机程序来准确地预测和模拟核动力系统的各种运行工况，而且还能够把最优化设计理论和方法应用到核动力系统的设计中来。因此，使用计算机模型对核动力热力系统的工作情况进行模拟对核动力热力系统的实际工程设计具有重要的指导意义。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种核动力热力系统多工况多目标优化方法，其能够在理论上证明核动力热力系统优化的可行性，为核动力热力系统的实际工程设计提供技术指导依据。
5.本技术是这样实现的：
6.本技术提供一种核动力热力系统多工况多目标优化方法，包括以下步骤：
7.建立核动力热力系统的设备模型；
8.根据所述核动力热力系统的原理图，明确所述核动力热力系统中各个设备的耦合方式和接口关系，将各个所述设备的输入参数、输出参数进行耦合，在所述设备模型的基础上搭建系统模型，使用所述系统模型完成额定工况及指定工况下热力系统的稳态计算，得到所述热力系统的系统效率、重量和体积；
9.开展单一参数敏感性分析，分析不同热工参数和结构参数对所述热力系统的系统效率、重量和尺寸的影响，选择合适的优化参数作为后续优化分析的优化变量；
10.在所述系统模型中嵌套优化算法，以系统效率、重量和体积为优化目标开展多目标优化分析，获得优化变量的相对优解。
11.在一些可选的实施方案中，所述设备包括蒸汽发生器、汽轮机、汽轮泵、换热器。
12.在一些可选的实施方案中，建立核动力热力系统的设备模型时，对设备进行热力计算、结构设计计算、水力计算、阻力计算、强度计算、重量估算和体积估算，进而建立所述设备模型。
13.在一些可选的实施方案中，建立核动力热力系统的设备模型后，基于设备的母型参数对设备模型的准确度进行校核验证。
14.在一些可选的实施方案中，针对额定工况设定优化目标为系统效率、重量和尺寸，采用加权法设定目标函数，完成额定工况优化后，将优化后的设备结构的参数变量作为其他工况优化时的给定变量，通过调整系统及设备运行相关参数开展其他工况下的系统效率优化。
15.在一些可选的实施方案中，以系统效率、重量和体积为优化目标开展多目标优化分析时，使用安全约束、性能约束、结构约束进行约束。
16.在一些可选的实施方案中，使用安全约束、性能约束、结构约束进行约束时，约束条件包括蒸汽发生器循环倍率、蒸汽发生器循环速度、蒸汽产量、传热管总数目、总传热面积、管束直径、汽轮机调节级的平均直径与第一压力级的平均直径差值、汽轮机调节级理想速比、汽轮机调节级喷嘴的部分进汽度、末级径高比，冷凝器壳体长径比、冷却管数目、冷却水总流动阻力、蒸汽阻力、凝结水过冷度。
17.本技术的有益效果是：本技术提供的核动力热力系统多工况多目标优化方法包括以下步骤：建立核动力热力系统的设备模型；根据核动力热力系统的原理图，明确核动力热力系统中各个设备的耦合方式和接口关系，将各个设备的输入参数、输出参数进行耦合，在设备模型的基础上搭建系统模型，使用系统模型完成额定工况及指定工况下热力系统的稳态计算，得到热力系统的系统效率、重量和体积；开展单一参数敏感性分析，分析不同热工参数和结构参数对热力系统的系统效率、重量和尺寸的影响，选择合适的优化参数作为后续优化分析的优化变量；在系统模型中嵌套优化算法，以系统效率、重量和体积为优化目标开展多目标优化分析，获得优化变量的相对优解。本技术提供的核动力热力系统多工况多目标优化方法通过进行额定工况下核动力热力系统效率、重量和体积的多目标优化分析及其他工况下热力系统效率优化分析，能够在理论上证明核动力热力系统优化的可行性，为核动力热力系统的实际工程设计提供技术指导依据。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
19.图1为本技术实施例提供的核动力热力系统多工况多目标优化方法的流程示意图；
20.图2为本技术实施例提供的核动力热力系统多工况多目标优化方法中对蒸汽发生器进行建模的流程示意图；
21.图3为本技术实施例提供的核动力热力系统多工况多目标优化方法中对核动力系统模型进行建模的流程示意图。
具体实施方式
22.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
23.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
24.以下结合实施例对本技术的核动力热力系统多工况多目标优化方法的特征和性能作进一步的详细描述。
25.如图1所示，本技术提供一种核动力热力系统多工况多目标优化方法，包括以下步骤：
26.步骤一、建立核动力热力系统的设备模型；基于核动力热力系统各个设备的运行机理及各个设备之间的耦合影响，结合热力学、传热学、流体力学的原理和相关定律对设备进行热力计算、结构设计计算、阻力计算、强度计算、重量估算和体积估算，建立描述核动力系统设备实际运行过程的数学模型；设备包括蒸汽发生器、汽轮机、汽轮泵、换热器等设备。
27.以蒸汽发生器为例，其建模流程如图2所示，首先输入蒸汽发生器的已知参数进行热力计算，随后依次进行水力计算、结构设计、强度计算、重量估算和体积估算。其中，热力计算包括再循环水和给水混合后温度、热预热段热流密度、冷预热段热流密度、沸腾段热流密度的假定；水力计算中利用作图法作出二次侧循环总阻力和循环压头随循环倍率的变化曲线，两条曲线的交点所对应的横坐标值即为所求蒸汽发生器的循环倍率值，如所求蒸汽发生器的循环倍率值与假定的循环倍率值不符，需进行迭代计算；最终通过给定的蒸汽发生器蒸汽产量、传热面积、循环倍率、下降空间高度、上筒体外径等热力和结构参数进行校核，如果相对误差较大，需调整污垢热阻、表面传热系数经验关联式、经验系数等相关参数重新计算。
28.步骤二、进行核动力系统模型建模；根据核动力热力系统的原理图，明确核动力热力系统中各个设备的耦合方式和接口关系，将各个设备的输入参数、输出参数进行耦合，完成额定工况及指定工况的核动力系统模型建模，系统模型建立流程图如图3所示，首先假定额定工况或指定工况下的一回路反应堆功率，根据工况要求得到该工况下的系统效率，通过系统的完整计算程序，对该工况下的系统效率进行校核，若偏差较大，迭代进行计算，否则完成效率、重量以及体积计算，得到系统优化目标值；
29.步骤三、开展单一参数敏感性分析选取优化参数；利用系统模型，对核动力热力系统一回路热功率向二回路传递过程中系统典型工况下效率、重量和体积等性能指标受设计、运行和结构参数的影响情况进行分析，在保持其他变量不变的情况下，改变某一个独立设计变量，考察系统效率、重量和体积随设计变量的变化情况；根据敏感性分析结果，对优化变量进行降维，从中选取对优化目标影响较大的参数作为后续的优化变量；
30.步骤四、在系统模型中嵌套优化算法以系统效率、重量和体积为优化目标开展多目标优化分析，获得优化变量的相对优解。在已完成的热力系统模型中，嵌套优化算法实现系统优化。由于系统的重量、体积根据额定工况确定，因此针对额定工况设定优化目标为系统的效率、重量和体积，采用加权法设定目标函数；完成额定工况优化后，将优化后的设备结构参数等变量作为其他工况优化时的给定变量，在额定工况优化状态下，通过调整系统及设备运行相关参数开展其他工况下的系统效率优化。优化时，根据系统的运行要求、性能约束和结构要求确定约束条件。约束条件可分为两大类，一类是各组成设备的自身约束条
件，另一类是从系统方面考虑的约束条件。约束条件主要包括：蒸汽发生器循环倍率、循环速度、蒸汽产量、传热管总数目、总传热面积、管束直径，汽轮机调节级平均直径与第一压力级平均直径差值、调节级理想速比、调节级喷嘴部分进汽度、末级径高比，冷凝器壳体长径比、冷却管数目、冷却水总流动阻力、蒸汽阻力、凝结水过冷度。
31.本技术实施例提供的核动力热力系统多工况多目标优化方法在建立核动力热力系统数学模型的基础上基于优化算法，能够进行额定工况下核动力热力系统效率、重量和体积的多目标优化分析及其他工况下热力系统的效率优化分析，从而从理论上证明核动力热力系统优化的可行性，为核动力热力系统实际工程设计提供技术指导依据。
32.以上所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。

技术特征：
1.一种核动力热力系统多工况多目标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：建立核动力热力系统的设备模型；根据所述核动力热力系统的原理图，明确所述核动力热力系统中各个设备的耦合方式和接口关系，将各个所述设备的输入参数、输出参数进行耦合，在所述设备模型的基础上搭建系统模型，使用所述系统模型完成额定工况及指定工况下热力系统的稳态计算，得到所述热力系统的系统效率、重量和体积；开展单一参数敏感性分析，分析不同热工参数和结构参数对所述热力系统的系统效率、重量和尺寸的影响，选择合适的优化参数作为后续优化分析的优化变量；在所述系统模型中嵌套优化算法，以系统效率、重量和体积为优化目标开展多目标优化分析，获得优化变量的相对优解。2.根据权利要求1所述的核动力热力系统多工况多目标优化方法，其特征在于，所述设备包括蒸汽发生器、汽轮机、汽轮泵、换热器。3.根据权利要求1所述的核动力热力系统多工况多目标优化方法，其特征在于，建立核动力热力系统的设备模型时，对设备进行热力计算、结构设计计算、水力计算、阻力计算、强度计算、重量估算和体积估算，进而建立所述设备模型。4.根据权利要求1所述的核动力热力系统多工况多目标优化方法，其特征在于，建立核动力热力系统的设备模型后，基于设备的母型参数对设备模型的准确度进行校核验证。5.根据权利要求1所述的核动力热力系统多工况多目标优化方法，其特征在于，针对额定工况设定优化目标为系统效率、重量和尺寸，采用加权法设定目标函数，完成额定工况优化后，将优化后的设备结构的参数变量作为其他工况优化时的给定变量，通过调整系统及设备运行相关参数开展其他工况下的系统效率优化。6.根据权利要求1所述的核动力热力系统多工况多目标优化方法，其特征在于，以系统效率、重量和体积为优化目标开展多目标优化分析时，使用安全约束、性能约束、结构约束进行约束。7.根据权利要求6所述的核动力热力系统多工况多目标优化方法，其特征在于，使用安全约束、性能约束、结构约束进行约束时，约束条件包括蒸汽发生器循环倍率、蒸汽发生器循环速度、蒸汽产量、传热管总数目、总传热面积、管束直径、汽轮机调节级的平均直径与第一压力级的平均直径差值、汽轮机调节级理想速比、汽轮机调节级喷嘴的部分进汽度、末级径高比，冷凝器壳体长径比、冷却管数目、冷却水总流动阻力、蒸汽阻力、凝结水过冷度。

技术总结
一种核动力热力系统多工况多目标优化方法，涉及动力优化领域。核动力热力系统多工况多目标优化方法包括以下步骤：建立核动力热力系统的设备模型；根据各个设备的输入参数、输出参数耦合搭建系统模型，使用系统模型完成额定工况及指定工况下热力系统的稳态计算得到热力系统的系统效率、重量和体积；开展单一参数敏感性分析，分析不同热工参数和结构参数对热力系统的影响，选择合适的优化参数作为优化变量；在系统模型中嵌套优化算法，开展多目标优化分析获得优化变量的相对优解。核动力热力系统多工况多目标优化方法能够在理论上证明核动力热力系统优化的可行性，为核动力热力系统的实际工程设计提供技术指导依据。统的实际工程设计提供技术指导依据。统的实际工程设计提供技术指导依据。


技术研发人员：杨亚婷 闫超星 王浩 张翼 刘成洋
受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/15