基于FAHP的管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型

(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)心的主要問題之一。在國內(nèi)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(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(gè)問題，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)，該方法可以對于管式加熱爐的選型進(jìn)行量化評價(jià)，這對不同特性下選擇最優(yōu)的爐型提供了理論依據(jù)，對管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型有著重要的指導(dǎo)意義。

1 設(shè)計(jì)與特性比較

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。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(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]。

2 模糊層次分析法優(yōu)化設(shè)計(jì)選型

2.1 建立管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型的層次結(jié)構(gòu)模型

將管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型中的復(fù)雜問題進(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

2.2 確定管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型的判斷矩陣

設(shè)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(guān)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(yōu)化設(shè)計(jì)選型模糊判斷矩陣F：

(1)

針對管式加熱爐優(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。

2.3 構(gòu)造管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型的模糊一致矩陣

(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。

2.4 管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)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(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)選型不含對角線元素的總和：

(4)

式中：m為矩陣階數(shù)。

對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。

2.5 不同優(yōu)選方案的管式加熱爐層次總排序

(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

3 結(jié) 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(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)，而且針對每種管式加熱爐形式在不同特性下，作出了客觀的評價(jià)，得出不同權(quán)重下優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。

(4)對于管式加熱爐來講，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，對管式加熱爐優(yōu)化設(shè)計(jì)選型有著重要的指導(dǎo)意義。