胡勇，鄭健良，徐貝貝

（1.廣東省交通運(yùn)輸規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510199；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

0 引言

液化天然氣（簡(jiǎn)稱LNG）作為一種清潔、高效的船舶替代燃料，對(duì)推動(dòng)水運(yùn)行業(yè)綠色發(fā)展及能源結(jié)構(gòu)調(diào)整有重要意義。我國提出應(yīng)用LNG作為船舶燃料概念始于2010年，初期因考慮到LNG動(dòng)力船舶建造成本及相關(guān)技術(shù)要求較高，其在內(nèi)河水運(yùn)中的發(fā)展較為緩慢[1]。隨著國家推進(jìn)水運(yùn)行業(yè)應(yīng)用LNG的措施及標(biāo)準(zhǔn)文件的相繼出臺(tái)，以LNG為燃料的動(dòng)力船舶保有量持續(xù)增長(zhǎng)。而作為L(zhǎng)NG動(dòng)力船舶的重要基礎(chǔ)保障設(shè)施，LNG加注站的數(shù)量和選址直接影響區(qū)域LNG加注站布局規(guī)劃的合理性，進(jìn)而影響LNG在內(nèi)河水運(yùn)中的推廣應(yīng)用，必須予以重視。

1 內(nèi)河船用LNG發(fā)展現(xiàn)狀與前景

1.1 政策指引

為更好地指引水運(yùn)行業(yè)推廣應(yīng)用LNG，國家相繼頒布完善了相關(guān)的政策法規(guī)。2013年，《交通運(yùn)輸部關(guān)于推進(jìn)水運(yùn)行業(yè)應(yīng)用液化天然氣的指導(dǎo)意見》發(fā)布，文件對(duì)水運(yùn)行業(yè)應(yīng)用LNG的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)及LNG燃料的應(yīng)用目標(biāo)等均提出了明確要求。此后，交通運(yùn)輸部、國家發(fā)改委等單位相繼出臺(tái)了《長(zhǎng)江干線京杭運(yùn)河西江航運(yùn)干線液化天然氣加注碼頭布局方案（2017—2025年）》、《液化天然氣燃料加注船舶規(guī)范》（2017）、JTS 196-11—2016《內(nèi)河液化天然氣加注碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》等多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，內(nèi)容涉及到LNG動(dòng)力船舶、加注碼頭規(guī)劃、設(shè)計(jì)及建造等方面，基本覆蓋了水運(yùn)LNG應(yīng)用的全周期價(jià)值鏈，為內(nèi)河航道LNG的發(fā)展提供了標(biāo)準(zhǔn)體系支撐。

1.2 推廣應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我國LNG動(dòng)力船舶總體規(guī)模仍比較小，加注需求不足，LNG加注碼頭發(fā)展較緩慢。截至2017年底，全國僅建成LNG動(dòng)力船舶135艘，主要航行于長(zhǎng)江干線、京杭運(yùn)河等少數(shù)高等級(jí)航道，且大部分為1 000噸級(jí)以下的動(dòng)力船型，在內(nèi)河航運(yùn)市場(chǎng)普及率較低。加注設(shè)施方面，2013年9月，我國首個(gè)船用LNG加注站“海港星01號(hào)”投入試運(yùn)行。目前，全國基本建成的內(nèi)河LNG加注碼頭16個(gè)，主要分布于長(zhǎng)江干線和京杭運(yùn)河沿線。因尚未形成完善的內(nèi)河LNG加注體系，LNG加注能力嚴(yán)重不足，極大地制約了內(nèi)河LNG船舶的大范圍推廣應(yīng)用。

1.3 發(fā)展前景

隨著我國大氣污染防治法的實(shí)施以及船舶排放法規(guī)的出臺(tái)，LNG在水運(yùn)行業(yè)的應(yīng)用步伐將不斷加快。

1）國家能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略為內(nèi)河LNG發(fā)展帶來契機(jī)

天然氣的開發(fā)利用改變了全球能源結(jié)構(gòu)。2017年全球天然氣消費(fèi)占一次能源消費(fèi)比重高達(dá)23.4%[2]，而我國天然氣消費(fèi)占一次能源消費(fèi)的比重僅為6.6%[3]，具有很大的提升空間。內(nèi)河航運(yùn)LNG的推廣應(yīng)用非常契合國家能源戰(zhàn)略，可以預(yù)計(jì)，隨著我國能源戰(zhàn)略的不斷優(yōu)化調(diào)整，內(nèi)河航運(yùn)LNG的消費(fèi)需求將會(huì)穩(wěn)步增長(zhǎng)。

2）全球航運(yùn)業(yè)節(jié)能減排形勢(shì)促進(jìn)LNG推廣應(yīng)用

2011年，IMO（國際海事組織）通過MARPOL（國際防止船舶造成污染公約）附則Ⅵ修正案，提高了船舶的NOX和SOX的排放標(biāo)準(zhǔn)；2018年交通運(yùn)輸部發(fā)布的《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》也對(duì)船舶硫氧化物、氮氧化物等污染物排放做了更加嚴(yán)格、細(xì)致的規(guī)定。結(jié)合長(zhǎng)遠(yuǎn)投資的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，多方研究結(jié)果均傾向于船舶使用LNG清潔燃料的方案以徹底解決NOX和SOX排放問題。

3）成本低、安全性高為L(zhǎng)NG發(fā)展提供內(nèi)動(dòng)力

根據(jù)實(shí)船測(cè)試及調(diào)研數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)柴油燃料，LNG作為動(dòng)力燃料具有較為明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，相同質(zhì)量的LNG的熱值是柴油熱值的1.23倍，能有效的節(jié)省成本、提高熱能效率。此外，LNG的燃點(diǎn)遠(yuǎn)高于汽油和柴油，更不易發(fā)生爆炸。從能源自身屬性上來講，LNG安全性遠(yuǎn)高于汽油和柴油。

2 內(nèi)河LNG加注站布局規(guī)模及選址研究

2.1 總體思路

合理的LNG加注站布局?jǐn)?shù)量和選址方法可為地區(qū)LNG加注站布局規(guī)劃提供決策參考，對(duì)內(nèi)河船用LNG的推廣應(yīng)用具有重要現(xiàn)實(shí)意義，一般包括以下步驟：

1）現(xiàn)狀調(diào)研。開展深入調(diào)研，分析研究區(qū)域內(nèi)河航運(yùn)、航運(yùn)燃油設(shè)施及能源消費(fèi)現(xiàn)狀情況。在此基礎(chǔ)上分析腹地經(jīng)濟(jì)發(fā)展及國家政策指引對(duì)LNG加注站建設(shè)的影響，為建站后續(xù)環(huán)節(jié)提供必要的準(zhǔn)則和范圍的限定。

2）需求預(yù)測(cè)分析。需求分析包括內(nèi)河燃油消耗需求預(yù)測(cè)、LNG需求預(yù)測(cè)，LNG需求特點(diǎn)、需求分布等。在此過程中需借助合理的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)內(nèi)河LNG燃料的預(yù)測(cè)進(jìn)而得出加注站的需求規(guī)模和數(shù)量。

3）確定加注站選址。通過統(tǒng)籌考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性等方面因素，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和政策法規(guī)要求，綜合分析確定加注站建站的最佳位置。

LNG加注站布局規(guī)模及選址基本流程見圖1。

圖1 LNG加注站布局規(guī)模及選址思路圖Fig.1 LNG filling station layout scale and location ideas

2.2 內(nèi)河船用LNG消費(fèi)需求預(yù)測(cè)分析

由于內(nèi)河LNG動(dòng)力船舶的應(yīng)用尚處于技術(shù)發(fā)展與規(guī)范階段，與之未來年份發(fā)展預(yù)測(cè)相關(guān)的信息數(shù)據(jù)較少，參考價(jià)值不高，無法直接利用現(xiàn)狀LNG數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)其未來的消費(fèi)需求。因此，本文轉(zhuǎn)換思路，考慮到港口吞吐量的數(shù)據(jù)信息具有國家與省市統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)，詳細(xì)準(zhǔn)確。通過對(duì)內(nèi)河港口貨物吞吐量、貨物周轉(zhuǎn)量、船舶燃油消耗量的預(yù)測(cè)，并結(jié)合國家對(duì)內(nèi)河船用LNG替代燃料油的政策要求，預(yù)測(cè)內(nèi)河船用LNG消費(fèi)需求。具體按下列步驟進(jìn)行：

1）港口吞吐量預(yù)測(cè)

港口吞吐量預(yù)測(cè)采用定性與定量相結(jié)合的辦法進(jìn)行。在線性回歸、彈性系數(shù)等數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)值的基礎(chǔ)上[4]，結(jié)合腹地國民經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力布局的現(xiàn)狀和發(fā)展，分析港口吞吐量與宏觀經(jīng)濟(jì)、外貿(mào)進(jìn)出口、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等要素之間的內(nèi)在聯(lián)系與規(guī)律，并結(jié)合各港總體規(guī)劃，綜合分析預(yù)測(cè)內(nèi)河港口吞吐量。

2）貨物周轉(zhuǎn)量預(yù)測(cè)

目前，內(nèi)河航運(yùn)貨物周轉(zhuǎn)量已列為國家與省市統(tǒng)計(jì)的水運(yùn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但對(duì)于貨物周轉(zhuǎn)量的預(yù)測(cè)方法并無明確思路。肖維楚[5]針對(duì)長(zhǎng)江干線情況，提出貨物周轉(zhuǎn)量預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)估算法和因素估算法，為內(nèi)河航運(yùn)貨物周轉(zhuǎn)量提供了新思路。本文結(jié)合內(nèi)河水路運(yùn)輸?shù)男再|(zhì)及特點(diǎn)，提出以下幾種思路方法：①利用貨物周轉(zhuǎn)量與港口吞吐量的密切相關(guān)性，對(duì)所在地區(qū)歷年吞吐量與貨物周轉(zhuǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，得出兩者相關(guān)函數(shù)，進(jìn)而預(yù)測(cè)出貨物周轉(zhuǎn)量。②增長(zhǎng)率法。根據(jù)所在地區(qū)歷年貨物周轉(zhuǎn)量的增長(zhǎng)率情況，預(yù)測(cè)規(guī)劃基礎(chǔ)年至水平年的增長(zhǎng)率，從而預(yù)測(cè)出規(guī)劃水平年的貨物周轉(zhuǎn)量。③綜合分析。平衡上述兩種思路的貨物周轉(zhuǎn)量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，得出最終預(yù)測(cè)結(jié)果。

3）貨物周轉(zhuǎn)量與燃油消耗量相關(guān)性分析

據(jù)相關(guān)研究成果[6]，1 000噸級(jí)內(nèi)河船舶柴油消耗量約3.5 kg/（103t·km），2 000噸級(jí)內(nèi)河船舶柴油消耗量約3.0 kg/（103t·km）。通過對(duì)貨物周轉(zhuǎn)量與燃油消耗量的相關(guān)性分析，預(yù)測(cè)出內(nèi)河船舶的燃油消耗量。

4）LNG消費(fèi)需求預(yù)測(cè)

《交通運(yùn)輸部關(guān)于推進(jìn)水運(yùn)行業(yè)應(yīng)用液化天然氣的指導(dǎo)意見》提出，“到2020年，內(nèi)河運(yùn)輸船舶能源消耗中LNG的比例達(dá)到10%以上”。根據(jù)規(guī)劃水平年的內(nèi)河船舶能源消耗需求預(yù)測(cè)結(jié)果，再結(jié)合所在地區(qū)的內(nèi)河航運(yùn)LNG能源的發(fā)展目標(biāo)，綜合分析預(yù)測(cè)LNG消費(fèi)需求。如根據(jù)《印發(fā)廣東省內(nèi)河航運(yùn)應(yīng)用液化天然氣（LNG）實(shí)施方案的通知》，廣東省內(nèi)河船用LNG替換率在2025年達(dá)到15%、2035年達(dá)到30%，則結(jié)合預(yù)測(cè)的燃油消耗量及相應(yīng)年份的目標(biāo)替換率便可預(yù)測(cè)出廣東省LNG消費(fèi)需求。

2.3 LNG加注站需求數(shù)量確定模型

2.3.1 模型分析

LNG加注站是以船用LNG燃料市場(chǎng)需求為導(dǎo)向的經(jīng)營設(shè)施，其建設(shè)數(shù)量和未來發(fā)展的規(guī)模取決于內(nèi)河船用LNG加注需求及單個(gè)加注站的供應(yīng)能力。在實(shí)際過程中，加注站布局?jǐn)?shù)量受多種因素影響，難以量化，如單船儲(chǔ)罐容量不一、加注站服務(wù)能力不同等。為便于建立LNG加注站需求數(shù)量預(yù)測(cè)模型，做如下基本假設(shè)：

1）根據(jù)掌握的LNG船舶儲(chǔ)罐情況，選取某特定LNG儲(chǔ)罐船作為代表船型；

2）LNG加注站僅供內(nèi)河船舶使用，暫不考慮給汽車供氣；

3）每個(gè)加注站的日供應(yīng)能力相同，即具有相同的服務(wù)能力；

4）當(dāng)船舶需要加注LNG時(shí)，附近總有加注站能夠滿足需求；

2.3.2 模型構(gòu)建

根據(jù)調(diào)研掌握的數(shù)據(jù)及相關(guān)資料分析，研究提出內(nèi)河航道LNG加注泊位的需求數(shù)量確定的數(shù)學(xué)模型：

式中：L為加注泊位需求數(shù)量；M為L(zhǎng)NG預(yù)測(cè)需求量，m3；μ為系數(shù)，考慮適度超前的規(guī)劃原則而定的系數(shù)，可根據(jù)地區(qū)實(shí)際情況按1～2之間選??；S為單個(gè)加注泊位供應(yīng)能力，m3/a；T為年?duì)I運(yùn)天數(shù)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和要求，大風(fēng)、大霧等惡劣作業(yè)條件時(shí)，不得進(jìn)行加氣作業(yè)，視具體情況確定；V為L(zhǎng)NG船舶儲(chǔ)罐容量，單船儲(chǔ)罐容量一般按5～20 m3考慮；?b為充裝系數(shù)，即充裝率，綜合考慮罐容、船舶運(yùn)營組織方式、補(bǔ)給周期，一般可按照80%考慮；ρ為泊位利用率，船舶年占用泊位時(shí)間與年?duì)I運(yùn)時(shí)間的百分比，根據(jù)到港船型、泊位數(shù)、加氣站營運(yùn)等因素確定，一般為0.55～0.70；tz為充裝1艘LNG船舶所需時(shí)間，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[7]，可按0.5 h取值；td為晝夜小時(shí)數(shù)，24 h；∑t為晝夜非生產(chǎn)時(shí)間之和，由于LNG船舶夜間作業(yè)具有安全隱患，宜在白天對(duì)受注船舶進(jìn)行加注作業(yè)，一般取晝夜非生產(chǎn)時(shí)間為12 h；tf為L(zhǎng)NG船舶加注輔助時(shí)間、靠泊和離岸時(shí)間之和。無統(tǒng)計(jì)資料時(shí)按0.8～1.8取；

本模型僅能得到加注泊位需求數(shù)量，確定最終加注站的數(shù)量還需綜合考慮泊位布置情況。根據(jù)《長(zhǎng)江干線京杭運(yùn)河西江干線液化天然氣加注碼頭布局方案（2017—2025年）》，每處加注站原則上不宜超過2個(gè)泊位。假定A類加注站設(shè)置2個(gè)泊位，B類加注站設(shè)置1個(gè)泊位，最終規(guī)劃的加注站數(shù)量為A、B兩類加注站之和。

2.4 加注站選址方案要點(diǎn)分析

2.4.1 加注站選址影響因素分析

影響內(nèi)河船用LNG加注站選址的因素有很多，根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料及對(duì)政策文件解讀[8]，主要分析幾個(gè)因素：

1）適應(yīng)性。對(duì)于岸基式和船基式加注站，其碼頭選址應(yīng)與內(nèi)河港口總體規(guī)劃相適應(yīng)，與內(nèi)河航道、通航建筑物、過河建筑物的建設(shè)和規(guī)劃相銜接，并滿足節(jié)約岸線資源的要求。

2）安全性。內(nèi)河LNG加注站應(yīng)選在河勢(shì)穩(wěn)定、水流平順、水域面積充足、方便船舶進(jìn)出的河段，具體可由安全評(píng)估確定；不宜布置在人口密集區(qū)域等敏感區(qū)域的全年常風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)，也不宜布置在明火或散發(fā)火花地點(diǎn)的下風(fēng)側(cè)；應(yīng)遠(yuǎn)離橋區(qū)、渡口、取水口及過河建筑物保護(hù)區(qū)，并保持適當(dāng)?shù)拈g隔距離。

3）經(jīng)濟(jì)性。加注站盡量選在船舶通航密度大的航道，燃料需求旺盛，經(jīng)濟(jì)效益高；盡量考慮將加注站功能與現(xiàn)有船舶加油站或服務(wù)站的功能相融合；選址在便利的陸域交通可以方便槽車供應(yīng)LNG，降低物流成本。

2.4.2 加注站選址控制指標(biāo)分析

1）加注站布置間距控制

根據(jù)《長(zhǎng)江干線京杭運(yùn)河西江航運(yùn)干線液化天然氣加注碼頭布局方案（2017—2025年）》，為保障LNG船舶能夠及時(shí)加氣，加注站布置間距原則不超過150 km。實(shí)際開展規(guī)劃時(shí)，可根據(jù)地區(qū)船舶船型情況，選擇合適罐容量船型作為標(biāo)準(zhǔn)，按照儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存LNG剩余10%低位液限報(bào)警要求，確定LNG加注站最大間距。以重慶—上海運(yùn)輸船舶能源消耗為例[9]，該段航道里程2 400 km，5 000噸級(jí)貨運(yùn)船舶混合動(dòng)力改造后每消耗1 m3LNG燃料可續(xù)航約50 km。以10 m3儲(chǔ)氣罐為例進(jìn)行布點(diǎn)距離計(jì)算，船舶LNG燃料可支撐的航行距離約為500 km。按照儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存LNG剩余10%低位液限報(bào)警要求，則LNG動(dòng)力船舶與加注站最大距離為50 km。

2）單個(gè)加注站岸線長(zhǎng)度

加注站可以有多種結(jié)構(gòu)形式，主要有躉船式、岸基式和離岸式。內(nèi)河航道枯水期和豐水期水位變化較大，躉船式由于能夠很好地適應(yīng)水位變化，故本節(jié)主要研究以躉船式為代表的加注站所需岸線長(zhǎng)度。

根據(jù)加注站包含加注泊位數(shù)量的不同，考慮A、B兩種級(jí)別的加注站，分別以A類和B類加注站作為代表性LNG加注站，泊位考慮連續(xù)布置以方便綜合利用。根據(jù)JTJ 212—2006《河港工程總體設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算所需岸線長(zhǎng)度，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 A類加注站岸線長(zhǎng)度計(jì)算表Table 1 Calculation of shore length of class A filling station

表2 B類加注站岸線長(zhǎng)度計(jì)算表Table 2 Calculation of shore length of class B filling station

3 結(jié)語

船用LNG的推廣應(yīng)用已成為內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展的大趨勢(shì)，然而國內(nèi)大部分地區(qū)尚未形成完善的內(nèi)河LNG加注體系，LNG加注能力嚴(yán)重不足。為更加合理有序地開展內(nèi)河航道LNG加注站布局規(guī)劃，本文從LNG加注站的規(guī)模數(shù)量及選址方面切入，對(duì)LNG消費(fèi)需求預(yù)測(cè)方法及步驟、加注站規(guī)模數(shù)量計(jì)算模型及選址方案均開展了相應(yīng)的研究，相關(guān)成果可為L(zhǎng)NG加注站布局規(guī)劃編制、建設(shè)項(xiàng)目選址時(shí)參考。