岸電建設(shè)運(yùn)營(yíng)各方成本效益最優(yōu)化分析及江湖海岸電特性比較

胡曉青，王蓓蓓，黃俊輝，阮文駿，孔 赟，周哲遠(yuǎn)

1. 國(guó)網(wǎng)無錫供電公司，江蘇 無錫 214000；2. 東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；3. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210024；4. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024；5. 國(guó)網(wǎng)鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224002)

0 引言

目前，我國(guó)面臨的環(huán)境壓力日益增大，尤其是近年來出現(xiàn)的長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的嚴(yán)重霧霾天氣，引起了全民關(guān)注。對(duì)于港口城市而言，船舶靠港期間使用輔機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的污染物排放是空氣污染的重要來源。根據(jù)國(guó)際自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)(NRDC)的報(bào)告[1]，以中大型集裝箱船為例，一艘船使用3.5%含硫量燃油，其靠港期間的PM2.5排放量相當(dāng)于50萬輛大型貨車。上海港進(jìn)出的各類船舶排放的SO2、NOx和PM2.5占上海市大氣污染物總量的比例分別為12.0 %、9.0 %和5.3 %[2]?？扛鄞爱a(chǎn)生的巨大能源浪費(fèi)和環(huán)境污染使得船舶在港口停泊期間的節(jié)能減排工作日益緊迫。而電能具有清潔、便捷的優(yōu)勢(shì)，使用岸電是解決這一問題的有效途徑。

岸電是指船舶在靠港期間停用船上輔機(jī)發(fā)電，而采用陸地電源對(duì)其進(jìn)行供電[3]，以維持船上照明、制冷、裝卸貨等所有設(shè)備的電力需求。使用岸電進(jìn)行船用燃油電能替代，能夠顯著減少港口污染氣體排放、降低船舶燃料成本，同時(shí)能夠增加電網(wǎng)公司的電量營(yíng)銷，具有顯著的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。2016年5月，國(guó)家八部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)電能替代的指導(dǎo)意見》(簡(jiǎn)稱《意見》)，為岸電電能替代提供了有利的環(huán)境和重大的機(jī)遇?！兑庖姟访鞔_指出靠港船舶使用岸電等電能替代對(duì)推動(dòng)能源消費(fèi)革命、落實(shí)國(guó)家能源戰(zhàn)略、促進(jìn)能源清潔化發(fā)展有重大的意義，是提高電煤比重、控制煤炭消費(fèi)總量、減少大氣污染的重要舉措。

在岸電電源的逆變控制方面，文獻(xiàn)[4]提出了一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的岸電逆變器控制策略，采用二階機(jī)電暫態(tài)模型，引入轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使得岸電逆變器具有與柴油發(fā)電機(jī)相似的電氣和機(jī)械特性;文獻(xiàn)[5]研究了高壓岸電電源的大功率電力電子變頻穩(wěn)壓、快速連接技術(shù)和岸電的無縫切換技術(shù)；文獻(xiàn)[6]針對(duì)岸電電源逆變波形控制提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂坪捅壤?積分-微分(PID)控制相結(jié)合的復(fù)合波形控制策略。在岸電改造技術(shù)方案方面，文獻(xiàn)[7]介紹了實(shí)施岸電技術(shù)所需的相關(guān)船舶和岸側(cè)設(shè)施改造的步驟；文獻(xiàn)[8]研究了船舶進(jìn)行岸電連接技術(shù)操作和安全上的問題。在岸電排放與環(huán)境效益方面，文獻(xiàn)[9]考慮船舶使用岸電后火電行業(yè)的能耗和排放，分析船舶使用岸電技術(shù)的節(jié)能減排效果；文獻(xiàn)[10]比較了船舶靠港期間使用燃料電池、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、船載輔機(jī)、電網(wǎng)供電4種方式發(fā)電的污染物排放量，結(jié)果顯示使用岸電最為環(huán)保；文獻(xiàn)[11]指出高雄港采用岸電系統(tǒng)后CO2和PM2.5排放量分別降低了57.2%和39.4%；文獻(xiàn)[12]分析了多倫多港船舶靠泊及排放數(shù)據(jù)以說明使用岸電的合理性。目前關(guān)于岸電研究的文獻(xiàn)還不多，且絕大多數(shù)停留在技術(shù)層面的分析和應(yīng)用層面的介紹，還沒有文獻(xiàn)對(duì)岸電系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)營(yíng)各方進(jìn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析。

本文的主要貢獻(xiàn)在于首次對(duì)岸電系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)營(yíng)的各方進(jìn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析，理清了各方投資、效益和收益的問題。本文構(gòu)建了使用岸電對(duì)靠港船舶進(jìn)行供電的各方的數(shù)學(xué)模型，分析了對(duì)港口上的高壓電氣設(shè)備和船舶上的低壓電氣設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的建設(shè)、改造所需的成本，以及整套岸電系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，運(yùn)用經(jīng)濟(jì)最優(yōu)原理逐個(gè)分析使用岸電后電網(wǎng)公司、港口、船舶和政府四方的成本效益，計(jì)算使各方都受益的最優(yōu)岸電電價(jià)。算例部分分析了政府補(bǔ)貼率、岸電利用小時(shí)數(shù)與最優(yōu)岸電電價(jià)以及各方利潤(rùn)之間的關(guān)系，從多個(gè)角度比較了海港岸電、長(zhǎng)江岸電和湖泊內(nèi)河岸電的特點(diǎn)。

1 岸電系統(tǒng)各方成本效益模型

使用岸電對(duì)靠港船舶供電的固定投資包括對(duì)港口上的高壓電氣設(shè)備和船舶上的低壓電氣設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的建設(shè)、改造所需的費(fèi)用；運(yùn)行成本則包括電費(fèi)和港口服務(wù)費(fèi)等，其涉及電網(wǎng)公司、港口、船舶以及政府四方的利益關(guān)系，需要各方協(xié)調(diào)合作[13]。下文將詳細(xì)分析四方的成本效益，計(jì)算最優(yōu)的岸電電價(jià)，使得四方或其中三方的效益最大。

1.1 港口成本效益模型

岸上岸電系統(tǒng)的固定成本包括高壓用電設(shè)備、電力頻率轉(zhuǎn)換器、高壓電纜線、電纜卷筒系統(tǒng)以及敷設(shè)電纜溝渠等的安裝維護(hù)費(fèi)用[14]；有時(shí)還需要進(jìn)行變電站的增容改造以滿足電量的需求[15]，但對(duì)于已預(yù)留了相應(yīng)裕度的變電站只需要增加相應(yīng)的出線。本文中，岸側(cè)的岸電設(shè)施改造費(fèi)用全部由港口承擔(dān)，港口通過向船舶收取岸基供電服務(wù)費(fèi)來平衡收支獲得利潤(rùn)。

a. 港口收益。

Bgk=PtotalTCcdj

(1)

其中，Bgk為港口向船舶提供岸電所收取的服務(wù)費(fèi)用；T為年利用小時(shí)數(shù)；Ptotal為岸電系統(tǒng)總?cè)萘?；Ccdj為船舶實(shí)際使用岸電時(shí)的價(jià)格，即船舶單位岸電使用成本，包括船舶岸基供電設(shè)施用電價(jià)格(即電價(jià)，給電網(wǎng))和船舶岸基供電服務(wù)價(jià)格(即服務(wù)費(fèi)，給港口)兩部分。

b. 港口成本。

Cgk=(Czr+Csb1)(1-β1)+Cgrid+Cry

(2)

其中，Czr為岸側(cè)變電站增容費(fèi)用，Csb1為岸電系統(tǒng)電力設(shè)備的投資改造費(fèi)用(考慮電力設(shè)備的購買費(fèi)、安裝費(fèi))，均換算成年化成本；Cgrid為港口向電網(wǎng)公司支付的電費(fèi)；Cry為使用岸電設(shè)施而增加的年人工費(fèi)；β1為政府給港口岸電設(shè)施項(xiàng)目建設(shè)費(fèi)用的補(bǔ)貼率。

岸側(cè)變電站增容費(fèi)用可表示為：

(3)

其中，C35為35 kV變電站增容改造的費(fèi)用；C10為10 kV變電站增容改造的費(fèi)用；C10b為10 kV變電站已預(yù)留岸電設(shè)備用電負(fù)荷裕度、僅新增低壓出線柜的費(fèi)用；n35、n10、n10b為相應(yīng)變電站的數(shù)量；N1為變電站增容改造的使用年限；I為年化成本的利率(貼現(xiàn)率)。年化成本采用約當(dāng)年均成本EAC(Equivalent Annual Cost)法計(jì)算。

岸電系統(tǒng)電力設(shè)備的投資改造費(fèi)用可表示為：

(4)

其中，nad為岸電設(shè)備的數(shù)量；Cad為每套岸電設(shè)備的成本；Cport_ per為岸電設(shè)施單位功率建設(shè)費(fèi)用。

為了使用岸電設(shè)施而增加的年人工費(fèi)為：

Cry=PtotalCry_ per

(5)

其中，Cry_ per為港口折合成1 kW岸電容量的年人工費(fèi)。

港口向電網(wǎng)公司支付的電費(fèi)可表示為：

Cgrid=PtotalTCgkdj

(6)

其中，Cgkdj為船舶岸基供電設(shè)施用電價(jià)格。

c. 港口效益。

F1=Bgk-Cgk

(7)

1.2 船舶成本效益模型

船舶是岸電項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)象，其改造成本由各船自身承擔(dān)，固定成本主要包括船載變壓器、低壓電纜的安裝維護(hù)費(fèi)用[16]，運(yùn)營(yíng)成本包括岸電的電費(fèi)以及交給港口的服務(wù)費(fèi)。船舶的收益來自于船舶使用岸電之后，停止使用船上輔機(jī)發(fā)電而節(jié)省的燃油費(fèi)以及減少污染物排放所帶來的環(huán)境效益。

a. 船側(cè)成本。

Cc=Bgk+Csb2(1-β2)

(8)

其中，Bgk為船側(cè)使用岸電的電費(fèi)，即港口給船舶提供岸電所收取的服務(wù)費(fèi)用；Csb2為船上電力設(shè)備的投資改造費(fèi)用，計(jì)算公式如式(9)所示；β2為政府給船側(cè)設(shè)備的補(bǔ)貼率。

(9)

其中，Ctra為船側(cè)使用岸電的投資改造費(fèi)用(包括船載變壓器的成本)；Cdydl為船電連接岸側(cè)配電系統(tǒng)費(fèi)用(包括400 V低壓電纜敷設(shè)、電纜溝的建設(shè)費(fèi)用)，假設(shè)使用年限均為30 a，結(jié)果歸算為年化成本；Cgz_per為船舶的單位改造成本，單位為元/kW。

b. 船側(cè)收益。

Bc=Crl+Cpw

(10)

Crl=PtotalTE1C_rl/1 000 000

(11)

其中，Crl為船舶停用輔機(jī)發(fā)電、使用岸電而節(jié)省的燃油費(fèi)用；E1為輔機(jī)發(fā)出單位電量的燃油耗量，單位為g/(kW·h)；C_rl為船用燃油價(jià)格，單位為元/t；Cpw為燃油污染排放的排污費(fèi)，若使用岸電，則可減少這部分污染排放，節(jié)省的排污費(fèi)轉(zhuǎn)化為收益。

c. 排污費(fèi)。

This study aimed to evaluate the prognostic value of systemic inflammation-based markers within the peripheral blood of patients with advanced or metastatic PC, and to determine their usefulness in predicting patients’ responses to chemotherapy.

(12)

d. 船側(cè)效益。

F2=Bc-Cc

(13)

1.3 政府成本效益模型

政府需要采取相關(guān)政策，對(duì)岸電建設(shè)和設(shè)備改造進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)貼，政府的成本在于每年對(duì)港口和船舶的岸電設(shè)施按照建設(shè)改造的年化成本給予一定比例的補(bǔ)貼，以保障岸電項(xiàng)目的順利實(shí)施；政府的收益是在船舶使用岸電后停用了輔機(jī)燃油(輕油或重油)而避免污染排放，產(chǎn)生環(huán)境效益。

a. 政府成本。

Cgov=(Czr+Csb1)β1+Csb2β2

(14)

其中，等號(hào)右邊第一項(xiàng)為政府給港口改造岸電設(shè)備的補(bǔ)貼，包括對(duì)變電站增容改造費(fèi)用Czr和岸電系統(tǒng)電力設(shè)備的投資改造費(fèi)用Csb1的補(bǔ)貼；第二項(xiàng)為政府給船側(cè)改造岸電設(shè)備投資費(fèi)用Csb2的補(bǔ)貼。

b. 政府收益。

Bgov=Cpw

(15)

表1 污染物年排放因子和污染當(dāng)量值Table 1 Annual emission factors and pollution equivalent value of pollutants

c. 政府效益。

F3=Bgov-Cgov

(16)

1.4 電網(wǎng)公司成本效益模型

本文研究了岸電設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中的成本效益關(guān)系，并比較了江、湖、海典型港口的岸電容量、年利用小時(shí)數(shù)和投資回收期等參數(shù)，為電力公司的配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)投資預(yù)算提供了參考，但根據(jù)現(xiàn)行岸電項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和做法，電網(wǎng)公司不承擔(dān)變電站增容和岸電設(shè)施改造所需的費(fèi)用，相關(guān)配電網(wǎng)建設(shè)投資費(fèi)用和岸電電能替代工程綜合費(fèi)用(含施工費(fèi)用和管理費(fèi)用)由港口承擔(dān)，相應(yīng)地，岸電服務(wù)費(fèi)收益由港口收取。此時(shí)電網(wǎng)公司幾乎沒有成本，利潤(rùn)來自電費(fèi)收益，即岸電項(xiàng)目實(shí)施后，船舶停止使用自身輔機(jī)發(fā)電而向電網(wǎng)公司購買岸電，電網(wǎng)公司從中獲取的收益。因此，電網(wǎng)公司的效益為[17]：

F4=Ptotal(Cgkdj-Cswdj)T

(17)

其中，Cswdj為上網(wǎng)電價(jià)。

1.5 港口岸電成本效益模型的推廣應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，上述模型中的數(shù)據(jù)不一定都能獲取，例如具體時(shí)刻在港口使用岸電船舶的類型、功率、同時(shí)?？看暗臄?shù)量等數(shù)據(jù)。本文通過大量港口調(diào)研，提出了一些推廣公式，見附錄A。

2 最優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

岸電建設(shè)運(yùn)營(yíng)各方成本效益的最優(yōu)化模型考慮了電價(jià)，故目標(biāo)函數(shù)選取為最大化社會(huì)總福利，即：

max(CS-OC)

(18)

其中，CS為使用岸電的消費(fèi)者剩余；OC為岸電系統(tǒng)的總生產(chǎn)成本。

(19)

(20)

其中，Nk為停泊港口使用岸電的船舶類型數(shù)；Nn為每種船舶類型下的船舶數(shù)量；Nt為一年中每艘船使用岸電的時(shí)長(zhǎng)；Np為船舶使用輔機(jī)發(fā)電時(shí)燃燒燃料油產(chǎn)生的污染物種類數(shù)；Ek為第k種類型的船舶輔機(jī)發(fā)出單位電量的燃油耗量；Pk,j為第k種類型第j艘船舶的輔機(jī)發(fā)電功率；Tj,k,t為第k種類型第j艘船舶每次?？科陂g使用岸電t小時(shí)；Cgz_per,k為第k種類型船舶的岸電設(shè)施單位功率的改造成本。生產(chǎn)福利還包括因使用岸電而減少污染所得到的環(huán)境效益，本文將這部分效益放在CS中，環(huán)境效益既減少了船舶被征收的排污費(fèi)，又計(jì)入了政府的收益，對(duì)于社會(huì)總福利而言，只計(jì)1次，不重復(fù)累計(jì)。

2.2 約束條件

a. 港口使用岸電收益約束。

(21)

其中，不等號(hào)左邊第一項(xiàng)為港口收取的岸電服務(wù)費(fèi)；第二項(xiàng)為港口建設(shè)岸電設(shè)施的年化成本；第三項(xiàng)為港口操作岸電設(shè)施的人工費(fèi)用。

b. 船舶使用岸電收益約束。

(22)

其中，不等號(hào)左邊第一項(xiàng)為船舶停用輔機(jī)發(fā)電、使用岸電而節(jié)省的燃油費(fèi)用；第二項(xiàng)為船舶使用岸電減少的排污費(fèi)；第三項(xiàng)為船舶使用岸電的電費(fèi)與服務(wù)費(fèi)之和；第四項(xiàng)為船側(cè)岸電設(shè)施建設(shè)改造的年化成本。

c. 政府推廣岸電收益約束。

(23)

其中，不等號(hào)左邊第一項(xiàng)為政府推廣岸電所產(chǎn)生的環(huán)境效益；第二項(xiàng)為政府對(duì)港口建設(shè)岸電設(shè)施給予的補(bǔ)貼；第三項(xiàng)為政府對(duì)船舶使用岸電給予的補(bǔ)貼。

d. 船舶單位岸電使用成本約束。

船舶單位岸電使用成本Ccdj由電網(wǎng)公司收取的電費(fèi)Cgrid和港口收取的服務(wù)費(fèi)Cgkdj兩部分組成。

Ccdj=Cgrid+Cgkdj

(24)

基于以上最優(yōu)化模型求得的最優(yōu)岸電價(jià)格使得船舶、港口、政府、電網(wǎng)四方的收益最大。根據(jù)實(shí)際情況可知，有時(shí)不一定要使船舶的利益最大化，只要使其使用岸電有利可圖即可，此時(shí)只要令約束條件式(22)取為0，目標(biāo)函數(shù)和其他約束條件不變，便能夠求得使得港口、政府、電網(wǎng)三方利益最優(yōu)的臨界情況。

3 江湖海岸電特性比較

以上對(duì)岸電系統(tǒng)中各方的成本效益進(jìn)行了建模，并建立了以社會(huì)總福利最大化為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化模型。通過求解模型可以分析政府補(bǔ)貼率、岸電設(shè)施年利用小時(shí)數(shù)與最優(yōu)岸電電價(jià)以及各方利潤(rùn)之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上可以從多個(gè)角度比較海港岸電、長(zhǎng)江岸電和湖泊內(nèi)河岸電的特點(diǎn)，理清岸電建設(shè)運(yùn)營(yíng)中各方的投資、效益關(guān)系，為岸電電能替代的推廣與投資規(guī)劃預(yù)算提供參考，如圖1所示。

圖1 最優(yōu)化模型與江湖海岸電特性的關(guān)系Fig.1 Relationship between optimization model and shore-side power characteristics of rivers,lakes and oceans

海港、長(zhǎng)江和湖泊內(nèi)河的港口規(guī)模依次減小，三者停靠的典型船舶的輔機(jī)功率不一樣，海港最大，長(zhǎng)江次之，湖泊內(nèi)河最小，各自單位功率對(duì)應(yīng)的岸電改造成本也不相同，因此江、湖、海的船舶岸電設(shè)備的投資費(fèi)用與產(chǎn)生的收益也不一樣，需要詳細(xì)分析。

本文分別選取洛杉磯港、南通港、鹽城里下河碼頭作為海港岸電、長(zhǎng)江岸電和湖泊內(nèi)河岸電的典型代表進(jìn)行分析，這3個(gè)港口的主要碼頭?？看笆褂冒峨姷臄?shù)據(jù)見附錄A。通過搜集相關(guān)數(shù)據(jù)以及前文所建立的相應(yīng)模型公式，分別計(jì)算海港岸電、長(zhǎng)江岸電以及湖泊內(nèi)河岸電的最優(yōu)岸電價(jià)格、港口及典型船舶岸電投資額，港口的投資靜態(tài)回收期和環(huán)境效益，從電價(jià)、港口、船舶、環(huán)境等角度分析比較海港岸電、長(zhǎng)江岸電和湖泊內(nèi)河岸電的特點(diǎn)。

4 算例分析

在下文的分析中，船舶單位岸電使用成本分為2個(gè)部分：船舶岸基供電設(shè)施用電價(jià)格和船舶岸基供電服務(wù)價(jià)格，前者為電網(wǎng)公司收取的電費(fèi)，后者為港口收取的岸電服務(wù)費(fèi)。

4.1 相關(guān)數(shù)據(jù)獲取

在建立模型的基礎(chǔ)上，本文對(duì)岸電系統(tǒng)港口、電網(wǎng)、船側(cè)、政府四方做了大量調(diào)研，獲取了研究所必要的數(shù)據(jù)，篇幅所限，僅列出經(jīng)過處理、算例中必需要的數(shù)據(jù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見附錄B。

4.1.1 港口、電網(wǎng)、船側(cè)、政府四方數(shù)據(jù)獲取

a. 港口數(shù)據(jù)獲取。

本文港口成本效益模型數(shù)據(jù)來源于南京某港口實(shí)際數(shù)據(jù)，見附錄B中表B1—B4。其中岸側(cè)變電站增容費(fèi)用Czr構(gòu)成如下：共涉及1座35 kV變電站增容改造，費(fèi)用為567.5萬元；1座10 kV變電站增容改造，費(fèi)用為98萬元；2座10 kV變電站僅新增低壓出線柜，費(fèi)用各為31萬元，使用年限N1取設(shè)計(jì)年限30 a。岸電系統(tǒng)電力設(shè)備的投資改造費(fèi)用Csb1：16套容量為200 kW的岸電設(shè)備，每套成本為68.375萬元。此外，根據(jù)某港岸電改造技術(shù)方案，年利用小時(shí)數(shù)T=1 500 h，岸電系統(tǒng)總?cè)萘縋total=3 200 kW，年化成本的利率I(貼現(xiàn)率)為年息8 %，港口岸電人工費(fèi)用為90萬元/a，折合成單位容量的人工費(fèi)Cry_per=0.028 1元/(kW·a)。

b. 船側(cè)數(shù)據(jù)獲取。

船上電力設(shè)備的投資改造費(fèi)用Csb2(包括電力設(shè)備的購買、安裝費(fèi)用)參照歐盟委員會(huì)環(huán)境總司(ECDGE)的報(bào)告[16]，折算成單位功率的船上電力設(shè)備的投資改造費(fèi)用為1 530元/kW，該港口每個(gè)泊位停泊船的輔機(jī)功率為200 kW。

c. 政府成本效益模型數(shù)據(jù)獲取。

根據(jù)《深圳市港口、船舶岸電設(shè)施和船用低硫油補(bǔ)貼資金管理暫行辦法》，對(duì)港口岸電設(shè)施改造提供不超過項(xiàng)目建設(shè)費(fèi)用30 %的資助，本文β1、β2暫取30 %。

d. 電網(wǎng)公司成本效益模型數(shù)據(jù)獲取。

根據(jù)《江蘇省135 MW及以上燃煤發(fā)電機(jī)組上網(wǎng)電價(jià)》，上網(wǎng)電價(jià)Cswdj取0.378元/(kW·h)。參照江蘇省物價(jià)局《關(guān)于明確船舶岸基供電設(shè)施用電價(jià)格和服務(wù)價(jià)格的通知》，船舶岸基供電設(shè)施用電價(jià)格Cgkdj取銷售電價(jià)表中的大工業(yè)用電的電度電價(jià)0.660 1元/(kW·h)。

e. 江湖海岸電數(shù)據(jù)獲取。

洛杉磯港港區(qū)主要碼頭泊位情況見附錄A中表A1，停靠船舶使用岸電數(shù)據(jù)見附錄A中表A2，泊位利用率η=60%，岸電變頻設(shè)備及船舶負(fù)載的綜合功率因數(shù)取為cosφA=0.7；南通港各公司泊位條件見附錄A中表A3，散雜貨船舶和集裝箱船舶的岸電使用情況見附錄A中表A4、A5，泊位利用率見附錄A中表A6、A7；內(nèi)河航道等級(jí)與船舶噸級(jí)劃分見附錄A中表A8。按照歐盟委員會(huì)環(huán)境總司的劃分方法，具各類型船舶的單位功率改造成本體如表2所示，可以由此計(jì)算一艘典型代表船舶的岸電設(shè)備成本。海港、長(zhǎng)江、湖泊內(nèi)河岸電數(shù)據(jù)的詳細(xì)處理過程見附錄A，此處不再贅述。

表2 各類型船舶的單位功率改造成本Table 2 Transformation cost of unit power of ships

4.1.2 靠港船舶污染物排放數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，單位電量的燃油耗量E1=213 g/(kW·h)，船舶燃油的費(fèi)用Crl=5 300元/t。交通運(yùn)輸部《珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海(京津冀)水域船舶排放控制區(qū)實(shí)施方案》中規(guī)定2019年核心港口停靠的船舶使用燃油的含硫量不得高于0.1%，因此本文選取0.1%含硫量的低硫油的價(jià)格為9 800元/t。

輔機(jī)發(fā)電會(huì)產(chǎn)生很多污染物，如CO2、NOx、VOC等。船舶輔機(jī)發(fā)電的各種污染物年排放因子[16]，見表1，為了計(jì)算排污費(fèi)，表1引入污染當(dāng)量值，根據(jù)江蘇省物價(jià)局《關(guān)于調(diào)整排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)等有關(guān)問題的通知》，廢氣中的污染因子排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)Cdl調(diào)整為每污染當(dāng)量4.8元。

4.2 補(bǔ)貼率與最優(yōu)岸電價(jià)格和各方效益的關(guān)系

根據(jù)以上獲取的數(shù)據(jù)，年利用小時(shí)數(shù)T固定為1 500 h，當(dāng)政府的補(bǔ)貼率為30 %時(shí)，得出船舶單位岸電使用成本與港口、電網(wǎng)、船舶、政府的效益曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，港口的效益隨著岸電電價(jià)的增大而增大，而船側(cè)的效益隨著岸電電價(jià)的增大而減小，政府和電網(wǎng)公司的效益曲線為一個(gè)水平的直線，說明在該情況下岸電電價(jià)對(duì)政府和電網(wǎng)公司的效益沒有影響。4條曲線所圍成的區(qū)域是四方效益達(dá)到最大值的范圍。

圖2 政府補(bǔ)貼率30%時(shí)岸電使用價(jià)格與各方效益的關(guān)系Fig.2 Relationship between shore-side electricity price and benefit of each party when government subsidy rate is 30%

從圖2中可以看出：政府的效益較低，考慮到使用岸電改善了環(huán)境，所以30%的補(bǔ)貼率仍然可以接受；電網(wǎng)的盈利情況取決于岸基供電設(shè)施的用電價(jià)格；港口的效益隨著船舶單位岸電使用成本的升高而升高，分析其原因在于，在岸電電價(jià)保持不變的情況下，港口收取的岸電服務(wù)費(fèi)隨著船舶單位岸電使用價(jià)格的上漲而同步上漲；船側(cè)的效益隨著船舶單位岸電使用價(jià)格的升高而降低；由于政府和電網(wǎng)公司的效益曲線是水平的直線，此時(shí)港口和船側(cè)效益曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)四方的最大效益，對(duì)應(yīng)的船側(cè)最優(yōu)岸電使用價(jià)格Ccdj=1.64元/(kW·h)，此時(shí)港口效益與船側(cè)效益相等，為335.109 8萬元；當(dāng)船側(cè)效益曲線接近0時(shí)，即船側(cè)處于賺不到錢的臨界點(diǎn)時(shí)，港口效益最大，對(duì)應(yīng)港口效益最大的岸電使用價(jià)格Ccdj=2.339元/(kW·h)，此時(shí)港口效益為670.629 8萬元。

圖3為政府補(bǔ)貼率與港口效益的關(guān)系。當(dāng)補(bǔ)貼率由0逐漸增大為30%時(shí)，港口的效益逐漸升高。圖4為政府補(bǔ)貼率與船舶單位岸電使用成本的關(guān)系。可直觀地看出，船舶單位岸電使用成本有1.6～2.3元/kW的漲價(jià)空間，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，電網(wǎng)公司的效益因?yàn)榘痘╇娫O(shè)施用電價(jià)格固定的緣故而保持不變，港口的效益越來越高，船側(cè)的效益越來越少，但船側(cè)只要不虧損，仍然愿意使用岸電。由局部放大圖4(b)可以看出，補(bǔ)貼率越大，電網(wǎng)、港口、船側(cè)以及政府四方效益最大時(shí)的最優(yōu)船舶單位岸電使用成本會(huì)降低；而使港口、政府、電網(wǎng)三方需要最大時(shí)的最優(yōu)船舶單位岸電使用成本會(huì)升高。

圖3 政府補(bǔ)貼率與港口效益的關(guān)系Fig.3 Relationship between government subsidy rate and benefit of port

圖4 政府補(bǔ)貼率與船舶單位岸電使用成本的關(guān)系Fig.4 Relationship between government subsidy rate and shore-side electricity price of ship

當(dāng)政府補(bǔ)貼率為0～25%時(shí)，邊際電價(jià)和四方收益情況見附錄C中表C1。

4.3 年利用小時(shí)數(shù)與最優(yōu)岸電價(jià)格及各方效益的關(guān)系

假設(shè)政府補(bǔ)貼為0，分析港口泊位岸電設(shè)施年利用小時(shí)數(shù)為200～4 000 h的情況下，電網(wǎng)公司、政府、港口、船側(cè)的效益曲線及邊際電價(jià)情況，如圖5所示。

圖5 年利用小時(shí)數(shù)與各方效益的關(guān)系Fig.5 Relationship between annual utilization hours and benefit of each party

從圖5(a)中可以看出，港口岸電設(shè)施年利用小時(shí)數(shù)只為200 h時(shí)，只有當(dāng)船舶單位岸電使用成本極低(小于1.5元/(kW·h))，船側(cè)才不虧損，此時(shí)港口因改造岸電設(shè)施的巨額成本得不到足夠服務(wù)費(fèi)的補(bǔ)償而陷入虧損。因?yàn)橛秒姇r(shí)間太短，電網(wǎng)公司的電費(fèi)效益、政府的減排效益均很低。由圖5(b)、(c)可知，岸電設(shè)施年利用小時(shí)數(shù)為1 000 h的情況下，四方效益最大時(shí)的船舶單位岸電使用成本為1.705元/(kW·h)，此時(shí)政府效益為32.595萬元，電網(wǎng)公司效益為90.272萬元，港口與船側(cè)效益相等，均為179.633萬元。繼續(xù)提升船舶單位岸電使用成本，港口效益逐漸增加，船側(cè)效益逐漸減少，政府的效益與電價(jià)無關(guān)而持平。由于實(shí)際提升的是岸電服務(wù)價(jià)格，而根據(jù)規(guī)定岸電電價(jià)保持不變，因此電網(wǎng)公司的效益持平。當(dāng)船側(cè)處于收益與成本相等的臨界點(diǎn)時(shí)，港口效益最大，為359.256萬元，此時(shí)船舶單位岸電使用成本為2.266元/(kW·h)。

年利用小時(shí)數(shù)為200～4 000 h的情況下，港口、政府、電網(wǎng)公司、船側(cè)的效益曲線及最優(yōu)電價(jià)情況如圖6所示。隨著岸電利用小時(shí)數(shù)的增加，港口、政府、電網(wǎng)、船側(cè)四方利益最大的最優(yōu)船舶單位岸電使用成本會(huì)逐漸下降，船舶岸電服務(wù)價(jià)格也會(huì)相應(yīng)下降。

圖6 年利用小時(shí)數(shù)與單位岸電使用成本、供電服務(wù)價(jià)格的關(guān)系Fig.6 Relationship between annual utilization hours and shore-side electricity price and service price

若以港口、政府、電網(wǎng)三方效益最大作為目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)船側(cè)處于收益與成本相等，即不賺錢的臨界點(diǎn)時(shí)，三方效益最大。此時(shí)對(duì)應(yīng)的船舶單位岸電使用成本、船舶岸電服務(wù)價(jià)格隨著岸電年利用小時(shí)數(shù)的增加而增大。

圖7 四方效益最大時(shí)岸電年利用小時(shí)數(shù)與各方效益的關(guān)系Fig.7 Relationship between annual utilization hours and benefit of each party when benefit of four parties is maximum

圖8 三方效益最大時(shí)岸電年利用小時(shí)數(shù)與各方效益的關(guān)系Fig.8 Relationship between annual utilization hours and benefit of each party when benefit of three parties is maximum

圖7、圖8分別為四方、三方效益最大時(shí)，岸電年利用小時(shí)數(shù)與各方效益的關(guān)系。從圖7可看出，若岸電年利用小時(shí)數(shù)小于400 h，港口、船側(cè)均會(huì)虧損。因?yàn)榘峨娫O(shè)施投資量較大，如果岸電使用時(shí)間太少，則使用岸電帶來的效益不足以補(bǔ)償建設(shè)岸電設(shè)施的年化成本。由于售電量低，供電公司的效益也很低。隨著岸電年利用小時(shí)數(shù)的增加，政府、港口、船側(cè)、電網(wǎng)公司的效益會(huì)均呈線性逐漸增加。當(dāng)電價(jià)為四方效益最優(yōu)的邊際電價(jià)(1.575元/(kW·h))時(shí)，船側(cè)和港口的相應(yīng)保持一致，當(dāng)岸電年利用小時(shí)數(shù)約為4 000 h時(shí)，雙方的效益均超過1 000萬元。

從圖8可以看出在三方效益最大的邊際電價(jià)(2.368元/(kW·h))情況下，港口效益比圖7有了顯著的增加，當(dāng)岸電年利用小時(shí)數(shù)為4 000 h左右時(shí)，達(dá)到了2 031.48萬元。

4.4 海港、長(zhǎng)江和湖泊內(nèi)河岸電的橫向比較

4.4.1 最優(yōu)單位岸電使用成本

經(jīng)過最優(yōu)岸電電價(jià)模型計(jì)算得到海港岸電、長(zhǎng)江岸電和湖泊內(nèi)河岸電的最優(yōu)電價(jià)橫向比較，如圖9所示。由圖9可以看出，政府、港口、船側(cè)、電網(wǎng)公司四方效益最大時(shí)，海港岸電的單位岸電使用成本比長(zhǎng)江岸電稍高，而湖泊內(nèi)河岸電的單位岸電使用成本達(dá)到1.741元/(kW·h)，明顯高于前兩者。這是因?yàn)楹磧?nèi)河岸電的用電量與前兩者不是一個(gè)數(shù)量級(jí)的，為了彌補(bǔ)港口岸電設(shè)施建設(shè)的費(fèi)用，需要收取比較高的岸電服務(wù)費(fèi)。港口、政府、電網(wǎng)公司三方效益最大時(shí)的船側(cè)岸電電價(jià)，也是船舶所能承受的最高價(jià)格。由圖9可以看出，海港、長(zhǎng)江、湖泊內(nèi)河的單位岸電使用成本依次下降，其中湖泊岸電單位岸電使用成本為2.175元/(kW·h)，明顯低于前兩者。這是因?yàn)楹窗峨姷拇鞍峨娫O(shè)施單位改造成本最高，承受高服務(wù)費(fèi)的能力最差。

圖9 江、湖、海岸電單位岸電使用成本比較Fig.9 Comparison of unit electricity price of river shore-side power,lake shore-side power and ocean shore-side power

4.4.2 投資、年利潤(rùn)及投資回收期

圖10為港口及典型代表船舶的岸電固定投資成本比較。圖10(a)中，變電站增容費(fèi)用、岸電設(shè)施的投資改造費(fèi)用共同組成了港口的岸電固定投資成本，海港岸電的2項(xiàng)投資是長(zhǎng)江岸電的2倍多，反映了該港岸電建設(shè)規(guī)模大、投資大。湖泊內(nèi)河岸電因?yàn)橥？啃⌒痛?，靠泊期間用電功率小，相應(yīng)的固定投資很小。圖10(b)為海港、長(zhǎng)江、湖泊內(nèi)河的典型代表船舶岸電功率和船舶岸電設(shè)施固定投資成本。

圖10 港口及典型代表船舶的岸電固定投資成本Fig.10 Fixed investment costs of ports and representative ships

船舶單位岸電使用成本由船舶岸電電價(jià)和岸電服務(wù)費(fèi)組成，前者由電網(wǎng)公司收取，后者由港口收取，作為港口的收益。岸電電價(jià)由發(fā)改委定價(jià)保持固定，而岸電服務(wù)費(fèi)則有一定的溢價(jià)空間。因此港口的年效益分為2種情況:第一種情況是岸電服務(wù)費(fèi)為下限時(shí)，海港、長(zhǎng)江和湖泊內(nèi)河的船側(cè)岸電價(jià)格分別為1.568元/(kW·h)、1.566元/(kW·h)、1.741元/(kW·h)，此時(shí)對(duì)應(yīng)四方效益最大時(shí)的電價(jià)；第二種情況是岸電服務(wù)費(fèi)為上限時(shí)，海港、長(zhǎng)江、湖泊內(nèi)河的船側(cè)岸電價(jià)格分別為2.394元/(kW·h)、2.390元/(kW·h)、2.175元/(kW·h)，此時(shí)對(duì)應(yīng)三方效益最大時(shí)的電價(jià)。表3為各方年效益對(duì)比，表4為海港、長(zhǎng)江、湖泊內(nèi)河港口的岸電固定投資額、年利潤(rùn)與投資靜態(tài)回收期對(duì)比(其中政府補(bǔ)貼率為30%)。

表3 各方年效益對(duì)比Table 3 Comparison of parties’ benefits 萬元

從表4可以看出，海港岸電、長(zhǎng)江岸電的岸側(cè)投資靜態(tài)回收期都很短，當(dāng)電價(jià)低時(shí)均為1.5 a左右，當(dāng)電價(jià)高時(shí)只要3個(gè)月就能收回投資。如此高的效益是建立在所有?？看霸诟燮陂g均一直使用岸電的前提下，這是一種很理想的情況，實(shí)際上所有泊位均使用岸電的可能性不大。而湖泊岸電在高電價(jià)和低電價(jià)時(shí)投資靜態(tài)回收期分別長(zhǎng)達(dá)7 a和14 a。在實(shí)際操作中，可以讓湖泊岸電采用較高岸電價(jià)格2.175 元/(kW·h)，以盡快收回投資。

4.4.3 環(huán)境效益的對(duì)比

表5為3種岸電詳細(xì)的環(huán)境效益對(duì)比，其中岸電的環(huán)境效益指因使用岸電而減少的燃料油排污費(fèi)，其計(jì)算主要基于式(12)以及2.2節(jié)中的污染當(dāng)量值以及排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)。由表5可以看出，污染排放量與港口岸電容量的大小成正比；海港岸電的環(huán)境效益是長(zhǎng)江的2倍多，而湖泊內(nèi)河岸電因?yàn)榇a頭、船舶的規(guī)模很小，因此岸電使用量很小，其環(huán)境效益只有0.178萬元。

表4 岸電固定投資額、年效益與投資靜態(tài)回收期對(duì)比Table 4 Comparison of fixed investment,annual benefit and static payback period of shore-side power

岸電港口固定投資/萬元港口年效益/萬元岸電服務(wù)費(fèi)為下限岸電服務(wù)費(fèi)為上限政府年補(bǔ)貼金額/萬元投資靜態(tài)回收期/a岸電服務(wù)費(fèi)為下限岸電服務(wù)費(fèi)為上限海港20 441.82112 986.42425 957.763599.4771.5740.788長(zhǎng)江8 849.2975 608.24711 209.964270.2851.5780.789湖泊內(nèi)河10.9400.7611.5220.65614.3737.190

表5 海港岸電、長(zhǎng)江岸電、湖泊岸電的環(huán)境效益對(duì)比Table 5 Comparison of environmental benefits among river shore-side power,lake shore-side power and ocean shore-side power

5 結(jié)論

為了從經(jīng)濟(jì)性角度分析岸電各參與方的成本效益，本文對(duì)于洛杉磯港、連云港、南京港、南通港、鹽城內(nèi)河碼頭以及省電力公司的岸電開展情況做了大量的實(shí)地調(diào)研，在充分收集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析了整套岸電系統(tǒng)中電網(wǎng)公司、港口、船舶和政府四方的建設(shè)、改造、運(yùn)營(yíng)成本，構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，利用經(jīng)濟(jì)最優(yōu)原理逐個(gè)分析各方的成本效益，計(jì)算最優(yōu)岸電電價(jià)，使得四方或其中三方效益最大，得到如下結(jié)論。

a. 在制定岸電電價(jià)時(shí)，船舶單位岸電使用成本有從1.64～2.34元/(kW·h)的漲價(jià)空間。若岸上的岸電設(shè)施改造費(fèi)用都是由港口承擔(dān)，則電網(wǎng)公司收取基本的電費(fèi)，剩余作為港口收取的服務(wù)費(fèi)；若電網(wǎng)公司承擔(dān)一部分岸電建設(shè)及推廣費(fèi)用，則可按出資比例，從港口服務(wù)費(fèi)中分一部分給電網(wǎng)公司。

b. 岸電設(shè)施投資巨大，若建成后年利用小時(shí)數(shù)過低(小于400 h)，則港口、船舶均會(huì)嚴(yán)重虧損。隨著岸電利用小時(shí)數(shù)的增加，政府、港口、船側(cè)、電網(wǎng)公司的效益均會(huì)呈線性增加。海港岸電建設(shè)規(guī)模和投資是長(zhǎng)江岸電的2倍多，而湖泊內(nèi)河岸電的投資只相當(dāng)于海港岸電的千分之一。但在投資回收期方面，海港岸電、長(zhǎng)江岸電的投資靜態(tài)回收期都很短，湖泊內(nèi)河岸電的回收期較長(zhǎng)。建議政府加大對(duì)湖泊內(nèi)河岸電的補(bǔ)貼力度。

c. 使用岸電電能替代能夠大量減少船舶靠港期間的污染物排放。從計(jì)算結(jié)果看，在減排量與環(huán)境效益方面，海港岸電是長(zhǎng)江岸電的2倍多，是湖泊內(nèi)河岸電的近萬倍。該比較僅是從數(shù)值上定量分析單個(gè)港口，實(shí)際上湖泊內(nèi)河岸電具有一些海港岸電所沒有的優(yōu)勢(shì)：因?yàn)楹磧?nèi)河停靠小型船舶，靠泊期間船舶用電功率小，相應(yīng)的固定投資很小、運(yùn)行靈活、易于推廣、規(guī)模小而數(shù)量巨大，同一湖泊內(nèi)河中可以建設(shè)很多座岸電碼頭，聚合環(huán)境效益相當(dāng)可觀。

綜上，本文首次理清了岸電建設(shè)運(yùn)營(yíng)中各方的投資、效益關(guān)系，經(jīng)過本文所建立的模型和大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，為電網(wǎng)公司、港口、政府推廣岸電和進(jìn)行相關(guān)規(guī)劃預(yù)算提供了參考。

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