考慮外部成本的管道與鐵路電煤運輸的經濟比較

（武漢理工大學交通工程學院 武漢 430063）

近年來，隨著我國經濟的高速發展，各地電煤需求量與日俱增，電煤緊缺已逐漸從以往同期用電高峰期向淡季蔓延、從總量缺電向結構性缺電轉變．從可持續發展的角度來看，要從根本上解決電煤供應緊張的局面，一種重要途徑就是發展管道運輸［1］．作為一種新興的尚未展開長距離運營的運輸方式，電煤管道運輸比鐵路運輸有無成本優勢，對環境會造成什么樣的影響，水資源耗用的情況如何，這些都是迫切需要解決的問題．現有文獻主要關注管道或者鐵路運輸的技術經濟分析，而將環境污染等外部成本納入運輸成本的文獻較少．因此，針對長距離、大規模的電煤運輸，在考慮外部成本的基礎上進行管道和鐵路運輸的經濟比較具有現實意義．

1 電煤運輸外部成本的涵義與比較

電煤運輸與一般產品或服務不同，它對保障國民生產和居民生活具有特殊意義，是帶有公共產品性質的服務，從運輸經濟學角度來看，具有公共產品性質的服務在進行經濟分析時應考慮外部成本（external cost）．所謂運輸的外部成本，是指從運營環境角度出發，在運輸生產過程中給他人和社會所帶來的損失，包括環境成本、資源成本和交通安全成本［2］．

1.1 環境成本的比較分析

電煤運輸給環境帶來的影響因運輸方式以及運輸速度而異，環境影響的貨幣換算價值因運輸線路沿途條件而異．因此，運輸速度和沿途條件不同的線路區間算出對于環境影響，再乘以貨幣轉換原單位就可算出對于環境影響的貨幣評價值．具體公式如下．

式中：ΔC環境為鐵路與管道運輸產生的環境成本差；p為環境因素（空氣污染以及由此帶來的氣候變化，噪聲）；k為交通運輸方式（鐵路，管道）；Lks為各交通方式的運輸線路區間S的長度，km；為各方式的沿途狀況S的環境因素p的貨幣評價原單位，對空氣污染取元／g，對噪聲取元／（dB·km·a）為各方式對于環境因素P的影響程度，對空氣污染取g／（km·d），對噪聲取dB．

在此，運輸方式包括鐵路和管道2種．運輸速度使用平均運輸速度．沿途狀況可分為人口稠密的建成區、其他建成區、非建成區的平坦地段和山區地段4種．

應當說明的是，鐵路一旦建成，其線路經過的土地就無法作為他用，對土地資源的占用是永久性的．根據鐵路規劃的紅線大小，如果按鐵路規劃紅線寬度為20m算，建成1km鐵路就占用2hm2的土地資源，這使得耕地資源緊缺的問題更為突出；鐵路噪聲主要來源于車輪與鋼軌接觸時振動產生的噪聲，《鐵路留用土地辦法》規定距鐵路外側軌道中心線30m處為鐵路邊界．《城市五類環境噪聲標準》規定，鐵路主次干線兩側區域夜間噪聲不得超過55dB．但實際上當列車經過時，鐵路兩旁的噪聲最高超過120dB；另外，空氣污染源于所消耗能源的類型，對于鐵路機車產生的空氣污染，由于近年來國內大多鐵路完成了電氣化和現代化改造或建設，傳統蒸汽機車大面積淘汰，柴油和電成為主要的動力源．因此，內燃機排放的CO，HC，NOx和煙塵等排放物成為主要的空氣污染物；另外，電煤在在運輸過程中會沿途遺撒，撒落的煤塵污染路面，危害人體健康，增加了清掃除塵的成本．

1.2 水資源消耗比較分析

對于缺水的西部而言，水資源的消耗狀況至關重要．因此，本文對能源中的水資源消耗進行單獨分析．具體而言，鐵路與管道之間的水資源消耗的比較可以表示如下．

式中：ΔC水資源為鐵路與管道電煤運輸的耗水成本差，萬元；S管道為管道運輸電煤的單位耗水量，t／（t·km）；S鐵路：鐵路運輸電煤的單位耗水量，t／（t·km）；P水資源：當地的工業用水用水價格，元／t；Q為電煤的交通運輸量，t·km．

鐵路輸煤水資源耗用極少，可以忽略不計．電煤中過大的含水量反而會浪費部分運力，對鐵路輸煤造成難以避免的損失．不同的是，管道輸煤前的煤炭漿化過程需要比較多的水，考慮到我國煤炭產地大多都處在西北等缺水地區，管道輸煤方式需進一步進行水資源耗用的分析．實際上煤炭輸煤的耗水量與其輸送質量濃度有直接關系，而質量濃度又與管道輸送的經濟性有關：當濃度偏低時，噸公里輸送的能耗就會增大；而質量濃度偏高時，漿體的粘性和漿體與管道內壁的阻力就會增加，同樣使得能耗增大，因此，選取適當的質量濃度對節約成本和能耗至關重要，同時伴隨著存在一個最合適的耗水量．一般情況下，漿化1t干煤需要1t水，在上述案例中1 000萬t煤炭運輸量每年需要消耗0．1億t水，相對于涇河16．7億m3的年平均徑流量來說，比重不高．實際上煤炭自身的含水量也使得這一需求量更少．有數據顯示，煤漿管道運輸的耗水量不到將煤炭熱能轉化為電能所需要的水量的1／6［3］．換言之，在根據實地情況選取合適的煤漿質量濃度的前提下，管道輸煤的耗水量幾乎不會對當地工農業生產產生很大影響．

1.3 交通安全成本的比較分析

提高電煤的運輸安全的成本計算公式可表示為

式中：ΔC安全為鐵路與管道間電煤運輸安全的效益差，萬元；J鐵路為鐵路運輸電煤的事故率，次／（t·km）；J管道為管道運輸電煤的事故率，次／（t·km）；P事故為 運 輸 事 故 平 均 損 失 費，萬元／次；Q為電煤的交通運輸量，t·km．

一般來說，安全成本包括事故的預防投入，事故直接經濟損失，事故間接經濟損失以及事故處理費用四部分．對事故損失要進行貨幣化衡量則需對上述直接經濟損失和間接經濟損失細化為醫療費用、車輛損失、財產損失，人員傷亡及其帶來的運輸延誤和人員生活質量下降的損失．在此引用2006年公路科學研究所的研究成果，研究表明，在不計預防投入和事故處理的情況下，鐵路的電煤運輸事故單位成本為0．093分／（t·km）．但實際上，安全成本需要將預防投入費和事故處理費納入其中．另外，因為鐵路的交通安全成本主要源于機車制動和線路橋梁設備安全上，隨著近年來煤運專列的逐漸重載化，這項數據將更大一些［4］．

相對而言，由于管道埋設在地凍土層以下，與地面以上的物體基本不產生沖突，且不會由于惡劣天氣引發運輸中斷，所以是一種更為安全的交通方式．

[13][14] HELCOM, Helsinki Convention, http://www.helcom.fi/about-us/convention/.

2 電煤運輸私人成本的比較分析

2.1 管道運煤與鐵路運煤私人成本構成的特點

電煤運輸的私人成本可分為固定成本和可變成本．鐵路運煤的成本結構具有2個最顯著的特點［5］．（1）“與運量無關”的成本費用（指線路、通信設備、大型建筑物、技術建筑物的運用、維護費用，以及管理人員工資等）占鐵路運煤成本的50%左右；（2）始發和終到作業費用約占運煤成本的18%左右．所以運距短時，成本高，只有運距較長時，成本才能大幅度下降．管道運煤的成本結構與鐵路運煤類似，固定成本比較高，而可變成本所占比例低．

2.2 運輸成本函數的建立（包括模型假定、模型、參數說明）

根據管道運煤與鐵路運煤私人成本的結構特點，建立成本函數，見式（6）．第i種運煤方式的單位運輸成本UCi是關于第i種運輸方式的固定成本FCi和可變成本VCi的函數，其關系為

式中：Qi為第i種運煤方式的年運輸量．

管道輸煤的年固定成本包括折舊費D、維修費Fm、攤銷費Ft、管理人員工資wa和財務費用Ff；可變成本主要包括直接管理費Fa、工人工資we、能源Fe（燃料和動力費用）費用和水費Fw，其關系為

鐵路輸煤的費用仍分為固定成本與可變成本2部分．有些文獻中鐵路運輸的可變成本不考慮裝卸費，本文基于私人成本內涵的考慮，仍將裝卸費Fz納入可變成本．固定成本包括折舊費，管理人員工資，財務費用和攤銷費，其中的基建費用包括購買路權、路基填筑、軌道鋪設以及控制系統的裝配，折舊費包括路軌、設備以及機車的折舊費．可變成本包括直接管理費，裝卸費，燃料和動力費以及工人工資，與管道不同的是，鐵路方面不用考慮水資源消耗費用．

式中：折舊費按照直線折舊法計提折舊，D＝F基建×（1－0．05）／T．

2.3 運輸成本計算與比較

本文以某電煤管道運輸投資項目為例，采用15a模擬方案對鐵路運煤和管道運煤進行管道運煤與鐵路運煤的私人成本比較分析．

項目擬定在陜西彬縣和武漢陽邏之間建立一條全長約1 100km的輸煤管道或一條全長1 200 km的輸煤鐵路專線，直達武漢陽邏即將興建的大型煤炭物流戰略儲煤基地．假定從彬縣至陽邏的管道設計輸煤能力為1 000萬t／a，投資90億元，投入運營的第1年運輸量為500萬t，第2年達到700萬t，到第5年達到設計運輸能力；鐵路設計輸煤能力為1 000萬t／a，投資70億元．運營的第1年運量為800萬t，第2年達到設計能力．各項資本成本的年度通貨膨脹率都假定為5%．

管道運輸的相關參數取值依據如下：假定折舊年限為15a．參照美國黑邁沙管道的營運經驗，全程采用高度集中的管理模式，設定9個泵站，制漿和泵輸定員110人，維修中心為30人，脫水系統定員60人．初始年平均工資定為40 000元／（人·a），職工福利為工資的14%．管理人員占到總職工數的10%，維護費取為折舊費的8%，財務費用包括8a貸款期計息和流動資金，流動資金取專線基礎設施建設投資的4%，計息部分為70%．攤銷期限8a，對象為建設費用中的其他費用部分，其他費用按定員數×40 000元／（人·a）計算．直接管理費取為工人工資的2倍．管道所需的水資源耗用按照1∶1計算，水源由自西而東斜貫彬縣的涇河提供，水費取彬縣當地的工業用水價格，即4．3元／t計算．

鐵路運煤的相關參數取值說明：假定鐵路初始建設費在70億元，折舊年限為15a，殘值取5%．需要配備10列火車和2 500名職工進行電煤運輸，每輛運煤專列價格為1 500萬／輛，其折舊年限定為15a，殘值為5%，初始年人均工資為40 000元／（人·a），職工福利為工資的14%．裝卸費用取為5．5元／t．其管理人員工資、攤銷費、維護費工人工資與鐵路的取值方法相同．假定機車采用柴油驅動，柴油初始年價格為7元／L，火車消耗柴油24．6kg／（t·km），動力費用按燃料費用的5%取．財務費用包括8a貸款期計息和流動資金，流動資金取專線基礎設施建設投資額×4%，計息部分設為60%．

相關參數分別代入管道運煤與鐵路運煤的私人成本函數，計算得到兩者運輸方式的單位運輸成本、可變成本以及可變成本的比重．如表1所列．

如表1，由于管道起初低廉的可變成本還無法補償其高昂的投資，鐵路輸煤在一開始更具有競爭力，隨著運營年份的遞增，運輸量逐步達到設計能力，管道運輸單位成本低于鐵路運輸，其競爭力日趨顯現．從成本結構來看，在項目運營的15a中，管道的可變費用占總費用比例逐年上升，但相比鐵路而言，仍慢于鐵路中可變成本的增長．從第4年開始，由于廉價勞動力和能源等可變成本的開支，年費優勢開始從鐵路轉向管道．到第15年，管道的單位運輸成本為0．083元／（t·km），而鐵路單位運輸成本則為0．109元／（t·km），管道的單位運輸成本每年節約3．95億元．

管道的可變成本大大低于固定成本，即使在產出量很大的情況下也是如此．但整體而言，管道運輸的規模經濟效益還是非常明顯的．國外研究表明，管道運輸能力增加一倍，其單位運輸成本可降低30%［6］．可見，隨著電煤需求的增長，管道運輸規模的擴大，管道運輸成本還有可觀的下降空間．

表1 管道運煤與鐵路運煤的私人成本對比表

3 綜合評價

本文中電煤運輸總成本是指電煤運輸私人成本和外部成本之和．因此電煤運輸總成本函數是關于私人成本、交通安全成本、水資源耗用成本和環境成本．通過以上分析，可以建立式（11）對鐵路輸煤與管道輸煤成本作綜合比較．

以案例第15年的運營情況為基準可得管道運煤和鐵路運煤的總成本比較結果，見表2．這里將資源占用量、安全成本和環境成本分為很多、較多、較少和極少4個等級．

由表2可見，在運輸規模達到1 000萬t，運輸距離達到1 000km的前提下，除了要占用比鐵路輸煤更多的水資源外，管道輸煤在私人成本、環境成本和安全成本方面都具有明顯優勢，另外，管道輸煤的單位成本下降速度也要比鐵路下降的快．綜合來看，管道輸煤是一種比鐵路更節約成本的高效的可持續的運輸方式．

表2 鐵路運煤和管道運煤的總成本對比表

4 結束語

在電煤需求具有一定規模的前提下，考慮外部成本的鐵路運煤和管道運煤的成本比較結果表明，針對大規模、長距離的電煤運輸，管道運輸比鐵路運輸更具成本優勢．雖然西部地區缺水，消耗一定水資源的管道運煤，仍可發展長距離運輸，將其作為鐵路運煤的重要補充方式，并逐步提高在整個交通運輸系統中的比例，不啻為一種改善電煤供應緊張局面的有效措施．

［1］張傳平．長距離管道技術經濟特性研究［D］．青島：中國石油大學（華東）經濟管理學院，2006．

［2］邸 晶．中國交通運輸系統外部成本計算理論與方法研究［D］．北京：北京交通大學交通學院，2010．

［3］Wilson J W．The principle of pipeline transportation of coal and its performance cylindrical［J］．Journal of South African Institute of Mining Metallurgy，1993，93（10）：387－395．

［4］Cole C．Heavy haul coal train dynamics simulation comparisons of the COAL link and central queensland systems［J］．Proceedings 7th International Heavy Haul Conference，2001，23（11）：217－223．

［5］Nikolaevich T V．The developing prospects of russia′s coal transportation［J］．Northeast Asia Forum，2004，13（3）：42－43．

［6］Wicks F．Analysis of options for increasing pipeline capacity［J］．Intersociety Energy Conversion Engineering Conference．2002，37（5）：231－239．