热带地区铁水联运物流系统港口堆场容量计算

陈启振

山东港通工程管理咨询有限公司

1 引言

中国矿产资源产量与生产需求量不匹配现象突出，每年需要进口约11亿t铁矿、1.2亿t铝土矿、3 200万t锰矿、2 200万t铜矿。非洲、拉丁美洲等欠发达国家矿产资源丰富，但因基础设施落后导致矿产资源无法大规模连续开采。近年来，在“一带一路”倡议合作平台下，国际合作环境日益改善，海外投资有了一定的保障，企业更有意愿投资自建运矿铁路、港口等基础设施，形成企业专营专运的铁路、港口、船舶运输物流体系，实现矿石大规模出运。热带地区气候条件特殊，此类海外项目运营模式明显不同于国内港口，中国规范基于货物平均堆存期计算堆场所需容量的方法已不适用于此类项目[1]。结合非洲几内亚某铝土矿铁水联运项目，探索港口堆场所需容量计算方法。

2 装卸工艺布置

本项目位于非洲几内亚，铝土矿自矿山开采、铁路运输、港口装卸和船舶运输均是企业自主投资建设且专营专运，铁路运输进港量为4 000万t/年，装卸工艺设计包含火车卸车、堆场堆取料、码头装船和水平运输4个环节，形成卸车装船直取、卸车堆料和取料装船3个工艺流程，工艺流程见图1。工艺设备包含3台双车翻车机、3台斗轮堆取料机、2台装船机、19条带式输送机和10座转运站，并在Z03和Z05转运站分别预留1个进料接口和2个出料接口。

图1 工艺流程图

3 堆场所需容量计算

3.1 累计差值法计算堆场所需容量

几内亚沿海地区为热带季风气候，只有雨季和旱季2个季节，7月至10月为雨季，降雨量约占全年的90%；11月至次年6月为旱季，干旱少雨。降雨对铁路运输和港口装卸作业产生不同程度的影响，根据几内亚类似项目和已建码头运营生产经验，综合评估7 月、8月、9月、10月雨季降雨对港口装船作业的影响，分别为旱季月份的80%、50%、50%、80%，对铁路运输的影响均为90%。若将雨季月份折算成旱季月份，则每年港口装船实际作业时间为10.6个月，平均月运量约377万t；每年铁路运输实际作业时间为 11.6 个月，平均月运量约345万t。

将每月的铁路运输进港量和港口装船出运量作为离散样本，通过累计样本参数差值计算堆场所需容量，计算公式为：

E1=∑(Pi-Qi)Pi>Qi

(1)

E2=∑|(Pi-Qi)|Pi

(2)

E=max(E1,E2)

(3)

式中，E为计算堆场所需容量，万t；E1为进港大于出港时的累计差值量，万t；E2为出港大于进港时的累计差值量；万t；Pi为矿石铁路运输月度进港量，万t；Qi为矿石装船月度出港量，万t。

各月矿石进出港量差值见表1。

表1 各月矿石进出港量差值计算表

根据表1计算结果，以雨季开始为计算起始时间，当雨季结束时，堆场的矿石存量达到最大值264万t，此存量恰好用来补充旱季铁路运输不足装船出港量。考虑实际运营情况，雨季开始时，堆场储料量应包含堆场不清底量和至少富余2天的装船量之和，堆场不清底量按照斗轮堆取料机取料安全作业最小料堆厚度0.5 m计算，约20万t；2天的装船量约27万t，则雨季开始时，堆场储料量应不少于47万t。项目计算的堆场所需容量为311万t。

3.2 堆场所需容量仿真分析

3.2.1 影响因素分析及函数建立

虽然在矿山开采、铁路运输、港口装船以及海上运输整个物流链系统中，铁路、港口、船舶等设备设施均属企业专营专运，但实际系统受自然条件、设备数量和质量、运营操作模式等客观因素的影响，会导致单位时间火车运输进港量不均衡、单位时间港口装船出运量不均衡、港口装卸设备作业时间不均衡以及港口装卸设备故障率和停机检修时间不均衡等。因此，实际堆场所需容量应在累计差值法计算值的基础上乘以各因素影响不均衡系数，各因素影响不均衡系数用综合影响不均衡系数替代，则综合影响系数是取决于各因素的函数，数学表达式为：

Ek=Kmax(E1,E2)

(4)

K=f(α,β,γ,δ,ζ)

(5)

式中，Ek为堆场所需容量，万t；K为综合影响不均衡系数，受单位时间火车运输进港量不均衡、单位时间进港船舶数量不均衡、港口装卸设备作业时间不均衡以及港口装卸设备故障率和停机检修时间不均衡等因素的影响；α为火车运输进港量影响不均衡数；β为港口装船出运量影响不均衡数；γ为完成1个离散单元，系统平均作业时间影响不均衡数；δ为系统中装卸和运输设备质量及故障停机检修时间影响不均衡数；ζ为其他因素影响不均衡数。

将1列火车载货量8 000 t和1艘驳船载货量7 500 t作为基本计算单元，可以使散货港口连续装卸转化成离散的基本单元在各环节生产活动。当样本参数足够大时，单位时间火车运输进港卸车量、单位时间装船出运量、各主要装卸生产环节平均作业时间、设备故障率及检修时间等随机变量均符合某一统计学规律。基于以上原理，建立离散事件流程进行仿真模拟，即可确定堆场所需容量。

3.2.2 仿真模拟

Flexsim是一款离散事件系统仿真软件，具有强大的数据统计分析功能和三维显示效果[2]。Flexsim实体库包含固定资源类实体、任务执行类实体、网络节点、传送带模块等，其中固定资源类实体有发生器、暂存区、处理器、吸收器等；任务执行类实体有任务执行器、叉车、起重机等。该软件可以利用C++语言创建和修改部件以及控制部件的行为活动。Flexsim模型中主要实体设置见表2。

建模后进行仿真模拟，仿真时间设为5年(1 825天)，统计暂存区2(堆场)在仿真时间序列内的实体单元数量变化值，然后等效转化成堆场储料量变化，某一次仿真时间序列内的堆场储料量变化见图2。

表2 Flexsim建模实体表达

图2 某一次仿真时间序列内的堆场储料量变化图

进行多次仿真模拟，统计出每年雨季开始时堆场储料量初始值和雨季结束前后的最大值，并计算出差值，列出4次仿真模拟的年际堆场储料量典型值见表3。

表3 4次仿真模拟年际堆场储料量典型值/万t

根据表3计算结果，初始值为-23.4～53.6万t，初始值代表上一个雨季和旱季结束后堆场货物累存量，负值代表装船出运大于铁运进港量，堆场需要提前储存的量，正值代表铁运进港大于装船出港量，堆场累存量。差值即堆场所需容量为280.4～311.5万t。综合影响不均衡系数为1.06～1.18，本项目综合影响不均衡系数取1.1，则实际计算堆场所需容量为337万t。

4 结语

针对热带地区企业投资建设并专营专运的铁水联运物流系统项目，给出了港口堆场所需容量计算理论和计算方法。采用离散单元法对港口装卸作业活动进行简化，基于Flexsim建立仿真模型进行模拟分析，得出综合影响不均衡系数的取值范围，利用综合影响不均衡系数法，即可计算具有此类特征项目的堆场所需容量值。