綜合考慮SO2排放和燃油成本的船舶航速優(yōu)化

曹彬彬, 董 崗

(上海海事大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 上海 201306)

航運(yùn)業(yè)在國(guó)際貿(mào)易中的地位日益顯著，集裝箱班輪運(yùn)輸在航運(yùn)業(yè)中占有的份額較大，隨之帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)在2014年溫室氣體研究報(bào)告中指出全球大約有12%的SO2排放量來(lái)自于航運(yùn)業(yè)，而且比例還在不斷增加。[1]為推進(jìn)綠色航運(yùn)和節(jié)能減排，改善我國(guó)沿海和沿河區(qū)域特別是港口城市的環(huán)境空氣質(zhì)量，我國(guó)于2016年劃定珠三角、長(zhǎng)三角和環(huán)渤海(京津冀)水域等3個(gè)船舶排放控制區(qū)(以下簡(jiǎn)稱ECA)，規(guī)定自2019年起,船舶在排放控制區(qū)域航行及靠泊階段使用含硫量不高于0.1%的燃料油。該方案的頒布使船舶運(yùn)營(yíng)商燃油成本在一定程度上有所增加[2]，由于船舶航行速度對(duì)燃油成本及船舶污染物的排放有重要影響，運(yùn)營(yíng)商為達(dá)到政府規(guī)定的排放要求并使燃油成本增加幅度降低，有效的措施是在船舶排放控制區(qū)內(nèi)降低航行速度進(jìn)而減少在該區(qū)域內(nèi)低硫燃油的消耗量。

目前，諸多學(xué)者關(guān)注船舶航行速度對(duì)燃油成本的影響并對(duì)其進(jìn)行研究。PSARAFTIS等[3]認(rèn)為隨著燃油成本的增加和環(huán)境問(wèn)題受到更多的重視，船速的優(yōu)化問(wèn)題和模型構(gòu)建研究也越來(lái)越多。WENA等[4]考慮燃油價(jià)格、時(shí)間和船舶載重量對(duì)燃油消耗量的影響等不同情況下的航速優(yōu)化問(wèn)題。RONEN等[5]認(rèn)為燃油消耗與航行速度之間存在三次方關(guān)系并運(yùn)用模型探究船舶速度及燃油價(jià)格與船舶運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)成本之間的關(guān)系。CARIOU等[6]指出船舶航速是影響船舶運(yùn)營(yíng)成本的主要變量，速度降低可節(jié)約燃料，減少成本和船舶廢氣的排放。MARJORIE等[7]的研究結(jié)果表明,在SECA內(nèi)外區(qū)分速度的航行方式比始終勻速航行節(jié)約燃料成本，在低硫燃料價(jià)格變得更為昂貴時(shí)，這種節(jié)約成本的方式更為有效。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，分析在船舶排放控制區(qū)域內(nèi)外區(qū)分航速方案下的燃油成本，并采用自上而下統(tǒng)計(jì)法計(jì)算對(duì)應(yīng)的SO2污染物排放量以量化環(huán)境效益。最后,對(duì)船舶在排放控制區(qū)內(nèi)航行距離以及低硫燃油的價(jià)格進(jìn)行敏感性分析[8]，得出區(qū)域內(nèi)外航速的優(yōu)化能夠使整個(gè)航程燃油成本顯著下降的結(jié)論，尤其是當(dāng)船舶在區(qū)域內(nèi)航行距離比例較大且低硫油的價(jià)格較高時(shí)，航速優(yōu)化能使運(yùn)營(yíng)商成本的增加幅度明顯降低，另一方面帶來(lái)的問(wèn)題是在燃油成本減少的同時(shí)SO2排放量增加。

1 基本假設(shè)

1) 船舶在ECA內(nèi)航行時(shí)，主機(jī)使用低硫燃油MGO(含硫量0.1%)作為燃料；在ECA外航行時(shí),主機(jī)使用高硫油HFO即IFO 380(含硫量3.5%)作為燃料。

2) 整個(gè)航行及靠泊階段副機(jī)使用MGO作為燃料，在靠泊階段主機(jī)不消耗燃料。

3) 船舶無(wú)論是在ECA內(nèi)還是在ECA外,均為勻速航行。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型參數(shù)

2.2 參數(shù)關(guān)系

船舶在ECA內(nèi)外航行的時(shí)間分別為

(1)

若要保證船舶運(yùn)營(yíng)商服務(wù)的頻率不變且不額外增加船舶數(shù)量，即船舶在整個(gè)航程中航行時(shí)間保持不變，此時(shí)船舶在ECA內(nèi)外航行速度之間的關(guān)系為

(2)

2.3 SO2排放量及燃油成本

2.3.1SO2排放量

在船舶燃料消耗中，主機(jī)燃油消耗約占87%，副機(jī)燃油消耗約占11%，因此,由主機(jī)和副機(jī)燃油排放的SO2排放量基本代表全船SO2排放量。[9]本文模型只考慮船舶主機(jī)和副機(jī)在整個(gè)航程中的SO2排放量,有

(3)

高硫油HFO(含硫量3.5%)的硫排放因子為ηHFO=70 g/kg；低硫油MGO(含硫量0.1%)的硫排放因子為ηMGO=2 g/kg。[10]

2.3.2主機(jī)燃油成本

MARJORIE等[7]指出，船舶主機(jī)日常燃料消耗與航行速度的三次方成正比；船舶在ECA內(nèi)外航行時(shí)主機(jī)燃油消耗量和燃油成本分別為

(4)

2.3.3副機(jī)燃油成本

船舶在ECA內(nèi)外航行時(shí)副機(jī)燃油消耗量及燃油成本分別為

(5)

2.4 航速變化情況下的燃油成本及SO2排放量

1) 目前階段船舶在ECA外航行時(shí)使用HFO(IFO 380)，而在ECA內(nèi)航行和靠泊階段使用MGO。計(jì)算此時(shí)的燃油成本及SO2排放量為

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

2) 對(duì)于單艘船舶而言，在整個(gè)航程中從一個(gè)港口到另一個(gè)港口的服務(wù)時(shí)間保持不變也即在不增加船舶數(shù)量的情況下改變船速，即船舶在ECA區(qū)域內(nèi)減速為vECA而在ECA區(qū)域外加速為vi。計(jì)算此時(shí)的燃油成本及SO2排放量為

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

3 航速優(yōu)化實(shí)例

船舶MSC Linzie從事歐洲到南美的集裝箱班輪運(yùn)輸業(yè)務(wù)。兩港口之間的距離為13 000 n mile，船舶額定載重量為5 500 TEU，實(shí)際載重量為額定載重量的85%，主機(jī)功率為49 800 kW，主機(jī)燃油消耗速率為206 g/(kW·h)，主機(jī)負(fù)載系數(shù)為0.8，副機(jī)功率為2 433 kW，副機(jī)燃油消耗速率為221 g/(kW·h)，副機(jī)負(fù)載系數(shù)為0.5。在ECA內(nèi)航行距離為1 700 n mile，最大設(shè)計(jì)航速為25 kn，船舶正常航行時(shí)的速度為20 kn。2017年12月鹿特丹港IFO380的燃油價(jià)格為347美元/t,而MGO的燃油價(jià)格為539美元/t，根據(jù)《運(yùn)輸船舶燃油消耗量第1部分：海洋船舶計(jì)算方法》[12]可知,對(duì)于集裝箱類(lèi)型船舶α為0.90～0.98，本文令α=0.9船舶在港口停留的時(shí)間為10 h。

若為保證船舶運(yùn)營(yíng)商服務(wù)的頻率不變，通過(guò)在ECA內(nèi)減速航行而在區(qū)域外加速航行。由以上數(shù)據(jù)得出船舶在ECA內(nèi)外的速度關(guān)系見(jiàn)圖1，且由此可得出船舶在ECA內(nèi)航速與整個(gè)航程燃油消耗量、燃油成本和SO2排放量之間的關(guān)系分別見(jiàn)圖2～圖5。不同航速下燃油成本及SO2排放量的情況見(jiàn)表1。利用軟件Mathematical 9.0對(duì)燃油成本函數(shù)進(jìn)行求解得到航速最優(yōu)解為17.64 kn，此時(shí)的燃油成本為1 091 894.65美元,燃油消耗量為2 889.15 t,SO2排放量為171 538.00 t。

圖1描述船舶在排放控制區(qū)域內(nèi)外航行時(shí)的速度呈反比例關(guān)系，即在排放控制區(qū)域內(nèi)減速時(shí)在不額外增加船舶數(shù)量的情況下,保證運(yùn)營(yíng)商服務(wù)的頻率不變則必須相應(yīng)地在控制區(qū)外增加船舶的速度。

圖2 ECA內(nèi)航行速度與燃油消耗量關(guān)系圖3 ECA航速與總?cè)加统杀镜年P(guān)系

圖4 ECA內(nèi)航速與ECA內(nèi)SO2排放量關(guān)系圖5 ECA內(nèi)航速與SO2排放量的關(guān)系

表1 不同航速情況下燃油成本及SO2排放量

圖2中:虛線表示ECA內(nèi)航速與控制區(qū)內(nèi)燃油消耗量的關(guān)系;實(shí)線表示ECA內(nèi)航速與總?cè)加拖牧恐g關(guān)系。由圖2可知：ECA內(nèi)航速與排放控制區(qū)內(nèi)燃油消耗量呈正比關(guān)系，在ECA內(nèi)不斷降低航速時(shí),總?cè)加拖牧吭谠黾印?/p>

圖3描述船舶在ECA內(nèi)航速與總?cè)加统杀局g的關(guān)系。由圖2可知,在整個(gè)航程中燃油消耗量是增加的,但由于船舶在區(qū)域內(nèi)主機(jī)要使用相對(duì)于高硫油HFO價(jià)格昂貴的低硫油MGO從而整個(gè)航程燃油成本減少。由圖3可知：船舶在ECA內(nèi)航行時(shí)速度減小到17～18 kn時(shí)燃油成本減小最多。

圖4和圖5描述船舶在ECA內(nèi)的航速與ECA內(nèi)及總SO2排放量之間的關(guān)系，當(dāng)區(qū)域內(nèi)的速度不斷降低時(shí)區(qū)域內(nèi)的SO2排放量呈下降趨勢(shì)。由于高硫油的硫排放因子遠(yuǎn)高于低硫油的硫排放因子且排放控制區(qū)域外燃油消耗量高于區(qū)域內(nèi)燃油消耗量，因此，整個(gè)航程SO2排放量呈遞增趨勢(shì)。

4 敏感性分析

排放控制區(qū)域內(nèi)外區(qū)分航速航行時(shí)整個(gè)航程的燃油成本及帶來(lái)的SO2排放量受諸多因素的影響。船舶在ECA內(nèi)航行的距離將對(duì)整個(gè)航程的燃油成本及SO2排放量產(chǎn)生直接的影響；且上述算例分析中的高硫油HFO及低硫油MGO的價(jià)格是基于鹿特丹港2017年12月2日數(shù)據(jù)，由于不同類(lèi)型的燃油價(jià)格波動(dòng)較大,故對(duì)船舶在ECA內(nèi)航行的距離、低硫燃油的價(jià)格進(jìn)行敏感性分析。

4.1 船舶在ECA內(nèi)航行距離的敏感性分析

ECA范圍對(duì)整個(gè)航程總?cè)加统杀炯癝O2排放量的敏感性分析分別見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 ECA范圍與燃油成本的敏感性分析圖7 ECA范圍與SO2排放量的敏感性分析

由圖6可知:當(dāng)船舶在ECA內(nèi)航行距離增加也即船舶在ECA內(nèi)航行距離占整個(gè)航程的比例增加時(shí)，隨著ECA內(nèi)航速的不斷降低船舶運(yùn)營(yíng)商的燃油成本呈上升趨勢(shì)。

由圖7可知:當(dāng)船舶保持最優(yōu)航速不變，船舶在ECA內(nèi)航行距離增加時(shí)整個(gè)航程的SO2排放量呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，而隨著航速的不斷降低，整個(gè)航程的SO2排放量呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，因此,船舶在排放控制區(qū)內(nèi)航行距離對(duì)整個(gè)航程燃油成本及SO2排放量影響很大，降低航速不一定能夠使船舶運(yùn)營(yíng)商的燃油成本上升的幅度減小。

4.2 低硫燃油價(jià)格敏感性分析

敏感性分析結(jié)果見(jiàn)圖8，當(dāng)高硫油的價(jià)格保持不變時(shí)，低硫油與高硫油的差價(jià)越大,船舶運(yùn)營(yíng)商的燃油成本也越大。同時(shí),當(dāng)?shù)土蛴蛢r(jià)格越高且燃油差價(jià)越大,運(yùn)營(yíng)商的燃油成本也越大。由此可看出燃油價(jià)格對(duì)船舶運(yùn)營(yíng)商的燃油成本具有很大的影響。

圖8 低硫燃油價(jià)格敏感性分析

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析船舶運(yùn)營(yíng)商在不額外增加船舶數(shù)量的情況下降低在ECA內(nèi)的航行速度從而在控制區(qū)外增加航速的方法來(lái)使自身成本減小，通過(guò)算例分析得出,船舶運(yùn)營(yíng)商在排放控制區(qū)內(nèi)航行速度為17.64 kn時(shí)燃油成本降低最多,但此時(shí)整個(gè)航程的SO2排放量呈遞增趨勢(shì)。最后對(duì)船舶在ECA內(nèi)航行距離及低硫油與高硫油的燃油差價(jià)進(jìn)行敏感性分析，經(jīng)過(guò)分析得出,低硫油與高硫油燃油差價(jià)越大時(shí),在排放控制區(qū)域內(nèi)外進(jìn)行航速優(yōu)化能使運(yùn)營(yíng)商燃油成本降低最多,但整個(gè)航程SO2排放量呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。

另外，隨著各國(guó)對(duì)海洋環(huán)境問(wèn)題重視的程度逐漸加深，ECA區(qū)域?qū)?huì)越來(lái)越大，因而在ECA內(nèi)降低航速和ECA外提高航速調(diào)節(jié)功能越來(lái)越弱，這就需要航運(yùn)界的科研工作者積極探索其他解決辦法，例如使用排煙清洗器等可作為未來(lái)的研究方向。