C#和Matlab混合编程技术在除雾器布置最优化问题中的应用

杨 述，杨 利，陈柳松

（1．上海理工大学 机械工程学院，上海200093；2．湖南铁道职业技术学院 供电与电气学院，湖南 株洲412000；3．南车电气技术与材料工程研究院，湖南 株洲412001）

我国是能源消耗大国，在能源方面主要依靠煤炭和石油，而这些物质使用后会产生硫化物，对环境有着极大的破坏作用。随着人们环境保护意识的增强和国家对环境保护相关法律的制定，越来越多的工厂都已经或者开始对自己工厂所排废气进行脱硫处理。脱硫方法是在吸收塔中布置一层或多层脱硫除雾器，废气流经吸收塔时，除雾器对废气进行脱硫处理。

传统的布置除雾器的方法是先利用画图软件（如AutoCAD）手动绘制除雾器布置图，然后寻找较优的布置方案并出图。显然这种方法工作效率低，而且基本上依赖于工程师的工作经验，不同的工程师就可能得到不同的结果，很难得到最优的方案。因此有必要研究一种快速寻找除雾器布置最优方案的方法，来满足实际生产的要求。本文利用C#和Matlab混合编程，所开发软件具有友好的界面和较高的执行性能，能够很好地解决上述问题。

1 除雾器布置模型及要求

本文研究的是截面为圆形的吸收塔，吸收塔的俯视图可简单表示为图1。

图1 吸收塔示意图

如图1所示，大圆为吸收塔外径，小圆为吸收塔内径，吸收塔外径和吸收塔内径直接的部分称为环梁。为了承载除雾器，吸收塔中间需要放置主梁，主梁之间的空白部分称为吸收塔内部跨，两根主梁之间的距离为跨距。

由于吸收塔截面是圆形结构，而标准除雾器是矩形结构，因此布置除雾器的过程就是用标准除雾器和异形除雾器（非矩形）拼凑成一个圆形的过程。最优的布置方案必须要求在满足给出的有效面积率的条件下，异形除雾器的个数尽量少。因为有效面积太小会导致不能够充分满足脱硫的条件；而异形除雾器越多，则加工难度越大。

2 除雾器布置方法

2．1 传统布置方法

传统除雾器布置方案基本步骤如下［3］：

（1）对于给定的吸收塔，吸收塔外径、吸收塔内径、环梁宽度、主梁宽度都是确定的值，因此首先需要确定吸收塔需要布置的跨数（SpanCounts）。

（2）为每一跨进行除雾器模块的布置工作。

（3）记录相关数据如除雾器个数、有效面积率等。有效面积率为除雾器覆盖的面积除以吸收塔的总面积。

（4）出工程图。

弊端：跨数和异形除雾器个数的确定基本都靠工程师的工作经验，很难确定所选方案为最优；且需要手工出图，工作量大。

2．2 穷举法布置4］

穷举法布置按以下步骤进行：

（1）由图1可知，跨数应为吸收塔的直径除以跨距并取整，即：

（2）得到跨数SpanCounts，则可选的跨数为Span－Counts－1，SpanCounts，SpanCounts＋1。确定了跨数之后再对每一跨进行布置除雾器模块的工作。

每一跨有两种布置方式：从边线开始布置和从中心线开始布置（见图1）。则根据排列组合，该吸收塔布置除雾器一共有N种方法：

实践中一般要求左边跨和右边跨对称，因此实际布置方式会少于N。

（3）对于每一种布置方式，它的有效面积率为所有模块覆盖的面积（Area）除以吸收塔总面积得到的值，即：

因此只要给定了吸收塔外径和跨距，就可以根据公式（1）确定跨数，根据公式（2）确定布置方式，根据公式（3）计算出有效面积率，最后从所有的布置方式中选择满足要求的有效面积率且异形模块个数最少的方案作为最优的方案。

3 具体实现

借助于C#和Matlab混合编程来实现［5］。

3．1 穷举法获得所有可能的方案

本项目将采用Visual Studio进行开发，程序的工作步骤如下：

（1）接收用户输入的参数；

（2）选择跨数；

（3）计算布置方式总数N；

（4）布置除雾器；

（5）计算有效面积和异形模块数；

（6）布置方式大于等于N，是则结束退出；否则重复布置（4）。

3．2 穷举法获得所有可能的方案

Matlab提供了COM Builder编译器，把M语言编写的函数或MEX文件编译成COM组件后，可以在Visual Studio中调用该组件，这种方式生成的应用可以脱离Matlab环境独立运行。调用步骤：编写M函数，实现了二维绘图功能；利用混合编程技术，将该M函数编译成组件，在VS中导入该组件；利用该组件，根据穷举法得到的数据来绘图，最后根据生成图来选择最优的布置方案。

3．3 生成除雾器工程图

为了生产需要，还要导出整张除雾器布置图的AutoCAD工程图。该方法直接采用CodePlex网站上的netDxf开源软件［6］将程序中的布置图导入到AutoCAD中［7］。结合相关公司的工程图要求，实现一键出工程图。

4 实 验

以内径为10 000 mm，跨距为2 450 mm，支撑梁宽为200 mm，圈梁宽为200 mm的吸收塔为列，利用本文的方法可得到最佳布置方案和布置图。

（1）输入吸收塔参数；

（2）遍历该吸收塔所有可能的布置方案，部分方案的相关数据如表1。

表1 部分方案数据

（3）画出异形除雾器个数与吸收塔有效面积率的关系图，如图2所示。

（4）选择最佳的布置方案

图2 异形除雾器个数与吸收塔有效面积率的关系图

从图2可以直观地看出异形除雾器的个数和有效面积率的关系。因此能够非常准确地选取最优的布置方案。例如：如果要求有效面积率大于80%时，方案5～7都满足要求；如果还要求异形除雾器个数最少，则方案7是最优的布置方案。

（5）生成最优布置方案图

根据步骤四选出的最优布置方案，画出最优布置方案图，见图3。

图3 最优除雾器布置图

5 结 论

本文先分析了除雾器布置工作的原理，针对最优的布置方案提出了穷举的设计思想，然后利用C#编程实现了除雾器布置方案的生成软件，最后利用Matlab综合决策来选择最优的除雾器布置方案。实践表明，该方法将工程师从繁琐的画图工作中解放出来，仅需输入吸收塔的相关参数和除雾器布置的技术指标就能得到最优的布置方案和布置图，大大提高了工作效率，并解决了布置方案的最优化问题，对除雾器的布置方案设计有一定的指导作用。

［1］ 金定强．脱硫除雾器设计［J］．电力环境保护，2001，17（4）：16－20．

［2］ 孙义欣，冯 娜．穷举法在程序设计中的应用［J］．计算机时代，2012，（8）：50－53．

［3］ 申伟强，马 欣，李 剑．C#与Matlab混合编程及其在气象数据可视化中的应用［J］．科技创新导报，2013，（3）：56－57．

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