（化工过程机械专业论文）基于遗传算法的锅炉受热面系统智能优化设计研究.pdf

浙 大学博士学位论文基于遗传算法的锅炉受热面系统智能优化设计研究 摘要 锅炉是国民经济中供应蒸汽和热水，实现能量的形式及载体变换的重要装备，是 工业生产应用中不可或缺的锅炉产品设计是一项复杂、繁琐、经验性强、对设计经 验依赖性大、设计周期长、对经济性和可靠性要求高的大型常规工程设计。传统的锅 炉产品设计主要依靠设计人员的经验，通过反复调整设计方案和重新计算来完成，优 化过程不易实现，设计质量难以保证，且设计效率低、设计周期长。锅炉受热面系统 设计是锅炉设计的重要内容，研究受热面系统的智能优化设计，进行优化设计方案的 有向搜索，对于进一步提高锅炉产品设计自动化水平、提高设计方案优化水平、提高 设计质量和效率，降低设计成本进而降低制造成本具有重要意义。 本论文在“十一五”国家科技支撑计划项目( 2 0 0 6 b a f 0 1 a 4 6 ) 和浙江省科技计 划项目( 2 0 0 6 c 2 1 s a l 6 0 0 0 8 ) 的资助下，研究了锅炉受热面系统的计算机辅助设计方 法，围绕受热面系统智能优化设计的三个关键技术进行分析研究：首先采用了过程系 统理论中的“序贯模块迭代法”进行受热面系统设计方案性能分析；然后提出了利用 遗传算法的并行计算功能，有向搜索产生多个满足设计要求的优化设计方案构成 p a r e t o 解集，实现方案的自动生成；再是运用层次分析法对p a r e t o 解集中的设计方案 进行综合评价并给出综合评价指标，为选择最终输出方案提供依据。结合以上三个技 术，建立了锅炉受热面系统的智能优化设计模型，从而为锅炉受热面系统的性能分析、 智能优化方案设计提供了有效方法。 论文的主要研究内容如下： 对锅炉受热面系统的热力性能分析进行了认知和建模。从一般意义上出发， 认定锅炉属于一种进行能量形式和载体变换的过程系统，是紧凑型的换热网 络。分析系统结构组成和工作原理，将整个锅炉受热面系统进行模型抽象化， 认为受热面系统是由“广义部件”和“广义流体节点”组成的“广义过程单 元”通过一定的顺序串接而成。选择过程系统稳态模拟理论中的“序贯模块 迭代法”作为受热面系统热力性能分析的通用总体算法，实现设计方案性能 自动分析。 在实现锅炉受热面系统设计方案性能自动分析的基础上，提出了基于遗传算 法的锅炉受热面系统优化设计方法。分别进行了单个受热面部件和受热面子 系统的模型分析与搭建，建立了以热力性能分析为基础，汽水阻力性能分析 1 浙江大学博士学位论文基丁遗传算= 法的锅炉受热面系统智能优化设计研究 及烟风阻力性能分析等多个性能分析简化为约束的遗传优化设计模型，从而 实现对解空间的有向搜索并同时自动生成多个满足要求的锅炉受热面系统优 化设计方案构成p a r e t o 解集。其中，分析了设计过程的各种约束条件，如几 何约束、性能约束等，以保证遗传算法得到的每个方案个体均满足设计要求。 在基于遗传算法的锅炉受热面系统优化设计方案自动生成的基础上，提出了 遗传算法的改进方法。采用基于实例推理与随机生成相结合的初始群体产生 技术，将设计经验引入到遗传算法中，帮助快速寻找全局更优解。结合“成 员分组法”与“家族竞争法”，并采用“s 交叉”的自适应交叉操作，保护父 代个体中的优良基因不至于在交叉操作中流失。在变异操作的环节上，采用 s i g m o i d 函数计算自适应变异值，使得变异概率随着遗传算法的进行逐渐由大 变小，增加遗传算法跳出局部最优的几率，提高群体平均适应度值。经过实 例检验，这些改进方法能够促进遗传算法快速、有效地找到全局更优解，提 高p a r e t o 解集的质量。 提出了基于层次分析法的综合评价技术对遗传算法自动生成的p a r e t o 解集中 各个设计方案进行综合评价。锅炉受热面系统设计涉及众多学科知识，并必 须满足设计要求、制造要求、运行要求、系统维护要求等一系列确定性知识 和模糊性知识。根据设计的各项要求，对评价指标进行分层归类，建立了以 总投资费用和年运行费用总和最小为优化目标层，以各部件费用、燃料费用 为第二层，部件的性能参数指标为第三层，p a r e t o 解集中的个体为方案层的 综合评价体系。结合专家经验按各评价指标在总优化目标中占据的重要性给 予权重系数，把定性与定量结合起来，最后通过各个层次的分析导出整个方 案的综合评价值，为最终选择最优方案提供依据。 锅炉受热面设计属常规设计，并且带有一定的经验性。建立了锅炉受热面系 统性能分析的软件模型，基于遗传算法多个方案自动生成的软件模型以及基 于层次分析法的锅炉受热面系统设计方案综合评价软件模型，最终建立基于 经验的锅炉受热面系统智能优化设计方法该方法提高了设计的质量和效率， 缩短了设计周期，在一定程度上降低了对设计经验的依赖，为进一步实现锅 炉产品的智能优化设计指明了一个方向。 关键词：锅炉受热面系统，热力性能分析，序贯模块迭代法，p a r e t o 解集，改进 型遗传算法，成员分组法，家族竞争法，自适应变异，层次分析法，智能优化设计 浙江大学博士学位论文 基于遗传算法的锅炉受热面系统智能优化设计研究 a b s t r a c t b o i l e ri sf u n c t i o n a li m p o r t a n ta n dw i d e s p r e a du t i l i z e di ni n d u s t r y i ti sak i n do fi m p o r t a n te q u i p m e n t w h i c hi su s e dt os u p p l ys t e a mo rh o tw a t e rb yc h a n g i n ge n e r g yf o r ma n de n e r g yc a r r i e r t h ed e s i g no fa b o i l e ri sab i gp r o j e c t ，w h i c hi sc o m p l e x ，c o m p l i c a t e d ，t i m ec o n s u m i n ga n dr e l i e sh e a v i l yo nt h e e x p e r i e n c eo ft h ed e s i g n e r s i ti s ak i n do fr o u t i n ed e s i g n ，b u ts t r i c tw i t he c o n o m ya n dr e l i a b i l i t y r e q u i r m e n t t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o dw a su s u a l l yd o n eb yc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r sa n dc a l c u l a t i n g c o n s t a n t l yu n t i li tr e a c h e das a t i s f a c t o r ys o l u t i o n h e a i n gs u r f a c es y s t e mi sp a r to ft h eb o i l e ra n di sv e r y i m p o r t a n tt ot h ew h o l eb o i l e r i tt a k e sab i gp r o p o r t i o ni nt h ea s p e c to fs t e e lc o n s u m p t i o n s ot h e r e s e a r c ho ft h eh e a i n gs u r f a c e s y s t e mi n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nd e s i g ni s v e r ym e a n i n g f u l t h e o p t i m i z a t i o nc o u l di m p r o v ed e s i g ne f f i c i e n c y , q u a l i t ya n dd i m i n i s ht h ec o s to fo u t p u t i na d d i t i o n ，i t a l s oc o u l di m p r o v et h ew h o l ed e s i g n sa u t o m a t i cl e v e l t h et h e s i sw a si nt h es u b s i d i z a t i o no f “p r o j e c ti nt h en a t i o n a ls c i e n c e & t e c h n o l o g yp i l l a rp r o g r a m d u r i n g t h ee l e v e n f i v e - y e a rp l a np e r i o d ”( 2 0 0 6 b a f o 1a 4 6 ) a n d z h e j i a n gt e c h n o l o g y p l a n p r o g r a m ”( 2 0 0 6 2ls a 16 0 0 0 8 ) i tr e s e a r c h e dt h eb o i l e r i n t e l l i g e n tc o m p u t e ra i d e dd e s i g n m a i n l y f o c u s e do nt h et h r e ek e yt e c h n i q u e s ：t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h eh e a t i n gs u r f a c es y s t e m ；ag e n e t i c a l g o r i t h mb a s e dm e t h o da n di t sm o d i f i e dm o d e lf o rs e a r c h i n gt h ed e s i g ns c h e m e sa u t o m a t i c a l l ya n d c o m p o s i n gap a r e t os o l u t i o ns e t ；a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) b a s e dm e t h o df o rc o m p r e h e n s i v e l y e v a l u a t i n ga l lt h es c h e m e si np a r e t o i nt h ee n d ，a ni n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nd e s i g nm o d e lo ft h eh e a t i n g s u r f a c es y s t e mw a sc r e a t e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so nt h i ss u b j e c tw e r ee x p l a i n e da sf o l l o w s ： b a s e do nt h ec o g n i t i o no ft h er e s e a r c hp r o c e s s ，a n a l y z e da n dm o d e l e dt h eb o i l e rh e m i n g s u r f a c es y s t e m st h e r m a lc a l c u l a t i o n i ng e n e r a ls e n s e ，r e c h o n e dt h eb o i l e ra sap r o c e s s s y s t e mw h i c hw a su s e dt oc h a n g ee n e r g yf o r ma n de n e r g yc a g i e ri nt h em i c r o s c o p i cp o i n to f v i e w , a n a l y z e dt h es t r u c t u r e sa n dt h ep r i n c i p l eo ft h eo p e r a t i o n ，a b s t r a c t e dt h ew h o l et h e r m a l c a l c u l a t i o ns y s t e m r e c k o n e dt h es y s t e mw a san e tw o r kc o m p o s e do f “g e n e r a l i z e dp r o c e s s c e l l s ”i naf i x e do r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r e t o o kt h es t e a d y - s t a t es i m u l a t i o nt h e o r yi nt h e p r o c e s ss y s t e m “s e q u e n t i a lm o d u l a rm e t h o d ”a st h eo v e r a l lc a l c u l a t i o na l g o r i t h m e v e n t u a l l y g o tt h ew h o l ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sd o n ea u t o m a t i c a l l y i tw a si m p r o v e dt h a tt h em e t h o d c o u l dc o n v e r g ea u t o m a t i c a l l ya n dr e l i e dl e s so nt h ei n i t i a lv a l u e s o nt h eb a s i so ft h ea u t o m a t i c a ls i m u l a t i o nf o rt h et h e r m a lc a l c u l a t i o ns y s t e m u s e dg e n e t i c a l g o r i t h mt oo p t i m i z et h ed e s i g np r o c e d u r e t h eo b j e c t i v eo ft h eo p t i m i z a t i o nw a st od e v e l o p a n dt e s tam o d e lo fa r e ae s t i m a t i n gf o rt h eh e a t i n gs u r f a c e s a n a l y z e da n dm o d e l e db o t ht h e s o l es u r f a c ea n dt h es u b s y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fs e v e r a ls u r f a c e s t h ee s t i m a t i o nw a s v e r yc o m p l e xf o rs e v e r a lp e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o n s ，i n c l u d i n gt h e r m a lc a l c u l a t i o n ，h y d r a u l i c r e s i s t a n c ec a l c u l a t i o na n df u e l g a s a i rr e s i s t a n c ec a l c u l a t i o n s h o u l da l lb ed o n e t h e i i i m o d e lo ft h e o p t i m i z a t i o nw a sd e v e l o p e db a s e do nt h e r m a lc a l c u l a t i o nw h i l eo t h e r p e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o n sa r es i m p l i f i e da sc o n s t r a i n t s ，w h i c hw e r ei n t r o d u c e da sg e o m e t r i c c o n s t r a i n t s ，v e l o c i t yc o n s t r a i n t sa n dt e m p e r a t u r ec o n s t r a i n t st oi n s u r et h a tt h ec a n d i d a t e d e s i g ns c h e m e ss a t i s f i e dt oa l lt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n s t h eg ab a s e do p t i m i z a t i o nm e t h o d c o u l db e a m l ys e a r c ht h ew h o l es o l u t i o ns p a c e a tl a s t ，ap a r e t os o l u t i o ns e t ，w h i c hw a s c o m p o s e do fs e v e r a lo p t i m i z e ds c h e m e s ，w a sp r o d u c e d m o d i f i e dg e n e t i c a l g o r i t h mm o d e l sw e r ep r o p o s e do nt h eb a s i so ft h es i m p l eg e n e t i c a l g o r i t h m c a s e - b a s e dr e a s o n i n ga n d r a n d o m l yg e n e r a t i n g w e r ec o m b i n e di ni n i t i a l p o p u l a t i o ng e n e r a t i o np r o c e s s ，w h i c hc o u l dh e l pi n t r o d u c i n gd e s i g ne x p e r i e n c ei n t og e n e t i c a l g o r i t h me f f e c t i v e l ya n df i n d i n gt h eg l o b a lo p t i m a ls o l u t i o ne f f i c i e n t l y u s e d ”m e t h o do f m e m b e r sg r o u p i n g ”，d i v i d i n gt h ep o p u l a t i o ni n t ot w os u b g r o u p s ，t h e nt h ef a t h e ri n d i v i d u a l a n dm o t h e ri n d i v i d u a lw e r ep i c k e df r o mt h et w os u b - g r o u p sr e s p e c t i v e l y u s e d “s i g m o i d c r o s s o v e r ”t og e n e r a t en e wi n d i v i d u a l s t h eb e s tt w oc h i l di n d i v i d u a l sw h i c hw o ni nt h e ”f a m i l yc o m p e t i t i o n ”w e r ec h o s e na sn e wp o p u l a t i o nm e m b e r s t h i sm e t h o dc o u l da v o i d g o o dq u a l i t yg e n eo fp a r e n ti n d i v i d u a l sb e i n gl o s ti nc r o s s o v e ro p e r a t o r i nt h es e c t i o no f m u t a t i o no p e r a t i o n ，u s e da na d a p t i v em u t a t i o n t h ev a l u eo f a d a p t i v em u t a t i o nf r a c t i o nw a s c a l c u l a t e db ya ”s i g m o i df u n c t i o n ”i nt h ee a r l ys t a g eo fg e n e t i ca l g o r i t h m ，al a r g e rm u t a t i o n f r a c t i o nw a sg i v e n ，a n di tb e c a m es m a l l e rg r a d u a l l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea l g o r i t h m ， w h i c hc o u l da l s oi m p r o v et h ea v e r a g ef i t n e s so ft h ep o p u l a t i o n e x a m p l e sw e r eg i v e nt o p r o v et h a tt h e s em o d i f i e dm e t h o d sc o u l dp r o m o t et h eg e n e t i ca l g o r i t h mt of i n db e t t e rg l o b a l o p t i m u mq u i c k l ya n de f f e c t i v e l y , a n de v e n t u a l l yi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ep a r e t os o l u t i o n s e t t h ed e s i g no ft h eh e a t i n gs u r f a c es y s t e mi n v o l v e sm u c h k n o w l e d g ei nm a n yf i e l d s ，a n di th a s t om e e tas e r i e so fc e r t a i nk n o w l e d g ea n df u z z yk n o w l e d g e ，s u c ha sd e s i g nr e q u i r e m e n t s ， m a n u f a c t u r i n gr e q u i r e m e n t s ，o p e r a t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，m a i n t e n a n c er e q u i r e m e n t sa n ds oo n a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sw a su s e dt oe v a l u a t et h ed e s i g ns c h e m e si np a r e t os o l u t i o ns e t w i t ht h eg o a lo fc u t t i n gt h ei n v e s t m e n ta n do p e r a t i n ge x p e n s e ，v a r i o u s r e q u i r e m e n t si n d e s i g np r o c e s sw e r ec l a s s i f i e di n t ot w oh i e r a r c h ya n dt h e i rw e i g h tp a r a m e t e r si nc o r r e s p o n d t ot h e i rp r o p o r t i o no ft h ec o s ta r eg i v e nu n d e rt h eg u i d a n c eo f e x p e r te x p e r i e n c e i nt h i sw a y ， q u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ew e r ec o m b i n e d f i n a l l y ，t h el a s te v a l u a t i o nv a l u e so ft h ew h 0 1 e p r o g r a m sw e r ee x p o r t e db ya n a l y z i n ge a c hh i e r a r c h y ，g i v i n gt h ec r i t e r i o no ft h eb e s ts o l u t i o n s e l e c t i o n t h ed e s i g no fb o i l e rh e a t i n gs u r f a c es y s t e mi sak i n do fr o u t i n ed e s i g n ，v a r i o u sv a l u e sa r e c a l c u l a t e db yt h e o r e t i c a lf o r m u l a , b u tt h ea c t u a l o p e r a t i o nc o n d i t i o n sc a r ln o tb ef u l l y c o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，s ot h eb o i l e rp r o d u c t sd e s i g nd e p e n d sh e a v i l yo n e x p e r i e n c e i nt h i st h e s i s ，i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nd e s i g no fb o i l e rs c h e m e sw a sp r o p o s e d b a s e do ne m p i r i c a l ，i nw h i c ht h ed e s i g ne x p e r i e n c ew a se x p r e s s e d a sa l lk i n d so fc o n s t r a i n t s w i t hg a s a b i l i t yo fc r e a t i n gs e v e r a ld e s i g ns h e m e s s i m u l t a n e o u s l y , a n dt h ea h p ，s c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na b i l i t y , c o m p u t e r sc o u l dc r e a t e ，a n a l y z e ，e v a l u a t ea n de x p o r t p r o j e c t si n t e l l i g e n t l y t h i sm e t h o dc o u l di m p r o v et h ed e s i g nq u a l i t y , r e d u c et h er e l i a n c eo n t h ee x p e r i e n c e ，s h o r t e n st h ed e s i g nc y c l e k e yw o r d s ：b o i l e rh e a t i n gs u r f a c es y s t e m ，t h e r m a ld y n a m i cc a l c u l a t i o n ，s e q u e n t i a lm o d u l a rm e t h o d m o d i f i e dg e n e t i ca l g o r i t h m ，p a r e t os o l u t i o n s e t ，m e m b e rg r o u p i n g ，f a m i l y c o m p e t i t i o n ，a d a p t i v e m u t a t i o n ，a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nd e s i g nt e c h n o l o g y v 致谢 值此论文完成之际，谨向所有指导、关心和帮助过我的师长，同学、朋友和 亲人致以诚挚的感谢! 回首我的博士求学历程，我首先要衷心感谢我的导师童水光教授! 没有童老 师5 年前的指点，就不会有我今天申请博士学位的资格。在进入童老师门下后， 他那种忘我的、锐意进取的工作精神深深地影响了我。这5 年来，童老师给我创 造了宽松又富有挑战的科研工作环境，使我在各方面都得到锻炼。他不仅在学业 上给我无尽的支持，而且在生活上给我无微不至的关怀。 衷心感谢钟崴副教授! 钟老师具有的严谨治学态度是我终身学习榜样。5 年 多来，钟老师是的我良师兼益友，在科研工作上他给了我巨大的支持和帮助，使 我的博士生涯能够圆满地画上句号；生活上他经常给我提供无私的帮助，他的博 学多才、开朗的性格和幽默的言语给我的学习生活带来了众多快乐。我将永远记 得我们在羽毛球场上p k 的场景。 感谢四川i 大学的黄卫星教授在学习上给我的帮助。感谢我在四川大学四年期 间给我指导和帮助的老师、同学! 感谢师兄周鸿波博士、杨化林博士，徐阳硕士，师姐邓芳硕士。在踏入浙江 大学大门之后，他们给了我无私的帮助，不管是在科研工作上，还是在生活上。 衷心地祝福杨化林师兄、邓芳师姐和他们的儿子杨浩然家庭幸福美满；也祝福周 鸿波和张璐幸福，徐阳在美国一切顺利。 感谢周懿博士、谢金芳博士、仝营博士，难忘一起在无锡封闭式开发时的紧 张而又有意义的生活。在工作和生活上他们给了我很多帮助和关心，衷心希望他 们学业顺利! 感谢同期入学的余跃博士、唐宁硕士、严正宏硕士、林万辉硕士、陈晓霞硕 士、叶星硕士，还有杜红霞博士、金江明博士、徐阳硕士、王卉硕士、平士良博 士、陈虹港博士、赵良亮硕士、裘雪玲硕士、余正丰硕士等等，能和他们一起学 习、工作和享受轻松的课外活动是非常快乐的。感谢室友赵丽博士、陈瑞硕士和 张胜楠博士，能和他们一起卧谈是非常愉悦的事情。感谢葛俊旭在学习上提供的 无私帮助! 感谢实验室里的诸位师兄、师姐、师弟、师妹，他们是：张响博士、刘岩博 士、徐立博士、阎胜昝博士、郭涛博士、陈建良博士后，龚友平博士，钟翠霞硕 士、舒胜宏硕士、李珩硕士、张雁冰硕士、赵琼博士、赵科博士、苏亮硕士、马 海波硕士、李坤硕士、卢超硕士、林雪妹硕士、丁晟硕士、费钟秀博士、魏超博 士、冯红翠硕士、崔敏硕士、刘煜硕士。感谢他们对我的帮助和鼓励! 感谢我在浙大认识的和认识我的朋友! 感谢羽毛球场上的各个知名与不知名 的球友! 在羽毛球场上，我能彻底地放松自己，不仅认识了很多朋友，也能够强 身健体。 感谢我的好友王未、柴丹丹、刘维红、杨莹、黎梅、邵燕萍等，他们使我的 求学之路不再那么枯燥，而是充满了美好的回忆! 谨以此文献给我那亲爱的爸爸妈妈! 是他们用布满老茧的双手，含辛茹苦地 赚钱供我学习了2 2 年! 谢谢爸爸、妈妈，女儿终于要走出学校，可以回报你们 了! 感谢我的姐姐和她的一家人! 感谢家乡所有亲朋好友! 我这些挚爱的亲人们， 用充满殷切希望的双眼默默地关心我、鼓励我，和我分享生活上的点点滴滴，学 - j 上的进步与挫折! 感谢我的公公和婆婆，是他们宽容的心使得我能够安心地学习，快乐地生活! 最后，感谢我最亲爱的丈夫一李开顺! 他从始至终、一如既往地支持我的学 业! 在生活上，给我无尽的关心和爱护! 能和他白头到老是我一生的幸福! 夏钐价 二零一零年六月 于浙大求是园 浙江大学博士学位论文基于遗传算法的锅炉受热面系统智能优化设汁研究 第1 章绪论 1 1 序言 锅炉是将燃料( 固体燃料、液体燃料和气体燃料) 燃烧释放的化学能转换成热能， 且向外输出热水或蒸汽的换热设备。锅炉由“锅”和“炉”两大部分组成。其中“锅” 是指汽、水( 工质侧) 的流动系统，包括锅筒、水冷壁、辐射受热面以及对流受热面 等；“炉”是指燃料燃烧空间及烟风流动空间，包括炉膛、对流烟道和烟囱等。锅炉 是国民经济中供应蒸汽和热水，实现能量的形式及载体变换的重要装备，主要应用于 电力工业，并广泛应用于化工、冶金、纺织、造纸、食品、采暖等工业和民用领域【冯 俊凯，2 0 0 3 ，已是经济发展时代不可缺少的商品。2 0 世纪8 0 年代以后，中国的经济 发生了突飞猛进的变化，锅炉行业更加突出，全国锅炉制造企业增加近二分之一，并 形成了独立开发研制一代又一代新产品的能力，产品的技术性能已接近发达国家水 平。 近几年，在发电设备需求的强劲拉动下，电站锅炉行业迎来了前所未有的发展机 遇，取得了长足的进步。据分会统计，目前行业资产总额已达6 4 1 亿元，是2 0 0 1 年 1 3 7 亿元的4 7 倍。在行业规模迅速扩大的同时，产能也大幅提升。与产值产量的历 史最高点相比，完成工业总产值( 现行价) 4 5 0 亿元，是2 0 0 1 年5 3 亿元的8 5 倍。 电站锅炉产品产量9 7 5 4 3 万千瓦，是2 0 0 1 年11 7 3 万千瓦的8 3 倍。中国发电设备年 产量已占世界总产量5 0 左右，对全球发电设备净增量的贡献率在5 0 以上，已经成 为世界上最大的电站锅炉制造国。 中国锅炉制造业取得了长足的进步，目前已可以生产多种不同压力等级和容量的 锅炉，已成为当今世界锅炉生产和使用最多的国家。随着行业规模与实力的“跨越式、 超常规”发展，参与国际竞争规模和速度也急速攀升据分会统计，2 0 0 7 年行业完成 出口交货总值3 0 亿元，首次打破9 亿元的历史记录。2 0 0 8 年前三季度行业完成出1 2 交货总值4 0 亿元，同比增长1 6 8 。特别是自主创新的6 0 万千瓦超临界锅炉，已实 现向印度、俄罗斯、土耳其等国家的出口，标志着中国电站锅炉设计制造水平已经进 入世界先进行列。 然而，锅炉行业发展的同时也存在着不少问题。电力市场需求拉动，行业企业虽 然一直保持高位运行，规模和能力快速提升，但受原材料、配套件资源紧张、价格上 浙江大学博士学位论文 基于遗传算法的锅炉受热而系统钾能优化设、十研究 涨、企业内生产能力不足、分包外协量增加等因素影响，电站锅炉生产制造成本大幅 上涨，行业高速发展的同时，并未实现预期效益的同步增长，特别是近两年行业利润 明显下滑据分会统计，2 0 0 2 年行业全面扭亏以来，2 0 0 4 年随着产量的急剧增加， 行业获利水平实现了跨越式增长。行业利润总额历史最好水平是2 0 0 6 年的2 6 亿元， 2 0 0 7 年同比下降了3 8 。成本费用利润率历史最高值为2 0 0 4 年的1 2 ，之后每年以 2 个百分点递减，2 0 0 7 年降到4 1 8 ，比2 0 0 2 年只高出1 个百分点。2 0 0 8 年前三季 度，行业利润总额1 6 2 亿元，同比下降了2 1 ，成本费用利润率5 7 ，同比下降了 2 2 个百分点。 在2 0 0 6 2 0 1 0 年的“十一五”规划中，国家明确提出节能减排目标，要求单位g d p 能耗要比2 0 0 5 年降低2 0 ，以及相应的减排量化指标【中国新能源网，2 0 0 9 1 。企业为有 效解决国际金融风暴和原材料涨价等因素造成的困难，需要挖掘自身潜力，通过提高 技术、改进工艺、加强管理、节约降耗等措施进行自我消化。 锅炉未来的发展将进一步提高锅炉和电站热效率；降低锅炉和电站的单位功率的 设备造价；提高锅炉机组的运行灵活性和自动化水平；发展更多锅炉品种以适应不同 的燃料；提高锅炉机组及其辅助设备的运行可靠性；减少对环境的污染，节能减排将 是锅炉最大的发展亮点【郑春妮，2 0 0 9 。 随着节能减排目标的提出，余热锅炉也随之快速增长。余热锅炉是利用生产过程 中的气体或废气、废液，以及某些动力机械排气的热量产生蒸汽或热水的锅炉，它是 工业上重要的节能设备。如果在冶炼炉、焙烧窑、燃气轮机或柴油机等尾部安装余热 锅炉，可使整个系统的热能利用率显著提高，所以越来越多的水泥厂、钢铁厂等都在 尾部布置了各种形式的余热锅炉。此外，为了将发电和大规模生产液体燃料和化学品 结合起来，整体煤气化联合循环多联产( i g c c ) 也迅速发展，余热锅炉的产量也快速 增长。 锅炉一般体积庞大，制造成本高，需消耗大量的钢材。对于大型电站锅炉来说， 受热面系统的钢材消耗量占总钢耗的4 0 左右；余热锅炉中很多未设置冷却炉室，直 接设置对流管束等受热面部件，它们直接构成了整个锅炉。所以如果对锅炉受热面系 统进行优化，在保证其性能的前提下减少钢材消耗量具有重要的现实意义。 锅炉是典型的过程系统，而其中的受热面系统由多个部件以一定的拓扑结构串接 而成。所以对于受热面系统而言，各个受热面部件结构参数的任何组合都可作为系统 其中的一个设计方案，但是方案可行与否，需要通过性能分析判断。所以对受热面系 2 浙江大学博士学位论文基于遗传算法的锅炉受热面系统智能优化设计研究 i ii ii , i i 曼曼鲁曼曼曼量曼曼皇曼皇 统设计方案进行性能分析是进行优化设计的前提和基础。锅炉受热面系统性能分析包 括众多内容，包括热力性能分析、汽水阻力性能分析、烟风阻力性能分析、壁温性能 分析和强度性能分析，其中热力性能分析是其他性能分析的基础。由于这些性能分析 过程中涉及的变量众多且各个性能分析之间互相影响、互相制约，传统的手工试算方 法由于效率低已不能满足现代工业生产需要，所以进行受热面系统设计方案的计算机 性能分析是非常必要的。本文将在第2 章介绍以热力性能分析为基础的锅炉受热面系 统设计方案性能分析模型，为进一步进行方案优化设计打下基础。 传统的受热面系统方案设计效率低，准确率不高，往往是设计人员根据设计经验 选择锅炉的整体结构并进行拓扑结构设置。在部件具体结构参数设置时也是凭经验选 取参数组合，如果设计人员经验丰富则选用的部件结构参数组合能够快速接近满意 值，经过简单尝试即可形成一个可行的设计方案。但是对于一个新设计人员来说，他 在缺乏经验和缺乏参考方案的条件下，需要经过很多次结构参数组合试凑才能成功得 到一个满足要求的设计方案。锅炉受热面系统的优化是典型的多目标优化问题。受热 面部件尺寸的离散性，以及结构参数之间的非线性，使得只适用于连续型问题的求解 传统数学方法无计可施；如果进行可变参数组合化，逐个进行计算与比较，计算工作 量将非常庞大，即使高速计算机也将耗费大量时间。对于方案的优化与否，有经验的 设计人员也只是从少数几个设计方案中简单地凭经验判断进而选择相对较优的。这种 方法只是在解空间中选取几个解进行经验判断，未进行在整个解空间中搜索，只能得 到局部最优解，不能保证是接近全局最优解，更不必说是全局最优解。而对于缺乏经 验的设计人员来说，找到局部最优解都是非常困难的。如果采用一种优化方法能对受 热面系统优化设计的解空间定向搜索，那么设计方案的质量将大大提高。本文将从受 热面系统的特点出发，选择遗传算法进行受热面系统方案优化设计。利用遗传算法的 定向搜索并同时产生多个优化设计方案的功能，自动生成受热面系统优化设计方案构 成p a r e t o 解集。具体的优化设计方案产生方法和进程将在第3 章和第4 章中详细介绍。 对任何产品的优化都伴随着评价的过程，没有评价就没有优化可言。评价是指“根 据确定的目的来测定对象系统的属性，并将这种属性变为客观定量的计值或者主观效 用的行为”i 三浦武雄，1 9 8 5 。锅炉受热面系统的优劣性，主要体现在其性能的优劣、 费用的高低上。而对于费用的高低也需要评价多个指标，如制造成本，维护成本、维 修成本等，所以对它的评价需采用合适的方法综合衡量各个指标。只有评价准确了， 优化的目的才能真正达到。遗传算法得到的优化设计解集仅满足设计要求，目标函数 3 浙江大学博士学位论文基于遗传算法的锅炉受热而系统智能优化设计研究 的选取相对简单，不能作为最终的判断标准。本文将在第5 章详细介绍基于层次分析 法的锅炉受热面系统综合评价过程，分析如何从遗传算法得到的p a r e t o 解集中选出综 合最优的方案作为最终方案 传统的锅炉产品设计过程复杂，设计周期长，而优化设计往往需要进行多个方案 的手工设计并比较，耗费的时间更长，如果采用先进的计算机技术进行