《排放管控下船舶減排成本模型分析》5400字

排放管控下船舶減排成本模型分析綜述為減少船舶大氣污染物排放，我國(guó)交通運(yùn)輸部于2015年12月印發(fā)《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》（交海發(fā)〔2015〕177號(hào)），設(shè)立了珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海（京津冀）水域三個(gè)船舶排放控制區(qū)（SECA）；2016年1月1日起，船舶進(jìn)入排放控制區(qū)使用硫含量不超過(guò)0.5%m/m的燃油。2018年12月10日，交通運(yùn)輸部公布了《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》（交海發(fā)〔2018〕168號(hào)），規(guī)定了新的排放控制區(qū)的大致范圍為中國(guó)領(lǐng)?；€外延12海里內(nèi)的所有海域及港口（不含香港、澳門、臺(tái)灣管轄水域），以及特別劃定的海南水域及港口。我國(guó)海事局發(fā)布的《2020年全球船用燃油限硫令實(shí)施方案》要求：自2020年1月1日起，國(guó)際航行船舶進(jìn)入我國(guó)管轄水域應(yīng)當(dāng)使用硫含量不超過(guò)0.5%的燃油，進(jìn)入我國(guó)內(nèi)河大氣污染排放控制區(qū)應(yīng)當(dāng)使用硫含量不超過(guò)0.1%的燃油。綜上我國(guó)的硫排放控制區(qū)政策經(jīng)歷了一個(gè)從無(wú)到有，由松到緊的過(guò)程。隨著我國(guó)對(duì)船舶排放減排的重視，相關(guān)研究更應(yīng)該有針對(duì)性的發(fā)展跟進(jìn)，以便為船公司的決策提供參考的依據(jù)。1.1構(gòu)建航運(yùn)成本模型1.1.1問(wèn)題描述在新出臺(tái)的限硫政策背景下，對(duì)于船公司來(lái)說(shuō)選擇既經(jīng)濟(jì)又有效的減排措施尤為重要。本文針對(duì)的是錯(cuò)在排放控制區(qū)內(nèi)外之分的航線，當(dāng)船舶選擇加裝脫硫塔時(shí)，其在排放控制區(qū)內(nèi)外均可使用價(jià)格便宜的重硫油（HSFO）。選用燃油轉(zhuǎn)化措施的船舶在排放控制區(qū)外使用價(jià)格較低的含硫量低于0.5%的硫油（LSFO），在排放控制區(qū)外必須要使用昂貴的含硫量低于0.1%的低硫燃油（MGO）,否則船公司將會(huì)因硫排放超標(biāo)而受到處罰。當(dāng)船公司選擇新建造LNG動(dòng)力船舶時(shí)，船舶在排放控制區(qū)內(nèi)外均可通行。三種減排措施的適用情況以及耗用成本方面具有差異，所以有必要通過(guò)比較選取更經(jīng)濟(jì)高效的減排措施。本文對(duì)船舶減排措施的選擇做了研究，首先，在考慮硫排放成本和不考慮硫排放成本兩種情況下，根據(jù)能造成船舶使用各減排措施間成本差異的因素建立船隊(duì)年減排成本模型，然后，通過(guò)優(yōu)化航速和船隊(duì)規(guī)模計(jì)算出使用各減排措施時(shí)的最小成本，進(jìn)而比較選出具有成本優(yōu)勢(shì)的減排措施。之后，選用了三條航線上的三類集裝箱班輪運(yùn)輸船隊(duì)進(jìn)行了實(shí)例分析，做優(yōu)化求解和敏感度分析。1.1.2基本假設(shè)本文為了滿足硫排放控制區(qū)內(nèi)外對(duì)于排放物硫含量的限制和把集裝箱班輪的航速及配船優(yōu)化問(wèn)題簡(jiǎn)單化和理論化，故在模型建立之前作出以下假設(shè)：假設(shè)1：在船舶航行路線一定的情況下，當(dāng)船舶采用加裝脫硫塔（措施一）時(shí)船舶在航線全程使用重硫油（HFO）；當(dāng)采用燃油轉(zhuǎn)換（措施二）時(shí)船舶在排放控制區(qū)外使用含硫量低于0.5%的低硫油（LSFO），在排放控制區(qū)內(nèi)使用含硫量低于0.1%的船用超低硫油（MGO），靠港時(shí)船舶副機(jī)消耗MGO；當(dāng)選用LNG動(dòng)力船舶（措施三）時(shí)船舶全程使用液化天然氣燃料；假設(shè)2：航線上航行的船舶為新船；假設(shè)3：同一班輪船隊(duì)的船舶類型相同；假設(shè)4：集裝箱班輪沿航線來(lái)回的途經(jīng)港口一致；假設(shè)5：LNG動(dòng)力船舶與普通船舶在構(gòu)造上只有動(dòng)力的區(qū)別；假設(shè)6：LNG動(dòng)力船舶初始成本和固定運(yùn)營(yíng)成本是普通船舶的1.2倍；假設(shè)7：班輪每年航行時(shí)間為270天，航線上年運(yùn)輸需求量一定，并且集裝箱班輪按需配船。1.1.3變量與參數(shù)本文涉及變量、參數(shù)的描述見表4-1。表4-1相關(guān)變量與參數(shù)參數(shù)含義η1重硫油價(jià)格HSFO（美元/噸）η2低硫油價(jià)格LSFO（美元/噸）η3超低硫燃油價(jià)格MGO（美元/噸）η4LNG價(jià)格（美元/噸）D年運(yùn)輸需求（TEU）K船舶運(yùn)載量（TEU）L循環(huán)航次距離（海里）α排放控制區(qū)占比β重硫油與LNG熱值之比γ年固定運(yùn)營(yíng)成本（美元/船）νd船舶設(shè)計(jì)航速（海里/時(shí)）Cp1脫硫塔成本（美元）Cp2LNG船舶成本（美元）S單船年航行時(shí)間（小時(shí)）R設(shè)備殘值ρ1主機(jī)燃料消耗常數(shù)ρ2副機(jī)燃料消耗常數(shù)t在港時(shí)間重硫油硫排放因子低硫油硫排放因子單位硫排放成本硫排放成本決策變量含義ν1普通船航速（海里/時(shí)）ν2NECA內(nèi)航速（海里/時(shí)）ν3ECA內(nèi)航速（海里/時(shí)）ν4LNG動(dòng)力船航速（海里/時(shí)）N船舶數(shù)量（艘）1.2相關(guān)成本分析減排成本文章在構(gòu)造減排成本模型時(shí)只考慮了能造成船舶使用不同減排措施之間成本差異的因素，這些因素包括船舶的油耗成本、安裝脫硫塔的成本、使用普通船舶的成本、使用LNG動(dòng)力船舶的成本和每艘船舶的年固定運(yùn)營(yíng)成本，但是，像在途庫(kù)存成本、貨物裝卸費(fèi)等成本在年運(yùn)輸量一定的情況下是不會(huì)因?yàn)闇p排措施不同而造成成本差異的，所以就不做考慮。①單位循環(huán)航次燃油成本燃油成本包括主機(jī)燃油成本和副機(jī)燃油成本。普通船舶主機(jī)燃料消耗與航速的三次方成正比；由于不能直接建立LNG動(dòng)力船的能源消耗量與速度的關(guān)系，本文通過(guò)重硫油（40.5kJ/kg）與LNG（50kJ/kg）的熱值轉(zhuǎn)化來(lái)表示LNG的消耗量；考慮到燃油價(jià)格差異，本文燃油成本包括副機(jī)的消耗，副機(jī)的燃油消耗量與船舶的航行時(shí)間有關(guān)。自限硫令生效起，三種減排措施的具體實(shí)施情況如表4-2所示，針對(duì)措施一、措施二和措施三這三種減排措施的燃油成本如公式（4-1）、（4-2）和（4-3）。（4-1）（4-2）（4-3）（4-4）（4-5）（4-6）Corbett指出，分別表示船舶主機(jī)燃料消耗常數(shù)和副機(jī)燃料消耗常數(shù)，是主機(jī)油耗率，為206g/kw.h；是主機(jī)負(fù)荷，為0.8；為主機(jī)馬力數(shù)（KW）。是副機(jī)油耗率，為221g/kw.h;是副機(jī)負(fù)荷，為0.5；為副機(jī)馬力數(shù)（KW）REF_Ref4464\r\h[65]。限制船舶的最優(yōu)航速是小于等于設(shè)計(jì)航速的正數(shù)。表4-22015年與2020年減排措施實(shí)施情況對(duì)比年份措施排放控制區(qū)外具體實(shí)施排放控制區(qū)內(nèi)具體實(shí)施2015燃油轉(zhuǎn)換使用低于3.5%含硫量的燃油使用低于0.1%含硫量的燃油加裝脫硫塔加裝脫硫塔和使用含硫量低于3.5%的重硫油2020燃油轉(zhuǎn)換使用低于0.5%含硫量的燃油使用低于0.1%含硫量的燃油加裝脫硫塔加裝脫硫塔和使用含硫量低于3.5%的重硫油LNG動(dòng)力船舶使用清潔的液化天然氣燃料②脫硫塔年分?jǐn)偝杀久摿蛩陌惭b成本與船舶的主機(jī)功率有線性相關(guān)關(guān)系，且脫硫塔的成本高昂，在比較三種減排措施的成本時(shí)，脫硫塔的成本是不可忽略的。本文的目標(biāo)函數(shù)是年總成本，在構(gòu)建脫硫塔成本公式時(shí)考慮到脫硫塔的使用年限，本文使用年金的計(jì)算方法在已知脫硫塔固定成本及殘值的情況下進(jìn)行成本分?jǐn)?，脫硫塔的年修理成本占很小一部分可以忽略不?jì)，由此得到脫硫塔的安裝成本見公式（4-7）：（4-7）為脫硫塔的固定成本；為脫硫塔的殘值；為等額系列資金回收因子REF_Ref4611\r\h[66]；等額系列償債基金因子REF_Ref4611\r\h[66]；折舊率取5%，為企業(yè)基準(zhǔn)收益率，取8%；為脫離塔使用年限，設(shè)為5年。③船舶的年分?jǐn)偝杀居捎诓煌愋痛暗慕ㄔ斐杀居胁町?，而且普通船舶與LNG船舶的成本情況也不一致，當(dāng)不同類型的船舶在加裝脫硫塔或進(jìn)行燃油轉(zhuǎn)換或使用LNG動(dòng)力船舶的初始投入存在差異，所以本文將船舶的年分擔(dān)成本考慮進(jìn)成本模型中。在構(gòu)建船舶成本時(shí)，本文使用年金的計(jì)算方法在已知船舶固定成本及殘值的情況下進(jìn)行成本分?jǐn)?，得到普通船舶和LNG動(dòng)力船的年分?jǐn)偝杀竟饺绻剑?-8）（4-9）：（4-8）（4-9）指普通船舶的固定成本；指LNG動(dòng)力船舶的固定成本;是普通船舶的殘值,是LNG船舶殘值,取5%；，分別為等額系列資金回收因子和等額系列償債基金因子REF_Ref15371\r\h[65]REF_Ref15459\r\h[26]；為為企業(yè)基準(zhǔn)收益率，取8%；為L(zhǎng)NG動(dòng)力船使用年限，設(shè)為15年。④固定運(yùn)營(yíng)成本船舶的固定運(yùn)營(yíng)成本，包括船員工資、船舶保險(xiǎn)費(fèi)、維修及保養(yǎng)費(fèi)用、船舶管理費(fèi)用等。由于集裝箱班輪船隊(duì)的規(guī)模受到班輪類型、航線運(yùn)輸需求、船舶航速等因素的影響，所以把集裝箱班輪的年固定運(yùn)營(yíng)成本列入減排成本中考慮是有必要的，本文是在已知每艘船舶的日固定運(yùn)營(yíng)成本的情況下計(jì)算集裝箱班輪船隊(duì)的年固定運(yùn)營(yíng)成本，在這里日固定運(yùn)營(yíng)成本用來(lái)表示。（2）集裝箱班輪船舶航次硫排放成本鑒于各減排措施的使用特點(diǎn)可知，加裝脫硫塔的船舶全程使用重硫油，因此重硫燃油是排放中硫化物的來(lái)源，故硫排放量與重硫油的消耗量有關(guān)。當(dāng)船舶采用燃油轉(zhuǎn)換措施時(shí)，在排放控制區(qū)內(nèi)船舶使用低硫油，故這時(shí)船舶的硫排放量與低硫油的消耗量有關(guān)，船舶在排放控制區(qū)外航行時(shí)使用重硫油，因此在排放控制區(qū)外船舶硫排放量取決于重硫油的使用量。當(dāng)使用LNG動(dòng)力船舶時(shí)，船舶全程使用液化天然氣燃料，由于液化天然氣屬于清潔燃料，故這時(shí)我們把LNG動(dòng)力船舶的硫排放量計(jì)為零。船舶的排放包括碳排放、硫排放、氮排放等各種氣體和顆粒物，但硫排放控制政策主要對(duì)硫排放的影響較大，故本文主要考慮硫排放成本對(duì)減排措施選擇的影響。硫排放量可用硫排放因子與燃料消耗量的乘積來(lái)表示，因重硫油與低硫油所對(duì)應(yīng)的硫排放因子不同，故所對(duì)應(yīng)的硫排放量公式分別見（4-10）（4-11），本文中主要考慮硫排放成本用硫排放量和單位硫排放成本的乘積來(lái)計(jì)算得出，記作，船舶的硫排放成本計(jì)算公式如（4-12）。根據(jù)以上章節(jié)的介紹本文取重油和輕油的硫排放因子分別為化0.06二氧化硫噸／燃油噸和0.002二氧化硫噸／燃油噸，關(guān)于硫排放的社會(huì)成本本文選取中間值作為研究數(shù)據(jù)，相關(guān)參數(shù)如表4-3。硫排放量公式：（4-10）（4-11）硫排放成本公式：（4-12）表4-3船用燃油排放相關(guān)參數(shù)參數(shù)名稱硫排放（重硫油）硫排放（低硫油）排放因子0.060.002單位硫排放的社會(huì)成本（美元/噸）20201.3模型構(gòu)建企業(yè)經(jīng)營(yíng)的目的除了盈利之外還要對(duì)其處于的社會(huì)大環(huán)境負(fù)責(zé)，所以本部分從航運(yùn)企業(yè)的角度以及社會(huì)的角度分別構(gòu)建的成本模型。第一個(gè)模型是從航運(yùn)企業(yè)角度出發(fā)，目標(biāo)函數(shù)在僅考慮航運(yùn)燃油的成本及固定運(yùn)營(yíng)成本的情況下建立成本模型；第二個(gè)是從社會(huì)發(fā)展角度，目標(biāo)函數(shù)在考慮航運(yùn)燃油的成本、固定運(yùn)營(yíng)成本以及硫排放成本之和的情況下構(gòu)造成本模型。（1）考慮燃油成本和固定運(yùn)營(yíng)成本的模型DianSheng構(gòu)建了商船使用燃油轉(zhuǎn)換措施時(shí)的成本函數(shù)，包括燃油成本、固定運(yùn)營(yíng)成本及商船特有的在途庫(kù)存成本REF_Ref69119650\r\h[1]。本文的研究對(duì)象是班輪，在考慮燃油成本時(shí)加入副機(jī)油耗成本，但不考慮在途庫(kù)存成本以及在港成本這些不會(huì)造成減排措施間有很大成本差異的因素。同樣地，本文還構(gòu)建了船舶使用脫硫塔和LNG船時(shí)的船隊(duì)年成本函數(shù)。使用各減排措施時(shí)的成本目標(biāo)函數(shù)如公式（4-13）（4-15）（4-17）：（4-13）且（4-14）（4-15）且（4-16）（4-17）且（4-18）為船隊(duì)的年成本，表示總循環(huán)航次數(shù)，表示單船每年循環(huán)航次數(shù)，由此可得為船舶最小需求量，且配船數(shù)量為正整數(shù)，即使用各減排措施時(shí)對(duì)應(yīng)的最小船舶配置數(shù)量，見公式（4-14）（4-116）（4-18）。中國(guó)船檢雜志表示LNG動(dòng)力船的造價(jià)比普通船高20%，由此本文相應(yīng)地把LNG動(dòng)力船的使用成本提高20%。（2）考慮硫排放成本的模型在限硫背景下，很多國(guó)家和地區(qū)對(duì)硫排放進(jìn)行征稅，而且由于集裝箱班輪在使用不同減排措施時(shí)使用的燃油以及耗油量不同，這導(dǎo)致硫排放量的差異，所以我們?cè)谀Ｐ椭屑尤肓蚺欧懦杀?，以便研究限硫政策的使用?duì)減排措施選擇的影響以及對(duì)硫排放量的影響?？紤]硫排放成本時(shí)三種減排措施對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)如公式（4-19）（4-21）（4-23）：（4-19）且（4-20）（4-21）且（4-22）（4-23）且（4-24）為船隊(duì)的年成本，表示總循環(huán)航次數(shù)，表示單船每年循環(huán)航次數(shù)，由此可得為船舶最小需求量，且配船數(shù)量為正整數(shù)，在減排成本模型中加入排放成本時(shí)，配船的限制情況將會(huì)發(fā)生變化，使用各減排措施時(shí)對(duì)應(yīng)的最小船舶配置數(shù)量，見公式（4-20）（4-22）（4-24）。1.4模型求解算法建立船隊(duì)的年成本模型中燃油消耗成本與航速有關(guān)，船隊(duì)的年固定成本分?jǐn)偱c船隊(duì)規(guī)模有關(guān)，而且受航線上年運(yùn)輸需求量的限制，船隊(duì)規(guī)模與航速也建立了關(guān)系。所以，本文首先通過(guò)成本最小化計(jì)算出船舶最優(yōu)航速，進(jìn)而通過(guò)航速計(jì)算出船隊(duì)規(guī)模。這里求得的船隊(duì)規(guī)模為小數(shù)值，本文將其作為船舶取整的上下限，從而計(jì)算出在船隊(duì)規(guī)模為整數(shù)值是的最小成本。本文在模型求解的過(guò)程中，首先，對(duì)目標(biāo)函數(shù)求二階階導(dǎo)數(shù)，證明目標(biāo)函數(shù)有極值存在；然后令目標(biāo)函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)為零，求出極值點(diǎn)；最后，利用Python工具進(jìn)行極值的計(jì)算求解。（1）當(dāng)目標(biāo)函數(shù)連續(xù)時(shí)優(yōu)化求解在不考慮硫排放成本的情況下，對(duì)連續(xù)的目標(biāo)函數(shù)求二階導(dǎo)數(shù)，如公式（4-25）（4-26）（4-27）（4-28）求得目標(biāo)函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)大于零，由此可知目標(biāo)函數(shù)是凹函數(shù)，且存在極小值，令目標(biāo)函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)為零，對(duì)成本進(jìn)行最小化求解得到三種減排措施對(duì)應(yīng)的最優(yōu)船速見等式（4-29）（4-30）（4-31）:（4-25）（4-26）（4-27）（4-28）；（4-29）;;（4-30）；（4-31）將速度與配船的最優(yōu)值代入目標(biāo)函數(shù)公式（4-13）（4-15）（4-17），即可求得使用三種減排措施對(duì)應(yīng)的成本。當(dāng)考慮硫排放成本時(shí)，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行二階求導(dǎo)，如公式（4-32）（4-33）（4-34）（4-35）求得目標(biāo)函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)大于零，由此可知目標(biāo)函數(shù)是凹函數(shù)，且存在極小值，令目標(biāo)函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)為零，對(duì)成本進(jìn)行最小化求解得到三種減排措施對(duì)應(yīng)的最優(yōu)船速見等式對(duì)成本進(jìn)行最小化求解得到三種減排措施對(duì)應(yīng)的最優(yōu)船速見等式（4-37）（4-39）（4-40）（4-42）:（4-32）（4-33）（4-34）（4-35）（4-36）（4-37）（4-38）