綜合考慮SO2排放和燃油成本的船舶航速優化

曹彬彬, 董 崗

(上海海事大學 經濟管理學院, 上海 201306)

航運業在國際貿易中的地位日益顯著，集裝箱班輪運輸在航運業中占有的份額較大，隨之帶來的環境問題也引起社會的廣泛關注。國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)在2014年溫室氣體研究報告中指出全球大約有12%的SO2排放量來自于航運業，而且比例還在不斷增加。[1]為推進綠色航運和節能減排，改善我國沿海和沿河區域特別是港口城市的環境空氣質量，我國于2016年劃定珠三角、長三角和環渤海(京津冀)水域等3個船舶排放控制區(以下簡稱ECA)，規定自2019年起,船舶在排放控制區域航行及靠泊階段使用含硫量不高于0.1%的燃料油。該方案的頒布使船舶運營商燃油成本在一定程度上有所增加[2]，由于船舶航行速度對燃油成本及船舶污染物的排放有重要影響，運營商為達到政府規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區內降低航行速度進而減少在該區域內低硫燃油的消耗量。

目前，諸多學者關注船舶航行速度對燃油成本的影響并對其進行研究。PSARAFTIS等[3]認為隨著燃油成本的增加和環境問題受到更多的重視，船速的優化問題和模型構建研究也越來越多。WENA等[4]考慮燃油價格、時間和船舶載重量對燃油消耗量的影響等不同情況下的航速優化問題。RONEN等[5]認為燃油消耗與航行速度之間存在三次方關系并運用模型探究船舶速度及燃油價格與船舶運營商運營成本之間的關系。CARIOU等[6]指出船舶航速是影響船舶運營成本的主要變量，速度降低可節約燃料，減少成本和船舶廢氣的排放。MARJORIE等[7]的研究結果表明,在SECA內外區分速度的航行方式比始終勻速航行節約燃料成本，在低硫燃料價格變得更為昂貴時，這種節約成本的方式更為有效。本文在已有研究的基礎上，分析在船舶排放控制區域內外區分航速方案下的燃油成本，并采用自上而下統計法計算對應的SO2污染物排放量以量化環境效益。最后,對船舶在排放控制區內航行距離以及低硫燃油的價格進行敏感性分析[8]，得出區域內外航速的優化能夠使整個航程燃油成本顯著下降的結論，尤其是當船舶在區域內航行距離比例較大且低硫油的價格較高時，航速優化能使運營商成本的增加幅度明顯降低，另一方面帶來的問題是在燃油成本減少的同時SO2排放量增加。

1 基本假設

1) 船舶在ECA內航行時，主機使用低硫燃油MGO(含硫量0.1%)作為燃料；在ECA外航行時,主機使用高硫油HFO即IFO 380(含硫量3.5%)作為燃料。

2) 整個航行及靠泊階段副機使用MGO作為燃料，在靠泊階段主機不消耗燃料。

3) 船舶無論是在ECA內還是在ECA外,均為勻速航行。

2 模型構建

2.1 模型參數

2.2 參數關系

船舶在ECA內外航行的時間分別為

(1)

若要保證船舶運營商服務的頻率不變且不額外增加船舶數量，即船舶在整個航程中航行時間保持不變，此時船舶在ECA內外航行速度之間的關系為

(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，主機燃油消耗約占87%，副機燃油消耗約占11%，因此,由主機和副機燃油排放的SO2排放量基本代表全船SO2排放量。[9]本文模型只考慮船舶主機和副機在整個航程中的SO2排放量,有

(3)

高硫油HFO(含硫量3.5%)的硫排放因子為ηHFO=70 g/kg；低硫油MGO(含硫量0.1%)的硫排放因子為ηMGO=2 g/kg。[10]

2.3.2主機燃油成本

MARJORIE等[7]指出，船舶主機日常燃料消耗與航行速度的三次方成正比；船舶在ECA內外航行時主機燃油消耗量和燃油成本分別為

(4)

2.3.3副機燃油成本

船舶在ECA內外航行時副機燃油消耗量及燃油成本分別為

(5)

2.4 航速變化情況下的燃油成本及SO2排放量

1) 目前階段船舶在ECA外航行時使用HFO(IFO 380)，而在ECA內航行和靠泊階段使用MGO。計算此時的燃油成本及SO2排放量為

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

2) 對于單艘船舶而言，在整個航程中從一個港口到另一個港口的服務時間保持不變也即在不增加船舶數量的情況下改變船速，即船舶在ECA區域內減速為vECA而在ECA區域外加速為vi。計算此時的燃油成本及SO2排放量為

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

3 航速優化實例

船舶MSC Linzie從事歐洲到南美的集裝箱班輪運輸業務。兩港口之間的距離為13 000 n mile，船舶額定載重量為5 500 TEU，實際載重量為額定載重量的85%，主機功率為49 800 kW，主機燃油消耗速率為206 g/(kW·h)，主機負載系數為0.8，副機功率為2 433 kW，副機燃油消耗速率為221 g/(kW·h)，副機負載系數為0.5。在ECA內航行距離為1 700 n mile，最大設計航速為25 kn，船舶正常航行時的速度為20 kn。2017年12月鹿特丹港IFO380的燃油價格為347美元/t,而MGO的燃油價格為539美元/t，根據《運輸船舶燃油消耗量第1部分：海洋船舶計算方法》[12]可知,對于集裝箱類型船舶α為0.90～0.98，本文令α=0.9船舶在港口停留的時間為10 h。

若為保證船舶運營商服務的頻率不變，通過在ECA內減速航行而在區域外加速航行。由以上數據得出船舶在ECA內外的速度關系見圖1，且由此可得出船舶在ECA內航速與整個航程燃油消耗量、燃油成本和SO2排放量之間的關系分別見圖2～圖5。不同航速下燃油成本及SO2排放量的情況見表1。利用軟件Mathematical 9.0對燃油成本函數進行求解得到航速最優解為17.64 kn，此時的燃油成本為1 091 894.65美元,燃油消耗量為2 889.15 t,SO2排放量為171 538.00 t。

圖1描述船舶在排放控制區域內外航行時的速度呈反比例關系，即在排放控制區域內減速時在不額外增加船舶數量的情況下,保證運營商服務的頻率不變則必須相應地在控制區外增加船舶的速度。

圖2 ECA內航行速度與燃油消耗量關系圖3 ECA航速與總燃油成本的關系

圖4 ECA內航速與ECA內SO2排放量關系圖5 ECA內航速與SO2排放量的關系

表1 不同航速情況下燃油成本及SO2排放量

圖2中:虛線表示ECA內航速與控制區內燃油消耗量的關系;實線表示ECA內航速與總燃油消耗量之間關系。由圖2可知：ECA內航速與排放控制區內燃油消耗量呈正比關系，在ECA內不斷降低航速時,總燃油消耗量在增加。

圖3描述船舶在ECA內航速與總燃油成本之間的關系。由圖2可知,在整個航程中燃油消耗量是增加的,但由于船舶在區域內主機要使用相對于高硫油HFO價格昂貴的低硫油MGO從而整個航程燃油成本減少。由圖3可知：船舶在ECA內航行時速度減小到17～18 kn時燃油成本減小最多。

圖4和圖5描述船舶在ECA內的航速與ECA內及總SO2排放量之間的關系，當區域內的速度不斷降低時區域內的SO2排放量呈下降趨勢。由于高硫油的硫排放因子遠高于低硫油的硫排放因子且排放控制區域外燃油消耗量高于區域內燃油消耗量，因此，整個航程SO2排放量呈遞增趨勢。

4 敏感性分析

排放控制區域內外區分航速航行時整個航程的燃油成本及帶來的SO2排放量受諸多因素的影響。船舶在ECA內航行的距離將對整個航程的燃油成本及SO2排放量產生直接的影響；且上述算例分析中的高硫油HFO及低硫油MGO的價格是基于鹿特丹港2017年12月2日數據，由于不同類型的燃油價格波動較大,故對船舶在ECA內航行的距離、低硫燃油的價格進行敏感性分析。

4.1 船舶在ECA內航行距離的敏感性分析

ECA范圍對整個航程總燃油成本及SO2排放量的敏感性分析分別見圖6和圖7。

圖6 ECA范圍與燃油成本的敏感性分析圖7 ECA范圍與SO2排放量的敏感性分析

由圖6可知:當船舶在ECA內航行距離增加也即船舶在ECA內航行距離占整個航程的比例增加時，隨著ECA內航速的不斷降低船舶運營商的燃油成本呈上升趨勢。

由圖7可知:當船舶保持最優航速不變，船舶在ECA內航行距離增加時整個航程的SO2排放量呈現遞減的趨勢，而隨著航速的不斷降低，整個航程的SO2排放量呈現遞增的趨勢，因此,船舶在排放控制區內航行距離對整個航程燃油成本及SO2排放量影響很大，降低航速不一定能夠使船舶運營商的燃油成本上升的幅度減小。

4.2 低硫燃油價格敏感性分析

敏感性分析結果見圖8，當高硫油的價格保持不變時，低硫油與高硫油的差價越大,船舶運營商的燃油成本也越大。同時,當低硫油價格越高且燃油差價越大,運營商的燃油成本也越大。由此可看出燃油價格對船舶運營商的燃油成本具有很大的影響。

圖8 低硫燃油價格敏感性分析

5 結束語

本文通過分析船舶運營商在不額外增加船舶數量的情況下降低在ECA內的航行速度從而在控制區外增加航速的方法來使自身成本減小，通過算例分析得出,船舶運營商在排放控制區內航行速度為17.64 kn時燃油成本降低最多,但此時整個航程的SO2排放量呈遞增趨勢。最后對船舶在ECA內航行距離及低硫油與高硫油的燃油差價進行敏感性分析，經過分析得出,低硫油與高硫油燃油差價越大時,在排放控制區域內外進行航速優化能使運營商燃油成本降低最多,但整個航程SO2排放量呈現遞增趨勢。

另外，隨著各國對海洋環境問題重視的程度逐漸加深，ECA區域將會越來越大，因而在ECA內降低航速和ECA外提高航速調節功能越來越弱，這就需要航運界的科研工作者積極探索其他解決辦法，例如使用排煙清洗器等可作為未來的研究方向。