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《哈尔滨工程大学》 2010年
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核动力装置参数优化设计

贺士晶  
【摘要】:与化石燃料动力装置相比,核能动力装置具有能量高度集中、不需氧气等众多优势。但是装置相对笨重、所占空间大是核动力发展所面临的主要问题之一。如何降低核动力装置的重量尺寸,使其在布局上紧凑,设计上合理已经成为评价核动力装置技术水平的一个重要指标。本文针对减小核动力装置重量和体积使其小型化这一问题,开展了相关研究,以最优化理论为指导对核动力装置参数进行优化设计。主要内容如下: 1、结合核动力装置优化问题的特点,针对复合形优化算法容易出现局部最优的问题,本文对复合形算法进行了相应改进,提出了改进复合形算法。 2、针对核动力装置中的换热设备,提出一种将优化理论与强化换热技术相结合实现换热设备小型化的方法。基于强化换热元件的实验研究,在相同管内换热量和泵功耗条件下,计算具有最小单管体积的扁管最佳尺寸。结果表明:在上述条件下,优化设计所得到的最佳尺寸扁管与圆管比较可以使换热管的体积减小46.4%。 3、建立了反应堆堆芯热工水力计算以及稳压器重量、体积计算数学模型。同时应用C#语言编制了堆芯热工水力和稳压器计算的评价程序,经数据验证评价程序计算结果具有一定的准确度,证明了所建立数学模型的合理性。 4、探讨了单一设备与设备耦合优化设计的差异,比较分析发现,系统中各设备完成各自功能的同时存在着很大的耦合度,设备之间相互影响,要达到系统全局最优就要对全系统每个重要设备同步进行优化。 5、以堆芯压力容器、稳压器、两台蒸汽发生器、四台主冷却剂泵、汽轮机和两台冷凝器的重量之和与体积之和作为核动力装置系统的总重量和总体积,首先选取一回路运行压力、反应堆冷却剂入口温度、堆芯冷却剂流量、蒸汽发生器饱和蒸汽压力、冷凝器工作压力,5个系统参数作为优化变量。应用改进复合形优化算法在满足给定约束条件的前提下,分别对系统的总重和总体积进行优化设计,计算结果表明:与母型相比系统总重减小5.61%、总体积减小8.09%。本文将上述5个系统运行参数结合三个设备结构参数:稳压器内径、蒸汽发生器传热管外径、冷凝器传热管外径,这8个参数作为优化变量,分别对系统的总重和总体积进行优化设计,计算结果表明:与母型相比系统总重减小9.16%、总体积减小12.15%。通过对核动力系统参数进行优化设计,得到最佳的系统参数组合,能够减小核动力装置的重量和体积,从而达到其小型化的目的。
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