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中国煤炭流通的空间分析
毛敦囯amp;李志
中国能源经济研究中心（CCEER）福建经济学校,厦门大学,中国(大陆)361005
突出了
我们用线性规划来研究中国煤炭运输。
首先,分析现有条件下最优煤流。
其次,分析煤炭供应区转移到内蒙和新疆的影响。
第三,分析使用长江煤炭运输的影响。
最后,我们给的建议对中国长期基础设施建设来保证煤炭供应安全。
文章信息
文章历史:2011年8月29日收到网上接受2012年5月16日2012年6月12日
关键词:
煤炭运输
线性规划
运输成本
摘要
中国能源结构的特点和其煤炭资源的分布使煤炭运输成为整个能源系统中一个非常重要的组成部分，此外，煤炭运输成为了中国经济的瓶颈。为保证煤炭供应的安全性,中国已经在一些地方区域建立了煤炭战略储备,但是交通仍是保证煤炭供应安全的基本方法。在这里,我们将用线性规划方法研究中国煤炭运输，在保证每个省的供给和需求平衡的前提下定量分析中国煤炭的方向和体积流量。首先,考虑到大秦铁路对中国煤炭流通瓶颈效应，我们先分析煤炭供应需求的最优运输现状;第二,我们分析煤炭供应地区未来变化的影响，发现中国的煤炭流也将随之改变，这将迫使中国去建设铁路和港口；最后，我们分析利用长江能力进行煤炭运输的可能性。
1-介绍管理煤炭运输在中国能源供应中的重要性
中国能源资源情况，“丰富的煤炭,可怜的石油,缺乏天然气”,意味着煤炭在一次能源消费上占了很大的比例，在2009年达到70.4%。中国在2007年通过了可再生能源中长期发展规划，并宣称在2020年前可再生能源将占据主要能源消耗的15%，但考虑到中国庞大的能源消耗基数,到2020年煤炭消耗的总量仍将上升到约40到50亿吨。煤炭资源分布地区不均衡，中国的煤炭资源主要位于在北方和西北地区。根据国土资源部的数据(2008),五个省份,内蒙、山西、新疆、陕西、贵州、可采煤炭储量1.0148万亿吨,占国家储备总额的81.4%,而这五个省份的煤炭生产总量为15.7亿吨，占国家生产总量的56%。主要有五个沿海省份包括山东、江苏、河北、广东和浙江煤炭总供应缺口为8亿吨。这缺口主要通过从西北地区运输来填补。煤炭运输是煤炭产业链的重要部分, 这对中国经济有深远的影响:在2008年煤炭运输占中国铁路大宗商品运输的49% ，由于铁路运输能力的限制，还有大量的煤是由卡车运输,这显然会导致更严重的交通拥堵和交通事故问题。如果配煤不能被及时运输,在中国东南的一些地区将受到限电。在2011年夏天中国长江三角地区遭受电力短缺,这主要是由于北方煤炭运输能力不足造成的。煤炭运输已经成为中国经济的瓶颈。
有三个原因会使未来的情况将会更糟:首先,煤炭运输总吨位的增加速度高于中国的煤炭消耗总量。例如,2000年,国家跨省区煤炭总运输3.56亿吨, 然而在2009年,山西单独向其他省份运送3.3亿吨。其次,中国只能依赖于国内市场的煤炭供应,因为不管供应或交通方面,没有一个东亚国家能满足中国以两位数的速度增长煤炭需求。 第三,中国铁路煤炭运输能力不足致使公路必须分担一部分的运输,导致进一步的交通拥堵问题。长期以来,现代环境中煤炭超广义运输的能源研究、管理政策和交通规划一直被激励。然而却很少将理论预测研究作为长期规划。
2。煤炭运输研究
运输规划模型可以分为商品的基础模型和运输的基础模型(Holguin-Veras and Thorson,2000)。商品模型估计每个生产地区的货运吞吐量和预算生产地和目的地之间流动量;煤炭运输就是属于这种模型。
线性规划方法被广泛应用于煤炭运输研究。在1976年美国联邦能源局通过线性规划算法开发了国家煤炭模型,现已成功地广泛应用。在1981年Chang建立了一个以效率为标准根据地区之间的需求分配资源的二级的综合性铁路网络模型。1984年Bielli构造 一个以最大化约束条件的铁路网络区域线性模型分析意大利两阶段煤炭运输的情况。1992年Batterham开发一个混合整数线性编程模型来研究新南威尔士州的煤炭运输情况，模型通过评估公路和铁路选择的运输路线来确定出最优的选项、最优的模态与社会成本最小配置。
最低成本煤炭运输方式是最有效的。1984年Elmes提出空间与经济的变动会引起很多争议,很多能源模型不够重视空间因素对空间分配燃料的影响，从而对区域供应和需求的预测产生偏差。1991年Ash and Waters调查在加拿大的煤炭流通。加拿大需要从西部3000公里之外的矿山运输煤炭到东部的发电厂。在最终销售价格中运输成本占超过60%,这就导致了运输组织在运输过程中特别的重要。2010年Satar and Peoples使用广义成本成本函数来测试市场价格对煤炭托运全方位运输服务的实现效率。研究结果表明,当配置效率与满足市场价格时，托运人有权使用所有的运输方式,但条件效率不满足时，托运人的模型选择是有限的，只能选汽车运输和铁路服务。
中国煤炭运输问题已经被关注。自1990年起,中国的煤炭消耗量开始快速增加。1994年Todd and Zhang 指出,中国煤炭的生产地和消费地是地理上不同的区域, 然而够缺乏足够的铁路和沿海航运，这让中国付出了高昂的代价。他们解释为中国北方的港口提供铁路和沿海航运和伴随的铁路连接是中国努力的核心。1995年,世界银行和中国国家计划委员会开发了一个决策支持系统——煤炭运输研究模型，用来计划中国的煤炭和电力输送系统。使用这个模型后 ,1995年Kuby注意到交通瓶颈和其他问题将威胁中国国民生产总值的增长。. Todd解释说,中国经济发展的差距是能源供给和需求不匹配的原因,但是煤炭生产商省份山西可以改善，差距通过出口煤炭来填补。1997年Todd and Jin强调中国需要在铁路网络上投资更多以增加线路和扩大现有的能力。
以上这些研究对中国的煤炭运输给出了很好的解释,但是他们低估了中国的煤炭消耗量的增长速度。随后中国的经历证明了瓶颈效应的严重性。2003年之后, 学者们广泛研究了国内的煤炭运输问题。2005年胡锦涛当中国从蒙古南部使用煤炭时发现铁路瓶颈,2007年赵昱结合中国的煤炭资源的分布情况分析了煤炭的道路,铁路和水路运输,强调长远来看,应该引入煤炭的大规模管道运输。然而,2009年牟敦国指出,在中国煤炭的管道运输面临着太多的困难,而大多数是与政策有关的困难。2008年cheng研究中国的省级煤炭流通和推动力量，强调完美的交通可以促进煤炭区域流动。2008年李东伟指出，鉴于长距离运输和自然灾害打断煤炭运输的可能性，建议中国构建煤炭战略储备。2010年刘静青指出，基于中国铁路煤炭运输网络的空间结构，建议发展备用煤炭供应以防山西、陕西和内蒙西部煤炭运输动脉堵塞。
所有这些研究让读者很好地了解中国的煤炭运输情况,然而,有两个不足之处。首先,早期中国政府和外国学者做的研究由低估中国经济和煤炭消耗的增长速度。自1990年代中期以来,国家煤炭消费总量增加了一倍多,东部省份的煤炭生产面临的困难增加,主要的煤炭生产地区转向西方，使煤炭运输情况更复杂，其次最近的研究方向，叙事性的解释比预测性的研究多得多，不是解释未来会发生什么情况。
本文用线性规划方法研究中国的煤炭流通方向和流量,并进一步考虑未来煤炭供应地区的变化和对煤炭交通动脉的影响。并得出对中国煤炭运输管理和选择煤炭战略储备的位置有用的结论。
3.研究途径和方法
在这项研究中,我们用线性规划来研究中国的煤炭，首先交通，选择是基于两个能源经济原则: (1)煤炭需求是刚性的,因此,供应必须被动地满足的需求；(2)除了紧急情况，如股票疲惫和交通中断,煤流的路线的关键决定因素是总运输成本，我们必须选择最小化运输成本的方
其次,本文以铁路运输能力的考虑。在现实中,在每一个阶段的运输过程都有约束，中国的铁路铁路能力最大和最重要的一条——南北航线，几乎完全被大宗商品和乘客占据。只有京九铁路有一些闲置产能分配给煤炭运输；然而煤炭运输到南方不能依赖这条铁路有两个原因：首先,这些闲置产能是断断续续的和定期的;第二,2010年京九铁路电气化改造后的一年,只是加强几百万吨煤炭运输能力,与中国南方的需求总煤炭相比可以忽略不计。至于西航线切需要扩大产能,例如,大秦铁路,最初设计运输5000万吨每年,2010年她提高至4.5亿吨。尽管如此,仍然不能满足煤炭运输的需求。在中国北方,煤炭运输取决于三个渠道: 北通道渤海区域,中间通道青岛,南通道日照连云港。北通道是关键，包含三条铁路:大秦铁路,朔黄铁路和鄂尔多斯唐山铁路(正在建设)的三分之一。2008年前，朔黄铁路运输容量相对较小,大约只有500万吨，2008年10月,从那时起增加朔黄铁路更新以适应重型运输火车和提升运输能力;目前,一年一度的运输产能约为1.6亿吨。
第三,主要煤炭供应区正向西北转移，这在研究中很少被提及。一些省份已经开始减少煤炭的产能和传统的原煤的供应，而增长的煤炭需求必须通过北方和西部的煤炭资源来满足。北方主要是内蒙，进口煤炭从蒙古和俄罗斯等亚洲地区。西部主要包括陕西、宁夏、甘肃和进一步的西部新疆，在中国新疆有着特殊的地位煤炭供应,因为根据地质勘探数据在2009年,预计新疆煤炭储量达2.2万亿吨,约占中国总储备的40%.
第四,我们必须长江考虑进去煤炭运输宏系统，因为在中国大宗商品上运输长江有伟大的意义。三峡工程使5000吨货的物重庆和上海之间运输,因此长江和附近的沿海运输路线形成一个巨大的“T”形水路运输，系统集成了中国不同的当地市场。如果中国 可以使用长江进行大规模煤炭运输,那么它将改变中国从北到南的煤炭运输。
3.1。模型
我们排除了利用公路运输煤炭的方法,因为这种方法不适用于煤炭的长途运输,虽然被广泛应用的铁路运输在实践中由于能力的限制，在建模过程中,我们的目标是最小化总煤炭运输成本。保障供应量和需求量之间的平衡,我们有以下限制:
4.中国煤炭运输的最优路径选择
分析现状条件下的煤流，煤炭运输没有约束。首先,我们不考虑铁路、港口、货运船等的能力约束,并假设所有跨省区煤炭运输都是由铁路和货船执行，没有卡车。当供给和需求之间保持平衡，在各省最低煤炭运输成本为目的。(1)所示,得到各省份间最优煤炭铁路和货船运输吨位。没有铁路和港口装载容量约束、渤海湾(包括秦皇岛、天津的港口)是最有效的地区对中国的煤炭通过。总煤炭运输吨位是2.98亿吨天津和河北的2.57亿吨。在我们的分析中,秦皇岛港口代表河北省,但是渤海湾港口和所有的煤 炭通过这个区域分布的最近的港口之一。
相比中国的2009年鉴中国交通与通信的数据，如表3所示，卡车在短距离煤炭运输中发挥关键的作用。表3中的数据，不能非常精确地解释附近省份之间的煤炭运输,但是,大多数数据误差大约20%间,可以用来解释由卡车运输的煤炭流量。
在表3，应该注意两个省份:河南、甘肃。他们都是输煤炭“出去”的省份,他们也接受来自其他省份的煤炭运输,这意味着河南和甘肃是煤炭通过区域的中心。甘肃收集在中国西北所有的剩余煤炭产能， 并传输到在中国东部江苏,这煤炭运输经过陕西西安 。陕西煤炭装运的两个方向,向南湖北和向东河南。这意味着所有在中国西北生产的煤炭必须通过西安。
从表3和表4我们可以看到,沿海省份煤炭的需求主要是由山西和内蒙生产,这些煤是通过渤海湾港口进行货船运输,只有山东的铁路运输需求是完全满足的,而江苏和上海的铁路运输则是部分满足。至于长江中部的省份,他们的煤炭需求主要是由陕西和贵州生产的。
4.1.2大秦铁路煤炭运输能力约束
在我们的分析中我们假设大秦铁路2008年的煤炭总运输能力为4亿吨，在河北和天津在编程模型时使其作为一个约束煤炭总量的条件。根据这个约束条件，煤流如表5中的数据显示， 煤流的方向变化很大,很多最初通过河北和天津的煤炭货船的路线变更至山东,甚至一些从内蒙煤炭也由到山东装上货船。中原地区的煤流的方向也有所改变。特别是,陕西的煤流方向变化从东向南到湖北、湖北和江西,湖南使用一些经过到湖北的煤炭来代替从中国西南运来的,西南地区通过广西港口更多的煤炭。按照铁路煤炭运输的变化,海上煤炭运输也有一些变化(见表6)。煤炭从渤海湾航运减少是由于大秦铁路的能力扩大,一部分煤是转至山东装船到南部省份。煤炭流通从陕西向一些煤炭生产有压力的省份运输像贵州、四川和广西，而广东用自渤海的流动海湾地区的煤流来代替这些。
因为所有这些变化煤炭运输成本显示了增加2.02%约25亿元人民币如eq（1）所示,这将是中国的净成本经济。在操作层面,当煤炭商人用贿赂抢夺有限的铁路能力,用卡车煤炭运输将增加成本从而导致更高的运输价格,而这些费用将转嫁由最终用户承担。
4.2。煤炭供应区域的转变的影响
为研究煤炭供应转变的影响,我们假设每个省的煤炭运输净利润增加的差距为10%。除了省内的煤炭运输被研究,保持稳定的生产水平和需求增加的生产是完全满足的省份也被研究。目前,内蒙被定为直接煤炭供应备用省和新疆受制于其长运输距离(从乌鲁木齐到上海4100公里) 和可怜的铁路基础设施,短期之内,其煤炭不能被输送到东部。然而,从长远来看,新疆将像内蒙一样成为主要的煤炭供应的省份。为了实现这个目标，目前中国政府已经开始采取措施利用新疆的煤炭资源,主要是通过煤化学行业。
首先,我们分析煤流变化当内蒙是唯一煤炭需求增加煤炭供应商会议。结果是表7所示的，我们假设因为基础设施
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