排放管控下班輪減排措施的選擇和成本分析

韋鳳華, 宋炳良

(上海海事大學經濟管理學院， 上海 200120)

船舶排放的硫氧化物對環境造成的負面影響越來越引起國際社會重視，為此，國際海事組織(IMO)和各國海事機構均提出了有關硫排放限制的規定。IMO發布的《國際防止船舶造成污染公約》規定：自2020年1月1日起全球范圍內船舶使用燃料油硫含量由原來的不超過3.5%調整為不超過0.5%，排放控制內使用的燃料含硫量不得超過0.1%。我國海事局發布的《2020年全球船用燃油限硫令實施方案》要求：自2020年1月1日起，國際航行船舶進入我國管轄水域應當使用硫含量不超過0.5%的燃油，進入我國內河大氣污染排放控制區應當使用硫含量不超過0.1%的燃油。

更嚴格的硫排放限制必然會導致船公司成本增加。船公司目前面臨著兩個亟待解決的問題，一是如何達到硫排放限制的要求；二是如何盡可能地減少減排成本。表1Alphaliner Newsletter公布的數據顯示了截止到2019年7月份12家集裝箱班輪公司擁有的加裝脫硫塔船舶、LNG動力船舶和總船舶數量分布情況。顯然，這12家公司均有加裝脫硫塔的船舶，僅有少數公司擁有LNG動力船舶。可見船公司對減排措施的選擇沒有統一的標準。毋庸置疑，種種減排措施必然都會使得成本增加，Cariou等指出船舶航速是影響船舶運營成本的主要變量，因而可通過降低航速來實現節約成本的目的[1]。DianSheng等人在排放限制下對船舶航速和配船進行了優化，結果表明，在排放限制時商船隊會通過調整航速和配船來減小成本[2]。

表1 12家集裝箱班輪公司加裝脫硫塔和LNG動力船數量分布(2019.07)

1 文獻綜述

現有很多文章研究船速和配船優化問題，如Dian Sheng(2019)基于硫排放限制背景，對使用燃油轉換的商船做航速和船隊規模優化，并且評估了減排效果[1]。Wang和Meng在考慮集裝箱路線的情況下，對班輪運輸網絡中各航線上集裝箱船的最優航速進行研究[3]。Yao等從單一路線的角度，針對燃油管理策略中的加油港的選擇、加油量的確定和船速的調整進行了聯合優化，建立模型以確定最優的燃料管理策略，從而使單個班輪服務的總燃料相關成本降至最低[4]。當前對班輪運輸航速和配船的研究主要集中在貨物分配、船舶部署和燃料補給等方面，很少涉及關于減排措施經濟性的研究。

關于減排措施方面，Yewen Gu(2017)提出LNG動力船舶的發展還存在很多問題，如運行設備占用空間大、前期投資不可估量，他研究了固定航線上燃油轉換和加裝脫硫塔兩種減排措施在燃油價格變動下的成本差值以及航線調整時兩種減排措施在燃油價格變動下的成本差值，研究表明，與考慮航線在排放控制區內分布的情況相比，不考慮航線分布的情況下加裝脫硫塔技術的重要性被高估了[5]。楊少龍等對船舶氧化物排放控制技術的研究現狀做了總結，并在技術層面對排放控制技術的原理和優缺點進行了分析，他認為研發經濟、高效的廢氣處理系統是未來技術的發展方向[6]。Lindstad和Eskeland(2016)認為，在2020年實施全球硫限制后，脫硫塔和燃油轉換將成為主要的減排方案。然而，從根本上能解決問題的減排方案還是開發更清潔的燃料和提高能源效率。

任遠從環保效果、配套設施、方案成本等方面對三種減排措施適用的船型進行了分析和探究[7]。趙春林在對低硫油技術、LNG替代燃料技術和脫硫技術詳細介紹的基礎上，采用模糊層次分析法選出綜合評分前三的減排技術進行實船成本對比分析，最終選出最經濟環保的減排技術[8]。陳紅彬等采用了費用年值分析法和投資回收期分析法，針對亞歐航線上20 000TEU型集裝箱船計算出主要減排措施的經濟效益，研究發現在當前環境下，超大型集裝箱船采用加裝脫硫設備更經濟；而當能源價格以相同幅度上升時，班輪企業采用LNG動力船舶更為經濟[9]。

限硫政策的改變導致減排措施應用的變化，表2對2015年與2020年減排措施實施情況做了比較。目前的研究大都依據以往的限硫背景，對減排措施的技術可行性及經濟性做研究，但是很少結合航速優化對減排措施作經濟性分析。

表2 2015年與2020年減排措施實施情況對比

鑒于現有研究的缺口，本文將基于新的限硫背景，建立關于減排措施的成本模型；其次，在函數連續時求出最優航速和配船；之后，對配船數量取整并相應調整航速使得成本最低；然后，計算出使用各減排措施時的成本；最后，選出最經濟的減排措施。

2 減排措施的特點

2.1 加裝脫硫塔

我國2020年全球船用燃油限硫令規定，自2020年1月1日起船舶不得在我國船舶大氣污染物排放控制區內排放開式廢氣清洗系統洗滌水。閉式脫硫塔在排放控制區內外均可使用，其工作機理是通過脫硫塔對排放氣體的內部處理將其轉化成泥漿等，再使用防污船對泥漿進行處理進而達到防污目的。目前，脫硫塔的使用存在一些問題，如一艘大型集裝箱船舶加裝脫硫塔需要花費約2至3個月，而一個脫硫塔的使用期僅僅為3至5年，而且脫硫塔的安裝費用較昂貴，小型的脫硫塔價值就高達200至300萬美元?？傊?，選擇加裝脫硫塔會面臨著高昂的投資成本。

2.2 燃油轉換

燃油轉換主要是用低硫油替代原有的高硫油來實現減排的目的，是最直接的減排措施。目前低硫油的提純面臨著技術上的問題，一旦低硫油生產技術壁壘被攻破，低硫油將會取代重硫油，船公司將更傾向于燃油轉換。然而，低硫油的使用存在一定劣勢，由于粘度低、相容性差、穩定性差等特性，低硫油在使用過程中可能會造成主機堵塞和腐蝕。由于船舶過去一直使用重硫油，且重硫油與低硫油不能混合使用，故船公司必須對其儲油罐進行人工或化學清理。

2.3 新造LNG動力船舶

LNG動力船舶的使用一般是采用新建造的方式，因為LNG動力船舶與傳統船舶有很大的差異，所以對舊船進行改造存在很大的不經濟性。理論上講LNG動力船舶是絕對低排放的運輸方式，但是由于液化天然氣儲存條件要求高，儲存不當會造成甲烷逃逸或引起安全事故。目前新能源使用正處在探索階段，還存在著能源供應不足等問題，但其今后發展趨勢越來越明顯。

3 提出假設及構建數學模型

3.1 基本假設

1)在船舶航行路線一定的情況下，當船舶采用加裝脫硫塔(措施一)時主機全程使用重硫油(HFO)；當采用燃油轉換(措施二)時主機在排放控制區外使用含硫量低于0.5%的低硫油(LSFO)，在排放控制區內使用含硫量低于0.1%的船用輕柴油(MGO)，靠港時副機消耗MGO；當選用LNG動力船舶(措施三)時主機全程使用液化天然氣燃料；

2)航線上航行的船舶為新船；

3)同一航線上船舶類型相同；

4)LNG動力船與普通船在構造上只有動力的區別；

5)LNG船舶初始成本和固定運營成本是普通船舶的1.2倍；

6)班輪每年航行時間為270天，航線上年運輸需求量一定，并且班輪按需配船。

3.2 變量與參數

本文涉及變量、參數的描述見表3。

表3 相關變量與參數

3.3 參數關系

3.3.1單位循環航次燃油成本

燃油成本包括主機燃油成本和副機燃油成本。普通船舶主機燃料消耗與航速的三次方成正比；由于不能直接建立LNG動力船的能源消耗量與速度的關系，本文通過重硫油(40.5 kJ/kg)與LNG(50 kJ/kg)的熱值轉化來表示；考慮到燃油價格差異，本文燃油成本包括副機的消耗。自限硫令生效起，三種減排措施的具體實施情況如表2所示，針對措施一、措施二和措施三這三種減排措施的燃油成本如公式(1)、(2)和(3)所示：

(1)

(2)

Corbett指出ρ1，ρ2分別表示船舶主機燃料消耗常數和副機燃料消耗常數；SFOCM是主機油耗率，為206 g/kw·h；ELM是主機負荷，為0.8；PSM為主機馬力數(KW)；SFOCA是副機油耗率，為221 g/kw·h;ELA是副機負荷，為0.5；PSA為副機馬力數(KW)[10]。

3.3.2脫硫塔年分攤成本

本文的目標函數是年總成本，在構建脫硫塔成本公式時考慮到脫硫塔的使用年限，本文使用年金的計算方法在已知脫硫塔固定成本及殘值的情況下進行成本分攤，脫硫塔的年修理成本占很小一部分可以忽略不計，由此得到脫硫塔的安裝成本見公式(7)：

Cs=Cp1(A/P,i,n1)-R1(A/F,i,n1)

(7)

Cp1為脫硫塔的固定成本；R1為脫硫塔的殘值；(A/P,i,n1)為等額系列資金回收因子[11]；(A/F,i,n1)為等額系列償債基金因子[11]；折舊率取5%；i為企業基準收益率，取8%；n1為脫離塔使用年限，設為5年。

3.3.3船舶的年分攤成本

同樣的，本文使用年金的計算方法在已知船舶固定成本及殘值的情況下進行成本分攤，得到普通船舶和LNG動力船的年分攤成本公式如公式(8)、(9)：

CL1=Cp2(A/P,i,n2)-R2(A/F,i,n2)

(8)

CL2=Cp3(A/P,i,n2)-R3(A/F,i,n2)

(9)

Cp2指普通船舶的固定成本；Cp3指LNG船舶的固定成本；R2是普通船舶的殘值；R3是LNG船舶殘值，取5%；(A/P,i,n2)，(A/F,i,n2)分別為等額系列資金回收因子和等額系列償債基金因子[11-12]；i為企業基準收益率，取8%；n2為LNG動力船使用年限，設為15年。

3.4 經濟性計算

3.4.1模型構建

Dian Sheng構建了商船使用燃油轉換措施時的成本函數，包括燃油成本、固定運營成本及商船特有的在途庫存成本[1]。本文的研究對象是班輪，在考慮燃油成本時加入副機油耗成本，但不考慮在途庫存成本以及在港成本這些不會造成減排措施間存在很大成本差異的因素。同樣地，本文還構建了船舶使用脫硫塔和LNG船時的船隊年成本函數。使用各減排措施時的成本目標函數如公式(10)、(12)、(14)所示：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

3.4.2當目標函數連續時優化求解

目標函數連續時，對成本進行最小化求解得到三種減排措施對應的最優船速見等式(16)、(17)、(18):

(16)

(17)

(18)

將速度與配船的最優值代入公式(10)、(12)、(14)，即可求得使用三種減排措施對應的成本。

3.4.3配船數量取整及航速調整

建立船隊的年成本模型中燃油消耗成本與航速有關，船隊的年固定成本分攤與船隊規模有關，而且受航線上年運輸需求量的限制，船隊規模與航速也建立了關系。所以，本文首先通過成本最小化計算出船舶最優航速，進而通過航速計算出船隊規模。這里求得的船隊規模為小數值，本文將其作為船舶取整的上下限，從而計算出在船隊規模為整數值時的最小成本，如式(19)。在使用減排措施一、三的情況下，可以直接代入船舶的優化等式(16)、(17)求得船舶的最優航速，由于減排措施二對應兩個不同的速度，本文首先令兩速度的偏導相等求得速度的關系如式(20)，之后代入船舶優化等式求得兩段航線上的最優航速。

(19)

(20)

4 選定航線上班輪航速優化與減排措施經濟性分析

4.1 數據收集與處理

考慮到數據的可得性和完整性，本文在數據收集困難的情況下選用了Doudnikoff文章中用到的四條航線的各指標數據。所選四條航線根據ECA占比可分為比例大和小兩個維度，并且兩個維度的航線分別對應著大、小型集裝箱船，數據整理如表4。由于缺乏航線具體掛靠港信息，如表5所示，在燃油價格方面，本文選用具有代表性的上海港、鹿特丹港和新加坡港3月9日的當日油價均值來表示。在上海石油天然氣交易中心獲取了3月9日中國LNG綜合進口到岸價格，本文通過對上海港油價與油價均值的等比例換算出LNG價格，如表6。假設船舶年航行時間為27天，脫硫塔初始安裝成本為135美元/kw[5]，在船舶主機功率已知的情況下可以計算出脫硫塔的初始投資成本。由于沒有找到船舶的購買成本相關數據，本文用船舶造價來表示船舶的初始投資成本。根據克拉克森2020年2月份新船價格月報以及《中國船檢》提供的LNG動力船比普通船舶造價高20%的數據關系，本文估算出普通船舶的新船造價和LNG動力船的新船造價如表7所示。

表4 航線和船舶參數

表5 三大代表性港口燃油價格(2020.03.09)

表6 LNG價格(2020.03.09)

表7 新船的造價

4.2 結果與分析

基于上述模型和數據，本文得出目標函數的優化結果如表8和表9。在3月份油價情況下，對于四條航線上的班輪來說選擇加裝脫硫塔時的成本最低，使用燃油轉換的成本次之，選擇用LNG動力船的成本最大。與加裝脫硫塔的班輪航速與配船情況相比，對使用燃油轉換的大型集裝箱船來說，無論航線上排放控制區占比多少，更愿意通過調整配船來降低成本；對于使用燃油轉換的小型集裝箱來說，當航線上排放控制區占比較小時，它選擇調整配船來降低成本，當航線上排放控制區占比較大時，它選擇調整航速來降低成本；使用LNG動力船舶與加裝脫硫塔的船舶配船和航速相同。

表8 目標函數連續時優化結果

表9 配船數量取整后優化結果

4.3 敏感性分析

由于燃油價格是波動的，而且上述的優化結果是：對于四條航線上的班輪來說使用減排措施一更優。所以本文將減排措施一對應的重硫油價格設為固定值，并不斷調整它與低硫油、輕柴油、液化天然氣的價差，價差調整后對應的成本結果如表10，可見隨著燃油價差的降低減排措施二、三的成本不斷降低，當燃油價差的降低幅度為45%時，對于四條航線上的班輪來說選擇減排措施二更經濟。如表11，當液化天然氣的價格是重硫油價格的78%時，選用LNG動力船比加裝脫硫塔更有優勢。

表10 降低燃油價差得到的成本結果

表11 LNG價格調整對應的成本結果

5 結論

在班輪減排措施選用以及經濟性的研究過程中，本文通過實例分析得出3月份油價情況下四條航線上各班輪運輸可選擇最經濟的減排措施即為安裝脫硫塔，次優的選擇是燃油轉換措施，最不經濟的減排措施是使用LNG動力船舶。

當然，由于燃油價格的波動沒有規律，船公司不可能根據某月的燃油價格數據就做出減排措施的選擇，所以，探討成本對油價的敏感度是有必要的，進而幫助船公司在盡可能符合燃油價格波動預期的情況下做出更加經濟的選擇。當然，未來LNG作為清潔的替代能源是一大趨勢，而且隨著船舶建造技術的發展以及規模效應的凸顯，LNG動力船舶的成本會降低，這也是接下來的研究方向。