齊敏華 李文瑩

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院,山東省青島市,266590)

大型煤電基地“煤－粉煤灰”雙向物流模型研究

齊敏華 李文瑩

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院,山東省青島市,266590)

在大型煤電基地建設(shè)中,優(yōu)化煤炭的供應(yīng)渠道和供應(yīng)量、提高電廠燃煤廢棄物的有效利用是目前急需解決的問(wèn)題。本文在運(yùn)輸成本最低的前提下,對(duì)煤和粉煤灰在各礦井及各電廠間的供應(yīng)關(guān)系及供應(yīng)量進(jìn)行了研究。根據(jù)礦井和燃煤電廠之間的地理位置分布、煤炭供求關(guān)系、礦井開(kāi)采能力,采用最優(yōu)化理論和方法,建立“煤—粉煤灰”雙向物流模型,滿足運(yùn)輸成本最優(yōu)的目的。根據(jù)建立的模型,求得礦井與燃煤電廠之間煤炭供應(yīng)量和煤礦井下粉煤灰回填量分配最優(yōu)解以及雙向物流分配方案,并確定了需建設(shè)的皮帶運(yùn)輸路線的總長(zhǎng)度。為煤炭開(kāi)采、煤電就地轉(zhuǎn)化和粉煤灰井下回填,提出一種新的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)模式。

物流工程 雙向物流 優(yōu)化 煤 粉煤灰 礦井回填

在煤電一體化基地中,為降低煤炭采購(gòu)、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏等固定成本,通常在煤礦礦井附近建設(shè)燃煤電廠,實(shí)現(xiàn)煤炭開(kāi)采、煤電就地轉(zhuǎn)化。為了避免燃煤電廠產(chǎn)生的粉煤灰渣及脫硫石膏(以下簡(jiǎn)稱粉煤灰)地面堆放造成的環(huán)境污染和土地占用,建立粉煤灰運(yùn)輸系統(tǒng),將粉煤灰回填煤礦井下,既提高了固體廢棄物的綜合利用率,又可以防止地表沉陷、降低環(huán)境治理費(fèi)用,對(duì)推進(jìn)電力產(chǎn)業(yè)綠色化發(fā)展,建設(shè)生態(tài)、環(huán)保、綠色的清潔能源輸出示范基地具有重要意義。本文針對(duì)最優(yōu)配比運(yùn)輸問(wèn)題,通過(guò)建立煤、粉煤灰在煤礦與電廠間的地面雙向物流模型,達(dá)到節(jié)約成本、資源的有效利用及合理分配的目的。

1 最優(yōu)化理論與方法

最優(yōu)化原理是運(yùn)用最優(yōu)化的方法解決最優(yōu)計(jì)劃、最優(yōu)分配、最優(yōu)決策、最佳設(shè)計(jì)、最佳管理等實(shí)際問(wèn)題。最優(yōu)化方法廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、商業(yè)、國(guó)防、管理等各個(gè)領(lǐng)域,包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等。

運(yùn)輸問(wèn)題是一類最典型的線性規(guī)劃問(wèn)題,因其模型結(jié)構(gòu)的特殊性,其解法比一般的線性規(guī)劃計(jì)算方法更為簡(jiǎn)便,因其在一個(gè)調(diào)運(yùn)表上就可以完成整個(gè)求解過(guò)程,故稱這種方法為表上作業(yè)法。由于該方法計(jì)算簡(jiǎn)便且在解決運(yùn)輸問(wèn)題上具有的獨(dú)特性,因此,本文采用此方法建立“煤—粉煤灰”雙向物流模型。

在對(duì)運(yùn)輸問(wèn)題進(jìn)行求解時(shí),采用表上作業(yè)法,步驟如下:首先利用最小元素法對(duì)運(yùn)輸模型確定初始基可行解;再利用位勢(shì)法進(jìn)行檢驗(yàn);用閉回路法調(diào)整基可行解;重復(fù)上述步驟直至求出最優(yōu)解。

2 基于最優(yōu)化理論的煤運(yùn)輸成本模型

2.1 煤運(yùn)輸成本模型的建立

以某煤電一體化基地為例,燃煤電廠的煤炭需求量、各礦井生產(chǎn)能力及運(yùn)輸距離如表1所示。

表1 各電廠燃煤需求量、各礦井生產(chǎn)能力及運(yùn)輸距離

由于基地內(nèi)電廠為坑口電廠,運(yùn)輸方式多采用皮帶運(yùn)輸,可認(rèn)為該方式下單位運(yùn)輸成本為固定值,因此,建立煤運(yùn)輸成本模型,可得出最低運(yùn)輸成本。

由表1可知,該基地內(nèi)各礦井生產(chǎn)能力大于電廠燃煤總需求量。因此,在滿足各電廠燃煤需求的前提下,確定各煤礦到各電廠的供給量及供給對(duì)象成為建立煤運(yùn)輸成本模型需解決的關(guān)鍵。

根據(jù)表1中的供求關(guān)系、運(yùn)輸距離及最終目標(biāo),以電廠燃煤需求量、礦井生產(chǎn)能力以及運(yùn)輸距離為變量,建立如下煤運(yùn)輸成本模型:

目標(biāo)函數(shù):

式中:Z——煤總運(yùn)輸成本,萬(wàn)元;

cij——各電廠與各礦井之間的運(yùn)輸距離矩陣;

xij——需求解的最優(yōu)運(yùn)輸量矩陣;

a——單位運(yùn)輸成本,萬(wàn)元/(km·萬(wàn)t);

Dj——各電廠燃煤需求量,萬(wàn)t;

Si——各礦井煤炭年產(chǎn)量,萬(wàn)t。

2.2 煤運(yùn)輸成本模型的求解

利用煤運(yùn)輸成本模型,借助工具M(jìn)ATLAB計(jì)算,得最優(yōu)運(yùn)輸量xij對(duì)應(yīng)的矩陣為:

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,各電廠所需燃煤的來(lái)源、數(shù)量如表2所示。

表2 各電廠所需燃煤的來(lái)源及數(shù)量萬(wàn)t

根據(jù)表2的分配方案計(jì)算可得,總運(yùn)量為15047 km·萬(wàn)t,最短運(yùn)輸距離為49.3 km。

3 基于最優(yōu)化理論的粉煤灰運(yùn)輸成本模型

3.1 粉煤灰運(yùn)輸成本模型的建立

由于回填技術(shù)中回填材料密度的不同,礦井所需回填材料的量也不同。因此,按照80%的回填率,利用式3可以計(jì)算出不同回填體下各礦井所需回填材料的質(zhì)量。

式中:M——各礦井所需回填材料的質(zhì)量,萬(wàn)t;

S——各礦井年產(chǎn)量,萬(wàn)t;

ρ煤——煤的密度,t/m3;

ρ充——充填材料的密度,t/m3。

根據(jù)表3中各電廠的粉煤灰產(chǎn)量、所需充填材料質(zhì)量以及運(yùn)輸距離,建立粉煤灰運(yùn)輸成本模型。

表3 各電廠的粉煤灰產(chǎn)量、所需充填材料質(zhì)量以及運(yùn)輸距離km

注:P——各電廠的粉煤灰產(chǎn)量,萬(wàn)t;M——各礦井所需充填材料質(zhì)量,萬(wàn)t;M1～M14——礦井1～14分別所需回填材料質(zhì)量,萬(wàn)t

從電廠運(yùn)送粉煤灰進(jìn)行井下回填,在保證全部消耗這些廢棄物的同時(shí)實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)輸成本最低的目標(biāo)。建立粉煤灰運(yùn)輸成本模型如下:

目標(biāo)函數(shù):

式中:Y——粉煤灰總運(yùn)輸成本,萬(wàn)元;

cij——各電廠與各礦井之間的運(yùn)輸距離矩陣;

xij——求解的最優(yōu)運(yùn)量矩陣;

b——單位運(yùn)輸成本,萬(wàn)元/(km·萬(wàn)t);

Pj——各電廠的粉煤灰產(chǎn)量,萬(wàn)t;

Mi——各礦井年所需回填體質(zhì)量,萬(wàn)t。

3.2 不同回填方案下粉煤灰運(yùn)輸成本模型的分析

(1)方案一:低強(qiáng)度似膏體自流回填方案。以粉煤灰為基礎(chǔ)材料,加入水泥作為膠固料,摻入適當(dāng)比例的水,制成似膏體回填材料,以自流的方式進(jìn)行回填。回填材料凝固后,具有一定的強(qiáng)度。在該方案下,回填體密度為1.54 t/m3。由于該回填方式中回填材料除粉煤灰外,還需利用水泥作為膠結(jié)材料,所以燃煤廢棄物占70%。因此,利用式(6)計(jì)算各礦井所需粉煤灰渣等的質(zhì)量。

(2)方案二:非膠結(jié)似膏體自流回填方案。以粉煤灰、渣、脫硫石膏為基礎(chǔ)材料,摻入適當(dāng)比例的水,制成似膏體回填材料(粉煤灰漿),以自流的方式輸送到井下,經(jīng)過(guò)脫水處理后,回填到采空區(qū)。充填體密度為1.5 t/m3。

(3)方案三:干式氣力輸送回填方案。利用氣體的能量來(lái)連續(xù)地輸送管道中的粉煤灰渣和脫硫石膏等物料,并在井下噴(拋)入采空區(qū)。粉煤灰自然堆積,不凝固。充填體密度為1.2 t/m3。

方案二、三均利用式(3)計(jì)算各礦井所需回填體質(zhì)量。各電廠的粉煤灰產(chǎn)量、三種方案下各需充填材料質(zhì)量以及運(yùn)輸距離如表4所示。

表4 各電廠的粉煤灰產(chǎn)量、三種方案下各需充填材料質(zhì)量以及運(yùn)輸距離km

3.3 不同回填方案下回填材料分配結(jié)果分析

利用粉煤灰運(yùn)輸成本模型,對(duì)上述三種回填方案下回填材料分配方案進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如下:

方案一:

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),三種回填方案下對(duì)粉煤灰運(yùn)輸量及供給對(duì)象的分配是相同的,粉煤灰最優(yōu)運(yùn)輸方案如表5所示。

方案二:

方案三:

表5 粉煤灰最優(yōu)運(yùn)輸方案萬(wàn)t

根據(jù)表5的分配方案計(jì)算可得,總運(yùn)量為1954 km·萬(wàn)t,最短運(yùn)輸距離為18.46 km。

4 “煤—粉煤灰”雙向物流分配方案

利用本文已建立的煤運(yùn)輸成本模型和粉煤灰運(yùn)輸成本模型計(jì)算,得煤、粉煤灰在各電廠與各礦井之前的雙向物流分配方案以及皮帶運(yùn)輸路線總建設(shè)長(zhǎng)度,分配方案如表6所示。

根據(jù)表6可知,由于煤的供給量大于粉煤灰的供給量,因此,在E1→C3、E1→C5、E3→C12、E4→C6之間只能形成煤?jiǎn)蜗蜻\(yùn)輸,需建設(shè)單條皮帶運(yùn)輸路線,皮帶運(yùn)輸路線長(zhǎng)度為5.61＋10.28＋7.01＋7.94＝30.84 km;E1→C4、E2→C3、E3→C14、E4→C1、E5→C12之間構(gòu)成雙向運(yùn)輸,需建設(shè)雙向皮帶運(yùn)輸路線,皮帶運(yùn)輸路線長(zhǎng)度為(1.87＋2.80＋5.14＋3.04＋5.61)×2＝36.92 km。因此,皮帶運(yùn)輸路線總建設(shè)長(zhǎng)度為67.76 km。

表6 “煤—粉煤灰”雙向物流分配方案萬(wàn)t

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析煤電一體化基地下電廠和礦井之間煤、粉煤灰的供求關(guān)系,電廠與礦井間的距離、皮帶運(yùn)輸成本等因素,構(gòu)建了“煤—粉煤灰”雙向物流模型,得出以下結(jié)論:

(1)通過(guò)建立煤運(yùn)輸成本模型,在滿足各電廠燃煤需求的前提和運(yùn)輸成本最低的前提下,得出礦井與電廠間燃煤的最優(yōu)分配方案,求得總運(yùn)量和最短運(yùn)輸距離;

(2)通過(guò)建立粉煤灰運(yùn)輸成本模型,在綜合利用廢棄物和運(yùn)輸成本最低的前提下,求得總運(yùn)量及最短運(yùn)輸距離;

(3)通過(guò)建立煤和粉煤灰運(yùn)輸成本模型,得出“煤－粉煤灰”雙向物流分配方案以及皮帶運(yùn)輸路線總建設(shè)長(zhǎng)度。

[1] 劉利軍.鄂爾多斯市的煤炭物流規(guī)劃[J].中國(guó)煤炭,2007(12)

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[3] 周健奇,劉偉,鄭毅.煤炭供應(yīng)鏈管理是國(guó)有煤炭企業(yè)物流公司的發(fā)展方向[J].中國(guó)煤炭,2010 (5)

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Study on model of bidirectional logistics of coal-fly ash in large-scale coal-electricity base

Qi Minhua,Li Wenying
(College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao,Shandong 266590,China)

In the construction of large-scale coal-electricity base,the optimization of coal supply channel and supply quantity and the improvement of the effective use of coal waste for power plant need to be addressed urgently.This paper studied the relationship of supply quantity of coal fly ash between each coal and each power plant based on the lowest cost of transportation.One bidirectional＂coal-fly ash＂model was established according to the geographical location distribution between coal and power plant,the supply-demand relationship of coal and the mining capacity of coal by using optimization theory and method.The established model was designed to meet the purpose of optimal transportation costs. The supply quantity of coal between coal and power plant and the optimal backfilling amount of fly ash in coal and the two-way logistics distribution plan were gained through the established model.Therefore, the total length of the belt transport route was determined.This paper proposed an industry pattern for coal mining,coal local transformation and the backfill of fly ash.

logistics engineering,two-way logistics,optimization,coal,fly ash,mine backfill

TD－9

A

齊敏華(1981－),男,山東臨沂人,講師,博士研究生,主要從事礦業(yè)信息工程、思想政治教育等研究工作。

(責(zé)任編輯 張大鵬)

齊敏華,李文瑩．大型煤電基地“煤－粉煤灰”雙向物流模型研究[J].中國(guó)煤炭,2017,43(1):30－34,59. Li Wenying,Qi Minhua．Study on model of bidirectional logistics of coal-fly ash in large-scale coal-electricity base[J].China Coal,2017,43(1):30－34,59.