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        基于系統(tǒng)動力學(xué)的鋼鐵物流碳減排策略研究

        2015-12-20 03:36:46劉俊紅羅定提鄒安全LIUJunhongLUODingtiZOUAnquan
        物流科技 2015年10期
        關(guān)鍵詞:能源消耗鋼鐵比重

        劉俊紅,羅定提,鄒安全 LIU Jun-hong, LUO Ding-ti, ZOU An-quan

        (1. 湖南工業(yè)大學(xué) 財經(jīng)學(xué)院,湖南 株洲412007;2. 湘南學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,湖南 郴州423000)

        (1. School of Finance and Economics, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China; 2. Institute of Economics and Management, Xiangnan University, Chenzhou 423000, China)

        0 引 言

        鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),鋼鐵供應(yīng)鏈從采購原材料開始,到最終的鋼鐵成品銷售并投入使用,都伴隨著物流過程。國際能源署出版的《運(yùn)輸、能源與二氧化碳:邁向可持續(xù)發(fā)展》報告指出,交通運(yùn)輸領(lǐng)域的的石油消耗量占到了全球石油量的57%,由此引發(fā)的二氧化碳(CO2) 排放量大約占全球CO2排放總量的25%[1],整個物流行業(yè)的碳排放居高不下。

        對于物流領(lǐng)域的碳排放問題,不少學(xué)者對其進(jìn)行了相關(guān)研究,主要?dú)w納為以下三個方面:①運(yùn)輸、倉儲過程的碳排放研究,如Cholette 和Venkat 對在食品和飲料供應(yīng)鏈中的運(yùn)輸和倉庫活動中能源消耗量和碳排放量進(jìn)行了相關(guān)計算[2];楚龍娟等運(yùn)用產(chǎn)品生命周期法計算物流過程的談排放[3];Hoen 等建立了運(yùn)輸庫存碳排放測量模型,分析了不同情況下的碳排放情況[4]。②物流過程能源消耗和能源結(jié)構(gòu)方面的研究,如Iacob 等建立了基于能源結(jié)構(gòu)的物流碳管理系統(tǒng)(LCMS),詳細(xì)準(zhǔn)確地計算了運(yùn)輸過程碳排放量[5];李燁嘯分析了我國物流業(yè)能源消耗趨勢和發(fā)展規(guī)律,探討了產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平、能源結(jié)構(gòu)等對物流業(yè)碳排放的影響[6];唐麗敏等通過建立物流節(jié)能減排系統(tǒng)動力學(xué)模型,分析了物流與經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境之間的關(guān)系[7]。③物流配送網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與物流體系改進(jìn)方面的研究,如李蜀湘認(rèn)為必須改進(jìn)物流體系,通過發(fā)展低碳物流來發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)[8];夏文匯基于VRP 模型,在低碳經(jīng)濟(jì)環(huán)境條件下研究鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)物流配送模型[9]。

        通過對以上相關(guān)文獻(xiàn)的分析可知,目前,研究鋼鐵供應(yīng)鏈物流過程碳排放的文獻(xiàn)相對較少,也很少有人從系統(tǒng)的角度,運(yùn)用定性分析與定量計算相結(jié)合的方法研究鋼鐵物流過程碳排放量。基于此,本文結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)方法,運(yùn)用VENSIM 軟件,建立鋼鐵物流碳排放系統(tǒng)動力學(xué)基本模型,對鋼鐵物流的運(yùn)輸和裝卸搬運(yùn)過程的碳排放進(jìn)行系統(tǒng)的控制研究,尋求降低鋼鐵物流碳排放量的策略和措施。

        1 鋼鐵物流碳排放系統(tǒng)分析

        1.1 模型假設(shè)

        本文設(shè)計的鋼鐵物流碳排放模型只考慮了物流過程的運(yùn)輸和裝卸搬運(yùn)活動,因為鋼鐵原料采購物流過程和鋼鐵產(chǎn)成品銷售物流過程都伴隨著大量的運(yùn)輸和裝卸搬運(yùn)環(huán)節(jié),運(yùn)輸和裝卸搬運(yùn)都需要消耗能源,能源消耗的過程會產(chǎn)生碳排放。因此,模型假設(shè):①鋼鐵原料和成品的運(yùn)輸過程都涉及汽運(yùn)、水運(yùn)和鐵路運(yùn)輸三種運(yùn)輸方式,且每種運(yùn)輸方式占有一定的比重;②每種運(yùn)輸方式產(chǎn)生的能源消耗都可以按一定的計算比例折算成煤的耗用量。

        1.2 因果關(guān)系分析

        鋼鐵物流運(yùn)輸和裝卸搬運(yùn)過程都會產(chǎn)生碳排放,可通過優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、提高能源效率、降低貨運(yùn)強(qiáng)度等方面降低物流過程能源消耗。因此,模型設(shè)計的鋼鐵物流碳排放控制系統(tǒng)主要包括三個子系統(tǒng),主要反饋回路如圖1 所示:

        (1) 運(yùn)輸結(jié)構(gòu)子系統(tǒng):鋼鐵物流碳排放→管理水平→運(yùn)輸結(jié)構(gòu)→能源消耗→運(yùn)輸/裝卸搬運(yùn)碳排放→鋼鐵物流碳排放。

        (2) 能源效率子系統(tǒng):鋼鐵物流碳排放→技術(shù)水平→能源效率→能源消耗→運(yùn)輸/裝卸搬運(yùn)碳排放→鋼鐵物流碳排放。

        (3) 貨運(yùn)強(qiáng)度子系統(tǒng):鋼鐵物流碳排放→管理水平→貨運(yùn)強(qiáng)度→能源消耗→運(yùn)輸/裝卸搬運(yùn)碳排放→鋼鐵物流碳排放。

        這三個子系統(tǒng)都構(gòu)成正反饋回路,有助于鋼鐵物流企業(yè)提高管理水平,優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu)和降低貨運(yùn)強(qiáng)度,減少運(yùn)輸過程能源消耗;有助于鋼鐵物流企業(yè)引進(jìn)現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù),提高相關(guān)機(jī)械設(shè)備能源利用效率,減少物流過程碳排放。

        2 系統(tǒng)動力學(xué)模型的建立

        2.1 鋼鐵物流過程碳排放系統(tǒng)流程圖

        根據(jù)因果關(guān)系圖,利用VENSIM 軟件構(gòu)建鋼鐵物流碳排放系統(tǒng)流程圖(如圖2),模型主要考慮了運(yùn)輸和裝卸搬運(yùn)過程的碳排放量。

        2.2 模型主要方程

        (1) 水運(yùn)貨物周轉(zhuǎn)量=水運(yùn)比重×貨物周轉(zhuǎn)量,Units:噸公里;

        (2) 汽運(yùn)貨物周轉(zhuǎn)量=公路比重×貨物周轉(zhuǎn)量,Units:噸公里;

        (3) 煤消耗量=汽運(yùn)貨物周轉(zhuǎn)量×0.04+水運(yùn)貨物周轉(zhuǎn)量×0.002+鐵路運(yùn)輸貨物周轉(zhuǎn)量×0.012,Units:噸;

        (4) 物流運(yùn)輸能源消耗=煤消耗量/能源效率,Units:噸;

        (5) 裝卸搬運(yùn)碳排放累積速率=單位裝卸搬運(yùn)碳排放量×訂單量;

        (6) 裝卸搬運(yùn)碳排放量=INTEG(裝卸搬運(yùn)碳排放累積速率, 0),Units:噸;

        (7) 貨物周轉(zhuǎn)量=平均運(yùn)輸距離×訂單量,Units:噸公里;

        (8) 運(yùn)輸碳排放累積速率=單位能源消耗碳排放量×物流運(yùn)輸能源消耗;

        (9) 運(yùn)輸碳排放量=INTEG(運(yùn)輸碳排放累積速率, 0),Units:噸;

        (10) 鋼鐵物流過程碳排放量=裝卸搬運(yùn)碳排放量+運(yùn)輸碳排放量,Units:噸;

        (11) 鐵路運(yùn)輸貨物周轉(zhuǎn)量=鐵路比重×貨物周轉(zhuǎn)量,Units:噸公里。

        2.3 模型相關(guān)參數(shù)

        表1 模型相關(guān)參數(shù)

        3 鋼鐵物流碳排放系統(tǒng)的仿真與分析

        模型以一個季度為一個仿真周期,一天為一個步長,利用VENSIM 軟件進(jìn)行仿真,模擬不同情況下鋼鐵物流過程的碳排放量。本文通過對系統(tǒng)動力學(xué)模型中相關(guān)常量(參數(shù)) 的設(shè)定,對平均運(yùn)輸距離、公路比重、鐵路比重、水運(yùn)比重、能源效率五個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,模擬得出不同數(shù)值下鋼鐵物流過程碳排放量,以實(shí)現(xiàn)對鋼鐵物流過程碳排放的優(yōu)化控制。

        3.1 模型仿真

        (1) 不同運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的鋼鐵物流碳排放量仿真

        鋼鐵原料采購運(yùn)輸與產(chǎn)成品運(yùn)輸都包含公路、鐵路和水路運(yùn)輸,采購的原料會根據(jù)供應(yīng)地交通條件和采購量的不同而選擇不同的運(yùn)輸方式,產(chǎn)成品的運(yùn)輸會根據(jù)需求地交通條件和需求量的不同而選擇不同的運(yùn)輸方式。每種運(yùn)輸方式的能源消耗不同,運(yùn)輸過程產(chǎn)生的碳排放量就有所不同。本文對公路比重、鐵路比重和水運(yùn)比重分別設(shè)定三組不同的數(shù)值,分別為0.4、0.3、0.3(簡寫433);0.3、0.4、0.3(簡寫343);0.3、0.3、0.4(簡寫334)。模擬對比分析不同運(yùn)輸結(jié)構(gòu)下煤消耗量和鋼鐵物流過程碳排放量的變化情況。對比分析情況如表2 所示:

        表2 不同運(yùn)輸結(jié)構(gòu)下鋼鐵物流碳排放量

        由表2 分析可知:①公路比重、鐵路比重和水運(yùn)比重占不同的比值,鋼鐵物流過程碳排放量發(fā)生較大的變化;②增加公路運(yùn)輸比重,物流過程碳排量將增大,增加水運(yùn)比重,物流過程碳排放量將大幅度減少;③鐵路運(yùn)輸相對于公路運(yùn)輸有較為明顯的優(yōu)勢,水路運(yùn)輸相對鐵路運(yùn)輸有一定的優(yōu)勢,但差別無鐵路運(yùn)輸相對于公路運(yùn)輸?shù)牟顒e大。因此運(yùn)輸結(jié)構(gòu)對鋼鐵物流過程碳排放量影響較大。以下兩種情況在運(yùn)輸結(jié)構(gòu)為334 的條件下進(jìn)行模擬仿真。

        (2) 不同能源效率的鋼鐵物流碳排放量仿真

        能源效率是指單位能源消耗所帶來的經(jīng)濟(jì)效益是多少的問題,也就是能源的利用率,運(yùn)輸過程的能源效率主要是指運(yùn)輸工具發(fā)動機(jī)能源利用效率。本文對能源效率設(shè)定3 個值,分別為0.7、0.8、0.9,模擬不同能源效率下鋼鐵物流過程碳排放量的變化情況。對比分析情況如表3 所示:

        表3 不同能源效率下鋼鐵物流過程排放量

        由表3 分析可知:隨著能源效率由0.7 噸上升到0.9,鋼鐵物流過程碳排放量有大幅度的降低,一個仿真周期內(nèi)減少了15 369 噸,可見能源效率對鋼鐵物流過程碳排放量有重大影響,接下來在能源效率為0.9 的條件下進(jìn)行模擬仿真。

        (3) 不同貨運(yùn)強(qiáng)度下鋼鐵物流過程碳排放量仿真

        貨運(yùn)強(qiáng)度由貨物運(yùn)輸量乘上運(yùn)輸距離得到,由于每批次貨物運(yùn)量無法減少,所以只能通過縮短運(yùn)輸距離的方式降低貨運(yùn)強(qiáng)度。本文對運(yùn)輸距離設(shè)定5 個值,分別為100KM、90KM、80KM、70KM、60KM,模擬不同貨運(yùn)強(qiáng)度下鋼鐵物流過程碳排放量的變化情況。對比分析情況如表4 所示。

        表4 不同運(yùn)輸距離下鋼鐵物流過程碳排放量表

        由表4 分析可知:隨著運(yùn)輸距離由100KM 下降到60KM,鋼鐵物流過程碳排放量有大幅度的降低,一個仿真周期內(nèi)減少了21 517 噸,可見貨運(yùn)強(qiáng)度對鋼鐵物流過程碳排放量有重大影響。目前能源利用技術(shù)提高需要大量資金投入,而且較為困難,相比而言,優(yōu)化運(yùn)輸距離具有很大的挖掘空間。

        3.2 仿真分析與碳減排策略

        通過對模型的模擬仿真可知,運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、能源效率和貨運(yùn)強(qiáng)度都對鋼鐵物流過程碳排放量具有一定的影響,其相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化對鋼鐵物流過程碳排放量的降低具有重要的意義。

        (1) 優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu),降低公路運(yùn)輸比重,增加鐵路和水路運(yùn)輸比重,選擇低碳運(yùn)輸方式。目前,大部分鋼鐵企業(yè)選址都會考慮交通運(yùn)輸條件,原料和成品都涉及到公路、鐵路和水路運(yùn)輸,可以從以下三個方面優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu):①降低公路運(yùn)輸比重:公路運(yùn)輸運(yùn)量小,運(yùn)輸過程能耗大,適宜于小批量的中短途運(yùn)輸。②增加鐵路和水路運(yùn)輸比重:充分開發(fā)海運(yùn)和江運(yùn)優(yōu)勢,對于有條件的地帶,首先選擇水路運(yùn)輸;沒有水運(yùn)條件的地帶,首先考慮鐵路運(yùn)輸。③發(fā)展多式聯(lián)運(yùn):對于中長距離的原料和成品運(yùn)輸,可以發(fā)展公鐵聯(lián)運(yùn)和水路聯(lián)運(yùn),鐵路運(yùn)輸和水路運(yùn)輸承擔(dān)長距離運(yùn)輸,公里運(yùn)輸承擔(dān)始發(fā)端和接收端的短途轉(zhuǎn)運(yùn)。

        (2) 引進(jìn)相關(guān)技術(shù),淘汰落后設(shè)備,提高運(yùn)輸設(shè)備能源利用效率。提高能源效率可以直接降低物流過程能源消耗,從而降低物流過程碳排放量,可以從以下兩個方面提高能源效率:①淘汰落后設(shè)備,引進(jìn)新型運(yùn)輸工具:目前市場上還有很多老式運(yùn)輸車輛,能耗高,能源利用率低,處于報廢期卻仍然使用,應(yīng)充分利用國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù),購買高效車取代老式車,提高能源效率。②提高運(yùn)輸滿載率、降低返程空載率:車和船運(yùn)輸過程都有一個最大載運(yùn)量問題,滿載可以大幅度提高運(yùn)輸過程能源利用效率;同時合理計劃,使車船返程時可以托運(yùn)其他貨物,這樣間接性的提高了運(yùn)輸過程能源利用率。

        (3) 提高管理水平,縮短運(yùn)輸距離,降低貨運(yùn)強(qiáng)度。貨運(yùn)強(qiáng)度主要受運(yùn)輸距離的影響,可以從以下兩個方面縮短運(yùn)輸距離:①優(yōu)化運(yùn)輸線路:充分了解鋼鐵原料或成品從供應(yīng)地到需求地的運(yùn)輸線路情況,合理布局運(yùn)輸線路的選擇,縮短運(yùn)輸距離。②合理布局鋼鐵生產(chǎn)廠位置,可以靠近主要原料供應(yīng)地,縮短原料運(yùn)輸距離,也可以靠近成品消費(fèi)地,縮短成品運(yùn)輸距離。

        4 結(jié) 論

        本文通過建立鋼鐵物流過程碳排放系統(tǒng)動力學(xué)模型,模擬了公路比重、鐵路比重、水運(yùn)比重、能源效率、運(yùn)輸距離五個參數(shù)對鋼鐵物流過程碳排放量的影響。通過對不同參數(shù)取值的仿真,得出結(jié)論:①合理的運(yùn)輸結(jié)構(gòu)可以有效地降低鋼鐵物流過程碳排放量;②能源效率對能效消耗具有直接影響,可通過淘汰落后設(shè)備、引進(jìn)新型運(yùn)輸工具、提高運(yùn)輸滿載率、降低回程空載率等方式提高運(yùn)輸過程能源效率;③運(yùn)輸距離具有很大的優(yōu)化空間,合理安排運(yùn)輸線路、合理設(shè)置鋼鐵生產(chǎn)廠可有效縮短運(yùn)輸距離,降低運(yùn)輸過程碳排放。鋼鐵物流過程是一個能源消耗過程,通過優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、提高能源效率和降低貨運(yùn)強(qiáng)度,可以減少能源消耗,從而降低物流過程碳排放量,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

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