大型煤电基地“煤－粉煤灰”双向物流模型研究

齐敏华 李文莹

(山东科技大学矿业与安全工程学院,山东省青岛市,266590)

大型煤电基地“煤－粉煤灰”双向物流模型研究

齐敏华 李文莹

(山东科技大学矿业与安全工程学院,山东省青岛市,266590)

在大型煤电基地建设中,优化煤炭的供应渠道和供应量、提高电厂燃煤废弃物的有效利用是目前急需解决的问题。本文在运输成本最低的前提下,对煤和粉煤灰在各矿井及各电厂间的供应关系及供应量进行了研究。根据矿井和燃煤电厂之间的地理位置分布、煤炭供求关系、矿井开采能力,采用最优化理论和方法,建立“煤—粉煤灰”双向物流模型,满足运输成本最优的目的。根据建立的模型,求得矿井与燃煤电厂之间煤炭供应量和煤矿井下粉煤灰回填量分配最优解以及双向物流分配方案,并确定了需建设的皮带运输路线的总长度。为煤炭开采、煤电就地转化和粉煤灰井下回填,提出一种新的循环经济产业模式。

物流工程 双向物流 优化 煤 粉煤灰 矿井回填

在煤电一体化基地中,为降低煤炭采购、运输、储藏等固定成本,通常在煤矿矿井附近建设燃煤电厂,实现煤炭开采、煤电就地转化。为了避免燃煤电厂产生的粉煤灰渣及脱硫石膏(以下简称粉煤灰)地面堆放造成的环境污染和土地占用,建立粉煤灰运输系统,将粉煤灰回填煤矿井下,既提高了固体废弃物的综合利用率,又可以防止地表沉陷、降低环境治理费用,对推进电力产业绿色化发展,建设生态、环保、绿色的清洁能源输出示范基地具有重要意义。本文针对最优配比运输问题,通过建立煤、粉煤灰在煤矿与电厂间的地面双向物流模型,达到节约成本、资源的有效利用及合理分配的目的。

1 最优化理论与方法

最优化原理是运用最优化的方法解决最优计划、最优分配、最优决策、最佳设计、最佳管理等实际问题。最优化方法广泛应用于交通运输、商业、国防、管理等各个领域,包括线性规划、非线性规划和动态规划等。

运输问题是一类最典型的线性规划问题,因其模型结构的特殊性,其解法比一般的线性规划计算方法更为简便,因其在一个调运表上就可以完成整个求解过程,故称这种方法为表上作业法。由于该方法计算简便且在解决运输问题上具有的独特性,因此,本文采用此方法建立“煤—粉煤灰”双向物流模型。

在对运输问题进行求解时,采用表上作业法,步骤如下:首先利用最小元素法对运输模型确定初始基可行解;再利用位势法进行检验;用闭回路法调整基可行解;重复上述步骤直至求出最优解。

2 基于最优化理论的煤运输成本模型

2.1 煤运输成本模型的建立

以某煤电一体化基地为例,燃煤电厂的煤炭需求量、各矿井生产能力及运输距离如表1所示。

表1 各电厂燃煤需求量、各矿井生产能力及运输距离

由于基地内电厂为坑口电厂,运输方式多采用皮带运输,可认为该方式下单位运输成本为固定值,因此,建立煤运输成本模型,可得出最低运输成本。

由表1可知,该基地内各矿井生产能力大于电厂燃煤总需求量。因此,在满足各电厂燃煤需求的前提下,确定各煤矿到各电厂的供给量及供给对象成为建立煤运输成本模型需解决的关键。

根据表1中的供求关系、运输距离及最终目标,以电厂燃煤需求量、矿井生产能力以及运输距离为变量,建立如下煤运输成本模型:

目标函数:

式中:Z——煤总运输成本,万元;

cij——各电厂与各矿井之间的运输距离矩阵;

xij——需求解的最优运输量矩阵;

a——单位运输成本,万元/(km·万t);

Dj——各电厂燃煤需求量,万t;

Si——各矿井煤炭年产量,万t。

2.2 煤运输成本模型的求解

利用煤运输成本模型,借助工具MATLAB计算,得最优运输量xij对应的矩阵为:

根据上述计算结果,各电厂所需燃煤的来源、数量如表2所示。

表2 各电厂所需燃煤的来源及数量万t

根据表2的分配方案计算可得,总运量为15047 km·万t,最短运输距离为49.3 km。

3 基于最优化理论的粉煤灰运输成本模型

3.1 粉煤灰运输成本模型的建立

由于回填技术中回填材料密度的不同,矿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可以计算出不同回填体下各矿井所需回填材料的质量。

式中:M——各矿井所需回填材料的质量,万t;

S——各矿井年产量,万t;

ρ煤——煤的密度,t/m3;

ρ充——充填材料的密度,t/m3。

根据表3中各电厂的粉煤灰产量、所需充填材料质量以及运输距离,建立粉煤灰运输成本模型。

表3 各电厂的粉煤灰产量、所需充填材料质量以及运输距离km

注:P——各电厂的粉煤灰产量,万t;M——各矿井所需充填材料质量,万t;M1～M14——矿井1～14分别所需回填材料质量,万t

从电厂运送粉煤灰进行井下回填,在保证全部消耗这些废弃物的同时实现所需运输成本最低的目标。建立粉煤灰运输成本模型如下:

目标函数:

式中:Y——粉煤灰总运输成本,万元;

cij——各电厂与各矿井之间的运输距离矩阵;

xij——求解的最优运量矩阵;

b——单位运输成本,万元/(km·万t);

Pj——各电厂的粉煤灰产量,万t;

Mi——各矿井年所需回填体质量,万t。

3.2 不同回填方案下粉煤灰运输成本模型的分析

(1)方案一:低强度似膏体自流回填方案。以粉煤灰为基础材料,加入水泥作为胶固料,掺入适当比例的水,制成似膏体回填材料,以自流的方式进行回填。回填材料凝固后,具有一定的强度。在该方案下,回填体密度为1.54 t/m3。由于该回填方式中回填材料除粉煤灰外,还需利用水泥作为胶结材料,所以燃煤废弃物占70%。因此,利用式(6)计算各矿井所需粉煤灰渣等的质量。

(2)方案二:非胶结似膏体自流回填方案。以粉煤灰、渣、脱硫石膏为基础材料,掺入适当比例的水,制成似膏体回填材料(粉煤灰浆),以自流的方式输送到井下,经过脱水处理后,回填到采空区。充填体密度为1.5 t/m3。

(3)方案三:干式气力输送回填方案。利用气体的能量来连续地输送管道中的粉煤灰渣和脱硫石膏等物料,并在井下喷(抛)入采空区。粉煤灰自然堆积,不凝固。充填体密度为1.2 t/m3。

方案二、三均利用式(3)计算各矿井所需回填体质量。各电厂的粉煤灰产量、三种方案下各需充填材料质量以及运输距离如表4所示。

表4 各电厂的粉煤灰产量、三种方案下各需充填材料质量以及运输距离km

3.3 不同回填方案下回填材料分配结果分析

利用粉煤灰运输成本模型,对上述三种回填方案下回填材料分配方案进行计算,结果如下:

方案一:

通过计算发现,三种回填方案下对粉煤灰运输量及供给对象的分配是相同的,粉煤灰最优运输方案如表5所示。

方案二:

方案三:

表5 粉煤灰最优运输方案万t

根据表5的分配方案计算可得,总运量为1954 km·万t,最短运输距离为18.46 km。

4 “煤—粉煤灰”双向物流分配方案

利用本文已建立的煤运输成本模型和粉煤灰运输成本模型计算,得煤、粉煤灰在各电厂与各矿井之前的双向物流分配方案以及皮带运输路线总建设长度,分配方案如表6所示。

根据表6可知,由于煤的供给量大于粉煤灰的供给量,因此,在E1→C3、E1→C5、E3→C12、E4→C6之间只能形成煤单向运输,需建设单条皮带运输路线,皮带运输路线长度为5.61＋10.28＋7.01＋7.94＝30.84 km;E1→C4、E2→C3、E3→C14、E4→C1、E5→C12之间构成双向运输,需建设双向皮带运输路线,皮带运输路线长度为(1.87＋2.80＋5.14＋3.04＋5.61)×2＝36.92 km。因此,皮带运输路线总建设长度为67.76 km。

表6 “煤—粉煤灰”双向物流分配方案万t

5 结论

本文通过分析煤电一体化基地下电厂和矿井之间煤、粉煤灰的供求关系,电厂与矿井间的距离、皮带运输成本等因素,构建了“煤—粉煤灰”双向物流模型,得出以下结论:

(1)通过建立煤运输成本模型,在满足各电厂燃煤需求的前提和运输成本最低的前提下,得出矿井与电厂间燃煤的最优分配方案,求得总运量和最短运输距离;

(2)通过建立粉煤灰运输成本模型,在综合利用废弃物和运输成本最低的前提下,求得总运量及最短运输距离;

(3)通过建立煤和粉煤灰运输成本模型,得出“煤－粉煤灰”双向物流分配方案以及皮带运输路线总建设长度。

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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

齐敏华(1981－),男,山东临沂人,讲师,博士研究生,主要从事矿业信息工程、思想政治教育等研究工作。

(责任编辑 张大鹏)

齐敏华,李文莹．大型煤电基地“煤－粉煤灰”双向物流模型研究[J].中国煤炭,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.