基于FAHP的管式加热炉优化设计选型

(六盘水师范学院 电气工程学院，贵州 六盘水 553004)

管式加热炉是能源化工、石油加工、焦油炼制、原油输送等工业中普遍使用的工艺加热炉，其炉型较多，各种炉型有各自不同的优缺点，在什么条件下选用什么炉型最好，这是管式加热炉设计者最关心的主要问题之一。在国内外，由于条件不同，所选用的炉型也不同，在我国采用较多的是圆筒形加热炉和立式炉，在日本，由于地面造价昂贵，所以偏重采用占地面积少的圆筒形加热炉，而在英美国家，则箱式炉、圆筒炉及立式炉均有采用[1]。

究竟哪种炉型好？一般很难用几句简单的话来回答这个问题，必须根据具体条件进行具体的分析，要结合热效率、占地面积、投资、施工、操作费用和检修等综合考虑，因此，管式加热炉的选型是多目标多因数问题。本文给出了一种新的管式加热炉优化设计选型方法，即模糊层次分析法(FAHP)，该方法可以对于管式加热炉的选型进行量化评价，这对不同特性下选择最优的炉型提供了理论依据，对管式加热炉优化设计选型有着重要的指导意义。

1 设计与特性比较

管式加热炉是当被加热物料不允许与加热介质相混时，可采用直接火加热的主要设备。可供选择的管式加热炉的主要型式有：双斜顶型箱式炉、对流与辐射分离型箱式炉、下对流型箱式炉、直立上喷式立式炉、立式圆筒炉、A型立式炉和对流部分分离型立式圆筒炉[2]。在选择管式加热炉时主要考虑：辐射传热效果、单位面积辐射传热量比较值、占地面积比较和投资比较等特性的影响，将对流部分分离型立式圆筒炉与管式加热炉的其他炉型的特性进行比较，其特性比较结果如表1所示[2]。

2 模糊层次分析法优化设计选型

2.1 建立管式加热炉优化设计选型的层次结构模型

将管式加热炉优化设计选型中的复杂问题进行分解，分解后的各组成部分称为元素，这些元素又按属性分成若干组，形成不同层次。管式加热炉优化设计选型中,同一层次的元素作为准则对下一层的某些元素起支配作用，同时又受上一层元素的支配即层次结构模型[3-5]。针对管式加热炉的优化设计选型，结合管式加热炉优化设计选型要求，本文重点考察4个特性指标对7种管式加热炉进行优化设计，建立层次结构模型如图1所示。

表1 管式加热炉的特性比较

图1 管式加热炉优化设计选型

2.2 确定管式加热炉优化设计选型的判断矩阵

设管式加热炉的判断矩阵F=(fij)n×n，表示针对上一层某元素，本层次与之有关元素之间相对重要性的比较，则管式加热炉的判断矩阵元素可按下述方法确定[3-5]：

建立管式加热炉优化设计选型模糊判断矩阵F：

(1)

针对管式加热炉优化设计选型主要考虑特性，其不同优选方案指标特性的重要性如表2所示。

表2 不同优选方案的指标特性

根据公式(1)得不同优选方案下的模糊判断矩阵F：

根据表1指标特性的重要性，建立模糊矩阵F1：

应用相同的方法得模糊矩阵F2、F3和F4。

2.3 构造管式加热炉优化设计选型的模糊一致矩阵

(2)

首先，由管式加热炉优化设计选型矩阵(2)将模糊矩阵F转化为模糊一致矩阵R：

然后，把管式加热炉优化设计选型F1转化为模糊一致矩阵R1：

R1=

应用管式加热炉优化设计选型相同的方法把F2、F3和F4转化为模糊一致矩阵R2、R3和R4。

2.4 管式加热炉优化设计选型的层次单排序

对于上一层次某元素而言，本层次与之有关联的元素重要性的优先权重即层次单排序。管式加热炉优化设计选型的层次单排序指标权重的计算方法如下[3-5]。

管式加热炉优化设计选型不含自身比较的模糊一致矩阵每行元素的和：

(3)

管式加热炉优化设计选型不含对角线元素的总和：

(4)

式中：m为矩阵阶数。

对li归一化即可得到各指标权重：

Wi=2li/m(m-1)

(5)

根据式(3)、式(4)和式(5)计算求得权重W：

则R1的权重W1：

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

应用相同的方法分别求解管式加热炉优化设计选型中R2、R3和R4的权重为W2、W3和W4。

2.5 不同优选方案的管式加热炉层次总排序

(6)

根据层次总排序向量，可得最优方案：

A=max{V1,V2,V3,…,Vn}

(7)

由层次总排序向量，本文考查的4个特性指标对7种管式加热炉优化设计选型，不同优选方案下的优选结果如表3所示。

表3 不同优化设计方案的结果

3 结 论

本文通过对管式加热炉在什么条件下选用什么炉型最好进行了实例分析研究，得出如下结论：

(1)采用模糊层次分析法(FAHP)对管式加热炉进行了优化设计选型，重点考察了4个特性指标，对7种管式加热炉进行优化设计选型，得出6种不同优化设计方案下的排序结果。

(2)利用模糊层次分析法进行管式加热炉的优化设计优选是可行的并且非常科学，提高了管式加热炉优化设计选型决策结果的可信度。

(3)不仅为管式加热炉的优化选型提供了科学的依据，而且针对每种管式加热炉形式在不同特性下，作出了客观的评价，得出不同权重下优化设计的结果。

(4)对于管式加热炉来讲，该方法还可以用于多因数的优化设计优选，还可以综合考虑施工、操作费用、耗材和检修等，对管式加热炉优化设计选型有着重要的指导意义。