基于灰色关联分析和层次分析法的水泥回转窑用煤质量指标综合评价

周 斌，艾玉强，费延梅，冯富宁（山东山水水泥集团有限公司，山东 济南，）

0 引言

随着水泥回转窑精细化管理的深入，根据自身烧成系统的状况对用煤各项指标的要求也越来越严格，不管是同行业企业之间煤炭指标的对比，还是对不同供应商的煤进行评价，都需要进行综合因素的考虑，以求达到全面性，而综合评价是指人们根据不同的评价目的，选择相应的评价形式，通过一定的评价方法，将多个评价因素或指标转化为能反映评价对象总体特征的信息，具有整体性和全面性，目前综合评价主要采用多指标综合评价方法，在社会、经济、管理和工程系统等各个领域应用日益广泛，为人们正确认识事物（现象）、正确决策提供了科学手段。利用综合评价方法建立健全水泥回转窑用煤质量评价体系，有助于加强商品煤全过程质量控制，提高水泥厂用煤质量，同时对推进煤炭高效清洁利用，改善环境质量起到非常重要的作用。

本文结合现行国家标准和行业规范，确定水泥回转窑用煤综合评价指标体系和评价指标划分方案，建立基于灰色关联分析[1]和层次分析法（AHP）[2]的水泥回转窑用煤质量等级评价模型，针对集团内6家公司实际进厂煤炭质量数据，进行综合评价研究，为回转窑用煤使用价值最大化，合理确定进厂验收指标提供决策依据，对同行业企业起到一定的指导意义。

1 确定等级划分方案，建立评价指标体系

1.1 现有水泥回转窑用煤质量分级指标

《商品煤质量水泥回转窑用煤》（GB/T 7563—2018）中规定水泥回转窑用煤按发热量和全硫指标进行等级划分，以“发热量等级+全硫等级”的形式表示，其他指标按GB/T 31356规定执行，见表1。

表1 水泥回转窑用煤发热量等级、全硫等级与指标要求

现今大多数水泥企业用煤的质量分析主要包括工业分析、发热量的测定、全硫的测定和煤灰成分的分析，而水泥回转窑熟料的烧成是一个多组分，复杂的造矿过程，煤既作为燃料，煤中灰分又起到部分原料作用参与物理化学反应，成为熟料的一部分，所以单纯的用上述两个分级指标来评价有一定的局限性。

1.2 结合动力煤分级标准建立水泥回转窑用煤评价指标体系，确定等级划分方案

影响煤炭质量的指标很多，各种煤质指标对动力煤的质量评价作用是不一样的，不同用途的动力煤评价指标选取标准也不同。对水泥回转窑用煤质量指标进行分级，首先要考虑动力煤最基本特征，要符合国家规定相关动力设备的用煤技术条件。参照动力煤分级标准，其等级评价指标的确定以《煤炭质量分级》（GB/T15224—2010）、《商品煤质量 水泥回转窑用煤》（GB/T 7563—2018）、《商品煤质量评价与控制技术指南》（GB/T 31356—2014）、《煤的全水分分级》（MT/T 850—2000）等国家及行业标准为基本框架，结合公司实际进厂验收指标，确定了发热量（Qnet,ar）、灰分（Ad）、硫分（St,d）、挥发分（Vdaf）、全水分（Mt）5项评价指标，把水泥回转窑用煤划分为5个等级，等级划分及参数取值见表2，建立了水泥回转窑用煤评价指标体系和等级划分方案。

表2 水泥回转窑用煤等级划分与参数取值

2 评价模型的建立

2.1 评价数据

表3 集团6家公司当日进厂原煤加权质量统计

2.2 评价方法

现代综合评价方法主要有层次分析法（AHP）、模糊综合评定法、人工神经网络评价法、灰色关联分析等，由于灰色关联分析方法计算简单，评价过程反映信息全面，不仅能够反映不同级别样本之间的差别，而且还能反映同一级别的样本质量优劣[3]。同时由于回转窑用煤指标对其质量的影响是不同的，为了保证评价的准确性，宜采用层次分析法（AHP）确定各指标的权重。故本文建立基于灰色关联分析+层次分析法的评价体系。

2.2.1灰色关联分析评价原理

灰色关联分析是利用灰色关联度来表征两个事物的关联程度，其基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断联系是否紧密，即曲线越接近相应序列之间的关联度就越大，反之也就越小。在水泥回转窑用煤质量评价过程中，以回转窑用煤分级标准中的限值作为比较数列，以待评价煤样样本作为参考数列，求出多个关联度，最后把关联度最大的样本级别，作为待评价煤样本质量的所属等级。

rij=max{rij}，1 j n，称参考数列与比较数列关联度最好。

2.2.2层次分析法确定各指标的权重

层次分析法又称AHP构权法，是将复杂的评价对象排列为一个有序的递阶层次结构的整体，然后在各个评价指标之间进行两两比较，构造合理且一致的判断矩阵，计算各个评价指标的相对重要性系数，即权重。

表4 判断矩阵元素aij的标度方法

（1）建立比较判断矩阵A。根据表4中标度方法对表3中各煤质指标，进行两两比较（综合多位分公司专家的意见），形成了比较判断矩阵A，见表5。

由于有效站台中心里程处的基坑位于正在修建的T2航站楼正对面，基坑开挖时斜拱桩基有的已经施工完成，有的还未施工，因此有必要研究斜拱不同加载时机对基坑开挖的影响。根据现场基坑施工的主要工况，取斜拱加载时基坑开挖深度Z分别为0 m(即基坑未开挖)、7 m、11.5 m、16 m和20.2 m，分析斜拱桩基在基坑不同开挖深度加载时对基坑围护桩的影响。图11和图12分别为基坑与斜拱桩基承台边缘净距为5 m时，不同开挖深度Z加载围护桩桩身最大水平位移分布图和围护桩最大水平位变化移曲线图。

表5 各煤质指标的比较判断矩阵A

（2）求解判断矩阵。目前求解判断矩阵有三种近似算法，根法、和法和幂法。本文采用和法求解。

①将A的元素按列作归一化处理，得矩阵Q，其中:

②将Q元素按行相加，得向量α=（α1,α2,...αn）T,其中:

③检验判断矩阵一致性，求最大特征值:

（3）求得发热量、灰分、硫分、挥发分、全水分权重依次为：0.389；0.214；0.121；0.199；0.077.

2.3 评价步骤

（1）确定参考数列和比较数列。将表3中各公司待评价煤炭参数指标构成数列作为参考序列，xi(k)，k=1,2,3,4,5表示5个指标，i=1,2,3,4,5,6表示6个公司样本，则有：

表6 参考数列

将表2中回转窑用煤质量分级标准中每一级参数限值构成比较数列xj(k)，由于集团所属公司在实际进厂验收时低质煤会被拒收，所以可以将回转窑用煤分为四个等级，即j=1，2，3，4，分别表示优质、较优质、中等、较低质，见表7。

（2）数列中数据初始化。由于水泥回转窑用煤评价的各项指标尚无统一的度量标准，，在评价前先将各指标变量进行初始化，即无量纲化。若原始数列为数值越大代表指标越优秀的数列，为了保证初始化后的数列都是表示数值越大越优秀，利用公式（3）构建初始化数列,其中max(xik)为原始数列中的最大值。

表7 比较数列

若原始数列为数值越小代表指标越优秀的数列，利用公式（4）构建初始化数列,其中min(xik)为原始数列中的最小值。

对参考数列和比较数列中发热量和挥发分指标采用公式（3）；对于灰分、硫和全水分采用公式（4），则有：

将关联系数和层次分析法取得的各指标权重w，代入到公式（2）计算，可得关联度：

由此可知PY1与第一等级的关联度最大，可将PY1划分为煤炭质量优质。同理可得其他样本的关联度如表8。

表8 关联度计算结果表

从表8中可以看出PY1，ZB2，YS3，ZC4，YT5属于优质等级，CX6属于较优质等级，且同为优质等级的样本优劣程度，由r21＞r11＞r41＞r51＞r31，可得ZB2＞PY1＞ZC4＞YT5＞YS3。

4 结论

水泥回转窑用煤质量指标综合评价是根据国家或行业的有关标准，结合动力煤分级标准建立水泥回转窑用煤评价指标体系，确定了等级划分方案。本文利用层次分析法确定各指标权重，建立了基于灰色关联分析的水泥回转窑质量指标综合评价模型。

（1）该质量指标综合评价方法计算简单，评价过程反映信息全面，不仅能够反映不同级别样本之间的差别，而且还能反映同一级别的样本质量优劣，可用于不同公司或不同供应商之间的煤炭质量综合评价对比，为回转窑用煤使用价值最大化，合理确定进厂验收指标提供决策依据。

（2）利用所建立质量指标评价模型，对集团下属6家分公司进厂煤进行等级评价，得出该段时期进厂煤的质量优劣排序是：ZB2＞PY1＞ZC4＞YT5＞YS3＞CX6。

（3）本文评价模型中水泥回转窑用煤等级划分方案适用于大部分用烟煤的水泥企业，如企业用无烟煤或其它特定煤种，可根据动力煤分级标准或煤种特性对煤炭等级划分和参数取值方案进行调整，再按照文中评价步骤进行评价即可。

（4）随着精细化管理的深入，各水泥企业可根据自身情况，进一步完善分级评价方案，如可增加煤的哈氏可磨性指数指标，对于改造粉煤制备系统，计算磨煤机的产率和耗电量等均有指导意义；煤的燃烧性能指标，包括着火温度、燃烧速率、燃尽时间、可燃性指数等，以便更好的指导生产用煤。