基于灰色關聯分析和層次分析法的水泥回轉窯用煤質量指標綜合評價

周 斌，艾玉強，費延梅，馮富寧（山東山水水泥集團有限公司，山東 濟南，）

0 引言

隨著水泥回轉窯精細化管理的深入，根據自身燒成系統的狀況對用煤各項指標的要求也越來越嚴格，不管是同行業企業之間煤炭指標的對比，還是對不同供應商的煤進行評價，都需要進行綜合因素的考慮，以求達到全面性，而綜合評價是指人們根據不同的評價目的，選擇相應的評價形式，通過一定的評價方法，將多個評價因素或指標轉化為能反映評價對象總體特征的信息，具有整體性和全面性，目前綜合評價主要采用多指標綜合評價方法，在社會、經濟、管理和工程系統等各個領域應用日益廣泛，為人們正確認識事物（現象）、正確決策提供了科學手段。利用綜合評價方法建立健全水泥回轉窯用煤質量評價體系，有助于加強商品煤全過程質量控制，提高水泥廠用煤質量，同時對推進煤炭高效清潔利用，改善環境質量起到非常重要的作用。

本文結合現行國家標準和行業規范，確定水泥回轉窯用煤綜合評價指標體系和評價指標劃分方案，建立基于灰色關聯分析[1]和層次分析法（AHP）[2]的水泥回轉窯用煤質量等級評價模型，針對集團內6家公司實際進廠煤炭質量數據，進行綜合評價研究，為回轉窯用煤使用價值最大化，合理確定進廠驗收指標提供決策依據，對同行業企業起到一定的指導意義。

1 確定等級劃分方案，建立評價指標體系

1.1 現有水泥回轉窯用煤質量分級指標

《商品煤質量水泥回轉窯用煤》（GB/T 7563—2018）中規定水泥回轉窯用煤按發熱量和全硫指標進行等級劃分，以“發熱量等級+全硫等級”的形式表示，其他指標按GB/T 31356規定執行，見表1。

表1 水泥回轉窯用煤發熱量等級、全硫等級與指標要求

現今大多數水泥企業用煤的質量分析主要包括工業分析、發熱量的測定、全硫的測定和煤灰成分的分析，而水泥回轉窯熟料的燒成是一個多組分，復雜的造礦過程，煤既作為燃料，煤中灰分又起到部分原料作用參與物理化學反應，成為熟料的一部分，所以單純的用上述兩個分級指標來評價有一定的局限性。

1.2 結合動力煤分級標準建立水泥回轉窯用煤評價指標體系，確定等級劃分方案

影響煤炭質量的指標很多，各種煤質指標對動力煤的質量評價作用是不一樣的，不同用途的動力煤評價指標選取標準也不同。對水泥回轉窯用煤質量指標進行分級，首先要考慮動力煤最基本特征，要符合國家規定相關動力設備的用煤技術條件。參照動力煤分級標準，其等級評價指標的確定以《煤炭質量分級》（GB/T15224—2010）、《商品煤質量 水泥回轉窯用煤》（GB/T 7563—2018）、《商品煤質量評價與控制技術指南》（GB/T 31356—2014）、《煤的全水分分級》（MT/T 850—2000）等國家及行業標準為基本框架，結合公司實際進廠驗收指標，確定了發熱量（Qnet,ar）、灰分（Ad）、硫分（St,d）、揮發分（Vdaf）、全水分（Mt）5項評價指標，把水泥回轉窯用煤劃分為5個等級，等級劃分及參數取值見表2，建立了水泥回轉窯用煤評價指標體系和等級劃分方案。

表2 水泥回轉窯用煤等級劃分與參數取值

2 評價模型的建立

2.1 評價數據

表3 集團6家公司當日進廠原煤加權質量統計

2.2 評價方法

現代綜合評價方法主要有層次分析法（AHP）、模糊綜合評定法、人工神經網絡評價法、灰色關聯分析等，由于灰色關聯分析方法計算簡單，評價過程反映信息全面，不僅能夠反映不同級別樣本之間的差別，而且還能反映同一級別的樣本質量優劣[3]。同時由于回轉窯用煤指標對其質量的影響是不同的，為了保證評價的準確性，宜采用層次分析法（AHP）確定各指標的權重。故本文建立基于灰色關聯分析+層次分析法的評價體系。

2.2.1灰色關聯分析評價原理

灰色關聯分析是利用灰色關聯度來表征兩個事物的關聯程度，其基本思想是根據序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷聯系是否緊密，即曲線越接近相應序列之間的關聯度就越大，反之也就越小。在水泥回轉窯用煤質量評價過程中，以回轉窯用煤分級標準中的限值作為比較數列，以待評價煤樣樣本作為參考數列，求出多個關聯度，最后把關聯度最大的樣本級別，作為待評價煤樣本質量的所屬等級。

rij=max{rij}，1 j n，稱參考數列與比較數列關聯度最好。

2.2.2層次分析法確定各指標的權重

層次分析法又稱AHP構權法，是將復雜的評價對象排列為一個有序的遞階層次結構的整體，然后在各個評價指標之間進行兩兩比較，構造合理且一致的判斷矩陣，計算各個評價指標的相對重要性系數，即權重。

表4 判斷矩陣元素aij的標度方法

（1）建立比較判斷矩陣A。根據表4中標度方法對表3中各煤質指標，進行兩兩比較（綜合多位分公司專家的意見），形成了比較判斷矩陣A，見表5。

由于有效站臺中心里程處的基坑位于正在修建的T2航站樓正對面，基坑開挖時斜拱樁基有的已經施工完成，有的還未施工，因此有必要研究斜拱不同加載時機對基坑開挖的影響。根據現場基坑施工的主要工況，取斜拱加載時基坑開挖深度Z分別為0 m(即基坑未開挖)、7 m、11.5 m、16 m和20.2 m，分析斜拱樁基在基坑不同開挖深度加載時對基坑圍護樁的影響。圖11和圖12分別為基坑與斜拱樁基承臺邊緣凈距為5 m時，不同開挖深度Z加載圍護樁樁身最大水平位移分布圖和圍護樁最大水平位變化移曲線圖。

表5 各煤質指標的比較判斷矩陣A

（2）求解判斷矩陣。目前求解判斷矩陣有三種近似算法，根法、和法和冪法。本文采用和法求解。

①將A的元素按列作歸一化處理，得矩陣Q，其中:

②將Q元素按行相加，得向量α=（α1,α2,...αn）T,其中:

③檢驗判斷矩陣一致性，求最大特征值:

（3）求得發熱量、灰分、硫分、揮發分、全水分權重依次為：0.389；0.214；0.121；0.199；0.077.

2.3 評價步驟

（1）確定參考數列和比較數列。將表3中各公司待評價煤炭參數指標構成數列作為參考序列，xi(k)，k=1,2,3,4,5表示5個指標，i=1,2,3,4,5,6表示6個公司樣本，則有：

表6 參考數列

將表2中回轉窯用煤質量分級標準中每一級參數限值構成比較數列xj(k)，由于集團所屬公司在實際進廠驗收時低質煤會被拒收，所以可以將回轉窯用煤分為四個等級，即j=1，2，3，4，分別表示優質、較優質、中等、較低質，見表7。

（2）數列中數據初始化。由于水泥回轉窯用煤評價的各項指標尚無統一的度量標準，，在評價前先將各指標變量進行初始化，即無量綱化。若原始數列為數值越大代表指標越優秀的數列，為了保證初始化后的數列都是表示數值越大越優秀，利用公式（3）構建初始化數列,其中max(xik)為原始數列中的最大值。

表7 比較數列

若原始數列為數值越小代表指標越優秀的數列，利用公式（4）構建初始化數列,其中min(xik)為原始數列中的最小值。

對參考數列和比較數列中發熱量和揮發分指標采用公式（3）；對于灰分、硫和全水分采用公式（4），則有：

將關聯系數和層次分析法取得的各指標權重w，代入到公式（2）計算，可得關聯度：

由此可知PY1與第一等級的關聯度最大，可將PY1劃分為煤炭質量優質。同理可得其他樣本的關聯度如表8。

表8 關聯度計算結果表

從表8中可以看出PY1，ZB2，YS3，ZC4，YT5屬于優質等級，CX6屬于較優質等級，且同為優質等級的樣本優劣程度，由r21＞r11＞r41＞r51＞r31，可得ZB2＞PY1＞ZC4＞YT5＞YS3。

4 結論

水泥回轉窯用煤質量指標綜合評價是根據國家或行業的有關標準，結合動力煤分級標準建立水泥回轉窯用煤評價指標體系，確定了等級劃分方案。本文利用層次分析法確定各指標權重，建立了基于灰色關聯分析的水泥回轉窯質量指標綜合評價模型。

（1）該質量指標綜合評價方法計算簡單，評價過程反映信息全面，不僅能夠反映不同級別樣本之間的差別，而且還能反映同一級別的樣本質量優劣，可用于不同公司或不同供應商之間的煤炭質量綜合評價對比，為回轉窯用煤使用價值最大化，合理確定進廠驗收指標提供決策依據。

（2）利用所建立質量指標評價模型，對集團下屬6家分公司進廠煤進行等級評價，得出該段時期進廠煤的質量優劣排序是：ZB2＞PY1＞ZC4＞YT5＞YS3＞CX6。

（3）本文評價模型中水泥回轉窯用煤等級劃分方案適用于大部分用煙煤的水泥企業，如企業用無煙煤或其它特定煤種，可根據動力煤分級標準或煤種特性對煤炭等級劃分和參數取值方案進行調整，再按照文中評價步驟進行評價即可。

（4）隨著精細化管理的深入，各水泥企業可根據自身情況，進一步完善分級評價方案，如可增加煤的哈氏可磨性指數指標，對于改造粉煤制備系統，計算磨煤機的產率和耗電量等均有指導意義；煤的燃燒性能指標，包括著火溫度、燃燒速率、燃盡時間、可燃性指數等，以便更好的指導生產用煤。