一种基于优化算法的核岛冷链系统群集约化设计方法与流程

本发明涉及核岛冷链相关系统群集约化设计，尤其涉及一种基于优化算法的核岛冷链系统群集约化设计方法。

背景技术：

1、冷链系统是指核电厂在正常运行及事故工况下，将不用于发电的反应堆及设备发热量导出到大气或者海水的一系列系统，主要包含通风系统、冷冻水系统、设备冷却水系统和重要厂用水系统等，这些冷链系统容量设计对电厂安全和经济性起着至关重要的作用。

2、由于目前的冷链系统设计体量庞大，且涉及到的专业与系统众多，在设计过程中需要兼顾的因素多，为了确保设计容量足够，实际设计中系统与设备的余量需要统筹考虑，并进行反复的迭代计算。同时，一般核电厂的冷链系统在设计时主要依靠设计者的设计经验，设备设计与选型参数基于最大包络的极端工况选取，系统整体的设计裕量大，实际运行过程中部分设备长期在低于设计负荷30％的工况下运行。因此，核电厂冷链系统的设计的虽满足了性能与安全的要求，但没有形成统筹兼顾的最佳设计方案，增加了核电厂建设成本与运行维护费用，弱化了核电厂经济性，同时也对设备的安全运行造成影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于优化算法的核岛冷链系统群集约化设计方法，解决了在冷链系统设计过程中削减不必要的设计裕量的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于优化算法的核岛冷链系统群集约化设计方法，包括以下步骤：

4、步骤1：根据所选电厂厂址建立大气与海水气候参数模型；

5、步骤2：确定厂房内热源及其热负荷量，结合厂房房间内部体积，构建厂房内部空间释热模型；

6、步骤3：确定核电厂冷链系统中各系统与设备间关系，并根据冷链系统运行工况进行校核；

7、步骤4：计算得出方案中设计与运行的指引参数；

8、步骤5：通过优化算法对方案进行寻优，并得出最优方案的方案细节与评价指标。

9、步骤1包括：

10、步骤1.1：确定核电厂厂址所在纬度、纬度范围；

11、步骤1.2：根据所在纬度范围确定得到核电厂所在地的大气温度、大气相对湿度与海水温度在一年中每日的变化，并得到各参数相应的数值数据，形成数据样本基点；

12、步骤1.3：对步骤1.2中得到的数据进行拟合，获得大气温度、大气相对湿度与海水温度的年变化曲线；

13、步骤1.4：根据步骤1.3的年变化曲线，构建曲线拟合式，根据需求计算每天的大气与海水气候参数，形成大气与海水气候参数模型；

14、步骤1.3中，利用最小二乘法对得到的大气与海水气候参数的样本基点进行拟合，得出大气温度、大气相对湿度与海水温度的年变化曲线。

15、步骤1.4中，大气与海水气候参数模型为：

16、其中，t为大气或海水气候参数函数，a0与ai为拟合待定系数，ti为该月份大气或海水样本参数，i为月份。

17、步骤2包括：

18、步骤2.1：确定不同厂房不同房间内向空气散热的设备、系统、线缆，并明确热负荷量；

19、步骤2.2：自定义输入各个相关厂房与房间的内部体积；

20、步骤2.3：构建厂房内部空间释热模型。

21、步骤2中，厂房内部空间释热模型为：

22、∑qh+c·lp·ρn·tn＝∑qf·c·ljj·ρjj·tjj+c·lzj·ρw·tw+c·lxh·ρn·(ts-tn)，

23、其中，qh为围护结构、材料吸热的总失热量，qf为生产设备、产品及供暖散热设备的总放热量，lp为局部和全面排风风量，ljj为机械进风量，lzj为自然进风量，lxh为循环风风量，ρn为室内空气密度，ρw为室外空气密度，ρjj为机械进风空气密度，tn为室内排出空气温度，tw为室外空气计算温度，tjj为机械进风温度，ts为再循环送风温度。

24、步骤3包括：

25、步骤3.1：确定核电厂冷链系统间热负荷逻辑关系；

26、步骤3.2：确定冷链系统主要换热设备与流体动力设备；

27、步骤3.3：确定步骤3.2中需要设计或选型的设备的主要输入参数；

28、步骤3.4：根据核电厂冷链系统初设计时的实际需求，自定义增加或删减设备，并指定设备种类、设备个数，自定义组合设备并形成管网结构，得到设备初设计结果；

29、步骤3.5：根据核电厂冷链系统初设计时的实际需求，与步骤3.4中输入的一系列参数，自定义冷链系统在核电厂不同工况下对应的运行工况。

30、步骤3.1中，核电厂冷链系统包括：通风系统，制冷系统，设备冷却水系统，乏燃料水池与换料系统，余热排出系统，重要厂用水系统。

31、步骤3.1中，核电厂冷链系统间热负荷逻辑关系为：通风系统将热负荷传递至制冷系统，制冷系统、乏燃料水池与换料系统、余热排出系统将热负荷传递至设备冷却水系统，设备冷却水系统将热负荷传递至重要厂用水系统。

32、步骤3.2中，主要换热设备与流体动力设备包括：板式换热器、管壳式换热器、冷却盘管、风机、冷冻水泵、设备冷却水泵、重要厂用水泵、一回路主泵机械换热部分。

33、步骤3.3包括：

34、步骤3.3.1：各个设备在核电厂冷链系统设计工况下的设计流量g；

35、步骤3.3.2：各个设备在实际工程中的热负荷量q，

36、q＝gicpδt，

37、其中，gi为流量，cp为比热容，δt为进出口温差；

38、步骤3.3.3：各个设备在核电厂冷链系统设计工况下的设计温度td；

39、步骤3.4包括：

40、步骤3.4.1：选择要使用的冷链系统搭建模型，或新建一个空白模型，在模块中添加或删除若干个设备与其所在管道；

41、步骤3.4.2：对设备种类与设备个数进行指定；

42、步骤3.4.3：根据设计人员需求，输入设备的设计参数；

43、步骤3.4.4：指定设备冷却水系统的回路个数，并相应变更重要厂用水系统个数，并根据设计人员需求将设计完成的设备接入对应系统，形成系统的布置组合方式，并指定设备冷却水系统中的设备位于的回路，形成管网结构；

44、步骤3.4.5：根据步骤3.4.4中的系统与设备的参数、所属关系与管网结构，指定管网中的管道长度与管道构件个数。

45、步骤3.4中，设备种类选择包括：自定义风机种类为直流风机或轴流风机；自定义制冷机组种类为可变频冷水机组或定频冷水机组；自定义换热器种类为板式换热器或管壳式换热器或冷却盘管；自定义水泵种类为定频水泵或变频水泵。

46、步骤3.5包括：

47、步骤3.5.1：确定自定义的运行工况下设备与系统的投运情况，得到其流量与热负荷，并比选出各个设备与系统的最大流量与热负荷，

48、qmax＝max(qi)，

49、gmax＝max(gi)，

50、其中，qmax为比选出的最大热负荷，qi为各个设备与系统的热负荷,gmax为比选出的最大流量，gi各个设备与系统的流量；

51、步骤3.5.2：根据步骤3.5.1中各设备在不同工况下的最大流量需求与步骤3.4.4中各设备的布置组合方式，通过最经济流速范围，选出最经济管路管径dn，并根据冷链系统初设计时的实际需求指定管路长度；

52、步骤3.5.3：根据不同运行工况下的最大流量、步骤3.4中得到的设备设计结果与管网结构、步骤3.5.2中的管路尺寸，得到通风系统、制冷系统、设备冷却水系统与重要厂用水系统的风机与水泵设计、选型结果；

53、步骤3.5.4：根据步骤3.4中的设备初设计结果，结合步骤3.5中自定义的各个运行工况参数，对设备与系统进行校核。

54、步骤4包括：

55、步骤4.1：计算冷链系统整体设计投资费用ctotal；

56、步骤4.2：计算各运行工况下冷链系统的年总用电量qe。

57、步骤4.1中，冷链系统整体设计投资费用为：

58、ctotal＝cep+cpipe+croom+cup，

59、其中，cep为设备购置与安装费用，cpipe为管网购置与安装费用，croom为厂房建造费用构成，cup为核电厂寿命内运行维护成本。

60、步骤4.2中，年总用电量为：

61、qe＝365×24×3600×(pf+pc+pp)，

62、其中，pf为风机功率，pc为制冷机组功率，pp为水泵功率。

63、步骤5包括：

64、步骤5.1：根据步骤3中的系统与设备的自定义设计参数形成对应的优化变量，以步骤3中输入的设计参数的数值作为对应优化变量的原始值，形成优化变量上限值与下限值，

65、

66、其中，xup为优化变量上限值，xlow为优化变量下限值，x为优化变量原始值，a为优化变量上限倍率，b为优化变量下限倍率；

67、步骤5.2：根据步骤5.1中得到的优化变量上、下限值形成每个优化变量的取值范围，并以生成随机数的方式在每个优化变量的取值范围内随机生成每个优化变量的取值，用新生成的优化变量值替代原有的设计参数值，并作为优化设计中系统与设备的初始设计参数；

68、步骤5.3：根据步骤4中计算得到的冷链系统整体设计投资费用ctotal与各运行工况下冷链系统的年总用电量qe为优化目标，同时以减少ctotal与qe的数值大小作为优化方向，达到优化冷链系统整体设计投资费用与各运行工况下冷链系统的年总用电量的目的；

69、步骤5.4：根据步骤5.2得到的优化变量与步骤5.3得到的优化目标，进行反复优化设计的迭代计算，在每一次优化设计中，都输出对应的优化设计的优化变量值与优化目标值，根据所代表的实际物理意义形成优化方案。

70、与现有技术相比，本发明提供的基于优化算法的核岛冷链系统群集约化设计方法具有以下有益效果：

71、在设计过程中，本发明以自定义的方式对核电厂冷链系统进行设计，合理地削减不必要的设计裕量，利用优化算法对核电厂冷链系统进行总体优化，科学高效地设计与评估核电厂冷链系统。

72、本发明以核电厂建造时的投资费用与运行过程中的年耗电量作为评估指引，在优化过程中综合考虑冷链系统的设计方案与运行方案，避免在方案中出现顾此失彼的情况，提高了方法的可靠性。

73、本发明能够在合理范围内适应各个核电厂冷链系统的设计需求，对整个冷链系统的容量进行精确分析计算，减少原有设计过程中的过度冗余，提高设计工作效率，极大减少由于设计人员经验不足导致的系统设计偏差，提高核电厂的安全性，同时通过大气与海水气候参数对冷链系统的运行方案提供改进方向，降低核电厂投资和运行成本。

74、进一步地，本发明利用高自由度的定制方法组合大气与海水气候参数模型、厂房内部空间释热模型、设备与系统设计模型、系统运行工况模型，以各系统的安全要求作为工程设计约束，采用优化算法对冷链系统整体的设计与运行方案进行优化，以核电厂建造时的投资费用与运行过程中的年耗电量作为评估指引，得出核电厂冷链系统最优设计与运行方案。

75、进一步地，本发明所提供的大气与海水气候参数模型，提供了一种根据核电厂建厂地理位置，充分利用近5年大气与海水的气候参数基准点，通过高精度数学拟合的方法，在保证拟合误差不高于10-3的同时，得出大气温度、大气相对湿度与海水温度在一年中随时间变化的曲线，并可根据需求得到设计基准点。

76、进一步地，本发明所提供的厂房内部空间释热模型，通过用户自定义输入的厂房房间内部体积，利用带有内热源的空气空间热模型，模拟实际厂房房间内部的释热模型，以满足热负荷传递需求。