内河船用LNG 加注站布局规模及选址

胡勇，郑健良，徐贝贝

（1.广东省交通运输规划研究中心，广东 广州 510199；2.河海大学，江苏 南京 210098）

0 引言

液化天然气（简称LNG）作为一种清洁、高效的船舶替代燃料，对推动水运行业绿色发展及能源结构调整有重要意义。我国提出应用LNG作为船舶燃料概念始于2010年，初期因考虑到LNG动力船舶建造成本及相关技术要求较高，其在内河水运中的发展较为缓慢[1]。随着国家推进水运行业应用LNG的措施及标准文件的相继出台，以LNG为燃料的动力船舶保有量持续增长。而作为LNG动力船舶的重要基础保障设施，LNG加注站的数量和选址直接影响区域LNG加注站布局规划的合理性，进而影响LNG在内河水运中的推广应用，必须予以重视。

1 内河船用LNG发展现状与前景

1.1 政策指引

为更好地指引水运行业推广应用LNG，国家相继颁布完善了相关的政策法规。2013年，《交通运输部关于推进水运行业应用液化天然气的指导意见》发布，文件对水运行业应用LNG的标准体系建设及LNG燃料的应用目标等均提出了明确要求。此后，交通运输部、国家发改委等单位相继出台了《长江干线京杭运河西江航运干线液化天然气加注码头布局方案（2017—2025年）》、《液化天然气燃料加注船舶规范》（2017）、JTS 196-11—2016《内河液化天然气加注码头设计规范》等多个行业标准规范，内容涉及到LNG动力船舶、加注码头规划、设计及建造等方面，基本覆盖了水运LNG应用的全周期价值链，为内河航道LNG的发展提供了标准体系支撑。

1.2 推广应用现状

目前，我国LNG动力船舶总体规模仍比较小，加注需求不足，LNG加注码头发展较缓慢。截至2017年底，全国仅建成LNG动力船舶135艘，主要航行于长江干线、京杭运河等少数高等级航道，且大部分为1 000吨级以下的动力船型，在内河航运市场普及率较低。加注设施方面，2013年9月，我国首个船用LNG加注站“海港星01号”投入试运行。目前，全国基本建成的内河LNG加注码头16个，主要分布于长江干线和京杭运河沿线。因尚未形成完善的内河LNG加注体系，LNG加注能力严重不足，极大地制约了内河LNG船舶的大范围推广应用。

1.3 发展前景

随着我国大气污染防治法的实施以及船舶排放法规的出台，LNG在水运行业的应用步伐将不断加快。

1）国家能源结构战略为内河LNG发展带来契机

天然气的开发利用改变了全球能源结构。2017年全球天然气消费占一次能源消费比重高达23.4%[2]，而我国天然气消费占一次能源消费的比重仅为6.6%[3]，具有很大的提升空间。内河航运LNG的推广应用非常契合国家能源战略，可以预计，随着我国能源战略的不断优化调整，内河航运LNG的消费需求将会稳步增长。

2）全球航运业节能减排形势促进LNG推广应用

2011年，IMO（国际海事组织）通过MARPOL（国际防止船舶造成污染公约）附则Ⅵ修正案，提高了船舶的NOX和SOX的排放标准；2018年交通运输部发布的《船舶大气污染物排放控制区实施方案》也对船舶硫氧化物、氮氧化物等污染物排放做了更加严格、细致的规定。结合长远投资的稳定性和经济性，多方研究结果均倾向于船舶使用LNG清洁燃料的方案以彻底解决NOX和SOX排放问题。

3）成本低、安全性高为LNG发展提供内动力

根据实船测试及调研数据发现，相比于传统柴油燃料，LNG作为动力燃料具有较为明显的价格优势，相同质量的LNG的热值是柴油热值的1.23倍，能有效的节省成本、提高热能效率。此外，LNG的燃点远高于汽油和柴油，更不易发生爆炸。从能源自身属性上来讲，LNG安全性远高于汽油和柴油。

2 内河LNG加注站布局规模及选址研究

2.1 总体思路

合理的LNG加注站布局数量和选址方法可为地区LNG加注站布局规划提供决策参考，对内河船用LNG的推广应用具有重要现实意义，一般包括以下步骤：

1）现状调研。开展深入调研，分析研究区域内河航运、航运燃油设施及能源消费现状情况。在此基础上分析腹地经济发展及国家政策指引对LNG加注站建设的影响，为建站后续环节提供必要的准则和范围的限定。

2）需求预测分析。需求分析包括内河燃油消耗需求预测、LNG需求预测，LNG需求特点、需求分布等。在此过程中需借助合理的数学模型，通过对内河LNG燃料的预测进而得出加注站的需求规模和数量。

3）确定加注站选址。通过统筹考虑安全性、经济性、适应性等方面因素，并结合标准规范和政策法规要求，综合分析确定加注站建站的最佳位置。

LNG加注站布局规模及选址基本流程见图1。

图1 LNG加注站布局规模及选址思路图Fig.1 LNG filling station layout scale and location ideas

2.2 内河船用LNG消费需求预测分析

由于内河LNG动力船舶的应用尚处于技术发展与规范阶段，与之未来年份发展预测相关的信息数据较少，参考价值不高，无法直接利用现状LNG数据预测其未来的消费需求。因此，本文转换思路，考虑到港口吞吐量的数据信息具有国家与省市统计的基础，详细准确。通过对内河港口货物吞吐量、货物周转量、船舶燃油消耗量的预测，并结合国家对内河船用LNG替代燃料油的政策要求，预测内河船用LNG消费需求。具体按下列步骤进行：

1）港口吞吐量预测

港口吞吐量预测采用定性与定量相结合的办法进行。在线性回归、弹性系数等数学模型预测值的基础上[4]，结合腹地国民经济和生产力布局的现状和发展，分析港口吞吐量与宏观经济、外贸进出口、工农业生产等要素之间的内在联系与规律，并结合各港总体规划，综合分析预测内河港口吞吐量。

2）货物周转量预测

目前，内河航运货物周转量已列为国家与省市统计的水运基础数据，但对于货物周转量的预测方法并无明确思路。肖维楚[5]针对长江干线情况，提出货物周转量预测的统计估算法和因素估算法，为内河航运货物周转量提供了新思路。本文结合内河水路运输的性质及特点，提出以下几种思路方法：①利用货物周转量与港口吞吐量的密切相关性，对所在地区历年吞吐量与货物周转量进行相关性分析，得出两者相关函数，进而预测出货物周转量。②增长率法。根据所在地区历年货物周转量的增长率情况，预测规划基础年至水平年的增长率，从而预测出规划水平年的货物周转量。③综合分析。平衡上述两种思路的货物周转量预测数据，得出最终预测结果。

3）货物周转量与燃油消耗量相关性分析

据相关研究成果[6]，1 000吨级内河船舶柴油消耗量约3.5 kg/（103t·km），2 000吨级内河船舶柴油消耗量约3.0 kg/（103t·km）。通过对货物周转量与燃油消耗量的相关性分析，预测出内河船舶的燃油消耗量。

4）LNG消费需求预测

《交通运输部关于推进水运行业应用液化天然气的指导意见》提出，“到2020年，内河运输船舶能源消耗中LNG的比例达到10%以上”。根据规划水平年的内河船舶能源消耗需求预测结果，再结合所在地区的内河航运LNG能源的发展目标，综合分析预测LNG消费需求。如根据《印发广东省内河航运应用液化天然气（LNG）实施方案的通知》，广东省内河船用LNG替换率在2025年达到15%、2035年达到30%，则结合预测的燃油消耗量及相应年份的目标替换率便可预测出广东省LNG消费需求。

2.3 LNG加注站需求数量确定模型

2.3.1 模型分析

LNG加注站是以船用LNG燃料市场需求为导向的经营设施，其建设数量和未来发展的规模取决于内河船用LNG加注需求及单个加注站的供应能力。在实际过程中，加注站布局数量受多种因素影响，难以量化，如单船储罐容量不一、加注站服务能力不同等。为便于建立LNG加注站需求数量预测模型，做如下基本假设：

1）根据掌握的LNG船舶储罐情况，选取某特定LNG储罐船作为代表船型；

2）LNG加注站仅供内河船舶使用，暂不考虑给汽车供气；

3）每个加注站的日供应能力相同，即具有相同的服务能力；

4）当船舶需要加注LNG时，附近总有加注站能够满足需求；

2.3.2 模型构建

根据调研掌握的数据及相关资料分析，研究提出内河航道LNG加注泊位的需求数量确定的数学模型：

式中：L为加注泊位需求数量；M为LNG预测需求量，m3；μ为系数，考虑适度超前的规划原则而定的系数，可根据地区实际情况按1～2之间选取；S为单个加注泊位供应能力，m3/a；T为年营运天数，根据相关规范和要求，大风、大雾等恶劣作业条件时，不得进行加气作业，视具体情况确定；V为LNG船舶储罐容量，单船储罐容量一般按5～20 m3考虑；Øb为充装系数，即充装率，综合考虑罐容、船舶运营组织方式、补给周期，一般可按照80%考虑；ρ为泊位利用率，船舶年占用泊位时间与年营运时间的百分比，根据到港船型、泊位数、加气站营运等因素确定，一般为0.55～0.70；tz为充装1艘LNG船舶所需时间，根据相关文献[7]，可按0.5 h取值；td为昼夜小时数，24 h；∑t为昼夜非生产时间之和，由于LNG船舶夜间作业具有安全隐患，宜在白天对受注船舶进行加注作业，一般取昼夜非生产时间为12 h；tf为LNG船舶加注辅助时间、靠泊和离岸时间之和。无统计资料时按0.8～1.8取；

本模型仅能得到加注泊位需求数量，确定最终加注站的数量还需综合考虑泊位布置情况。根据《长江干线京杭运河西江干线液化天然气加注码头布局方案（2017—2025年）》，每处加注站原则上不宜超过2个泊位。假定A类加注站设置2个泊位，B类加注站设置1个泊位，最终规划的加注站数量为A、B两类加注站之和。

2.4 加注站选址方案要点分析

2.4.1 加注站选址影响因素分析

影响内河船用LNG加注站选址的因素有很多，根据查阅相关文献资料及对政策文件解读[8]，主要分析几个因素：

1）适应性。对于岸基式和船基式加注站，其码头选址应与内河港口总体规划相适应，与内河航道、通航建筑物、过河建筑物的建设和规划相衔接，并满足节约岸线资源的要求。

2）安全性。内河LNG加注站应选在河势稳定、水流平顺、水域面积充足、方便船舶进出的河段，具体可由安全评估确定；不宜布置在人口密集区域等敏感区域的全年常风向的上风侧，也不宜布置在明火或散发火花地点的下风侧；应远离桥区、渡口、取水口及过河建筑物保护区，并保持适当的间隔距离。

3）经济性。加注站尽量选在船舶通航密度大的航道，燃料需求旺盛，经济效益高；尽量考虑将加注站功能与现有船舶加油站或服务站的功能相融合；选址在便利的陆域交通可以方便槽车供应LNG，降低物流成本。

2.4.2 加注站选址控制指标分析

1）加注站布置间距控制

根据《长江干线京杭运河西江航运干线液化天然气加注码头布局方案（2017—2025年）》，为保障LNG船舶能够及时加气，加注站布置间距原则不超过150 km。实际开展规划时，可根据地区船舶船型情况，选择合适罐容量船型作为标准，按照储气罐储存LNG剩余10%低位液限报警要求，确定LNG加注站最大间距。以重庆—上海运输船舶能源消耗为例[9]，该段航道里程2 400 km，5 000吨级货运船舶混合动力改造后每消耗1 m3LNG燃料可续航约50 km。以10 m3储气罐为例进行布点距离计算，船舶LNG燃料可支撑的航行距离约为500 km。按照储气罐储存LNG剩余10%低位液限报警要求，则LNG动力船舶与加注站最大距离为50 km。

2）单个加注站岸线长度

加注站可以有多种结构形式，主要有趸船式、岸基式和离岸式。内河航道枯水期和丰水期水位变化较大，趸船式由于能够很好地适应水位变化，故本节主要研究以趸船式为代表的加注站所需岸线长度。

根据加注站包含加注泊位数量的不同，考虑A、B两种级别的加注站，分别以A类和B类加注站作为代表性LNG加注站，泊位考虑连续布置以方便综合利用。根据JTJ 212—2006《河港工程总体设计规范》计算所需岸线长度，结果如表1、表2所示。

表1 A类加注站岸线长度计算表Table 1 Calculation of shore length of class A filling station

表2 B类加注站岸线长度计算表Table 2 Calculation of shore length of class B filling station

3 结语

船用LNG的推广应用已成为内河航运发展的大趋势，然而国内大部分地区尚未形成完善的内河LNG加注体系，LNG加注能力严重不足。为更加合理有序地开展内河航道LNG加注站布局规划，本文从LNG加注站的规模数量及选址方面切入，对LNG消费需求预测方法及步骤、加注站规模数量计算模型及选址方案均开展了相应的研究，相关成果可为LNG加注站布局规划编制、建设项目选址时参考。