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科技進(jìn)步!超級(jí)計(jì)算機(jī)可幫助火電廠改善運(yùn)營(yíng)

2018-09-17 10:58:45 人工智能快報(bào) ID:AI_News  點(diǎn)擊量: 評(píng)論 (0)
德國(guó)斯圖加特大學(xué)的科研人員利用超級(jí)計(jì)算機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)出一套工具,可幫助火電廠、核電廠、地?zé)犭姀S等改善運(yùn)營(yíng)效率。

德國(guó)斯圖加特大學(xué)的科研人員利用超級(jí)計(jì)算機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)出一套工具,可幫助火電廠、核電廠、地?zé)犭姀S等改善運(yùn)營(yíng)效率。

高性能計(jì)算資源和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)幫助德國(guó)斯圖加特大學(xué)(University of Stuttgart)的科研人員建模,指導(dǎo)火電廠、核電廠、地?zé)犭姀S運(yùn)營(yíng)升級(jí),變得更清潔、安全、高效。

傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的殘余水必須與發(fā)電產(chǎn)生的蒸汽分開(kāi)。這一流程限制了效率,而且在早幾代發(fā)電廠中,它還不穩(wěn)定,可能導(dǎo)致爆炸。上世紀(jì)二十年代,英國(guó)人馬克·本森(Mark Benson)意識(shí)到,如果水和蒸汽可以共存,就能降低這種風(fēng)險(xiǎn),提高發(fā)電廠效率。讓水處于超臨界狀態(tài),即,水的液態(tài)和氣態(tài)同時(shí)存在,成為一種新的液體,這時(shí)就能實(shí)現(xiàn)水和蒸汽的共存。要實(shí)現(xiàn)這種超臨界狀態(tài)所需的溫度和壓力條件的成本很高,使得本森的專利產(chǎn)品“本森鍋爐”沒(méi)有在發(fā)電廠中廣泛應(yīng)用,但他的理論讓世界首次認(rèn)識(shí)了超臨界發(fā)電技術(shù)。

大約過(guò)了一個(gè)世紀(jì),德國(guó)斯圖加特大學(xué)的核技術(shù)與能源系統(tǒng)研究所(Institute of Nuclear Technology and Energy Systems, IKE)及航天熱力學(xué)研究所(Institute of Aerospace Thermodynamics, ITLR)重新研究本森的理論,探索其如何提高現(xiàn)代發(fā)電廠的安全性和效率。科研人員利用高性能計(jì)算技術(shù)(HPC)開(kāi)發(fā)工具,讓超臨界熱傳遞更可行。研究人員指出,“與亞臨界發(fā)電廠相比,超臨界發(fā)電廠的熱效率更高,不用配備多種類型設(shè)備,例如各類蒸汽干燥器,布局更緊湊。”

航天熱力學(xué)研究所的研究人員牽頭該研究的計(jì)算部分,他們與新加坡理工大學(xué)(Singapore Institute of Technology, SIT)的計(jì)算機(jī)科學(xué)研究人員合作,在超級(jí)計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)基于高保真仿真的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),同時(shí)也開(kāi)發(fā)商業(yè)電腦能輕松應(yīng)用的工具。

為了構(gòu)建出可商業(yè)應(yīng)用的準(zhǔn)確工具,研究團(tuán)隊(duì)需要運(yùn)行計(jì)算密集型直接數(shù)值模擬(direct numerical simulation, DNS),這只能利用高性能計(jì)算資源才能實(shí)現(xiàn)。斯圖加特高性能計(jì)算中心(High-Performance Computing Center Stuttgart’s, HLRS’s)的Hazel Hen超級(jí)計(jì)算機(jī)完成了研究團(tuán)隊(duì)所需的高分辨率流體力學(xué)模擬。

發(fā)電機(jī)及其他工業(yè)流程通過(guò)多種材料來(lái)產(chǎn)生蒸汽或者進(jìn)行熱傳遞,但利用水是一種行之有效的方法——水可輕易獲得,其化學(xué)性質(zhì)已充分掌握,可預(yù)測(cè)其在各種溫度及壓力條件下的表現(xiàn)。具體而言,水預(yù)計(jì)在374攝氏度達(dá)到臨界點(diǎn),這一性質(zhì)讓超臨界狀態(tài)蒸汽的產(chǎn)生可順利進(jìn)行。水也需要處于高壓狀態(tài)——22.4兆帕斯卡,實(shí)際上超過(guò)了廚房水槽處壓力的200倍。而且,當(dāng)材料進(jìn)入超臨界狀態(tài)時(shí),它會(huì)表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì),溫度或壓力的微小改變都會(huì)帶來(lái)極大的影響。例如,超臨界狀態(tài)的水不如純液態(tài)水傳熱那么有效,達(dá)到超臨界狀態(tài)所需的極大熱量可能導(dǎo)致管道破壞,從而造成災(zāi)難性事故。

考慮到利用水的種種困難,研究人員正在研究使用二氧化碳。這種常見(jiàn)分子具有多種優(yōu)勢(shì),主要特點(diǎn)是在31攝氏度即達(dá)到超臨界狀態(tài),比水要高效得多。利用二氧化碳來(lái)讓發(fā)電廠變得更清潔,聽(tīng)上去可能顯得自相矛盾,但研究人員解釋說(shuō)超臨界狀態(tài)的二氧化碳是一種更清潔的選擇。

“與含氯氟烴的制冷劑、氨等其他常見(jiàn)的可用流體相比,超臨界狀態(tài)的二氧化碳絕不會(huì)破壞臭氧,對(duì)全球變暖幾乎沒(méi)有影響。”此外,這種狀態(tài)的二氧化碳所需空間要小得多,壓縮所需的工作也比超臨界狀態(tài)的水要少得多。這就意味著,使用二氧化碳所需的發(fā)電廠規(guī)模更小——超臨界狀態(tài)二氧化碳發(fā)電廠的發(fā)電循環(huán)硬件規(guī)模比傳統(tǒng)的超臨界狀態(tài)發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)要小十倍。但要用二氧化碳替代水,工程師還需要充分理解其根本性質(zhì),包括流體的湍流(即不均勻非穩(wěn)定流動(dòng))如何傳遞熱量、與機(jī)器相互作用。

在進(jìn)行湍流相關(guān)的計(jì)算流體力學(xué)模擬時(shí),計(jì)算科學(xué)家大部分采用這三種方法:雷諾平均(Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS)模擬、大渦模擬(large eddy simulations, LES)、直接數(shù)值模擬。雷諾平均和大渦模擬都需要研究人員納入來(lái)自實(shí)驗(yàn)或者其他模擬的一些假設(shè),直接數(shù)值模擬無(wú)需預(yù)想概念或輸入數(shù)據(jù),使得這種方法更準(zhǔn)確,但需要更多的計(jì)算資源。“雷諾平均和大渦模擬模型常用于更簡(jiǎn)單的流體。”研究人員說(shuō),“復(fù)雜流體需要高保真的方法,所以我們決定使用直接數(shù)值模擬,這讓我們需要高性能計(jì)算資源。”

研究團(tuán)隊(duì)與新加坡理工大學(xué)的科研人員合作,利用從高保真直接數(shù)值模擬得到壓力和熱傳遞數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)。這種機(jī)器學(xué)習(xí)算法仿生物學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模,即模仿識(shí)別和響應(yīng)外部刺激的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)上,研究人員利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法,以便其預(yù)測(cè)不同條件下流體和管道之間的熱傳遞。但是,如果采用這種方法,研究人員必須小心翼翼,不“過(guò)度擬合”模型;換言之,不讓算法對(duì)特定數(shù)據(jù)集過(guò)于準(zhǔn)確,而不能為其他數(shù)據(jù)集提供準(zhǔn)確結(jié)果。

利用Hazel Hen超級(jí)計(jì)算機(jī),該研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)行了35個(gè)直接數(shù)值模擬,每一種聚焦于一種具體的運(yùn)行條件,然后利用得到的數(shù)據(jù)集來(lái)訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該研究團(tuán)隊(duì)輸入了進(jìn)氣溫度和壓力、熱流、管徑和流體的熱能,輸出管壁溫度和剪切應(yīng)力。直接數(shù)值模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中,隨機(jī)選擇80%來(lái)訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),同時(shí)研究人員利用剩下的20%來(lái)單獨(dú)驗(yàn)證。

這種“原位”驗(yàn)證很重要,避免過(guò)度擬合算法,因?yàn)槿绻惴ㄒ婚_(kāi)始表現(xiàn)出訓(xùn)練與數(shù)據(jù)集的差異,就會(huì)重啟模擬。研究人員表示,“我們的盲法測(cè)試結(jié)果顯示,直接數(shù)值模擬成功避免了過(guò)度擬合,在數(shù)據(jù)庫(kù)中覆蓋的各種運(yùn)行條件下都實(shí)現(xiàn)了普遍的接受性。”

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)結(jié)果有信心之后,他們利用數(shù)據(jù)開(kāi)始構(gòu)建更商業(yè)化用途的工具。利用近期工作的輸出作為指導(dǎo),該團(tuán)隊(duì)可用直接數(shù)值模擬在標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦上對(duì)新數(shù)據(jù)模擬運(yùn)行條件的熱能,耗時(shí)僅5.4毫秒。

到目前為止,研究團(tuán)隊(duì)都使用社區(qū)代碼OpenFOAM進(jìn)行直接數(shù)值模擬。對(duì)多種流體力學(xué)模擬而言,OpenFOAM都是公認(rèn)的代碼,但是研究人員表示,希望利用高保真代碼進(jìn)行模擬。研究人員正與德國(guó)斯圖加特大學(xué)空氣力學(xué)與氣體力學(xué)研究所(Institute of Aerodynamics and Gas Dynamics, IAG)合作,使用后者的FLEX代碼。這種代碼的準(zhǔn)確性更高,適用的條件范圍更廣。

研究人員還提到,除了直接數(shù)值模擬之外,他們還使用了名為隱式大渦模擬的方法。雖然隱式大渦模擬不如該研究團(tuán)隊(duì)直接數(shù)值模擬得到高分辨率,但這種方法讓研究人員以更高的雷諾數(shù)值進(jìn)行模擬,這意味著它能適用的湍流條件更廣。

研究團(tuán)隊(duì)希望繼續(xù)增強(qiáng)它的數(shù)據(jù)庫(kù),以便進(jìn)一步提升深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具。而且,研究團(tuán)隊(duì)還與該大學(xué)的核技術(shù)與能源系統(tǒng)研究所實(shí)驗(yàn)家合作,進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn),建立模型超臨界發(fā)電廠,以便測(cè)試實(shí)驗(yàn)與理論的一致性。如果研究團(tuán)隊(duì)能提供準(zhǔn)確、易用且計(jì)算高效的工具,幫助工程師和發(fā)電廠管理者更安全、更高效地發(fā)電,這就是最終勝利。

“核技術(shù)與能源系統(tǒng)研究所的研究人員既進(jìn)行實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行數(shù)值模擬。”研究人員表示,“作為數(shù)值團(tuán)隊(duì),我們希望找到熱傳遞不高的原因。我們研究了流體流動(dòng)和湍流相關(guān)的物理學(xué),但是我們的最終目標(biāo)是構(gòu)建出更簡(jiǎn)單的模型。傳統(tǒng)發(fā)電廠通過(guò)抵消間歇式發(fā)電,促進(jìn)可再生能源的使用,但是目前這些發(fā)電廠的設(shè)計(jì)都不如可再生能源發(fā)電廠那樣靈活。如果我們可以利用超臨界狀態(tài)二氧化碳為基礎(chǔ)的工作流體,我們就能通過(guò)更緊湊的設(shè)計(jì)、更快的開(kāi)機(jī)和停機(jī)次數(shù)來(lái)提高發(fā)電廠的靈活性。”以超臨界狀態(tài)二氧化碳為基礎(chǔ)的技術(shù)有可能提供靈活的運(yùn)行,這是可再生能源中翹首以盼的。但是,水暖水力模型和熱傳遞知識(shí)有限,本研究將縮小這一技術(shù)差距,幫助工程師構(gòu)建發(fā)電循環(huán)回路。

該大學(xué)核技術(shù)與能源系統(tǒng)研究所和航天熱力學(xué)研究所的科研人員正在研究超臨界狀態(tài)二氧化碳取代超臨界狀態(tài)水作為發(fā)電廠的工作流體。這一模擬顯示了冷卻過(guò)程中流體的高速(紅)和低速(藍(lán))條帶及結(jié)構(gòu)。研究人員觀察到了超臨界狀態(tài)二氧化碳下行流(左)和上行流(右)湍流之間的重要區(qū)別。

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責(zé)任編輯:仁德財(cái)

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