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上海海事大学硕士学位论文 y1 0 0 8 0 7 0 太仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 摘要 随着电力体制改革进程的推进，特别是厂网分开后，各发电公司对于公司的 发电盈利能力日趋重视，而火电企业的发电成本主要是煤炭购买成本和煤炭运输 成本：在当前煤炭价格居高不下的情况下，煤炭的成本占发电厂运营成本的 8 0 8 5 ；另一方面，受国际原油价格飙升的影响，煤炭的运输价格也呈现上涨趋 势，航运业的燃油成本已经从当初的占总成本2 5 左右上升到了目前的3 5 左 右，这大大增加了航运业的成本。发电厂对运输企业在满足自己航线设置要求的 前提下，如何通过优化船舶的调运和配置方案，使整个煤炭运输的总成本最低也 提出了更高的要求。本文主要研究了上海时代航运有限公司在太仓发电厂二期扩 建后煤炭运输中船舶运输的航线配船问题，对船舶进行合理分配，以选择出适合 运输的船舶种类及船舶数量，以达到航运总成本最低的目的。 本文讨论了太仓发电厂项目的背景及目前国内外的研究状况，分析了符合发 电厂用煤的矿区情况及全国主要煤炭下水港的港口状况；探讨了线性规划法的基 本理论及整数规划的s p r e a d s h e e t 解法；对船舶运营的经济性分析方法进行了论 证，确定了船公司各运营参数的计算方法；并基于此建立了以航运总成本最小为 目标的航线配船的线性整数规划模型，运用s p r e a d s h e e t 方法对模型进行了求 解；最终得到了2 0 0 8 年电厂煤炭运输的合理分配方案，此方案部分成果目前已 经被应用于实际工作中。 关键词： 煤炭运输航运总成本最低整数规划s p r e a d s h e e t 算法 上海海事大学硕士学位论文 走仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fc h i n a sp o w e ri n d u s t r yr e f o r m ，p a r t i c u l a r l ys i n c et h e s e p a r a t i o no fg e n e r a t i o nf r o mt h et r a n s m i s s i o nf u n c t i o n s ，e v e r yg e n e r a t i o nc o m p a n y h a sb e e np a y i n gm o r ea t t e n t i o no nt h ep r o f i tm a k i n gc a p a b i l i t y , t h em a j o r i t yo f w h i c h c o m e sf r o mt h ec o a lp u r c h a s i n ga n dt r a n s p o r t a t i o n a st h ec o a lp r i c em a i n t a i n sa ta h i g hl e v e l ，t h ec o s to fc o a la c c o u n t sf o r8 0 t o8 5 o fap o w e rp l a n t st o t a lc o s t a d d i t i o n a l l y , i n f l u e n c e db yt h es o a ro ft h ei n t e r n a t i o n a lc r u d eo i lp r i c e ，t h ec o a l t r a n s p o r t a t i o ne x p e n s et e n d st ob eh i g h e r t h ec o s to ff u e lw h i c hw a s2 5 o ft h e t r a n s p o r t a t i o nc o s t ，a c c o u n t s f o r3 5 a tp r e s e n t t h ec o s to fs h i p p i n gh a sb e e n i n c r e a s e dd r a m a t i c a l l y t h eg e n e r a t i o n c o m p a n y , a l t h o u g hs u b j e c t t ot h e p r e a r r a n g e m e n to ft h ev o y a g el i n eb yt h et r a n s p o r t a t i o nc o m p a n y , r e q u i r e st oo p t i m i z e t h es h i p p i n ga r r a n g e m e n ts ot h a tt h et o t a lc o a lt r a n s p o r t a t i o ne x p e n d i t u r ec a l lb e m i n i m i z e d t h i sp a p e rs t u d i e st h es h i pd i s t r i b u t i o no fc o a lt r a n s p o r t a t i o nr o u t i n e a r r a n g e db ys h a n g h a it i m es h i p p i n gc o m p a n yl t d ，a f t e rt a ic h a n gp o w e rp l a n t s e c o n dp h a s ee x p a n s i o n t h i sp a p e rs t u d i e st h ei s s u eo ft a ic h a n g p o w e rp l a n t sc o a l s h i p p i n go p t i m i z a t i o n b ys e l e c t i n ga p p r o p r i a t es h i p st ot r a n s p o r tc o a lb yv e s s e l ，t h e t o t a lc o s to f t r a n s p o r t a t i o nc a nb em i n i m i z e d t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eb a c k g r o u n do ft a ic h a n gp o w e rp l a n tp r o j e c ta n dt h e c u r r e n tr e s e a r c hb o t hd o m e s t i c a l l ya n da b r o a d i ta l s oa n a l y z e sp o w e rp l a n tc o a l m i n e ss i t u a t i o na n dt h ec o n d i t i o no fs o m em a j o rc o a ll o a d i n gh a r b o r st h r o u g h o u t c h i n a t h i sp a p e re x p l o r e st h em e t h o d o l o g yo fl i n e a rp r o g r a m m i n ga n dt h es o l u t i o n o fs p r e a d s h e e tm e t h o do fi n t e g r a lp r o g r a m m i n g i ta l s ov e r i f i e st h ee c o n o m i c a l a n a l y z i n gm e t h o df o rs h i p p i n go p e r a t i o ns ot h a tv a r i o u so fo p e r a t i o np a r a m e t e r so f s h i p p i n gc o m p a n i e sc a nb ed e t e r m i n e d ，w h i c hs e l v e st h eb a s i so ft h ee s t a b l i s h m e n to f s h i pd i s t r i b u t i o nm o d e li ns h i p p i n gr o u t i n e s ，t a r g e t i n ga tm i n i m i z i n gt h et o t a l s h i p p i n gc o s t s p r e a d s h e e tm e t h o di se m p l o y e dt oc o m p u t et h es o l u t i o no f t h em o d e l ， a n du l t i m a t e l yg i v e st h er e s u l to fo p t i m i z e dc o a lt r a n s p o r t a t i o ns c h e m ef o rt h ep o w e r i i ：堕堕皇奎兰堡圭兰堡垒茎 查鱼皇 三塑些垂墨至墼垄查鲞竺窒 p l a n ti n2 0 0 6 t h i ss c h e m e h a sb e e np a r t l yi m p l e m e n t e dmr e a lo p e r a t i o n j i a n gy i ( m t e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gx u e f e n g k e y w o r d s ： c o a lt r a n s p o r t a t i o n ，m i n i m i z a t i o n o ft o t a l s h i p p i n gc o s t ，i n t e g e r l i n e a r p r o g r a m m i n g ，s p r e a d s h e e ts o l u t i o n 1 1 1 上海海事大学硕士学位论文 太仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 1 绪论 我国是世界第二大电力市场，在装机容量和发电量上均居世界第二位，“十 五”期间政府在电力领域的投资将达到7 0 0 0 多亿。但随着国民经济的迅速发展， 电力需求越来越大。2 0 0 4 年，先后有2 4 个省市被迫拉闸限电，全国发电装机容 量达到4 4 0 7 0 万k w ，同比增长1 2 6 ，其中火电装机容量达到3 2 4 9 0 万k w ， 同比增长1 2 1 ；全年发电量累计完成2 1 8 7 0 亿k w h ，同比增长1 4 8 ，其中火 电完成1 8 0 7 3 亿k w h ，同比增长1 4 5 。2 0 0 5 年全国将新增发电机组7 0 0 0 万千 瓦，超过历史最高水平，上半年新增发电机组投产3 0 0 0 万千瓦，不到全年预期 的4 0 。下半年新增发电机组集中投产，煤炭需求增大，煤炭供应紧张和电力用 煤旺盛增长态势不会改变。预计2 0 0 5 年，电力工业煤炭需求为1 0 - 8 亿吨，比2 0 0 4 年增加1 亿吨，增长1 0 2 。在我国煤炭运输中，铁路运输占一半左右，海上运 输占2 0 以上。目前，全国铁路煤炭运输能力远远满足不了实际需要，全国日均 请求货车满足率不到6 0 。据了解，目前，大部分铁路煤炭运输干线能力利用率 已经超过1 0 0 。尽管如此，铁路运输仍达不到煤炭运输需求的6 0 。铁路大 秦线、侯月线的扩能将增加煤炭到港数量，公路煤炭运输通道环境大大改善，“三 西”煤炭外输运量会有所增加。2 0 0 5 年我国煤炭港口发运量将有较大增长，仅 北方沿海港口煤炭发运量就将增长4 0 0 0 万吨，达到3 6 亿吨左右。沿海港口煤 炭发运的不平衡状态将有所改善，秦皇岛港压力不减，日照港将面临装卸能力、 运输组织方面的严峻挑战。沿海煤炭运力继续偏紧，运价可能再次上扬。 华东，中国经济最活跃的地区，也是最缺电的地区，为尽快缓解华东地区的 缺电的情况，中国华能集团公司在江苏省苏州地区太仓市原有地址一华能太仓发 电厂( 以下简称电厂) 处进行二期扩建工程，即扩建2 台6 0 0 m w 超临界燃煤发 电机组项目。该扩建机组预计将于2 0 0 5 年年底并网发电，届时，对缓解华东地 区的用电紧张情况将起到重要作用。 随着电力体制改革进程的推进，特别是，。网分开后，各发电公司对于公司的 发电盈利能力日趋重视，火电企业的发电成本主要是煤炭购买成本和煤炭运输成 本，在当前煤炭价格居高不下的情况下，对于煤炭运输成本的控制自然而然成为 发电公司议事日程上一个需待解决的关键问题。 上海海事大学硕士学位论文 太仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 煤炭的运输在航运的组织分类中属于大宗工业物资的运输，其特点是航线和 港1 2 1 基本固定，货流量较大，流向稳定，承担运输任务的船舶也相对比价稳定。 要想降低煤炭的运输成本，首先要从运输系统的规划入手，包括航线的配船和船 队的规划等，在满足货主的航线设置要求的前提下，通过优化船舶的调运和配置 方案，使整个煤炭运输的总成本最低。 1 1 项目背景及研究意义 1 1 1 项目背景 华能太仓发电厂位于江苏省苏州太仓市境内，紧靠长江。发电厂一期装机容 量为两台3 0 万千瓦燃煤发电机组。其设计煤源由神府东胜煤和内蒙古万利煤矿 供给，需经铁路运输至港口，转海江运输进长江直达电厂专用码头，整个煤炭运 输为铁海江直运。其中内蒙古万利煤炭经万利煤矿专用线或集运至包头枢纽，经 大包铁路到达大同枢纽，经大秦铁路到达秦皇岛，转海江直运至电厂煤码头，此 通路全程2 4 6 2 公里，其中铁路里程为1 1 8 7 公里。东胜矿区煤炭经包神铁路南下 至神木北，经神朔铁路至神池，转朔黄铁路至黄骅港，再转海江直运至电厂煤码 头，该通路全程为1 9 4 2 公罩，其中铁路里程为8 3 3 公里。目前，其中海江直运 这段航运运输由上海时代航运有限公司负责，由其将煤炭分别从秦皇岛港、黄 骅港，南下运至电厂专用码头。 电厂二期准备在原有地址扩建两台6 0 万千瓦燃煤发电机组。其设计煤源仍 由神府东胜煤矿供给。鉴于其码头堆场能力能够满足二期煤炭堆场的要求，对码 头不进行扩建。 1 1 2 研究意义 自从2 0 0 0 年国家计委牵头成立电力体制改革小组以来，依据国务院关于推 进和深化电力改革的要求，提出了“打破垄断、引入竞争，提高效率、降低成本， 健全电价机制、优化资源配置，促进电力发展，推进全国联网，构建政府监管下 的政企分开、公平竞争、开放有序，健康发展的电力市场体系”电力体制改革的 总体目标和“厂网分开，竞价上网”的具俸方案。2 0 0 4 年5 月1 8 日，华东电 上诲海事大学硕士学位论文 太仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 力市场正式进入模拟运行，标志着我国电力市场化改革又迈出重要一步，也是华 东电力发展史上一个重要里程碑，使得华东电力己逐步步入到良性、有序的市场 竞争中。 华能太仓发电厂作为首批被批准的发电厂也参与了华东电力市场的模拟运 行中。发电市场运营规划的核心内容一电力容量实行总体平衡、期货购销、储备 电力现货竞价等措施，促使发电系统的经营实体一发电厂越来越追求利润的最 大化，即成本的最低化。由于煤炭的成本占发电厂运营成本的8 0 8 5 ，因此， 在确保燃煤质量的前提下，如何降低煤炭的购买价格，已经成为每个发电厂重点 关注的问题。另一方面，受国际原油价格飙升的影响，国内的燃油价格也随之一 路上调，煤炭的运输价格也呈现上涨趋势，航运业的燃油成本己经从当初的占总 成本2 5 左右上升到了目前的3 5 左右，这大大增加了航运业的成本。发电厂 对运输企业在满足自己航线设置要求的前提下，如何通过优化船舶的调运和配置 方案，使整个煤炭运输的总成本最低也提出了更高的要求。运输企业只有在激烈 的运输行业中保持自己的竞争优势，不断扩大市场的占有率，才能进一步提升自 身的经济效益。这一切都已成为发电企业与运输企业急需面对解决的关键问题之 1 2 研究内容及研究方法 1 2 1 国内外研究水平及发展趋势 船舶运行组织的优化方法由传统方案法、船舶运行图法和数学规划法等。传 统方案法简便易行，长期以来被航运企业的计划部门广泛采用：船舶运行图法是 以列表计算的方式进行航线配船，通过一系列的表格计算，逐步得到一个航线配 船方案，使某个营运指标达到最优( 如航运总成本最低) 。这种方法的数学原理 与线性规划类似。如吴长忠教授的航运管理、赵刚教授的国际航运管理、 班轮航线配船模型的分析与改进、谢新连教授的船舶调度与船舶规划方法。 他们在书中都对航线配船、船舶运营与调度、船型论证、船队规划等问题建立了 大量的数学模型，提出了多种论证方法。目前国内外针对航线配船及船队规划等 优化问题大多采用运筹学里的线性规划、动态规划、多目标规划、非线性规划等 上海海事大学硕士学位论文太仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 理论来解决。 1 、线性规划方法 线性规划作为运筹学重要分支，其在理论上已趋于成熟。它简单易懂，模型 建立容易，在船队规划及航线选择上运用比较普遍。美国j o h nl e v e r e t t 等在 1 9 6 9 年针对散货运输在未来1 0 年的最佳构成做了系统研究。学者们从系统论观 点出发，构建了一个船舶规划模型，比较全面考虑了影响船舶营运的一些主要因 素，如货流、航次数、航行时间、船型参数、港口约束、投资回报率等，为大型 船队的投资提供了科学的指导。但此模型仅适用于新建船队的研究。荷兰h m ，a ， w i j s m u l l e r 等也研究开发了一个针对现有船队根据未来市场预测结果进行船舶 更新与贷款决策优化的模型。模型追求的目标是在研究期内各年营运利润现值加 上财务贷款决策的收入现值再减去各年营运所得税现值，这三项代数和总净值最 大。这个模型较好的处理了船舶更新与投资在时间上的动态关系，较全面的考虑 了影响船队发展规划的一些主要因素，如贷款问题、船舶租赁问题等。但该模型 形式复杂，且没有考虑到航线的货源预测和船舶配置问题。谢新连教授在8 0 年 代末建立的模型是在航线及其运量确定的前提下，以船队的营运与造船总费用最 小为目标函数，全面考虑了船舶运输能力和营运经济状况、船舶闲置、旧船报废 计划和薪船添置等多方面因素，将船队每年的调度计划与建设计划统一起来。通 过线性规划求得的解，即使使用混合整数线性规模模型，也只能得到一个较为满 意的局部最优解。 2 、动态规划方法 动态规划是解决多阶段决策过程最优化的一种数学方法。与其他方法相比， 它有以下优点：可以将一个1 3 维最佳化问题变为n 个一维最佳化问题，然后一 一求解，这是极值方法做不到的；它能确定出绝对( 全局) 极大或极小，而不是 相对( 局部) 的极值：在动态规划中可以要求某些或全部变量是整数，可以大大 简化计算过程。t | a j n i e h o l s o n 和r d p u l l e n 用动态规划方法来解决一个规模 逐步缩小的船队在1 0 年内的规划问题，确定缩小的船队在l o 年内的规戈0 问题， 确定出售船舶的最佳方法，使公司积累的资产现值最大。它首先确定出售船舶的 优先顺序，再使用动态规划米确定各年出售船舶的船型、数量及租入船舶数量。 但它只考虑了计划期内船队船舶的退役，只适合于准备退出航运界或尽量减少自 4 上海海事大学硕士学位论文 太仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 有船舶的大型船公司。谢新连教授提出了用线性规划与动态规划相结合的算法来 求解航线配船问题。他将问题分解为两个优化子问题：一是对给定船队和运输 任务求解年度最优航线配船计划，这可以用线性规划方法求解；二是求解各年度 船队发展的最优策略，这可以用动态规划方法。该模型不仅能求解研究期内船队 发展的最佳策略，即每年的每种船型的添置数量，而且能同时得到船队在各航线 上的最佳配船方案。 对于运筹学的问题解答，在运算规模不大的情况下，s p r e a d s h e e t 方法不失为 一种简便易行的方法。在丁以中教授的管理科学一运用s p e a d s h e e t 建模和求解 中，全面引入了s p r e a d s h e e t 方法。它提供了一种在e x c e l 背景下进行问题描述、 数据处理、模型建立与求解得有效工具，它避免了大量繁琐的数学公式，使得运 筹学的求解方法变得简明直观，易于应用。 随着人工智能技术的引入和不断发展，出现了遗传算法、蚁群算法、模拟 退火算法等新的方法以及人工神经网络和专家系统，为人们求解大规模、多目标 规划等问题提供了新的辅助手段： 1 ) 遗传算法：它是由美国m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 教授于1 9 7 5 年提出， 它通过模拟自然界遗传机制和生物进化论而成的一种并行随机搜索最优化方法， 它对于待寻优的函数基本无限制。 2 ) 蚁群算法：它由意大利学者m d o r i g o 等人提出的，指通过人工模拟蚂蚁 搜索食物的过程来求解运输优化问题，为随机搜索算法，它具有很强的寻优能 力，利用了正反馈原理，很容易与其他启发式算法相结合，以改善算法的性能； 3 ) 模拟退火算法( sa ) ：1 9 8 3 年由k i r k p a t r i c k 等提出的，s a 算法是 基于m o n t ec a r l o 迭代求解策略的一种随机寻优算法，其出发点是基于物理退 火过程与组合优化之间的相似性，s a 由某一较高初温开始，利用具有概率突跳 特性的m e t r o p o l i s 抽样策略在解空间中进行随机搜索，伴随温度的不断下降重 复抽样过程，最终得到问题的全局最优解。 1 2 2 研究内容 本文将依据电厂二期扩建后的实际情况，针对上海时代航运有限公司( 以下 简称船公司) 负责的煤炭船舶运输一段进行研究并解决以下问题： 上海海事大学硕士学位论文 太仓电厂z - 期煤炭海运配船方案研究 以电厂2 0 0 6 年的煤炭计划供货为依据，考虑船公司现有船舶类型、船舶数 量、船舶固定成本、船舶变动成本等参数，充分利用各种类型船舶在各航次上的 优势，设立2 0 0 6 年煤炭运输调运基础方案和航线配船方案，运用运筹学中的线 性规划方法优化模型对运输系统进行规划，并归纳、提炼和建立可以预测、可实 行的系统模型，合理分配货源，制定适当的货源流程，使煤炭的航运成本达到最 小，从而满足电，一煤炭运输总成本最低的要求。 1 2 3 研究思路 由于水运具有运价低、运量大、运程长等特点，在货物运输特别是大宗散货 运输方面，有着其他运输方式不能比拟的独特优势，因此在综合运输体系中占据 着重要的位置。 将不同等级、类型的船舶配置到合适的航线，称为航线配船，其主要解决多 船型在多种航线上的合理配置问题。在各条航线上合理配置相应的船舶，这对 于船队规模较大，经营航线较多的船公司，是一项是十分重要的工作。从技术上 考察，这些船舶通常都能适应各条航线的运行条件，但是由于航线营运的具体条 件和船舶的技术经济性能有所不同，所以，不同的安排f 某船安置在某航线等) 会产生不同的经济效果。航线配船的积极意义在于使船舶被安排到最合适的航 线，以保证在整体上获得更好的经济效益( 总成本最低) 。 由于不同类型的船舶放在同一航线上运营，其运营成本是不同的，同一类型 的船舶在不同的航线上运营，其运营成本也是不同的。要取得运营成本的最低， 船公司就必须通过技术经济论证的手段，充分利用现有的条件和资源，将复杂、 多因素的系统因素进行技术、经济、敏感性等综合分析，提出优化的决策方案。 本文的总体思路是：首先确定船公司在2 0 0 6 年年度内可供电厂使用的适用 船型，然后根据各种船型经过换算的船舶吨位及所有组成的航线、航线上预测的 运量，在一定的且标( 总航运成本最低) 及约束条件( 运力限制、运输量限制等) 下，对船舶进行合理分配，以选择出适合太仓发电厂运输的船舶种类及船舶数量， 以达到降低发电厂发电总成本降低的目的。具体流程详见图卜1 。 上海海事大学硬士学位论文 太仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 l 广 l竺竺兰竺 i 得到最优的配船方案 i模型的分析与检验 图卜1 总体研究思路 7 上海海事大学硕士擘位论文 太仓电厂二期煤炭海运配船方寨研究 2 太仓电厂煤炭运输的现状及存在的问题 2 1 煤炭运输概况 我国煤炭生产主要依赖“三西”( 即山西、陕西、内蒙古西部和宁夏东部) 。 我国煤炭资源禀赋和经济布局，由于煤炭供需在地区分布上很不平衡，而煤炭需 求主要集中在经济发达的沿海地区，决定了以“三西”煤炭为主的“西煤东运、南 煤北运”的煤炭运输格局，因此煤炭运输量很大。从煤炭运输矿、路、港系统和 流向分析，可以分为北、中、南三个通路，即：北通路，有大秦铁路、丰沙大铁 路、京原铁路、集通铁路和神朔铁路组成；中通路，由石太铁路和邯长铁路组成； 南通路，由太焦铁路、侯月铁路、陇海铁路、西康铁路和宁西铁路组成。相应北 方下水港口主要有7 个，即秦皇岛港、京唐港、天津港、黄骅港、青岛港、日照 港和连云港。 2 2 1 适合电厂用煤的我国煤炭主要产区分布 煤炭的资源储量，晋陕蒙“三西”地区占全国6 4 1 ，具有煤炭煤种齐全， 媒质优良，煤炭开采条件优越，产量高等优点。其中，神府东胜矿区、山西大同 矿区、兖州矿区的煤炭符合华能发电厂的锅炉设计煤种的要求。 1 、神府东胜矿区 神府东胜矿区位于内蒙吉中部包头黄河以南东胜地区，以及陕西北部的榆 林、神木和府谷地区，矿区面积为1 9 7 万平方公里，是世界七大煤田之一。矿 区地址总储量为2 0 0 亿吨，远景储量可达6 0 0 1 0 0 0 亿吨，煤种为长焰煤、不粘 煤、弱焰煤，为低灰、低硫、高挥发份、高发热值烟煤。其煤炭通过神( 木) 朔 ( 州) 铁路和朔黄( 黄骅港) 铁路，运至与之配套的黄骅港。至2 0 0 5 年三期工 程完工后，可形成总产值能力6 3 8 0 万吨年。 2 、大同矿区 山西大同矿区位于山西省北部，行政区划包括大同市及朔州市的左、右玉、 山阴、怀仁县。矿区东南口泉山，向西北倾斜，标高1 3 0 0 1 6 0 0 m ，呈东高西低 上海海事大学硕士学位论文 太仓电厂z - 期煤炭海运配船方案研究 的环山盆地地形。区内有京包、北同蒲、大秦三条铁路线相交，大秦线更为大同 矿区煤炭运抵秦皇岛港煤码头的专用线，交通方便。 3 、兖州矿区 兖州矿区位于山东省西南部济宁市境内，地处中国经济最发达的华东地区。 这里交通十分发达，铁路、公路、水路和海运条件非常便利。横跨和纵贯中国 的三条最长的铁路一京沪、京九和陇海铁路在矿区的东、西、北三个方向通过 京杭大运河、京福高速、曰荷高速公路、1 0 4 国道在公司所在地交汇和延伸。 出口煤炭和向华东、华南沿海地区转运煤炭的三大港口分别为日照港、青岛港、 连云港，矿区东距中国第二大煤炭港口一日照港3 1 6 公里，至连云港有3 6 4 公 里，至青岛港也只有5 6 3 公里。 2 2 2 适合电厂用煤的我国煤炭主要下水港口现状 山西、陕西、内蒙古西部等“三西”煤炭经北方七港下水运往华东、华南地 区的占“三西”煤炭调运总量的6 0 ，作为煤炭南运的主要下水港秦皇岛、天津、 青岛、日照、连云港、黄骅和京唐港，其下水港煤炭专用码头装船能力大都接近 饱和，个别港口在超负荷运转，主要是通过加强运输组织、挤占非专业化泊位能 力、牺牲船舶运力等非正常手段实现运输的，面对持续增长的煤炭需求，港口煤 炭装船能力也日趋紧张。北方煤炭装船港在整个煤炭运输中具有举足轻重的地 位。 1 、青岛港 青岛港位于山东半岛胶州湾醉，濒临黄海，与日本和朝鲜半岛隔海相望，港深 域阔，不淤不冻，地理位置和自然条件都十分优越，是我国沿黄流域和环太平洋西 岸重要的国际贸易口岸和中转枢纽港。铁路运输通过胶济线和胶黄线与石太、京 广、京九等铁路大动脉相联。青岛港是中国重要的煤炭出口基地之一，拥有煤 炭专用泊位2 个可进行5 0 0 0 吨到1 0 万吨级煤炭船舶作业，年通过能力在1 5 0 0 万吨以上。拥有国际一流的现代化煤炭专用码头和全套先进的自动化的翻车装船 系统，翻车效率为每小时1 2 0 节7 6 0 0 吨、装船效率为每小时9 0 0 0 吨。 2 、黄骅港 黄骅港位于沧州市东部漳卫新河与宣惠河交汇入海处，距天津港6 0 海里， 上海海事大学须圭学位论文太仑电厂二靳艨美海运配龉方案研究 距l u 东龙口港1 4 9 海里。到2 0 0 4 年，黄骅港一次建成4 个可停靠3 5 万吨级船 舶的深水泊位( 其中一个预留5 万吨级) ，采用先进、高效的机械设备，进行煤 炭卸车、堆取和装船作业，年装船能力为3 0 0 0 万吨，二期达6 0 0 0 万吨，远期达 l 亿吨。作为神华三期工程与朔黄铁路配套的黄骅港是我国目前港口建设中一次 性投资最多、工程规模最大的项目，其中从山西朔卅l 到黄骅港的双线电气化铁路 一朔黄铁路，全长5 9 9 公里为双线电气化铁路。 3 、天津港 天津港位于天津市塘沽区、海河入海口处，地处渤海西部海岸中心位置，距 天津市区6 0 余公里，是我国最大的人工港，有煤炭泊位4 个。天津港位于海河 入海口，处于京津城市带和环渤海经济圈的交汇点上，是环渤海中与华北、西北 等内陆地区距离最短的港口。煤炭是进出天津港的主要货物之一，二o o 四年， 天津港货物吞吐量已超过两亿吨，其中煤炭吞吐量七千五百多万吨。 4 、唐山港( 京唐港) 京唐港位于唐山市东南8 0 公里处的唐山海港开发区境内，天津港和秦皇岛 港之间，水路距天津港7 0 海里，距秦皇岛港6 4 海里，渤海湾北岸。京唐港水深 岸陡，距岸4 ，8 公里，水深可达一1 0 米。全年港池、航道不封冻。各种功能的1 5 - - 5 0 万吨级治位1 6 个，综合遥过能力2 5 0 0 爻琏以上，最大通航魅力可乘潮进 出7 万吨船舶 5 、连云港 连云港港地处亚欧大陆桥的东端，是我国西北、中原地区最经济便捷的出海 口，目前己成为初具规模的、散杂货并重，以外贸为主的综合性港口。连云港 港水域为东西连岛和大陆云台山之间的海峡，总面积2 9 7 平方公里。港口陆域 面积2 1 平方公里，其中填海造陆1 4 平方公里。水域面积1 平方公里，自然岸 线长1 2 0 0 米，码头生产岸线1 9 1 1 米，有泊位2 7 个，年设计吞吐能力近3 0 0 0 万 吨。 6 、秦皇岛港 秦皇岛港是国家级主枢纽港，世界上最大的煤炭输出港之一，也是中国对外 贸易的综合性大港，担负着我国北煤南运的重要任务，年输出煤炭量占全国沿海 下水煤炭总量的4 0 左右。秦皇岛港拥有目前全国最大的自动化煤炭装卸码头 1 0 上海海事大学硕士学位论文 太仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 和设备先进的原油、杂货与集装箱码头，生产性码头总长度为6 6 9 4 米，设计年 吞吐量超亿吨。秦皇岛港自然条件优越，不冻、不淤、水深、浪小。全港拥有 5 1 个泊位，其中，2 万一1 0 万吨级煤炭泊位1 0 个，港区陆域面积8 5 6 平方 公里，水域面积1 1 5 2 平方公里，航道水深1 6 5 米，最大靠泊能力l o 万吨级。 拥有先进的装卸机械，自营铁路，港口作业船舶等，有四条铁路干线直达港口。 2 2 太仓电厂的码头概况及煤炭运输的需求 2 2 1 太仓电厂的码头概况 华能太仓电厂码头工程位于江苏省太仓市境内，长江下游南岸的鹿呜泾河口 下游约1 公里附近，地处长江流域与东部沿海的交汇点。地理经纬度为： 1 2 1 。1 2 e 3 1 。3 9 n 。 电厂于1 9 9 7 年6 月1 9 日成立，是中国和新加坡两国政府合作开发建设的 苏州工业园的基础设施配套专案，现在由华能国际电力股份有限公司控股7 5 。 该厂一期工程建成两台3 0 万千瓦机组，1 9 9 8 年5 月，一期工程正式开工，1 9 9 9 年1 2 月和2 0 0 0 年4 月，# 1 、# 2 机组分别投入商业运营。 其一期工程在长江中设煤码头一座，相当于4 万吨级泊位一个，设计代表船 型为相当于4 万吨浅吃水肥大型散货船，卸船机2 台，卸船能力为1 2 5 0 t h ，码 头前沿水深一l1 米，码头距长江大堤约1 0 7 0 米。在煤码头上游2 0 0 米外设置重件 及燃油码头，1 0 0 0 吨泊位1 个，码头前沿水深一5 米，用于施工期间的重件设备运 输和生产期问的燃油运输。龟厂煤场总贮煤量为2 6 万吨，其堆场艟力能够满足 二期扩建后煤炭堆场的要求。 2 2 2 电厂煤炭运输的现状 电厂一期装机容量为两台3 0 万千瓦燃煤发电机缉，其设 十煤源由神府东胜 煤和内蒙古万利煤矿供给，需经铁路运输至港e 3 ，转船舶运输进长江直达电厂专 用码头，整个煤炭运输为铁海江直运。其中内蒙古万利煤炭经万利煤矿专用线或 集运至包头枢纽，经大包铁路到达大同枢纽，经大秦铁路到达秦皂舭转海江 直运至电厂煤码头，此通路全程2 4 6 2 公里，其中铁路里程为1 1 8 7 公里。东胜矿 上海海事大学硕士学位论文 太仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 区煤炭经包神铁路南下至神木北，经神朔铁路至神池，转朔黄铁路至黄骅港，再 转船舶运输至电厂煤码头，该通路全程为1 9 4 2 公里，其中铁路里程为8 3 3 公里。 目前，其中海江这段航运运输由船公司负责，由其将煤炭分别从秦皇岛港、黄 骅港，南下运至电厂专用码头。具体线路如下图2 - l 所示： 图2 1 电厂煤炭运输通路示意图 1 2 上海海事大学硕士学位论文太仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 二期2 x 6 0 0 m w 机组燃用的煤源与一期一致，其计划煤炭的整个运输路线也 与一期相同。由于电厂所处的水域水深条件良好，已建有相当于4 万吨级经济型 散货船1 泊位的卸煤专用码头1 座，；4 万吨级散货船可乘高潮进入长江口，运 输船舶可沿自茆沙南水道江浮直接驶入港池岸泊作业。因此，电厂二期机组建造 时不对码头进行扩建。 2 2 3 电厂二期对煤炭运输预计需求量 根据国家电力公司西北电力设计院的苏州工业园区华能发电，。二期 ( 2 x 6 0 0 m w ) 工程可行性研究报告，电厂二期锅炉燃煤量的预计量如下表2 - 1 ： 表2 1 电厂二期锅炉燃煤量( 设计) 设计媒质校核煤质一校核煤质二 项目单位 一台炉 两台炉一台炉 两台炉一台炉 两台炉 每小时燃煤量吨时 2 3 8 04 7 6 02 5 7 05 1 4 12 6 7 55 3 5 o 每臼燃煤量吨日 4 7 5 9 6 9 5 1 9 2 5 1 4 0 71 0 2 8 1 35 3 5 0 51 0 7 0 2 每年燃煤量万吨年1 3 0 92 6 1 7 81 4 1 42 8 2 7 41 4 7 12 9 4 2 说明：锅炉燃煤量的设计原n - a 、锅炉年运行小时数按5 5 0 0 小时计算 b 、锅炉日运行小时数按2 0 小时计算； c 、小时燃煤量按锅炉m c r 工况计算。 2 3 上海时代航运有限公司现状及存在问题 2 3 1 上海时代航运有限公司 上海时代航运有限公司是由中国华能集团公司控股的华能国际电力开发公 司与中国海运( 集团) 总公司各出资5 0 组建的航运公司。该公司主要为华能国 际电力开发公司下属沿海电厂的生产用煤炭提供安全、优质、经济高校的运输保 障体系，地域涉及大连、福州、南通、上海、营口、汕头、丹东、威海、太仓、 长兴、海口等地的发电厂。主要负责将煤炭从北方的海港码头，如秦皇岛、京唐、 天津、烟台、青岛、1 照、连云港、大连、营门、锦州等，运抵南方的各发电厂 上海海事大学硕士学位论文太仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 专用码头，如南通、上海、南京、太仓、福州、汕头、广州、北港等。 该公司现拥有各类船型共8 艘( 见下表2 2 ) ，其中包括了“天龙星”和“海 王星”两艘国内最大、最先进的3 5 万吨级的自卸船。这些船只既可以在近海从 事较长距离的运输，也可进入长江内运输。随着华能国际电力丌发公司投资建设 发电厂的机组容量的不断扩大，各个发电厂对煤炭运输量的要求也日趋提高。要 合理、经济地完成这样规模的运输，有效地组织好适当的船队，优化航线的设置， 将是极其重要的。 表2 - 2 船公司船型数据 船型 自卸船自卸船散货船散货船 散货船散货船 性能指标 数量( 艘) 112l12 主机功率( h p ) 6 1 3 06 1 3 06 9 9 04 7 5 56 7 2 06 7 2 0 运载量( 吨) 2 7 5 0 03 2 5 0 04 1 5 0 02 2 5 0 02 7 5 0 03 6 0 0 0 型长( 米) 1 7 51 8 6 61 8 91 6 01 7 4 81 8 7 型宽( 米) 2 7 8 2 9 3 02 4 4 2 7 53 2 型深( 米) 1 5 21 61 61 3 6 1 4 ，2 1 5 4 2 3 2 船公司所面临的运力使用问题 煤炭属于大宗工业物资的运输，由于同一货主的需求量大且稳定，航线基 本固定，货主可以利用自有船舶或与船东签订长期运输合同由同一船队在给定的 装卸港口之间往返运输。由于船公司是运输劳务供给的一方，船舶又是投资大、 营运成本高、使用期长、见效慢的运输工具，所以船公司在日常的经营中需对船 舶运输组织作系统的分析研究，对有限的资源作最优化的配置和整合，才能在激 烈的竞争中立于不败之地。 目前船公司面临航线配船和船舶调度不科学的问题：航线配船应该视启运 港和目的港的货物流量、流向和吞吐能力，结合价格因素予以综合分析，合理规 上海海事大学硕士学位论文 太仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 划方能寻求最优解。但由于发电厂发电计划的变动将引起煤炭供应量的变动，要 求及时根据实际情况予以调整和重新规划。船舶调度系统往往采用经验法处理， 但事实表明：受多种因素，特别是一些不确定因素的影响，经验法很难给出令人 满意的答案，而船舶运营的专业性和竞争性，决定了船舶规划和船舶调度必须合 理、科学，并根据实际情况及时统筹、调整，才能真正达到经济性的运营。 上海海事太学硕士学位论文太仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 3 线性规划法的理论及其s p r e a d s h e e t 解法 3 1 线性规划法的基本理论与概念 3 1 1 线性规划法的基本理论 线性规划法是在满足一组线性约束和变量非负的限制条件下，求解多变量 线性函数的最优值( 求最大值或最小值) 。 线性规划问题的一般数学模型为： m a x ( m i n ) z = c 1 x 1 + c 2 x2 + c3 x3 + + c n x n ( 3 - 1 ) s t a i ix i + a 1 2x2 + t+ a l 。x 。 b a2 1x l + a2 2x2 + -+ a2 。x 。 b2 a 。1 x l + a m2 x2 + + a 枷x 。 b m ( 3 2 ) x1 ，工2 ，x 一0 ( 3 - 3 ) 其中式( 3 1 ) 为目标函数，或实现最大化，或实现最小化。式( 3 2 ) 称为 约束条件，它可以是或的不等式，也可以是严格的等式，式( 3 - 3 ) 称为非 负约束条件，它既是通常实际问题中对决策变量的要求，又是用单纯形法求解过 程中的需要。有时也将线性规划问题称为l p ( l i n e a r p r o g r a m m i n g ) 问题。 具体特征为： ( 1 ) 每个问题都有一组未知变量一称为决策变量，一般记为x l , x z ，这组未知 数的一组特定值代表了一个具体方案。通常要求这些决策变量取值非负。 ( 2 ) 每个问题中都有决策变量需要满足的一组约束条件线性的等式或不等式。 ( 3 ) 都有一个追求的目标，并且这个函数可表示为一组未知数的线性函数( 称 为目标函数) 。根据研究问题的性质，要求目标函数实现最大化或最小化。 ( 4 ) 若可行域有界，目标函数一定能在其可行域的顶点上达到最大或最小值。 上海海事大学硕士学位论文太仓电厂二期煤炭海运配船方案研究 线性整数规划( i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ，简称i p ) 是要求部分或全 部变量必须为整数的线性规划。这时，应该在原来的线性规划模型中添加“决策 变量为整数”的约束条件。 线性整数规划可以分为纯整数规划与混合整数规划。纯整数规划是要求所 有变量必须为整数的线性规划；混合整数规划是要求部分变量必须为整数的线性 规划。 整数规划与一般规划相比，其可行解不是连续的，而是离散的。 3 1 2 线性规划法的灵敏性分析 在上述的模型中，我们通常将a 。、g 、等均看成是常数，但实际上 这些数据有些是统计数据、有的是测量值、有的是专家评估得到的数据，并非是 绝对精确的，且往往不是绝对不变的。因此有必要来分析一下这些数据发生波动 时，对目前的最优解与最优值会产生什么样的影响? 这就是灵敏度分析。灵敏度 分析分为： ( 1 ) 目标函数中的系数变化对最优解与最优目标值的影响，以及目标函数 中的系数改变多少，方可使最优解发生变化。 ( 2 ) 约束条件右边的变化量对最优解与目标值的影响。 ( 3 ) 新增加一个新变量对原最优解的影响：在建立实际问题的数学规划模 型时，可能漏掉了一些内容，或只考虑了主要内容而忽略了次要内容，在得到最 优解后，再追加这些次要内容，再讨论新变量对原最优解的影响。 ( 4 ) 追加新的约束条件的影响：当原问题求出最优解后，要追加一个新的 约束条件后，可能对原问题的最优解没有影响，也有可能需要重新求解新问题的 最优解。 由于整数规划与一般线性规划存在着本质的区别，例如：( 1 ) 在可行解问题 上，一般线性规划的可行解的集合是一个凸集，如果任意选取凸集众的两个点作 为两个可行解，则这两个点的连线一h 的任一个内垫必定也是一个可行解，相对于 整数规划来说，可行解不具有这样的性质；(