大型煤電基地“煤－粉煤灰”雙向物流模型研究

齊敏華 李文瑩

(山東科技大學礦業與安全工程學院,山東省青島市,266590)

大型煤電基地“煤－粉煤灰”雙向物流模型研究

齊敏華 李文瑩

(山東科技大學礦業與安全工程學院,山東省青島市,266590)

在大型煤電基地建設中,優化煤炭的供應渠道和供應量、提高電廠燃煤廢棄物的有效利用是目前急需解決的問題。本文在運輸成本最低的前提下,對煤和粉煤灰在各礦井及各電廠間的供應關系及供應量進行了研究。根據礦井和燃煤電廠之間的地理位置分布、煤炭供求關系、礦井開采能力,采用最優化理論和方法,建立“煤—粉煤灰”雙向物流模型,滿足運輸成本最優的目的。根據建立的模型,求得礦井與燃煤電廠之間煤炭供應量和煤礦井下粉煤灰回填量分配最優解以及雙向物流分配方案,并確定了需建設的皮帶運輸路線的總長度。為煤炭開采、煤電就地轉化和粉煤灰井下回填,提出一種新的循環經濟產業模式。

物流工程 雙向物流 優化 煤 粉煤灰 礦井回填

在煤電一體化基地中,為降低煤炭采購、運輸、儲藏等固定成本,通常在煤礦礦井附近建設燃煤電廠,實現煤炭開采、煤電就地轉化。為了避免燃煤電廠產生的粉煤灰渣及脫硫石膏(以下簡稱粉煤灰)地面堆放造成的環境污染和土地占用,建立粉煤灰運輸系統,將粉煤灰回填煤礦井下,既提高了固體廢棄物的綜合利用率,又可以防止地表沉陷、降低環境治理費用,對推進電力產業綠色化發展,建設生態、環保、綠色的清潔能源輸出示范基地具有重要意義。本文針對最優配比運輸問題,通過建立煤、粉煤灰在煤礦與電廠間的地面雙向物流模型,達到節約成本、資源的有效利用及合理分配的目的。

1 最優化理論與方法

最優化原理是運用最優化的方法解決最優計劃、最優分配、最優決策、最佳設計、最佳管理等實際問題。最優化方法廣泛應用于交通運輸、商業、國防、管理等各個領域,包括線性規劃、非線性規劃和動態規劃等。

運輸問題是一類最典型的線性規劃問題,因其模型結構的特殊性,其解法比一般的線性規劃計算方法更為簡便,因其在一個調運表上就可以完成整個求解過程,故稱這種方法為表上作業法。由于該方法計算簡便且在解決運輸問題上具有的獨特性,因此,本文采用此方法建立“煤—粉煤灰”雙向物流模型。

在對運輸問題進行求解時,采用表上作業法,步驟如下:首先利用最小元素法對運輸模型確定初始基可行解;再利用位勢法進行檢驗;用閉回路法調整基可行解;重復上述步驟直至求出最優解。

2 基于最優化理論的煤運輸成本模型

2.1 煤運輸成本模型的建立

以某煤電一體化基地為例,燃煤電廠的煤炭需求量、各礦井生產能力及運輸距離如表1所示。

表1 各電廠燃煤需求量、各礦井生產能力及運輸距離

由于基地內電廠為坑口電廠,運輸方式多采用皮帶運輸,可認為該方式下單位運輸成本為固定值,因此,建立煤運輸成本模型,可得出最低運輸成本。

由表1可知,該基地內各礦井生產能力大于電廠燃煤總需求量。因此,在滿足各電廠燃煤需求的前提下,確定各煤礦到各電廠的供給量及供給對象成為建立煤運輸成本模型需解決的關鍵。

根據表1中的供求關系、運輸距離及最終目標,以電廠燃煤需求量、礦井生產能力以及運輸距離為變量,建立如下煤運輸成本模型:

目標函數:

式中:Z——煤總運輸成本,萬元;

cij——各電廠與各礦井之間的運輸距離矩陣;

xij——需求解的最優運輸量矩陣;

a——單位運輸成本,萬元/(km·萬t);

Dj——各電廠燃煤需求量,萬t;

Si——各礦井煤炭年產量,萬t。

2.2 煤運輸成本模型的求解

利用煤運輸成本模型,借助工具MATLAB計算,得最優運輸量xij對應的矩陣為:

根據上述計算結果,各電廠所需燃煤的來源、數量如表2所示。

表2 各電廠所需燃煤的來源及數量萬t

根據表2的分配方案計算可得,總運量為15047 km·萬t,最短運輸距離為49.3 km。

3 基于最優化理論的粉煤灰運輸成本模型

3.1 粉煤灰運輸成本模型的建立

由于回填技術中回填材料密度的不同,礦井所需回填材料的量也不同。因此,按照80%的回填率,利用式3可以計算出不同回填體下各礦井所需回填材料的質量。

式中:M——各礦井所需回填材料的質量,萬t;

S——各礦井年產量,萬t;

ρ煤——煤的密度,t/m3;

ρ充——充填材料的密度,t/m3。

根據表3中各電廠的粉煤灰產量、所需充填材料質量以及運輸距離,建立粉煤灰運輸成本模型。

表3 各電廠的粉煤灰產量、所需充填材料質量以及運輸距離km

注:P——各電廠的粉煤灰產量,萬t;M——各礦井所需充填材料質量,萬t;M1～M14——礦井1～14分別所需回填材料質量,萬t

從電廠運送粉煤灰進行井下回填,在保證全部消耗這些廢棄物的同時實現所需運輸成本最低的目標。建立粉煤灰運輸成本模型如下:

目標函數:

式中:Y——粉煤灰總運輸成本,萬元;

cij——各電廠與各礦井之間的運輸距離矩陣;

xij——求解的最優運量矩陣;

b——單位運輸成本,萬元/(km·萬t);

Pj——各電廠的粉煤灰產量,萬t;

Mi——各礦井年所需回填體質量,萬t。

3.2 不同回填方案下粉煤灰運輸成本模型的分析

(1)方案一:低強度似膏體自流回填方案。以粉煤灰為基礎材料,加入水泥作為膠固料,摻入適當比例的水,制成似膏體回填材料,以自流的方式進行回填。回填材料凝固后,具有一定的強度。在該方案下,回填體密度為1.54 t/m3。由于該回填方式中回填材料除粉煤灰外,還需利用水泥作為膠結材料,所以燃煤廢棄物占70%。因此,利用式(6)計算各礦井所需粉煤灰渣等的質量。

(2)方案二:非膠結似膏體自流回填方案。以粉煤灰、渣、脫硫石膏為基礎材料,摻入適當比例的水,制成似膏體回填材料(粉煤灰漿),以自流的方式輸送到井下,經過脫水處理后,回填到采空區。充填體密度為1.5 t/m3。

(3)方案三:干式氣力輸送回填方案。利用氣體的能量來連續地輸送管道中的粉煤灰渣和脫硫石膏等物料,并在井下噴(拋)入采空區。粉煤灰自然堆積,不凝固。充填體密度為1.2 t/m3。

方案二、三均利用式(3)計算各礦井所需回填體質量。各電廠的粉煤灰產量、三種方案下各需充填材料質量以及運輸距離如表4所示。

表4 各電廠的粉煤灰產量、三種方案下各需充填材料質量以及運輸距離km

3.3 不同回填方案下回填材料分配結果分析

利用粉煤灰運輸成本模型,對上述三種回填方案下回填材料分配方案進行計算,結果如下:

方案一:

通過計算發現,三種回填方案下對粉煤灰運輸量及供給對象的分配是相同的,粉煤灰最優運輸方案如表5所示。

方案二:

方案三:

表5 粉煤灰最優運輸方案萬t

根據表5的分配方案計算可得,總運量為1954 km·萬t,最短運輸距離為18.46 km。

4 “煤—粉煤灰”雙向物流分配方案

利用本文已建立的煤運輸成本模型和粉煤灰運輸成本模型計算,得煤、粉煤灰在各電廠與各礦井之前的雙向物流分配方案以及皮帶運輸路線總建設長度,分配方案如表6所示。

根據表6可知,由于煤的供給量大于粉煤灰的供給量,因此,在E1→C3、E1→C5、E3→C12、E4→C6之間只能形成煤單向運輸,需建設單條皮帶運輸路線,皮帶運輸路線長度為5.61＋10.28＋7.01＋7.94＝30.84 km;E1→C4、E2→C3、E3→C14、E4→C1、E5→C12之間構成雙向運輸,需建設雙向皮帶運輸路線,皮帶運輸路線長度為(1.87＋2.80＋5.14＋3.04＋5.61)×2＝36.92 km。因此,皮帶運輸路線總建設長度為67.76 km。

表6 “煤—粉煤灰”雙向物流分配方案萬t

5 結論

本文通過分析煤電一體化基地下電廠和礦井之間煤、粉煤灰的供求關系,電廠與礦井間的距離、皮帶運輸成本等因素,構建了“煤—粉煤灰”雙向物流模型,得出以下結論:

(1)通過建立煤運輸成本模型,在滿足各電廠燃煤需求的前提和運輸成本最低的前提下,得出礦井與電廠間燃煤的最優分配方案,求得總運量和最短運輸距離;

(2)通過建立粉煤灰運輸成本模型,在綜合利用廢棄物和運輸成本最低的前提下,求得總運量及最短運輸距離;

(3)通過建立煤和粉煤灰運輸成本模型,得出“煤－粉煤灰”雙向物流分配方案以及皮帶運輸路線總建設長度。

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Study on model of bidirectional logistics of coal-fly ash in large-scale coal-electricity base

Qi Minhua,Li Wenying
(College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao,Shandong 266590,China)

In the construction of large-scale coal-electricity base,the optimization of coal supply channel and supply quantity and the improvement of the effective use of coal waste for power plant need to be addressed urgently.This paper studied the relationship of supply quantity of coal fly ash between each coal and each power plant based on the lowest cost of transportation.One bidirectional＂coal-fly ash＂model was established according to the geographical location distribution between coal and power plant,the supply-demand relationship of coal and the mining capacity of coal by using optimization theory and method.The established model was designed to meet the purpose of optimal transportation costs. The supply quantity of coal between coal and power plant and the optimal backfilling amount of fly ash in coal and the two-way logistics distribution plan were gained through the established model.Therefore, the total length of the belt transport route was determined.This paper proposed an industry pattern for coal mining,coal local transformation and the backfill of fly ash.

logistics engineering,two-way logistics,optimization,coal,fly ash,mine backfill

TD－9

A

齊敏華(1981－),男,山東臨沂人,講師,博士研究生,主要從事礦業信息工程、思想政治教育等研究工作。

(責任編輯 張大鵬)

齊敏華,李文瑩．大型煤電基地“煤－粉煤灰”雙向物流模型研究[J].中國煤炭,2017,43(1):30－34,59. Li Wenying,Qi Minhua．Study on model of bidirectional logistics of coal-fly ash in large-scale coal-electricity base[J].China Coal,2017,43(1):30－34,59.