改进的两阶段法及其在煤炭地下气化制天然气项目选址中的应用 -.pdf

第4 6卷 第3 期 2 0 1 4 年 第3 期 煤炭工程 CO AL EN GI NE ER I NG Vo 1 ． 4 6， No ． 3 No ． 3，2 01 4 do i 1 0． 1 1 79 9 ／c e 20l 4 0 3 0 02 改进 的两 阶段法及 其在煤炭地下 气化制天然气项 目选址中的应用 段天宏 ， ，v ，周丽敏 ， ，王作棠 ，贺 盛 ，王春俊 ，吴福清 ，3 1 ．中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ； 2 ．中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点试验室，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ； 3 ． 深部煤炭资源开采教育部重点实验室 ，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 摘要 为 了促使煤炭地下气化制天然气产业获得 良好经济效益和环境效益，文章提 出了一 种改进的两阶段法选址方法首先用重心法确定项 目选址的大致位置 ，然后在详细分析项 目选址 的主要影响因素的基础上 ，运用模糊 A H P法建立模型解决选址问题 。在用模糊 A H P法计算的过 程中，采用 G I S方法得到曲线距 离，从 而计算运输费用。最后 ，运用建立的模型对山东省煤炭地 下气化制天然气项 目的选址问题进行 了分析 ，得到 了优化的项 目选址。 关键词改进的两阶段 法；煤炭地下气化制天然气；模糊层次分析法；项 目选址 中图分类号T D 8 4 5 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 l一 0 9 5 9 2 0 1 4 0 3 - 0 0 0 4 - 0 4 I mp r o v e d Two S t a g e M e t h o d a n d Ap p l i c a t i o n t o S i t e S e l e c t i o n o f Co a l Un d e r g r o u n d Ga s i fi c a t i o n t o N a t u r a l Ga s P r o j e c t Du a n Ti a nhan g ‘ t ， Z HOU L i mi n ， ， W AN G Z u ot a n g ， HE S h e n g ， WA N G C h u n j u n ’ ．wU F u q i n g 1 ． S c h o o l o f Mi n i n g E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i ty o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，X u z h o u 2 2 1 1 1 6，C h i n a ； 2 ． Na t i o n a l Ke y L a b o f C o a l Re s o u r c e s a n d S a f e t y M i n i n g ， Ch i n a Un i v e rsi t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o gy ，Xu z ho u 2 2 1 1 1 6， C h i n a； 3 ． MO E K e y L a b o r a t o r y o f D e e p C o a l R e s o u r c e s M i n i n g ，X u z h o u 2 2 1 l 1 6，C h in a Ab s t r a c t I n o r d e r t o p r o mo t e t h e c o a l u n d e r g r o u n d g a s i fi c a t i o n t o n a t u r a l g a s s e c t o r t o h a v e t h e e x c e l l e n t e c o n o mi c b e n e fi t a n d t h e e n v i r o n me n t b e n e fi t ，t h e p a p e r p r o v i d e d a s i t e s e l e c t i o n me t h o d o f t h e i mp r o v e d t wo s t a g e me t h o d ．A b a r y c e n t r e m e t h o d w a s fi r s t a p p l i e d t o d e t e r mi n e t h e a p p r o x i m a t e l o c a t i o n o f t h e p r o j e c t s i t e s e l e c t i o n a n d t h e n b a s e d o n t h e d e t a i l a n a l y s i s o n t h e m a i n i n fl u e n c e f a c t o r s o f t h e p r o j e c t s i t e s e l e c t i o n ，a f u z z y a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s w a s a p p l i e d t o e s t a b l i s h a mo d e l t o s o l v e t h e s i t e s e l e c t i o n p r o b l e ms ． Du ri n g t h e c alc u l a t i o n p r o c e s s wi t h t h e f u z z y AHP me t h o d，t h e GI S me t h o d w a s a p p l i e d t o h a v e t h e c u r v e d i s t a n c e a n d t h e n t o c alc u l a t e t h e t r a n s p o r t a t i o n c o s t ． F i n all y t h e e s t a b l i s h e d mo d e l w a s a p p l i e d t o a n a l y z e t h e s i t e s e l e c t i o n p r o b l e m s o f t h e c o a l u n d e r g r o u n d g a s i fi c a t i o n t o n a t u r al g a s p r o j e c t i n S h a n d o n g P r o v i n c e a n d t h e o p t i m i z e d p r o j e c t s i t e s e l e c t i o n w a s o b t a i n e d ． Ke y wo r d s i mp r o v e d t w o s t a g e me t h o d c o a l u n d e r g r o u n d g a s i fi c a t i o n t o n a t u r a l g a s ； f u z z y a n aly t i c h i e r a r c h y p r o c e s s ； p r o j e c t s i t e s e l e c t i o n 煤炭地下气化 U n d e r g r o u n d C o a l G a s i f i c a t i o n ，以下简称 U C G 就是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，经热作用 及化学反应产生可燃气体⋯。运用这种新 型的采煤方法， 4 将得到的气体利用洗涤、变换、净化、天然气化等工艺技 术可制成天然气，供工业和居民使用。我国是一个 “ 富煤、 贫油、少气”的国家 ，随着近年来经济的稳步增长，能源 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 0 2 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 2 7 4 1 9 4 ；煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题项 目 S K L C R S M1 0 X IM ； 江苏高校优势学科建设工程资助项目 S Z B F 2 0 1 1 - 6 一B 3 5 作者简介段天宏 1 9 7 6一 ，男，湖北黄冈人 ，博士 ，现主要从事煤炭地下气化方面的研究，Ema i l P a s s i o n d u a n e u mt ． e du ． c n。 引用格式段天宏，周丽敏，等．改进的两阶段法及其在煤炭地下气化制天然气项目选址中的应用 [ J ] ．煤炭工程， 2 0 1 4，4 6 3 4 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第3期 煤炭工程 和环境保护需求的不断增大，石油和天然气市场的供需矛 盾也 日益突出。专家预计，2 0 1 02 0 2 0年我国石油供需缺 口估计将达 2 4亿 t 之间。2 0 1 0年我国天然气进口占比约 2 0 ％ ；2 0 1 5年进 口 占比有望 进一 步扩 大 至 3 0 ％ ～4 0 ％t z j 。 煤炭地下气化制天然气 的出现无疑为缓解我国天然气市场 供不应求的局面提供了新的发展思路，有利于补充我国天 然气进口量的不足和优化我国能源消费结构，对降低污染、 改善环境也具有重要的现实意义 。经几代人的不懈努力 和长期探索，我国先后在徐州、唐山、新汶、肥城、昔阳、 乌兰察布、重庆和甘肃华亭等地进行了 U C G的工业性试验 和产业化探索 。不过，在我国运用煤炭地下气化技术制 天然气还处于从试验向产业化过渡的阶段。如何选址关系 到这个朝阳产业的经济和环境效益 ，影响重大，是一个多 目标决策问题。 项 目选址 问题 的 目标 分为 四类 成 本 型、利润 型 、需 求型 和环境 型 J 。项 目选址 常见 的定量 方法 有重 心法 、层 次分析法 A n M y t i c Hi e r c h y P r o c e s s ，简称 A HP 、B a u mo 一 Wo l f e 法、P一中值法、数学规划法、启发式算法和仿真 方法等 。重心法将运输成本作为唯一决策因素 ，其计 算求得的最佳结果坐标所对应的地点有可能在河流，湖泊 或者是城市的主干道中间 J 。另外 ，重心法在计算的过程 中将两点之间的直线距离作为运输距离 ，这在大多数情况 下不符合实际。所以，重心法的应用范围比较窄，但其适 合用作运输成本在决策中起较大权重情况下的初步选址。 在 A H P法中，判断矩阵是通过对元素进行两两重要性 比较 来确定的，由于人们思维判断的模糊性以及客观事物的复 杂性，在对元素两两重要性 比较的结果赋值时用精确数值 来 表示是十分 困难 的，比如 1 9标度法 。因此 ，有必 要 将模糊数学理论引入到 A H P法中形成模糊 A H P法来解决选 址 问题 。 对于煤炭地下气化制天然气产业来说，主要要求获得 良好的经济效益，其选址问题的目标属于利润型。本文提 出一种新 的选址 方 法 首先 用重 心法确 定项 目选址 的大 致 位置 ，然后在详细分析项 目选址的主要影响因素的基础上， 运用模糊 A HP法建立模型解决选址问题。在用模糊 A H P法 计算的过程中，采用 G I S方法得到曲线距离，从而计算运 输费用。最后运用建立的模型对山东省煤炭地下气化制天 然气项目的选址问题进行了分析，得到了优化的项目选址。 1 基于改进的两阶段法的煤炭地下气化制天然气 项 目选址研究 本文提出了改进的两阶段法来解决煤炭地下气化制天 然气项目选址问题 ，在第一 阶段用重心法确定选址的大致 位置；在第二阶段，结合 G I S路径优化手段引入模糊 A H P 法建立相关模型确定项目最终选址。 1 ． 1 基 于重心法的候 选方案的确定 要想获得良好的经济效益 ，首先必须控制运输费用， 而运输费用的大小直接受到项 目选址的影响。重心法能够 较好地解决运输费用最小化问题 ，确定项 目选址的大致 位置 。 煤炭地下气化制天然气产业 的初期规模 比较小，一般 选用槽车作为运输工具在 5 0 0 k in内的经济运距内进行运输。 目前常用的槽车储 罐主要为 4 0 m 低温储罐，载重 2 0 t 左 右。国内运输距离在 1 0 0 0 k m以下的价格为 0 ． 9 51 ． 7 t k m ，折合为 0 ． 6 7～1 ． 2 k m k m ，本文取其平 均值为0 ． 9 3 5元／ k m k m 。在运输费用的计算中一个比 较棘手的问题是如何确定到各个销售地的运输量。普通情 况下， ’ 它与各销售地的市场需求、产品售价、运输道路情 况等因素有关。但本选址问题的目标属于利润型，煤炭地 下气化制天然气初期产品的产量不会很大，不能有很好的 规模经济效应，要想取得 比较好的经济效益 ，对于产品的 运输量 Q ， 往各地的销售量 来说，主要要考虑的因素是生 产企业的利润，其他因素可以较少考虑或忽略。因此，可 以认为 Q ， 与价格成本差 终端销售价格 s ， 和成本 之间的 差值 成正比。所以，可以用指标 s ， 一c 来代替 Q ， 计算总 运输费用 。 重 心法需要 用到的公 式如下 F∑ 1 J 1 式中 一 总运输费用； 运费率； Q 商品的运输量 ； L 运输距离 。 对应的计算公式 ￡ ， ／ 一 l ， 2 式中 x， 选址的平面坐标。 使总运输费用最小的最佳地址 的坐标公式为 X Y ∑ Q J ／ 一 ∑ ／ J 1 ∑ ／ 一 ∑ ／ 3 4 式中 ， 销售地的平面坐标。 经过计算得到的最佳选址 X，Y 可能刚好处在山川 I 、 河流、湖泊或者是城市的主干道中间，并且煤炭地下气化 制天然气项 目的选址还涉及到目标市场、煤炭储量、水 电 资源、环境容量等各种因素，因此，重心法得到的最佳选 址 ，y 不能直接作为煤炭地下气化的项 目选址。但是， 可以在重心点周边选择几个距离最近的满足各种约束条件 的地址作为项 目选址的备选方案，然后进一步从几个备选 方案中优选出一个最佳选址。这就需要对煤炭地下气化制 天然气项目选址的影响因素及其权重进行分析。 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4年第3 期 1 ． 2 模糊 A H P法模型的建立 1 ． 2 ． 1 煤炭地下气化制天然气项目选址的影响因素 为了提高煤炭地下气化制天然气产业的经济效益，项 目在选址时应尽量靠近产品售价较高的城市。在确定将这 些价格较高城市作为 目标市场之后，综合考虑各种因素， 得出影响煤炭地下气化制天然气项 目选址的主要因素有 煤炭储量、水电资源、环境容量、运输费用。 1 煤炭储量。煤炭作为煤制天然气的原料，其储量直 接关系着工厂的运行年限。用煤制气需要消耗大量的煤炭资 源一个 2亿 m ／ a规模的煤炭地下气化制 S N G工厂气化煤 炭大约 5 0万 t ／ a左右 。因此 ，在选址 时，应尽 可能选 择 煤炭储量较大的矿，以保证制气的产量及项 目的运行年限。 世界上最大的煤化工企业南非萨索尔公司有 3个独立的 工厂，一年共处理 4 0 0 0万 t 煤炭，由于该工厂用煤量巨大， 现坑口煤田只能保证供应 1 0 a 左右，需寻找新的煤田 。 2 水电资源。煤炭地下气化制天然气项目对环境的影 响相当大 ，例 如 ；煤制 气需 要很 大 的 用水 量 一 个 4 0亿 m ／ a的 S N G工厂即使在严格管理、最大化地将工厂废水经 处理 后 重 复 利 用 的 条 件 下，其 用 水 量 也 不 会 少 于 2 2 0 0 t ／ h 。所以，如果不考虑水资源 ，不考虑当地 的水 价，将项目选址在一个水资源稀缺的地区是不明智。另外 ， 还要考虑选址地点的电力资源。 3 环境容量。煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂 的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物， 一 种固体可燃有机岩，主要 由植物遗体经生物化学作用 ， 埋藏后再经地质作用转变而成。其所含 的元素主要有碳 、 氢、氧、氮和硫等，此外，还有极少量的磷 、氟、氯和砷 等元素 。因此 ，用煤煤炭地下气化的方法制天然气必然 会产生大量的有害污染物和温室气体。煤制气也会产生大 量的温室气体，在其生产过程中只有 1 ／ 3的碳进入了煤制 气产品，其余 2 ／ 3的碳变成了 C O ， 排出工厂 。所以必须 要 考虑被选 地区的环境容量 。 4 运输费用。煤炭地下气化制天然气作为液化石油气 和天然气的替代 品，因为其 目前的发展还没有液化石油气 产业和天然气产业成熟，所以在发展初期，其规模不会太 大 ，运输费用的大小直接关系到生产企业的利润，所以 要求尽量减小项 目地到各销售地之间的总运输费用。煤炭 地下气化制天然气工厂一般布置于煤矿工业广场附近，可 以在用重心法确定的候选选址附近选择满足以上 3个 因素 要求的煤矿工业广场作为候选厂址来计算运输费用。重心 法等方法在计算的过程 中将两点问的直线距离作为运输距 离，但是，实际的运输距离不可能是直线距离，所以会导 致比较大的误差。然而 ，当候选选址已经确定之后就可以 通过 G I S软件来确定候选选址到各销售地之问的经过优化 后的实际运输距离，代人到式 1 中就能够计算出准确的运 输费用作为模糊 A H P法的计算指标。 5 其他因素。不同煤质对地下气化的产气指标有较大 的影响，煤层的埋深直接影响项 目的经济效益 ，项 目所在 地的产业配套情况也对项 目的经济效益产生影响，本文将 这几个因素都归结到其他因素里面。 1 ． 2 ． 2利用模糊 A H P法进行选址优化 层次分析 法简称 A H P，该方 法是 由美 国运 筹 学家 L S a a t y 在 2 0世纪7 0年代提出的一种简便、灵活而又实 用的多准则决策方法 。该方法根据问题的性质和问题本 身要达到的目标 ，将问题分解出若干要素，并按 因素间的 相互关系将因素分成若干层次，从而组成一个层次结构模 型，并按层次分析获得最低层因素对于最高层 总目标 的 重要性权重。在应用 A H P法时 ，对于权重和判断矩阵需要 两两进行比较用标度法来进行确定，这不符合人脑模糊判 断的特点。本文将模糊数学方法引入 A H P法中，分别用专 家评价法和模糊数学的隶属度函数方法确定指标权重和评 价矩 阵。 2 应用实例 以山东省为例 ，选取几个加气站天然气售价较高的城 市作为目标市场 ，在谷歌地球软件中查询各地的经纬度坐 标 ，并确定其平面坐标、产品售价和价格成本差，见表 1 。 表 1 目标市场基本情况表 编写运算程序，并将上述数据经过三次迭代得到的理 论位置为 4 5 ． 9 9 8 3 8 ，3 1 ． 9 1 7 3 ，将其转换为经纬度坐标 6 后，在地图上显示 的重心地点在山东省泰安市宁 阳县 内， 如图 1 所示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m