煤炭資源相對豐富的賦存條件決定了其在我國工業(yè)中的主導(dǎo)地位,然而以煤炭為主的能源消費結(jié)構(gòu)導(dǎo)致能源利用效率低、污染物排放多,給生態(tài)環(huán)境的保護造成了極大的威脅。如今化石能源日漸枯竭,新能源的成本高且難度大。隨著國際碳稅的逐漸盛行,不采取節(jié)能減排措施就會被新的貿(mào)易壁壘阻礙其經(jīng)濟的發(fā)展。節(jié)能減排作為實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展和保護環(huán)境雙贏的有效途徑,不僅是我國自身可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求,也是為全球減緩氣候變化做出的重要貢獻。 煤炭行業(yè)作為9大重點耗能產(chǎn)業(yè)之一,在節(jié)能減排工作中承擔(dān)著重要的角色�！笆晃濉币�(guī)劃節(jié)能減排戰(zhàn)略的實施,煤炭行業(yè)在提高能源效率和減少污染排放兩方面都有很大的進展。為了達到“十二五”規(guī)劃節(jié)能減排的目標(biāo),必須繼續(xù)依靠先進科學(xué)技術(shù)的力量,改變以往高投入、高能耗、高排放的生產(chǎn)模式,提高能源利用效率,加強排放物的回收利用,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟。 煤炭礦區(qū)資源配置系統(tǒng)錯綜復(fù)雜,在制定節(jié)能減排策略時需要考慮一系列的因素,例如經(jīng)濟、社會、環(huán)境、技術(shù)等。從可持續(xù)發(fā)展的角度,本文同時考慮經(jīng)濟效益、能源效益和環(huán)境效益三個目標(biāo),試圖通過多目標(biāo)優(yōu)化決策的方法,對能耗和排放的關(guān)鍵工序進行節(jié)能設(shè)備改造,同時投資一定的項目來治理或綜合利用排放物,優(yōu)化配置礦區(qū)的煤炭生產(chǎn)計劃。主要研究內(nèi)容如下： (1)礦區(qū)節(jié)能減排潛力。在制定節(jié)能減排策略之前,需要首先掌握礦區(qū)目前的能源消耗結(jié)構(gòu)、能源利用效率、污染物的回收和排放情況。針對“十一五”規(guī)劃末的能源消耗和污染排放數(shù)據(jù),確定投入產(chǎn)出指標(biāo)體系,基于投入的CCR-DEA模型計算礦區(qū)的能源利用效率,評估節(jié)能減排的潛力。 (2)靜態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化模型。選擇“十二五”整個規(guī)劃期的煤炭產(chǎn)量、關(guān)鍵工序設(shè)備節(jié)能改造投資、治理或綜合利用項目投資作為優(yōu)化的決策變量,確定經(jīng)濟效益、能源效益、環(huán)境效益的表達方式,描述礦區(qū)煤炭資源儲量、投資資金和工序關(guān)系等約束條件,建立煤炭礦區(qū)節(jié)能減排靜態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化模型。(3)靜態(tài)多目標(biāo)模型求解算法。與單目標(biāo)優(yōu)化問題不同,多目標(biāo)問題的優(yōu)化不僅需要區(qū)分可行解和不可行解,而且還需要在多個目標(biāo)之間辨別同類解的優(yōu)劣。這些問題的解決依賴于約束條件的正確處理。由于多目標(biāo)問題的最優(yōu)解是由多個非支配解組成的Pareto解集,故在解空間內(nèi)盡可能多的搜索到非支配解是得到高質(zhì)量解的保證。結(jié)合NSGA-Ⅱ和PSO,充分發(fā)揮NSGA-Ⅱ的全局搜索能力和PSO局部尋優(yōu)的特性,并驗證PSO-NSGA-Ⅱ算法的收斂性、覆蓋性、均勻性。 (4)動態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化模型。根據(jù)投資決策的時序性特點,以“十二五”規(guī)劃期內(nèi)的每一年作為優(yōu)化對象,考慮節(jié)能減排的階段性效果,將上一年的煤炭生產(chǎn)計劃和投資決策作為下一年制定節(jié)能減排策略的依據(jù),建立煤炭礦區(qū)節(jié)能減排動態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化模型。 (5)動態(tài)多目標(biāo)模型求解算法。動態(tài)多目標(biāo)模型的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件隨時間推移呈現(xiàn)動態(tài)變化的特點,決策環(huán)境不斷發(fā)生改變,這就要求算法除了在固定的進化環(huán)境內(nèi)盡可能多的搜索到Pareto解外,還要能探測到進化環(huán)境的任何微小的變化,并對環(huán)境變化做出正確的響應(yīng),確定新環(huán)境的進化參數(shù)�；谶@些考慮,設(shè)計混合進化算法DNSGA-Ⅱ-PSO求解動態(tài)多目標(biāo)模型,對算法探測環(huán)境變化、保持種群多樣性、預(yù)測環(huán)境變化三個性能進行分析。 (6)滿意解的篩選�？焖儆行У貨Q策是建立在少數(shù)有限的候選方案的基礎(chǔ)之上的,所建立的多目標(biāo)優(yōu)化模型最終求得的是一組非劣的Pareto解集,候選方案的選取還需要對Pareto解集進行進一步篩選,這需要借助于多屬性決策的方法。故運用混合聚類方法SC-MTD-GAM,在保證Pareto前端分布特性的基礎(chǔ)上,盡量減少Pareto解集的大小,考慮決策者的偏好,選擇有代表性的Pareto解作為候選方案。 基于多目標(biāo)優(yōu)化模型和滿意解篩選方法,以典型煤炭礦區(qū)超化礦的煤炭生產(chǎn)為應(yīng)用對象,探討礦區(qū)為了達到“十二五”規(guī)劃節(jié)能減排目標(biāo)如何安排煤炭生產(chǎn)計劃,對哪些生產(chǎn)設(shè)備進行節(jié)能改造,投資多少項目對污染物進行治理或綜合利用。得到如下結(jié)論： (1)通過對煤炭礦區(qū)能源消費結(jié)構(gòu)和污染排放情況的分析,礦區(qū)主要消耗原煤、汽油、柴油、電力四種能源,對環(huán)境主要排放二氧化硫、礦井水、煤矸石三種污染物。運用CCR-DEA模型對礦區(qū)的能源效率和減排潛力進行評估,表明礦區(qū)當(dāng)前處于最優(yōu)的生產(chǎn)前沿,能源利用效率已達到最大化,進一步實施節(jié)能減排需要利用先進技術(shù)來提高生產(chǎn)效率。 (2)建立的煤炭礦區(qū)節(jié)能減排投資多目標(biāo)決策模型,滿足了煤炭礦區(qū)節(jié)能減排投資的決策需要。該模型以原煤產(chǎn)量最大、能耗和污染排放最少為目標(biāo),考慮資源、工序、資金和環(huán)保等多個約束,較好地描述了中國現(xiàn)階段典型煤礦節(jié)能減排投資的決策需要。(3)提出的PSO-NSGA-Ⅱ混合多目標(biāo)求解算法,比NSGA-Ⅱ算法具有更好的收斂性、覆蓋性、和均勻性。針對本文建立的多日標(biāo)優(yōu)化模型的決策變量類型前有0-1和實數(shù)的特點,提出一種混合PSO實數(shù)編碼和NSGA-Ⅱ二進制編碼的求解算法。通過質(zhì)心距離、覆蓋性、間隔距離三個性能指標(biāo)與NSGA-Ⅱ的計算結(jié)果進行對比,說明PSO-NSGA-Ⅱ發(fā)揮了PSO和NSGA-Ⅱ兩種算法的組合優(yōu)勢,具有更好的收斂性、覆蓋性、均勻性。 (4)提出的DNSGA-Ⅱ-PSO混合進化算法,比DNSGA-Ⅱ-A算法更能夠探測到進化環(huán)境的任何微小的變化,保持種群多樣性避免算法早熟而陷入局部最優(yōu),且能通過預(yù)測以響應(yīng)環(huán)境的變化。根據(jù)動態(tài)決策的特點,本文將每個投資計劃年作為決策階段,建立含有實變量和0-1變量的動態(tài)多目標(biāo)模型,提出混合算法DNSGA-Ⅱ-PSO,充分利用DNSGA-Ⅱ在全局的角度引導(dǎo)算法的搜索方向,PSO控制局部區(qū)域的快速尋優(yōu)。此混合算法采用環(huán)境探測算子探測投資環(huán)境的任何變化,結(jié)合慣性預(yù)測、高斯分布、隨機生成三種新個體產(chǎn)生方式完成對新環(huán)境的預(yù)測。通過對每個環(huán)境下的質(zhì)心距離、覆蓋性、間隔距離三個性能指標(biāo)與DNSGA-Ⅱ的計算結(jié)果進行對比,說明DNSGA-Ⅱ-PSO對決策環(huán)境具有更好的探測性能和預(yù)測性。 (5)運用混合聚類方法SC-MTD-GAM根據(jù)管理者的偏好對Pareto方案集進行篩選,最終得到經(jīng)濟偏好型、能源節(jié)約型、協(xié)調(diào)發(fā)展型三種節(jié)能減排方案。將礦區(qū)節(jié)能減排前后的煤炭生產(chǎn)情況進行比較分析：對于經(jīng)濟偏好型投資方案,礦區(qū)在達到“十二五”規(guī)劃節(jié)能減排目標(biāo)的前提下,保證最大的生產(chǎn)能力和充分利用投資資金,最大化煤炭產(chǎn)量；能源節(jié)約型投資方案偏重減少能源消耗量和污染物排放量,很大程度依賴于大量縮減煤炭產(chǎn)量的方式實現(xiàn)；而協(xié)調(diào)發(fā)展型方案通過降低煤炭產(chǎn)量、投資節(jié)能改造工程和減排項目三種方式達到節(jié)能減排的目標(biāo)。無論是哪種方案,雖然煤炭產(chǎn)量有暫時降低的現(xiàn)象,但是隨著節(jié)能設(shè)備的改造和綜合治理利用項目的實施,節(jié)能減排的效果不斷累積,煤炭產(chǎn)量最終呈增加的趨勢,最終超過節(jié)能減排措施前的產(chǎn)量,說明礦區(qū)實施節(jié)能減排是一項非常必要和長期但有價值的工作,不僅能達成節(jié)能減排的目標(biāo),還從根本上優(yōu)化了礦區(qū)煤炭生產(chǎn)的資源配置,促進礦區(qū)向“低能耗、高效率、零污染”的綠色生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型。 本文的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下三個方面： (1)建立了煤炭礦區(qū)節(jié)能減排多目標(biāo)優(yōu)化模型。同時以規(guī)劃期內(nèi)原煤產(chǎn)量最大、能源消耗和污染排放最少作為優(yōu)化的三個目標(biāo),考慮資源、工序、資金和環(huán)保等多個約束,分別從靜態(tài)和動態(tài)兩個決策視角建立多目標(biāo)優(yōu)化模型,該模型較好地描述了中國現(xiàn)階段典型煤礦節(jié)能減排投資的決策需要：在規(guī)劃期內(nèi),為了達到既定的節(jié)能減排目標(biāo),礦區(qū)選擇哪些節(jié)能設(shè)備和綜合治理利用項目進行投資?何時進行節(jié)能減排投資?每個項目投資多少資金? (2)提出混合進化算法PSO-NSGA-Ⅱ和DNSGA-Ⅱ-PSO。針對建立的多目標(biāo)優(yōu)化模型的決策變量類型兼有0-1和實數(shù)的特點,本文提出一種混合PSO實數(shù)編碼和NSGA-Ⅱ二進制編碼的求解算法PSO-NSGA-Ⅱ;基于動態(tài)決策階段性的特點,利用DNSGA-Ⅱ全局搜索性能引導(dǎo)解的進化方向,并通過PSO局部尋優(yōu)的優(yōu)點加速算法的收斂,提出DNSGA-Ⅱ-PSO。這兩個混合進化算法有效地繼承了NSGA和PSO二者的優(yōu)點,能在解空間內(nèi)盡可能大的范圍內(nèi)搜索到更多的非支配解,同時不斷趨近真實的Pareto前端。 (3)提出混合聚類方法SC-MTD-GAM。針對多目標(biāo)算法求得的Pareto解集,考慮管理者偏好,在保證Pareto前端分布形狀的基礎(chǔ)上,選擇具有代表性的解點作為礦區(qū)節(jié)能減排的候選方案,最終得到經(jīng)濟偏好型、能源節(jié)約型、協(xié)調(diào)發(fā)展型三種決策方案,對礦區(qū)制定節(jié)能減排投資計劃提供科學(xué)的參考依據(jù)。
【學(xué)位單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：X322;F426.21
【部分圖文】：

從表3-3和圖34可以看出，煤炭幵釆和洗選業(yè)對固體廢棄物的綜合利用率不斷提高，“三廢”綜合利用產(chǎn)品產(chǎn)值逐年增長，2010年綜合利用產(chǎn)品產(chǎn)值達到30萬元左右。說明對固體廢棄物的回收利用，不僅可以減少污染物的排放，保護生態(tài)環(huán)境，而且還可以創(chuàng)造經(jīng)濟效益，所以一旦排放物的綜☆治理和利用產(chǎn)生正向的作用，也會有益于于煤炭行業(yè)的健旗發(fā)展。 表3-3煤炭開呆和洗選業(yè)固體廢棄物排放及處理情況 固體廢物 固體廢物 固體廢物 固體廢物 周體廢物“三廢”綜合年份 產(chǎn)生量 險廢物綜合利量 IT：存量 處置量 排放量 利州產(chǎn)品產(chǎn)值(萬噸） （萬噸） （萬噸） （萬噸） （萬噸） （萬元）2003 138 10.83 70 13 63 ... 95523.02004 15082 497 8944 2131.8 4051 4613900 1178902005 18248 0.08 11379 2342 5016 444 1575072006 19352 18.29 12337 】886 5700.0 374.15 ...2007 18751.6 1.56 12386.2 1266.8 5449.1 361.75 2053042008 19571 1.08 13880 1234 5127 247 2428572009 23868.6 0.06 18409.9 1490.3 5069.7 261.35 2159352010 27316.1 0.01 20906.1 1627.0 5327.0 187.73 299842數(shù)據(jù)來源：報據(jù)歷《丨?:中國統(tǒng)計年鑒整理100 I

表3-8 2009年企業(yè)能源消費結(jié)構(gòu)表 等價位能源種類 實物量 掙費用(萬元） 噸標(biāo)煤 百分比原煤（噸） 丨0896.52 338.54 7783.38 28.53%汽油（升） 95197.00 51.45 102.25 0.37%柴抽（升） 202641.45 丨29.99 253.93 0.93%屯力（千瓦吋） 58525581 3423.75 19137.86 70.16%合計 3850.53 27277.43 100.00%數(shù)據(jù)來源：超化礦區(qū)調(diào)研整理。 表3-9 2010企業(yè)能源消費結(jié)構(gòu)表 等價值能源種類 實物量 凈費)ij(萬元） 噸標(biāo)煤 百分比煤（噸） 11244.00 403.69 8031.59 28.54%汽油（升） 86787 43.94 93.22 0.33%柴油（升） 266213 135.27 333.59 1.19%電力（kwh) 60207949 3422.22 19688.00 69.95%合計 3890.23 28146.40 100.00%數(shù)據(jù)來源：超化礦E調(diào)研整理。

表3-8 2009年企業(yè)能源消費結(jié)構(gòu)表 等價位能源種類 實物量 掙費用(萬元） 噸標(biāo)煤 百分比原煤（噸） 丨0896.52 338.54 7783.38 28.53%汽油（升） 95197.00 51.45 102.25 0.37%柴抽（升） 202641.45 丨29.99 253.93 0.93%屯力（千瓦吋） 58525581 3423.75 19137.86 70.16%合計 3850.53 27277.43 100.00%數(shù)據(jù)來源：超化礦區(qū)調(diào)研整理。 表3-9 2010企業(yè)能源消費結(jié)構(gòu)表 等價值能源種類 實物量 凈費)ij(萬元） 噸標(biāo)煤 百分比煤（噸） 11244.00 403.69 8031.59 28.54%汽油（升） 86787 43.94 93.22 0.33%柴油（升） 266213 135.27 333.59 1.19%電力（kwh) 60207949 3422.22 19688.00 69.95%合計 3890.23 28146.40 100.00%數(shù)據(jù)來源：超化礦E調(diào)研整理。
【參考文獻】

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本文編號：2852316