长江LNG运输优化模型研究

王镜舟

（中海石油气电集团有限责任公司）

0 引言

液化天然气（LNG）是优质、清洁、高效的化石燃料，其生产、运输、储存、使用在国际上已有严格的规范和规程。以江苏省为代表的长江中下游省份自2006年引进国外LNG以来，天然气消耗量在其能源消费总量中的比例逐年增加。

然而，长江中下游地区LNG转运体系在实际运营中存在许多不合理设计，转运体系的优化问题十分紧迫。为了应对长江经济的快速发展以及能源工业的变革，只有充分利用长江发达的水路运输网络，大量引进以LNG为代表的优质能源，才能实现能源结构优化和能源供应多元化，保障能源供应的安全性和可靠性。

1 长江LNG转运计划与决策

本文以长江LNG水路转运规划作为优化对象，在长江水深对LNG运输船舶的约束条件下，以长江中下游（武汉下游）地区为空间范围，以 2019至2030年作为时间范围，以沿海接收站、沿江城市及港口的LNG供需能力作为边际条件，以水路、陆路运输成本作为参数条件，探讨在江苏、安徽、湖北各增设1座LNG中转站的最优运量分布，并评估全系统的综合运输成本。应用此方法建立的模型、评估形成的条件参数以及最终结论，可服务于长江经济带建设相关部门的 LNG规划工作及企业投资的战略决策，研究范围不限于单一公司的LNG运输业务链。

典型的长江沿岸 LNG水陆转运过程是以沿海LNG接收站作为产地，通过两种方式运输：一是将LNG沿长江水路运输至沿岸的LNG中转站，再通过危化品槽车公路运输至各个销地，也就是“水路+陆路”的方式；二是直接将LNG陆路运输至各个销地，也就是陆路的方式（见图1）。由于销地的需求可以部分通过LNG的替代品（例如管道天然气、煤炭等）来满足，因此需要考虑产销不平衡的情况。

图1 长江沿岸LNG水陆转运过程示意图

无论是采取LNG水路运输或陆路运输，从任何一个出发地到任何一个目的地的转运成本和所转运的数量均近似为线性比例关系，因此满足运输问题模型的成本假设条件。需要补充说明的是：

（1）为简化模型，本次优化只选取了镇江、芜湖、武汉3座拟建LNG中转站代入模型。未来在广泛收集项目资料、模型算力充裕的条件下，可以考虑穷举沿江全部拟建站址代入模型，通过求最优中转量分配方案，淘汰中转量低的站址，如此反复迭代2至3次，甄选出最优站址。

（2）如果将内陆LNG液化厂也纳入研究范围，则需要额外考虑运输品原材料（管道气/进口LNG）的价格差异因素，超出了运输模型的研究范围。未来可以考虑以LNG液化厂出厂价格与沿海LNG接收站出站价格的平均差异消减运费参数，从而进一步完善模型；甚至可以通过区分市场淡旺季价差，分季节代入不同的参数，从而进一步提高运输模型的准确性。

2 转运的供应与需求分析

在供应端方面，综合考虑沿海LNG接收站相对长江入海口位置以及潜在的反输功能条件，选取中石油如东LNG接收站、启东广汇LNG接收站、新奥舟山LNG接收及加注站作为供应端，结合其设计产能、历史产量与液态外输占比，对产地的LNG模型产能进行评估，总计每年需供应LNG 525×104t。

在需求端方面，将长江中下游沿岸LNG消费需求分为船用需求、车用需求和调峰需求三个主要类别。

（1）船用需求。以长江水系货运船舶规模及年均燃油消耗的经验数据进行测算，适当考虑客船、拖船等燃油消耗（按总燃油消耗的10%计算），根据替代率测算不同年份LNG需求量。由于2020年以前船用LNG发动机的替代进程较为缓慢，预计2035年船用 LNG发动机替代率为 16%～20%。从船用LNG发动机的燃料替代策略分析，LNG-柴油双燃料动力船的LNG用量占比为60%～70%，本次研究取65%；LNG单燃料动力船LNG用量为88%～95%，其余为引燃用油，考虑到发动机引燃技术的改进空间，本次研究取95%。最终测算2030年长江内河船用LNG需求量为163×104t，其中转运计划可覆盖水域（黄石港及其下游）的需求量为132×104t。最后根据船运货物总量分布特点匹配船用燃料需求分布特点，得到各主要港口区域船用LNG加注需求分布。

（2）车用需求。长江中下游车用市场细分为苏南五市、皖南八市以及武汉地区，基于各省统计年鉴关于营运车辆保有量的数据[1-3]，测算各市汽车保有量复合增长率。参考各省能源结构规划指标以及车辆用气指标，计算得到车用LNG需求及分布情况。

（3）潜在天然气储备及季节调峰需求。根据各省LNG燃气调峰的用量，按照苏南五市、皖南八市GDP规模加权，测得燃气调峰需求量。

综合考虑LNG中转站的达产周期，以2030年为准列出LNG供应与需求分布（见表1、表2）。

表1 LNG转运模型的需求分布汇总 单位：104 t

表2 LNG转运模型的供应分布汇总 单位：104 t

3 综合转运成本的分析

综合转运成本分析的假设条件包括：

（1）LNG运输无论是水路还是陆路，严格讲都是离散的（即以LNG车、船的容量为单位运输），为简化运算，假定为连续运输，且运输成本和运输量为线性关系。同时为了弥补潜在的线性偏差，根据水深条件分段给定水运单价，根据道路远近分阶梯给定陆运单价。

（2）假定运输路径上，运力不受限制，仅考虑产地、中转站的装船装车能力（即只要能装即可运走）。

（3）以三个 LNG接收站为出发点，设定运输方向为单向，不考虑从LNG接收站直接陆运供应的情景（如：如东—太仓陆路直接运输）。

（4）在线性规划模型中，运输单价整体水平的波动对运力分配结果无影响，不同线路之间的运输单价差异水平波动才会影响运力分配结果，本次模型研究运费设置主要参考了2018年物流行情，与现有运费水平难免存在偏差，考虑到物流市场是高度联动市场，上述不同时点的差异可视为整体水平的波动，不影响运力分配决策。

基于上述假设条件，以下将分析各项转运成本。

3.1 陆路运输成本分析

按照百公里以上运费 1.0元/（t·km），百公里以内运费1.5元/（t·km）保守估计三个中转站到各个销地的公路运距、运费（见表3）。

表3 三个中转站到各个销地的公路运费表 单位：元/t

3.2 水路运输成本分析

为了分段定量分析长江水路LNG运输成本，选择重庆市下游 28个沿江城市主要港口作为分段节点，逐段测算航道长度以及对应的行驶天数。以典型中小型 LNG运输船运输成本测算仓容 1×104m3的LNG运输船在安庆至南京航段的运输成本；综合水深通行条件对运输成本的加权（20%～30%），可以测算得出两点间（取最小通行条件船型）的运输成本，详见55页表4。

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3.3 水陆中转成本分析

中转成本主要指转运站本身的转运成本，以镇江转运站为例，根据项目投资概算，按照所得税后财务内部收益率约等于 9%[4]的目标，倒算对应中转差价为320元/t，因此水陆中转成本为320元/t，其他中转站中转成本以典型的20×104m3储罐标准的中小型接收中转站作为标准站（如镇江LNG中转站），按照项目投资回收与运营成本分摊的模型测算单位中转成本。该成本可作为固定成本计入中转站至销地的运输成本之上，形成综合转运成本。

4 基于运输问题模型的转运决策

4.1 数学模型的建模过程及模型描述

运输模型采用的是一种线性规划迭代方法，对“位置”和“能力”两个变量进行多种组合，在每—种组合下分别求解目标函数，从而寻求最优的运输方式和最佳位置[5][6]。一般运输模型建立如下，假定A1、A2…Am表示某物资的m个产地；B1、B2…Bn表示某物质的n个销地，目标函数为[7]：

式（1）中：f——运输成本；cij——从产地Ai运往销地Bj的单位运价；xij——从产地Ai运往销地Bj的运输量。

式（2）中：si——产地Ai的产量；式（3）中：dj——销地Bj的销量。

一般运输模型的变化包括以下几个方面：

（1）目标函数可求最小也可求最大（如求利润最大或营业额最大等）；

（2）当某些运输线路上的能力有限制时，在模型中直接加入约束条件（等式或不等式约束）；

（3）产销不平衡时，可加入假想的产地（销大于产时）或销地（产大于销时）[8]；

（4）原运输问题上增加若干转运站。运输方式有：产地—转运站、转运站—销地、产地—产地、产地—销地、销地—转运站、销地—产地等[9]。

根据第2章至第3章的评估结果，梳理汇总运输模型参数设计如表5所示。其中的虚设销地，主要为了适应产地总产能与销地总需求不匹配的问题，允许产地多余产能“零成本流入”虚设销地。

表5 产地、销地运输模型参数汇总

4.2 模型求解及转运决策应用

4.2.1 计算工具的选择与配置

（1）制定目标函数 SUMPRODUCT（运价表、运量单元格）：运价表单元格区域即根据第3章成本分析得出的产销平衡与运价表中的运价矩阵；运量单元格区域作为可变单元格；SUMPRODUCT（运价表、运量单元格）的值即为总运输成本。

（2）添加约束条件：对可变单元格竖排求和，添加约束使其等于各销地需求量；横排求和，添加约束使其等于各产地供应量。

（3）制定求解策略，选择单纯线性规划，约束精度0.01。

（4）求解并生成运算成果报告。

4.2.2 计算结果与验证

初步求解结论，运输成本最低为33.75×108元：

（1）产地累计向中转地供应LNG 345×104t，经验证分配原则符合低价优先（见表6）。

表6 产地—中转地运量测算结果（初步） 单位：104 t

（2）中转地上游航道可通行中型以上 LNG运输船，沿岸港口可由产地直供，经验证分配原则符合低价优先，直供总量72×104t（见表7）。

表7 产地—上游港口运量测算结果（初步）单位：104 t

（3）中转地为城市供应LNG为274.39×104t，经验证分配原则符合低价优先（见表8）。

表8 中转地—城市运量测算结果（初步） 单位：104 t

4.3 敏感性分析及转运决策优化

4.3.1 经验证发现模型求解结果存在不足

运用数学模型求得的结果必须要与实际结合分析，避免出现与实际不符情况。从结果看，存在显著问题的是原本由于泊位船型差异而无法从产地直供的港口（六安、安庆），却在系统优化结论中出现了产地直供运量（见表9）。

表9 LNG供给地—六安、安庆运量 单位：104 t

4.3.2 通过敏感性分析寻找问题原因

对于六安、安庆港口的模型测算结果与实际不符的情况，从约束条件的敏感性分析可以看出，芜湖中转站在达到约束限制值后，阴影价格为 0，允许的增量极小，允许的减量极大，成为限制运输成本降低的关键因素（见表10）。

表10 芜湖中转站的中转能力敏感性 单位：104 t

结合现实中各接收站、中转站的设计产量（中转量）条件分析，可以发现：

镇江、芜湖、武汉三个中转站的总中转能力为345×104t（镇江 145×104t、芜湖 150×104t、武汉50×104t）。全部销地（14个城市，14个港口，不含虚拟销地）的总需求为 431.75×104t，其中可以由产地直供5个港口销地（扬州港、江阴港、张家港港、南通港、常州港）的总需求为71.64×104t，剩余的销地（14个城市，9个港口，不含虚拟销地）的总需求为 360.11×104t，都需要通过中转站来解决。而由于中转站中转能力只有345×104t，无法满足360.11×104t的中转需求，运量缺口15.11×104t，导致系统首先通过“中转站—销地”的低成本线路配置运量，满足部分销地345×104t需求，剩余销地的15.11×104t需求，不得不配置给“M级（运费设置为9 999元/t）销地”的高成本线路。

六安的最优运输成本线路为“启东—芜湖—六安”线，成本700元/t，系全部销地的最高值；安庆的最优运输成本线路为“启东—芜湖—安庆”线，成本658元/t，系全部销地的第二高值，因此系统为其他销地优先配置完运量后，剩余六安、安庆只能通过M级的运输线路配置运量，符合目标函数最小化原则。

经计算，二者通过M级运输线路配置的运量总计为15.11×104t，正好与中转能力缺口相等。

4.3.3 转运决策优化与结论

基于敏感性分析结论，本模型可以通过增加芜湖中转站设计中转能力、释放最敏感的约束条件，实现运输成本的进一步降低。

将芜湖中转站设计提高至170×104t后，系统不再向M级的运输线路配置运量，同时运输成本总额显著下降，为19.6×108元。修正后求解对应的运量分配见表11。

表11 修正求解后得出的产地—中转地—销地运量结果 单位：104 t

如表12所示，修成求解的敏感性分析显示，芜湖中转站的中转能力仍然是敏感约束条件。

表12 修正求解后的敏感性分析 单位：104 t

为此，在修成求解的产销均衡与价格表、运量分配表基础上，为芜湖中转站增加1×104t边际中转能力，结果显示运输成本总额下降了97×104元。考虑到中转站提高1×104t中转能力的投资回收代价，远高于运输成本总额节省的收益，因此在芜湖中转站增加中转能力并填补长江 LNG转运体系的中转能力缺口后，没有必要进一步增加中转能力。

4.4 决策过程的创新特点与结论

上述研究的主要特点包括以下几个方面：

一是对长江地区LNG产量与需求的定量评估。通过收集、统计沿海LNG接收站以及内陆LNG液化厂的投资与产能情况，综合考虑课题决策对象（LNG中转站）的达产周期，以 2030年为目标节点，对长江中下游地区主要省市的LNG需求做合理评估。

二是对长江地区水路运输和中转 LNG的成本评估。对于中转成本，建立了典型中转站的经济性评价财务模型，基于一定的投资回报率来推算中转站的综合加工费；对于水路运输成本，根据航线水深限制的最大船型，推算出了运输单价。

三是基于敏感性分析，对初步运算结果进行了修正，一定程度上降低了运输模型线性规划的局限性。

基于当前国家关于“气化长江”的相关战略布局尚处于起步阶段，尚无研究机构、企业或个人专门针对长江地区整体的 LNG中转布局问题发表运筹学意义上的定量分析与研究成果。本模型研究的创新点主要体现在首次将运筹学理论应用在新产业领域，运用运输模型求解LNG在长江流域的转运线路规划问题，并结合产业实际情况进行分析与修正，对于类似产业的理论模型应用研究具有一定的借鉴意义。

综上所述，长江LNG转运体系可以通过运输模型进行优化，运输线路的运力配置可以量化评估，产地与中转地、产地与销地、中转地与销地之间的运力配置均可求解。

运营过程中的总体运输成本约为19×104元/a，可解决长江中下游地区约431.75×104t/a的LNG需求，单位运输成本约440元/t，与天然气液态供应链的行业平均成本水平基本一致。

中转站的中转能力配置，对LNG转运体系的效率具有重要影响，可以通过对运输模型约束条件进行敏感性分析，结合参数背后的现实意义，对投资配置与运营管理工作进行优化。

长江中下游地区LNG的供需平衡，对LNG转运体系具有本质影响，应该在现实管理工作中持续开展长江中下游地区LNG的供需分析，关注新增产能、新增需求，持续优化“气化长江”LNG转运体系的运筹学运输模型。