综合考虑SO2排放和燃油成本的船舶航速优化
2019-05-10曹彬彬
曹彬彬, 董 岗
(上海海事大学 经济管理学院, 上海 201306)
航运业在国际贸易中的地位日益显著，集装箱班轮运输在航运业中占有的份额较大，随之带来的环境问题也引起社会的广泛关注。国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)在2014年温室气体研究报告中指出全球大约有12%的SO2排放量来自于航运业，而且比例还在不断增加。[1]为推进绿色航运和节能减排，改善我国沿海和沿河区域特别是港口城市的环境空气质量，我国于2016年划定珠三角、长三角和环渤海(京津冀)水域等3个船舶排放控制区(以下简称ECA)，规定自2019年起,船舶在排放控制区域航行及靠泊阶段使用含硫量不高于0.1%的燃料油。该方案的颁布使船舶运营商燃油成本在一定程度上有所增加[2]，由于船舶航行速度对燃油成本及船舶污染物的排放有重要影响，运营商为达到政府规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区内降低航行速度进而减少在该区域内低硫燃油的消耗量。
目前，诸多学者关注船舶航行速度对燃油成本的影响并对其进行研究。PSARAFTIS等[3]认为随着燃油成本的增加和环境问题受到更多的重视，船速的优化问题和模型构建研究也越来越多。WENA等[4]考虑燃油价格、时间和船舶载重量对燃油消耗量的影响等不同情况下的航速优化问题。RONEN等[5]认为燃油消耗与航行速度之间存在三次方关系并运用模型探究船舶速度及燃油价格与船舶运营商运营成本之间的关系。CARIOU等[6]指出船舶航速是影响船舶运营成本的主要变量，速度降低可节约燃料，减少成本和船舶废气的排放。MARJORIE等[7]的研究结果表明,在SECA内外区分速度的航行方式比始终匀速航行节约燃料成本，在低硫燃料价格变得更为昂贵时，这种节约成本的方式更为有效。本文在已有研究的基础上，分析在船舶排放控制区域内外区分航速方案下的燃油成本，并采用自上而下统计法计算对应的SO2污染物排放量以量化环境效益。最后,对船舶在排放控制区内航行距离以及低硫燃油的价格进行敏感性分析[8]，得出区域内外航速的优化能够使整个航程燃油成本显著下降的结论，尤其是当船舶在区域内航行距离比例较大且低硫油的价格较高时，航速优化能使运营商成本的增加幅度明显降低，另一方面带来的问题是在燃油成本减少的同时SO2排放量增加。
1 基本假设
1) 船舶在ECA内航行时，主机使用低硫燃油MGO(含硫量0.1%)作为燃料；在ECA外航行时,主机使用高硫油HFO即IFO 380(含硫量3.5%)作为燃料。
2) 整个航行及靠泊阶段副机使用MGO作为燃料，在靠泊阶段主机不消耗燃料。
3) 船舶无论是在ECA内还是在ECA外,均为匀速航行。
2 模型构建
2.1 模型参数
2.2 参数关系
船舶在ECA内外航行的时间分别为
(1)
若要保证船舶运营商服务的频率不变且不额外增加船舶数量，即船舶在整个航程中航行时间保持不变，此时船舶在ECA内外航行速度之间的关系为
(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，主机燃油消耗约占87%，副机燃油消耗约占11%，因此,由主机和副机燃油排放的SO2排放量基本代表全船SO2排放量。[9]本文模型只考虑船舶主机和副机在整个航程中的SO2排放量,有
(3)
高硫油HFO(含硫量3.5%)的硫排放因子为ηHFO=70 g/kg；低硫油MGO(含硫量0.1%)的硫排放因子为ηMGO=2 g/kg。[10]
2.3.2主机燃油成本
MARJORIE等[7]指出，船舶主机日常燃料消耗与航行速度的三次方成正比；船舶在ECA内外航行时主机燃油消耗量和燃油成本分别为
(4)
2.3.3副机燃油成本
船舶在ECA内外航行时副机燃油消耗量及燃油成本分别为
(5)
2.4 航速变化情况下的燃油成本及SO2排放量
1) 目前阶段船舶在ECA外航行时使用HFO(IFO 380)，而在ECA内航行和靠泊阶段使用MGO。计算此时的燃油成本及SO2排放量为
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
2) 对于单艘船舶而言，在整个航程中从一个港口到另一个港口的服务时间保持不变也即在不增加船舶数量的情况下改变船速，即船舶在ECA区域内减速为vECA而在ECA区域外加速为vi。计算此时的燃油成本及SO2排放量为
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
3 航速优化实例
船舶MSC Linzie从事欧洲到南美的集装箱班轮运输业务。两港口之间的距离为13 000 n mile，船舶额定载重量为5 500 TEU，实际载重量为额定载重量的85%，主机功率为49 800 kW，主机燃油消耗速率为206 g/(kW·h)，主机负载系数为0.8，副机功率为2 433 kW，副机燃油消耗速率为221 g/(kW·h)，副机负载系数为0.5。在ECA内航行距离为1 700 n mile，最大设计航速为25 kn，船舶正常航行时的速度为20 kn。2017年12月鹿特丹港IFO380的燃油价格为347美元/t,而MGO的燃油价格为539美元/t，根据《运输船舶燃油消耗量第1部分：海洋船舶计算方法》[12]可知,对于集装箱类型船舶α为0.90～0.98，本文令α=0.9船舶在港口停留的时间为10 h。
若为保证船舶运营商服务的频率不变，通过在ECA内减速航行而在区域外加速航行。由以上数据得出船舶在ECA内外的速度关系见图1，且由此可得出船舶在ECA内航速与整个航程燃油消耗量、燃油成本和SO2排放量之间的关系分别见图2～图5。不同航速下燃油成本及SO2排放量的情况见表1。利用软件Mathematical 9.0对燃油成本函数进行求解得到航速最优解为17.64 kn，此时的燃油成本为1 091 894.65美元,燃油消耗量为2 889.15 t,SO2排放量为171 538.00 t。
图1描述船舶在排放控制区域内外航行时的速度呈反比例关系，即在排放控制区域内减速时在不额外增加船舶数量的情况下,保证运营商服务的频率不变则必须相应地在控制区外增加船舶的速度。
图2 ECA内航行速度与燃油消耗量关系图3 ECA航速与总燃油成本的关系
图4 ECA内航速与ECA内SO2排放量关系图5 ECA内航速与SO2排放量的关系
表1 不同航速情况下燃油成本及SO2排放量
图2中:虚线表示ECA内航速与控制区内燃油消耗量的关系;实线表示ECA内航速与总燃油消耗量之间关系。由图2可知：ECA内航速与排放控制区内燃油消耗量呈正比关系，在ECA内不断降低航速时,总燃油消耗量在增加。
图3描述船舶在ECA内航速与总燃油成本之间的关系。由图2可知,在整个航程中燃油消耗量是增加的,但由于船舶在区域内主机要使用相对于高硫油HFO价格昂贵的低硫油MGO从而整个航程燃油成本减少。由图3可知：船舶在ECA内航行时速度减小到17～18 kn时燃油成本减小最多。
图4和图5描述船舶在ECA内的航速与ECA内及总SO2排放量之间的关系，当区域内的速度不断降低时区域内的SO2排放量呈下降趋势。由于高硫油的硫排放因子远高于低硫油的硫排放因子且排放控制区域外燃油消耗量高于区域内燃油消耗量，因此，整个航程SO2排放量呈递增趋势。
4 敏感性分析
排放控制区域内外区分航速航行时整个航程的燃油成本及带来的SO2排放量受诸多因素的影响。船舶在ECA内航行的距离将对整个航程的燃油成本及SO2排放量产生直接的影响；且上述算例分析中的高硫油HFO及低硫油MGO的价格是基于鹿特丹港2017年12月2日数据，由于不同类型的燃油价格波动较大,故对船舶在ECA内航行的距离、低硫燃油的价格进行敏感性分析。
4.1 船舶在ECA内航行距离的敏感性分析
ECA范围对整个航程总燃油成本及SO2排放量的敏感性分析分别见图6和图7。
图6 ECA范围与燃油成本的敏感性分析图7 ECA范围与SO2排放量的敏感性分析
由图6可知:当船舶在ECA内航行距离增加也即船舶在ECA内航行距离占整个航程的比例增加时，随着ECA内航速的不断降低船舶运营商的燃油成本呈上升趋势。
由图7可知:当船舶保持最优航速不变，船舶在ECA内航行距离增加时整个航程的SO2排放量呈现递减的趋势，而随着航速的不断降低，整个航程的SO2排放量呈现递增的趋势，因此,船舶在排放控制区内航行距离对整个航程燃油成本及SO2排放量影响很大，降低航速不一定能够使船舶运营商的燃油成本上升的幅度减小。
4.2 低硫燃油价格敏感性分析
敏感性分析结果见图8，当高硫油的价格保持不变时，低硫油与高硫油的差价越大,船舶运营商的燃油成本也越大。同时,当低硫油价格越高且燃油差价越大,运营商的燃油成本也越大。由此可看出燃油价格对船舶运营商的燃油成本具有很大的影响。
图8 低硫燃油价格敏感性分析
5 结束语
本文通过分析船舶运营商在不额外增加船舶数量的情况下降低在ECA内的航行速度从而在控制区外增加航速的方法来使自身成本减小，通过算例分析得出,船舶运营商在排放控制区内航行速度为17.64 kn时燃油成本降低最多,但此时整个航程的SO2排放量呈递增趋势。最后对船舶在ECA内航行距离及低硫油与高硫油的燃油差价进行敏感性分析，经过分析得出,低硫油与高硫油燃油差价越大时,在排放控制区域内外进行航速优化能使运营商燃油成本降低最多,但整个航程SO2排放量呈现递增趋势。
另外，随着各国对海洋环境问题重视的程度逐渐加深，ECA区域将会越来越大，因而在ECA内降低航速和ECA外提高航速调节功能越来越弱，这就需要航运界的科研工作者积极探索其他解决办法，例如使用排烟清洗器等可作为未来的研究方向。
