基于遺傳算法的鍋爐受熱面系統(tǒng)智能優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、鍋爐是國民經(jīng)濟中供應蒸汽和熱水，實現(xiàn)能量的形式及載體變換的重要裝備，是工業(yè)生產(chǎn)應用中不可或缺的。鍋爐產(chǎn)品設(shè)計是一項復雜、繁瑣、經(jīng)驗性強、對設(shè)計經(jīng)驗依賴性大、設(shè)計周期長、對經(jīng)濟性和可靠性要求高的大型常規(guī)工程設(shè)計。傳統(tǒng)的鍋爐產(chǎn)品設(shè)計主要依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗，通過反復調(diào)整設(shè)計方案和重新計算來完成，優(yōu)化過程不易實現(xiàn)，設(shè)計質(zhì)量難以保證，且設(shè)計效率低、設(shè)計周期長。鍋爐受熱面系統(tǒng)設(shè)計是鍋爐設(shè)計的重要內(nèi)容，研究受熱面系統(tǒng)的智能優(yōu)化設(shè)計，進行優(yōu)化設(shè)計方案的

2、有向搜索，對于進一步提高鍋爐產(chǎn)品設(shè)計自動化水平、提高設(shè)計方案優(yōu)化水平、提高設(shè)計質(zhì)量和效率，降低設(shè)計成本進而降低制造成本具有重要意義。
　　 本論文在“十一五”國家科技支撐計劃項目(2006BAF01A46)和浙江省科技計劃項目(2006C21SA160008)的資助下，研究了鍋爐受熱面系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計方法，圍繞受熱面系統(tǒng)智能優(yōu)化設(shè)計的三個關(guān)鍵技術(shù)進行分析研究：首先采用了過程系統(tǒng)理論中的“序貫模塊迭代法”進行受熱面系統(tǒng)設(shè)計方案

3、性能分析；然后提出了利用遺傳算法的并行計算功能，有向搜索產(chǎn)生多個滿足設(shè)計要求的優(yōu)化設(shè)計方案構(gòu)成Pareto解集，實現(xiàn)方案的自動生成；再是運用層次分析法對Pareto解集中的設(shè)計方案進行綜合評價并給出綜合評價指標，為選擇最終輸出方案提供依據(jù)。結(jié)合以上三個技術(shù)，建立了鍋爐受熱面系統(tǒng)的智能優(yōu)化設(shè)計模型，從而為鍋爐受熱面系統(tǒng)的性能分析、智能優(yōu)化方案設(shè)計提供了有效方法。
　　 論文的主要研究內(nèi)容如下：
　　 對鍋爐受熱面系統(tǒng)的熱力

4、性能分析進行了認知和建模。從一般意義上出發(fā)，認定鍋爐屬于一種進行能量形式和載體變換的過程系統(tǒng)，是緊湊型的換熱網(wǎng)絡。分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作原理，將整個鍋爐受熱面系統(tǒng)進行模型抽象化，認為受熱面系統(tǒng)是由“廣義部件”和“廣義流體節(jié)點”組成的“廣義過程單元”通過一定的順序串接而成。選擇過程系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬理論中的“序貫模塊迭代法”作為受熱面系統(tǒng)熱力性能分析的通用總體算法，實現(xiàn)設(shè)計方案性能自動分析。
　　 在實現(xiàn)鍋爐受熱面系統(tǒng)設(shè)計方案性能自動分

5、析的基礎(chǔ)上，提出了基于遺傳算法的鍋爐受熱面系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法。分別進行了單個受熱面部件和受熱面子系統(tǒng)的模型分析與搭建，建立了以熱力性能分析為基礎(chǔ)，汽水阻力性能分析及煙風阻力性能分析等多個性能分析簡化為約束的遺傳優(yōu)化設(shè)計模型，從而實現(xiàn)對解空間的有向搜索并同時自動生成多個滿足要求的鍋爐受熱面系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案構(gòu)成Pareto解集。其中，分析了設(shè)計過程的各種約束條件，如幾何約束、性能約束等，以保證遺傳算法得到的每個方案個體均滿足設(shè)計要求。

6、　　 在基于遺傳算法的鍋爐受熱面系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案自動生成的基礎(chǔ)上，提出了遺傳算法的改進方法。采用基于實例推理與隨機生成相結(jié)合的初始群體產(chǎn)生技術(shù)，將設(shè)計經(jīng)驗引入到遺傳算法中，幫助快速尋找全局更優(yōu)解。結(jié)合“成員分組法”與“家族競爭法”，并采用“S交叉”的自適應交叉操作，保護父代個體中的優(yōu)良基因不至于在交叉操作中流失。在變異操作的環(huán)節(jié)上，采用Sigmoid函數(shù)計算自適應變異值，使得變異概率隨著遺傳算法的進行逐漸由大變小，增加遺傳算法跳出局部

7、最優(yōu)的幾率，提高群體平均適應度值。經(jīng)過實例檢驗，這些改進方法能夠促進遺傳算法快速、有效地找到全局更優(yōu)解，提高Pareto解集的質(zhì)量。
　　 提出了基于層次分析法的綜合評價技術(shù)對遺傳算法自動生成的Pareto解集中各個設(shè)計方案進行綜合評價。鍋爐受熱面系統(tǒng)設(shè)計涉及眾多學科知識，并必須滿足設(shè)計要求、制造要求、運行要求、系統(tǒng)維護要求等一系列確定性知識和模糊性知識。根據(jù)設(shè)計的各項要求，對評價指標進行分層歸類，建立了以總投資費用和年運行費用

8、總和最小為優(yōu)化目標層，以各部件費用、燃料費用為第二層，部件的性能參數(shù)指標為第三層，Pareto解集中的個體為方案層的綜合評價體系。結(jié)合專家經(jīng)驗按各評價指標在總優(yōu)化目標中占據(jù)的重要性給予權(quán)重系數(shù)，把定性與定量結(jié)合起來，最后通過各個層次的分析導出整個方案的綜合評價值，為最終選擇最優(yōu)方案提供依據(jù)。
　　 鍋爐受熱面設(shè)計屬常規(guī)設(shè)計，并且?guī)в幸欢ǖ慕?jīng)驗性。建立了鍋爐受熱面系統(tǒng)性能分析的軟件模型，基于遺傳算法多個方案自動生成的軟件模型以及基