[发明专利]基于混合整数规划线性规划的坎杜堆换料方案优化方法

说明书

技术领域

本发明专利属于坎杜堆核电站换料方案设计与优化领域，具体涉及一种基于混合整数规划线性规划的坎杜堆换料方案优化方法。 

背景技术

坎杜6型重水反应堆共有380个燃料通道，与采用停堆方式进行换料的反应堆（如压水堆）不同，坎杜堆采用在线换料方式，满功率运行时平均每天要更换两个燃料通道。日常换料方案的设计由电站堆物理工程师完成，通常3～4天进行一次，每次从380个燃料通道中挑选出6～7个提交运行人员进行更换。坎杜堆换料方案设计是一个复杂的多目标、多约束的优化问题，好的换料方案通常需要满足：最大化燃料卸料燃耗，优化堆芯功率分布使其尽量接近目标值，尽量降低通道超功率因子（CPPF），确保通道/棒束功率满足限值要求，优化液体区域控制装置（液体区域控制装置）的运行特性等。鉴于该问题的复杂性，每个坎杜电站都引进或开发出计算机软件以辅助堆物理工程师完成换料方案的优化设计。 

与国外很多同型电站类似，当前使用的换料软件包基于传统的专家系统开发，借助预先设定的多个专家准则即评价函数对每个通道进行评分。每个准则通常选取一个评价参数，这些参数与换料优化的目标密切相关，如换料通道的燃耗、通道组内的最大通道超功率因子、通道组内最小通道功率裕量等。依据每个准则对通道评分后，将单个评价值综合起来从而得到通道的最终评价值，堆物理工程师则依据通道的综合评分的大小以及自身经验来选择换料通道，最终确定出较好的换料方案。 

工作人员在使用过程中逐渐发现该软件包存在一些不足。首先，这套基于专家系统的通道评价方法，其评价效果的好坏完全取决于评价参数的选取以及预先设定的经验准则，欠缺精确的堆芯物理模型。其次，通道的评价完全基于当前的堆芯状态，更多的关注换料通道临近区域的局部特征和空间分布，而缺乏对换料后效的评估。再者，最终设计出的换料方案严重依赖堆物理工程师的经验，在同样的评价准则下，不同的人员可能因自身经验的差异设计出完全不同的换料方案。 

发明内容

本发明的目的是为改进当前换料软件包存在的诸多不足，提高堆物理工程师换料方案设计的质量、工作效率，使电站运行具有更高的安全性和经济性，提出了一种基于混合整数线性规划的坎杜堆换料方案优化方法。本专利采用混合整数线性规划方法来求解该换料方案优化问题，建模时以经济性指标（换料通道数目最少或通道卸料燃耗最高）作为目标函数，其他的目标与要求全部作为约束条件，将整个问题分解成两步求解，每一步分别建立混合整数线性规划（MILP）的数学模型并采用商用求解器进行求解，最终得到一周内最优的换料方案。第一步，为考虑通道换料的后效，以换料通道数目最少为目标建立候选通道选择模型，进行连续16周的换料方案优化。建模时加入对堆芯剩余反应性和区域反应性分布的约束，使区域反应性分布尽量接近目标值。堆芯参数计算采用零维线性反应性模型，并假设堆芯维持时均功率分布不变。通过求解候选通道选择模型得到每个周的换料通道组合，并将前面两周的换料通道组合作为第二步优化的候选通道。第二步，堆物理工程师首先依据反应堆未来一周的运行要求给出周换料计划，然后以平均卸料燃耗最深为目标建立周换料方案优化模型，同时考虑反应堆运行的诸多要求，在模型中加入相应的约束条件。考虑到换料方案设计的时效性要求，为了快速评价大量的换料方案，提出了一个三维堆芯计算模型-线性敏感矩阵方法。它借助预先形成的敏感矩阵，无需耗时的三维扩散方程求解，仅经过简单的代数运算就能较为准确且快速的计算出主要堆芯参数，完成换料方案的评价。通过求解周换料方案优化模型，最终得到一周内每个换料日的换料通道组合。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于混合整数规划线性规划的坎杜堆换料方案优化方法，包括以下步骤： 

步骤1，候选通道选择：利用通道间燃耗特性的不同，建立考虑换料后效的数学优化模型，从而确定出通道换料的时间顺序；在确定候选通道时，堆芯物理模型主要基于以下两个假设：1）堆芯功率始终维持目标功率分布不变；2）堆芯反应性可用“零维线性反应性模型”表示； 

步骤1.1，构建堆芯物理模型，用于确定堆芯剩余反应性： 

步骤1.1.1，确定全堆剩余反应性ρ_core： 

其中，ρ_i为燃料通道i的反应性，它是通道平均燃耗ω_i的函数，函数关系由栅元计算程序拟合得到；燃耗ω_i由驻留时间乘以时均功率得到；f_i为燃料通道i的时均功率份额，由堆芯的时均功率分布获得；