Application of Simulation Technique in Design of Phase 3 Coal Terminal at Huanghua Port
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摘要: 为满足国家对环境保护的高要求，在黄骅港煤码头三期工程的设计中，一航院提出了采用密封性能较佳的筒仓替代露天式煤堆场的设计方案。由于在煤码头中大规模的采用筒仓群在国内外尚属首次，有许多技术问题需要研究。本文结合该工程的实例，介绍了如何应用计算机模拟模型合理确定筒仓规模，并就在该码头采用旋转式装船机兼顾两侧装船泊位的设计方案是否可行进行了研究。Abstract: To meet the stringent national requirement for protection of environment, FHC has proposed a design of silo with better enclosing feature instead of exposed coal stockyard forsthe Phase 3 Coal Terminal at Huanghua Port. As it is the first time to use silos on large scale in coal terminals of China, many technical issues need to be solved by researches and studies. The present paper introduced the determination of silo size by using computer simulation model, by giving practical examples in the engineering practice. The paper has also discussed design study of slewing ship loader for loading vessels at both sides of the coal berth.
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Keywords:
- Computer Simulation /
- Design of Coal Terminal /
- Rational Size of Silo
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1. 概述
黄骅港位于河北省沧州市以东约90km的渤海之滨，是为适应神华集团煤炭下水外运的需要，与神华铁路配套建设的煤炭转运港口，是我国西煤东运的第二通道出海口。目前黄骅港已建成7个煤炭出口专用泊位，形成煤炭出口能力7000万吨/年。随着我国经济的快速增长和人民生活水平的不断提高以及城市化进程的加快，对能源消费的需求进一步加大，该港现有码头的通过能力已远远不能满足神华集团煤炭外运的需要，为此目前正在进行煤码头三期工程的建设。由于近年来，国家对煤码头建设在“环保”方面提出了比较的高要求，因此，用筒仓来替代传统的露天堆场已成为一种选择。但是在煤炭码头中大规模的采用筒仓群目前在国内外均还没有工程先例，许多技术问题尚待研究，作为关键问题之一，筒仓群的合理仓容是要研究的问题。另外，考虑到装船机利用率比较低，设计人员提出结合四期工程的码头建设，形成两侧靠船的码头方式且在码头上只配4台旋转式装船机的设计方案，见图 1。
那么，在该设计方案条件下，泊位、装船机的利用及船等装船机的情况，需要给投资方一个回答。
2. 模拟模型元素及参数
由于模拟模型是用于设计决策，所以模型中应包括实际码头装卸系统中的各个环节，对每一实体的属性及活动状态有确切的定义，与此同时，还要适当确定系统模型的边界，以避免模型过于庞大和复杂。为了方便设计方案的比较分析，构造模型时应将一些重要的设计参数设计为模型的输入参数形式。图 2为黄骅港煤码头三期工程装卸系统流程简图。
2.1 运量、煤种及其比例
三期码头设计的年通过能力为5000万吨，考虑到筒仓方案比较适合周转量大、周转效率快且质量稳定的煤种，所以黄骅港生产部门在对2007年以来各月进港煤统计分析的基础上，从目前码头营运的13种煤中选出7种煤，再加上新成立的榆神公司生产的“神优4号”，共计8种煤作为三期的主营品种。详见表 1。
表 1 码头三期主营品种煤煤种号 煤种名 比例(%) 1 高热石碳 6.0 2 神混1号 10.0 3 神混2号 30.0 4 神混3号 11.0 5 神优2号 14.0 6 神优3号 14.0 7 中热石碳 7.0 8 神优4号 9.0 参照统计中实际能实现的煤种配比关系，模型制定了10种装船方案，见表 2。
表 2 装船方案表装船方案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 煤种号 2 3 4 5 6 8 5+2 3+2 3+7 4+1 配煤比例 4:1 1:1 1:1 6:4 2.2 船型及其比例
考虑到三期泊位条件比较好，所以，在生产组织上，应为三期码头调配比较大的船型。所以模拟采用的计算船型为20 000、35 000、50 000、70 000及100 000t级，各吨级船舶到港艘次比例见表 3。
表 3 各吨级船舶到港艘次比例表船舶吨级(t) 20 000 35 000 50 000 70 000 100 000 艘次比例(%) 23.73 23.73 25.42 15.26 11.86 2.3 船舶到港规律
针对黄骅港煤船到港的统计资料，以每天到港的船舶艘数作为随机变量的统计分析及χ2检验(见图 3)可以认为服从Poisson分布，其分布函数为：
$ {P_n}\left( t \right) = \frac{{{{\left( {\lambda t} \right)}^n}}}{n}{e^{-\lambda t}}\;\;n = 0., 1, 2 \cdots $
式中λ为单位时间t内平均到港船舶数。
2.4 码头设施
三期工程拟建4个泊位，在结构上予留4期工程的4个泊位并安排在码头的另一侧。配备4台能力为8 000t/h的装船机。
2.5 列车
专用运煤列车，每列100节车厢，每节车厢载煤80t。为了便于分析，模型中未对港站车场停车能力及专用车皮的数量加以限制。
2.6 翻车机
设置2台4翻的翻车机，设计能力为27翻/h。
2.7 堆场
堆场堆存采用筒仓方案，设置4排筒仓，单仓仓容为30 000吨。为了研究合理的筒仓总仓容，变化每线设置筒仓的个数形成多组模拟试验。
3. 模拟模型
完成模型元素的分析之后是构造所要研究系统的概念模型，这个模型要正确表现模型元素之间的数量关系和逻辑关系。随后的工作是概念模型向模拟模型的转化，使其能够在计算机上较真实地演示码头运转的动态过程。正是借助于现代计算机的计算速度，人们利用模拟模型可以在很短的时间内模拟码头几十年的运转过程并记录下各项反映码头运转性能的技术经济指标。此次模拟模型转化所采用的是从美国Wolverine Software Corporation引进的模拟专用语言GPSS/H (General Purposes Simulation System)和Proof Animation。GPSS/H和Proof Animation是国际著名的模拟语言, 在美国及欧洲拥有非常广泛的用户。
4. 模拟结果及分析
为了研究合理的筒仓总仓容，针对每线设置筒仓个数分别为7、8、9、10和11个的情况，进行了5组模拟试验。当筒仓群达到一定规模后，筒仓仓容的变化主要是对卸车系统作业产生影响，不同仓容对列车的影响，见图 4。
从试验结果来看，当总仓容为84万t时，列车的平均在港停时为3.25h/列，随着筒仓总仓容的增加，列车在港的平均停时及平均排队长度也相应有所减少，当总仓容达到108万t以上时，列车在港停时及排队长度的减少已趋平缓，即再增大仓容对卸车系统的影响相对较小。考虑到筒仓基建费用非常昂贵以及今后在码头营运过程中科学管理的积极因素，32个筒仓，总仓容96万t是比较合理的。投资方认为：路、港、矿同属神华集团，方便调整列车的到港计划，使其能与到港船舶保持较好的平衡关系，即使偶然发生严重压车的状况，亦可通过二期工程的堆场进行调节，所以决定三期工程只建24个筒仓。
关于码头两侧靠船的问题，由于船舶到港的随机性，泊位上出现全部停满船的概率非常低。停在泊位上的船还要进行开工准备、结束、公估、联检等大约4-5小时辅助作业。在此期间，装船机无需工作。另外，由统计资料可知，约占总船数24%的船，由于设备老化等原因不能及时排出压仓水，从而导致正在作业的装船机不得不停下来等排压舱水。由统计得到等排压舱水时间最短0.42h，最长17.5h，平均为4.04h/艘的经验分布函数并在模型中得以体现。模拟得出主要结果见图 5，6。经过结果分析认为，码头建成两面靠船, 配4台装船机的方案是可行的。
5. 结束语
实践证明在码头的设计中，应用计算机模拟技术对其复杂的装卸系统进行系统、深入的研究是一种非常有效的方法。利用模拟模型能够考察码头建成后的运行效果，发现薄弱环节(系统的瓶颈)，回答诸多“如果-怎样”的问题，这对传统的设计方法是根本不可能的。当然，模拟模型不会自动给出问题的最佳答案，一般是通过对比多方案的模型试验结果来实现优化设计的目的。
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表 1 码头三期主营品种煤
煤种号 煤种名 比例(%) 1 高热石碳 6.0 2 神混1号 10.0 3 神混2号 30.0 4 神混3号 11.0 5 神优2号 14.0 6 神优3号 14.0 7 中热石碳 7.0 8 神优4号 9.0 
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表 3 各吨级船舶到港艘次比例表
船舶吨级(t) 20 000 35 000 50 000 70 000 100 000 艘次比例(%) 23.73 23.73 25.42 15.26 11.86
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