(六盤水師范學(xué)院 電氣工程學(xué)院,貴州 六盤水 553004)
管式加熱爐是能源化工、石油加工、焦油煉制、原油輸送等工業(yè)中普遍使用的工藝加熱爐,其爐型較多,各種爐型有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn),在什么條件下選用什么爐型最好,這是管式加熱爐設(shè)計(jì)者最關(guān)心的主要問(wèn)題之一。在國(guó)內(nèi)外,由于條件不同,所選用的爐型也不同,在我國(guó)采用較多的是圓筒形加熱爐和立式爐,在日本,由于地面造價(jià)昂貴,所以偏重采用占地面積少的圓筒形加熱爐,而在英美國(guó)家,則箱式爐、圓筒爐及立式爐均有采用[1]。
究竟哪種爐型好?一般很難用幾句簡(jiǎn)單的話來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題,必須根據(jù)具體條件進(jìn)行具體的分析,要結(jié)合熱效率、占地面積、投資、施工、操作費(fèi)用和檢修等綜合考慮,因此,管式加熱爐的選型是多目標(biāo)多因數(shù)問(wèn)題。本文給出了一種新的管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型方法,即模糊層次分析法(FAHP),該方法可以對(duì)于管式加熱爐的選型進(jìn)行量化評(píng)價(jià),這對(duì)不同特性下選擇最優(yōu)的爐型提供了理論依據(jù),對(duì)管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型有著重要的指導(dǎo)意義。
管式加熱爐是當(dāng)被加熱物料不允許與加熱介質(zhì)相混時(shí),可采用直接火加熱的主要設(shè)備??晒┻x擇的管式加熱爐的主要型式有:雙斜頂型箱式爐、對(duì)流與輻射分離型箱式爐、下對(duì)流型箱式爐、直立上噴式立式爐、立式圓筒爐、A型立式爐和對(duì)流部分分離型立式圓筒爐[2]。在選擇管式加熱爐時(shí)主要考慮:輻射傳熱效果、單位面積輻射傳熱量比較值、占地面積比較和投資比較等特性的影響,將對(duì)流部分分離型立式圓筒爐與管式加熱爐的其他爐型的特性進(jìn)行比較,其特性比較結(jié)果如表1所示[2]。
將管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型中的復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行分解,分解后的各組成部分稱為元素,這些元素又按屬性分成若干組,形成不同層次。管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型中,同一層次的元素作為準(zhǔn)則對(duì)下一層的某些元素起支配作用,同時(shí)又受上一層元素的支配即層次結(jié)構(gòu)模型[3-5]。針對(duì)管式加熱爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)選型,結(jié)合管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型要求,本文重點(diǎn)考察4個(gè)特性指標(biāo)對(duì)7種管式加熱爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),建立層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。
表1 管式加熱爐的特性比較
圖1 管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型
設(shè)管式加熱爐的判斷矩陣F=(fij)n×n,表示針對(duì)上一層某元素,本層次與之有關(guān)元素之間相對(duì)重要性的比較,則管式加熱爐的判斷矩陣元素可按下述方法確定[3-5]:
建立管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型模糊判斷矩陣F:
(1)
針對(duì)管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型主要考慮特性,其不同優(yōu)選方案指標(biāo)特性的重要性如表2所示。
表2 不同優(yōu)選方案的指標(biāo)特性
根據(jù)公式(1)得不同優(yōu)選方案下的模糊判斷矩陣F:
根據(jù)表1指標(biāo)特性的重要性,建立模糊矩陣F1:
應(yīng)用相同的方法得模糊矩陣F2、F3和F4。
(2)
首先,由管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型矩陣(2)將模糊矩陣F轉(zhuǎn)化為模糊一致矩陣R:
然后,把管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型F1轉(zhuǎn)化為模糊一致矩陣R1:
R1=
應(yīng)用管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型相同的方法把F2、F3和F4轉(zhuǎn)化為模糊一致矩陣R2、R3和R4。
對(duì)于上一層次某元素而言,本層次與之有關(guān)聯(lián)的元素重要性的優(yōu)先權(quán)重即層次單排序。管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型的層次單排序指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算方法如下[3-5]。
管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型不含自身比較的模糊一致矩陣每行元素的和:
(3)
管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型不含對(duì)角線元素的總和:
(4)
式中:m為矩陣階數(shù)。
對(duì)li歸一化即可得到各指標(biāo)權(quán)重:
Wi=2li/m(m-1)
(5)
根據(jù)式(3)、式(4)和式(5)計(jì)算求得權(quán)重W:
則R1的權(quán)重W1:
W1=[0.143,0.143,0.095,0.071,0.143,0.190,0.214]T
應(yīng)用相同的方法分別求解管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型中R2、R3和R4的權(quán)重為W2、W3和W4。
(6)
根據(jù)層次總排序向量,可得最優(yōu)方案:
A=max{V1,V2,V3,…,Vn}
(7)
由層次總排序向量,本文考查的4個(gè)特性指標(biāo)對(duì)7種管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型,不同優(yōu)選方案下的優(yōu)選結(jié)果如表3所示。
表3 不同優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的結(jié)果
本文通過(guò)對(duì)管式加熱爐在什么條件下選用什么爐型最好進(jìn)行了實(shí)例分析研究,得出如下結(jié)論:
(1)采用模糊層次分析法(FAHP)對(duì)管式加熱爐進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)選型,重點(diǎn)考察了4個(gè)特性指標(biāo),對(duì)7種管式加熱爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)選型,得出6種不同優(yōu)化設(shè)計(jì)方案下的排序結(jié)果。
(2)利用模糊層次分析法進(jìn)行管式加熱爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)選是可行的并且非??茖W(xué),提高了管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型決策結(jié)果的可信度。
(3)不僅為管式加熱爐的優(yōu)化選型提供了科學(xué)的依據(jù),而且針對(duì)每種管式加熱爐形式在不同特性下,作出了客觀的評(píng)價(jià),得出不同權(quán)重下優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。
(4)對(duì)于管式加熱爐來(lái)講,該方法還可以用于多因數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)選,還可以綜合考慮施工、操作費(fèi)用、耗材和檢修等,對(duì)管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型有著重要的指導(dǎo)意義。