煤炭地下氣化變權—模糊層次綜合評價模型

摘 要：為研究煤炭地下氣化項目的綜合評價機制，構建客觀、全面、定量的可行性評價體系，指導地下氣化項目決策和工程設計提供依據，采用層次分析法、模糊綜合評價法和變權等數學方法，從資源、技術、經濟、環境和能耗等6方面考慮，選取89個評價指標，構建了多層次模型，對指標類型進行了劃分，并建立了隸屬函數，創建了煤炭地下氣化可行性常權-模糊層次和變權-模糊層次等2個綜合評價模型。將2個綜合評價模型分別應用于貴州某礦煤炭地下氣化項目的可行性評價，并對結果進行了對比分析。結果表明，與常權-模糊層次綜合評價相比，變權-模糊層次綜合評價可通過權重變化來反映各等級的指標狀態，避免了部分極值指標的影響因權重太小而被“淹沒”，評價結果中各級隸屬度表現出更強的離散性，可信度更高。通過綜合評價，可直觀地反映出對象項目在資源、技術、經濟、環境和能耗等方面的具體表現。

關鍵詞：煤炭地下氣化；變權；模糊層次分析法；綜合評價模型中圖分類號：TD 841 文獻標志碼： A

Comprehensive evaluation model of fuzzy analytic hierarchy

process with variable weight for underground coal gasification

HUANG Wen-gang1，WANG zuo-tang2

（1.College of Earth Sciences，East China University of Technology，Nanchang 330013，China；

2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）

Abstract：To study the mechanism of comprehensive evaluation of underground coal gasification（UCG）projects，to construct an objective，comprehensive and quantitative feasibility evaluation system，and to provide basis for project decision and engineering design of UCG，this paper adopted the analytic hierarchy process，fuzzy comprehensive evaluation method and variable weight，taking resource，technique，economy，environment and consumption into consideration，chose 89 evaluating indicators，constructed a multilevel model，categorized the indexes，built the membership functions，and established two comprehensive evaluation models for UCG：fuzzy analytic hierarchy process（FAHP）with constant weights and variable weights，respectively.The models were used to evaluate the feasibility of the UCG project in Guizhou.The results showed that，compared with the constant weight-FAHP，the assessment results of variable weight-FAHP was more credible.It could indicate the index status of the various grades by weight change，which avoided the consequence that the influence of extreme value indexes could be overlooked because of small weight，presented stronger discreteness between different membership degrees of evaluation grade.Furthermore，comprehensive evaluation could plainly reflect the performance of the evaluated project on the aspects of the resource，technique，economy，environment and consumption.Key words：UCG；variable weight；FAHP；comprehensive evaluation model

0 引 言煤炭地下氣化是一項向煤層中注入氣化劑（空氣、氧氣和蒸汽的混合物），將煤層進行有控制地燃燒產生可燃氣體，并通過鉆孔將煤氣輸至地面進行凈化、加工和利用的綠色開采技術。近年來，國內學者在重慶中梁山和甘肅華亭建立了地下氣化試驗工程，用于回收礦井殘留煤資源，表現出了良好的環境和社會效益[1-3]。地下氣化相關技術有待進一步完善，項目建設前需要從資源、技術、環境、安全和經濟等方面論證其可行性，因此，科學的可行性評價對地下氣化項目建設極為重要。國內外學者對地下氣化可行性評價進行了較多研究。英國商貿與工業部（DTI）[4-5]從資源條件、技術水平、環境影響、公眾認知和經濟效益等多個方面對英國地下氣化的可行性進行了研究；Anil Khadse等[6]從資源條件、研究情況、關鍵技術、經濟性、政策等方面分析了印度煤炭地下氣化的可行性；Sminu Bhaskaran等[7]通過實驗室試驗對印度無煙煤和褐煤地下氣化的可行性進行了對比研究；王立杰等[8]采用灰色物元分析法對巴基斯坦塔爾煤田地下氣化與循環發電方案的經濟性進行了研究；國內學者梁杰[9]，柴兆喜[10]，初茉[11]，柳迎紅[12-13]，遲波[14]，黃溫鋼[15]等從資源、技術和經濟等方面對阜新、兗州、遼陽、晉城等礦區不同地下氣化方案的可行性進行了定性分析；李光雙[16]采用專家打分法和層次分析法構建了地下氣化多層次模糊綜合效益評價模型和DEA（數據包絡分析）交叉評價模型；翟培合等[17]運用層次分析法和專家打分法對地下氣化的可行性進行了定量與定性分析。上述研究取得了一些有益成果，但主要是從工藝技術、資源條件、經濟效益和社會效益等方面對地下氣化進行定性分析，少數運用了綜合評價方法，但存在評價方法單一、評價指標不全面等缺點，尚未建立起完善的地下氣化可行性評價體系。為此，筆者采用層次分析法、模糊綜合評價法和變權等數學方法，從資源、技術、經濟、環境和能耗等6方面分析，構建多層次模型，建立了煤炭地下氣化可行性變權-模糊層次綜合評價模型，可實現對地下氣化項目的系統評價。

1 綜合評價方法選擇綜合評價方法是通過一定的數學模型，采用多個評價因素或指標對被評對象進行評價，并將多個指標值合成一個反映整體性的綜合評價值，再根據評價值得出被評對象的優劣情況。綜合評價方法主要可分為9大類近20種，常用的單一評價方法有模糊綜合評價法、層次分析法、Delphi法、主成分分析法、灰色綜合評估法、數據包絡分析法、BP神經網絡法等。受指標體系、系數取值和評價方法等因素影響，單一評價方法的評價結果往往存在一定的誤差。研究表明[18-19]，與其它單一評價方法相比，模糊綜合評價法和層次分析法更為合理，而這2種評價方法的組合——模糊層次綜合法又優于一般的單一評價方法，因此，文中采用模糊層次綜合法。普通評價方法一般采用常權評價，即無論評價指標值如何變化，指標的權值保持不變。在實際情況中，一般評價因素較多，分配給各指標的權重相對較低，當評價的某些指標出現極值時，若采用常權來處理，往往會掩蓋這類這些指標對整體評價的影響，從而導致得出的評價結果遠離客觀實際。因此，在構建綜合評價數學模型時有必要引入變權理論。綜上所述，文中決定采用基于變權的模糊層次分析法對煤炭地下氣化項目的可行性進行綜合評價。

2 變權-模糊層次綜合評價模型建立變權模糊層次綜合評價模型的建立過程包括5個步驟：建立評語集、建立評價指標集、建立評價矩陣、確定指標權重和進行綜合評價。

2.1 建立評語集建立分級評語集合

V={V1，V2，…，Vn}.評語等級不宜太多或太少，若太多，評判結果不易集中；太少，則評判結果拉不開檔次。文中構建的變權-模糊層次綜合評價模型用于評價煤炭地下氣化項目是否可行，故模型的評語集劃分為可行、基本可行和不可行3個等級。

2.2 建立評價指標集選擇合適的評價指標，建立評價指標集

U={U1，U2，…，Uj，…，Un}.并對不同指標進行分類，構建合理的層次結構模型。確定不同指標各評語等級的界定值，再根據被評對象的實際情況對各指標進行賦值。從資源條件、技術方案、經濟效益、環境影響、安全保障、能耗水平等6個方面內容進行系統分析，最終選取了89項因素作為煤炭地下氣化項目可行性評價指標。采用實驗室試驗、文獻調研和理論分析等方法，分析了各項指標對地下氣化項目可行性的影響。定量指標參照國內相關行業的規范標準或者實際工況進行取值，而定性指標則采用專家打分等方法進行量化處理，從而得到了不同指標的合理取值范圍，能全面、客觀地反映被評對象的實際情況。由于篇幅限制，模型的指標分析及其分級界定值確定在此不再贅述，詳見文獻[20]。考慮到地下氣化可行性的影響因素較多，為避免權值小的指標在評價過程中被淹沒，建立了多層次結構模型，如圖1所示。

2.3 建立評判矩陣確定合適的隸屬函數A（x），將指標值x代入A（x）獲得各評價等級的隸屬度rij，并建立指標評判矩陣R={rij}m×n，（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）.

為將各指標對象的評測值轉化為統一的無量綱量，需要借助模糊數學中的隸屬函數對各指標的原始值進行處理，將不同維度的數值統一規劃到[0，1]區間上的隸屬度。根據曲線類型，隸屬函數可分為線性和非線性2大類，前者有矩形、三角形和梯形等形式，而后者有拋物型、正態性、柯西型等形式。實際應用中，為了便于計算，一般采用線性隸屬函數。根據地下氣化可行性評價指標的特點，可將其劃分為效益型（數值越大越好）、成本型（數值越小越好）和中間型（數值介于某個區間較好）3種，各類指標的隸屬函數分布曲線如圖2所示，分級隸屬函數見表1.

2.4 確定指標權重

2.4.1 確定各指標初始權重W（0）采用層次分析法確定各指標的初始權重wi，由各指標的初始權重構成判斷矩陣的特征向量（權重向量）

W（0）={wi}Tn，（i=1，2，…，n）.確定權重的常用方法有層次分析法、專家調查法、經驗估計法、統計平均法等，地下氣化綜合評價是一個由一系列相互關聯和制約的定量和定性因素所構成的復雜系統決策問題，可采用層次分析法求取各層指標的初始權重，具體計算方法詳見文獻[20]，結果如圖1所示。

2.4.2 采用變權理論，重新確定各指標權重W國內學者對變權的概念、原理與定理進行了詳細論述和證明[21-22]，變權公式為

wij（r11，…，rmn）

=w（0）irα-1ij

mi=1（w（0）irα-1ij），

（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）.

（1）

在實際應用過程中，α的取值決定著變權模式，并直接影響綜合評價的結果，一般情況下，取α=1/2為宜[22]。則式（1）變為

wij（r11，…，rmn）

=w（0）ir-0.5ij

mi=1（w（0）ir-0.5ij），

（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）.

（2）根據變權原理，利用式（2），由評價指標的初始權重和判斷矩陣可計算得各指標對應不同等級的新權重wij，并構建權重矩陣W={wij}m×n.值得注意的是，由于采用線性隸屬函數，會出現每個指標3個等級隸屬度中至少有一個為0的情況，使得其變權后的權值為無窮大，導致無法計算。為避免上述現象發生，常用的處理方法是取一足夠小的量δ替代0，并在其它非零隸屬度中相應地扣除增加的量，以確保每個指標的各隸屬度之和為1，引入δ對評價結果影響極小[23]。δ的計算公式為

δ=11 000+n.（3）式中：n為某個評價指標隸屬度為0的個數。

常權評價只需確定各指標初始權重即可。

2.5 進行綜合評價將權重矩陣W和判斷矩陣R相乘，得

B（0）=W·R={bij}n×n（i，j=1，2，…，n），取其對角線上的值b*={b11，b22，…，bnn}，歸一化后即為相應層次的評價結果。

3 評價實例以貴州某礦地下氣化項目為例，采用上述建立的煤炭地下氣化可行性常權-模糊層次和變權-模糊層次綜合評價模型分別對該項目進行評價。

3.1 項目概況

該項目以高突難采煤炭資源（具有高瓦斯、煤與瓦斯突出的煤層）為原料，采用有井式煤炭地下氣化技術，以80%富氧蒸汽連續法氣化工藝生產煤氣，粗煤氣經鉆孔輸送至地面，并由管道到達凈化系統，經過洗滌、冷卻、電捕焦、脫硫、脫氨和脫苯等工序，除去煤氣中的粉塵、水分、焦油、硫化物、氨、苯和萘等雜質，在此過程中形成焦油、硫銨和粗苯等副產品，精煤氣進入氣柜，經過調質、穩壓后，供應燃氣發電機組發電。該項目總工藝流程如圖3所示，綜合評價指標狀態值見表2.

3.2 評價結果根據建模過程，采用常權-模糊層次和變權-模糊層次2種方法對該項目的可行性進行綜合評價，結果詳見表3.

由表3，對比分析發現，常權法評價結果顯示該項目為可行，但由于未考慮部分極值指標的影響，其評價結果離散性不強，尤其是可行與基本可行的隸屬度差異不大，降低了評價結果的可信度。而變權評價則可通過權重變化較好地反映各等級的指標狀態，能免了部分極值指標的影響因權重太小而被“淹沒”，使評價結果具有較強的離散性，該項目的變權評價結果為基本可行，其隸屬度遠大于其它兩者，可信度相對更高。此外，通過綜合評價，還可反映該項目具有如下特點

1）資源條件一般。主要表現為氣化區的地質構造、水文地質簡單，煤質地下氣化特性較好，并具備良好的建廠條件，但氣化煤層較薄（1.5 m），儲量不大，開采技術條件不理想；

2）技術方案一般。煤炭地下氣化發電方案技術成熟、系統可靠，但該項目為試驗項目，主要目的在于驗證地下氣化的產氣效果，建設規模較小，為減少投資，其工藝技術和裝備選擇以簡單、實用為原則，故整體工藝水平一般；

3）經濟效益一般。該項目以驗證地下氣化的產氣效果為主，建設規模小，相對于化工項目，燃氣發電方案的經濟效益較差，各項經濟指標的表現較為一般；

4）環境影響較小。預測結果表明，本項目的建設和運行期間對當地大氣、地表水和地下水環境影響較小，固體廢棄物均得到妥善處理，高噪聲源也經降噪處理，此外，由于采用條帶開采，預測煤層開采后其地表變形將遠低于相關規定（II級建筑物損壞等級）；

5）安全保障較好。地下氣化安全包括井下和地面2方面，項目的建設地點為大型煤礦（年生產能力300萬t/a），礦井生產過程嚴格按照煤礦安全質量標準化進行管理，地面化產區按照化工廠進行管理，制定了完善的管理機制，此外，礦區有一個專職救護中隊長期在該礦駐勤，且附近還設有消防隊，能為本項目的井下和地面安全提供強有力保障；

6）能耗水平一般。能耗指標與項目產品方案有關，本項目地下氣化所產煤氣用于燃氣發電，與同行業對比，該項目單位產值綜合能耗和單位產品水耗較低，但在單位產品綜合能耗與能量轉化效率方面的表現較為一般。綜上所述，本項目在資源條件、技術方案、經濟效益和能耗水平等4個方面的評價結果為基本可行，僅環境影響和安全保障的評價結果為可行，因此，該項目的綜合評價結果為基本可行。

4 結 論通過對不同綜合評價方法的比較和分析，文中采用層次分析法、模糊綜合評價法和變權等數學方法，從資源、技術、經濟、環境和能耗等6方面考慮，選取89個評價指標，構建了多層次模型，對不同指標類型進行了劃分，并建立了對應的隸屬函數，創建了煤炭地下氣化可行性變權-模糊層次綜合評價模型。將模型應用于貴州某礦煤炭地下氣化項目的可行性綜合評價，結果表明，與常權-模糊層次綜合評價相比，變權-模糊層次綜合評價結果具有更強的離散性，評價效果更好。此外，通過綜合評價，能直觀地反映出評價項目的各方面表現，可為地下氣化項目決策提供科學參考。參考文獻

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