Методы оптимизации параметров теплообменных аппаратов АЭС.— Минск: Наука и техника, 1981.
В книге изложены результаты работ по созданию методик, алгоритмов и программ оптимизации с помощью ЭВМ параметров теплообменных аппаратов энергетических установок на стадии их проектирования. Определены параметры оптимизации, критерии качества и функции ограничений для теплообменников различного типа. Рассмотрены задачи оптимизации по комплексным критериям, учитывающим показатели другого оборудования АЭС. Впервые применительно к рассматриваемой проблеме предложен метод векторной оптимизации, когда ищется решение, удовлетворяющее одновременно нескольким различным и противоречивым критериям качества. Представлены методы поиска глобального экстремума функций качества и поиска при наличии нелинейных ограничений на оптимизируемые параметры. Приведены результаты расчетов, выполненных на ЭВМ по программам оптимизации, для проектных разработок АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемыми диссоциирующим теплоносителем.
Предназначена для научных работников и специалистов по теплоэнергетике, ядерным энергетическим установкам, математиков, специализирующихся в области прикладных задач оптимизации, а также для студентов указанного профиля.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Последнее десятилетие характеризуется ускоренным развитием атомной энергетики. Интенсивно строятся и вводятся в действие блоки атомных электростанций (АЭС) единичной электрической мощностью 1 млн. кВт и выше, обладающие лучшими экономическими показателями по сравнению с тепловыми электростанциями на органическом топливе. Выдвигается задача сооружения атомных ТЭЦ, атомных котельных для теплоснабжения крупных городов, АЭС малой мощности для энергоснабжения удаленных районов на севере и востоке страны, промышленного освоения реакторов на быстрых нейтронах [1]. В связи с этим продолжаются исследования более эффективных схем преобразования тепла, новых теплоносителей, поиски более совершенных типов и конструкций реакторов и другого оборудования АЭС.
Важное звено в этих исследованиях — выбор оптимального варианта для тех или иных конкретных условий. На определенном этапе разработок, соответствующем примерно стадиям эскизного проекта и технико-экономического обоснования (ТЭО), необходимо определить параметры, обеспечивающие наилучшие технико-экономические показатели. Для этого приходится обычно делать большое количество вариантных расчетов, особенно в новых разработках. Авторы встретились с этой проблемой при проектировании теплообменных аппаратов АЭС нового типа с диссоциирующим теплоносителем. Применение ЭВМ и соответствующих математических методов позволяет в значительной степени сократить этот малопроизводительный труд.
В монографии изложены результаты научного сотрудничества Института ядерной энергетики АН Белорусской ССР и Института систем управления АН Грузинской ССР по разработке и применению алгоритмов и программ оптимизации на ЭВМ параметров теплообменных аппаратов и систем охлаждения АЭС. Задачи расчета оптимальных параметров рассматриваются в плане минимизации стоимости и массогабаритных характеристик аппаратов. На основе анализа влияния различных факторов на указанные характеристики определены независимые переменные — параметры оптимизации (геометрические и температурные характеристики аппаратов, скорости потоков и др.), а также составлены алгоритмы расчета критериев качества (функций цели) и функций ограничений (ограничения некоторых габаритных размеров, перепада давлений, мощности на прокачку теплоносителя и др.).
Показано, что расчеты таких оптимальных параметров, как температура охлаждающей воды и кратность охлаждения, отдельно для конденсаторов и систем охлаждения приводят к противоречивым результатам. В связи с этим сформулированы критерии качества для оптимизации параметров комплекса конденсатор — система охлаждения.
Рассмотрено применение различных методов поиска экстремумов функций многих переменных для оптимизации параметров теплообменных аппаратов. Показана оценка влияния числа переменных на эффективность случайных и детерминированных методов поиска. Приведены алгоритмы поиска глобальных экстремумов для многоэкстремальных функций, а также поиска при наличии нелинейных ограничений на оптимизируемые параметры. Впервые применительно к проблеме разработки теплообменных аппаратов рассмотрена задача так называемой векторной оптимизации одновременно по нескольким различным критериям качества.
В последней главе изложены результаты расчетов оптимальных параметров теплообменных аппаратов по программам оптимизации, выполненных на ЭЦВМ «БЭСМ-4», «М-222» для проектных разработок АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, охлаждаемыми диссоциирующим теплоносителем.
Необходимо подчеркнуть, что применение ЭВМ не только ускоряет процесс выбора наиболее предпочтительного варианта, но и позволяет в ряде случаев получать качественно новую информацию. Так, например, метод ψ-преобразования дает возможность в некотором приближении оценить наилучшее значение критерия качества — точку глобального экстремума, которую можно «проскочить» при обычном переборе вариантов, а метод векторной оптимизации дает трудно предсказуемые заранее компромиссные решения в сложных ситуациях, когда одновременно нужно удовлетворять противоречивым требованиям.
В книге рассмотрены методы и алгоритмы оптимизации теплообменных аппаратов, уже освоенные в настоящее время. По мере развития и совершенствования как математического моделирования процессов теплообмена, так и методов поиска оптимальных параметров «машинная» оптимизация несомненно будет иметь все более широкое распространение. Наиболее интересными, по мнению авторов, задачами оптимизации на будущий период являются следующие.
- Комплексная оптимизация параметров теплообменников с оребренными трубами, включая тип и параметры оребрения, компоновку трубного пучка и т. п., с учетом гидравлического сопротивления или затрат мощности на прокачку теплоносителя. Эта задача особенно актуальна для теплообменных аппаратов с воздушным охлаждением.
- Оптимизация параметров комплексов, включающих теплообменные аппараты и другое «сопряженное» с ними оборудование АЭС. Помимо уже рассмотренных задач, представляют интерес такие комплексы, как конденсатор — турбина, регенератор — турбина, конденсатор — система охлаждения — система водоочистки (или водоподготовки); для диссоциирующего теплоносителя таким комплексом может быть конденсатор — система охлаждения — система очистки теплоносителя.
- Применение более совершенных математических моделей для расчета критериев качества с использованием локальных характеристик теплообмена и трения и элементов прочностных расчетов с учетом температурных напряжений.
- Несомненно, метод векторной оптимизации еще ждет своего применения. Наиболее ощутимых результатов здесь следует ожидать при рассмотрении комплексных задач. В частности, для АЭС с реакторами на быстрых нейтронах этот метод позволит проводить оптимизацию исходя из требований наилучших экономических показателей (минимальных расчетных затрат или минимальной стоимости) и минимального времени удвоения ядерного топлива.
В работах по оптимизации, результаты которых изложены в этой книге, на разных стадиях принимали участие В. И. Володин, Н. И. Джибладзе, В. У. Лемешев, Д. Г. Метревели, В. И. Песляк, Р. Г. Соболевский, Э. Д. Чиковани, которым авторы благодарны за сотрудничество.
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
