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

1、鍋爐是國民經(jīng)濟(jì)中供應(yīng)蒸汽和熱水，實(shí)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(yīng)用中不可或缺的。鍋爐產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜、繁瑣、經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)、對設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)依賴性大、設(shè)計(jì)周期長、對經(jīng)濟(jì)性和可靠性要求高的大型常規(guī)工程設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的鍋爐產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，通過反復(fù)調(diào)整設(shè)計(jì)方案和重新計(jì)算來完成，優(yōu)化過程不易實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)質(zhì)量難以保證，且設(shè)計(jì)效率低、設(shè)計(jì)周期長。鍋爐受熱面系統(tǒng)設(shè)計(jì)是鍋爐設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，研究受熱面系統(tǒng)的智能優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的

2、有向搜索，對于進(jìn)一步提高鍋爐產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動化水平、提高設(shè)計(jì)方案優(yōu)化水平、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，降低設(shè)計(jì)成本進(jìn)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(jì)劃項(xiàng)目(2006BAF01A46)和浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2006C21SA160008)的資助下，研究了鍋爐受熱面系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，圍繞受熱面系統(tǒng)智能優(yōu)化設(shè)計(jì)的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究：首先采用了過程系統(tǒng)理論中的“序貫?zāi)K迭代法”進(jìn)行受熱面系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3、性能分析；然后提出了利用遺傳算法的并行計(jì)算功能，有向搜索產(chǎn)生多個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案構(gòu)成Pareto解集，實(shí)現(xiàn)方案的自動生成；再是運(yùn)用層次分析法對Pareto解集中的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評價(jià)并給出綜合評價(jià)指標(biāo)，為選擇最終輸出方案提供依據(jù)。結(jié)合以上三個(gè)技術(shù)，建立了鍋爐受熱面系統(tǒng)的智能優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行了認(rèn)知和建模。從一般意義上出發(fā)，認(rèn)定鍋爐屬于一種進(jìn)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(luò)。分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作原理，將整個(gè)鍋爐受熱面系統(tǒng)進(jìn)行模型抽象化，認(rèn)為受熱面系統(tǒng)是由“廣義部件”和“廣義流體節(jié)點(diǎn)”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?zāi)K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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案性能自動分析。
　　 在實(shí)現(xiàn)鍋爐受熱面系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)方法。分別進(jìn)行了單個(gè)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(fēng)阻力性能分析等多個(gè)性能分析簡化為約束的遺傳優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，從而實(shí)現(xiàn)對解空間的有向搜索并同時(shí)自動生成多個(gè)滿足要求的鍋爐受熱面系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案構(gòu)成Pareto解集。其中，分析了設(shè)計(jì)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(gè)方案個(gè)體均滿足設(shè)計(jì)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(jì)方案自動生成的基礎(chǔ)上，提出了遺傳算法的改進(jìn)方法。采用基于實(shí)例推理與隨機(jī)生成相結(jié)合的初始群體產(chǎn)生技術(shù)，將設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(yīng)交叉操作，保護(hù)父代個(gè)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(jì)算自適應(yīng)變異值，使得變異概率隨著遺傳算法的進(jìn)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(yīng)度值。經(jīng)過實(shí)例檢驗(yàn)，這些改進(jìn)方法能夠促進(jìn)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(jià)技術(shù)對遺傳算法自動生成的Pareto解集中各個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評價(jià)。鍋爐受熱面系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及眾多學(xué)科知識，并必須滿足設(shè)計(jì)要求、制造要求、運(yùn)行要求、系統(tǒng)維護(hù)要求等一系列確定性知識和模糊性知識。根據(jù)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分層歸類，建立了以總投資費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用

8、總和最小為優(yōu)化目標(biāo)層，以各部件費(fèi)用、燃料費(fèi)用為第二層，部件的性能參數(shù)指標(biāo)為第三層，Pareto解集中的個(gè)體為方案層的綜合評價(jià)體系。結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)按各評價(jià)指標(biāo)在總優(yōu)化目標(biāo)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(gè)層次的分析導(dǎo)出整個(gè)方案的綜合評價(jià)值，為最終選擇最優(yōu)方案提供依據(jù)。
　　 鍋爐受熱面設(shè)計(jì)屬常規(guī)設(shè)計(jì)，并且?guī)в幸欢ǖ慕?jīng)驗(yàn)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(gè)方案自動生成的軟件模型以及基