[发明专利]基于改进遗传算法的汽轮机调节级喷嘴数目设计优化方法

权利要求书

1.一种基于改进遗传算法的汽轮机调节级喷嘴数目设计优化方法，其特征在于

所述优化方法是基于如下模型实现：

Y＝(xgz₁-Ge₁)²+(xgz₂-Ge₂)²+......+(xgz_l-Ge_l)²，

l为负荷点的个数，基于改进遗传算法求出给定负荷点下最优喷嘴数目的组合：具体过程如下，

步骤一、初始种群设定：设定约束条件：

第一个约束条件：X₁+X₂+......+X_n＝X_z，X_z＝const                               2-2

第二个约束条件：X_min≤X_i≤X_max，i＝1，2，...，n；X_min＝const，X_max＝const    2-3

Xi表示第i个阀门对应的喷嘴数目，const表示常数，采用浮点数编码，编码区间为[X_min，X_max]

用(n-1)×m的矩阵则能表示初始种群：

x11,x12,...,x1(n-1)x21,x22,...,x2(n-1).........................xm1,xm2,...,xm(n-1),]]>x_i′j′∈R_，i′＝1，2，...，m，j′＝1，2，...，n-1.                             2-4

其中m代表编码的个体数目，x_i′j′为满足第二个约束条件的随机数，上述初始种群采用满足第二个约束条件的约束编码的形式构造；对于一个个体，其每个染色体x_i′1，x_i′2，x_i′3...x_i′(n-1)分别为前(n-1)个调节阀门对应的喷嘴组喷嘴数目X₁，X₂，X₃...X_(n-1)的编码，其对应关系为：

X_i′j′＝round(x_i′j′)，i′＝1，2...m，j′＝1，2，...，n-1                  2-5

round表示四舍五入取整，计算出X₁，X₂，X₃...X_(n-1)后，而最后一个喷嘴数目通过下式计算：X_n为：

X_i′n＝X_z-(X_i′1+X_i′2+...+X_i′(n-1))                                         2-7

初始种群内的元素在编码区间范围内是随机选取的，由于第二个约束条件在初始种群进行编码的时候不能很好的满足，编码过程中会产生一些无意义的个体使得：

X_i′n＞X_max OR X_i′n＜X_min                                                   2-8

通过步骤二满足第二个约束条件，使不满足约束条件的个体在迭代中舍弃，

步骤二：构建基于汽轮机调节级变工况计算的适应度函数ObjV，通过适应度计算，实现个体的优化选择，同时使优化结果中第n个喷嘴组喷嘴数目也满足第二个约束条件

定义适应度函数为：ObjV＝OBJ_func(Ge，Fa，X₁，X₂，...，X_n)，

该函数的映射关系为：输入给定负荷点的流量Ge、2ⁿ个阀门开度组合，其中阀门开度为全开或全关、阀门喷嘴组喷嘴数目组合X₁，X₂，X₃...X_n，其中喷嘴组喷嘴数目组合是通过步骤一中初始种群一个个体的编码产生、用户设定的机组参数：汽轮机的型号、调节级几何尺寸，新汽的压力和温度、调节级后压力、额定流量和调节级后额定压力和温度，

映射：通过阀门喷嘴数目组合X₁，X₂，X₃...X_n、热力学参数、调节级特性曲线、几何参数和2ⁿ个阀门开度组合，通过调节级变工况计算方法得到2ⁿ个流量值[Xgz₁，Xgz₂....Xgz2ⁿ]；

计算汽轮机在该负荷点下调节级后的流量xgz：

xgz＝Xgz_j                                        2-9

其中Xgz_j满足条件：

|Xgzj-Ge|=min(|Xgz1-Ge|,|Xgz2-Ge|,......,|Xgz2n-Ge|),j=1,2,...,2n,]]>

Ge为该负荷点下调节级后理论流量，对每一个给定的负荷点，均计算一个xgz，

输出：定义式2-10表征该喷嘴组合的机组在负荷点运行下的综合效应，Y值越小，说明该喷嘴组合越好，

Y＝(xgz₁-Ge₁)²+(xgz₂-Ge₂)²+......+(xgz_l-Ge_l)²    2-10

适应度函数的最终表达为：

对于符合条件的个体：X_min≤X_n≤X_max

ObjV=1Y---2-11]]>

对于不符合条件的个体：X_n＞X_max OR X_n＜X_min，采用指数尺度变换式(2-11)

目标函数

ObjV=1Y/eαδ---2-12]]>

式2-12中表明不满足第二个约束的喷嘴组合其适应度值被缩小了e^αδ倍。

δ=Xn-XmaxXmax,ifXn>XmaxXmin-XnXmin,ifXn<Xmin---2-13]]>

步骤三、完成上步骤后，再进行基于传统的遗传算法的选择、交叉、变异过程；当遗传代数达到终止条件N代时，遗传过程终止，输出满足实际流量与理论流量偏离值Y最小时的输出该负荷点能达到最优的喷嘴数目组合、调节级后流量、各阀门后压力、气流力。

2.根据权利要求1所述基于改进遗传算法的汽轮机调节级喷嘴数目设计优化方法，其特征在于步骤二中所述的调节级变工况计算方法为：步骤二一、计算调节级各个阀门的理论流量：G_i＝G_e·ξ_k，其中G_k为负荷点的理论流量，G_e为汽轮机的额定流量，ξ_k为在负荷点下汽轮机运行功率占额定功率的百分比，k＝1，2，...l，k为工作负荷点的个数；

步骤二二、由各阀门喷嘴数目及其对应阀门开度计算实际流量G_kj：

Gkj=0.648Ankp0kρ0kβ1kp2p0kp2=Akμkp2---(1-1),]]>式中：j为阀门的开度组合形式，β_1k为第k个喷嘴组的调节级流量比，A_nk为第k个喷嘴组各个喷嘴喉部截面积之和，p_0k为第k个调节阀阀后的压力(即调节阀对应的喷嘴组前)，ρ_0k为第k个调节阀阀后的密度(即调节阀对应的喷嘴组前)，p_1k为第k个喷嘴组的喷嘴背压，p₂为调节级后汽室中的压力；

在实际计算过程中，p_1k与p₂的值不等，将喷嘴组流量方程改为：

Gkj=0.648Ankp0kρ0kβ2kλkp2p0kp2---(1-2),]]>

式中：β_2k为调节级的流量比，λ_k是调节级前后压力比的函数；

步骤二三、通过二分法计算p₂：步骤A、给定一个喷嘴后压力p₁；步骤B、根据热力计算公式计算出喷嘴出口处蒸汽的焓h₁、蒸汽的速度c₁和动叶进口蒸汽的相对速度w₁，再通过公式(1-1)计算出一个喷嘴蒸汽的出口流量G_n；步骤C、然后假设一个动叶出口蒸汽的压力，即调节级后压力p₂；步骤D、通过热力计算公式得出动叶出口处蒸汽的焓h₂、密度ρ₂、出口蒸汽的相对速度w₂和绝对速度c₂，再通过公式(1-1)计算出动叶出口蒸汽的流量G_b；步骤E、若G_b≠G_n，返回至步骤C继续计算，直到得到G_b＝G_n，得出调节级后压力p₂；

步骤二四、根据步骤三中得出的调节级后压力p₂和参数带入到公式(1-2)中计算出实际流量G_ij。