岸电建设运营各方成本效益最优化分析及江湖海岸电特性比较

胡晓青，王蓓蓓，黄俊辉，阮文骏，孔 赟，周哲远

1. 国网无锡供电公司，江苏 无锡 214000；2. 东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096；3. 国网江苏省电力公司经济技术研究院，江苏 南京 210024；4. 国网江苏省电力公司，江苏 南京 210024；5. 国网盐城供电公司，江苏 盐城 224002)

0 引言

目前，我国面临的环境压力日益增大，尤其是近年来出现的长时间、大范围的严重雾霾天气，引起了全民关注。对于港口城市而言，船舶靠港期间使用辅机发电产生的污染物排放是空气污染的重要来源。根据国际自然资源保护协会(NRDC)的报告[1]，以中大型集装箱船为例，一艘船使用3.5%含硫量燃油，其靠港期间的PM2.5排放量相当于50万辆大型货车。上海港进出的各类船舶排放的SO2、NOx和PM2.5占上海市大气污染物总量的比例分别为12.0 %、9.0 %和5.3 %[2]。靠港船舶产生的巨大能源浪费和环境污染使得船舶在港口停泊期间的节能减排工作日益紧迫。而电能具有清洁、便捷的优势，使用岸电是解决这一问题的有效途径。

岸电是指船舶在靠港期间停用船上辅机发电，而采用陆地电源对其进行供电[3]，以维持船上照明、制冷、装卸货等所有设备的电力需求。使用岸电进行船用燃油电能替代，能够显著减少港口污染气体排放、降低船舶燃料成本，同时能够增加电网公司的电量营销，具有显著的环境、经济和社会效益。2016年5月，国家八部委联合印发了《关于推进电能替代的指导意见》(简称《意见》)，为岸电电能替代提供了有利的环境和重大的机遇。《意见》明确指出靠港船舶使用岸电等电能替代对推动能源消费革命、落实国家能源战略、促进能源清洁化发展有重大的意义，是提高电煤比重、控制煤炭消费总量、减少大气污染的重要举措。

在岸电电源的逆变控制方面，文献[4]提出了一种基于虚拟同步发电机的岸电逆变器控制策略，采用二阶机电暂态模型，引入转动惯量，使得岸电逆变器具有与柴油发电机相似的电气和机械特性;文献[5]研究了高压岸电电源的大功率电力电子变频稳压、快速连接技术和岸电的无缝切换技术；文献[6]针对岸电电源逆变波形控制提出了神经网络内模控制和比例-积分-微分(PID)控制相结合的复合波形控制策略。在岸电改造技术方案方面，文献[7]介绍了实施岸电技术所需的相关船舶和岸侧设施改造的步骤；文献[8]研究了船舶进行岸电连接技术操作和安全上的问题。在岸电排放与环境效益方面，文献[9]考虑船舶使用岸电后火电行业的能耗和排放，分析船舶使用岸电技术的节能减排效果；文献[10]比较了船舶靠港期间使用燃料电池、双燃料发动机、船载辅机、电网供电4种方式发电的污染物排放量，结果显示使用岸电最为环保；文献[11]指出高雄港采用岸电系统后CO2和PM2.5排放量分别降低了57.2%和39.4%；文献[12]分析了多伦多港船舶靠泊及排放数据以说明使用岸电的合理性。目前关于岸电研究的文献还不多，且绝大多数停留在技术层面的分析和应用层面的介绍，还没有文献对岸电系统建设运营各方进行系统的经济性分析。

本文的主要贡献在于首次对岸电系统建设运营的各方进行系统的经济性分析，理清了各方投资、效益和收益的问题。本文构建了使用岸电对靠港船舶进行供电的各方的数学模型，分析了对港口上的高压电气设备和船舶上的低压电气设备进行相应的建设、改造所需的成本，以及整套岸电系统的运营成本，运用经济最优原理逐个分析使用岸电后电网公司、港口、船舶和政府四方的成本效益，计算使各方都受益的最优岸电电价。算例部分分析了政府补贴率、岸电利用小时数与最优岸电电价以及各方利润之间的关系，从多个角度比较了海港岸电、长江岸电和湖泊内河岸电的特点。

1 岸电系统各方成本效益模型

使用岸电对靠港船舶供电的固定投资包括对港口上的高压电气设备和船舶上的低压电气设备进行相应的建设、改造所需的费用；运行成本则包括电费和港口服务费等，其涉及电网公司、港口、船舶以及政府四方的利益关系，需要各方协调合作[13]。下文将详细分析四方的成本效益，计算最优的岸电电价，使得四方或其中三方的效益最大。

1.1 港口成本效益模型

岸上岸电系统的固定成本包括高压用电设备、电力频率转换器、高压电缆线、电缆卷筒系统以及敷设电缆沟渠等的安装维护费用[14]；有时还需要进行变电站的增容改造以满足电量的需求[15]，但对于已预留了相应裕度的变电站只需要增加相应的出线。本文中，岸侧的岸电设施改造费用全部由港口承担，港口通过向船舶收取岸基供电服务费来平衡收支获得利润。

a. 港口收益。

Bgk=PtotalTCcdj

(1)

其中，Bgk为港口向船舶提供岸电所收取的服务费用；T为年利用小时数；Ptotal为岸电系统总容量；Ccdj为船舶实际使用岸电时的价格，即船舶单位岸电使用成本，包括船舶岸基供电设施用电价格(即电价，给电网)和船舶岸基供电服务价格(即服务费，给港口)两部分。

b. 港口成本。

Cgk=(Czr+Csb1)(1-β1)+Cgrid+Cry

(2)

其中，Czr为岸侧变电站增容费用，Csb1为岸电系统电力设备的投资改造费用(考虑电力设备的购买费、安装费)，均换算成年化成本；Cgrid为港口向电网公司支付的电费；Cry为使用岸电设施而增加的年人工费；β1为政府给港口岸电设施项目建设费用的补贴率。

岸侧变电站增容费用可表示为：

(3)

其中，C35为35 kV变电站增容改造的费用；C10为10 kV变电站增容改造的费用；C10b为10 kV变电站已预留岸电设备用电负荷裕度、仅新增低压出线柜的费用；n35、n10、n10b为相应变电站的数量；N1为变电站增容改造的使用年限；I为年化成本的利率(贴现率)。年化成本采用约当年均成本EAC(Equivalent Annual Cost)法计算。

岸电系统电力设备的投资改造费用可表示为：

(4)

其中，nad为岸电设备的数量；Cad为每套岸电设备的成本；Cport_ per为岸电设施单位功率建设费用。

为了使用岸电设施而增加的年人工费为：

Cry=PtotalCry_ per

(5)

其中，Cry_ per为港口折合成1 kW岸电容量的年人工费。

港口向电网公司支付的电费可表示为：

Cgrid=PtotalTCgkdj

(6)

其中，Cgkdj为船舶岸基供电设施用电价格。

c. 港口效益。

F1=Bgk-Cgk

(7)

1.2 船舶成本效益模型

船舶是岸电项目的实施对象，其改造成本由各船自身承担，固定成本主要包括船载变压器、低压电缆的安装维护费用[16]，运营成本包括岸电的电费以及交给港口的服务费。船舶的收益来自于船舶使用岸电之后，停止使用船上辅机发电而节省的燃油费以及减少污染物排放所带来的环境效益。

a. 船侧成本。

Cc=Bgk+Csb2(1-β2)

(8)

其中，Bgk为船侧使用岸电的电费，即港口给船舶提供岸电所收取的服务费用；Csb2为船上电力设备的投资改造费用，计算公式如式(9)所示；β2为政府给船侧设备的补贴率。

(9)

其中，Ctra为船侧使用岸电的投资改造费用(包括船载变压器的成本)；Cdydl为船电连接岸侧配电系统费用(包括400 V低压电缆敷设、电缆沟的建设费用)，假设使用年限均为30 a，结果归算为年化成本；Cgz_per为船舶的单位改造成本，单位为元/kW。

b. 船侧收益。

Bc=Crl+Cpw

(10)

Crl=PtotalTE1C_rl/1 000 000

(11)

其中，Crl为船舶停用辅机发电、使用岸电而节省的燃油费用；E1为辅机发出单位电量的燃油耗量，单位为g/(kW·h)；C_rl为船用燃油价格，单位为元/t；Cpw为燃油污染排放的排污费，若使用岸电，则可减少这部分污染排放，节省的排污费转化为收益。

c. 排污费。

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. 船侧效益。

F2=Bc-Cc

(13)

1.3 政府成本效益模型

政府需要采取相关政策，对岸电建设和设备改造进行相应的补贴，政府的成本在于每年对港口和船舶的岸电设施按照建设改造的年化成本给予一定比例的补贴，以保障岸电项目的顺利实施；政府的收益是在船舶使用岸电后停用了辅机燃油(轻油或重油)而避免污染排放，产生环境效益。

a. 政府成本。

Cgov=(Czr+Csb1)β1+Csb2β2

(14)

其中，等号右边第一项为政府给港口改造岸电设备的补贴，包括对变电站增容改造费用Czr和岸电系统电力设备的投资改造费用Csb1的补贴；第二项为政府给船侧改造岸电设备投资费用Csb2的补贴。

b. 政府收益。

Bgov=Cpw

(15)

表1 污染物年排放因子和污染当量值Table 1 Annual emission factors and pollution equivalent value of pollutants

c. 政府效益。

F3=Bgov-Cgov

(16)

1.4 电网公司成本效益模型

本文研究了岸电设施建设和运营中的成本效益关系，并比较了江、湖、海典型港口的岸电容量、年利用小时数和投资回收期等参数，为电力公司的配电网规划建设投资预算提供了参考，但根据现行岸电项目的经验和做法，电网公司不承担变电站增容和岸电设施改造所需的费用，相关配电网建设投资费用和岸电电能替代工程综合费用(含施工费用和管理费用)由港口承担，相应地，岸电服务费收益由港口收取。此时电网公司几乎没有成本，利润来自电费收益，即岸电项目实施后，船舶停止使用自身辅机发电而向电网公司购买岸电，电网公司从中获取的收益。因此，电网公司的效益为[17]：

F4=Ptotal(Cgkdj-Cswdj)T

(17)

其中，Cswdj为上网电价。

1.5 港口岸电成本效益模型的推广应用

在实际应用中，上述模型中的数据不一定都能获取，例如具体时刻在港口使用岸电船舶的类型、功率、同时停靠船舶的数量等数据。本文通过大量港口调研，提出了一些推广公式，见附录A。

2 最优化模型

2.1 目标函数

岸电建设运营各方成本效益的最优化模型考虑了电价，故目标函数选取为最大化社会总福利，即：

max(CS-OC)

(18)

其中，CS为使用岸电的消费者剩余；OC为岸电系统的总生产成本。

(19)

(20)

其中，Nk为停泊港口使用岸电的船舶类型数；Nn为每种船舶类型下的船舶数量；Nt为一年中每艘船使用岸电的时长；Np为船舶使用辅机发电时燃烧燃料油产生的污染物种类数；Ek为第k种类型的船舶辅机发出单位电量的燃油耗量；Pk,j为第k种类型第j艘船舶的辅机发电功率；Tj,k,t为第k种类型第j艘船舶每次停靠期间使用岸电t小时；Cgz_per,k为第k种类型船舶的岸电设施单位功率的改造成本。生产福利还包括因使用岸电而减少污染所得到的环境效益，本文将这部分效益放在CS中，环境效益既减少了船舶被征收的排污费，又计入了政府的收益，对于社会总福利而言，只计1次，不重复累计。

2.2 约束条件

a. 港口使用岸电收益约束。

(21)

其中，不等号左边第一项为港口收取的岸电服务费；第二项为港口建设岸电设施的年化成本；第三项为港口操作岸电设施的人工费用。

b. 船舶使用岸电收益约束。

(22)

其中，不等号左边第一项为船舶停用辅机发电、使用岸电而节省的燃油费用；第二项为船舶使用岸电减少的排污费；第三项为船舶使用岸电的电费与服务费之和；第四项为船侧岸电设施建设改造的年化成本。

c. 政府推广岸电收益约束。

(23)

其中，不等号左边第一项为政府推广岸电所产生的环境效益；第二项为政府对港口建设岸电设施给予的补贴；第三项为政府对船舶使用岸电给予的补贴。

d. 船舶单位岸电使用成本约束。

船舶单位岸电使用成本Ccdj由电网公司收取的电费Cgrid和港口收取的服务费Cgkdj两部分组成。

Ccdj=Cgrid+Cgkdj

(24)

基于以上最优化模型求得的最优岸电价格使得船舶、港口、政府、电网四方的收益最大。根据实际情况可知，有时不一定要使船舶的利益最大化，只要使其使用岸电有利可图即可，此时只要令约束条件式(22)取为0，目标函数和其他约束条件不变，便能够求得使得港口、政府、电网三方利益最优的临界情况。

3 江湖海岸电特性比较

以上对岸电系统中各方的成本效益进行了建模，并建立了以社会总福利最大化为目标函数的最优化模型。通过求解模型可以分析政府补贴率、岸电设施年利用小时数与最优岸电电价以及各方利润之间的关系，在此基础上可以从多个角度比较海港岸电、长江岸电和湖泊内河岸电的特点，理清岸电建设运营中各方的投资、效益关系，为岸电电能替代的推广与投资规划预算提供参考，如图1所示。

图1 最优化模型与江湖海岸电特性的关系Fig.1 Relationship between optimization model and shore-side power characteristics of rivers,lakes and oceans

海港、长江和湖泊内河的港口规模依次减小，三者停靠的典型船舶的辅机功率不一样，海港最大，长江次之，湖泊内河最小，各自单位功率对应的岸电改造成本也不相同，因此江、湖、海的船舶岸电设备的投资费用与产生的收益也不一样，需要详细分析。

本文分别选取洛杉矶港、南通港、盐城里下河码头作为海港岸电、长江岸电和湖泊内河岸电的典型代表进行分析，这3个港口的主要码头停靠船舶使用岸电的数据见附录A。通过搜集相关数据以及前文所建立的相应模型公式，分别计算海港岸电、长江岸电以及湖泊内河岸电的最优岸电价格、港口及典型船舶岸电投资额，港口的投资静态回收期和环境效益，从电价、港口、船舶、环境等角度分析比较海港岸电、长江岸电和湖泊内河岸电的特点。

4 算例分析

在下文的分析中，船舶单位岸电使用成本分为2个部分：船舶岸基供电设施用电价格和船舶岸基供电服务价格，前者为电网公司收取的电费，后者为港口收取的岸电服务费。

4.1 相关数据获取

在建立模型的基础上，本文对岸电系统港口、电网、船侧、政府四方做了大量调研，获取了研究所必要的数据，篇幅所限，仅列出经过处理、算例中必需要的数据，详细数据见附录B。

4.1.1 港口、电网、船侧、政府四方数据获取

a. 港口数据获取。

本文港口成本效益模型数据来源于南京某港口实际数据，见附录B中表B1—B4。其中岸侧变电站增容费用Czr构成如下：共涉及1座35 kV变电站增容改造，费用为567.5万元；1座10 kV变电站增容改造，费用为98万元；2座10 kV变电站仅新增低压出线柜，费用各为31万元，使用年限N1取设计年限30 a。岸电系统电力设备的投资改造费用Csb1：16套容量为200 kW的岸电设备，每套成本为68.375万元。此外，根据某港岸电改造技术方案，年利用小时数T=1 500 h，岸电系统总容量Ptotal=3 200 kW，年化成本的利率I(贴现率)为年息8 %，港口岸电人工费用为90万元/a，折合成单位容量的人工费Cry_per=0.028 1元/(kW·a)。

b. 船侧数据获取。

船上电力设备的投资改造费用Csb2(包括电力设备的购买、安装费用)参照欧盟委员会环境总司(ECDGE)的报告[16]，折算成单位功率的船上电力设备的投资改造费用为1 530元/kW，该港口每个泊位停泊船的辅机功率为200 kW。

c. 政府成本效益模型数据获取。

根据《深圳市港口、船舶岸电设施和船用低硫油补贴资金管理暂行办法》，对港口岸电设施改造提供不超过项目建设费用30 %的资助，本文β1、β2暂取30 %。

d. 电网公司成本效益模型数据获取。

根据《江苏省135 MW及以上燃煤发电机组上网电价》，上网电价Cswdj取0.378元/(kW·h)。参照江苏省物价局《关于明确船舶岸基供电设施用电价格和服务价格的通知》，船舶岸基供电设施用电价格Cgkdj取销售电价表中的大工业用电的电度电价0.660 1元/(kW·h)。

e. 江湖海岸电数据获取。

洛杉矶港港区主要码头泊位情况见附录A中表A1，停靠船舶使用岸电数据见附录A中表A2，泊位利用率η=60%，岸电变频设备及船舶负载的综合功率因数取为cosφA=0.7；南通港各公司泊位条件见附录A中表A3，散杂货船舶和集装箱船舶的岸电使用情况见附录A中表A4、A5，泊位利用率见附录A中表A6、A7；内河航道等级与船舶吨级划分见附录A中表A8。按照欧盟委员会环境总司的划分方法，具各类型船舶的单位功率改造成本体如表2所示，可以由此计算一艘典型代表船舶的岸电设备成本。海港、长江、湖泊内河岸电数据的详细处理过程见附录A，此处不再赘述。

表2 各类型船舶的单位功率改造成本Table 2 Transformation cost of unit power of ships

4.1.2 靠港船舶污染物排放数据获取

根据文献[16]，单位电量的燃油耗量E1=213 g/(kW·h)，船舶燃油的费用Crl=5 300元/t。交通运输部《珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区实施方案》中规定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%，因此本文选取0.1%含硫量的低硫油的价格为9 800元/t。

辅机发电会产生很多污染物，如CO2、NOx、VOC等。船舶辅机发电的各种污染物年排放因子[16]，见表1，为了计算排污费，表1引入污染当量值，根据江苏省物价局《关于调整排污费征收标准等有关问题的通知》，废气中的污染因子排污费征收标准Cdl调整为每污染当量4.8元。

4.2 补贴率与最优岸电价格和各方效益的关系

根据以上获取的数据，年利用小时数T固定为1 500 h，当政府的补贴率为30 %时，得出船舶单位岸电使用成本与港口、电网、船舶、政府的效益曲线，如图2所示。由图2可以看出，港口的效益随着岸电电价的增大而增大，而船侧的效益随着岸电电价的增大而减小，政府和电网公司的效益曲线为一个水平的直线，说明在该情况下岸电电价对政府和电网公司的效益没有影响。4条曲线所围成的区域是四方效益达到最大值的范围。

图2 政府补贴率30%时岸电使用价格与各方效益的关系Fig.2 Relationship between shore-side electricity price and benefit of each party when government subsidy rate is 30%

从图2中可以看出：政府的效益较低，考虑到使用岸电改善了环境，所以30%的补贴率仍然可以接受；电网的盈利情况取决于岸基供电设施的用电价格；港口的效益随着船舶单位岸电使用成本的升高而升高，分析其原因在于，在岸电电价保持不变的情况下，港口收取的岸电服务费随着船舶单位岸电使用价格的上涨而同步上涨；船侧的效益随着船舶单位岸电使用价格的升高而降低；由于政府和电网公司的效益曲线是水平的直线，此时港口和船侧效益曲线的交点对应四方的最大效益，对应的船侧最优岸电使用价格Ccdj=1.64元/(kW·h)，此时港口效益与船侧效益相等，为335.109 8万元；当船侧效益曲线接近0时，即船侧处于赚不到钱的临界点时，港口效益最大，对应港口效益最大的岸电使用价格Ccdj=2.339元/(kW·h)，此时港口效益为670.629 8万元。

图3为政府补贴率与港口效益的关系。当补贴率由0逐渐增大为30%时，港口的效益逐渐升高。图4为政府补贴率与船舶单位岸电使用成本的关系。可直观地看出，船舶单位岸电使用成本有1.6～2.3元/kW的涨价空间，在这个区间内，电网公司的效益因为岸基供电设施用电价格固定的缘故而保持不变，港口的效益越来越高，船侧的效益越来越少，但船侧只要不亏损，仍然愿意使用岸电。由局部放大图4(b)可以看出，补贴率越大，电网、港口、船侧以及政府四方效益最大时的最优船舶单位岸电使用成本会降低；而使港口、政府、电网三方需要最大时的最优船舶单位岸电使用成本会升高。

图3 政府补贴率与港口效益的关系Fig.3 Relationship between government subsidy rate and benefit of port

图4 政府补贴率与船舶单位岸电使用成本的关系Fig.4 Relationship between government subsidy rate and shore-side electricity price of ship

当政府补贴率为0～25%时，边际电价和四方收益情况见附录C中表C1。

4.3 年利用小时数与最优岸电价格及各方效益的关系

假设政府补贴为0，分析港口泊位岸电设施年利用小时数为200～4 000 h的情况下，电网公司、政府、港口、船侧的效益曲线及边际电价情况，如图5所示。

图5 年利用小时数与各方效益的关系Fig.5 Relationship between annual utilization hours and benefit of each party

从图5(a)中可以看出，港口岸电设施年利用小时数只为200 h时，只有当船舶单位岸电使用成本极低(小于1.5元/(kW·h))，船侧才不亏损，此时港口因改造岸电设施的巨额成本得不到足够服务费的补偿而陷入亏损。因为用电时间太短，电网公司的电费效益、政府的减排效益均很低。由图5(b)、(c)可知，岸电设施年利用小时数为1 000 h的情况下，四方效益最大时的船舶单位岸电使用成本为1.705元/(kW·h)，此时政府效益为32.595万元，电网公司效益为90.272万元，港口与船侧效益相等，均为179.633万元。继续提升船舶单位岸电使用成本，港口效益逐渐增加，船侧效益逐渐减少，政府的效益与电价无关而持平。由于实际提升的是岸电服务价格，而根据规定岸电电价保持不变，因此电网公司的效益持平。当船侧处于收益与成本相等的临界点时，港口效益最大，为359.256万元，此时船舶单位岸电使用成本为2.266元/(kW·h)。

年利用小时数为200～4 000 h的情况下，港口、政府、电网公司、船侧的效益曲线及最优电价情况如图6所示。随着岸电利用小时数的增加，港口、政府、电网、船侧四方利益最大的最优船舶单位岸电使用成本会逐渐下降，船舶岸电服务价格也会相应下降。

图6 年利用小时数与单位岸电使用成本、供电服务价格的关系Fig.6 Relationship between annual utilization hours and shore-side electricity price and service price

若以港口、政府、电网三方效益最大作为目标函数，当船侧处于收益与成本相等，即不赚钱的临界点时，三方效益最大。此时对应的船舶单位岸电使用成本、船舶岸电服务价格随着岸电年利用小时数的增加而增大。

图7 四方效益最大时岸电年利用小时数与各方效益的关系Fig.7 Relationship between annual utilization hours and benefit of each party when benefit of four parties is maximum

图8 三方效益最大时岸电年利用小时数与各方效益的关系Fig.8 Relationship between annual utilization hours and benefit of each party when benefit of three parties is maximum

图7、图8分别为四方、三方效益最大时，岸电年利用小时数与各方效益的关系。从图7可看出，若岸电年利用小时数小于400 h，港口、船侧均会亏损。因为岸电设施投资量较大，如果岸电使用时间太少，则使用岸电带来的效益不足以补偿建设岸电设施的年化成本。由于售电量低，供电公司的效益也很低。随着岸电年利用小时数的增加，政府、港口、船侧、电网公司的效益会均呈线性逐渐增加。当电价为四方效益最优的边际电价(1.575元/(kW·h))时，船侧和港口的相应保持一致，当岸电年利用小时数约为4 000 h时，双方的效益均超过1 000万元。

从图8可以看出在三方效益最大的边际电价(2.368元/(kW·h))情况下，港口效益比图7有了显著的增加，当岸电年利用小时数为4 000 h左右时，达到了2 031.48万元。

4.4 海港、长江和湖泊内河岸电的横向比较

4.4.1 最优单位岸电使用成本

经过最优岸电电价模型计算得到海港岸电、长江岸电和湖泊内河岸电的最优电价横向比较，如图9所示。由图9可以看出，政府、港口、船侧、电网公司四方效益最大时，海港岸电的单位岸电使用成本比长江岸电稍高，而湖泊内河岸电的单位岸电使用成本达到1.741元/(kW·h)，明显高于前两者。这是因为湖泊内河岸电的用电量与前两者不是一个数量级的，为了弥补港口岸电设施建设的费用，需要收取比较高的岸电服务费。港口、政府、电网公司三方效益最大时的船侧岸电电价，也是船舶所能承受的最高价格。由图9可以看出，海港、长江、湖泊内河的单位岸电使用成本依次下降，其中湖泊岸电单位岸电使用成本为2.175元/(kW·h)，明显低于前两者。这是因为湖泊岸电的船舶岸电设施单位改造成本最高，承受高服务费的能力最差。

图9 江、湖、海岸电单位岸电使用成本比较Fig.9 Comparison of unit electricity price of river shore-side power,lake shore-side power and ocean shore-side power

4.4.2 投资、年利润及投资回收期

图10为港口及典型代表船舶的岸电固定投资成本比较。图10(a)中，变电站增容费用、岸电设施的投资改造费用共同组成了港口的岸电固定投资成本，海港岸电的2项投资是长江岸电的2倍多，反映了该港岸电建设规模大、投资大。湖泊内河岸电因为停靠小型船舶，靠泊期间用电功率小，相应的固定投资很小。图10(b)为海港、长江、湖泊内河的典型代表船舶岸电功率和船舶岸电设施固定投资成本。

图10 港口及典型代表船舶的岸电固定投资成本Fig.10 Fixed investment costs of ports and representative ships

船舶单位岸电使用成本由船舶岸电电价和岸电服务费组成，前者由电网公司收取，后者由港口收取，作为港口的收益。岸电电价由发改委定价保持固定，而岸电服务费则有一定的溢价空间。因此港口的年效益分为2种情况:第一种情况是岸电服务费为下限时，海港、长江和湖泊内河的船侧岸电价格分别为1.568元/(kW·h)、1.566元/(kW·h)、1.741元/(kW·h)，此时对应四方效益最大时的电价；第二种情况是岸电服务费为上限时，海港、长江、湖泊内河的船侧岸电价格分别为2.394元/(kW·h)、2.390元/(kW·h)、2.175元/(kW·h)，此时对应三方效益最大时的电价。表3为各方年效益对比，表4为海港、长江、湖泊内河港口的岸电固定投资额、年利润与投资静态回收期对比(其中政府补贴率为30%)。

表3 各方年效益对比Table 3 Comparison of parties’ benefits 万元

从表4可以看出，海港岸电、长江岸电的岸侧投资静态回收期都很短，当电价低时均为1.5 a左右，当电价高时只要3个月就能收回投资。如此高的效益是建立在所有停靠船舶在港期间均一直使用岸电的前提下，这是一种很理想的情况，实际上所有泊位均使用岸电的可能性不大。而湖泊岸电在高电价和低电价时投资静态回收期分别长达7 a和14 a。在实际操作中，可以让湖泊岸电采用较高岸电价格2.175 元/(kW·h)，以尽快收回投资。

4.4.3 环境效益的对比

表5为3种岸电详细的环境效益对比，其中岸电的环境效益指因使用岸电而减少的燃料油排污费，其计算主要基于式(12)以及2.2节中的污染当量值以及排污费征收标准。由表5可以看出，污染排放量与港口岸电容量的大小成正比；海港岸电的环境效益是长江的2倍多，而湖泊内河岸电因为码头、船舶的规模很小，因此岸电使用量很小，其环境效益只有0.178万元。

表4 岸电固定投资额、年效益与投资静态回收期对比Table 4 Comparison of fixed investment,annual benefit and static payback period of shore-side power

岸电港口固定投资/万元港口年效益/万元岸电服务费为下限岸电服务费为上限政府年补贴金额/万元投资静态回收期/a岸电服务费为下限岸电服务费为上限海港20 441.82112 986.42425 957.763599.4771.5740.788长江8 849.2975 608.24711 209.964270.2851.5780.789湖泊内河10.9400.7611.5220.65614.3737.190

表5 海港岸电、长江岸电、湖泊岸电的环境效益对比Table 5 Comparison of environmental benefits among river shore-side power,lake shore-side power and ocean shore-side power

5 结论

为了从经济性角度分析岸电各参与方的成本效益，本文对于洛杉矶港、连云港、南京港、南通港、盐城内河码头以及省电力公司的岸电开展情况做了大量的实地调研，在充分收集数据的基础上，分析了整套岸电系统中电网公司、港口、船舶和政府四方的建设、改造、运营成本，构建了相应的数学模型，利用经济最优原理逐个分析各方的成本效益，计算最优岸电电价，使得四方或其中三方效益最大，得到如下结论。

a. 在制定岸电电价时，船舶单位岸电使用成本有从1.64～2.34元/(kW·h)的涨价空间。若岸上的岸电设施改造费用都是由港口承担，则电网公司收取基本的电费，剩余作为港口收取的服务费；若电网公司承担一部分岸电建设及推广费用，则可按出资比例，从港口服务费中分一部分给电网公司。

b. 岸电设施投资巨大，若建成后年利用小时数过低(小于400 h)，则港口、船舶均会严重亏损。随着岸电利用小时数的增加，政府、港口、船侧、电网公司的效益均会呈线性增加。海港岸电建设规模和投资是长江岸电的2倍多，而湖泊内河岸电的投资只相当于海港岸电的千分之一。但在投资回收期方面，海港岸电、长江岸电的投资静态回收期都很短，湖泊内河岸电的回收期较长。建议政府加大对湖泊内河岸电的补贴力度。

c. 使用岸电电能替代能够大量减少船舶靠港期间的污染物排放。从计算结果看，在减排量与环境效益方面，海港岸电是长江岸电的2倍多，是湖泊内河岸电的近万倍。该比较仅是从数值上定量分析单个港口，实际上湖泊内河岸电具有一些海港岸电所没有的优势：因为湖泊内河停靠小型船舶，靠泊期间船舶用电功率小，相应的固定投资很小、运行灵活、易于推广、规模小而数量巨大，同一湖泊内河中可以建设很多座岸电码头，聚合环境效益相当可观。

综上，本文首次理清了岸电建设运营中各方的投资、效益关系，经过本文所建立的模型和大量现场实际数据的验证，为电网公司、港口、政府推广岸电和进行相关规划预算提供了参考。

附录见本刊网络版(http:∥www.epae.cn)。