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

楊 述，楊 利，陳柳松

（1．上海理工大學 機械工程學院，上海200093；2．湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院 供電與電氣學院，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）

我國是能源消耗大國，在能源方面主要依靠煤炭和石油，而這些物質(zhì)使用后會產(chǎn)生硫化物，對環(huán)境有著極大的破壞作用。隨著人們環(huán)境保護意識的增強和國家對環(huán)境保護相關(guān)法律的制定，越來越多的工廠都已經(jīng)或者開始對自己工廠所排廢氣進行脫硫處理。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，除霧器對廢氣進行脫硫處理。

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，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)，而標準除霧器是矩形結(jié)構(gòu)，因此布置除霧器的過程就是用標準除霧器和異形除霧器（非矩形）拼湊成一個圓形的過程。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，異形除霧器的個數(shù)盡量少。因為有效面積太小會導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)和異形除霧器個數(shù)的確定基本都靠工程師的工作經(jīng)驗，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行：

（1）由圖1可知，跨數(shù)應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)之后再對每一跨進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：

實踐中一般要求左邊跨和右邊跨對稱，因此實際布置方式會少于N。

（3）對于每一種布置方式，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數(shù)最少的方案作為最優(yōu)的方案。

3 具體實現(xiàn)

借助于C#和Matlab混合編程來實現(xiàn)［5］。

3．1 窮舉法獲得所有可能的方案

本項目將采用Visual Studio進行開發(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）計算布置方式總數(shù)N；

（4）布置除霧器；

（5）計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，這種方式生成的應用可以脫離Matlab環(huán)境獨立運行。調(diào)用步驟：編寫M函數(shù)，實現(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入到AutoCAD中［7］。結(jié)合相關(guān)公司的工程圖要求，實現(xiàn)一鍵出工程圖。

4 實 驗

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數(shù)和有效面積率的關(guān)系。因此能夠非常準確地選取最優(yōu)的布置方案。例如：如果要求有效面積率大于80%時，方案5～7都滿足要求；如果還要求異形除霧器個數(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，針對最優(yōu)的布置方案提出了窮舉的設計思想，然后利用C#編程實現(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，對除霧器的布置方案設計有一定的指導作用。

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

［2］ 孫義欣，馮 娜．窮舉法在程序設計中的應用［J］．計算機時代，2012，（8）：50－53．

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

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