核動力集裝箱船經(jīng)濟性分析

周盛，劉六井，洪金華

（1武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北武漢430063; 2．武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢 430063）

0 引言

目前，國際石油供應緊張，油價高速增長，而我國是貧油國家，國內(nèi)燃油無法滿足經(jīng)濟發(fā)展的需求，石油對外依存度高達55%。我國遠洋船舶運輸動力主要以燃油為主，油價的上漲增加了船舶航運成本。與此同時，隨著國際組織對航運業(yè)減排要求的提高，普通燃油商船面臨嚴峻考驗，亟需可替代能源去適應時代發(fā)展的需求。

核動力船舶是綠色船舶，具有無溫室氣體排放的顯著優(yōu)點。相比普通燃油商船，核動力商船的建造和運行需要消耗巨額資金。因此，分析和比較核動力商船與普通燃油商船的運行成本具有十分重要的意義。本文以9200TEU集裝箱船為目標船型，針對普通燃油集裝箱船和核動力集裝箱船，在全壽期內(nèi)對其運行費用進行分析和比較，為核動力集裝箱船的實際應用提供基礎。

1 商船運行費用分析

1．1 目標船型

核動力商船可應用的船型主要包括集裝箱船和油船等大型運輸船舶。本文以9200TEU集裝箱船為目標船型，壽期25年，相關運行參數(shù)見表1［1］。

假設該集裝箱船掛靠東南亞港口，進行跨太平洋航線定期服務，每航次在海上航行30天，掛靠港口12天，每年完成8．7個航次，船舶以經(jīng)濟航速22．5 kn運行，海上航行每天油耗約為180 t，在港口每天消耗4 t［2］。

1．2 運行費用主要構(gòu)成

商船運行費用分析研究對象為普通燃油集裝箱船與核動力集裝箱船。商船運行費用主要分為3類:

1）建造投資費用。主要包括船舶動力裝置與船體投資費用，其中商船建造投資費用應含有銀行利息。同時商船拆卸回收費用需扣除。對于核動力商船，退役費用應包含在內(nèi)。

2）燃料費用。對于普通商船，燃料費用為重油燃燒的費用，核動力商船燃料費用為核燃料燃燒的費用，其中核燃料的富集度為16．5%，核燃料的成本計算不包含核燃料的后處理費用。

3）運行與管理費用。運行與管理費用包含人員管理費用、維護保養(yǎng)、潤料費、港口使用費等，主要以人員管理費用和維修保養(yǎng)費用為主。此外，核動力商船運行與管理費用還包括換料費。

全壽期運行費用為建造投資費用（含利息）、燃料成本費用和運行管理費用之和。

1．3 影響因素

商船的運行費用應為全壽期的運行費用。由于國際能源供應形勢的變化，油價被認為是商船運行費用中變化幅度最大的因素。因此，在全壽期內(nèi)，鑒于油價的不確定性，普通商船與核動力商船運行費用之間的比較，通常假定油價固定不變。除此之外，商船建造投資的銀行利息會提高商船的運行費用;核燃料價格與商船的運行管理費用的波動同樣也會對商船運行費用產(chǎn)生影響。這些影響商船運行費用的因素，文章中都做了相應假設。

2 全壽期運行費用估算［3］

2．1 建造投資費用

1）船舶動力裝置投資費用

普通商船主機約占船舶總造價的16%［4］，其中大型集裝箱船主機所占比例更低。普通燃油集裝箱船動力推進裝置及相關設備價格約為1 500萬美元。

核動力集裝箱船核動力裝置投資按每kW投資費用計算，根據(jù)相關資料［5］，集裝箱船核動力裝置投資每kW約為2 500美元。因此，功率為61．7MW的集裝箱船核動力裝置投資費用約為15 425萬美元。

2）船體建造費用

普通集裝箱船與核動力集裝箱船船體結(jié)構(gòu)有所不同，但其投資費用相差較小，假定船體建造費用都約為9 000萬美元［6］。

3）銀行利息費用

船舶動力裝置與船體建造費用之和為設備總投資額。銀行利息按5%進行計算，且假定10年內(nèi)償還所有債務。所需支付的利息如表2所示。

4）拆卸回收費。拆卸回收費是指船舶退役后，拆卸該船所得收益。燃油集裝箱船拆卸回收費用為1 000萬美元［7］，核動力集裝箱船為2 000萬美元［8］。

5）退役費用。燃油集裝箱船無退役費用，核動力集裝箱船退役費用約為4 500萬美元［9］。

綜上所述，燃油集裝箱船與核動力集裝箱船建造投資成本計算表如表3所示。

2．2 燃料費用

2.2.1 普通燃油集裝箱船燃料費用

油價:假定集裝箱船全壽期內(nèi)燃油價格為480美元/t，即80美元/桶。

耗油量:該船每航次在海上航行30天，掛靠港口12天，每年完成8．7次航次，海上航行每天油耗約為180 t，在港口每天消耗4 t。每年耗油量為4．74萬t。

燃油成本:每年燃油成本約為2 150萬美元，全壽期內(nèi)燃油成本約為5．374 5億美元。

2.2.2 核動力集裝箱船核燃料費用

1）核燃料價格

核燃料價格主要包括核燃料循環(huán)的前端和后端，核燃料循環(huán)的前端主要是核燃料組件的生產(chǎn)，核燃料循環(huán)的后端主要是乏燃料的后處理。核燃料組件的生產(chǎn)包括原料購置，轉(zhuǎn)換，濃縮，元件制造4個階段。本文的核燃料價格不考慮乏燃料后處理。

1 kg富集度為16．5%的核燃料需消耗約39 kg天然鈾，分離功約為30SWU［10］。天然鈾單價以50美元/磅計算［11］，元件制造費400美元/kg［12］，轉(zhuǎn)換費3．2美元/kg，分離功費110美元/kg［13］。經(jīng)計算，1 kg富集度為16．5%的核燃料單價為8 086美元。

2）核燃料消耗量

核燃料消耗量主要與壓水堆的輸出功率，鈾燃耗深度，熱效率以及運行的天數(shù)有關，計算公式和詳細過程可參見文獻［14］。

在已建造的核動力商船中，核燃料燃耗深度約為7 000 MWd/t［15］，核燃料的富集度約為4%左右，如陸奧3．99%，薩瓦納4．4%，奧拓漢4．03%［16］。其中，奧拓漢最大輸出軸功率為8 MW，堆芯壽期500滿功率天，裝料量約為2．98 t［16］。

根據(jù)目前可應用于船舶的壓水堆技術(shù)水平，鈾濃度約為16．5%，燃耗為95 GWd/t［17］。核動力集裝箱船推進功率為61．7 MW，鈾濃度約為16．5%，熱效率為25%。換料周期為5年。普通燃油船舶每年滿功率運行天數(shù)為300天，核動力裝置燃料的填裝量應考慮核燃料功率的持續(xù)性，應假定每年滿功率運行365天，同時在設計中還需留有一定的裕量，經(jīng)計算，集裝箱船核動力裝置換料量約為4．7 t。

3）核燃料成本

每5年核燃料成本約為4 023．9萬美元，全壽期25年內(nèi)核燃料成本約為1．9億美元。

綜上所述，全壽期核動力集裝箱船與普通燃油集裝箱船燃料費用計算如表4所示。

2．3 運行與管理費用

2.3.1 燃油集裝箱船運行與管理費用

人員工資:若燃油集裝箱船約有20名船員，平均每人每年2．143萬美元（約合15萬人民幣）［18］，每年該船人員總工資42．85萬美元，全壽期內(nèi)人員工資1 285萬美元。

維修費用:普通遠洋船舶維修費用占船舶固定費用（不含燃油費用）15%［19］，大型集裝箱船維修費用占船舶固定費用應較低，則全壽期維修費用約為2 200萬美元。

潤料費:燃油遠洋船舶潤料費約為燃料費的5%左右［20］，越大功率的船比例越小。大型集裝箱船潤料費所占比例應較低，全壽期燃油集裝箱船潤料費約為1 000萬美元。

其他費用:通常包括各種零星的船舶費用，如淡水供應、航行工具費用、海圖及郵電費用等，大約占總成本的2%～5%［20］。全壽期其他費用估計2 500萬美元

2.3.2 核動力集裝箱船運行與管理費用

人員管理費用:若核動力集裝箱船約有25名船員，平均每人每年2．857萬美元（約合20萬人民幣），每年該船人員總工資71．43萬美元，全壽期內(nèi)人員工資2 142萬美元。

換料費用:核動力船每5年更換1次核燃料，每次更換大約需600萬美元，持續(xù)時間為35～40天［7，21］。全壽期內(nèi)換料費約3 000萬美元。

維修費用:核動力集裝箱船的維修費用應包括船體維修和核動力裝置維修。船體維修假定與普通燃油集裝箱船維修費用相同，核電站大維修費用比例為1．35%［22］，核動力裝置維修費用比例應較高，全壽期維修費用約為2 700萬美元。

潤料費:核動力集裝箱船采用核動力裝置和汽輪機推進，潤滑油的使用很少，潤料費可忽略不計。

其他費用:與普通燃油集裝箱船相同，全壽期其他費用估計2 500萬美元

綜上所述，核動力集裝箱船與普通燃油集裝箱船運行與管理費用計算如表5所示。

2．4 全壽期運行費用計算

全壽期運行費用為全壽期建造總投資（含利息）、全壽期燃料費和全壽期運行管理費用之和。綜上所述，全壽期燃油集裝箱船與核動力集裝箱船運行費用計算如表6所示。

3 全壽期運行費用經(jīng)濟性分析

根據(jù)上述計算，將核動力集裝箱船與燃油集裝箱船全壽期運行費用繪制成柱狀圖，如圖1所示。

根據(jù)核動力集裝箱船與燃油集裝箱船全壽期運行費用數(shù)據(jù)表，可以得出以下結(jié)論:

圖1 核動力集裝箱船與燃油集裝箱船全壽期經(jīng)濟性比較Fig．1Nuclear power container ship and fuel container ship's lifecycle economic analysis diagram

1）由圖中可以看出，在全壽期內(nèi)，核動力集裝箱船相比燃油集裝箱船具有較好的經(jīng)濟性。

2）核動力集裝箱船建造總投資（含利息）費用約為普通燃油集裝箱船建造總投資（含利息）費用的2．716倍。其中核動力集裝箱船的新建投資約占總運行費用的60%。

3）普通燃油集裝箱船全壽期燃料成本費用比核動力集裝箱船全壽期燃料成本費用大，且燃料費用比例會隨油價的變化而劇烈變化。普通燃油集裝箱船燃油成本占總成本的比例超過70%，若油價上漲30%，可導致總成本上漲超過20%。

4）核動力集裝箱船全壽期運行與管理費用比普通燃油集裝箱船運行與管理費用大，同時，商船的運行與管理費用對全壽期內(nèi)的總運行成本不產(chǎn)生大的影響。

5）當油價高于367美元/t時，核動力集裝箱船25年全壽期內(nèi)的總運行成本低于傳統(tǒng)燃油集裝箱船的總運行成本，具有較好的經(jīng)濟性。

4 結(jié)語

本文通過對富集度為16．5%的核動力集裝箱船與普通燃油集裝箱船全壽期內(nèi)運行成本費用進行分析得出:當油價高于367美元/t時，核動力集裝箱船船25年全壽期內(nèi)的總運行成本低于傳統(tǒng)集裝箱船的總運行成本，具有較好的經(jīng)濟性。

此外，核動力船舶可以在實現(xiàn)船舶高速化的情況下，核燃料消耗幾乎不變。相比之下，普通燃油船舶若航速增加，油耗將大幅上漲。由此可見，隨著國際石油價格的飛漲，以及國際對節(jié)能減排要求的不斷提高，核動力船舶具有不可比擬的優(yōu)勢。

［1］國際船舶網(wǎng)．http://www．eworldship．com/type/default_ d．a(chǎn)sp?id=1047，［EB/OL］．

［2］李勝．集裝箱船輪機維修保養(yǎng)管理研究［D］．大連:大連海事大學，2007．

［3］DNV．Nuclear powered ships-a feasibility study［R］．Norway:DNV，2010，45-80．

［4］楊尚領．新船價格波動機理的研究［D］．江蘇:江蘇科技大學，2007．

［5］HORI H．Feasibility of a nuclear ship at crude oil price $100 per barrel［Z］．Kobe University，Japan，2008．

［6］英國克拉克公司［Z］．中國船舶重工集團公司，2011．

［7］ANITROPOV V，LYSENKO N，KISELEV A．Specific design and technological features of dismantle of the big nuclear ship“Ural”［Z］．TsNllTS，Russia，2005．

［8］SAWYER G A，SHIRLY J，STROUD J，et al．Analysis of high-speed trans-pacific nuclear containership service［Z］．USA:General Management Partners LLC．C．B．McKesson，CCDoTT，2008．

［9］DNV internal report．Nuclear powered ships-a feasibility study norway［Z］．DNV，2010．70-71．

［10］王成孝．核能與核技術(shù)應用［M］．北京:原子能出版社，2002．236．

［11］季彪，劉傳德．核燃料循環(huán)成本與核電的競爭力［J］．中國核電，2010，3（3）:271．JI Biao，LIU Chuan-de．The cost of fuel cycle and competitiveness of nuclear power［J］．China Nuclear Power，2010，3（3）:271．

［12］戴忠信．國產(chǎn)壓水堆核電站核燃料元件經(jīng)濟性的幾個問題的思考［J］．南華大學學報（自然科學版），2011，12 （1）:1-2．

DAI Zhong-xing．Thinking about the economic efficiency of nuclear fuel elements made in China in PWR nuclear power plant［J］．Journal of University of South China（Social Science Edition），2011，12（1）:1-2．

［13］王成孝．核能與核技術(shù)應用［M］．北京:原子能出版社，2002．312．

［14］劉學剛，徐景明，等．2020年前我國核燃料循環(huán)情景初步研究［J］．核科學與工程，2005，25（2）:20-26．

LIU Xue-gang，XU Jing-ming，et al．Preliminary study on nuclear fuel cycle scenarios of China before 2020［J］．Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，2005，25（2）:20-26．

［15］龐鳳閣，彭敏?。昂藙恿ρb置［M］．哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2000．233．

［16］龐鳳閣，彭敏俊．船舶核動力裝置［M］．哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2000．232．

［17］劉志銘，丁亮波．世界小型核電反應堆現(xiàn)狀及發(fā)展概況［J］．國際電力，2005，9（6）:28．

LIU Zhi-ming，DING Liang-bo．The current status and future development of small nuclear power reactors［J］．International Electric for China，2005，9（6）:28．

［18］航運信息網(wǎng)．http://www．csi．com．cn/face/hyzxNews/ 20110901162638［EB/OL］．html．

［19］董振華．船舶維修保養(yǎng)技術(shù)經(jīng)濟性研究［D］．大連:大連海事大學，2009．

［20］譚宇．船舶營運成本的分析與控制［D］．大連:大連海事大學，2005．8-9．

［21］SAWYER G A，SHIRLY J，STROUD J，BARTLETT E．Analysis of high-speed trans-pacific nuclear containership service［Z］．USA:General Management Partners LLC．C．B．McKesson，CCDoTT，2008．

［22］汪倫伍．核電與火電發(fā)電成本比較［J］．核工程研究與設計，2008，（01）:65-67．

WANG Lun-wu．Nuclear power and coal power generation cost comparison［J］．Research＆Design of Nuclear Engineering，2008，（1）:65-67．