基于FAHP的管式加熱爐優化設計選型

(六盤水師范學院 電氣工程學院，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缺點，在什么條件下選用什么爐型最好，這是管式加熱爐設計者最關心的主要問題之一。在國內外，由于條件不同，所選用的爐型也不同，在我國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？一般很難用幾句簡單的話來回答這個問題，必須根據具體條件進行具體的分析，要結合熱效率、占地面積、投資、施工、操作費用和檢修等綜合考慮，因此，管式加熱爐的選型是多目標多因數問題。本文給出了一種新的管式加熱爐優化設計選型方法，即模糊層次分析法(FAHP)，該方法可以對于管式加熱爐的選型進行量化評價，這對不同特性下選擇最優的爐型提供了理論依據，對管式加熱爐優化設計選型有著重要的指導意義。

1 設計與特性比較

管式加熱爐是當被加熱物料不允許與加熱介質相混時，可采用直接火加熱的主要設備。可供選擇的管式加熱爐的主要型式有：雙斜頂型箱式爐、對流與輻射分離型箱式爐、下對流型箱式爐、直立上噴式立式爐、立式圓筒爐、A型立式爐和對流部分分離型立式圓筒爐[2]。在選擇管式加熱爐時主要考慮：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行比較，其特性比較結果如表1所示[2]。

2 模糊層次分析法優化設計選型

2.1 建立管式加熱爐優化設計選型的層次結構模型

將管式加熱爐優化設計選型中的復雜問題進行分解，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。管式加熱爐優化設計選型中,同一層次的元素作為準則對下一層的某些元素起支配作用，同時又受上一層元素的支配即層次結構模型[3-5]。針對管式加熱爐的優化設計選型，結合管式加熱爐優化設計選型要求，本文重點考察4個特性指標對7種管式加熱爐進行優化設計，建立層次結構模型如圖1所示。

表1 管式加熱爐的特性比較

圖1 管式加熱爐優化設計選型

2.2 確定管式加熱爐優化設計選型的判斷矩陣

設管式加熱爐的判斷矩陣F=(fij)n×n，表示針對上一層某元素，本層次與之有關元素之間相對重要性的比較，則管式加熱爐的判斷矩陣元素可按下述方法確定[3-5]：

建立管式加熱爐優化設計選型模糊判斷矩陣F：

(1)

針對管式加熱爐優化設計選型主要考慮特性，其不同優選方案指標特性的重要性如表2所示。

表2 不同優選方案的指標特性

根據公式(1)得不同優選方案下的模糊判斷矩陣F：

根據表1指標特性的重要性，建立模糊矩陣F1：

應用相同的方法得模糊矩陣F2、F3和F4。

2.3 構造管式加熱爐優化設計選型的模糊一致矩陣

(2)

首先，由管式加熱爐優化設計選型矩陣(2)將模糊矩陣F轉化為模糊一致矩陣R：

然后，把管式加熱爐優化設計選型F1轉化為模糊一致矩陣R1：

R1=

應用管式加熱爐優化設計選型相同的方法把F2、F3和F4轉化為模糊一致矩陣R2、R3和R4。

2.4 管式加熱爐優化設計選型的層次單排序

對于上一層次某元素而言，本層次與之有關聯的元素重要性的優先權重即層次單排序。管式加熱爐優化設計選型的層次單排序指標權重的計算方法如下[3-5]。

管式加熱爐優化設計選型不含自身比較的模糊一致矩陣每行元素的和：

(3)

管式加熱爐優化設計選型不含對角線元素的總和：

(4)

式中：m為矩陣階數。

對li歸一化即可得到各指標權重：

Wi=2li/m(m-1)

(5)

根據式(3)、式(4)和式(5)計算求得權重W：

則R1的權重W1：

W1=[0.143,0.143,0.095,0.071,0.143,0.190,0.214]T

應用相同的方法分別求解管式加熱爐優化設計選型中R2、R3和R4的權重為W2、W3和W4。

2.5 不同優選方案的管式加熱爐層次總排序

(6)

根據層次總排序向量，可得最優方案：

A=max{V1,V2,V3,…,Vn}

(7)

由層次總排序向量，本文考查的4個特性指標對7種管式加熱爐優化設計選型，不同優選方案下的優選結果如表3所示。

表3 不同優化設計方案的結果

3 結 論

本文通過對管式加熱爐在什么條件下選用什么爐型最好進行了實例分析研究，得出如下結論：

(1)采用模糊層次分析法(FAHP)對管式加熱爐進行了優化設計選型，重點考察了4個特性指標，對7種管式加熱爐進行優化設計選型，得出6種不同優化設計方案下的排序結果。

(2)利用模糊層次分析法進行管式加熱爐的優化設計優選是可行的并且非常科學，提高了管式加熱爐優化設計選型決策結果的可信度。

(3)不僅為管式加熱爐的優化選型提供了科學的依據，而且針對每種管式加熱爐形式在不同特性下，作出了客觀的評價，得出不同權重下優化設計的結果。

(4)對于管式加熱爐來講，該方法還可以用于多因數的優化設計優選，還可以綜合考慮施工、操作費用、耗材和檢修等，對管式加熱爐優化設計選型有著重要的指導意義。