集裝箱碼頭節能減排技術效果評價分析

金琳

上海交通規劃設計研究院有限公司

0 引言

近年國家對于生態環保的重視程度日益提高。習總書記向國際社會承諾，我國將力爭于2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。國務院在《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》中指出，加強科技基礎的支撐作用，完善綠色交通體系。交通運輸部在《船舶排放控制區調整方案》中指出，降低硫氧化物（SOx）等有害物質排放，部分靠港船舶按規定使用港口岸電，促進沿海和內河港口城市空氣質量持續改善。

1 國內外研究現狀

國內外學者開展了關于集裝箱碼頭綠色發展的相關研究，響應國家生態環保的發展要求。通過對比各類碼頭關于NOx、SOx以及固體顆粒物的排放情況，發現除了裝卸油、化學品的散貨碼頭以外，集裝箱碼頭是第二大類污染排放較多的碼頭，有必要對集裝箱碼頭節能減排技術進行改造升級[1]。集裝箱碼頭能源消耗是影響節能減排的主要因素之一，傳統的龍門吊、正面吊、拖車、叉車、裝卸橋等碼頭前沿或堆場設備，均需要消耗油等不可再生能源并產生污染物，如果采用電力技術改造設備，能有效減少能源消耗和污染排放，這也是目前集裝箱碼頭采取的主要改進技術[2]。以船舶岸電技術為例，使用電能能夠相對減少6.7%左右的能耗，以及67%NOx和45.9%SOx的排放。此外，龍門吊、岸橋等節能減排技術應用均有顯著的效果[3]。部分學者認為，目前節能減排任務艱巨，有必要建立綠色港口等級評價體系，形成港口節能減排的控制手段之一，綠色港口評價指標包括兩個層面，即數據層面和管理層面，前者主要圍繞節能減排的量化指標，后者主要指為實現節能減排采取的管理措施[4]。

集裝箱碼頭節能減排評價方法包括模糊評價法、層次分析法等，部分學者還圍繞節能減排建立了預警模型。在上海港節能減排研究中[5]，綜合考慮了碼頭節能減排的結構性、技術性和管理性因素，建立了上海港節能減排的綜合評價模型。此外，部分學者兼顧層次分析法和模糊評價法，進行港口節能減排評價的研究[6]，首先基于層次分析法建立節能減排的指標體系，其次基于模糊評價法開展節能減排效果評價研究。節能減排技術效果影響碼頭的生產安排和運營情況，基于多分類支持向量機建立碼頭節能減排預警模型[7]，幫助碼頭企業及時了解節能減排情況，在生產運營前預先作準備。綜合分析，模糊評價方法主要對碼頭節能減排的綜合因素進行分析，得出綜合評價的結果。層次分析法主要對碼頭節能減排進行層次劃分與量化分析，難點在于確定各項技術的權重。支持向量機主要從風險防控的角度研究碼頭節能減排對生產運行的影響。

以上這些研究主要從宏觀或中觀層面綜合分析碼頭節能減排效果，本文更關注微觀層面即節能減排技術自身的效果，分析節能減排技術相關投入，計算社會和生態產出效益，對比分析節能減排技術“投入—產出”效果，尋找較優技術單元，剖析部分技術弱效的原因，提出集裝箱碼頭節能減排的優化方案。

2 集裝箱碼頭節能減排技術分析

集裝箱碼頭設施設備包括裝卸橋、牽引車、掛車、跨運車、叉車、龍門吊等。各個港口對碼頭不同場所應用了相應的節能減排技術。

2.1 碼頭前沿的節能減排技術

天津港太平洋國際集裝箱碼頭對裝卸橋進行油改電以及GPS定位監控，實現油/電用量控制，及其作業時長和作業量查詢；連云港和上海外高橋港區是最早在碼頭應用變壓供電系統，提供船舶岸電的碼頭[8]。

2.2 堆場的節能減排技術

深圳鹽田國際集裝箱碼頭首個使用天然氣燃料驅動牽引車（LNG牽引車），優化了裝卸工藝流程、降低了設備能耗；寧波北侖集裝箱碼頭針對液壓系統功率損耗問題，改進系統并節約了堆高機的燃油消耗；大連港碼頭用ERTG（電驅動輪胎式龍門吊）取代傳統的油驅動的龍門吊[9,10]。

2.3 其他節能減排技術

連云港碼頭應用風光互補技術，進行綠色照明改造；應用加油站油氣回收技術，減少污染物排放；利用海水淡化技術，設置反滲透裝置的海水淡化設備，用于除塵、沖洗和船舶上水等[3]。

3 集裝箱碼頭節能減排技術效果評價

3.1 評價方法

數據包絡分析（Data envelopment analysis，簡稱DEA）是系統評價方法之一，主要從微觀層面出發，從相對效率概念出發，建立效率評價方法，根據生產投入和產出指標，對生產決策單元（Decision Making Unit，簡稱DMU）進行非參數效率評價，分析各DMU的優劣效果以及相對有效性[11]。由于各集裝箱碼頭運營情況不同，節能減排技術參數相對獨立，因此適合選擇DEA評價模型進行定量分析，明確集裝箱碼頭節能減排的主要技術決策單元。通過DEA評價體系構建，挖掘集裝箱碼頭節能減排技術經濟意義，為決策者提供參考，提高集裝箱碼頭的技術和管理效益。

與模糊綜合評價、層次分析法等其他系統評價方法相比，DEA評價更聚焦于具體技術單元的微觀研究，無需對權重指數進行解釋說明，得出各DMU的相對效果，但是不適用于綜合性、整體性研究，因此DEA評價更適合本文的研究思路，即量化各項節能減排技術，運用數據計算得出碼頭的社會生態效益情況。

3.2 評價指標

DEA評價指標包括投入指標和產出指標兩大類，且各指標之間必須相互獨立、互不影響。根據前文關于集裝箱碼頭節能減排技術[3,8-10]、節能減排指標[4]以及節能減排方法的分析[5-7]，總結分析得出集裝箱碼頭節能減排的相關評價指標。

1）投入指標

集裝箱碼頭節能減排的投入主要包括能耗使用以及設備作業的投入。能耗使用從量化角度來看，通過設備關于能耗的技術參數體現；設備作業從量化角度來看，通過碼頭設備作業量體現。據此，本文提出集裝箱碼頭節能減排的投入指標以設備技術參數（主要是能耗參數）和生產體量（主要是設備作業量）為主，具體如表1所示。

2）產出指標

集裝箱碼頭節能減排的產出指標主要包括能源節約和污染減少，能源節約主要體現為使用優化技術減少油耗，或者使用新能源和清潔能源從而減少能耗；污染減少主要是指NOx、SOx有害顆粒物等排放的減少。據此，本文提出集裝箱碼頭節能減排的產出指標以能源節約和污染減少為主，由于目前碼頭減排數據主要以碳排放為主，因此本文關于污染減少指標也以碳排放為主要指標，具體如表1所示。

表1 集裝箱碼頭設備和能源相關參數

3）指標對象

在選取集裝箱碼頭節能減排投入指標和產出指標基礎上，選取碼頭各場景下的節能減排技術。基于碼頭在前沿、堆場以及其他區域的節能減排技術相關分析，通過裝卸橋、牽引車、堆高機、龍門吊、區域照明等設備的技術改造或革新，充分利用新能源或清潔能源，能夠實現能源節約和污染減少，因此本文主要量化分析這些設備技術。

3.3 節能減排效果評價

1）評價指標的數據收集

結合前文關于集裝箱碼頭節能減排技術分析，其中龍門吊、牽引車、堆高機、照明設備等是碼頭集裝箱作業必要設備，目前節能減排技術從油改電、風光互補、技術優化等方面實現，部分技術數據通過第一部分的文獻資料可實現采集量化，據此提出本文主要研究的六項技術決策單位，分別是DMU1：龍門吊油改電技術；DMU2：LNG牽引車技術；DMU3：堆高機優化改進技術；DMU4：岸機船用供電技術；DMU5：碼頭照明設備風光互補技術；DMU6：海水淡化技術。

2）DEA建模與求解

設有n個（n=6）被評價的技術對象，每個決策單元有t種輸入和s種輸出。表示第i種輸入后第j個決策單元投入量表示第r種輸出后第j個決策單元產出量表示對第i種輸入的一種度量（權）；表示第r種輸出的一種度量（權）。決策單元分別是組權系數分別是每個決策單元對應的效率評價指數如式（1）：

決策單元效率評價優化模型如式（2）：

上述分式規劃通過Charnes-Cooper變換，形成等價線性規劃問題，通過對偶規劃形成式（3）：

以龍門吊油改電技術（DMU1）為例，DEA模型和規劃求解結果（表2）如下所示：

對每項節能減排技術進行DEA求解，匯總結果如表3所示。根據求解結果得出：碼頭堆高機系統改進、岸機船用供電和照明設備風光互補三項技術，技術效果均為1，表明這些優化技術能夠有效實現社會生態效益。然而，碼頭龍門吊油改電、LNG牽引車和海水淡化技術，技術效果沒有達到1，表明在節能減排效果上有待進一步改善。其中，碼頭龍門吊油改電技術對設備能耗要求過高，導致碳排放水平仍略高；LNG牽引車則由于集裝箱生產作業量較多，導致能耗消耗水平較高；海水淡化技術雖然滿足基本需求，但與原有技術相比，能耗節約和碳排放減少的效果并不明顯。

表3 集裝箱碼頭節能減排求解結果

4 優化集裝箱碼頭節能減排相關建議

4.1 行業引導，優化技術

1）挖掘技術潛力，釋放技術活力

部分設備的技術投入與節能減排產出尚存在差距，例如龍門吊油改電技術投入存在冗余，導致技術效果仍顯不足；又例如海水淡化技術節能減排產出存在不足，導致技術效果沒有實現最佳。建議集裝箱碼頭以高利用、低消耗、低排放為整體目標，進一步優化改進設施設備技術，最大化實現節能減排效果，例如，研究龍門吊利用乳化油等技術替代手段；進一步擴大海水淡化技術在碼頭、船舶等場景的應用。

2）拓展新能源和清潔能源的應用

對于技術效果較優的新能源和清潔能源，應進一步拓展應用范圍，例如應用岸機船用供電系統顯著降低了港口城市的大氣和噪聲污染，應用風光互補技術既節約了電能又降低了碼頭運營成本，節能減排均效果顯著（技術效果均為1）。建議復制與推廣上述先進技術經驗，為集裝箱碼頭創造更大的社會和生態效益。

4.2 企業主導，優化運營

1）合理匹配碼頭供需結構

堆場區域節能減排效果仍存在一些不足，例如LNG牽引車的運輸作業存在冗余（技術效果0.54，小于1），影響了堆場區域節能減排的整體效果。建議集裝箱碼頭根據實際作業需求，合理匹配碼頭裝卸運輸等作業的供需結構，避免重復建設和盲目競爭，通過集裝箱碼頭運營結構的調整優化，進一步提高節能減排效益，例如，合理計算LNG牽引車的投入量，應綜合考慮高峰期、淡旺季等特殊時期的作業需求。

2）技術投入和日常管理“兩手抓”

一方面，注重先進技術的合理利用，根據碼頭作業要求進行技術優化，轉變生產方式，滿足集裝箱碼頭發展需求；另一方面，將碼頭運營管理與節能減排目標相結合，落實到責任主體，負責日常運營或監督工作，實現碼頭節能減排的有效管理。

5 結論

集裝箱碼頭采用節能減排技術，符合國家關于生態環保和綠色交通的發展要求，有利于港口的可持續發展。集裝箱碼頭設施設備具有資金需求量大、規模大、作業量多、耗能高、排放量大等特點，通過量化研究節能減排技術有效性，挖掘有效技術并改進弱效技術，提高集裝箱碼頭的社會和生態效益。基于龍門吊油改電技術、LNG牽引車技術、堆高機優化改進技術、岸機船用供電技術、照明設備風光互補技術以及海水淡化技術的分析，認為未來集裝箱碼頭應進一步挖掘技術潛力并釋放技術活力，拓展新能源和清潔能源應用范圍，合理匹配碼頭技術投入與作業需求之間的結構，注重技術投入和日常管理的有效結合。同時，本文主要從微觀層面研究技術能耗、生產作業與生態效益之間的影響，未來隨著港口自動化水平的提高，碼頭整個生產系統之間的協同性要求更高，各項技術之間的關聯性影響需要同步考慮，進一步整體深入挖掘新技術的社會生態效益。