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    • 管道工程项目钢管采购配送全过程优化研究

        有效合理实施钢管采购并做好钢管运输的优化工作,对于节省管道工程的投资成本有着重要意义。本文电力招标采购网从管道建设项目钢管运输现状分析入手,结合运输优化和线性规划等优化理论,通过案例分析建立优化模型,对实际钢管采购的成本进行优化,为工程项目降低投资成本,为项目建设的钢管采购决策提供有效参考依据。

        一、管道工程项目钢管采购与配送现状

        1.管道工程项目建设发展概况

        自1959年修建成新疆克拉玛依油田到独山子炼油厂的第一条油气长输管道以来,我国油气管道建设已经历了60年发展历程。截至2017年底,中国境内建成油气管道总里程约12.6万公里,其中天然气管道7.6万公里,原油管道2.7万公里,成品油管道2.3万公里。中国的油气管道基本已经形成了“北油南运”“西油东进”“西气东输”“海气登陆”四大通道输送格局,同时各大主管网之间的联络线建成后,增加了不同管线之间的资源调节能力。

        在长输管道建设中,管材运输占据了很大一部分工作量,运费约占施工安装总费用的10%~15%。因此,合理组织运送规划,对降低成本、节省工期都具有重要意义。

        2.钢管采购供应流程现状分析

        为了更好地分析管道建设中的钢管采购供应情况,现在将管道建设中钢管采购供应全部过程,即钢管原料采购、钢管加工、钢管防腐、钢管运输、钢管中转等工作环节进行简单介绍。

        (1)钢管原料采购:各制管企业从钢厂将卷板或钢板采购运输回制管厂。

        (2)钢管加工:管厂对原料进行检验合格后进行钢管加工和相应的检测试验,最终在管体做好标识,完成最终检验后入库。

        (3)钢管防腐:在钢管外壁进行三层结构聚乙烯(PE)防腐以及内壁减阻涂层(油管道内壁不需要内涂层)。

        (4)钢管运输:钢管从制管厂使用火车运输或使用汽车运到项目现场。

        (5)钢管中转:钢管中转站的选址一般是根据管道项目的线路走线,沿着铁路货运场附近设置。

        3.钢管采购与分配供应存在问题分析

        目前钢管采购大多数凭借人为经验的判断,并且钢材招标的过程中未能考虑到钢厂位置、管厂位置以及管道项目位置对中标的影响,只是简单地以钢材价格的高低作为中标的主要依据。管道项目开工前均未对钢管采购进行过系统的优化,只是由管厂根据钢厂的原料报价,再加上管厂的加工费及防腐、运杂费和到现场中转站的钢管运费进行投标,最终依据评标排名选择中标管厂。这些投标均未能考虑到管厂的位置以及到项目现场的距离对投标结果的影响。

        二、管道工程项目钢管采购配送全过程优化

        1.钢管采购配送全过程优化通用模型描述

        钢管采购配送全过程优化是在运输优化问题基础上的深化,不仅需要考虑管厂到中转站运费的优化,还要考虑原料的价格,钢厂到管厂的运费,以及各个中转站的位置,综合考虑上述因素后,才可以得出最优的结果。下面笔者就对钢管采购配送全过程进行建模分析。

        首先对钢管运到现场的总成本进行分解。钢管总成本等于原料价格,加上原料运费、原料的材料消耗、管厂制管加工费、外防腐材料费和加工费、内涂层材料费和加工费、厂内短倒费以及运输到中转站的运输费用。为了能够建立模型解决钢管采购最优问题,假设所有钢厂的原料价格都一致,所有管厂的加工费也一致,在这样的条件下,针对项目比对各管厂和钢厂区域优势,获得确定项目中转站后的最优钢管采购优化组合。在此情况下,可以直接考虑钢厂到管厂的运费以及管厂到现场中转站的运费组合后的最优采购成本。

        假设共有p个钢厂ai(i=1,2,…,p),另外有q个管厂,管厂的产能分别为bj(j=1,2,…,q),t个现场中转站ck(k=1,2,…,t),从第i个钢厂到第j个管厂运输单价为mij,从第j个管厂到第k个中转站运费为njk。项目t个中转站各站需求量为ds(s=1,2,…,t)。要求解钢管采购运输最优成本,运输优化模型已经不能直接使用,需要对题目中的条件进行重新梳理并建立模型解决。

        为了求解钢管采购运输成本,涉及钢材运输到管厂以及管厂钢管运输到现场中转站的二阶段运费组合的问题,任何一阶段的运输成本变动都会影响到最终运输组合。为了找到最优组合,可以假设在第二阶段每家管厂都已经确认的前提下,选择供应原料肯定是选择采购运输成本最低的钢厂,我们可以根据已知的钢厂到管厂的运输单价,对运费进行排序,确定在选择某个管厂的条件下,那么肯定选择与它对应的运费最低一家钢厂。这样每家管厂都有唯一的最低运费钢厂与之对应,因此q个管厂有q个对应的最低钢厂的运费。

        总体来说,钢厂的产能较大,管厂的产能相对较小,考虑到管厂留存部分产能给其他项目的情况下,按照管厂产能一半考虑一个项目的供应量,假设各家管厂产能限制为ai,这样每家管厂的供应总量根据产能有个限制因素,另外项目各个中转站的需求与各管厂的供应总量应该相等。根据上述已知条件,可以建立钢管采购全过程运输优化问题的数学模型,假设各管厂的采购钢材量为xi(每家管厂对应钢厂为运费最低的一家),且从第j个管厂发运到第k个中转站的钢管运输量为xjk时,钢管采购运输总费用Z最低。

        上述模型共有q+j×k个变量,有2q+t个独立约束方程,是线性规划模型中的一般形式,模型变量比较多,用表上作业法、伏格尔法求解最优解比较复杂,即使求出初始可行解进行最优判别过程也比较难,因此可以通过WinQSB软件来运算得出最优答案。

        2.钢管采购配送全过程优化案例分析

        (1)案例背景

        选择国内一条总长度2029km管道工程项目作为优化对象,将该项目全线螺旋管需求量进行采购配送全过程优化,同时考虑钢厂、管厂和中转站的组合。

        国内参与投标钢厂主要有10家,宝钢、武钢、鞍钢、马钢、太钢、首钢、本钢、邯钢、攀钢、包钢。参与投标的螺旋管制造厂的地理分布位置:上海(宝世威)、扬州(华油)、青县(华油)、沙市、淄博(胜利)、秦皇岛(宝世顺)、辽阳、宝鸡、资阳、新疆。该项目共有11个中转站,根据项目数据单统计各中转站钢管需求如表1所示。

        钢管的交货期为一年,因为钢厂的产能较大,基本不会出现产能不足的情况,结合各管厂实际产能同时考虑整体市场需要,生产线的产能一半需要承接其他项目的情况,按照2013年对各管厂产能统计情况,将年产能一半作为限制因素。

        针对上述已知条件求解钢厂、管厂以及现场中转站的最优匹配组合,假设钢厂的原料价格都一样,管厂的钢管加工费、材料消耗、防腐加工费以及防腐材料费和厂内钢管倒运费等杂费也都一样。

        (2)钢管采购配送全过程优化模型描述

        分析案例中各个已知条件,针对钢管采购配送全过程优化进行模型设计,因为假设钢厂的原料价格以及后续钢管加工费用各家都一样,所以本次主要求解的是在管厂产能限制的条件内,钢管采购配送全过程中的运输费用最低的钢厂、管厂和中转站匹配组合。

        经过综合分析,可以运用两阶段分析法,建立钢管全过程运输优化模型。首先假设各管厂已经确定为中标管厂,那么由于各家钢厂的原材料出厂含税价都一样,那么只有运费是各家的竞争优势,所有管厂均会选择运费最低的钢厂作为自己的供应商,且钢厂的产能较大,不存在一家钢厂无法满足多家管厂需求的情况,所以每家中标管厂都有唯一一家运费最低的钢厂与之相对应。

        (1)决策变量

        假设各家管厂的采购卷板量为xi(i=1,2,3,…,10),共有10个未知数,假设对应钢厂的最小运费为mi,mi可以从钢厂到管厂运费表中直接挑选出来(宝世威对应宝钢15元/t,华油扬州对应马钢46元/t,华油青县对应首钢83元/t,沙市对应武钢89元/t,胜利对应邯钢78元/t,宝世顺对应首钢50元/t,辽阳对应鞍钢22元/t,宝鸡对应太钢141元/t,资阳对应攀钢152元/t,新疆对应包钢256元/t)。假设各管厂到各中转站的钢管发运量为xj(j=11,12,13,…,120)(因为有11个中转站,10个管厂对应有110个运输量),对应管厂到中转站运费为nj(j=11,12,13,…,120),nj可以直接从管厂到中转站运费表格中摘录出来。

        (2)各中转站的需求量

        Dk(k=1,2,3,…,11,分别为中卫、固原……吉安),所有供管厂供应一家中转站的总量等于Dk。

        (3)各制管企业的钢管供应量

        不考虑卷板的耗材,则各管厂的钢管量即为xi,该变量受到上述各管厂的年产能限制。

        (4)目标函数

        采购运输总成本包括钢材运输费用以及钢管的运输费用,假设钢管采购运输总费用为Z,求MinZ最小。我们根据上文分析得到目标函数:

        (5)约束条件:

        在上述条件下,求解钢管采购运输成本最优的情况下,各管厂钢管分配量,以及对应发运至中转-站7-量,并求出最低运输总成本。

        (3)钢管采购配送全过程优化结果分析

        本题目求解可以使用线性规划,但是由于变量较多,求解比较困难,可以选择使用WinQSB软件的线性规划与整数规划程序模块进行计算。

        (1)输入数据

        在第一行输入对应变量的系数,在下面限制条件也输入对应变量系数以及最后的限制值。因为变量太多,直接截取一部分能够显示的录入变量系数。

        (2)计算结果

        详细优化计算结果见表6,全过程采购运输最优情况下,共有4家管厂有分配供管量,分别是:位于上海的宝世威x1=24259t,对应的钢厂为宝钢;位于扬州的华油x2=100925t,对应钢厂为马钢;位于荆州的沙市x4=163500t,对应钢厂为武钢;位于宝鸡的宝鸡x8=65047t,对应钢厂为太钢。其他钢厂和管厂的供应量均为0。

        上海宝世威x1全部供应萍乡x20=24259t;华油扬州x2供应岳阳x29=60017t、吉安x32=40908t;沙市x4供应枣阳x48=34408t、武汉x49=43642t、咸宁x50=41283t、岳阳x51=4812t、长沙x52=39355t;宝鸡x8供应中卫x88=43855t、固原x89=5622t、平凉x90=6706t、咸阳x91=8864t。其他管厂均没有分配量,因为它们的运费没有优势。

        在上述分配结果下,钢管采购全过程运输最优,钢材及钢管最低-运输总成本为MinZ=124310072元。

        本案例钢管采购运输模型是建立在各钢厂的原材料价格,各制管企业的加工费都一致的假设前提下。实际在钢管采购过程中,各钢厂因自身的原料采购、生产设备、人员成本、运营管理成本等各不相同,以及期望利润不一致,市场环境的变化也会影响钢厂的报价,很难出现各家报价都一致的情况,但是在实际操作过程中可以将已知各管厂供应的最低价格,匹配钢厂的原料到厂报价作为各管厂的系数。

        同样各管厂的加工费考虑到所在不同区域、人员成本费用、生产设备、防腐配套、防腐原料采购成本等方面也会存在不同,也可以将管厂上述钢管加工费与管厂运输钢管到中转站的运费加总后,作为模型中各变量的系数,代入模型进行计算最优采购成本。

        三、结论

        通过上文对管道工程项目实际钢管采购运输成本案例的分析研究,可以得出以下的结论。

        管道项目钢管采购运输优化在能源低价的背景下是很有必要的,钢管采购运输成本占据工程采购成本很大一部分,通过优化可有效降低运输配送成本,节约项目投资。

        钢管采购运输全过程优化对买卖双方是双赢的结果,通过调整组合方案的模式,在不减少双方利益的前提下就可以降低运输配送费用,使得钢厂和管厂产品报价更具有优势,用户也可以采购到同样质量水平条件下更低价格的钢管。

        钢管采购全过程优化为项目管理者提供了科学的决策依据,经过钢管全过程采购配送优化的项目,可在现有资源的约束下,降低钢管采购成本,提高项目经济效益。

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