基于费效分析的港内集装箱拖车“油改气”减排效益评估

黄静，封学军*，陈汨梨，沈金星

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；2.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；3.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098）

0 引言

我国港口行业迅速发展的同时，日益严重的环境问题正成为全社会关注的热点。作为行业重要能耗和排放大户的港口集装箱码头在大力推进绿色港口发展的背景下面临巨大的节能减排压力[1]。港作机械作为港区大气污染物重要排放源，因其机械种类和数量众多，在非道路移动机械污染中占有较大比重。港作机械的能源结构主要包括柴油、天然气以及电力，其中柴油和天然气作为石化燃料面临严峻的碳排放压力，前者还是集装箱港区大气污染物（SOX、NOX、HC、PM）的主要来源。

针对集装箱港口作业机械的节能减排措施及效果展开了诸多研究。美国长滩港早在2008年就开始试行CTP（Clean Truck Program，清洁集卡计划），把高污染集卡替换成低污染集卡[2]；封学军等[3]构建了基于发动机功率的港作机械活动量计算模型并进行港口减排项目博弈分析。王文渊等[4]通过分析各装卸运输设备的能源消耗指标及影响因素，提出集装箱码头碳排放量计算公式，确定集装箱码头节能减排的重点机械；彭云等[5]结合系统仿真方法和环境经济效益计算方法定量分析可再生能源替代传统能源的环境经济效益。陶学宗等[6-7]建立港口集装箱作业设备改造的节能减排效益评估模型，并对港口轮胎式龙门起重机“油改电”改造进行效益估算。刘晓蓉等[8]通过计算2015年上海洋山港LNG牵引车的节能减排量分析了“油改气”的经济效益，提出下阶段LNG在港口应用推广的建议。但由于我国在港作机械减排方面的研究起步较晚，特别是针对尾气排放的实测数据极其缺乏，大部分仍为政策分析及理论研究[9]。如何基于实测数据，量化分析不同情景下技术改造成本和环境效益关系，科学指导港作机械的绿色化发展正成为行业关注的热点。

本文采用费效分析（CBA）方法，建立基于实测数据的港作机械减排措施费用（Cost）及环境效益（Benefit）模型，并就LNG集装箱拖车规模、燃料价格和改造成本等不确定因素开展敏感性分析；以江苏省集装箱港区拖车“油改气”措施为例验证模型的准确性。

1 港作机械减排措施费效模型

费效分析方法（Cost-benefit Analysis）是一种广泛使用于评价、比较经济活动方案的得失、优劣以供合理决策的经济数量分析方法[10]，本文参考已有文献并进行改进得到针对集装箱港区港作机械减排措施的费效模型。

1.1 减排措施的成本分析

1.1.1 费用的年均化

以港口集装箱拖车“油改气”措施为对象，将基准年改造过程中需投入的费用以机械使用年限为基础，考虑通货膨胀的影响后将改造费用在机械的使用年限内进行年均化，确定年化成本：

式中：k为减排改造措施，如整车更换、发动机改造；Ck为柴油驱动的集装箱拖车采取k减排措施后年均化的费用，元；Ck′为基准年采取k减排措施投入的费用，元；b为机械或发动机的使用年限；β为通货膨胀率，无量纲。

1.1.2 机械或发动机残余价值

对机械的残余价值，通过固定资产折旧的方法获取：

式中：C*为机械在使用α年后的价值，元；C为机械购买时价格，元；α为机械年龄；γ为在达到使用年限后机械的预计净残值率，一般取5%。

1.1.3 燃料费用

在费用投入中，除采取减排措施直接投入外，还需考虑每年机械的燃料投入：

式中：l为机械类型，采取和未采取减排措施的集装箱拖车；AFl为基准年每类集装箱拖车单车所需燃料费年均值；Fl为每类集装箱拖车的单位时间燃料消耗量（柴油为L/h，LNG为kg/h）；FP为使用燃料基准年平均价格，元/L或元/kg；Al为一类机械年均活动水平，h/a。

1.1.4 成本年均化总费用

年化总费用包括减排控制措施的直接费用和集装箱拖车采取减排措施后的燃料费：

式中：TCk，l为集装箱拖车在采取k减排措施后年均化费用总和，元；Pl为一类机械保有量。

1.2 减排措施的效益分析

减排措施的效益估算首先以集装箱拖车尾气污染物减排量（环境效益）表征。

1.2.1 尾气排放量计算

拖车尾气污染物和温室气体CO2的排放量采用港作机械的排放量计算公式[3]计算，其基本方程如下：

式中：Ej，l为l类机械j物质的排放量，t；Powerl为l类机械发动机额定功率，kW；LF为负载因子，无量纲；EFj，l为l类机械基于发动机做功的j物质的排放因子，g/（kWh）；FCFl为燃油修正因子，无量纲；CF为控制因子，无量纲；j为CO2或污染物类型。

1.2.2 尾气减排效益计算

港口集装箱拖车“油改气”后，尾气中CO2和污染物减排效益主要是减少的尾气处理费用，这部分用削减的尾气排放量对应的社会成本来衡量，社会成本由以下方法[3]计算：

式中：SC为拖车“油改气”后尾气排放量削减的社会成本，元；SCFj为尾气中j物质的社会成本因子，元/t。

2 实证分析

对江苏省集装箱港区的调研显示：当前承担港区内集装箱垂直运动的集装箱装卸桥和龙门起重机基本已实现电动化，但承担港区内集装箱水平运输主要任务的集装箱拖车即集装箱牵引车多为柴油机驱动。在愈加严格的环保要求和绿色港口发展的内生动力的驱动下，采用“油改气”技术，即改造发动机以适应液化天然气（LNG）替代柴油的集装箱拖车或直接购买LNG动力拖车的数量正在逐步增加。

针对集装箱拖车“油改气”，主要分为整车淘汰与发动机改造2种方法。根据港作机械尾气排放清单估算方法，假设集装箱拖车的活动水平不随机械年龄的变化而变化，使用年限为20 a；参考《江苏省大气污染防治行动计划实施方案》[11]的减排要求，假设在2020年采取相应的减排措施后，到2021年初，江苏省港口的集装箱拖车使用液化天然气的比例达到80%。采用实测数据进行减排措施效益评估，其中的费用分析主要考虑改造费用、机械的残余价值、燃料费用等，而效益分析主要以采取减排措施后温室气体CO2和NOX、HC、PM2.5、SO2等污染物的减排量及尾气处理费用的减少量表征。

2.1 模型应用

2.1.1 改造费用计算

以2020年为基准年，需投入的费用以机械的使用年限为基础进行年均化。柴油发动机、LNG发动机集装箱拖车单价及发动机改造费用由调研获得，柴油单价、LNG单价及通货膨胀率等经济指标参考国家统计局及世界银行2020年的统计数据。

2.1.2 相关参数标定

1）负载因子

以发动机负载因子表示发动机投入工作时功率的平均百分比。参考长滩港[12]的研究结果，港口集装箱拖车的发动机负载因子取0.39。

2）控制因子

以控制因子反映由于减排技术应用在排放量上所发生的变化。对于施行“油改气”的集装箱拖车控制因子取1。

3）燃油修正因子

燃油修正因子反映油品变化对不同设备发动机污染物排放率的影响。目前江苏省集装箱港区装卸机械使用0号柴油，其含硫量为0.035%，进行本地化校正折算得到适合设备型号的燃油修正因子如表1所示。LNG发动机没有燃油修正因子。

表1 超低硫柴油燃油修正因子Table 1 Fuel correction factor of ultra-low sulfur diesel

4）机械保有量

机械保有量将影响尾气的减排量和经济效益。本文中集装箱拖车的保有量主要依据各港口官网的实时数据及实地调研结果，针对部分无法获取准确集装箱拖车数量的港口，参考目前国内大多数港口普遍采用的6～7辆拖车配备1个岸边桥式起重机和1个堆场桥式起重机的模式[13]推算。各港口集装箱拖车保有量分布图如图1所示。

图1 江苏省各港口机械设备数据Fig.1 Machinery and equipment data of ports in Jiangsu Province

5）实测数据

南京港龙潭港区位于长江南岸，岸线10 km，主要以集装箱和大宗散货运输为主，有生产性泊位40个（万吨级及以上12个），年通过能力4 096万t。表2为南京龙潭港集装箱港区集装箱拖车基于PEMS便携式尾气排放测试系统所得的排放实测数据。江苏省大部分集装箱港口的港作机械条件与龙潭港区相似，因此用龙潭港可以近似代替江苏省的集装箱港口运作情况。

表2 龙潭集装箱港区集装箱拖车调研实测信息Table 2 Survey and measurement information of container trailers in Longtan Container Port

燃油消耗值由机械作业功率或实测消耗值转化[14]。在燃油消耗量估算过程中，单位作业油耗量根据实地调研得到的机械功率、保有量等进行调整。

由于实测排放因子无法测试SO2的排放情况，故SO2排放量采用物料平衡法[3]计算。

式中：El为SO2排放量，t；Y为集装箱拖车的燃油消耗量，kg；S为燃料含硫量，取0.7 g/kg。

6）排放物社会成本因子

根据美国环保局数据[15]，结合江苏社会经济发展水平进行调整，得到接近江苏实际情况的排放物社会成本因子，见表3。

表3 江苏尾气排放物社会成本因子Table 3 The social cost factor of exhaust emissions in Jiangsu Province

2.2 结果分析

2.2.1 减排措施的费用

江苏省港内集装箱拖车2020年采取“油改气”减排措施所需费用如表4所示。虽然从单辆机械来看，发动机改造的投入费用更少，但考虑机械的残余价值时，整车更换的方式要比发动机改造更为经济。

表4 集装箱拖车减排所需费用Table 4 The cost of container traileremission reduction万元

2.2.2 减排措施效益

假设减排目标为江苏省集装箱拖车“油改气”比例达到80%。以PM2.5、NOX、SO2、CO、HC、CO2的减排量评估减排效益，处理费用的减少量评估经济效益，见表5。

表5 集装箱拖车减排措施效益Table 5 Benefits of container trailer emission reduction measures

采取减排措施后，CO2和污染物年均总减排量达2 493.01 t，减排率达9.90%；社会经济效益达642.23万元，降低15.15%。对于SO2和PM2.5的减排效果最好，减排比例分别为59.92%和56.04%。值得注意的是NOX和HC排放量不降反升，其中NOX年均排放量增加0.6%，HC增加了30.82%。分析NOX和HC排放量上升可能的原因是LNG的主要成分是CH4，与空气混合的过程中降低了空气密度和热效率，导致未充分燃烧造成HC排放过量；当压缩比高或处于高温富氧环境时，燃烧充分但NOX排放增加。“油改气”技术不论是环境方面还是经济方面都更符合港口未来的发展需求，满足节能减排可持续发展要求的同时经济性仍然合理。

3 敏感性分析

3.1 减排措施敏感性分析

敏感性分析法是一种运用定量分析，探究有关因素变化时对关键指标影响效果的非确定性分析方法。定义一个影响因素的排放敏感性系数为：

式中：SAF为评价指标I对变化因素N的敏感性系数；ΔI为不确定因素N发生变化时，评价指标I的相应变化率，%；ΔN为不确定因素N的变化率，%。

3.2 计算结果

集装箱拖车“油改气”减排措施费用效益的不确定性因素主要有：LNG集装箱拖车占比、燃料价格（即LNG单价和0号柴油单价）、通货膨胀率、改造成本等。敏感性分析指标确定为集装箱拖车整车更换和发动机改造2种方式的年均投入总费用。本研究选取敏感性因素变化率为±5%、±10%、±15%进行敏感性分析。图2和图3中各条线的斜率即为敏感性系数，反映了年均总费用TCk，l对各不确定性因素的敏感程度。斜率的绝对值越大表示该因素对经济指标的影响越大，斜率为正代表正影响，反之为负影响。

图2 整车更换方式的年均投入总费用敏感性分析图Fig.2 Sensitivity analysis of vehicle replacement method's total annual investment cost

图3 发动机改造方式的年均投入总费用敏感性分析图Fig.3 Sensitivity analysis of engine modification method's total annual investment cost

需要说明的是，采用整车更换方式时，LNG占比的敏感性系数（-0.361）曲线与改造成本的敏感性系数（-0.354）曲线因数值几乎重合。结合图2、图3可看出，5个因素对2种减排改造方式年均投入总费用指标的影响均为：LNG单价＞0号柴油单价＞LNG集装箱拖车占比＞改造成本＞通货膨胀率。其中年均投入总费用对燃料价格的变化最为敏感，而改造成本和通货膨胀率的影响相对较低。2种减排改造方式对比，随着燃料价格的增长，年均投入总费用都逐渐增多；LNG集装箱拖车占比和通货膨胀率越大，年均投入总费用越小；不同的是，采用整车更换方式时，年均投入总费用随着改造成本的增加而减小，而采用发动机改造方式时，改造成本越高，年均投入总费用也越高，这是因为考虑到机械残余价值的影响，表明港口在实施港作机械减排改造措施前需根据是否考虑机械残值及后续利用选择改造方式，使投入成本更加经济。

4 结语

本文对江苏省集装箱拖车“油改气”的2种减排控制措施进行费效分析，结果表明：

1）港内集装箱拖车整车更换需要投入的费用略高于发动机改造的费用，但考虑设备的残余价值时，整车更换的方式要比发动机改造更为经济。为推进绿色港口发展，建议采用更为经济的整车更换方式。

2）集装箱拖车进行“油改气”后，年均总减排量达2 493.01 t，年均经济效益达642.23万元，SO2和PM2.5的减排效果最好。但经济数据受市场因素影响，且机械存在一定的维护费用，相关经济投入的不确定性使港作机械的减排经济效益有必要进行进一步研究。

3）年均投入总费用对燃料价格的变化最为敏感，而改造成本和通货膨胀率的影响相对较低。当考虑机械残余价值的影响时，发动机改造成本对年均投入总费用呈正影响，整车更换成本对年均投入总费用却呈负影响。

本文仅针对集装箱拖车均采用整车更换或发动机改造中的一种减排措施进行“油改气”，未考虑因素之间的相互影响，且存在各地区不同的鼓励政策。现实中，根据实际的技术可行性和经济条件可能存在多种措施的组合改进，后续研究中有必要进行系统优化方案的统筹规划。