基于線性規(guī)劃算法的我國煤化工產(chǎn)業(yè)智能優(yōu)化選址方法研究與應(yīng)用

趙 汀，劉 超，周鳳英，張 艷，閆 強，閆睿哲，趙海云

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037；2.東華大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；3.北京市節(jié)約用水辦公室，北京 100038)

我國能源資源稟賦特點為“富煤、貧油、少氣”，大量油氣資源需要依賴進口。2019年，我國天然氣產(chǎn)量1 736.2億m3，進口量1 311.7億m3，進口依存度達(dá)43.0%。現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)是解決我國油氣過度依賴進口的有效途徑。截至2019年底，我國已建和在建的現(xiàn)代煤化工項目76個，其中，煤制天然氣5個(已投產(chǎn)4個，在建1個)、煤制油9個(已投產(chǎn)7個，在建2個)、煤制烯烴27個(已投產(chǎn)12個，在建15個)、煤制乙二醇35個(已投產(chǎn)20萬t，在建14個)，產(chǎn)能分布集中，大多數(shù)分布在我國的內(nèi)蒙古、山西、陜西、新疆、寧夏西部五省(區(qū))[1-2]。

1 智能選址方法的概況

煤化工是一個高投入、高風(fēng)險的產(chǎn)業(yè)，受煤質(zhì)、煤炭價格、技術(shù)、運輸、水資源、國際油氣價格、環(huán)境保護等多種影響因素作用，其布局選址是否合理至關(guān)重要。以往煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)劃選址決策的方法主要依靠專家經(jīng)驗分析判斷，實時性和靈活性較差，迫切需要一種可以降低企業(yè)風(fēng)險的技術(shù)手段。基于線性規(guī)劃算法的智能選址是一種通過大量煤炭煤質(zhì)、儲量、運輸、環(huán)境等多元參數(shù)，采用GIS智能規(guī)劃軟件技術(shù)，通過不斷迭代選取煤化工選廠位置，循環(huán)試錯求取生產(chǎn)要素配置最優(yōu)化配置方案的方法[3]。

2 智能選址主要參數(shù)

煤礦的煤質(zhì)配分決定了可以生產(chǎn)化工產(chǎn)品的種類，而煤化工生產(chǎn)成本中煤炭和物流成本占40%～70%，煤質(zhì)配分、煤炭價格和運輸成本的高低直接影響煤炭生產(chǎn)企業(yè)競爭力水平，煤炭運輸成本預(yù)測是煤炭物流成本管理中極為重要的環(huán)節(jié)[4-5]。通過分別對不同煤礦的物流進行GIS優(yōu)化測算，平衡比較輸煤礦山的運輸路徑、煤質(zhì)配分、價格等因子，對成本進行優(yōu)化預(yù)算，能使企業(yè)對煤炭成本和物流成本及其變化趨勢做到“心中有數(shù)”，以減少決策的盲目性和主觀性。水資源和環(huán)境保護也是制約煤化工項目的關(guān)鍵因素，通過產(chǎn)量測算水資源消耗量[6]，計算周邊水資源供給量是否滿足初期和未來的生產(chǎn)需要，以及選址必須滿足環(huán)保要求，如水資源和環(huán)境保護任意一項無法達(dá)標(biāo)則此選址一票否決。

3 智能布局選址的六個步驟

基于多指標(biāo)線性規(guī)劃的煤化工產(chǎn)業(yè)智能布局選址包括6個步驟(圖1)。

1) 煤炭揮發(fā)分的約束條件。煤炭中的揮發(fā)分含量越高，其著火性能越好，燃燒越穩(wěn)定。對一臺氣化爐來說，煤炭揮發(fā)分的含量不但不能比設(shè)置的最小值低，而且煤炭揮發(fā)分的含量不能比設(shè)置的最高值高，過高噴口可能被燒壞或發(fā)生其他事故。由此揮發(fā)分含量的參數(shù)指標(biāo)構(gòu)成了一個對目標(biāo)函數(shù)的約束條件，滿足我國主要氣化工藝要求的揮發(fā)分區(qū)間見式(1)。

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(1)

步驟S01：獲取擬建煤化工區(qū)域的空間坐標(biāo)。初始選點可以是一個比較粗略的目標(biāo)，后面由算法逐步在行政區(qū)內(nèi)迭代優(yōu)化。

步驟S02：設(shè)定煤化工產(chǎn)品類別、年產(chǎn)能。選擇市場上比較有前景的煤化工產(chǎn)品，通過產(chǎn)能推斷出消耗原煤的數(shù)量[7-8]，進入步驟S03。

步驟S03：分析煤化工產(chǎn)品耗煤量、煤質(zhì)要求。我國煤化工氣化工藝路線主要分為五種：氣流床粉煤氣化、氣流床水煤漿氣化、流化床氣化、固定床氣化、直接液化。通過大量煤化工項目的實地調(diào)研數(shù)據(jù)，中國地質(zhì)科學(xué)院特種煤調(diào)查項目對企業(yè)實際用煤的煤類、煤質(zhì)與國家煤炭分類標(biāo)準(zhǔn)進行對比分析，建立了一套符合我國國情和煤炭資源稟賦的氣化/液化/焦化用煤指標(biāo)體系[2,4,6,9]。

該指標(biāo)體系主要涵蓋生產(chǎn)每一種化工產(chǎn)品所需原煤數(shù)量、煤質(zhì)要求，包括煤炭的揮發(fā)分、發(fā)熱量、灰分、硫分、水分、灰熔點、灰成分等具體要求[10-11]，以氣流床粉煤氣化工藝為例如下所述。

2) 煤炭發(fā)熱量的約束條件。煤炭市場一般以煤炭發(fā)熱量的多少對煤炭進行定價，煤炭發(fā)熱量的大小直接關(guān)系到它的利用方式和需求量，因此發(fā)熱量多少就構(gòu)成了目標(biāo)函數(shù)的約束條件，見式(2)。

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(2)

3) 煤炭灰分含量的約束條件。煤炭中灰分含量的上升會使煤炭燃燒時火焰的傳播速度減慢、著火事件推遲、燃燒不穩(wěn)定不充分、結(jié)渣情況更嚴(yán)重，汽化爐也會出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損，因此煤炭灰分含量的多少構(gòu)成了目標(biāo)函數(shù)的約束條件，見式(3)。

0

(3)

4) 煤炭水分含量的約束條件。煤炭中水分含量過量會惡化原料煤的流散性，更會導(dǎo)致原料煤黏結(jié)或堵塞。因此，需考慮到煤炭水分不應(yīng)超過最大值，煤炭中水分含量的多少所構(gòu)成的約束條件，滿足我國主要氣化工藝要求的水分合理區(qū)間見式(4)。

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(4)

5) 煤炭硫分含量的約束條件。煤炭中硫分是可燃性的物質(zhì)，但倘若燃燒含硫量過高，煤炭會導(dǎo)致氣化爐的空氣預(yù)熱器的腐蝕、堵灰，還會污染空氣。煤炭中硫分含量越多，其所形成的硫酸蒸汽的酸露點就越高，因此對于煤炭六份含量的約束條件，滿足我國主要氣化工藝要求的硫份區(qū)間見式(5)。

0

(5)

6) 煤炭灰熔點的約束條件。煤經(jīng)高溫灼燒后剩余的殘留物即灰分的成分相當(dāng)復(fù)雜，主要有硅、鋁、鐵、鈣、鎂、鉀和鈉等元素的氧化物，這些成分決定了煤炭灰熔融性、灰渣黏度特性。煤炭灰熔點高，不易結(jié)渣，如果灰熔點超標(biāo)，就會造成氣化爐結(jié)渣，影響配煤工作的正常進行，滿足我國主要氣化爐要求的煤炭灰熔點范圍區(qū)間見式(6)。

1 250

(6)

步驟S04：多目標(biāo)拆分評價因子，形成模型參數(shù)。

1) 獲取坐標(biāo)周圍煤炭企業(yè)供煤煤質(zhì)、儲量、產(chǎn)量、價格數(shù)據(jù)。

2) 通過最短路徑算法、GIS技術(shù)分別測算每一個礦山到擬建點的最優(yōu)運輸路徑，得到距離和時間，從而推算運輸成本。

3) 獲取坐標(biāo)周圍水資源供應(yīng)量、保護區(qū)空間關(guān)系，以及每種產(chǎn)品的市場需求。

步驟S05：多目標(biāo)線性規(guī)劃計算最優(yōu)煤量配分和測算成本。配煤的灰分、水分、硫分、揮發(fā)分、發(fā)熱量、灰成分、灰熔融溫度均具有線性可加性，因此利用線性規(guī)劃建立數(shù)學(xué)模型來指導(dǎo)配煤。該數(shù)學(xué)模型由目標(biāo)函數(shù)和約束條件兩部分構(gòu)成，目標(biāo)函數(shù)見式(7)，約束條件見式(8)。

(7)

(8)

步驟S06：可行分析。比較步驟S05中測算的配煤供應(yīng)量、成本和收益，如果煤質(zhì)無法滿足生產(chǎn)需要或者內(nèi)部收益率低于行業(yè)平均水平，則選擇的放棄此點，回到步驟S01重新選擇，重復(fù)流程，通過迭代再次比較，直到煤質(zhì)滿足要求和內(nèi)部收益率高于行業(yè)平均水平，則此點進入選址目的名錄，通過智能選址評價后煤化工企業(yè)可進入詳細(xì)設(shè)計階段。

4 新疆煤炭富集區(qū)煤化工基地選址實踐

2018年新疆煤化工項目選址，運用本方法在新疆多個候選區(qū)域進行了智能優(yōu)化選址工作。

第一步：新疆區(qū)域內(nèi)有3個煤炭比較集中的區(qū)域，初始時分別在3個區(qū)域內(nèi)粗略選擇了3個位置：①新疆東部烏魯木齊東北80 km處準(zhǔn)噶爾煤盆地區(qū)域；②新疆西部伊犁縣伊犁煤盆地中部伊犁河5 km處；③新疆北部額爾齊斯河南40 km，距五彩灘煤礦100 km處。獲取三個位置的經(jīng)緯度，隨后根據(jù)坐標(biāo)提取評價參數(shù)，對建廠位置進行優(yōu)化。

第二步：設(shè)定煤化工產(chǎn)品為煤制氣，隨著城市化的進展，我國大城市都傾向于使用更清潔的天然氣作為生活、生產(chǎn)的燃料，我國天然氣缺口較大，需要大量進口，所以選擇煤制氣產(chǎn)品將獲得良好效益，煤制天然氣產(chǎn)能為60億m3/a。

第三步：分析煤制氣耗煤量、煤質(zhì)要求，見表1。由表1可知，產(chǎn)能為60億m3/a煤制天然氣項目需供煤7 260萬t/a，耗水0.9億m3/a。如采用氣流床粉煤氣化工藝，煤質(zhì)約束條件見式(1)～式(6)。

表1 消耗對比

第四步：獲取坐標(biāo)周邊100 km范圍內(nèi)的大型煤炭企業(yè)供煤煤質(zhì)、儲量、產(chǎn)量、價格數(shù)據(jù)，所需數(shù)據(jù)項目參見第三步，以及煤礦的報價(元/t)，年產(chǎn)能(萬t)，見表2煤礦實例。

表2 煤礦實例

計算從煤礦到擬建點的最少運輸成本(滿足煤質(zhì)要求的礦山實例)，3個選址區(qū)域計算機最短運輸路徑計算見圖2，結(jié)果見表3。

表3 煤礦運輸實例

圖2 選址系統(tǒng)最短運輸路徑計算

通過最短路徑算法、GIS技術(shù)分別測算每一個礦山到設(shè)置坐標(biāo)點的最優(yōu)運輸路徑，得到距離和時間，從而推算運輸成本；獲取坐標(biāo)周圍水資源供應(yīng)量；通過坐標(biāo)點與水系(大江大河、水庫)的距離測算，水資源供應(yīng)情況見表4。 獲取每種產(chǎn)品的市場需求：煤制天然氣市場很好，市場處于緊缺狀態(tài)。 獲取坐標(biāo)是否在自然保護區(qū)范圍內(nèi)：都在保護區(qū)10 km外。

表4 三個選區(qū)水資源情況

第五步：由第四步獲取的多個參數(shù)，式(7)和式(8)計算最優(yōu)煤量配分和測算成本，用計算機軟件求解線性規(guī)劃模型尋優(yōu)(表5)。

表5 三個選區(qū)評價結(jié)果

第六步：比較S05步驟中測算的配煤供應(yīng)量、成本和收益，滿足煤質(zhì)要求和水資源要求的選址為伊犁和五彩灘，而伊犁為最優(yōu)選址，通過這種選址優(yōu)化的方法，再繼續(xù)優(yōu)化迭代，智能選址評價后最終選擇了伊犁哈薩克自治州霍城縣西南XX km的點位，向煤化工企業(yè)推薦進入詳細(xì)設(shè)計階段。

5 結(jié) 語

在煤化工產(chǎn)業(yè)用煤特征研究基礎(chǔ)上，通過分解煤化工工藝所要求的煤質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)，建立水資源、煤質(zhì)、運輸、環(huán)境等多參數(shù)約束方程和目標(biāo)函數(shù)、運用線性規(guī)劃評價方法，采集礦山煤質(zhì)、水資源、環(huán)境、運輸?shù)榷嘣磾?shù)據(jù)，融合成為智能規(guī)劃算法，迭代評價形成優(yōu)化布局方案，通過不斷迭代優(yōu)選煤化工選廠位置，循環(huán)試錯，從而優(yōu)選出生產(chǎn)所需要素配置最優(yōu)化方案。以準(zhǔn)東、伊利、五彩灣三個煤炭富集區(qū)為研究對象，運用此方法進行智能選址，在滿足工藝煤質(zhì)要求的條件下，供應(yīng)相同數(shù)量的煤炭，準(zhǔn)東富煤區(qū)雖然總成本最低，但由于水源地距離太遠(yuǎn)被否決，而伊利綜合成本、水資源等因素排名第一，選址建議選擇伊利富煤區(qū)。