選煤產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策系統(tǒng)的研究

1、選煤產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策系統(tǒng)的研究韓佰春1，黃鵬1，王珞2 ，路邁西31 中國中煤能源股份有限公司,2全程物流網(wǎng)絡(luò)（深圳）公司3中國礦業(yè)大學(xué)（北京）摘要論文介紹了“選煤產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策系統(tǒng)”的功能，總體方案設(shè)計(jì)，主要算法，應(yīng)用實(shí)例。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)化系統(tǒng)一體，把配煤與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)效益最大化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從原煤配煤到不同工藝流程預(yù)測、優(yōu)化的集成。實(shí)現(xiàn)了在網(wǎng)頁下繪制可選性曲線、分配曲線，及動態(tài)工藝流程圖，程序自動進(jìn)行運(yùn)算，給出最優(yōu)結(jié)果，是生產(chǎn)技術(shù)及經(jīng)營管理的有效工具。1前言 中煤能源集團(tuán)現(xiàn)有選煤廠二十余座，主要煤炭產(chǎn)品由集團(tuán)公司統(tǒng)一對外銷售。中煤集團(tuán)平朔公司所屬動力煤選煤廠煤炭年產(chǎn)量過億

2、，其產(chǎn)品主要通過大秦線運(yùn)到秦皇島港口，產(chǎn)品按發(fā)熱量、硫分和煤種分成十個(gè)左右等級銷售。平朔公司有5個(gè)煤礦和選煤廠，各個(gè)煤礦的原煤以氣煤為主，伴有少量長焰煤，可采煤層主要為4#、9#和11#煤層。在本公司內(nèi)，不同原煤可能在各礦之間調(diào)配；產(chǎn)品品種和產(chǎn)量要根據(jù)市場需要和價(jià)格調(diào)整。有些產(chǎn)品可以在本公司摻配，也可以到港口和其他煤炭摻配。對于萬噸以上的大企業(yè)，煤炭產(chǎn)品品種和價(jià)格的微小變動，都對利潤產(chǎn)生很大的影響。為了提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，公司需要研究以下問題：1、 原煤分組入選或混合入選的方案，除了考慮配煤后產(chǎn)品利潤最大外，還要考慮高硫煤的配比；易泥化煤炭比例等因素。2、 最合理的產(chǎn)品品種搭配方案。動力煤和煉

3、焦煤選煤廠的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有很大不同，煉焦煤選煤廠產(chǎn)品品種比較單一，主要是精煤、中煤（混煤）和煤泥。煉焦精煤的價(jià)格很高，往往是中煤、混煤、煤泥的幾倍甚至十幾倍，選煤廠只要保證精煤產(chǎn)率最大化，一般就能保證經(jīng)濟(jì)效益最大。而動力煤選煤廠產(chǎn)品品種多，不同品種價(jià)格差距小，如灰分15%精煤的價(jià)格只是灰分30%中煤的1.6倍、灰分40%中煤的1.9倍，不能簡單考慮精煤產(chǎn)率最大，而要在滿足市場要求前提下，生產(chǎn)多品種，確保經(jīng)濟(jì)效益最大。由于缺少方便快捷的預(yù)測優(yōu)化工具，每年公司要耗費(fèi)大量人力手工計(jì)算，粗略確定生產(chǎn)計(jì)劃，往往是生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)、與市場結(jié)合不夠，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決策的系統(tǒng)性和科學(xué)性不強(qiáng)。方便、靈活、快捷地把配煤與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

4、預(yù)測優(yōu)化相結(jié)合，把產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)效益最大化相結(jié)合，是本決策支持系統(tǒng)的主要目標(biāo)。2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)我國的煤炭企業(yè)大部分都使用了計(jì)算機(jī)和擁有了自己的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，開發(fā)了選煤管理信息系統(tǒng)。但主要限于煤質(zhì)信息的網(wǎng)上錄入、傳輸、查詢、統(tǒng)計(jì)分析及報(bào)表輸出。選煤工藝過程的計(jì)算具有一定的規(guī)律性，有固定的理論或算法，計(jì)算的工作量較大。選煤廠設(shè)計(jì)和管理過程中涉及到的選煤工藝工程計(jì)算主要有大篩分計(jì)算、數(shù)據(jù)校正、原煤篩分浮沉資料綜合、可選性及分配曲線數(shù)據(jù)計(jì)算、曲線擬合、工藝流程計(jì)算。國外有一些選礦模擬預(yù)測軟件，如jksimme以及l(fā)imn：“the flowsheet processor”，但不適用于選煤，國外有的選煤流

5、程預(yù)測軟件版本太老。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）開發(fā)的“選煤工藝計(jì)算軟件包”解決了選煤復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的模型，模擬和優(yōu)化的難題，全面地完成了選煤計(jì)算、預(yù)測與優(yōu)化的任務(wù)，在我國選煤廠得到推廣，但該軟件是單機(jī)版，未利用數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)需要人工錄入，不同模塊間靠文件傳輸，配煤與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)預(yù)測優(yōu)化是分離的程序。根據(jù)以上分析，確定系統(tǒng)要把數(shù)據(jù)庫與計(jì)算預(yù)測相結(jié)合，重點(diǎn)是把配煤與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)預(yù)測優(yōu)化相結(jié)合，把產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)效益最大化相結(jié)合。本決策支持系統(tǒng)包括以下六個(gè)子系統(tǒng)：系統(tǒng)管理；數(shù)據(jù)管理與維護(hù)；原煤質(zhì)量預(yù)測優(yōu)化；分選效果診斷預(yù)測和優(yōu)化；工藝系統(tǒng)和產(chǎn)品預(yù)測優(yōu)化；配煤分析優(yōu)化。每個(gè)子系統(tǒng)又有多個(gè)分系統(tǒng)，如圖1所示。在分析c/

6、s，b/s系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)后，采用瀏覽器/服務(wù)器（b/s）模式，b/s系統(tǒng)利用中煤集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)，只要有一臺能上網(wǎng)的電腦，就可以通過www瀏覽器來運(yùn)行系統(tǒng)。維護(hù)和升級方式簡單，成本降低。開發(fā)語言為c#, 開發(fā)環(huán)境為.net，數(shù)據(jù)庫為sql server 2008。由系統(tǒng)功能分析可知，子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換頻繁，圖2顯示了系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交換示意。由圖2知，原煤信息庫是最重要的，原煤信息庫和校正、配煤、混合、可選性曲線擬合與評價(jià)、重選預(yù)測、流程預(yù)測優(yōu)化都有頻繁的數(shù)據(jù)交換。中煤集團(tuán)選煤產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策支持系統(tǒng)系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)管理與維護(hù)原煤質(zhì)量預(yù)測與優(yōu)化分選效果診斷預(yù)測與優(yōu)化工藝系統(tǒng)和產(chǎn)品預(yù)測優(yōu)化配煤

7、分析優(yōu)化用戶管理角色管理組織結(jié)構(gòu)管理系統(tǒng)參數(shù)管理原煤基本信息管理產(chǎn)品基本信息管理重選效果數(shù)據(jù)管理分選設(shè)備信息管理工藝流程管理煤質(zhì)發(fā)熱量預(yù)測煤質(zhì)浮沉組成校正原煤混合原煤可選性曲線擬合與評價(jià)錯(cuò)配物含量評價(jià)數(shù)量效率計(jì)算一段重選預(yù)測優(yōu)化二段重選預(yù)測優(yōu)化工藝系統(tǒng)和產(chǎn)品預(yù)測工藝系統(tǒng)和產(chǎn)品優(yōu)化產(chǎn)品價(jià)格管理原煤配煤優(yōu)化分配曲線（重選效果）配煤分析優(yōu)化圖1煤炭產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策支持系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖圖2 子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交換示意圖3重選效果評定預(yù)測1. 重選分選效果評定方法:根據(jù)“gb-t 15715-2005煤用重選設(shè)備工藝性能評定方法標(biāo)準(zhǔn)” 以分配曲線為基礎(chǔ)的可能偏差（對重介）、不完善度（對跳汰）；以可選性曲

8、線為基礎(chǔ)的數(shù)量效率。2. 采用反正切，雙曲正切和復(fù)合雙曲正切模型模擬可選性曲線和分配曲線，利用模型繪制曲線，查詢指標(biāo)。3. 重選效果預(yù)測的特點(diǎn)是：利用數(shù)學(xué)模型代表可選性曲線和分配曲線，當(dāng)缺少實(shí)際分配曲線時(shí)，用近似公式法代表分配曲線；密度級別細(xì)化；分配曲線平移方法按選煤標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，跳汰和以水為介質(zhì)的分配曲線按照不完善度不變、重介的分配曲線按照可能偏差不變平移，使預(yù)測結(jié)果更接近實(shí)際。4配煤與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)預(yù)測優(yōu)化系統(tǒng)4.1系統(tǒng)概述該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從煤炭配煤綜合到不同工藝流程預(yù)測、優(yōu)化的集成。本系統(tǒng)將包括煤炭配煤，工藝流程選擇、校正、次生煤泥、價(jià)格表輸入、發(fā)熱量模型選擇、處理量及生產(chǎn)成本、運(yùn)費(fèi)及矸石處理費(fèi)集成在

9、一個(gè)系統(tǒng)中，避免了用戶反復(fù)啟動程序，手工輸入數(shù)據(jù)，讀寫文件等繁瑣的運(yùn)行過程；該系統(tǒng)可以自動與數(shù)據(jù)庫結(jié)合，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；可以方便的與excel進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；只要輸入的數(shù)據(jù)完善準(zhǔn)確，不需要人工干預(yù)，程序可以自動進(jìn)行運(yùn)算，給出最優(yōu)結(jié)果。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以實(shí)時(shí)從原煤數(shù)據(jù)庫中選擇多組原煤，按照指定比例混合后進(jìn)入由重選，篩分、浮選、分流、混合作業(yè)組成的選煤流程進(jìn)行預(yù)測或優(yōu)化。本系統(tǒng)直接將流程圖顯示在屏幕上，并將主要操作參數(shù)如分選密度，可能偏差，篩分效率，分流比例顯示在流程圖上。預(yù)測優(yōu)化結(jié)束后自動將產(chǎn)率、灰分、硫分標(biāo)注在流程圖上，不但非常直觀，而且可以隨時(shí)調(diào)整，如圖3為塊、末煤2段重選，-0.5mm煤泥摻入混

10、煤的優(yōu)化結(jié)果界面。圖4為對應(yīng)圖3流程的原料、產(chǎn)品和經(jīng)濟(jì)效益信息。圖3 塊末煤2段重選的優(yōu)化結(jié)果界面圖4 對應(yīng)圖3流程的原料、產(chǎn)品和經(jīng)濟(jì)效益信息預(yù)測時(shí)，用戶可以直接在流程圖上修改分選密度，篩分效率等操作參數(shù)，點(diǎn)擊計(jì)算便可實(shí)時(shí)顯示預(yù)測結(jié)果。優(yōu)化時(shí)，用戶給出產(chǎn)品質(zhì)量要求約束，不同產(chǎn)品價(jià)格表，點(diǎn)擊優(yōu)化便可按照噸煤利稅從高到低的順序同時(shí)顯示10個(gè)結(jié)果供用戶參考。如圖3、圖4是第10個(gè)方案，第一方案和第十方案的噸煤利稅分別為369.04和353.97相差15.07元/噸原煤。4.2優(yōu)化過程算法1、優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)為最大經(jīng)濟(jì)效益，對于同一流程、同一原煤，可以把目標(biāo)函數(shù)簡化為銷售收入最大，如下式所示： 其中：

11、i表示某一流程第i個(gè)產(chǎn)品；i表示第i個(gè)產(chǎn)品的產(chǎn)率；pi表示第i個(gè)產(chǎn)品的價(jià)格。2、 產(chǎn)品價(jià)格體系價(jià)格由用戶根據(jù)實(shí)際情況輸入并存儲到不同的價(jià)格表中。3、 調(diào)優(yōu)變量重力分選作業(yè)的分選密度,如主、再選、塊、末煤分選密度，煤泥的分配比例等； 4、約束條件和約束處理約束條件有：1)用戶對產(chǎn)品的質(zhì)量要求，主要是灰分、硫分等，2)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對分選密度進(jìn)行了約束，這部分約束在程序中設(shè)定。本系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)是有約束的，因此必須把有約束變?yōu)闊o約束的優(yōu)化問題。本系統(tǒng)采用密閉約束法，密閉約束法沒有附加因子，使選優(yōu)過程得以自然發(fā)展。將約束條件下的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為： 其中：i-第i個(gè)產(chǎn)品； j-第j個(gè)分選作業(yè)；i-第i個(gè)產(chǎn)

12、品的產(chǎn)率； pi-第i個(gè)產(chǎn)品的價(jià)格； ai-第i個(gè)產(chǎn)品的灰分；ai -第i個(gè)產(chǎn)品的灰分下限； ai -第i個(gè)產(chǎn)品的灰分上限；j-第j個(gè)分選作業(yè)的分選密度；j -第j個(gè)分選作業(yè)的分選密度下限；j -第j個(gè)分選作業(yè)的分選密度上限。5、優(yōu)化方法混合算法選煤流程是多段重選、浮選作業(yè)串、并聯(lián)組成的復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，是一個(gè)多變量輸入、輸出系統(tǒng)，可選性曲線和分配曲線都是很復(fù)雜的非線性函數(shù)，無法計(jì)算其導(dǎo)數(shù)，只能用直接搜索法。本系統(tǒng)采用了遺傳算法與傳統(tǒng)搜索方法相結(jié)合的混合算法，在尋優(yōu)初期采用遺傳算法，以克服對初始搜索點(diǎn)的依賴，在尋優(yōu)后期采用傳統(tǒng)的搜索方法，利用其較強(qiáng)局部搜索能力加快搜索速度。4.3優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行

13、點(diǎn)擊“工藝系統(tǒng)和產(chǎn)品優(yōu)化”，點(diǎn)擊“選擇資料”按鈕后，可顯示數(shù)據(jù)庫中保存的原煤信息，如圖5所示：圖 5 數(shù)據(jù)庫中原煤圖 6 選擇原煤界面圖6選擇了2種原煤，西沙河9#1只有50-13和13-0.5mm二個(gè)粒級，但金海洋測試有50-25，25-13，13-6，6-3，3-0.5mm五個(gè)粒級。按照相同粒度級合并的原則，混合后的原煤如圖3.7所示，只有50-13和13-0.5mm二個(gè)粒級。圖 7 混合后原煤點(diǎn)擊下一步，對混合結(jié)果進(jìn)行校正，同時(shí)輸入次生煤泥量，總煤泥是原煤資料中篩分煤泥、浮沉煤泥和次生煤泥之和，即為流程計(jì)算的-0.5mm煤泥數(shù)質(zhì)量。工藝流程圖已經(jīng)事先畫好保存在“工藝流程管理”中，選擇流程

14、后，除輸入處理量、原煤運(yùn)費(fèi)、噸煤加工費(fèi)、矸石處理成本、產(chǎn)品價(jià)格模型、發(fā)熱量模型、水分外，還需要輸入產(chǎn)品灰分上下限，這是優(yōu)化目標(biāo)約束，優(yōu)化后產(chǎn)品灰分必須在此上下限范圍內(nèi)。在流程圖中輸入分選密度初值、可能偏差、篩分效率、分流比例等，點(diǎn)擊優(yōu)化按鈕進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。優(yōu)化結(jié)果除了顯示數(shù)質(zhì)量流程圖如圖3所示，同時(shí)輸出原煤信息表、產(chǎn)品數(shù)質(zhì)量表、0.5mm產(chǎn)品浮沉組成表，和噸煤經(jīng)濟(jì)效益表如圖4所示。4.4優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用不同用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行該系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)可以在以下幾方面應(yīng)用：1. 預(yù)測不同分選流程的分選效果；2. 預(yù)測幾種原煤分選的最佳配煤比例；3. 預(yù)測達(dá)到某種產(chǎn)品質(zhì)量要求時(shí)的配煤比例及分選制度。例如：以圖

15、7混合后原煤，對圖3流程進(jìn)行分選效果預(yù)測，預(yù)測中對一些條件進(jìn)行簡化：全部-0.5mm煤泥摻入混煤，塊末煤重介二段分選密度均為2.0，按相同的塊末煤一段分選密度變化，得到不同分選密度的分選效果如表1，2。表1 不同分選密度的產(chǎn)品數(shù)質(zhì)量密度（g/cm3）精煤中煤產(chǎn)率（%）灰分（%）發(fā)熱量（卡）價(jià)格（元/t）產(chǎn)率（%）灰分（%）1.435.0811.416058887.333.0724.41.4544.6612.225992875.523.4828.161.551.913.075924863.816.2532.551.5557.0313.9585685211.1237.241.660.614.695

16、793840.27.5641.941.6563.0615.45736840.25.1247.581.764.7415.995688817.33.4650.271.7565.916.475649817.32.3353.91表2 不同分選密度的混煤指標(biāo)及全廠利稅密度（g/cm3）混煤全廠利稅（元/t原煤）產(chǎn)率(%)灰分（%）發(fā)熱量（卡）價(jià)格（元/t）1.444.7324.755097654.6361.141.4535.1427.364886633.1370.621.527.9129.714696597.6372.191.5522.7831.364562575.1374.041.619.2232.2

17、14500563.9374.661.6516.7832.034508563.9381.531.715.1231.364562575.1373.191.7513.9930.444637597.6379.32分選密度從1.4增加到1.75，精煤灰分從11.41%增加到16.47%，發(fā)熱量從6058降低到5649，分選密度1.7及以上，中煤產(chǎn)率小于5%，灰分大于50%。說明該種煤炭可以生產(chǎn)發(fā)熱量大于5500的優(yōu)質(zhì)精煤。生產(chǎn)低于5500的動力煤反而有困難。該廠中煤與-0.5mm煤泥摻合作為混煤出售，-0.5mm煤泥產(chǎn)率為11.66%，灰分25.75%，由表2可知，分選密度從1.4增加到1.75時(shí)，混煤

18、的發(fā)熱量在4500左右。分選密度從1.4增加到1.65，噸原煤利稅增加20元，最優(yōu)結(jié)果是，一段分選密度1.65，精煤產(chǎn)率63%，發(fā)熱量5736卡，售價(jià)840.2元/t，混煤產(chǎn)率16.78%，發(fā)熱量4508卡，售價(jià)563.9元/t，噸原煤利稅381.53元。分選密度再升高，利稅又有降低。從表1，2可知，由于產(chǎn)品的價(jià)格是階躍函數(shù)，不同發(fā)熱量可能有相同價(jià)格。如果價(jià)格體系變化，最優(yōu)結(jié)果也會有變化。當(dāng)然，這種靜態(tài)模擬方法會和生產(chǎn)有一定的誤差，但是對生產(chǎn)控制是有指導(dǎo)意義的。5結(jié)論“選煤產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策系統(tǒng)”集數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)化系統(tǒng)一體，把配煤與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)預(yù)測優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)效益最大化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從煤炭配煤綜合到不同工藝流程預(yù)測、優(yōu)化的集成。該系統(tǒng)自動與數(shù)據(jù)庫，以及與excel進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了在網(wǎng)頁下繪制可選性曲線、分配曲線，及動態(tài)工藝流程圖。只要輸入的數(shù)據(jù)完善準(zhǔn)確，不需要人工干預(yù)，程序可以自動進(jìn)行運(yùn)算，給出最優(yōu)結(jié)果。是生產(chǎn)技術(shù)管理的有效工具。