煤层气开采清洁生产评价模型研究

2020-06-03李凡凡康静文

太原理工大学学报 2020年3期

李凡凡，康静文，高青

(太原理工大学环境科学与工程学院，山西晋中 030600)

随着传统化石能源日渐紧缺，煤层气在能源结构中所占的比例日益增大。煤层气开采的蓬勃推进必然会引发环境污染、生态破坏等问题，评价企业的清洁生产情况是推动企业绿色开采的重要途径[1]。因此，本文拟建立煤层气开采清洁生产评价模型，以下将该过程细化为指标体系构设、指标权重计算、评价标准确定、评价方法概述4个步骤。

1 指标体系构设

遵循指标体系的编制原则[2]，并结合煤层气开采活动的特征，在已有成果基础上构设煤层气开采清洁生产指标体系，如表1所示[3-4]。

煤层气开采清洁生产指标体系包括资源与能源利用、产品特征、污染控制、生态保护、废弃物利用、生产技术特征和环境管理7项一级指标。

表1 煤层气开采清洁生产指标体系Table 1 Clean production index system for coalbed methane mining

1) 资源与能源利用指标

资源与能源利用指标体显了清洁生产“节约能源、降低消耗”的内涵[5]，可细化为单位产品新鲜水消耗量、单位产品电能消耗量、单井柴油消耗量与合单井土地占用面积4项二级指标。

其中，合单井土地占用面积指建成后井场、站场和连接道路的总占地面积与井数的比值。

2) 产品特征指标

清洁生产关注由原材料到产品的全生命周期[6]。开采项目的产品即煤层气，其质量决定着燃烧热值的高低以及使用过程是否产生污染[7]。该一级指标可细化为甲烷质量分数与硫质量分数2项二级指标。

3) 污染控制指标

污染控制指标反映了清洁生产“防阻污染”的本质[8]。该一级指标可细化为施工期合单井污废水产生量、运营期合单井污废水年产生量、施工期单井SO2产生量等11项二级指标。

其中，施工期合单井污废水产生量指施工期污废水(包括废钻井液、井场冲洗废水、机械冲洗废水及管道试压废水等)产生量与井数的比值，运营期合单井污废水年产生量指运营期污废水(包括气井采出水、站场压缩废水、锅炉废水、生活污水及站场检修废水等)年产生量与井数的比值。

4) 生态保护指标

煤层气开采破坏了原有的表土和植被，对地表造成了很大扰动，施行生态恢复显得尤为重要[9]。该一级指标可细化为退役期场地复垦率与运营期场地绿化率2项二级指标。

5) 废弃物利用指标

废弃物利用指标突出了清洁生产“限减废物”的主题。该一级指标可细化为钻井介质重复利用率与污废水回收利用率2项二级指标。

6) 生产技术特征指标

先进的生产技术是清洁生产的基础[5]。该一级指标可细化为生产工艺的先进程度、生产设备的先进程度等5项二级指标。

7) 环境管理指标

项目管理的疏漏是导致浪费和污染的源头[8]。环境管理指标从管理层面评价开采项目的清洁生产情况，可细化为『三同时』制度执行情况、清洁生产审核情况与环境管理体系建立、运行、认证情况3项二级指标。

2 指标权重计算

计算指标权重常用根据指标相对重要程度赋权的层次分析法。基于层次分析法客观性差的缺点，本文拟引入熵值法联合赋权。

2.1 层次分析法赋权

采用层次分析法为全部指标赋权，计算过程不再赘述。二级指标的层次分析法权重wci(i=1,2,…,29)如表2所示。

2.2 熵值法赋权

熵值法是一种根据指标的数值变化程度分配权重的客观赋权法。某项指标的数值变化程度越大，则信息熵越小，信息的贡献值越大，从而指标权重应越大；同理，某项指标的数值变化程度越小，指标权重应越小[10]。其优势在于，赋权建立在实际数据之上，可排除主观因素的干扰。

表2 指标权重及评价标准Table 2 Index weights and evaluation standards

应用熵值法为定量指标赋权，以下为计算过程：

第一，选取沁水煤田郑庄区块、古交矿区、潞安矿区、贺西矿、沙曲矿、双柳矿及寺家庄矿7个具有代表性的煤层气开采项目，按随机的顺序记作T1，T2，…，T7.统计各个项目的相关数据，如表3所示。定义xij(i=1，2，…，21；j=1，2，…，n)为表3中二级指标Bi的第j个数据，n为各二级指标的数据量。二级指标不同，对应n的值可能不同。

第三，分别根据公式(1)、公式(2)和公式(3)计算各项二级指标的比重Pij、熵值Ei和差异系数Gi.

(1)

(2)

Gi=1-Ei.

(3)

(4)

2.3 联合赋权

为实现主观与客观的统一，将层次分析法权重与熵值法权重整合优化。定义wi(i=1,2,…,29)为优化权重。

定量二级指标的优化权重wi(i=1，2，…，21)与层次分析法权重wci和熵值法权重wsi都应尽可能相近[11]，转换为优化问题：

其中，F表示wi与wci、wsi的总相对熵函数。

运用拉格朗日乘数法求解，可得：

(5)

定性二级指标的优化权重wi(i=22,23,…,29)即层次分析法权重wci.

最终可得全部二级指标的优化权重wi(i=1,2,…,29)，结果见表2.

3 评价标准确定

将评价标准划分为3个等级。定义em(m=1，2，3)为第m个等级，则V={e1，e2，e3}为煤层气开采的清洁生产等级集。其中：e1表示清洁生产先进水平，e2表示清洁生产基本水平，e3表示传统生产水平[12]。调查煤层气开采项目的实际生产情况，参考煤层气开采项目的清洁生产要求，设置各等级的基准值或描述，见表2.

4 评价方法概述

为合理判断项目的清洁生产等级，有效区分隶属相同等级的各个项目的清洁生产水平的差异，本文的评价方法选择二元语义法[13-14]。以下为二元语义法的评价步骤。

4.1 计算等级隶属度

根据以下隶属度函数计算各二级指标的等级隶属度。

1) 定量二级指标的隶属度函数

若指标值越大，清洁生产水平越高，则隶属度函数为：

(6)

(7)

(8)

若指标值越小，清洁生产水平越高，则隶属度函数为：

(9)

(10)

(11)

其中，rim(i=1，2，…，21；m=1，2，3)表示yi隶属于em的程度，yi表示二级指标Bi的实际值，aim表示二级指标Bi对应em的基准值。

2) 定性指标的隶属度函数

(12)

其中，rim(i=22，23，…，29；m=1，2，3)表示二级指标Bi的数据隶属于em的程度。

4.2 计算综合隶属度向量

建立二级指标的隶属度矩阵R1，R2，…，R7.以资源与能源利用指标A1为例：

(13)

将对应二级指标的优化权重归一化可得二级指标的权重向量W1=(WB1，WB2，WB3，WB4)，则一级指标的隶属度向量U1=W1·R1，同理求出U2，U3，…，U7.

建立一级指标的隶属度矩阵：R=(U1，U2，…，U7)T，则综合隶属度向量U=W·R.

4.3 根据二元语义输出评价结果

将U归一化可得U′=(u1，u2，u3)，按公式(14)计算项目的等级特征值v.

(14)

若等级特征值v满足：m-0.5≤v

5 实例应用

应用该模型对7个项目中具有完整数据的T1，T2，T3的清洁生产现状进行评价，其二级指标数据见表3.计算得到三者的二元语义依次为(e2，-0.035 5)，(e2，-0.034 6)，(e2，-0.049 1).即：T1，T2，T3均隶属第2个等级，且按清洁生产水平从高到低排序为T3，T1，T2，与实际情况一致。