基于線性規劃算法的我國煤化工產業智能優化選址方法研究與應用

趙 汀，劉 超，周鳳英，張 艷，閆 強，閆睿哲，趙海云

(1.中國地質科學院礦產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.東華大學計算機科學與技術學院，上海 201620；3.北京市節約用水辦公室，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，我國天然氣產量1 736.2億m3，進口量1 311.7億m3，進口依存度達43.0%。現代煤化工產業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代煤化工項目76個，其中，煤制天然氣5個(已投產4個，在建1個)、煤制油9個(已投產7個，在建2個)、煤制烯烴27個(已投產12個，在建15個)、煤制乙二醇35個(已投產20萬t，在建14個)，產能分布集中，大多數分布在我國的內蒙古、山西、陜西、新疆、寧夏西部五省(區)[1-2]。

1 智能選址方法的概況

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

2 智能選址主要參數

煤礦的煤質配分決定了可以生產化工產品的種類，而煤化工生產成本中煤炭和物流成本占40%～70%，煤質配分、煤炭價格和運輸成本的高低直接影響煤炭生產企業競爭力水平，煤炭運輸成本預測是煤炭物流成本管理中極為重要的環節[4-5]。通過分別對不同煤礦的物流進行GIS優化測算，平衡比較輸煤礦山的運輸路徑、煤質配分、價格等因子，對成本進行優化預算，能使企業對煤炭成本和物流成本及其變化趨勢做到“心中有數”，以減少決策的盲目性和主觀性。水資源和環境保護也是制約煤化工項目的關鍵因素，通過產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需要，以及選址必須滿足環保要求，如水資源和環境保護任意一項無法達標則此選址一票否決。

3 智能布局選址的六個步驟

基于多指標線性規劃的煤化工產業智能布局選址包括6個步驟(圖1)。

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

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(1)

步驟S01：獲取擬建煤化工區域的空間坐標。初始選點可以是一個比較粗略的目標，后面由算法逐步在行政區內迭代優化。

步驟S02：設定煤化工產品類別、年產能。選擇市場上比較有前景的煤化工產品，通過產能推斷出消耗原煤的數量[7-8]，進入步驟S03。

步驟S03：分析煤化工產品耗煤量、煤質要求。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研數據，中國地質科學院特種煤調查項目對企業實際用煤的煤類、煤質與國家煤炭分類標準進行對比分析，建立了一套符合我國國情和煤炭資源稟賦的氣化/液化/焦化用煤指標體系[2,4,6,9]。

該指標體系主要涵蓋生產每一種化工產品所需原煤數量、煤質要求，包括煤炭的揮發分、發熱量、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) 煤炭發熱量的約束條件。煤炭市場一般以煤炭發熱量的多少對煤炭進行定價，煤炭發熱量的大小直接關系到它的利用方式和需求量，因此發熱量多少就構成了目標函數的約束條件，見式(2)。

4 500

(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、燃燒不穩定不充分、結渣情況更嚴重，汽化爐也會出現嚴重的磨損，因此煤炭灰分含量的多少構成了目標函數的約束條件，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，更會導致原料煤黏結或堵塞。因此，需考慮到煤炭水分不應超過最大值，煤炭中水分含量的多少所構成的約束條件，滿足我國主要氣化工藝要求的水分合理區間見式(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，但倘若燃燒含硫量過高，煤炭會導致氣化爐的空氣預熱器的腐蝕、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間見式(5)。

0

(5)

6) 煤炭灰熔點的約束條件。煤經高溫灼燒后剩余的殘留物即灰分的成分相當復雜，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，不易結渣，如果灰熔點超標，就會造成氣化爐結渣，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間見式(6)。

1 250

(6)

步驟S04：多目標拆分評價因子，形成模型參數。

1) 獲取坐標周圍煤炭企業供煤煤質、儲量、產量、價格數據。

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

3) 獲取坐標周圍水資源供應量、保護區空間關系，以及每種產品的市場需求。

步驟S05：多目標線性規劃計算最優煤量配分和測算成本。配煤的灰分、水分、硫分、揮發分、發熱量、灰成分、灰熔融溫度均具有線性可加性，因此利用線性規劃建立數學模型來指導配煤。該數學模型由目標函數和約束條件兩部分構成，目標函數見式(7)，約束條件見式(8)。

(7)

(8)

步驟S06：可行分析。比較步驟S05中測算的配煤供應量、成本和收益，如果煤質無法滿足生產需要或者內部收益率低于行業平均水平，則選擇的放棄此點，回到步驟S01重新選擇，重復流程，通過迭代再次比較，直到煤質滿足要求和內部收益率高于行業平均水平，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可進入詳細設計階段。

4 新疆煤炭富集區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域進行了智能優化選址工作。

第一步：新疆區域內有3個煤炭比較集中的區域，初始時分別在3個區域內粗略選擇了3個位置：①新疆東部烏魯木齊東北80 km處準噶爾煤盆地區域；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。獲取三個位置的經緯度，隨后根據坐標提取評價參數，對建廠位置進行優化。

第二步：設定煤化工產品為煤制氣，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，所以選擇煤制氣產品將獲得良好效益，煤制天然氣產能為60億m3/a。

第三步：分析煤制氣耗煤量、煤質要求，見表1。由表1可知，產能為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，煤質約束條件見式(1)～式(6)。

表1 消耗對比

第四步：獲取坐標周邊100 km范圍內的大型煤炭企業供煤煤質、儲量、產量、價格數據，所需數據項目參見第三步，以及煤礦的報價(元/t)，年產能(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(滿足煤質要求的礦山實例)，3個選址區域計算機最短運輸路徑計算見圖2，結果見表3。

表3 煤礦運輸實例

圖2 選址系統最短運輸路徑計算

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

表4 三個選區水資源情況

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

表5 三個選區評價結果

第六步：比較S05步驟中測算的配煤供應量、成本和收益，滿足煤質要求和水資源要求的選址為伊犁和五彩灘，而伊犁為最優選址，通過這種選址優化的方法，再繼續優化迭代，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，向煤化工企業推薦進入詳細設計階段。

5 結 語

在煤化工產業用煤特征研究基礎上，通過分解煤化工工藝所要求的煤質關鍵指標，建立水資源、煤質、運輸、環境等多參數約束方程和目標函數、運用線性規劃評價方法，采集礦山煤質、水資源、環境、運輸等多源數據，融合成為智能規劃算法，迭代評價形成優化布局方案，通過不斷迭代優選煤化工選廠位置，循環試錯，從而優選出生產所需要素配置最優化方案。以準東、伊利、五彩灣三個煤炭富集區為研究對象，運用此方法進行智能選址，在滿足工藝煤質要求的條件下，供應相同數量的煤炭，準東富煤區雖然總成本最低，但由于水源地距離太遠被否決，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。