Постановка задачи

Достижение максимального экономического эффекта при массовом строительстве ACT и АСПТ требует выполнения технико-экономических исследований для выбора значений параметров, профиля оборудования и технологической схемы ACT и АСПТ. Сложность решения этой задачи определяется тем, что ACT или АСПТ как объект технико-экономических оптимизационных исследований должна рассматриваться, с одной стороны, как сложная техническая система, состоящая из конструктивно сложного основного оборудования и многочисленного вспомогательного оборудования, объединенных технологической схемой. Для этой системы характерна весьма тесная взаимосвязь процессов преобразования, передачи и распределения разных видов энергии, изменения параметров состояния и расходов рабочих тел, теплоносителей, ядерного горючего. С другой стороны ACT или АСПТ выступает в качестве элемента систем теплоснабжения и ядерной энергетики, а при более широком рассмотрении — элемента энергетического комплекса страны (см. разд. 2.3).

Условия развития систем теплоснабжения городов, промышленных центров и отдельных крупных производств оказывают определяющее влияние на основные решения по ACT и АСПТ. Именно на этом уровне формируются требования к ACT и АСПТ в части величины отбора теплоты, вида и параметров теплоносителя, режимов теплопотребления. Условия развития системы ядерной энергетики существенно влияют на основные решения по ACT и АСПТ в части их нейтронно-физических характеристик. Наконец, решения по энергетическому комплексу страны обусловливают долгосрочную стратегию использования ядерного горючего, долю ACT и АСПТ в общей выработке тепловой энергии. Это, в свою очередь, влияет на выбор энергетических и нейтронно-физических характеристик ACT и АСПТ.

С учетом этих принципиальных положений рассмотрим объекты исследования, методы их математического моделирования и оптимизации.

ACT предназначена для выработки тепловой энергии только для нужд отопления и горячего водоснабжения. Для ACT предусматривается применение водо-водяного корпусного кипящего реактора с естественной циркуляцией и интегральной компоновкой оборудования. Такой реактор позволяет создать теплоснабжающую установку, размещаемую в непосредственной близости от потребителей теплоты. На первых ACT в СССР будет применен реактор типа ACT-S00 тепловой мощностью 500 МВт с отпуском теплоты до 1800 ГДж/ч. Реактор АСТ-500 предназначен для работы в двух-контурной схеме ACT (см. рис. 1.6, а) с выдачей теплоты горячей водой (до 150 °С) в третьем сетевом контуре. Первый контур радиоактивный, второй нерадиоактивный. При давлении в первом контуре 1,6 МПа, во втором принимается давление 1,2 МПа, а в третьем - 1,6 МПа. Теплоноситель во всех трех контурах — вода [13,16,48].

АСПТ вырабатывает тепловую энергию в виде пара и горячей воды, т.е. этот тип АИТ способен покрывать как отопительную (в горячей воде), так и промышленную (паровую) тепловые нагрузки. На АСПТ также будет устанавливаться корпусной водо-водяной реактор. Однако ввиду необходимости производства на АСПТ кроме горячей воды также технологического пара давлением 2 МПа реактор для АСПТ должен иметь более высокое, чем для ACT, давление, равное примерно 5 МПа. Предварительные расчеты показывают, что для АСПТ с указанными параметрами возможно и целесообразно создание транспортабельного реактора тепловой мощностью 500 МВт с суммарным отпуском теплоты в горячей воде и паре до 1800 ГДж/ч. На рис. 1.6, б приведена одна из возможных схем выдачи теплоты от АСПТ. Пар промышленной нагрузки выдается в третьем контуре после парогенераторов с давлением 2 МПа. Для выдачи горячей воды имеется четвертый контур [16].

Из рис. 1.6 легко видеть, что технологическая схема АСПТ содержит все элементы технологической схемы ACT. В этом смысле технологическую схему ACT можно представил» как частный случай технологической схемы АСПТ, в которой отсутствует промышленная паровая нагрузка.

Указанное соотношение технологических схем ACT и АСПТ использовано при построении математических моделей атомных станций теплоснабжения. Все разработки ведутся для наиболее полной технологической схемы, т.е. для схемы АСПТ. Математическая модель ACT может быть получена путем исключения из математической модели АСПТ лишних элементов и технологических связей. Аналогично задача оптимизации формируется применительно к наиболее сложному объекту — АСПТ.

В наиболее полной постановке задача комплексной оптимизации АИТ включает оптимизацию параметров вида технологической схемы, термодинамических и расходных параметров технологической схемы, физических параметров реактора, а также конструктивно-компоновочных параметров оборудования при учете внешних и внутренних связей.

Под видом (структурой) технологической схемы АСПТ понимается состав элементов и их взаимосвязей, реализующих процессы получения пара и горячей воды нужных параметров. К термодинамическим параметрам АСПТ относятся: параметры теплоносителя на выходе из активной зоны, параметры греющего теплоносителя на входе и выходе парогенераторов и теплообменников, параметры нагреваемого теплоносителя по тракту нагрева (кроме выходных значений, которые заданы). Совокупность расходных параметров задает значения расходов пара и воды по всем элементам оборудования и технологическим связям установки.

В реакторе оптимизируются начальное обогащение горючего, тепло- напряженность активной зоны, уплощение, скорость теплоносителя, глубина выгорания, подогрев теплоносителя в реакторе и тщ. Конструктивные параметры включают формы, материалы и параметры конструкций отдельных элементов оборудования. Совокупность компоновочных параметров определяет взаимное пространственное расположение элементов оборудования и агрегатов относительно друг друга.

При оптимизации АСПТ приходится иметь дело с системой ограничений в форме равенств и неравенств. Важность технических ограничений в процессе оптимизации следует особо подчеркнуть, так как только в этом случае возможно получение наилучшего экономического решения, в полной мере учитывающего специфику технического выполнения и использования энергетической установки. Система ограничений, которую необходимо учитывать, складывается из ряда подсистем. Многие параметры АСПТ имеют заданный диапазон возможного их изменения. Ограничения могут быть наложены на характеристики отдельных элементов оборудования установки в соответствии с требованием возможности их изготовления и длительной надежности в процессе эксплуатации. Наконец, имеется система балансовых уравнений для всех элементов установки, которая связывает между собой термодинамические и расходные параметры, а также технологические характеристики процессов.

Как отмечалось, задача оптимизации технологической схемы и параметров АСПТ в математическом отношении является статической, так как оптимизируемые номинальные параметры и характеристики проектируемой установки не меняются во времени. Вместе с тем при оценке экономического эффекта от ввода и использования оптимизируемой энергетической установки за многолетний период ее эксплуатации необходимо учитывать возможные изменения условий работы установки. При этом, естественно, чем более отдаленный период рассматривается, тем больше неоднозначность условий эксплуатации. В ряде случаев существенные изменения условий развития системы ядерной энергетики могут потребовать модернизации активной зоны реактора с изменением таких ее характеристик, как вид ядерного горючего, степень обогащения, конструкция ТВЭЛов и сборок и т.п.

Важным этапом постановки любой задачи оптимизации является определение конечной цепи ее решения. Применительно к АСПТ главная цель решения таких задач — минимизация приведенных затрат на получение заданных объемов тепловой энергии от АСПТ при выполнении всех внешних и внутренних ограничительных условий ее сооружения и функционирования.

Проведенный анализ АСПТ показывает нелинейность зависимостей выражения критерия эффективности и ограничений как функций оптимизируемых параметров. Некоторые из оптимизируемых параметров изменяются дискретно. Из этого следует, что решаемая задача относится к классу весьма сложных задач нелинейного дискретного программирования. С учетом этого обстоятельства было бы неправильным разрабатывать для АСПТ единую математическую модель и пытаться в этой одной модели учитывать и одновременно исследовать весь сложнейший комплекс связей, реально существующих в данной установке. Такой подход привел бы к трудностям, связанным с необходимостью решения очень сложной задачи большой размерности.

К числу плодотворных методов в теории математического моделирования относятся методы декомпозиции, предусматривающие расчленение задачи на ряд подзадач, решение каждой подзадачи независимо и последующую координацию полученных решений (см. разд. 3.2). В рассматриваемой задаче целесообразно расчленить АСПТ по функциональному признаку на две части: реакторную (РЧ) и4 теплотехническую (ТТЧ) (см. рис. 1.6, б). К реакторной части АСПТ относится реактор и связанные с ним устройства, к теплотехнической части — теплообменники, парогенераторы, насосы второго контура и т.п.

При указанном разделении АСПТ на две части оказалась разрезанной весьма сильная связь между активной зоной реактора и теплообменником I—II контуров. Однако эта связь характеризуется малым числом параметров - всего четырьмя (например, мощностью активной зоны, расходом теплоносителя I контура, температурой и давлением теплоносителя на входе в активную зону). Соответственно задача координации двух частных решений достаточно проста.

Оптимизация параметров АСПТ в такой постановке производится итерационно: Модель верхнего уровня координирует решение задач на нижних уровнях для получения оптимального решения полной задачи (рис. 6.1): на нижний уровень выдаются значения параметров связи, а на верхний уровень поступают результаты решения задач нижнего уровня. При этом может быть до минимума сокращено количество информации, передаваемой между уровнями, поскольку на верхний уровень может передаваться не вся информация о состоянии всех элементов нижнего уровня, а лишь приведенные затраты по частям АСПТ. Соответственно математическая модель верхнего уровня — модель АСПТ — получается очень простой.

Для решения задачи комплексной оптимизации АСПТ в цепом необходимо решить координирующую задачу:

Задача (6.8) эквивалентна ранее сформулированной задаче (6.1) при ограничениях вида (6.2) —(6.6), а значение функции V(W) представляет суммарные затраты по всей АСПТ.

Описание математических моделей реакторной и теплотехнической частей АСПТ, метода и алгоритма оптимизации параметров АСПТ приведено в разд. 6.2-6.4.

При разработке методики технико-экономического анализа и комплексной оптимизации АСПТ исключительно большое значение имеет учет надежности объекта и неполноты исходной информации. Указанные вопросы рассмотрены в разд. 9.3 и 10.2 соответственно.

Исследование систем теплоснабжения/Л.C. Попырин, К.С. Светлов, Г.М. Беляева и др. М.: Наука, 1989.