C#和Matlab混合編程技術(shù)在除霧器布置最優(yōu)化問題中的應(yīng)用

楊 述，楊 利，陳柳松

（1．上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海200093；2．湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 供電與電氣學(xué)院，湖南 株洲412000；3．南車電氣技術(shù)與材料工程研究院，湖南 株洲412001）

我國(guó)是能源消耗大國(guó)，在能源方面主要依靠煤炭和石油，而這些物質(zhì)使用后會(huì)產(chǎn)生硫化物，對(duì)環(huán)境有著極大的破壞作用。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)和國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)相關(guān)法律的制定，越來越多的工廠都已經(jīng)或者開始對(duì)自己工廠所排廢氣進(jìn)行脫硫處理。脫硫方法是在吸收塔中布置一層或多層脫硫除霧器，廢氣流經(jīng)吸收塔時(shí)，除霧器對(duì)廢氣進(jìn)行脫硫處理。

傳統(tǒng)的布置除霧器的方法是先利用畫圖軟件（如AutoCAD）手動(dòng)繪制除霧器布置圖，然后尋找較優(yōu)的布置方案并出圖。顯然這種方法工作效率低，而且基本上依賴于工程師的工作經(jīng)驗(yàn)，不同的工程師就可能得到不同的結(jié)果，很難得到最優(yōu)的方案。因此有必要研究一種快速尋找除霧器布置最優(yōu)方案的方法，來滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。本文利用C#和Matlab混合編程，所開發(fā)軟件具有友好的界面和較高的執(zhí)行性能，能夠很好地解決上述問題。

1 除霧器布置模型及要求

本文研究的是截面為圓形的吸收塔，吸收塔的俯視圖可簡(jiǎn)單表示為圖1。

圖1 吸收塔示意圖

如圖1所示，大圓為吸收塔外徑，小圓為吸收塔內(nèi)徑，吸收塔外徑和吸收塔內(nèi)徑直接的部分稱為環(huán)梁。為了承載除霧器，吸收塔中間需要放置主梁，主梁之間的空白部分稱為吸收塔內(nèi)部跨，兩根主梁之間的距離為跨距。

由于吸收塔截面是圓形結(jié)構(gòu)，而標(biāo)準(zhǔn)除霧器是矩形結(jié)構(gòu)，因此布置除霧器的過程就是用標(biāo)準(zhǔn)除霧器和異形除霧器（非矩形）拼湊成一個(gè)圓形的過程。最優(yōu)的布置方案必須要求在滿足給出的有效面積率的條件下，異形除霧器的個(gè)數(shù)盡量少。因?yàn)橛行娣e太小會(huì)導(dǎo)致不能夠充分滿足脫硫的條件；而異形除霧器越多，則加工難度越大。

2 除霧器布置方法

2．1 傳統(tǒng)布置方法

傳統(tǒng)除霧器布置方案基本步驟如下［3］：

（1）對(duì)于給定的吸收塔，吸收塔外徑、吸收塔內(nèi)徑、環(huán)梁寬度、主梁寬度都是確定的值，因此首先需要確定吸收塔需要布置的跨數(shù)（SpanCounts）。

（2）為每一跨進(jìn)行除霧器模塊的布置工作。

（3）記錄相關(guān)數(shù)據(jù)如除霧器個(gè)數(shù)、有效面積率等。有效面積率為除霧器覆蓋的面積除以吸收塔的總面積。

（4）出工程圖。

弊端：跨數(shù)和異形除霧器個(gè)數(shù)的確定基本都靠工程師的工作經(jīng)驗(yàn)，很難確定所選方案為最優(yōu)；且需要手工出圖，工作量大。

2．2 窮舉法布置4］

窮舉法布置按以下步驟進(jìn)行：

（1）由圖1可知，跨數(shù)應(yīng)為吸收塔的直徑除以跨距并取整，即：

（2）得到跨數(shù)SpanCounts，則可選的跨數(shù)為Span－Counts－1，SpanCounts，SpanCounts＋1。確定了跨數(shù)之后再對(duì)每一跨進(jìn)行布置除霧器模塊的工作。

每一跨有兩種布置方式：從邊線開始布置和從中心線開始布置（見圖1）。則根據(jù)排列組合，該吸收塔布置除霧器一共有N種方法：

實(shí)踐中一般要求左邊跨和右邊跨對(duì)稱，因此實(shí)際布置方式會(huì)少于N。

（3）對(duì)于每一種布置方式，它的有效面積率為所有模塊覆蓋的面積（Area）除以吸收塔總面積得到的值，即：

因此只要給定了吸收塔外徑和跨距，就可以根據(jù)公式（1）確定跨數(shù)，根據(jù)公式（2）確定布置方式，根據(jù)公式（3）計(jì)算出有效面積率，最后從所有的布置方式中選擇滿足要求的有效面積率且異形模塊個(gè)數(shù)最少的方案作為最優(yōu)的方案。

3 具體實(shí)現(xiàn)

借助于C#和Matlab混合編程來實(shí)現(xiàn)［5］。

3．1 窮舉法獲得所有可能的方案

本項(xiàng)目將采用Visual Studio進(jìn)行開發(fā)，程序的工作步驟如下：

（1）接收用戶輸入的參數(shù)；

（2）選擇跨數(shù)；

（3）計(jì)算布置方式總數(shù)N；

（4）布置除霧器；

（5）計(jì)算有效面積和異形模塊數(shù)；

（6）布置方式大于等于N，是則結(jié)束退出；否則重復(fù)布置（4）。

3．2 窮舉法獲得所有可能的方案

Matlab提供了COM Builder編譯器，把M語(yǔ)言編寫的函數(shù)或MEX文件編譯成COM組件后，可以在Visual Studio中調(diào)用該組件，這種方式生成的應(yīng)用可以脫離Matlab環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。調(diào)用步驟：編寫M函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了二維繪圖功能；利用混合編程技術(shù)，將該M函數(shù)編譯成組件，在VS中導(dǎo)入該組件；利用該組件，根據(jù)窮舉法得到的數(shù)據(jù)來繪圖，最后根據(jù)生成圖來選擇最優(yōu)的布置方案。

3．3 生成除霧器工程圖

為了生產(chǎn)需要，還要導(dǎo)出整張除霧器布置圖的AutoCAD工程圖。該方法直接采用CodePlex網(wǎng)站上的netDxf開源軟件［6］將程序中的布置圖導(dǎo)入到AutoCAD中［7］。結(jié)合相關(guān)公司的工程圖要求，實(shí)現(xiàn)一鍵出工程圖。

4 實(shí) 驗(yàn)

以內(nèi)徑為10 000 mm，跨距為2 450 mm，支撐梁寬為200 mm，圈梁寬為200 mm的吸收塔為列，利用本文的方法可得到最佳布置方案和布置圖。

（1）輸入吸收塔參數(shù)；

（2）遍歷該吸收塔所有可能的布置方案，部分方案的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1。

表1 部分方案數(shù)據(jù)

（3）畫出異形除霧器個(gè)數(shù)與吸收塔有效面積率的關(guān)系圖，如圖2所示。

（4）選擇最佳的布置方案

圖2 異形除霧器個(gè)數(shù)與吸收塔有效面積率的關(guān)系圖

從圖2可以直觀地看出異形除霧器的個(gè)數(shù)和有效面積率的關(guān)系。因此能夠非常準(zhǔn)確地選取最優(yōu)的布置方案。例如：如果要求有效面積率大于80%時(shí)，方案5～7都滿足要求；如果還要求異形除霧器個(gè)數(shù)最少，則方案7是最優(yōu)的布置方案。

（5）生成最優(yōu)布置方案圖

根據(jù)步驟四選出的最優(yōu)布置方案，畫出最優(yōu)布置方案圖，見圖3。

圖3 最優(yōu)除霧器布置圖

5 結(jié) 論

本文先分析了除霧器布置工作的原理，針對(duì)最優(yōu)的布置方案提出了窮舉的設(shè)計(jì)思想，然后利用C#編程實(shí)現(xiàn)了除霧器布置方案的生成軟件，最后利用Matlab綜合決策來選擇最優(yōu)的除霧器布置方案。實(shí)踐表明，該方法將工程師從繁瑣的畫圖工作中解放出來，僅需輸入吸收塔的相關(guān)參數(shù)和除霧器布置的技術(shù)指標(biāo)就能得到最優(yōu)的布置方案和布置圖，大大提高了工作效率，并解決了布置方案的最優(yōu)化問題，對(duì)除霧器的布置方案設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。

［1］ 金定強(qiáng)．脫硫除霧器設(shè)計(jì)［J］．電力環(huán)境保護(hù)，2001，17（4）：16－20．

［2］ 孫義欣，馮 娜．窮舉法在程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．計(jì)算機(jī)時(shí)代，2012，（8）：50－53．

［3］ 申偉強(qiáng)，馬 欣，李 劍．C#與Matlab混合編程及其在氣象數(shù)據(jù)可視化中的應(yīng)用［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013，（3）：56－57．

［4］ Daniel Carvajal．．net dxf Reader－Writer［EB／OL］．http：／／netdxf．codeplex．com／．