排放管控下船舶减排成本模型分析5400字

为减少船舶大气污染物排放，我国交通运输部于2015年12月印发《珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域船舶排放控制区实施方案》(交海发〔2015〕177号),设立了珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域三个船舶排放控制区(SECA);2016年1月1日起，船舶进入排放控制区使用硫含量不超过0.5%m/m的燃油。2018年12月10日，交通运输部公布了《船舶大气污染物排放控制区实施方案》(交海发〔2018〕168号),规定了新的排放控制区的大致范围为中国领海基线外延12海里内的所有海域及港□(不含香港、澳门、台湾管辖水域),以及特别划定的海南水域及港口。我国海事局发布的《2020年全球船用燃油限硫令实施方案》要求：自2020年1月1日起，国际航行船舶进入我国管辖水域应当使用硫含量不超过0.5%的燃油，进入我国内河大气污染排放控制区应当使用硫含量不超过0.1%的燃油。综上我国的硫排放控制区政策经历了一个从无到有，由松到紧的过程。随着我国对船舶排放减排的重视，相关研究更应该有针对性的发展跟进，以便为船公司的决策提供参考的依据。1.1构建航运成本模型在新出台的限硫政策背景下，对于船公司来说选择既经济又有效的减排措施尤为重要。本文针对的是错在排放控制区内外之分的航线，当船舶选择加装脱硫塔时，其在排放控制区内外均可使用价格便宜的重硫油(HSFO)。选用燃油转化措施的船舶在排放控制区外使用价格较低的含硫量低于0.5%的硫油(LSFO),在排放控制区外必须要使用昂贵的含硫量低于0.1%的低硫燃油(MGO),否则船公司将会因硫排放超标而受到处罚。当船公司选择新建造LNG动力船舶时，船舶在排放控制区内外均可通行。三种减排措施的适用情况以及耗用成本方面具有差异，所以有必要通过比较选取更经济高效的减排措施。本文为了满足硫排放控制区内外对于排放物硫含量的限制和把集装箱班轮假设1:在船舶航行路线一定的情况下，当船舶采用加装脱硫塔(措施一)时船舶在航线全程使用重硫油(HFO);当采用燃油转换(措施二)时船舶在排放控制区外使用含硫量低于0.5%的低硫油(LSFO),在排放控制区内使用含硫量低于0.1%的船用超低硫油(MGO),靠港时船舶副机消耗MGO;当选用LNG动力船舶(措施三)时船舶全程使用液化天然气燃料；假设2:航线上航行的船舶为新船；假设3:同一班轮船队的船舶类型相同；假设4:集装箱班轮沿航线来回的途经港口一致；假设5:LNG动力船舶与普通船舶在构造上只有动力的区别；假设6:LNG动力船舶初始成本和固定运营成本是普通船舶的1.2倍；假设7:班轮每年航行时间为270天，航线上年运输需求量一定，并且集装箱班重硫油价格HSFO(美元/吨)低硫油价格LSFO(美元/吨)超低硫燃油价格MGO(美元/吨)LNG价格(美元/吨)D年运输需求(TEU)K船舶运载量(TEU)L循环航次距离(海里)α排放控制区占比β重硫油与LNG热值之比y年固定运营成本(美元/船)船舶设计航速(海里/时)脱硫塔成本(美元)LNG船舶成本(美元)S单船年航行时间(小时)R设备残值副机燃料消耗常数t在港时间单位硫排放成本决策变量普通船航速(海里/时)NECA内航速(海里/时)ECA内航速(海里/时)LNG动力船航速(海里/时)N船舶数量(艘)1.2相关成本分析(1)减排成本文章在构造减排成本模型时只考虑了能造成船舶使用不同减排措施之间成本差异的因素，这些因素包括船舶的油耗成本、安装脱硫塔的成本、使用普通船舶的成本、使用LNG动力船舶的成本和每艘船舶的年固定运营成本，但是，像本文通过重硫油(40.5kJ/kg)与LNG(50kJ/kg)的热值转化来表示LNG的消耗船舶的航行时间有关。自限硫令生效起，三种减排措施的具体实施情况如表4-2所示，针对措施一、措施二和措施三这三种减排措施的燃油成本如公式(4-1)、(4-2)和(4-3)。P₂=SFOCAEL^PSASFOC”是主机油耗率，为206g/kw.h;EL是主机负荷，为0.8;PSM为主机马力数(KW)。SFOCA是副机油耗率，为221g/kw.h;EL^是副机负荷，为0.5;PSA表4-22015年与2020年减排措施实施情况对比使用低于0.1%含硫量的燃油LNG动力船舶加装脱硫塔和使用含硫量低于3.5%的重硫油使用低于0.5%含硫量的燃油使用低于0.1%含硫量的燃油加装脱硫塔和使用含硫量低于3.5%的重硫油②脱硫塔年分摊成本成本占很小一部分可以忽略不计，由此得到脱硫塔的安装成本见公式(4-7):C,为脱硫塔的固定成本；R₁为脱硫塔的残值；(A/P,i,n)为等额系列资金i为企业基准收益率，取8%;n₁为脱离塔使用年限，设为5年。由于不同类型船舶的建造成本有差异，而且普通船舶与L况也不一致，当不同类型的船舶在加装脱硫塔或进行燃油转换或使用LNG动力为为企业基准收益率，取8%;n₂为LNG动力船使用年限，设为15年。④固定运营成本船舶的固定运营成本，包括船员工资、船舶保险费、维修及保养费用、船舶管理费用等。由于集装箱班轮船队的规模受到班轮类型、航线运输需求、船舶航速等因素的影响，所以把集装箱班轮的年固定运营成本列入减排成本中考虑是有必要的，本文是在已知每艘船舶的日固定运营成本的情况下计算集装箱班轮船队的年固定运营成本，在这里日固定运营成本用γ来表示。(2)集装箱班轮船舶航次硫排放成本鉴于各减排措施的使用特点可知，加装脱硫塔的船舶全程使用重硫油，因此重硫燃油是排放中硫化物的来源，故硫排放量与重硫油的消耗量有关。当船舶采用燃油转换措施时，在排放控制区内船舶使用低硫油，故这时船舶的硫排放量与低硫油的消耗量有关，船舶在排放控制区外航行时使用重硫油，因此在排放控制区外船舶硫排放量取决于重硫油的使用量。当使用LNG动力船舶时，船舶全程使用液化天然气燃料，由于液化天然气属于清洁燃料，故这时我们把LNG动力船舶的硫排放量计为零。船舶的排放包括碳排放、硫排放、氮排放等各种气体和颗粒物，但硫排放控制政策主要对硫排放的影响较大，故本文主要考虑硫排放成本对减排措施选择的影响。硫排放量可用硫排放因子与燃料消耗量的乘积来表示，因重硫油与低硫油所对应的硫排放因子不同，故所对应的硫排放量公式分别见(4-10)(4-11),本文中主要考虑硫排放成本用硫排放量和单位硫排放成本的乘积来计算得出，记作Eso,船舶的硫排放成本计算公式如(4-12)。根据以上章节的介绍本文取重油和轻油的硫排放因子分别为化0.06二氧化硫吨/燃油吨和0.002二氧化硫吨/燃油吨，关于硫排放的社会成本本文选取中间值作为研究数据，相关参数如表4-3。硫排放量公式：硫排放成本公式：表4-3船用燃油排放相关参数参数名称硫排放(重硫油)硫排放(低硫油)单位硫排放的社会成本(美元/吨)(1)考虑燃油成本和固定运营成本的模型塔和LNG船时的船队年成本函数。使用各减排措施时的成本目标函数如公式 环航次数，由此可得为船舶最小需求量，且配船数量为正整数，即使用各减排措施时对应的最小船舶配置数量，见公式(4-14)(4-116)(4-18)。中国船检杂志表示LNG动力船的造价比普通船高20%,由此本文相应地把LNG动力船的使用成本提高20%。(2)考虑硫排放成本的模型C为船队的年成本，D/K表示总循环航次数，S/(t+L/v)表示单船每年循时对应的最小船舶配置数量，见公式(4-20)(4-22)(4-24)。建立船队的年成本模型中燃油消耗成本与航速有关，船队的年固定成本分摊与船队规模有关，而且受航线上年运输需求量的限制，船队规模与航速也建立了关系。所以，本文首先通过成本最小化计算出船舶最优航速，进而通过航速计算出船队规模。这里求得的船队规模为小数值，本文将其作为船舶取整的上下限，从而计算出在船队规模为整数值是的最小成本。本文在模型求解的过程中，首先，对目标函数求二阶阶导数，证明目标函数有极值存在；然后令目标函数的一阶导数为零，求出极值点；最后，利用Python工具进行极值的计算求解。(1)当目标函数连续时优化求解在不考虑硫排放成本的情况下，对连续的目标函数求二阶导数，如公式(4-25) (4-26)(4-27)(4-28)求得目标函数的二阶导数大于零，由此可知目标函数是凹函数，且存在极小值，令目标函数的一阶导数为零，对成本进行最小化求解得到三种减排措施对应的最优船速见等式(4-29)(4-30)(4-31):将速度与配船的最优值代入目标函数公式(4-13)(4-15)(4-17),即可求得使用三种减排措施对应的成本。当考虑硫排放成本时，对目标函数进行二阶求导，如公式(4-32)(4-33)(4-34) (4-35)求得目标函数的二阶导数大于零，由此可知目标函数是凹函数，且存在极小值，令目标函数的一阶导数为零，对成本进行最小化求解得到三种减排措施对应的最优船速见等式对成本进行最小化求解得到三种减排措施对应的最优船速见等式(4-37)(4-39)(4-40)(4-42):将速度与配船的最优值代入公式4-19)(4-21)(4-