高力明 劉蓓瑛 李朝有

（1.陜西科技大學(xué)，西安：710021；2.廣西三環(huán)企業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北流：537400）

1 前言

熱工設(shè)備和系統(tǒng)就其通用性而言，可以說(shuō)在幾乎所有的工程領(lǐng)域中都是不可或缺的。不論是以能源利用和轉(zhuǎn)化為主要目的之能源工程和動(dòng)力工程，還是能源利用率對(duì)其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性有重要影響的眾多工程領(lǐng)域，無(wú)一不是如此。陶瓷工業(yè)中的窯爐、干燥器及其它設(shè)備的投資、建造、運(yùn)行和耗能情況，對(duì)于陶瓷工廠的投資者、生產(chǎn)者和管理者的重要性是毋庸多言的。熱工設(shè)備及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在陶瓷工廠的設(shè)計(jì)中占有十分重要的地位。隨著設(shè)備的大型化以及系統(tǒng)的復(fù)雜化，對(duì)熱工設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高。在現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中，已不僅要求有單機(jī)、單臺(tái)設(shè)備內(nèi)部諸參數(shù)的最佳組合，而且要求系統(tǒng)的流程及系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備之間的參數(shù)間也要有最佳的匹配。

隨著近現(xiàn)代數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算數(shù)學(xué)的飛速發(fā)展、計(jì)算機(jī)的高度普及和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨白熱化，就有了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)運(yùn)而生和在工程設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用。陶瓷工業(yè)面對(duì)參與國(guó)際、國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)這樣十分緊迫的任務(wù)，如何在行業(yè)中更快地推行和普及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已迫在眉睫。目前存在的主要問(wèn)題是在各種書籍和文獻(xiàn)資料中介紹數(shù)學(xué)理論和算法的較多，卻缺少與工程問(wèn)題聯(lián)系的入口。而根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，建立這樣一個(gè)“接口”往往是推行和普及新技術(shù)、新方法的關(guān)鍵的一步。為此，本文將從設(shè)計(jì)及其優(yōu)化的一般概念出發(fā)，針對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化問(wèn)題，比較詳盡地介紹了優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程和步驟，并結(jié)合陶瓷工業(yè)熱工設(shè)備的實(shí)際給出了一些有用的提示。限于篇幅，本文著重于介紹設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而對(duì)于系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)一步討論將另文再議。希望我們的介紹能對(duì)促進(jìn)行業(yè)的設(shè)計(jì)方法的進(jìn)步和水準(zhǔn)的提升起到一些作用。

2 設(shè)計(jì)與其優(yōu)化

2.1 設(shè)計(jì)的優(yōu)化

設(shè)計(jì)是一種既基于科學(xué)技術(shù)，又要憑借已有經(jīng)驗(yàn)的活動(dòng)，是技術(shù)領(lǐng)域中工程師們的主要工作之一。

優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是按照一定的設(shè)計(jì)思想，建立在最低成本、最大收益追求之上的目標(biāo)函數(shù)，然后在若干技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的約束條件下，用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法尋找目標(biāo)函數(shù)的極大值（或極小值）及其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量值。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以大大改善和提高設(shè)計(jì)的品質(zhì)，并有望使系統(tǒng)和設(shè)備均達(dá)到最佳或較佳的運(yùn)行狀態(tài)，創(chuàng)造出更高、更大的效益。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的出現(xiàn)是工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)展的必然結(jié)果，也是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要前提。掌握并推廣優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是我國(guó)建立和發(fā)展社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的一種現(xiàn)實(shí)需求。

2.2 熱工設(shè)備和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在陶瓷工業(yè)中，通常把窯爐和干燥器等合稱作熱工設(shè)備。但在化工、電力等行業(yè)中，“熱工設(shè)備”則包括更多的種類。

一般概念上的熱工設(shè)備的設(shè)計(jì)可分為兩個(gè)部分。第一部分為工藝設(shè)計(jì)，第二部分則為機(jī)械設(shè)計(jì)。工藝設(shè)計(jì)，指的是對(duì)于在設(shè)備中發(fā)生的傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)（如燃燒）等過(guò)程的設(shè)計(jì)。通?？砂凑召|(zhì)量和能量守恒原理建立的平衡方程以及過(guò)程的速率方程，來(lái)確定與運(yùn)行參數(shù)直接相關(guān)的設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及主要的熱力學(xué)參數(shù)和水力學(xué)參數(shù)（可統(tǒng)稱作“熱工參數(shù)”）等。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，則是通過(guò)對(duì)包含經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)的極大化（或極小化）來(lái)確定上述這些結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱工參數(shù)。而隨后進(jìn)行的機(jī)械設(shè)計(jì)，則是在這些結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行條件下進(jìn)一步對(duì)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械強(qiáng)度、剛性、操縱機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)等作設(shè)計(jì)。在本文中，我們將只討論熱工設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題，而不涉及機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指對(duì)由許多設(shè)備組成、用來(lái)完成既定設(shè)計(jì)目標(biāo)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主要工作也包括兩部分，即過(guò)程設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)。熱工設(shè)備的選用和設(shè)計(jì)通常取決于系統(tǒng)，而系統(tǒng)的確定則取決上一層的設(shè)計(jì)任務(wù)的給定，以及對(duì)更大規(guī)模、更高層次的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益的追求。設(shè)計(jì)時(shí)，必須首先確定系統(tǒng)是無(wú)疑的。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般更加注意流程的合理性和對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響，也會(huì)更加重視設(shè)備之間的匹配問(wèn)題。由于熱工系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)又有自身的特點(diǎn)和規(guī)律，可能需要借助不同于設(shè)備設(shè)計(jì)的最優(yōu)化方法。限于篇幅，本文不擬討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。

3 設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

陶瓷工業(yè)窯爐（以隧道窯為代表）的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是圍繞物料平衡、燃燒計(jì)算和熱平衡進(jìn)行的。窯爐的結(jié)構(gòu)尺寸（長(zhǎng)度、內(nèi)寬等）是先行給定或確定的，對(duì)于產(chǎn)量只做核算。熱工計(jì)算的目的是求出燃耗或熱耗，附帶算出冷卻風(fēng)用量和可供抽出的熱風(fēng)量。而優(yōu)化設(shè)計(jì)方法則與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有很大的不同。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是圍繞以經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)的極大化（或極小化），即最優(yōu)化進(jìn)行的，而將產(chǎn)量、單位產(chǎn)品熱耗、氣體流動(dòng)阻力等僅作為約束條件，至多是列作權(quán)系數(shù)較小的、次要的分目標(biāo)函數(shù)。人們把主要的努力放在關(guān)乎經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的主要的分目標(biāo)函數(shù)之上。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終才給出窯爐的主要結(jié)構(gòu)尺寸以及一些熱工參數(shù)等。下面詳細(xì)地介紹設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程和步驟：

3.1 選定設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)

在設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，常用的包含經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)是最低費(fèi)用C1或最大的凈收益C2，即：

看上去，這些目標(biāo)函數(shù)似乎簡(jiǎn)單到一目了然，但實(shí)際上在建立設(shè)備的目標(biāo)函數(shù)時(shí)，還需要做大量細(xì)致的工作。這其中首要的是需選定設(shè)計(jì)變量。

在選定設(shè)計(jì)變量時(shí)，應(yīng)把主要注意力放在影響投資、運(yùn)行和維修費(fèi)用的設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運(yùn)行的熱工參數(shù)之上。例如，對(duì)于（窯車式）隧道窯和輥道窯，最重要的變量應(yīng)該是窯長(zhǎng)L、窯道內(nèi)寬B、最高燒成溫度t燒成和制品在窯內(nèi)的停留時(shí)間（加熱、冷卻時(shí)間之和）τ等。而對(duì)于噴霧干燥塔，最重要的變量則應(yīng)該是塔的高度H、塔的直徑D和料漿（粉）在塔內(nèi)停留的時(shí)間τ等。

需要指出的是這些變量中并非都是獨(dú)立變量。在上面的設(shè)備舉例中，列出的最高燒成溫度t燒成和在窯（塔）內(nèi)停留的時(shí)間τ就不是獨(dú)立變量，不應(yīng)作為設(shè)計(jì)變量列入目標(biāo)函數(shù)，而是應(yīng)該在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)予以確定，在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)作為已知值給出。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)中確定熱工參數(shù)，而在設(shè)備設(shè)計(jì)中確定結(jié)構(gòu)尺寸的分層次設(shè)計(jì)流程是合乎邏輯的，因而是合理的。

通常將全部或部分的獨(dú)立變量作為優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)于設(shè)備的目標(biāo)函數(shù)和約束條件的設(shè)計(jì)變量收入其中。在只收入部分獨(dú)立變量時(shí)，其余的獨(dú)立變量被當(dāng)作相關(guān)變量，可由將在下面介紹的特性方程求出。舍棄一些獨(dú)立變量，不將其收入目標(biāo)函數(shù)和約束條件是因?yàn)轭A(yù)期它們的影響較小。這樣做可以提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。對(duì)于獨(dú)立變量、相關(guān)變量，并沒(méi)有特定的限制，應(yīng)該針對(duì)特定設(shè)備做具體分析，只要能適合于合理、簡(jiǎn)捷而高效地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，就是一個(gè)好的選擇。

3.2 給出特性方程和報(bào)價(jià)方程

在設(shè)備的工程設(shè)計(jì)階段，當(dāng)系統(tǒng)確定之后，就需要對(duì)一些主要的熱工設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，熱工設(shè)備是根據(jù)基于質(zhì)量和能量守恒的物料平衡和熱平衡方程、設(shè)備特性方程以及設(shè)備的報(bào)價(jià)方程進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化的。雖然最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)與這些方程的形式不盡相同，但在整個(gè)最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中仍然要包含這些方程的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要工作是建立完備的設(shè)備基本方程。為了簡(jiǎn)化起見，我們把平衡方程作為一種特殊形式，與設(shè)備特性方程一并加以討論。

3.2.1 設(shè)備特性方程

如前所述，平衡方程是基于守恒原理的，而設(shè)備特性方程則是基于“三傳”（傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)量傳遞）原理的。后者的工程應(yīng)用形式則多是速率微分方程的積分方程形式。由于理論分析有較多的困難和一定的限度，因此對(duì)于復(fù)雜的工程實(shí)際情況常常仍然需要借助于基于相似原理的模擬實(shí)驗(yàn)或試驗(yàn)。但是由于試驗(yàn)的規(guī)模、費(fèi)用、耗時(shí)以及實(shí)現(xiàn)邊值條件（邊界條件和初始條件）的限制和困難，常常只能用模化方法對(duì)一種實(shí)際工況進(jìn)行?；囼?yàn)。嚴(yán)格地講，這樣的試驗(yàn)結(jié)果是不具有最優(yōu)品質(zhì)的，并不適用于優(yōu)化設(shè)計(jì)。為此，現(xiàn)在廣泛采用、且被證明是比較有效的建立設(shè)備的平衡方程和特性方程的方法是：依據(jù)理論分析的指導(dǎo)，同時(shí)采用實(shí)體模型試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算兩類技術(shù)，采集足以實(shí)施插值或擬合運(yùn)算的有限點(diǎn)集，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，將所需的設(shè)備基本方程建立起來(lái)。

劉振群曾從預(yù)熱帶和燒成帶的熱平衡出發(fā)，作合理的簡(jiǎn)化后，推導(dǎo)出一個(gè)隧道窯的單位產(chǎn)品熱耗公式[1]。由該公式不但可以估算單位產(chǎn)品熱耗，而且可以看出各參數(shù)對(duì)它的影響，并且還指明了節(jié)能的方向。但是若將此公式作為平衡方程或設(shè)備特性方程用于設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還不是很方便。因?yàn)槲覀冃枰氖且浴帮@式”出現(xiàn)設(shè)計(jì)變量：窯長(zhǎng)L和內(nèi)寬B等結(jié)構(gòu)尺寸。而在此式中卻均以“隱式”的形式含于窯膛的代表性尺寸d之中。要對(duì)它們直接進(jìn)行尋優(yōu)，并確定它們的數(shù)值就略嫌麻煩。另外，由于此公式雖然基于熱平衡，但因做了較多的簡(jiǎn)化，因此在估計(jì)單位產(chǎn)品熱耗時(shí)，可能存在較大的誤差。為此，有人就采集了隧道窯的許多現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，用回歸分析的方法擬合，得到單位產(chǎn)品熱耗與產(chǎn)量之間的關(guān)系式[2]：

式中，q為單位產(chǎn)品熱耗，kJ/kg產(chǎn)品；B0為窯爐“空載”（G= 0）時(shí)的燃耗，kg/h或m3/h；Qnet，ar.為燃料的收到基（應(yīng)用基）低位發(fā)熱值，kJ/kg或kJ/m3；G為產(chǎn)量，kg/h；A為系數(shù)，用插值或擬合方法求得。

窯爐的（小時(shí)）產(chǎn)量G和年產(chǎn)量G年則可用以下的公式算出：

式中，K為燒成成品率，％；V為窯膛有效容積，m3；L為窯膛長(zhǎng)度，m；B為窯膛內(nèi)寬，m；H為窯膛（有效）內(nèi)高，m；g為碼坯（裝窯）密度，kg/m3；τ為制品在窯內(nèi)停留時(shí)間，h；τ年為年工作小時(shí)數(shù)，h。

如果將式（3）與式（4）聯(lián)立作為設(shè)備的平衡方程和特性方程，就可以使設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)L，B成為“顯式”的，這將會(huì)更加便于優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。另外，這種直接來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的回歸方程之精度可能更高些。這也就會(huì)使設(shè)計(jì)結(jié)果更貼近實(shí)際，因而有更大的實(shí)用價(jià)值。

3.2.2 設(shè)備報(bào)價(jià)方程

設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要包括設(shè)備投資、維修費(fèi)用和日常運(yùn)行費(fèi)用等若干項(xiàng)。有時(shí)，也把維修費(fèi)用與日常運(yùn)行費(fèi)用并在一起合稱為運(yùn)行費(fèi)用。由這些投資和費(fèi)用，就可以構(gòu)造設(shè)備的報(bào)價(jià)方程。現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)目分述如下：

對(duì)于設(shè)備投資的估算，目前國(guó)際上通行的做法是針對(duì)不同類型的設(shè)備，先給出成本估算的基本方程，即用報(bào)價(jià)方程估算出購(gòu)置成本（離岸價(jià)格）Cp，然后再作以下兩項(xiàng)修正：

（1）根據(jù)運(yùn)輸、安裝等的難易程度，輔助設(shè)備的數(shù)量，結(jié)構(gòu)材料的差別等，引入安裝因數(shù)FBM，即以Cp為基數(shù)乘以FBM來(lái)計(jì)算所有這些附加費(fèi)用。安裝因數(shù)FBM的數(shù)值可在相關(guān)文獻(xiàn)中查到，也可逐項(xiàng)地根據(jù)不同設(shè)備和工廠的具體情況經(jīng)分析后求出。

（2）考慮到通貨膨脹、利率和匯率等的變化對(duì)于長(zhǎng)期投資的影響，利用年度k的設(shè)備制造成本指數(shù)Ik進(jìn)行修正。假如，S年份和R年份的設(shè)備制造成本指數(shù)分別為IS和IR，那么就以Cp，R乘以IS/IR后作為Cp，S的值。各年的Ik可在一些相關(guān)的雜志，如CE（Chemical engineering）中的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（econom ic indicator）欄中查到[3]。

設(shè)備報(bào)價(jià)方程對(duì)于經(jīng)濟(jì)評(píng)估是必須的，而且在建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)時(shí)通常也是必不可少的，因此把它作為設(shè)備設(shè)計(jì)的基本方程。

為了便于應(yīng)用，報(bào)價(jià)方程應(yīng)該以“顯式”的方式，用設(shè)備最主要的結(jié)構(gòu)尺寸，即設(shè)計(jì)變量來(lái)構(gòu)造。報(bào)價(jià)方程的數(shù)學(xué)形式可以是多種多樣的，但在化工領(lǐng)域中，因?yàn)閮绾瘮?shù)乘積的形式的適應(yīng)性較好，比較便于擬合，且使用亦方便，因而應(yīng)用較多。

一般來(lái)講，設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)用應(yīng)該可以通過(guò)報(bào)價(jià)單獲得，然后用插值或擬合的方法即可建立報(bào)價(jià)方程，并加以匯集和公開，供設(shè)計(jì)人員參考。目前國(guó)內(nèi)這方面的工作做的較少。有些公司、企業(yè)及設(shè)計(jì)院對(duì)報(bào)價(jià)都諱莫如深，不愿透露。因此，有時(shí)只好參考國(guó)外公布的一些設(shè)備報(bào)價(jià)方程。這當(dāng)然就會(huì)不完全符合國(guó)情，而與實(shí)際情況有較大的出入。希望今后能加強(qiáng)這方面的基礎(chǔ)工作，有更多的人來(lái)做這件事。

對(duì)于一個(gè)設(shè)備而言，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的另一重要部分是運(yùn)行費(fèi)用。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，使用最多的目標(biāo)函數(shù)是成本最小化。因此，如何進(jìn)行符合規(guī)范的生產(chǎn)成本估算是值得重視的。生產(chǎn)成本主要包括直接開支、間接開支、管理費(fèi)用和折舊（回收）四大項(xiàng)。生產(chǎn)成本估算在我國(guó)已經(jīng)有成套的財(cái)會(huì)制度，企業(yè)家們都比較熟悉，并且可以給設(shè)計(jì)人員以許多有益的指點(diǎn)和啟示，此處不再贅述。

3.3 建立最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

最優(yōu)化模型應(yīng)該有目標(biāo)函數(shù)和約束條件兩部分，其一般的數(shù)學(xué)形式為

其中的f（X）是目標(biāo)函數(shù)。我們知道，對(duì)于一個(gè)函數(shù)f（X）的極小化可以等價(jià)地轉(zhuǎn)化為對(duì)于函數(shù)-f（X）的極大化。因此，在算法程序中常常只給出極大化或極小化中的一種形式，轉(zhuǎn)換工作留給用戶自己去做。gi（X）是不等式約束條件，hj（X）則是等式約束條件。該模型的完整的意義是“在受限制于（s.t.，subject to）等式和不等式約束條件的前提下，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化運(yùn)算，找出在其達(dá)到極大值或極小值時(shí)的自變量向量X的最優(yōu)解X*”。

在對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，通?？砂慈缡剑?）或式（2）的經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)則確定目標(biāo)函數(shù)。這其中需要對(duì)一次投資（設(shè)備等的投資）與二次費(fèi)用（日常運(yùn)行費(fèi)用、維修費(fèi)用）之間做出權(quán)衡，以便使得總成本最低，而總收入最大。

在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，常將設(shè)備的平衡方程和特性方程作為等式約束條件，而將對(duì)于材料強(qiáng)度、溫度、單位產(chǎn)品熱耗等的限制性條件（上限或下限）列入不等式約束條件。此外，還有對(duì)設(shè)備的投資約束等財(cái)務(wù)限制條件等也可列入不等式約束條件，但這些并不經(jīng)常是必須的，除非是對(duì)于一些關(guān)鍵的大型設(shè)備。

為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和提高工作效率，設(shè)計(jì)工作的原則應(yīng)該是在保證適當(dāng)?shù)木鹊那疤嵯?，盡量快速、簡(jiǎn)捷地完成。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對(duì)于非關(guān)鍵設(shè)備以及對(duì)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估影響很小的設(shè)備，通常會(huì)盡量利用已有資料，借助于經(jīng)驗(yàn)作出快捷的選型計(jì)算。即使對(duì)于一些關(guān)鍵設(shè)備，也只對(duì)其最主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.4 求解設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)極大化（或極小化）

在為了對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)所建立的數(shù)學(xué)模型中，一般都是有約束條件的，而且在目標(biāo)函數(shù)和等式、不等式約束條件中經(jīng)常有許多是非線性的，甚至還包含有超越方程式。因此，對(duì)這樣的最優(yōu)化問(wèn)題就要采用非線性規(guī)劃的方法求解，例如罰函數(shù)法來(lái)求解。目前，這類解法雖然已經(jīng)可以應(yīng)付絕大多數(shù)情況，但也還不能說(shuō)是非常完善。因此，為了保證求解過(guò)程的收斂性、穩(wěn)定性，并提高運(yùn)算效率，我們除了應(yīng)該遵循計(jì)算數(shù)學(xué)給出的一些忠告之外，還應(yīng)該盡量減少設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，降低目標(biāo)函數(shù)和約束條件式的復(fù)雜程度（主要指非線性），還應(yīng)去掉一些不是十分必要的約束條件，以簡(jiǎn)化模型，提高尋優(yōu)的精度和效率。

利用最優(yōu)化算法，一旦求出了設(shè)計(jì)變量，通常是設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，接下去的設(shè)計(jì)計(jì)算就會(huì)變得輕而易舉，一切都迎刃而解。由這些設(shè)計(jì)變量，很容易代入平衡方程和特性方程計(jì)算出相關(guān)變量。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的物料平衡、燃燒計(jì)算、燃耗與熱耗計(jì)算，甚至包括通風(fēng)計(jì)算等，到了這里均成為“正問(wèn)題”，可以從設(shè)計(jì)變量和相關(guān)變量一下子算出。不同方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較也變得不再需要，因?yàn)樽顑?yōu)化已經(jīng)保證經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)則的達(dá)到，所確定的方案已經(jīng)是最優(yōu)或較佳的了，所以只需進(jìn)行規(guī)范的經(jīng)濟(jì)分析就可以了。由此，我們可以進(jìn)一步地體驗(yàn)和感受到優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上面的介紹，我們可以看出：優(yōu)化設(shè)計(jì)方法源于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，但高于后者。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法吸收了當(dāng)代一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，以效益最大化作為經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)則進(jìn)行自動(dòng)尋優(yōu)，并且在其設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中廣泛地利用計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等一些現(xiàn)代化技術(shù)手段，從而大大提高了設(shè)計(jì)精度和效率，因而能夠適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)體制的轉(zhuǎn)軌和社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展所提出的新要求。因此可以說(shuō)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的一次重大變革與革新，其應(yīng)用前景是十分看好的。

當(dāng)然，到目前為止，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法還不很完善。最突出的問(wèn)題是當(dāng)前已經(jīng)將經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展放在了前列位置，要求經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益并重，要求在發(fā)展生產(chǎn)的同時(shí)，做好環(huán)境保護(hù)，保持生態(tài)平衡。這些要求在目前的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中尚未得到充分的反映。因此，我們一方面要客觀地、實(shí)事求是地看待和評(píng)價(jià)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，另一方面還要用辯證的思維和加倍的努力去促進(jìn)它的發(fā)展和完善。

對(duì)于陶瓷工業(yè)熱工設(shè)備，引入優(yōu)化設(shè)計(jì)方法同樣會(huì)收到顯著的效果。雖然還有很多的基礎(chǔ)工作需要我們認(rèn)真、細(xì)致地去做，但這是值得去做的。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法后，可以將陶瓷工業(yè)熱工過(guò)程和設(shè)備如同一般的化工過(guò)程和設(shè)備一樣，使其成為“單元操作”和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，并且在此基礎(chǔ)上對(duì)陶瓷工廠進(jìn)行流程、系統(tǒng)及其設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些系統(tǒng)和設(shè)備的最優(yōu)化一旦實(shí)現(xiàn)，就有可能使陶瓷工廠的流程系統(tǒng)更加合理，生產(chǎn)效率、節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益都邁上一個(gè)新臺(tái)階。而且，還可以大大促進(jìn)熱工設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、制造水平。有望使這些長(zhǎng)期以來(lái)的“非標(biāo)準(zhǔn)”設(shè)備變成“標(biāo)準(zhǔn)”設(shè)備，以其標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化、系列化、量產(chǎn)化、預(yù)制化、組裝化的窯爐、干燥器等展現(xiàn)在世人面前，同時(shí)也為窯爐產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和制造商帶來(lái)無(wú)限的商機(jī)。讓我們?cè)谶@場(chǎng)設(shè)計(jì)方法的變革中乘風(fēng)前進(jìn)。

1劉振群.陶瓷工業(yè)熱工設(shè)備.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1989

2宋耑，蔣欣之.陶瓷窯爐熱工分析與模擬.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1993

3黃為民.熱工設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化.北京：高等教育出版社，1998