一种用于核能布雷顿循环优化和评价的设计方法

技术领域

本申请涉及动力循环技术领域，尤其涉及核能布雷顿循环优化和评价的设计方法。

背景技术

随着全球经济的不断发展和人口的快速增长，对能源需求量的增加已成为一个不可避免的趋势。同时，传统化石燃料的使用导致的环境问题也逐渐凸显，因此开发清洁、高效的替代能源显得尤为重要。核能作为一种潜力巨大的清洁能源，在全球范围内备受关注。作为一种清洁、高效的能源形式，核能具有较大的潜力和应用前景。然而，传统的核能发电技术在燃料利用率和能量转换效率等方面存在诸多缺陷和挑战。针对这些问题，布雷顿循环技术应运而生。

布雷顿循环是一种基于汽轮机的热力学循环，通过核反应堆产生高温高压的蒸汽，驱动汽轮机发电。与传统的核燃料杆技术相比，布雷顿循环可以使用更广泛的燃料形式，并提高燃料利用率和系统紧凑性。此外，该技术还可以实现高效率、多回路、低温差热力循环，提高核能发电站的功率输出和经济性。

目前，核能布雷顿循环技术已经得到了长足的进展和应用。例如，美国、俄罗斯、法国等国家均已建设或在规划中建设多个布雷顿循环电站。同时，随着计算机仿真和计算流体力学技术的不断发展和应用，布雷顿循环的建模、优化和评估也已经变得更加精细和可靠。在未来，核能布雷顿循环技术将会继续受到关注和支持，并成为清洁能源领域的重要组成部分。但是，作为未来实现碳中和的重要技术，却缺乏了一套系统性的建模、优化、决策、评价的方法。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本申请的目的在于提出一种用于核能布雷顿循环优化和评价的设计方法，根据已知的核反应堆的类型和循环的布置方式，利用建模、挑选指标、多目标优化、多属性决策和评价，实现方案的优化和最优方案的选择。为达到上述目的，本申请提出的一种用于核能布雷顿循环优化和评价的设计方法，包括：方案层、模型层、指标层、优化层、决策层和目标层。

方案层包括：反应堆类型和系统布局方式，反应堆类型有钠冷快堆、气冷快堆、熔盐堆、铅冷快堆，系统布局方式有简单回热循环、再压缩循环、再热循环、中冷循环；模型层包括：热力学模型、水力热交换模型、技术经济性模型；指标层包括：安全性、紧凑性、热力性和经济性；其中安全性包括自然预防能力和自然缓解能力；紧凑性包括单位净输出功换热面积和汽轮机特征尺寸；热力性包括净输出功、热力学效率和㶲效率；经济性包括投资成本、单位净输出功成本、生命周期发电成本和内部收益率；优化层包括：确定目标函数，非支配排序算法优化，获取优化后的每个方案的目标解集；决策层包括：Shannon熵、修正TOPSIS、LINMAP和AHP四种决策方案，以及泰勒图评估方案；目标层包括G1+TOPSIS综合评价模型。同时，通过系统仿真和实验验证，进一步检验和改进设计方案，并从发电厂提取问题并为其提供实践指导。

在一些实施例中，所述方案层，通过理论分析和实际应用考虑不同情形，并确定最终的系统布局和核反应堆类型。

在一些实施例中，所述模型层，基于计算流体力学仿真和分子动力学模拟，对布雷顿循环进行精细化建模，并得到相应的性能参数。

在一些实施例中，所述指标层，对优化目标和评价指标进行定义和量化，所涉及到的指标均由模型层获取。

在一些实施例中，所述优化层，通过优非支配排序算法对系统进行改进，目标函数为热力学效率和生命周期平均电力成本。

在一些实施例中，所述决策层，依据不同因素的重要性和关联性制定决策策略，以支持整个优化过程。

在一些实施例中，所述目标层，通过综合分析各评价指标得到整体评价结果，并根据结果对优化方案进行调整。

本发明的有益效果是：

（1）通过多层次的设计和优化，可以综合考虑多个关键指标，通过非支配排序算法和综合评价模型，得到较为完整和准确的优化结果。

（2）综合采用了多种决策方案，并进行了泰勒图评估，能够提高决策的可信度和透明度，降低决策的风险。

（3）综合考虑了热力学模型、水力热交换模型和技术经济性模型，比较全面地反映了系统性能和经济效益。

（4）该方法将理论计算和实验验证相结合，并考虑了发电厂实际的需求和问题，能够为实践提供较为实用的指导。

附图说明

图1为本申请提出的一种用于核能布雷顿循环优化和评价的设计方法流程图。

图2为本申请实施例中的四种布雷顿循环布置方式。

图3为本申请实施例中的帕累托前沿图和四种多属性决策点。

图4为本申请实施例中的泰勒图评价四个折衷解以获取最优解的示意图。

图5为本申请实施例中的G1+TOPSIS多指标综合评价流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步解释说明，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请做出一些非本质的改进和调整。但应该清楚，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

在本实施例中，首先从电厂中提取的问题为，如何选择一个高效且经济的核能发电系统方案。然后确定了设计中的方案层，其包括：反应堆类型和系统布局方式，反应堆类型包括了钠冷快堆、气冷快堆、熔盐堆和铅冷快堆，系统布局方式包括了简单回热循环、再压缩循环、再热循环和中冷循环。

如图2所示，为实施例中的四种布雷顿循环系统的布局方式，最基本循环结构为简单回热循环,其由汽轮机（Expander）、压缩机（Compressor）、热交换器（Heater）、回热器（Recuperator）、预冷器（cooler）和发电机。工质在临界点附近被压缩后进入回热器中被加热，然后在热交换器中被高温的反应堆冷却剂再次加热。此时热交换器出口具有较高的焓值的工质将在汽轮机中膨胀做功，带动发电机发电。膨胀后的CO

本实施例中模型层确定为：热力学模型，水力热交换模型和技术经济性模型。其中热力学模型主要运用热力学第一定律和热力学第二定律，计算每一个节点工质的状态参数，进而计算出循环的热效率、㶲效率和净输出功率。水力热交换模型是指循环布局中换热器的模型，包括了热交换器、回热器和预冷器。在本实施例中换热器的模型采用印刷板式换热器（PCHE），运用传热学原理建立换热器的热力学模型，同时拟合出换热器的压降公式，为各节点的热力学参数计算提供依据。技术经济性模型包括了系统投资成本、单位净输出功成本、电厂生命周期平均发电成本和内部收益率。单位净输出功投资成本被定义为投资总成本与净输出功的比值，内部收益率指的是投资项目能够承受通货膨胀的能力，越大说明投资抵抗风险的能力就越大。

本实施例中模型层中构建各种模型，通过仿真软件实现，建立并运行后获取每个节点的运行参数。再与实验数据进行对比验证，完善数学模型。

本实施例中的指标层涵盖了四个层面的11个指标，具体为安全性、紧凑性、热力性和经济性四个层面。其中安全性包括自然预防能力和自然缓解能力；紧凑性包括单位净输出功换热面积和汽轮机特征尺寸；热力性包括净输出功、热力学效率和㶲效率；经济性包括投资成本、单位净输出功成本、生命周期发电成本和内部收益率。

本实施例中的优化层采用了NSGA-II优化算法，对四种核反应堆和四种布雷顿循环布置方式相结合所构成的16种方案进行参数优化。优化两个相互矛盾的目标热效率（

本实施例中的决策层包括Shannon熵、修正TOPSIS、LINMAP和AHP四种决策方案，以及泰勒图评估方案。Shannon熵方法基于信息论，适用于处理与数据不确定性、测量误差或信息不完整性有关的问题。它侧重于量化和最大限度地利用从不同备选方案中获得的信息。LINMAP（多维偏好分析线性规划技术）方法用于处理涉及多个属性和偏好的决策问题。它允许决策者根据各种标准和他们的偏好来比较替代方案。TOPSIS（理想解距离法）方法旨在确定同时最能满足所有标准的替代方案，同时最小化与理想解的距离。AHP（层次分析法）方法允许决策者将问题分解为可管理的部分，并根据主观判断进行成对比较。如图3所示，为本实施例中钠冷快堆结合再压缩布雷顿循环系统优化所获得的帕累托解集和使用四种决策方法所获得的折衷解。图的右下角为理想点（Ideal point），在理想点处系统拥有最高的循环热效率和最低生命周期平均发电成本，而左上角为最差的状态点。通过优化和决策结果可以获得每个折衷解的参数。

在本实施例中，通过泰勒图的方法比较每一个折衷解从而获取最优解。泰勒图能够可视各折衷解的均方根差（

在本实施例中，目标层考虑了安全性、热力性、技术经济性和紧凑性等层面，综合评价每一个方案的从而获得最优方案。评价方案采用了G1+TOPSIS多指标综合评价模型，具体见图5。首先将决策层中获取的所有最优方案的数据汇总，然后筛选出用于评价的指标。在使用指标数据前需要对数据进行预处理，预处理的目的是消除数据的量纲影响，并将数据进行正向化。每一个层面的指标之间需要确定评价的权重。在本实施例中采用了G1（序关系分析法）进行权重的分配，再采用TOPSIS方法将所有指标集结，得到一个最终的评价值，评价值越高的方案越好。最后检验结果是否可信。其中G1方法确定权重时的步骤如下：

（1）确定指标之间的排序关系，根据研究对象中各评价指标的重要程度,确定各指标的排序关系。本文确定的排序为B1>B2>B3>B4。

（2）给出相邻指标之间相对重要程度的比较判断，并进行赋值：

其中，

计算指标权重

最后通过G1法求得的权重集合为

在本实施例中，通过多指标综合评价最终确定出最优的核能布雷顿循环方案为熔盐堆结合再压缩循环方案。由此可以为核能布雷顿循环发电厂动力转换系统的设计提供指导。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出的是，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，利用本发明所揭示技术内容所做出局部改动或修饰的等效实施例，未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。