煤炭物流冬季一体化运营模型的建立与应用

刘颢颢

(国家能源投资集团有限责任公司，北京市东城区，100011)

国家能源集团于2017年11月28日正式挂牌成立，是中央直管国有重要骨干企业、国有资本投资公司改革试点企业，拥有煤炭、火电、新能源、水电、运输、化工、科技环保、金融8个产业板块。其中，推进一体化经营，提升质量和绩效，确保国有资产保值增值，努力成为保障能源供应、维护国家能源安全的稳定器和压舱石是集团发展战略体系中6项核心理念之一[1]。

1 一体化运营概况

目前，国家能源集团已建成投运的铁路有包神铁路、神朔铁路、大准铁路、准池铁路、朔黄铁路等，自营铁路总里程达到2155 km。一体化运营依托自营铁路，源源不断地将煤炭从神东和准能矿区运往港口，然后经船舶转运抵达东部沿海电厂和用户[2-3]。一体化运营示意图见图1。

图1 一体化运营示意图

近3年来，通过黄骅港中转运抵东部沿海电厂和用户的煤炭占一体化运量的59.2%，如表1所示。由表1可以看出，保证黄骅港吞吐效率是一体化高位平稳运行的关键。

表1 近3年黄骅港吞吐量占比表

根据历年实际生产数据，当黄骅港场存降至160万t以下时，港口船货不匹配、船等煤等现象凸显，装船效率大幅下降，船舶锚地停时大幅延长，沿海电厂和用户面临燃煤告急；当黄骅港场存上升至250万t以上时，港口卸车流程冲突、部分煤种堆存能力受限等现象凸显，卸车效率大幅下降，铁路出现保留重车，一体化上游需大面积调减装车。要保证一体化高位平稳运行，黄骅港场存应控制在160～250万t的合理区间。

2 冬季一体化运营特点

2.1 市场煤炭需求旺盛

进入取暖季，受天然气供应紧张、水电进入枯水期等影响，煤炭需求大幅增加。其中，东部沿海电厂煤炭日耗保持在70万t以上，库存可用天数维持在低位，补库和拉运煤炭意愿较强。

2.2 港口封航时间较长

受大风和大雾等恶劣天气影响，冬季黄骅港封航次数多且持续时间长。从历年封航时间统计看，黄骅港月均封航时间为80.3 h，其中冬季月均封航时间长达141.6 h，合计约6 d左右。

2.3 铁路沿线气温较低

进入冬季，北方气温降至冰点以下，横跨于内蒙古、陕西、山西、河北4省(区)的一体化铁路沿线最低气温将达到-30℃左右。为了防止出现冻车，影响一体化运营效率，冬季一体化调运组织过程中禁止铁路沿线出现保留重车[4]。

结合冬季一体化运营特点、黄骅港目前煤炭品种及堆存情况，为防止铁路沿线出现大面积保留重车、断崖式调减和增加装车造成铁路运行大幅波动，避免港口出现冻车和铁路机力大量浪费，保障一体化高位平稳有序运行，黄骅港场存应控制在合理区间的低位水平，即冬季黄骅港最优场存应控制在160～180万t。

3 一体化运营模型

3.1 模型概述

根据“一体化装运卸平衡”原则和黄骅港场存变化规律，建立以一体化外部条件变化前的黄骅港最优场存为期初场存，以上游矿区装车、下游铁路各口分流、铁路重车保有量变化和装船量为变量来表示黄骅港第i天期末场存的目标函数。根据天气预报和目标函数约束条件，提前调整上游装车和下游铁路各口分流数，避免铁路沿线出现保留重车，确保黄骅港场存始终保持在合理区间波动并有序回归至最优场存。

3.2 模型假设

3.2.1 列车平均载重假设

国家能源集团铁路现有C64、C70、C70E、C80、C80B、KM98等多种车型，每列载重0.422～0.432万t不等。根据历年实际装车列数和吨数的数据分析，假设所有车型载重相等，即所有列车载重吨数为常数q，取值0.425万t。

3.2.2 运行平均周时假设

一体化运行主要涉及9个煤源生产组织单位、5个铁路公司的50多个装车站、3个国铁交口、7个铁路沿线卸车点、2个港口的17台翻车机。每列车运行时间受装卸站点距离不同，存在很大的差距。目前列车运行最长周时为3.6 d，最短周时为0.8 d，根据货车周转时间车辆相关法计算得出平均周时为3.0 d左右。

3.2.3 港口卸车即到重假设

一体化铁路在运行过程中存在很多影响因素，且重车到达港口后，卸车需要一定的时间，港口卸车数与港口到重数存在一定的差异。现假设一体化正常运行情况下，港口无车辆积压，待卸车保持恒定，当日分流到港重车数与当日卸车数相等，即Qi黄骅=Xi黄骅。

3.3 符号定义

(1)C0黄骅：黄骅港最优期初场存；

(2)Ci0黄骅：第i天黄骅港期初场存；

(3)Ci黄骅：第i天黄骅港期末场存；

(4)△Ci黄骅：第i天黄骅港场存变化量；

(5)Xi黄骅：第i天黄骅港卸车量；

(6)Zi黄骅：第i天黄骅港装船量；

(7)Qi装车：第i天包神、神朔、大准、准池和朔黄管内装车量；

(8)ni装车：第i天包神、神朔、大准、准池和朔黄管内装车数量；

(9)Qi分流：第i天黄骅港、大同东口、大新口、王佐、沿线和黄万线分流量；

(10)ni分流：第i天黄骅港、大同东口、大新口、王佐、沿线和黄万线分流数量；

(11)△Qi保有量：第i天包神、神朔、大准、准池和朔黄铁路重车保有量变化；

(12)△ni保有量：第i天包神、神朔、大准、准池和朔黄铁路重车保有数量变化；

(13)n：调整一体化运行使黄骅港场存有序回归至最优期初场存所需天数。

3.4 一体化运营模型目标函数的建立

根据“黄骅港场存变化”和“一体化装运卸平衡”原则，结合符号定义，可以得出：

(1)

利用模型假设条件，根据公式(1)得出：

(2)

从公式(2)可以看出：黄骅港第i天期末场存与当天期初场存、上游装车数、下游铁路各口分流数、铁路重车保有数量变化及装船量之间存在一定的关系，且第i天黄骅港期初场存等于第i-1天黄骅港期末场存。

现以黄骅港最优期初场存作为第1天期初场存，可以得出黄骅港第i天期末场存，即一体化运营模型目标函数：

(3)

3.5 模型约束条件

模型约束条件根据现有一体化运营水平进行设置，体现了一体化运营的特性、需求以及能力。

约束1：黄骅港合理场存约束；

约束2：黄骅港装船能力大于卸车能力约束；

约束3：上游各铁路管内装车数量和下游铁路各交口分流数量约束。

3.6 一体化运营调整方案

一体化运营调整流程如图2所示，由图2可以看出一体化运营调整方案主要包含以下4个部分。

(1)根据天气预报预测黄骅港封航开始时间和累计封航时间。

(2)按照现有上游装车、下游分流和重车保有量水平，预测封航期间黄骅港最高场存。

(3)当预测封航期间黄骅港最高场存低于250万t时，一体化运营不需要调整；当预测封航期间黄骅港最高场存超出250万t时，根据运行平均周时假设，需要提前1.5 d调减上游装车、加大下游铁路各口分流数，确保封航期间黄骅港最高场存始终保持在合理区间。

(4)封航结束后，一方面加大海事协调，利用天气好转最大化组织装船；另一方面加大下游铁路各口分流，确保黄骅港场存有序回归至最优场存。

图2 一体化运营调整流程图

4 实例分析

本文结合一体化运营的历年生产情况和季节性特点，总结提炼出冬季一体化运营模型和调整方案。该成果已成功应用于2018年冬季一体化运营工作中，并取得良好的效果。现以2018年12月一次一体化运营调整全过程为例，分析冬季一体化运营模型和调整方案在指导一体化运营中的作用。

4.1 一体化运营调整过程

2018年12月2-17日一体化运营关键指标见表2，一体化上游装车与黄骅港场存变化曲线见图3。从黄骅港场存变化情况可以看出，本次一体化运营变化调整过程共分为3个阶段。

表2 2018年12月2-17日一体化运营关键指标

图3 一体化上游装车与黄骅港场存变化曲线

4.1.1 第一阶段

黄骅港2日天气预报：2日夜间到3日白天，黄骅港海面有大雾，局地有能见度不足200 m的强浓雾，3日上午风力6～7级，浓雾逐渐散去。据此预测黄骅港2-3日将发生14～16 h大雾封航。从表2中可以得到2日一体化运营相关参数：C0黄骅=181.2万t，n=1 d，ni装车=235列，ni大同东+ni大新+ni王佐+ni沿线+ni黄万=105列，△ni保有量=0，Zi黄骅=0，q=0.425万t/列。

将上述相关参数代入一体化运营模型目标函数，得出封航1 d 黄骅港场存将达到236.5万t，场存增加55.3万t。预计封航时间取平均值15 h，得出封航期间黄骅港场存预计增加55.3×15÷24=34.5万t，场存增加至215.7万t<250万t，表明封航期间黄骅港场存始终保持在合理区间，一体化运营不需要调整。

4.1.2 第二阶段

黄骅港4日18∶00天气预报：受强冷空气影响，黄骅港海面自6日白天开始有7～8级、阵风9～10级大风，预计7日夜间转5～6级。据此预测黄骅港6-7日将连续大风封航36 h左右。从表2中可以得到4日一体化运营相关参数：Ci0黄骅=213.1万t，ni装车=235列，ni大同东+ni大新+ni王佐+ni沿线+ni黄万=90列，q=0.425万t/列，Z设计黄骅=70万t/d。封航期间黄骅港装船Z黄骅=0；假设不调减上游装车和增加下游分流，铁路重车保有量将不发生变化，即△ni=△ni+1=△ni+2=0。

将上述相关参数代入式(2)可以得出：按照4日一体化运营水平，预计7日黄骅港场存将上升至286.6万t，即Ci+2黄骅=286.6万t>250万t，需要提前调整一体化运营，确保封航期间黄骅港最高场存不突破合理场存上限。

根据4日天气预报及预测的黄骅港场存，自5日开始，一体化运营提前1.5 d调减上游装车和加大下游铁路各口分流。截至7日封航结束，黄骅港调进较4日水平累计减少95列约40.3万t，场存最高增加至242.3万t，在合理区间范围内。

4.1.3 第三阶段

封航结束后，通过最大化组织装船和继续加大下游铁路各口分流等措施，黄骅港场存有序回落；同时平稳增加一体化上游装车，运营水平再次达到高位。截至17日，黄骅港场存降至179.6万t，回归到最优场存范围内；同时上游装车和铁路重车保有量也达到了一体化运营的高位水平。

4.2 一体化运营模型和调整方案应用效果

(1)黄骅港场存始终保持在合理区间。根据天气预报，提前调减上游装车和加大下游分流，确保黄骅港场存不突破250万t；封航结束后加大装船组织，使黄骅港场存有序回归至最优场存。

(2)铁路沿线未出现保留重车。一体化运营调整模型和调整方案应用后，铁路沿线未出现保留重车，为国家能源集团一体化运营2018年冬季成功实现“零冻车”、创造历史性突破奠定了基础。

(3)创造了巨大的经济效益。“零冻车”的实现，避免了港口清冻车造成铁路沿线出现保留重车、断崖式调整装车造成铁路机力大量浪费，保障了一体化高位平稳有序运行，创造了巨大的经济效益。

5 结论

本文在分析一体化运营现状和冬季一体化运营特点基础上，总结提炼出一体化运营模型和调整方案。该成果的应用为冬季一体化运营调整提供了理论基础和操作流程。

(1)建立了一体化运营模型目标函数。根据“一体化装运卸平衡”原则和黄骅港场存变化规律，建立以一体化外部条件变化前的黄骅港最优场存为期初场存，以上游矿区装车、下游铁路各口分流、铁路重车保有量变化和装船量为变量来表示黄骅港第i天期末场存的目标函数。

(2)提炼出冬季一体化运营模型调整方案。根据一体化运营模型目标函数，结合冬季一体化运营特点，总结提炼出冬季一体化运营模型调整方案及流程图。

(3)该成果成功应用于指导冬季一体化运营工作中。一体化运营模型和调整方案在2018年冬季一体化运营工作中的应用，确保了黄骅港场存始终保持在合理区间波动并有序回归最优场存，避免了铁路沿线出现重车保留，实现了“零冻车”历史性突破，创造了巨大的经济效益。