考慮沿海轉運的我國進口LNG海運網絡優化

呂 靖，王琴琴，盛慧敏

(大連海事大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116026)

0 引 言

國家各項環保政策的實施導致國內天然氣消費需求迅速增長。據北京發布的《2018年國內外油氣行業發展報告》顯示：2018年我國天然氣進口量約為1 254×108m3，首次超越日本，成為全球天然氣第一大進口國。我國天然氣進口主要采用液化天然氣(LNG)和管道氣兩種形式，LNG是天然氣在-162 ℃下的液化狀態，其體積約是氣態天然氣的1/600。2018年我國LNG進口量占天然氣進口總量的59%。隨著進口量增加，海運成本也迅速增加。由于我國進口LNG海上運輸起步較晚，海運網絡較原油、鐵礦石等運輸網絡稍顯不足，尚未發展到沿海二程轉運。目前，采用中小型LNG運輸進行沿海轉運于日本和北歐等國已經相當成熟，相較于這些國家，我國擁有更長的海岸線，隨著長江干線LNG動力船加注站的逐步建設[1]，都為我國發展中小型LNG運輸船提供有利條件。近年來，小型LNG運輸船已開始在我國沿海試航。就當前而言，學術界對采用中小型LNG運輸船進行中短距離海上運輸的關注度遠不及采用大型LNG運輸船進行的長距離遠洋運輸。

目前國內外關于在較短距離中使用中小型LNG運輸船的可行性研究相對較少且也大多是定性分析研究。付海泉等[2]從市場需求角度出發，分析了我國現有的LNG運輸模式和中小型LNG運輸船的發展現狀及優點，指出發展中小型LNG運輸船能更好滿足市場需求。王志剛等[3]從LNG運輸船船型角度出發，對長江中下游LNG市場和長江中下游水域進行分析，找出適合在長江中下游適航的LNG運輸船船型。R.JOKINEN等[4]從LNG供應鏈角度出發，以芬蘭沿海地區LNG供應為例，將中小型LNG運輸船和卡車運輸相結合，分析了這兩種運輸方式在距離上的經濟性。A.BITTANTE等[5]基于文獻[4]的研究，將一維問題擴展成二維問題，分析了波羅的海兩側芬蘭和瑞典沿岸的LNG海陸聯合運輸問題。A.BITTANTE等[6]隨后又從LNG供應鏈角度出發，設計了適合短距離、小規模的LNG供應鏈優化模型，并以加勒比地區為例進行分析，指出在短距離、小規模和管網不通地區更適合發展中小型LNG運輸船。

關于LNG遠洋運輸的相關研究則較為豐富，主要研究方向是基于供應商角度，為供應商制定長期或短期的交付計劃[7-10]。牛東翔等[11]從航線配船角度研究了我國LNG海上運輸，將大宗工業物資運輸航線配船和班輪運輸航線配船模型進行融合，建立了一個以船隊年運營成本最小為目標的LNG航線配船模型。R.RAJ等[12]從航運企業運輸成本角度出發，建立了基于基本工程原理的成本估算模型，用于估算船舶在采用不同動力系統時，船舶燃料消耗的變化，進而研究其在不同運輸距離下對運輸成本的影響。

綜上所述，能定量研究中小型LNG運輸船在短距離運輸中經濟性和可行性的現有文獻較少。同時，關于LNG海上運輸的研究大多是基于供應商角度。為響應國家“國貨國運”的運輸發展戰略，筆者基于進口國角度，即由我國航運企業組建運輸船隊，對我國進口LNG海運網絡進行了優人。筆者在海運網絡中加入沿海二程轉運，建立以運輸成本最小為目標的進口LNG海運網絡優化模型，同時在海運網絡中分析采用中小型LNG船舶進行沿海轉運的經濟性，并在轉運經濟情況下選擇合適的樞紐港，以期對我國中小型LNG運輸船發展政策制定和進口LNG海運網絡優化起到借鑒作用。

1 我國LNG進口及運輸現狀

我國LNG進口及運輸主要有如下特點：其數量龐大，進口來源地眾多，海上運輸航線距離較遠。

1.1 主要進口來源地

在經濟快速發展、產業結構調整和國家環保力度不斷加強等綜合因素的影響下，我國天然氣需求量逐年增加，天然氣自身供應能力難以滿足消費市場需求。

我國LNG進口量增長迅速，截至2018年底，LNG進口總量達5 400×104t，如圖1。據文獻[13]顯示：2018年我國凈進口增量達1 600×104t，居世界首位，天然氣對外依存度達到45%。我國進口LNG主要來自澳大利亞、東南亞、中東、北美、非洲等地區(圖2)，排名前4的國家分別為澳大利亞、卡塔爾、馬來西亞、印度尼西亞，這些國家進口到我國的LNG占進口總量的76%。

圖1 2012—2018年我國進口LNG統計

圖2 2018年我國LNG進口來源國

1.2 主要進口運輸航線

結合文獻[14]和我國LNG進口來源國情況進行分析可知：我國進口LNG運輸航線主要有5條，分別為中東航線、東南亞航線、大洋洲航線、非洲航線和北美航線(表1)。

表1 我國進口LNG主要路線

由于筆者研究的側重點是優化進口LNG海運網絡，并分析我國沿海地區發展中小型LNG運輸船經濟性。考慮到在遠洋航線中每個區域內的各國到我國沿海各港口距離差別較小，故選取每個地區向中國出口LNG最多國家的一個港口作為代表進行分析[15]。

2 優化模型建立

2.1 問題描述與基本假設

LNG進出口貿易以簽訂長期照付不議合同為主，這使得LNG運輸具有較穩定的供需關系和運輸價格。假設由LNG進口國國內的某一航運企業負責該國內所有進口LNG運輸，航運企業可在航運市場自由租入船舶，且該航運企業運輸船全部以長期租船方式所得。船舶全部執行簡單航次的運輸任務，即在裝船港一次裝船，在目的港一次卸船，中途不發生停靠、裝卸船等現象。航運企業按照年度交付任務組織船舶運輸，其要在滿足國內所有接收站需求基礎上使得運輸總成本最小。該進口LNG海運網絡考慮了沿海二程轉運，轉運由中小型LNG運輸船負責。國內樞紐港需求全部由遠洋運輸滿足；而國內非樞紐港需求可由遠洋運輸和沿海轉運共同滿足。

在模型建立前，做出以下假設：

1)規劃期為1 a(365 d)；

2)所用船舶均為期租船舶，租期為1 a；

3)船舶年度可使用時間為345 d；

4)同型船舶在同類型港口具有相同的港口使費和停泊時間；

5)所有接收站需求必須被全部滿足；

6)所有接收站聯合進口。

期租的LNG運輸船按照租船合同，承租人要支付船舶燃油費、港口費、過路費和租金。租金一般以美元/d計算。目前，我國所有進口LNG運輸航線中只有在通過蘇伊士運河和巴拿馬運河時要收取過路費。在目標函數中，不將過路費模塊單獨列出，而是將其疊加入運輸航線中需要通過這兩個運河的進口來源國港口費用中。

LNG運輸船按照容積大小可分為9×104m3以下的中小型船舶，(12～18)×104m3的傳統型船舶，20×104m3以上的超大型船舶。其中：超大型船又可分為(20～22)×104m3的Q-Flex型和大于26×104m3的Q-Max型兩種型號。中小型船舶主要適用于沿海轉運或江海直達運輸，傳統型和超大型船舶主要用于遠洋運輸。目前，傳統型船舶是LNG運輸市場的主力船型；超大型船舶數量較少，不足船舶總數9%，故市場可租得的數量有限。考慮超大型船舶的市場租船限制，我國進口LNG總量占全球LNG貿易總量的17.3%，故筆者設定可租入超大型船舶的數量不超過市場總數的20%。擬設計的我國進口LNG海運網絡示意如圖3。

圖3 擬設計的我國進口LNG海運網絡示意

2.2 數學模型

我國進口LNG海運網絡包括一組港口節點和一組運輸路徑，即為G(N,A)。其中：N為港口節點集合，A為連接港口節點所有可行的運輸路徑集合。對于任意的港口i、j∈N，定義ij∈A為港口i到港口j間直接連接的運輸路徑。該連接運輸路徑分為3種情況：① 連接出口國港口與國內樞紐接收站；② 連接出口國港口與國內非樞紐接收站；③ 連接國內樞紐接收站與非樞紐接收站。

模型涉及集合：P為所有港口集合；S為所有出口國港口集合，S?P；L為國內所有LNG接收站集合，L?P；H為備選樞紐接收站集合，H?L；N為不作為備選樞紐接收站集合，N?L；K為所有船舶集合；K1為遠洋運輸船集合，K1?K；K2為沿海轉運船集合，K2?K。

則目標函數如式(1)：

(1)

約束條件如式(2)～(12)：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式(1)為目標函數即進口LNG海運總成本最小，第1項為租船成本，第2、3項分別為遠洋運輸和沿海二程轉運的燃料消耗，第4、5項分別為遠洋運輸和沿海二程轉運的港口使費；式(2)為對供應地的供應數量約束；式(3)、(4)分別為備選樞紐港和非樞紐港需求量約束；式(5)、(6)分別為對備選樞紐港和非樞紐港接收能力約束；式(7)為對備選樞紐港反輸能力約束；式(8)、(9)分別為對遠洋運輸船舶和沿海轉運船舶實際可運營時間約束；式(10)為港口對可通行船舶大小約束；式(11)為對船舶航次運量約束，航次運量建立在航次基礎上，若一航次船舶處于半載狀態則航次運量記為x=0.5；式(11)為對船舶航次最小裝載量約束，LNG運輸途中存在蒸發問題，因裝載量越少，蒸發速度越快，故對船舶最小裝載量進行限制，參照文獻[6]，f=75%，即船舶最小裝載量不少于船舶容積的75%。

3 案例分析

筆者以2017年我國LNG進口來源情況和LNG接收站需求情況為例，對我國進口LNG海運網絡進行優化分析。

3.1 主要參數說明

3.1.1 船舶相關數據

根據我國LNG運輸需要，模型選擇了9種典型船型(表2)。船舶航速采用克拉克森統計的船舶平均設計航速，船舶和港口相關費用參照文獻[16]。

表2 選擇船型數據

3.1.2 國內接收站數據

國內存在一些接收站之間可通過管網相連，做到互聯互通。筆者為在不影響沿海二程轉運前提下簡化模型，通過對不同距離下管道運輸和小型LNG船舶運輸單位的運輸成本進行比較，從而將部分接收站進行整合。

管道運輸成本由文獻[17]得到，管道運輸與小型LNG船舶運輸單位運輸成本如式(13)、(14)：

(13)

(14)

式中：d為運輸距離；Q為單位時間運輸量。

圖4分別顯示在100、200、300 km的運輸距離下，兩種運輸方式單位運輸成本變化。當運輸距離小于100 km時，管道運輸成本小于小型LNG船舶；隨著運輸距離和運輸量不斷增加，LNG運輸船在單位運輸成本上逐漸占據優勢。故筆者對距離相隔在100 km內且有管網連接的接收站進行整合，其結果如表3。

圖4 管道運輸與LNG船舶運輸單位運輸成本比較

表3 接收站建設及需求情況

當前我國具備裝船反輸接收站只有4座，分別為大連LNG接收站、南通如東LNG接收站、深圳大鵬LNG接收站和海南洋浦LNG接收站，筆者將其作為備選樞紐港。

3.2 結果分析

基于以上數據，筆者采用LINGO12軟件對我國2017年進口LNG海運網絡進行優化，其優化結果如表4～6。結果表明：考慮二程轉運時的運輸總成本為2.832×109美元，此時所租用的3艘1型船和7艘2型船被充分利用，3型船則為遠洋運輸的主力船型，一艘8型船和一艘9型船用來滿足LNG沿海轉運需求。

從表4～6可知：在不考慮因季節性調峰所造成額外調運情況下，1艘1.5×104m3和1艘3×104m3的LNG運輸船將初步滿足當前沿海轉運需求，總轉運量為191.4×104t。沿海二程轉運主要發生在大型LNG接收站和中小型LNG接收站之間，即由大型LNG接收站向中小型LNG接收站運送LNG。我國沿海目前只有東莞LNG接收站、防城LNG接收站和上海五號溝LNG接收站這3座中小型接收站對船型有較大限制，這3座接收站的LNG需求由沿海轉運滿足。對于幾乎沒有船型限制的大型LNG接收站，其需求主要由遠洋大型運輸船直接滿足，接收站之間發生的轉運量較少。

表4 國外供應地到國內接收站的LNG運輸量

表5 LNG轉運量

表6 轉運船的運輸航次

通過優化結果可知：大連LNG接收站、南通LNG接收站、深圳LNG接收站和洋浦LNG接收站這4個備選接收站皆進行了轉運外輸，故可將其作為海運網絡中的樞紐港。由轉運情況分析可知：樞紐港進行轉運主要遵循就近原則，即大連LNG接收站主要對渤海灣即天津接收站進行小規模的轉運；南通則主要負責長三角地區，少量轉運輻射到環渤海和東南沿海地區；深圳主要滿足珠三角地區的轉運任務，少量輻射到西南沿海地區；而洋浦則主要滿足西南沿海地區即西南沿海的防城港需求。

4 結 語

筆者通過分析LNG海運模式和我國進口LNG海運發展現狀，結合沿海二程轉運，建立了我國進口LNG海運網絡模型，并得到沿海轉運船舶的配備規模。從優化結果可知：在海運網絡中考慮二程轉運時，轉運量達191.4×104t，表明二程轉運存在一定優勢。轉運主要發生在樞紐港和其附近的中小型接收站之間，這些中小型接收站需求量較少且接收船型也比較小。由此看出，如若我國加快沿海LNG衛星站建設，同時考慮因季節性調峰發生調運，則將需要更多的中小型LNG運輸船來滿足沿海轉運需求。

沿海二程轉運意味著樞紐港要接收更多航次遠洋運輸船的同時還要兼顧高頻次的二程轉運船，這無疑會加大樞紐港的船舶接待壓力，造成港口擁堵。在后續研究中，筆者將重點關注因二程轉運造成樞紐港港口擁堵問題對海運網絡造成的影響。