煤炭地下氣化發電項目技術經濟評價方法構建*

彌旭鋒

(銅川市能源安全執法支隊，陜西 銅川 727031)

0 引言

我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，受限于獨特的“富煤、貧油、少氣”資源結構特點，未來幾十年以煤為主的能源供給結構也不會發生根本性的改變[1]。數據顯示我國煤炭消費主要以工業為主[2]，其中發電用煤占總量的54.7%，并呈連年增長態勢[3]。但如今我國煤炭資源長期過度和粗放式的開采和利用方式已經不符合我國煤電和煤炭利用的主要發展方向[4]。煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification，簡稱UCG)作為一種高碳資源低碳化開發清潔能源新技術，其采用化學開采方法將煤炭在地下原位直接進行燃燒氣化產生可燃氣體[5]，省去了龐大、笨重的采煤設備和繁重的人工體力勞動，具有安全性好、投資少、效率高、成本低、見效快、污染少等優點[6]，深受世界各國的重視，被譽為第2代采煤方法，其與發電項目的結合將是未來行業的趨勢所在[7]。

國內外學者在地下氣化可行性評價研究方面取得了一些有益的成果，但尚未建立起完善的地下氣化可行性評價體系，多是進行定性分析[8]。

王立杰等[9]對巴基斯坦塔爾煤田的資源條件進行了分析，并采用灰色物元分析法對露采與煤電開發、地下氣化與循環發電兩個開發方案的經濟性進行了對比。李光雙[10]從技術優勢、經濟、環境及社會4個方面分析，采用專家打分法和層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)構建了地下氣化項目多層次模糊綜合效益評價模型，并通過構建數據包絡分析(Data Envelopment Analysis，簡稱DEA)交叉評價模型，分析評價了多個地下氣化項目的綜合效益。翟培合等[11]運用層次分析法AHP，從煤炭資源條件、技術支撐、環境影響和經濟效益等4個方面考慮建立準則層，通過專家打分來綜合評價煤炭地下氣化的可行性。王立杰、李光雙和翟培合等雖然嘗試了采用數學方法對煤炭地下氣化進行可行性評價，但評價方法單一，主觀因素過多，不能全面、客觀地反映出煤炭地下氣化項目的特點。文中建立了恰當的技術、經濟評價指標體系，在此基礎上建立了一種結合層次分析法和熵權法構建的地下氣化發電項目多層次模糊綜合評價模型，該模型指標體系較為全面、合理，并且克服了傳統模糊綜合評價方法中指標權重過于主觀的問題。論文應用此模型從技術和經濟兩方面對耀西煤田項目的可行性進行了綜合評價。

1 綜合評價模型的理論基礎

首先利用隸屬函數確定各評價指標的隸屬度，然后分別使用層次分析法和熵權法得出各指標的主觀和客觀權重，其后綜合主觀和客觀權重進行綜合權重的計算，最后根據隸屬度和綜合權重，運用模糊綜合評價理論得出項目可行性的評價結果。

1.1 熵理論

“熵”的概念，是從熱力學中引出的，表明不確定性的定量測量，是在19世紀中葉，德國物理學家CLAUSIUS R為了格式化熱力學第二定律而創建的[12]。現在多用于進行多目標決策時，判別信息量的多與少，同時能夠考量客觀數據中有用信息的多與少。

假設某工程項目綜合評價中含有m個評價指標，n個評價對象(n個方案)，根據搜集到的信息量進行篩選、分析和計算，根據熵理論的內容和性質，對于第i個評價指標來說，當該項指標上的值相差較大時，熵值較小，說明該指標提供的有效信息量較大，指標的權重也應較大；反之，若某項指標的值相差越小，熵值較大，說明該指標提供的信息量較小，指標的權重也應較小[13]。

1.2 模糊綜合評價的數學模型

模糊綜合評價的主要步驟如下[14]。

建立評價因素集(即指標集)：

D={D1，D2，…，Dn}

(1)

式中，D1—地質構造;D2—煤層特性；D3—建廠條件；D4—開采技術水平；D5—井下氣化爐；D6—注排氣系統；D7—凈化系統；D8—聯合發電系統；D9—測控系統；D10—氣化效率；D11—發電效率；D12—投資回收期；D13—財務凈現值；D14—內部收益率；D15—資產負債率；D16—借款償還期；D17—盈虧平衡點；D18—敏感性。

建立評價集(即決斷集)：

V={v1，v2，…，vm}

(2)

式中，v1—不可行；v2—基本可行；v3—可行。

單因素評判，確定隸屬度：建立模糊映射[15]

f∶U→J(V),Ci→f(Ci)

(3)

模糊關系Rf∈J(U×V)可由模糊映射f誘導出[16]，即Rf(ui)(vi)=f(ui)(vi)=rij

(4)

即可由模糊矩陣R表示模糊關系Rf[17]。

稱(U，V，R)構成一個模糊綜合評價模型，U、V、R為模糊綜合評價模型的3個要素[18]。

2 建立評價模型

從技術和經濟2個方面入手，找出煤炭地下氣化發電項目可行性的主要影響因素，確定了較為合理的煤炭地下氣化發電項目技術經濟綜合評價指標體系，在此基礎上結合層次分析法和熵權法構建地下氣化發電項目多層次模糊綜合評價模型[22-23]。

2.1 技術指標體系的建立

以地下殘留煤為原料，利用現有礦井，進行有井式富氧蒸汽連續法氣化以制造粗煤氣，并利用粗煤氣進行發電[22]，從耀西煤田的資源條件、工藝技術水平和效率進行指標的選取。根據煤炭地下氣化的原理，資源條件選擇地質構造、煤層特性、建廠條件；工藝技術水平選取井下氣化爐，注、排氣系統，凈化系統，發電系統，測控系統；效率指標選擇氣化效率和發電效率，最后由以上3方面的指標建立技術指標體系。

2.2 經濟指標體系的建立

對項目進行經濟評價一般從盈利能力、清償能力以及不確定性3個方面進行分析。盈利能力通常包括投資回收期、財務凈現值、內部收益率等指標[23]。清償能力分析一般以項目資產負債率、借款償還期來衡量。用來評定一個項目的不確定性分析方法常用的有盈虧平衡分析與敏感性分析。所以，選擇財務凈現值、投資回收期、內部收益率、資產負債率、借款償還期、盈虧平衡以及敏感性幾個指標建立經濟評價指標體系。

2.3 綜合指標體系的建立

根據以上分析，指標體系如圖1所示。

圖1 煤炭地下氣化技術經濟評價指標體系

根據評價指標狀態值確定方法的不同，將其分為實際指標、經驗指標和測算指標3類。

實際指標：可以通過現場調研、實驗室試驗等方法獲得相應狀態值的指標，這類指標最能反映項目的實際情況。實際指標有D1地質構造、D2煤層特性、D3建廠條件、D4開采技術水平、D11發電效率。

D1地質構造。通常，可以將地質構造指標運用氣化煤層面積損失系數(Z)來定量化表示

(5)

式中，Si—第i個斷層、陷落柱對氣化煤層造成的損失面積；S—評價煤層區域的面積；n—評價煤層區域內斷層、陷落柱的數量。Z值越小，表明地下煤層的被破壞程度越小，進行地下氣化的可行性越高。一般來說，當Z≤5%時，表示該地質構造進行煤炭地下氣化的可行性較高；當5%≤Z≤30%時，表示該地質構造進行煤炭地下氣化基本可行；當Z≥30%時，不建議進行地下氣化。

D2煤層特性。煤炭地下氣化主要是對地下煤炭進行燃燒產氣，無采煤機等器械，對煤層厚度要求不高，但太薄的煤層(<0.8 m)燃燒后會產生大量灰質，影響氣化效率。故對煤層可采指標一般通過煤層的可采指數K來表示，計算公式如下

(6)

式中，n—對煤層厚度測量的煤點總數；n′—煤層厚度超過或等于0.8 m的煤點數量。一般認為，當氣化煤層的K≥0.80時，該煤層適宜進行地下氣化開采；當K<0.60時，該煤層不建議進行地下氣化。

D3建廠條件。本項目地下氣化工廠位于耀西煤田范圍內。

氣象條件及地形地貌。本區為大陸性半干旱氣候，四季分明，溫差大。年平均氣溫為12.4 ℃，最低-10 ℃(1月)，最高37 ℃(7月)。霜凍期為10月25日～次年2月19日。平均年降水量554.4 mm，蒸發量2 139.6 mm，降水量多集中在7～9月份；勘查區內地勢北高南低，多被第四系黃土層覆蓋，地貌呈侵蝕塬、梁、峁、溝谷等多種黃土地形。溝谷區海拔在700 m左右，塬梁區海拔在750～900 m之間。

地震烈度。據國家地質總局蘭州地震大隊資料，1556年華縣8級大地震波及本區。2008年5月12日汶川8級大地震，本區有明顯震感，根據國家地震局和建設部發布的《中國地震烈度區劃圖1990》所示，該區地震烈度為Ⅵ度區，動峰值加速度0.05 g。

交通運輸條件。咸銅鐵路梅(家坪)七(里鎮)線從勘查區中部沿沮河河谷穿過。包茂高速(西銅線)從勘查區東部外圍經過，距勘查區中心約3 km，正在建設的包茂高速復線已修至勘查區南部，區內各鄉鎮間均有公路相通，并且本項目臨近市區，交通極為便利，對于拉動銅川的相關產業鏈具有積極的作用。

水源及電源情況。區內主要水系沮河、趙氏河自西北向東南穿越本區，趙氏河為長年流水，但水量隨季節變化較大。沮河一般情況下無水，但上游建有桃曲坡水庫，且勘探區內存有大量鄉鎮和村莊，能夠滿足取水要求；勘查區緊鄰耀縣、銅川新區，未來項目生活和生產用電電源可引自稠桑變電站。因此，未來礦井的供電條件便利，能滿足需求。

D4開采技術條件。各種煤種都適合，變質程度越低越好；埋深超過100 m，現場成功試驗過40 m的；煤厚超過1 m，現場成功過0.14～20 m以及含夾矸煤層；煤層灰分<45%；頂底板隔水性越大越好；各種瓦斯含量的煤層。

經驗指標：無法或難以采用實測和計算等方法獲得取值的指標。通常是一些定性指標，一般采用由相關領域的專家根據經驗進行評分的方法進行量化處理。經驗指標有D5井下氣化爐布置、D6注排氣系統、D7凈化系統、D8發電系統和D9測控系統。采用100分制，評分結果可分為優(>90分)、良(70～90分)、差(<70分)3個等級。具體結果見表1。

表1 專家打分表 單位：分

測算指標：由于項目尚未實施，部分指標的取值只能根據項目的資源條件和產品方案，采用數學模型或者根據相關規范進行計算獲得。測算指標有D10氣化效率和經濟性指標D12～D18。

項目氣化效率為78.46%，發電效率為37.07%。稅后投資內部收益率為14.7%，財務凈現值為3 093萬元，投資回收期為10.02 a，投資利潤率為10.9%。可以看出項目具有一定的盈利能力；平均資產負債率21.52%，借款償還期在6.2 a左右，資產負債率較低，償債能力強；盈虧平衡點在67.3%，安全生產能力較高，敏感性分析發現受產品價格影響較大。綜合經濟指標發現該項目不僅財務上可行，投資風險也不大。

根據模糊數學中隸屬函數的特點對其進行分類[24]，除D1地質構造、D12投資回收期、D16借款償還期、D17盈虧平衡點、D18敏感性為成本型，D15資產負債率為中間型，其余均為效益型。

分級隸屬函數見表2。

表2 煤炭地下氣化發電綜合評價指標隸屬函數

2.4 指標權重計算方法

利用AHP得到主觀權重：建立層次結構模型。根據前述的技術和經濟指標的介紹，建立煤炭地下氣化發電綜合評價的層次結構模型，如圖1所示。

構造判斷矩陣。以上一層的指標為準則，對同一層的各指標兩兩比較，得出兩者的相對重要性aij。由aij構成的矩陣

A={aij,(i,j=1,2,…,n)}

(7)

即為構造判斷矩陣。兩兩比較時的賦值標準一般采用T.LSaaty的1～9標度法見表3。

表3 判斷矩陣標度及其含義

層次單排序及其單排序一致性檢驗。根據第k+1層判斷矩陣來計算第k層的各因素之間的相對重要程度被稱為同一水平排序問題。通過判斷矩陣A求得的最大特征根λmax和λmax所對應的歸一化后的特征向量W=(w1,w2,…,wn)，就是該層次中各因素的權重系數，檢驗判斷矩陣A的一致性。

層次總排序及其一致性檢驗。在計算每層影響因素對應上一層次因素的權重后，且其均通過了一致性檢驗，則說明方案層對應目標層的組合權重也會符合一致性要求，可以直接用來計算各層元素對于系統目標的綜合權重。

總體水平排序的隨機一致性比率CR

(8)

若CR<0.1，則滿足一致性，檢驗通過，認為判斷矩陣有效，若CR<0.1不成立，一致性檢驗失敗，需要對判斷矩陣A進行修正，直到CR<0.1成立為止。隨機一致性指標RI的取值與判斷矩陣階數有關，詳見表4。

表4 1～10階判斷矩陣RI值

利用熵權法計算客觀權重：構建3個評價項目的相應評價指標的原始數據矩陣R=(rij)n×m；其中rij為i個評價指標下第j個評價對象的評價值。

計算第i個評價指標下第j個評價項目的指標值的比重Pij

循環管理(PDCA)方法于20世紀50年代由美國管理學家戴明提出，分為計劃(plan，P)、執行或實施(do，D)、檢查(check，C)、處理(action，A)4個階段進行，是具有大環扣小環、螺旋式上升循環特點的管理過程［1］。健康教育是一種連接健康和行為之間的教育過程，是研究傳播保健知識和技能，影響個人和群體行為，預防疾病、消除危險因素、促進健康的一門學科［2］。我院神經外科急救中心主要收治各類顱腦損傷患者，為了提高顱腦損傷患者滿意度，我科在2010年1—12月將PDCA循環模式運用于顱腦損傷患者的健康教育中，取得了較好的效果，現報道如下。

(9)

計算第i個指標的熵值ei

(10)

其中k=1/lnm。

計算第i個指標的熵權Ui

(11)

計算綜合權重：對運用層次分析法獲取的主觀權重Wi與運用熵權法獲取的客觀權重Ui利用公式(7)進行耦合，從而獲取最底層各指標相對于最高層的復合權重λi。

(12)

3 模型的應用

對于實際指標D1地質構造，經計算Z=3.65%；勘查區內5號煤層131個(以往施工14個)鉆孔中見煤點124個，按照煤層超過0.8 m即為可采的標準，可采點118個，因此對于實際指標D2煤層特性，經計算K=0.95，該煤層非常適宜進行地下氣化開采。

對于實際指標D3建廠條件，項目主要情況如下。

廠址概況。本項目地下氣化工廠位于耀西煤田范圍內。

氣象條件。本區為大陸性半干旱氣候，四季分明，溫差大。年平均氣溫12.4 ℃，最低-10 ℃(1月)，最高37 ℃(7月)。霜凍期為10月25日～次年2月19日。平均年降水量554.4 mm，蒸發量2 139.6 mm，降水量多集中在7～9月份。總體氣象條件適合生產。

地形地貌。勘查區內地勢北高南低，多被第四系黃土層覆蓋，地貌呈侵蝕塬、梁、峁、溝谷等多種黃土地形。溝谷區海拔在700 m左右，塬梁區海拔在750～900 m之間。總體來看，地表平坦開闊區域非常多。

交通運輸條件。咸銅鐵路梅(家坪)七(里鎮)線從勘查區中部沿沮河河谷穿過。包茂高速(西銅線)從勘查區東部外圍經過，距勘查區中心約3 km，正在建設的包茂高速復線已修至勘查區南部，區內各鄉鎮間均有公路相通，并且本項目臨近市區，交通極為便利，對于拉動銅川的相關產業鏈具有積極的作用。

水源情況。區內主要水系沮河、趙氏河自西北向東南穿越本區，趙氏河為長年流水，但水量隨季節變化較大。沮河一般情況下無水，但上游建有桃曲坡水庫，且勘探區內存有大量鄉鎮和村莊，能夠滿足取水要求。

電源情況。勘查區緊鄰耀縣、銅川新區，未來項目生活和生產用電電源可引自稠桑變電站。因此，未來礦井的供電條件便利，能滿足需求。

因此，對于實際指標D3建廠條件，項目所具備的上述條件是非常優越的，已經初步對項目地面位置進行了選址，選址區域地勢平坦，地理位置非常優越，非常適宜建廠。

對于實際指標D4開采技術條件，5號煤位于太原組中上部，為貧煤或者貧瘦煤，煤層直接頂和老頂大部分均為隔水性很好的泥巖或砂質泥巖，首采區大部分煤層底板標高高于底板奧灰巖水位標高380 m；煤層埋深159.71～761.01 m；傾角5°～10°；煤層厚度0～7.75 m，平均3.37 m，屬穩定煤層；原煤灰分變化在9.79%～39.84%之間，平均為26.51%，灰分較小。根據開采技術條件的判斷標準，5號煤層非常適合煤炭地下氣化。

對于經驗指標D5～D9，專家打分的具體結果見表5。

表5 專家打分表 單位：分

對于測算指標D10氣化效率和經濟性指標D12～D18的測算結果如下：項目氣化效率為78.46%，發電效率為37.07%。初步估算的稅后投資內部收益率為14.7%，財務凈現值為3 093萬元，投資回收期為10.02a，投資利潤率為10.9%。可以看出項目具有一定的盈利能力；平均資產負債率21.52%，借款償還期在6.2a左右，資產負債率較低，償債能力強；盈虧平衡點在67.3%，安全生產能力較高。通過敏感性分析可知，其受產品價格影響較大；通過綜合經濟指標發現，該項目不僅財務上可行，投資風險也不大。

3.1 隸屬度

根據計算，得到各指標的隸屬度數值如下

(13)

綜合權重的計算見表6。

表6 評價指標綜合權重的計算

3.2 評價結果

在層次分析法構建評價指標體系的基礎上，采用模糊綜合評價法對煤炭地下氣化發電項目可行性進行綜合評價。模型的評語等級劃分為可行、基本可行和不可行3個等級，并根據構造的模糊綜合評判矩陣，將隸屬度記為矩陣R=(r1,r2,…,r18)T。

利用層次分析法和熵權法確定的各指標的綜合權重，進行相應計算，確定煤炭地下氣化發電項目從整體上對各等級模糊子集的隸屬程度，得到評價結果B=λ·R=(λ1,λ2,…,λ18)·(r1,r2,…,r18)T，根據最大隸屬度原則，項目的技術經濟可行性模糊綜合評判結果為可行。其中不可行占比為0.072，說明項目整體可行性較高，抵抗風險的能力較強。

4 結論

(1)針對煤炭地下氣化的特點對其技術和經濟兩方面進行綜合評價，在選取相應技術、經濟評價指標體系的基礎上建立了基于層次分析法和熵權法的模糊綜合評價模型。

(2)建立的模型克服了傳統模糊綜合評價方法中指標權重過于主觀的問題。在將該模型應用于耀西煤田地下氣化發電項目中進行綜合評價分析的過程中，模型展現出了較強的適應性與可靠性，最終得到所評價項目具有較強可行性的結論，從而進一步驗證了該方法的實用性。