新型雙燃料船對水路運(yùn)輸?shù)挠绊懛治?/h1>

2022-12-02 03:57:22擺一丁胡鴻韜邊迎迎

現(xiàn)代交通與冶金材料訂閱 2022年6期 收藏

關(guān)鍵詞：船舶成本

擺一丁，胡鴻韜，邊迎迎

（1.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306；2.上海海事大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，上海 201306）

引 言

近年來，經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展成為了一大熱點(diǎn)話題。在我國，習(xí)近平主席于2020年提出的“碳中和”目標(biāo)正是減排大背景下應(yīng)運(yùn)而生的重要概念［1］。國際貿(mào)易和物流業(yè)的大力發(fā)展，以及人們生活方式的轉(zhuǎn)變，使得運(yùn)輸在生產(chǎn)和生活中的重要性不斷增強(qiáng)。水運(yùn)作為幾大運(yùn)輸方式中的重要組成部分，船舶在水運(yùn)運(yùn)輸中是必不可少的運(yùn)輸工具。傳統(tǒng)的單燃料船使用柴油作為燃料，成本高、污染大，因此國際海事組織（IMO）從2020年1月起實(shí)施全球海洋燃料含硫量0.5%的上限規(guī)定［1］，這極大地刺激了各國航運(yùn)業(yè)考慮采用清潔燃料替代傳統(tǒng)船用柴油，新型雙燃料船隨之興起。

雙燃料船使用柴油或重燃料油與天然氣同時作為燃料，其燃料消耗和污染物排放遠(yuǎn)小于單燃料船。2020年，我國交通運(yùn)輸部大力鼓勵船舶使用新的清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)船用柴油［2］，并在綠色船舶技術(shù)方面致力于電池、甲醇、氫燃料及液化天然氣（LNG）等的研究［3］。隨著LNG作為船用清潔能源的可能性被不斷挖掘，除LNG作為燃料的單燃料船舶外，第一艘新型柴油-LNG雙燃料船舶“蘇宿貨1260”號于2010年問世［1］。由于新建（改造）雙燃料船成本大、LNG價格居高不下，且LNG加注碼頭分布不合理［4］，使得雙燃料船大規(guī)模應(yīng)用于市場還有一段距離。但值得期待的是，柴油-LNG雙燃料船舶必將會對水運(yùn)運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)與環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而開啟我國綠色航運(yùn)的新時代。

綜上所述，本文對柴油-天然氣雙燃料船及重燃料油-天然氣雙燃料船進(jìn)行研究。簡要介紹雙燃料船的工作原理與推進(jìn)方案后，建立其環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益模型，評估比較幾種推進(jìn)方案的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，力求在雙燃料船大面積應(yīng)用前發(fā)現(xiàn)問題并提出相應(yīng)預(yù)防措施，從而為未來我國綠色水運(yùn)高效穩(wěn)定的發(fā)展保駕護(hù)航。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 水運(yùn)運(yùn)輸現(xiàn)狀

翟久剛［5］對中國水運(yùn)能力發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)行了研究，他指出，如果想要解決我國的水運(yùn)發(fā)展能力問題，制定船舶技術(shù)政策和盡快調(diào)整運(yùn)力結(jié)構(gòu)是非常重要的措施。王金昌［6］認(rèn)為水運(yùn)發(fā)展要達(dá)到經(jīng)濟(jì)綠色，不僅要調(diào)整船舶結(jié)構(gòu)，還要在水運(yùn)航行中采用新技術(shù)。傅陽等［7］研究了水運(yùn)在物流領(lǐng)域的重要性，如果要帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展、降低能源消耗，就要提高船舶運(yùn)輸效率及其節(jié)能減排總量。雷立等［8］進(jìn)一步運(yùn)用層次分析法，設(shè)置指標(biāo)層，指出當(dāng)前水運(yùn)應(yīng)該在綠色運(yùn)輸方面做到全面發(fā)展，綠色船舶是格外重要的一環(huán)。彭傳圣［9］比較了我國和水運(yùn)強(qiáng)國之間的綠色水運(yùn)發(fā)展水平，并進(jìn)行經(jīng)驗借鑒。他認(rèn)為我國綠色水運(yùn)應(yīng)當(dāng)積極借鑒發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗，只有推動發(fā)展機(jī)制上的創(chuàng)新，才能獲得更加顯著的綠色發(fā)展成效。

在國外，Ignacio等［10］指出船舶臭氧消耗排放法規(guī)對硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）以及懸浮顆粒物最高水平的規(guī)定，限制了船舶的推進(jìn)系統(tǒng)，這表明水運(yùn)向綠色靠攏成為當(dāng)前的大方向。而IMO對環(huán)境和人類健康的關(guān)注，引起了Fredrik［11］的重視，因此探討了引入聯(lián)合循環(huán)作為原動機(jī)對綠色水運(yùn)的意義。

1.2 單燃料船研究現(xiàn)狀

由于當(dāng)前以燃燒柴油的單燃料船為主，其使用的廣泛性使得許多問題無法忽視，如污染問題。吳海寧［12］分析了國內(nèi)港口對船舶污染物的接受現(xiàn)狀。廣州港的船舶殘油、油泥和含油污水等污染物接收量巨大，這從側(cè)面體現(xiàn)了單燃料船的污染問題。凌貴陽等［13］認(rèn)為減少我國的污染排放量，尤其是在減少船舶污染物排放上有很大壓力，因此需要提高船舶的減排技術(shù)。劉宗保等［14］指出現(xiàn)如今造船業(yè)的整體發(fā)展相對落后，未來需要加強(qiáng)船舶技術(shù)創(chuàng)新及統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以減少船舶污染物排放。

國外學(xué)者Elkafas等［15］發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)柴油單燃料船舶比電力推進(jìn)系統(tǒng)的二氧化碳（CO2）、NOx和SO2排放量分別高10%，21%和88%，且傳統(tǒng)單燃料船的年使用成本比電力推進(jìn)系統(tǒng)高22%。Steribel等［16］對單燃料船發(fā)動機(jī)的氣體和微粒排放進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出僅僅將柴油船的燃料改用無硫燃料不足以作為減少船舶排放物對健康和環(huán)境影響的補(bǔ)救措施。

1.3 雙燃料船研究現(xiàn)狀

如前所述，當(dāng)前亟需發(fā)展綠色船舶技術(shù)。如果清潔能源（如電力、LNG等）能夠廣泛地應(yīng)用于水運(yùn)，將對綠色水運(yùn)的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)，這推動了各界對新型雙燃料船的研究。王世榮［2］分析了我國內(nèi)河柴油-LNG船舶的現(xiàn)狀，并通過選取合適的評估參數(shù)，研究柴油機(jī)的改造、船舶布置、船體結(jié)構(gòu)、船舶水動力性能等。研究發(fā)現(xiàn)雙燃料船雖然目前存在許多技術(shù)短板，隨著技術(shù)水平、法律法規(guī)等的不斷提高和完善，未來一定可以得到廣泛應(yīng)用。張新塘等［17］通過調(diào)研和實(shí)船測試數(shù)據(jù)，認(rèn)為新造船舶若采用引燃雙燃料發(fā)動機(jī)技術(shù)，可以顯著降低一氧化碳（CO）和NOx等的排放量。黃宇［18］通過對比單燃料和雙燃料發(fā)動機(jī)的用氣情況及加注方案，認(rèn)為雙燃料發(fā)動機(jī)的改造不僅可以降低生產(chǎn)成本，也十分契合國家的環(huán)保要求，有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。劉春青［19］研究了LNG裝置常見的氣體物理性質(zhì)和發(fā)動機(jī)的供給方式，雙燃料發(fā)動機(jī)可減少18%～22%的CO2排放，很大程度上減少了污染，但需進(jìn)一步完善由于復(fù)雜的控制系統(tǒng)降低其可靠性的問題。江會華［20］通過搭建試驗臺架和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)排放模型，指出若將雙燃料發(fā)動機(jī)作為船用主機(jī)，小負(fù)荷條件下可以降低柴油的質(zhì)量替代率，從而減少天然氣浪費(fèi)。夏中垠［21］對船舶的改裝成本、經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能減排進(jìn)行了測算，指出雙燃料發(fā)動機(jī)所帶來的客觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，是可行且必要的。

但是，雙燃料發(fā)動機(jī)也存在一些問題，胡貴成［22］通過研究雙燃料船改造系統(tǒng)的安全性，發(fā)現(xiàn)其存在動力系統(tǒng)失靈、LNG泄漏、船舶碰撞等問題。朱培培［1］利用事故樹分析法對風(fēng)險進(jìn)行定性分析，她認(rèn)為目前LNG的運(yùn)營較為安全，但閥門發(fā)生泄漏的概率很大。

在國外，Ammar等［23-24］研究了雙燃料船的排放特性，初步發(fā)現(xiàn)了其在水運(yùn)上的發(fā)展?jié)摿Αunkeon等［25］通過層次分析法探索了蒸發(fā)氣體作為燃料的可行性。Roy等［26］通過建立混合整數(shù)規(guī)劃模型研究燃料成本最小化問題，發(fā)現(xiàn)雙燃料船用發(fā)動機(jī)可以為考慮采用LNG的船東提供保證，既不犧牲過多的貨艙空間，又能允許間歇性使用低硫重燃油。Iannaccone等［27］研究了基于LNG使用的創(chuàng)新船舶燃料系統(tǒng)對可持續(xù)性的預(yù)期影響，發(fā)現(xiàn)基于LNG的燃料系統(tǒng)技術(shù)有更好的可持續(xù)性性能。

上述研究表明，雙燃料發(fā)動機(jī)在節(jié)能減排上的表現(xiàn)十分出色，但安全風(fēng)險也是客觀存在的。因此，了解雙燃料船舶的工作原理與推進(jìn)方案是十分必要的，這可為進(jìn)一步分析雙燃料船對水運(yùn)造成的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響奠定基礎(chǔ)。

2 雙燃料船舶工作原理與推進(jìn)方案

2.1 雙燃料船舶工作原理

目前的雙燃料改造試點(diǎn)船舶大多將儲氣罐系統(tǒng)安裝在尾部的甲板上層，甲板下層為船艙。LNG有兩種進(jìn)氣方式：缸內(nèi)進(jìn)氣和缸外進(jìn)氣。缸內(nèi)進(jìn)氣可以通過低壓缸內(nèi)直噴和高壓缸內(nèi)直噴兩種方式進(jìn)行供氣活動。缸內(nèi)直噴是天然氣在高壓或低壓的情況下直接噴射到缸中，但在這個過程中需要通過噴射閥。而缸外進(jìn)氣是通過總管或支管來供氣，總管進(jìn)氣可以從增壓器前端（即混合器）供氣或者增壓器后端（即噴射閥）供氣。當(dāng)前的雙燃料船大多采用總管進(jìn)氣，并從增壓器前端供氣，因此需要提前接通天然氣的管道和混合器通道，并確保通過混合器之前天然氣為零壓。天然氣在混合器中與空氣進(jìn)行混合，通過增壓器后，混合氣體隨即進(jìn)入進(jìn)氣總管，然后進(jìn)入發(fā)動機(jī)開始燃燒，使得系統(tǒng)進(jìn)行工作。其總體工作流程為先在充裝處進(jìn)行燃料充裝，然后進(jìn)入天然氣儲氣罐存儲，經(jīng)過減壓、混合、增壓等過程，空氣和LNG的混合氣體（BOG）進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒開始做功。當(dāng)船舶開始進(jìn)行航運(yùn)工作時，燃料供給通過控制燃料閥實(shí)現(xiàn)。船舶航行過程中，控制開關(guān)系統(tǒng)使雙燃料船實(shí)現(xiàn)雙燃料工作狀態(tài)和單燃料工作狀態(tài)之間的順利轉(zhuǎn)換。

2.2 推進(jìn)方案

低速柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)（SSDE）用于單燃料船。雙燃料船推進(jìn)系統(tǒng)的類型和分類受BOG生成和IMO排放規(guī)則的影響比較大。雙燃料船的主要推進(jìn)方案有汽輪機(jī)推進(jìn)（ST）、超汽輪機(jī)推進(jìn)（UST）、雙燃料柴油機(jī)電力推進(jìn)（DFDE）和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)推進(jìn)（COGAS）。其中，雙燃料船在單燃料模式下，ST和UST以重燃料油（HFO）作為燃料，DFDE和COGAS以輕柴油（MGO）作為燃料。雙燃料模式下，除上述主燃料外，引入BOG作為第二燃料。

2.2.1 汽輪機(jī)推進(jìn)

汽輪機(jī)是第一種用于雙燃料船的推進(jìn)系統(tǒng)，因為鍋爐的靈活性可以燃燒貨物中的天然泥炭。這種推進(jìn)系統(tǒng)通常由兩臺鍋爐組成，每臺鍋爐在60～70 bar壓力和520℃溫度下產(chǎn)生80～90 t/h的蒸汽。該推進(jìn)系統(tǒng)的總功率為35～45 MW，通過高、中、低壓渦輪機(jī)產(chǎn)生。對于速度逆轉(zhuǎn)，低壓渦輪在同一轉(zhuǎn)子軸上合并了一個船尾渦輪。船上的電力需求由兩臺汽輪機(jī)發(fā)動機(jī)和一臺中速柴油發(fā)動機(jī)提供。為了提高蒸汽電廠的熱效率，引入了高壓汽輪機(jī)的再加熱。這種改進(jìn)后的循環(huán)成為超汽輪機(jī)（UST）。與常規(guī)蒸汽電廠相比，改進(jìn)后的循環(huán)節(jié)省了15%的燃料消耗，總?cè)剂闲蕿?1%，其燃料消耗可以與DFDE推進(jìn)系統(tǒng)競爭。

2.2.2 雙燃料柴油電力推進(jìn)

中速柴油機(jī)是替代低燃油效率（傳統(tǒng)汽輪機(jī)）的一種發(fā)動機(jī)，中速柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)（MSDE）可用于柴油電力推進(jìn)，即在雙燃料模式下燃燒液體和氣體燃料。BOG用于稀薄空氣與燃料比的氣模操作，其原理是Otto循環(huán)，即在氣缸中進(jìn)行先導(dǎo)柴油噴射點(diǎn)火。當(dāng)BOG的數(shù)量不足時，使用完全液體燃料，即MGO或HFO。這種情況下BOG在燃?xì)馊紵b置（GCU）中燃燒，造成能量上的損失。與其他船用動力裝置相比，其相關(guān)電氣部件的損耗范圍為6%～8%，且能夠顯著減少凈功率需求。但是這種推進(jìn)系統(tǒng)需要一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)，尤其是空氣與燃料比控制器。

2.2.3 燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)

燃?xì)廨啓C(jī)具有可靠性好、功率重量比高、體積小、對功率需求響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但燃料效率低限制了它的推廣使用，且其靈活性較差，因此，燃?xì)廨啓C(jī)在海洋中的應(yīng)用大都是聯(lián)合循環(huán)方式，它在使用減速器后提供推進(jìn)扭矩。廢氣鍋爐利用燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的廢氣中損失的熱量運(yùn)行，并耦合到發(fā)電機(jī)提供的機(jī)械動力，通過減速齒輪的船舶螺旋槳巡航。在船舶靠泊期間，兩個渦輪機(jī)都會停止工作，三臺發(fā)電機(jī)作為輔機(jī)承擔(dān)發(fā)電功能。

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 環(huán)境效益模型

環(huán)境效益最主要的標(biāo)準(zhǔn)是排放，因此首先對船舶航行期間的污染物排放量（單位為公噸）進(jìn)行建模，公式為［23］：

式中P為發(fā)動機(jī)功率（kW），L為負(fù)載因數(shù)，T為航行時間（h），EFj為污染物j的排放因子（t/（kW·h））。

雙燃料船排放因子的計算公式［23］為：

式中xm和xNG分別表示雙燃料發(fā)動機(jī)中主燃料和天然氣燃料的百分比，EFm和EFNG分別是主燃料和天然氣發(fā)動機(jī)中的排放因子。

船舶在雙燃料模式下，單次航行的BOG百分比可以用蒸發(fā)率（BOR）計算，它表示每天蒸發(fā)的液化天然氣總量占貨物的百分比（%/天），計算公式［25］為：

式中Q為LNG罐內(nèi)的熱交換（kW），ρ為LNG的密度（kg/m3），Hlatent為汽化熱量（kJ/kg）。

雙燃料船的排放系數(shù)應(yīng)當(dāng)與IMO規(guī)定的SOx和NOx排放率進(jìn)行比較。SOx的排放受使用過的船用燃料中硫含量的影響。NOx的排放量（g/（kW·h））符合TIER三級適用值的排放極限方程，以發(fā)動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n（r/min）為依據(jù)，僅用于NOx排放控制區(qū)，公式［23］如下：

3.2 經(jīng)濟(jì)效益模型

從經(jīng)濟(jì)效益的角度來看，安裝各個推進(jìn)系統(tǒng)的年成本（AC）取決于資本成本值（CC）、平均預(yù)期工作年限（m）和利率（i）。AC的計算公式為［24］：

此外，由于雙燃料船使用LNG，每年的燃油節(jié)約成本（FSNG）可以通過下式計算［23］：

式中CDO和CDF分別是柴油和雙燃料的成本，PI為船舶在整個生命周期的工作年限（m）內(nèi)的年度燃油價格變化百分比。

4 基于MATLAB建模的數(shù)據(jù)分析

本 文 利 用MATLAB（2016）在Intel Core i5-10200H CPU（2.40 GHz）且RAM為16 GB的環(huán)境下完成新型雙燃料船對水運(yùn)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)影響的數(shù)據(jù)分析。案例船舶各項數(shù)據(jù)主要參數(shù)如下：常規(guī)大型船舶從拉斯拉凡港出口貨物到中國臺灣的臺中，距離為3766海里，航程為12天8小時，船速為20節(jié)。本文的MGO為0號柴油，HFO為燃料油180（新加坡），LNG為SHPGX-LNG。

4.1 環(huán)境效益數(shù)據(jù)分析

如前所述，IMO對SOx和NOx的排放有嚴(yán)格限制：硫含量標(biāo)準(zhǔn)為2 g/（kW·h）［23］，NOx的排放需以TIER三級適用方程組為標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行比較。無論是NOx還是SOx，都需要利用相對排放量評估各個推進(jìn)方案是否符合排放標(biāo)準(zhǔn)，又因在計算相對排放量時（式（1）），同一雙燃料船采用同一推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)功率P、負(fù)載因數(shù)L和航行時間T都相同，因此只有排放因子EFj成為唯一評估標(biāo)準(zhǔn)，不同推進(jìn)方案的排放因子如表1所示［23］。

表1 不同推進(jìn)方案的排放因子

首先評估NOx的排放。根據(jù)目前已有的推進(jìn)方案轉(zhuǎn)速，假定ST，UST，DFDE，SSDE以及COGAS的平均轉(zhuǎn)速分別為3500，3500，750，85，和3600 r/min。再根據(jù)式（4）可知它們相對應(yīng)的排放限制分別為2，2，2.085，3.4和2 g/（kW·h）。而各推進(jìn)方案相應(yīng)的排放因子分別為11（ST使用HFO），8.25（UST使用HFO），14（DFDE使用HFO），13.2（DFDE使用MGO），17（SSDE使 用HFO），14 g/（kW·h）（COGAS使用MGO）。

單燃料模式下，六種方案的NOx排放量相對百分比如圖1所示。

圖1 單燃料模式下各個推進(jìn)方案的NOx排放量相對百分比

由圖1可知，六種方案的NOx排放量相對百分比 分 別 為550%，413%，671%，633%，500%與700%，均大于100%，因此單燃料模式下所有推進(jìn)方案都不能滿足IMO對NOx的最低排放限制。因此，接下來分析雙燃料模式下的環(huán)境效益，即將BOG作為雙燃料船的第二燃料，在雙燃料模式下航行。其中，SSDE推進(jìn)方案不考慮雙燃料模式。計算得知，四種推進(jìn)方案（ST，UST，DFDE，COGAS）只在最小LNG百分比分別為84.9%，78.6%，98%和91.6%時才能達(dá)到IMO規(guī)定的NOX的TIER三級標(biāo)準(zhǔn)。雙燃料模式下，五種方案的NOx排放量相對百分比如圖2所示。

圖2 雙燃料模式下各個推進(jìn)方案的NOX排放量相對百分比

由圖2可知，當(dāng)BOG百分比分別為55%，65%，67%和79%時，相對于IMO的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的百分比分別為258%，154%，253%，290%和185%。和單燃料模式相比，雙燃料模式下所有推進(jìn)方案的百分比都大幅下降。因此，雙燃料船在減少NOx排放方面有顯著的積極效果。

由于2020年IMO對燃料中的硫含量調(diào)整到了0.5%，IMO的標(biāo)準(zhǔn)排放因子為2 g/（kW·h），不同推進(jìn)方案在單燃料模式下相對于2020年IMO標(biāo)準(zhǔn)的SOx排放量相對百分比如圖3所示。

圖3 單燃料模式下各個推進(jìn)方案的SOx排放量相對百分比

由圖3可知，單燃料模式下六種方案的SOx相對排放量分別50%，38%，562%，20%，645%和0%。以HFO為燃料的ST和UST系統(tǒng)，以及以MGO為燃料的DFDE，COGAS系統(tǒng)都可以滿足排放限制，但以HFO為燃料的DFDE和SSDE系統(tǒng)遠(yuǎn)超IMO設(shè)置的SOx排放限制。接下來研究雙燃料模式下SOx相對排放百分比（如圖4所示）。

從圖4可知，幾種推進(jìn)方案相對百分比分別為45%，26%，370%，14%和0%。除HFO和BOG作為雙燃料的DFDE方案之外，其他所有的雙燃料方案都可以滿足IMO的SOx排放限制。相比單燃料模式，雙燃料模式下所有方案SOx排放都表現(xiàn)出不同程度的下降，以HFO和BOG為雙燃料的DFDE方案下降幅度最大。

圖4 雙燃料模式下各個推進(jìn)方案的SOx排放量相對百分比

最后比較SOx排放達(dá)標(biāo)的幾種推進(jìn)系統(tǒng)下的SOx排放量。由于只有以HFO和BOG作為燃料推進(jìn)的DFDE系統(tǒng)無法達(dá)標(biāo)，因此在接下來的環(huán)境效益分析研究中不考慮該推進(jìn)方案。

根據(jù)文獻(xiàn)［28］確定負(fù)載因數(shù)為1，航行時間為12天8小時，ST，UST，DFDE及COGAS的功率分別為60，125，40.95及40MW［29-32］。由式（1）計算可知，ST（HFO+BOG），UST（HFO+BOG），DFDE（MGO+BOG）及COGAS（MGO+BOG）的SOx排放量分別為7.99，9.71，1.60及0 t/（kW·h）。因此，以MGO及BOG作為燃料的COGAS的SOx總排放量最少，以MGO及BOG為燃料的DFDE其次。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益數(shù)據(jù)分析

推進(jìn)方案的經(jīng)濟(jì)效益可以通過每個方案的總成本以及它們的環(huán)境影響進(jìn)行評估判斷。其中，總成本包括初始安裝成本和運(yùn)營成本；與案例船相同容量的船舶，ST，DFDE，SSDE和COGAS初始推進(jìn)系統(tǒng)的安裝成本分別為2.58千萬人民幣、1.27千萬人 民 幣、1.78千 萬 人 民 幣 和2.68千 萬 人 民 幣［15］。2021年4～7月，LNG，MGO和HFO的價格如表2所示。

表2 各燃料單價表

由于油耗只能實(shí)船實(shí)測，受條件限制，本文中單次航程的油耗統(tǒng)一用1 kW=1.36 HP進(jìn)行轉(zhuǎn)化，耗油率約為180 g/（HP·h）。經(jīng)計算可知，案例船單燃料模式下從卡塔爾到中國臺灣單次航程的油耗約為1079 t，油耗成本如表3所示。

表3 單燃料模式下單次航程的油耗成本表

接下來研究ST，UST，DFDE（主燃料使用HFO或MGO）和COGAS在雙燃料模式下單次航程的油耗成本。其中，燃料以2021年4～7月每半個月為一個周期的每噸單價為基礎(chǔ)，各自的最小LNG百分比滿足IMO的TIER三級標(biāo)準(zhǔn)，最終油耗成本結(jié)果如圖5所示。

圖5 雙燃料模式下各個推進(jìn)方案的油耗成本

經(jīng)圖5比較可知，雙燃料模式下各個推進(jìn)方案的油耗成本都遠(yuǎn)低于單燃料模式下的油耗成本。由于已知單燃料模式下的航程成本，通過節(jié)約成本模型（式（6）），得出年度節(jié)約成本，如圖6所示。

由圖6可知，在幾種推進(jìn)方案中，以MGO和BOG作為雙燃料的DFDE推進(jìn)方案的節(jié)約成本，無論在哪個時間點(diǎn)都是最大的。

圖6 雙燃料模式下各個推進(jìn)方案的年度節(jié)約成本

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，盡管以MGO為主燃料、BOG為第二燃料的DFDE方案的節(jié)約成本最高，但在單燃料模式下，和HFO相比，MGO的單價和油耗成本相對較高；另一方面，即使雙燃料船可在單燃料與雙燃料模式下切換，但LNG加注碼頭的建設(shè)不完善，這種情況下，無法保證采用MGO+BOG的DFDE推進(jìn)方案時LNG的加注，這都限制了雙燃料船的大面積應(yīng)用。

5 結(jié)論與展望

本文研究了不同燃料、不同推進(jìn)模式下雙燃料船對環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的影響。研究發(fā)現(xiàn)：雙燃料柴油電力推進(jìn)系統(tǒng)（DFDE）的環(huán)境效益最高，且該系統(tǒng)在使用LNG和柴油作為燃料時節(jié)約成本最多。因此，新型雙燃料船能夠顯著減少污染物排放，降低水運(yùn)成本，提高水運(yùn)效率，十分契合“碳中和”目標(biāo)和綠色水運(yùn)的發(fā)展方向。

但本文還存在一些不足：如燃料中LNG最低含量的百分比是基于比較理想的條件下計算的，燃油價格數(shù)據(jù)周期較短等。因此，未來可對其進(jìn)一步改善。另外，雙燃料船與其他綠色技術(shù)如電池、甲醇、氫燃料之間的量化比較也是進(jìn)一步的研究方向。

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