基于供给侧视角的煤电铝产业链结构优化模型及应用

彭红军，周梅华，马静丽

(1. 南京林业大学经济管理学院，江苏 南京 210037；2.中国矿业大学管理学院，江苏 徐州 221116)

基于供给侧视角的煤电铝产业链结构优化模型及应用

彭红军1，周梅华2，马静丽2

(1. 南京林业大学经济管理学院，江苏 南京 210037；2.中国矿业大学管理学院，江苏 徐州 221116)

煤炭产业供给侧结构性改革和去产能化要求迫在眉睫，本文从产业链结构优化的视角研究煤炭产业供给侧结构优化问题。在对煤电铝产业链进行结构性分析的基础上，分析了煤电铝产业链系统的决策目标和约束条件，建立了煤电铝产业链结构优化的0-1混合整数优化模型。该模型以产业链系统整体利润最大化为目标，具有以下功能：优化煤炭板块的商品煤生产数量、结构以及商品煤销售去向；优化电力板块的生产规模和销售去向；优化铝板块的各类铝产品的产量和结构；优化铝板块的供给侧能力结构。最后应用模型进行了实证分析，研究表明该模型具有科学性、系统性和有效性的特点。

煤电铝产业链；结构优化；混合整数优化模型；供给侧改革

煤炭产业供给侧结构性改革和去产能化要求迫在眉睫，如何从产业结构优化的角度科学推动供给侧改革，成为需要研究的重要问题。越来越多的研究表明,现代经济竞争已不是单个生产环节和单独产品的竞争,而更多地体现在整个产业链之间的竞争。首先在产业链研究方面，Henri提出了产业链是各个产业部门之间基于一定的技术经济关联,并依据特定的逻辑关系和时空布局关系客观形成的链条式关联关系形态的概念[1]，贺轩提出产业链有广义和狭义之分[2]。广义的产业链包括满足特定需求或进行特定产品生产(及提供服务)的所有企业集合，涉及相关产业之间的关系；狭义的产业链则重点考虑直接满足特定需求或进行特定产品生产 (及提供服务)的企业集合，主要关注产业内各环节之间的关系。芮明杰等[3]提出了产业链的知识整合，将产业链理解为一个知识整体，从知识角度研究了产业链分化整合的机理。李心芹等[4]在界定产业链内涵的基础上,对产业链结构类型进行理论探析。卜庆军等[5]从产业链的整合基础和目标入手，提出了三种产业链整合模式。路正南等[6]提出光伏产业链协同管理的概念。

在产业链优化决策相关研究中，梁玲等[7]主要提出了煤电产业供需与合作的不均衡、煤炭企业较弱的盈利能力、较短的煤炭产业链等问题。袁学良[8]提出了纵向延长,其中包括产业链的组装、补充及延伸和横向联合的两种产业链优化方式。赵绪福[9]在产业结构优化理论的基础上分析农业产业链优化的具体内涵并说明产业链优化的内容与途径。赵晓煜等[10-11]对供应链的设计和优化问题进行了系列的富有成效的研究。彭红军等[12]建立了一个多目标的大型煤炭供应链集成模型。吕涛等[13]采用产业关联分析的方法确定了煤炭产业链的类型，运用DEA方法，构造出区域产业链效率评价的一般模型，并对各省区煤炭产业链的整体经济效率、技术效率及规模效率进行评价和比较分析。

前人研究中大多从定性方面描述了产业链定义、整合及优化方法，涉及产业链尤其是煤炭方面定量模型相对较少，部分研究仅是从煤炭供应链方面介绍，并没有进行产业链的延伸。随着市场动态变化，庞大的产业链依照经验生产已经明显不足，科学的决策必不可少。因此本文在借鉴煤炭供应链方面相关优化模型建立了煤电铝产业链优化模型，其特点如下：①建立了以煤炭为基础的煤电铝产业链结构优化模型，以产业链总利润最大为目标进行动态决策；②模型集成了煤电铝产业结构优化、产业链的煤电铝企业供应、生产、订购决策等问题。

1 煤电铝企业产业链结构

煤电铝企业链是由存在特定关系而形成的链条。煤电铝三板块结构,如图1所示。图1中第一部分为煤炭板块，包含原煤开采、煤炭洗选加工、煤炭销售等节点，虚线表示原煤矿井生产的原煤能不经过洗选加工直接作为商品煤,经由煤炭销售环节销售给顾客。其中在部分煤炭销售给电厂发电使用。第二部分电力板块，发电量部分供给铝厂电量供铝液生产使用，剩余部分上网及其他用途。第三部分为铝板块，铝厂生产铝液及其他铝产品。生产铝液电量由电厂提供。虚线部分表示铝锭生产需要铝液作为原材料。

图1 煤电铝企业产业链结构框架

2 模型建立

2.1 符号说明与假设

考虑一个典型的煤炭产业链结构，包含煤炭板块、电力板块和铝板块。煤炭板块包含多个矿井和多个洗煤厂；电力板块包含一个发电厂，发电厂的产品可以直供铝厂、输送电网，并有部分为企业自用；铝板块产品包括铝液、铝锭等。由于市场变化，铝产品的市场需求量持续下滑，价格持续走低，需要决策是否停产。

假设下标i表示矿井,i=1,2,…,I；下标j表示洗煤厂,j=1,2,…,J；下标n表示商品煤煤种,n=1,2,…,N，并且假设n=1表示主要精煤，n=2表示洗混煤，n=N表示原煤；下标k表示发电去向，k=1,2,…,K,不妨设当k=1表示直供铝厂用电，k=K表示上网电力；m表示铝类产品，m=1,2,…,M，并假设m=1表示铝液。

假设Ai表示矿井i的生产能力；Bj表示洗煤厂j的洗煤能力；F表示发电厂的发电能力；Nm表示铝类产品m的生产能力。

Ci0表示矿井i生产成本；Cj1表示洗煤厂j的生产成本；Cm2表示铝产品固定成本；Cm3表示铝产品可变成本；Cm4表示铝产品停产成本；C0表示电厂燃料费成本；C1表示电厂固定成本；C2表示电厂发电水费成本。

YHj表示洗煤厂j入洗原煤的灰分；LYjn表示洗煤厂j洗出的煤种n的产率；Qk2表示各种渠道销售的电量；H表示发电煤耗；α表示煤耗中原煤所占比例；β表示煤耗中洗混煤比例；H1表示铝液单位耗电量。

Pn1表示煤种n的市场价格；Pk2表示电价；Pm3表示铝产品价格；Dn1表示煤种n订单数量；Dm3表示第m种铝产品市场需求量；E表示煤电铝供应链总利润；E1表示煤炭板块利润；E2表示电板块利润；E3表示铝板块总利润。

决策变量：Yj表示洗煤厂j的入洗原煤量；YN1表示销售给客户的原煤量；YN2表示供给电厂原煤量；Ljn表示洗煤厂j的洗出煤种n的数量；Q表示电厂总发电量；Qm 3表示铝产品产量；Im表示第m种铝产品是否生产的0-1决策变量。

2.2 煤电铝产业链利润分析

煤电铝产业链总利润为煤炭板块、电力板块和铝板块利润之和，其中煤炭板块的利润计算见式(1)。

(1)

式中：第一项为煤炭的销售收入；第二项为矿井的生产成本；第三项为洗煤厂的生产成本。

电力板块的利润计算见式(2)。

(2)

式中，第一项表示电力销售收入，第二项表示发电厂的发电成本。

铝板块的利润计算见式(3)。

(3)

式中：第一项为铝产品的销售收入；第二项为铝产品的固定生产成本与变动成本之和；第三项为停产成本。

综上所述，得到煤电铝产业链的总利润(式(4))。

E=E1+E2+E3

(4)

2.3 约束条件

根据各洗煤厂的历史投入产出数据，构建各主要商品煤的投入产出的计量模型[12]，见式(5)。

Lj1=f(Yj,YHj,Lj2,Lj3,…,Lj(N-1)),j=1,2,…,J

(5)

洗煤厂洗选能力约束模型见式(6)。

Yj≤Bj,j=1,2,…,J

(6)

发电能力约束模型见式(7)。

Q≤F

(7)

铝产品生产能力约束模型见式(8)。

Qm3≤Mm,m=1,2,…,M

(8)

商品煤销售量约束模型见式(9)。

(9)

铝产品的销售量约束模型见式(10)。

Qm3≤Dm3,m=1,2,…,M

(10)

铝产品产量与0-1变量的关系模型见式(11)。

Qm3≤RIm,m=1,2,…,M

(11)

其中R为一个相对较大的数，式(11)的作用是使得当Im=0时，Qm3=0。

原煤产量与去向平衡公式见式(12)。

(12)

发电燃料费包括发电原煤消耗与洗混煤消耗的成本之和,计算见式(13)。

C0=H×(α×Pn1+β×P2)

(13)

直供铝厂电量等于铝液的产量与单位耗电量之积，计算见式(14)。

Q12=Q13×H1

(14)

2.4 煤炭产业链结构优化模型

以煤电铝产业链总体利润最大化为目标，即以式(4)为目标函数，以式(5)～(14)为约束条件的煤炭产业链结构优化的0-1混合整数优化模型，该模型具有以下功能:①优化煤炭板块的商品煤生产数量和结构，优化商品煤销售去向；②优化电力板块的生产规模和销售去向;③优化铝板块的各类铝产品的产量和结构;④优化铝板块的供给侧生产能力结构。

3 模型应用

3.1 参数说明

某煤电集团公司经过近40年的开发建设，已形成集煤炭、电力、铝业一体化综合经营的产业链，拥有四对煤炭生产矿井、四座选煤厂、一座发电厂、一座电解铝厂、两座铝加工厂。煤炭板块情况见表1，电力板块生产情况见表2，铝板块生产情况见表3。

表1 煤炭板块参数表

表2 电力板块参数表

表3 铝板块参数表

五级精煤价格为787元/t，六级精煤价格为793元/t，原煤价格为522元/t。上网电价为0.439元/kW·h。

在电厂发电所用主要煤种中，原煤比例α为0.171，洗混煤比例β为0.554。根据煤炭企业各洗煤厂2010～2013年按月统计数据，拟合出各洗煤厂主要精煤产出率的多元线性回归模型，如表4所示，各模型整体显著性检验和变量显著性检验均显著。

3.2 模型求解结果

通过煤炭产业链结构优化的0-1混合整数优化模型的求解, 得到煤电铝产业链总利润及各版块利润结果如表5所示。

煤炭板块决策如表6所示，电力板块和铝板块决策如表7所示。

表4 某煤电公司各洗煤厂洗煤回归模型

表5 煤炭产业链利润情况表/万元

表6 煤炭板块决策情况表

表7 电力、铝板块决策情况表

3.3 模型动态情境分析

以下对铝板块进行情境分析，分别以铝液和冷轧卷为例，铝锭和铝板带箔类推。情境分析分为两种情况。

1)当产量一定时，可根据利润公式及0-1变量变化得到是否停产的价格临界值。

2)当价格一定时，可根据利润公式及0-1变量变化得到是否停产的产量临界值。

以下分析中产量和价格取值均是以公司实际生产情况和市场实际需求情况进行设定。价格单位均为元/t，产量单位为万t。

表8 产量固定时铝液生产与否的情境分析

表9 铝液价格固定时生产与否的情境分析

根据表8，当产量为2.8万t时，生产的价格临界值为14751万元/万t。即当价格在[0,12278]之间，企业停产。价格在[12278,14751]生产，利润仍为负值，为企业减亏阶段。当价格大于24780万元/万t时，企业开始生产盈利。

根据表9，当价格为14390万元/万t时，生产的产量临界值为0.32万t。即产量在小于0.32之间停产。产量在[0.32,3.2]万t之间，利润仍为负值，企业减亏阶段。当产量大于3.2万t时，企业开始生产盈利。

表10 冷轧卷产量固定时生产与否的情境分析

表11 冷轧卷价格固定时生产与否的情境分析

根据表10，当冷轧卷产量为3.9万t时，生产的价格临界为25396万元/万t时。即价格在[0,25396]停产。在[25396,27933.7]之间，企业生产，利润为负值，企业减亏阶段。当价格大于27933.7万元/万t时，企业生产盈利。

根据表11，冷轧卷亏损比较严重。当冷轧卷市场价格为14466万元/万t，生产越多亏损越多，应立即停产。

4 结论

本文从产业结构优化的角度探索煤电铝产业链供给侧结构性优化的模型与应用。通过建立煤电铝产业链结构优化的0-1混合整数优化模型，优化煤炭板块的商品煤生产数量、结构以及商品煤销售去向；优化电力板块的生产规模和销售去向；优化铝板块的各类铝产品的产量和结构；优化铝板块的供给侧能力结构。与现有煤炭供应链优化领域的研究文献相比，本文研究具有以下方面的创新：①建立了以产业链系统利润最大化为目标的煤电铝产业链结构优化模型；②模型集成了煤电铝产业链供给侧结构优化、煤电铝企业供应、生产、订购决策等问题；③对模型进行了应用和分析，从模型实证分析的决策结果和情境分析可以看出, 该模型能够从产业链系统优化的角度有效优化煤炭板块、电力板块和铝板块的供给结构，并对部分板块的去产能决策提供理论支持，模型具有科学性、系统性和有效性的特点。

本文研究对于完善煤炭供应链系统优化的理论和方法体系具有一定的理论价值，对于推动煤炭产业进行供给侧结构性改革和去产能决策提供了研究视角和方法借鉴。

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Decision model for the coal-electricity-aluminum industry chain and its application based on the aspect of supply-side

PENG Hongjun1, ZHOU Meihua2, MA Jingli2

(1.College of Economics and Management, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China； 2.School of Management, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

The structural reform of supply-side aspect and reducing the production capacity is urgent tasks for coal industry chain. This paper tries to study the problems of the structural optimization of the supply side in the perspective of industry structural optimization. Based on analyzing the structure of the coal-electricity-aluminum industry chain, we analyze the decision objective and the constraint conditions and establish a 0-1 mixed integer optimization model of the coal-electricity-aluminum industry chain. This model is designed to achieve maximization of total profit for the coal-electricity-aluminum industry chain. The model has the functions as following: optimizing the production quantity, structure and sales for the coal sector; optimizing the production quantity and sales for the electricity sector; optimizing the production quantity and structure for the aluminum sector; optimizing the production capacity for the aluminum sector. Finally, the model is analyzed by examples.Results show that the model has the characteristics of scientific, systemic and effective.

coal-electricity-aluminum industry chain; structure optimization; mixed integer optimized model; supply-side reform

2016-08-02

国家自然科学基金项目资助(编号：71201164)；中国博士后科学基金项目资助(编号：2014M561658)

彭红军(1980-)，男，安徽池州人，博士，副教授，从事供应链管理、系统工程等研究，E-mail: penghj@njfu.edu.cn。

F407.1

A

1004-4051(2017)01-0029-05