黃靜，封學(xué)軍*，陳汨梨，沈金星

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；3.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

我國港口行業(yè)迅速發(fā)展的同時，日益嚴(yán)重的環(huán)境問題正成為全社會關(guān)注的熱點。作為行業(yè)重要能耗和排放大戶的港口集裝箱碼頭在大力推進(jìn)綠色港口發(fā)展的背景下面臨巨大的節(jié)能減排壓力[1]。港作機械作為港區(qū)大氣污染物重要排放源，因其機械種類和數(shù)量眾多，在非道路移動機械污染中占有較大比重。港作機械的能源結(jié)構(gòu)主要包括柴油、天然氣以及電力，其中柴油和天然氣作為石化燃料面臨嚴(yán)峻的碳排放壓力，前者還是集裝箱港區(qū)大氣污染物（SOX、NOX、HC、PM）的主要來源。

針對集裝箱港口作業(yè)機械的節(jié)能減排措施及效果展開了諸多研究。美國長灘港早在2008年就開始試行CTP（Clean Truck Program，清潔集卡計劃），把高污染集卡替換成低污染集卡[2]；封學(xué)軍等[3]構(gòu)建了基于發(fā)動機功率的港作機械活動量計算模型并進(jìn)行港口減排項目博弈分析。王文淵等[4]通過分析各裝卸運輸設(shè)備的能源消耗指標(biāo)及影響因素，提出集裝箱碼頭碳排放量計算公式，確定集裝箱碼頭節(jié)能減排的重點機械；彭云等[5]結(jié)合系統(tǒng)仿真方法和環(huán)境經(jīng)濟效益計算方法定量分析可再生能源替代傳統(tǒng)能源的環(huán)境經(jīng)濟效益。陶學(xué)宗等[6-7]建立港口集裝箱作業(yè)設(shè)備改造的節(jié)能減排效益評估模型，并對港口輪胎式龍門起重機“油改電”改造進(jìn)行效益估算。劉曉蓉等[8]通過計算2015年上海洋山港LNG牽引車的節(jié)能減排量分析了“油改氣”的經(jīng)濟效益，提出下階段LNG在港口應(yīng)用推廣的建議。但由于我國在港作機械減排方面的研究起步較晚，特別是針對尾氣排放的實測數(shù)據(jù)極其缺乏，大部分仍為政策分析及理論研究[9]。如何基于實測數(shù)據(jù)，量化分析不同情景下技術(shù)改造成本和環(huán)境效益關(guān)系，科學(xué)指導(dǎo)港作機械的綠色化發(fā)展正成為行業(yè)關(guān)注的熱點。

本文采用費效分析（CBA）方法，建立基于實測數(shù)據(jù)的港作機械減排措施費用（Cost）及環(huán)境效益（Benefit）模型，并就LNG集裝箱拖車規(guī)模、燃料價格和改造成本等不確定因素開展敏感性分析；以江蘇省集裝箱港區(qū)拖車“油改氣”措施為例驗證模型的準(zhǔn)確性。

1 港作機械減排措施費效模型

費效分析方法（Cost-benefit Analysis）是一種廣泛使用于評價、比較經(jīng)濟活動方案的得失、優(yōu)劣以供合理決策的經(jīng)濟數(shù)量分析方法[10]，本文參考已有文獻(xiàn)并進(jìn)行改進(jìn)得到針對集裝箱港區(qū)港作機械減排措施的費效模型。

1.1 減排措施的成本分析

1.1.1 費用的年均化

以港口集裝箱拖車“油改氣”措施為對象，將基準(zhǔn)年改造過程中需投入的費用以機械使用年限為基礎(chǔ)，考慮通貨膨脹的影響后將改造費用在機械的使用年限內(nèi)進(jìn)行年均化，確定年化成本：

式中：k為減排改造措施，如整車更換、發(fā)動機改造；Ck為柴油驅(qū)動的集裝箱拖車采取k減排措施后年均化的費用，元；Ck′為基準(zhǔn)年采取k減排措施投入的費用，元；b為機械或發(fā)動機的使用年限；β為通貨膨脹率，無量綱。

1.1.2 機械或發(fā)動機殘余價值

對機械的殘余價值，通過固定資產(chǎn)折舊的方法獲?。?/p>

式中：C*為機械在使用α年后的價值，元；C為機械購買時價格，元；α為機械年齡；γ為在達(dá)到使用年限后機械的預(yù)計凈殘值率，一般取5%。

1.1.3 燃料費用

在費用投入中，除采取減排措施直接投入外，還需考慮每年機械的燃料投入：

式中：l為機械類型，采取和未采取減排措施的集裝箱拖車；AFl為基準(zhǔn)年每類集裝箱拖車單車所需燃料費年均值；Fl為每類集裝箱拖車的單位時間燃料消耗量（柴油為L/h，LNG為kg/h）；FP為使用燃料基準(zhǔn)年平均價格，元/L或元/kg；Al為一類機械年均活動水平，h/a。

1.1.4 成本年均化總費用

年化總費用包括減排控制措施的直接費用和集裝箱拖車采取減排措施后的燃料費：

式中：TCk，l為集裝箱拖車在采取k減排措施后年均化費用總和，元；Pl為一類機械保有量。

1.2 減排措施的效益分析

減排措施的效益估算首先以集裝箱拖車尾氣污染物減排量（環(huán)境效益）表征。

1.2.1 尾氣排放量計算

拖車尾氣污染物和溫室氣體CO2的排放量采用港作機械的排放量計算公式[3]計算，其基本方程如下：

式中：Ej，l為l類機械j物質(zhì)的排放量，t；Powerl為l類機械發(fā)動機額定功率，kW；LF為負(fù)載因子，無量綱；EFj，l為l類機械基于發(fā)動機做功的j物質(zhì)的排放因子，g/（kWh）；FCFl為燃油修正因子，無量綱；CF為控制因子，無量綱；j為CO2或污染物類型。

1.2.2 尾氣減排效益計算

港口集裝箱拖車“油改氣”后，尾氣中CO2和污染物減排效益主要是減少的尾氣處理費用，這部分用削減的尾氣排放量對應(yīng)的社會成本來衡量，社會成本由以下方法[3]計算：

式中：SC為拖車“油改氣”后尾氣排放量削減的社會成本，元；SCFj為尾氣中j物質(zhì)的社會成本因子，元/t。

2 實證分析

對江蘇省集裝箱港區(qū)的調(diào)研顯示：當(dāng)前承擔(dān)港區(qū)內(nèi)集裝箱垂直運動的集裝箱裝卸橋和龍門起重機基本已實現(xiàn)電動化，但承擔(dān)港區(qū)內(nèi)集裝箱水平運輸主要任務(wù)的集裝箱拖車即集裝箱牽引車多為柴油機驅(qū)動。在愈加嚴(yán)格的環(huán)保要求和綠色港口發(fā)展的內(nèi)生動力的驅(qū)動下，采用“油改氣”技術(shù)，即改造發(fā)動機以適應(yīng)液化天然氣（LNG）替代柴油的集裝箱拖車或直接購買LNG動力拖車的數(shù)量正在逐步增加。

針對集裝箱拖車“油改氣”，主要分為整車淘汰與發(fā)動機改造2種方法。根據(jù)港作機械尾氣排放清單估算方法，假設(shè)集裝箱拖車的活動水平不隨機械年齡的變化而變化，使用年限為20 a；參考《江蘇省大氣污染防治行動計劃實施方案》[11]的減排要求，假設(shè)在2020年采取相應(yīng)的減排措施后，到2021年初，江蘇省港口的集裝箱拖車使用液化天然氣的比例達(dá)到80%。采用實測數(shù)據(jù)進(jìn)行減排措施效益評估，其中的費用分析主要考慮改造費用、機械的殘余價值、燃料費用等，而效益分析主要以采取減排措施后溫室氣體CO2和NOX、HC、PM2.5、SO2等污染物的減排量及尾氣處理費用的減少量表征。

2.1 模型應(yīng)用

2.1.1 改造費用計算

以2020年為基準(zhǔn)年，需投入的費用以機械的使用年限為基礎(chǔ)進(jìn)行年均化。柴油發(fā)動機、LNG發(fā)動機集裝箱拖車單價及發(fā)動機改造費用由調(diào)研獲得，柴油單價、LNG單價及通貨膨脹率等經(jīng)濟指標(biāo)參考國家統(tǒng)計局及世界銀行2020年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2.1.2 相關(guān)參數(shù)標(biāo)定

1）負(fù)載因子

以發(fā)動機負(fù)載因子表示發(fā)動機投入工作時功率的平均百分比。參考長灘港[12]的研究結(jié)果，港口集裝箱拖車的發(fā)動機負(fù)載因子取0.39。

2）控制因子

以控制因子反映由于減排技術(shù)應(yīng)用在排放量上所發(fā)生的變化。對于施行“油改氣”的集裝箱拖車控制因子取1。

3）燃油修正因子

燃油修正因子反映油品變化對不同設(shè)備發(fā)動機污染物排放率的影響。目前江蘇省集裝箱港區(qū)裝卸機械使用0號柴油，其含硫量為0.035%，進(jìn)行本地化校正折算得到適合設(shè)備型號的燃油修正因子如表1所示。LNG發(fā)動機沒有燃油修正因子。

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

4）機械保有量

機械保有量將影響尾氣的減排量和經(jīng)濟效益。本文中集裝箱拖車的保有量主要依據(jù)各港口官網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)及實地調(diào)研結(jié)果，針對部分無法獲取準(zhǔn)確集裝箱拖車數(shù)量的港口，參考目前國內(nèi)大多數(shù)港口普遍采用的6～7輛拖車配備1個岸邊橋式起重機和1個堆場橋式起重機的模式[13]推算。各港口集裝箱拖車保有量分布圖如圖1所示。

圖1 江蘇省各港口機械設(shè)備數(shù)據(jù)Fig.1 Machinery and equipment data of ports in Jiangsu Province

5）實測數(shù)據(jù)

南京港龍?zhí)陡蹍^(qū)位于長江南岸，岸線10 km，主要以集裝箱和大宗散貨運輸為主，有生產(chǎn)性泊位40個（萬噸級及以上12個），年通過能力4 096萬t。表2為南京龍?zhí)陡奂b箱港區(qū)集裝箱拖車基于PEMS便攜式尾氣排放測試系統(tǒng)所得的排放實測數(shù)據(jù)。江蘇省大部分集裝箱港口的港作機械條件與龍?zhí)陡蹍^(qū)相似，因此用龍?zhí)陡劭梢越拼娼K省的集裝箱港口運作情況。

表2 龍?zhí)都b箱港區(qū)集裝箱拖車調(diào)研實測信息Table 2 Survey and measurement information of container trailers in Longtan Container Port

燃油消耗值由機械作業(yè)功率或?qū)崪y消耗值轉(zhuǎn)化[14]。在燃油消耗量估算過程中，單位作業(yè)油耗量根據(jù)實地調(diào)研得到的機械功率、保有量等進(jìn)行調(diào)整。

由于實測排放因子無法測試SO2的排放情況，故SO2排放量采用物料平衡法[3]計算。

式中：El為SO2排放量，t；Y為集裝箱拖車的燃油消耗量，kg；S為燃料含硫量，取0.7 g/kg。

6）排放物社會成本因子

根據(jù)美國環(huán)保局?jǐn)?shù)據(jù)[15]，結(jié)合江蘇社會經(jīng)濟發(fā)展水平進(jìn)行調(diào)整，得到接近江蘇實際情況的排放物社會成本因子，見表3。

表3 江蘇尾氣排放物社會成本因子Table 3 The social cost factor of exhaust emissions in Jiangsu Province

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 減排措施的費用

江蘇省港內(nèi)集裝箱拖車2020年采取“油改氣”減排措施所需費用如表4所示。雖然從單輛機械來看，發(fā)動機改造的投入費用更少，但考慮機械的殘余價值時，整車更換的方式要比發(fā)動機改造更為經(jīng)濟。

表4 集裝箱拖車減排所需費用Table 4 The cost of container traileremission reduction萬元

2.2.2 減排措施效益

假設(shè)減排目標(biāo)為江蘇省集裝箱拖車“油改氣”比例達(dá)到80%。以PM2.5、NOX、SO2、CO、HC、CO2的減排量評估減排效益，處理費用的減少量評估經(jīng)濟效益，見表5。

表5 集裝箱拖車減排措施效益Table 5 Benefits of container trailer emission reduction measures

采取減排措施后，CO2和污染物年均總減排量達(dá)2 493.01 t，減排率達(dá)9.90%；社會經(jīng)濟效益達(dá)642.23萬元，降低15.15%。對于SO2和PM2.5的減排效果最好，減排比例分別為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，與空氣混合的過程中降低了空氣密度和熱效率，導(dǎo)致未充分燃燒造成HC排放過量；當(dāng)壓縮比高或處于高溫富氧環(huán)境時，燃燒充分但NOX排放增加?！坝透臍狻奔夹g(shù)不論是環(huán)境方面還是經(jīng)濟方面都更符合港口未來的發(fā)展需求，滿足節(jié)能減排可持續(xù)發(fā)展要求的同時經(jīng)濟性仍然合理。

3 敏感性分析

3.1 減排措施敏感性分析

敏感性分析法是一種運用定量分析，探究有關(guān)因素變化時對關(guān)鍵指標(biāo)影響效果的非確定性分析方法。定義一個影響因素的排放敏感性系數(shù)為：

式中：SAF為評價指標(biāo)I對變化因素N的敏感性系數(shù)；ΔI為不確定因素N發(fā)生變化時，評價指標(biāo)I的相應(yīng)變化率，%；ΔN為不確定因素N的變化率，%。

3.2 計算結(jié)果

集裝箱拖車“油改氣”減排措施費用效益的不確定性因素主要有：LNG集裝箱拖車占比、燃料價格（即LNG單價和0號柴油單價）、通貨膨脹率、改造成本等。敏感性分析指標(biāo)確定為集裝箱拖車整車更換和發(fā)動機改造2種方式的年均投入總費用。本研究選取敏感性因素變化率為±5%、±10%、±15%進(jìn)行敏感性分析。圖2和圖3中各條線的斜率即為敏感性系數(shù)，反映了年均總費用TCk，l對各不確定性因素的敏感程度。斜率的絕對值越大表示該因素對經(jīng)濟指標(biāo)的影響越大，斜率為正代表正影響，反之為負(fù)影響。

圖2 整車更換方式的年均投入總費用敏感性分析圖Fig.2 Sensitivity analysis of vehicle replacement method's total annual investment cost

圖3 發(fā)動機改造方式的年均投入總費用敏感性分析圖Fig.3 Sensitivity analysis of engine modification method's total annual investment cost

需要說明的是，采用整車更換方式時，LNG占比的敏感性系數(shù)（-0.361）曲線與改造成本的敏感性系數(shù)（-0.354）曲線因數(shù)值幾乎重合。結(jié)合圖2、圖3可看出，5個因素對2種減排改造方式年均投入總費用指標(biāo)的影響均為：LNG單價＞0號柴油單價＞LNG集裝箱拖車占比＞改造成本＞通貨膨脹率。其中年均投入總費用對燃料價格的變化最為敏感，而改造成本和通貨膨脹率的影響相對較低。2種減排改造方式對比，隨著燃料價格的增長，年均投入總費用都逐漸增多；LNG集裝箱拖車占比和通貨膨脹率越大，年均投入總費用越?。徊煌氖?，采用整車更換方式時，年均投入總費用隨著改造成本的增加而減小，而采用發(fā)動機改造方式時，改造成本越高，年均投入總費用也越高，這是因為考慮到機械殘余價值的影響，表明港口在實施港作機械減排改造措施前需根據(jù)是否考慮機械殘值及后續(xù)利用選擇改造方式，使投入成本更加經(jīng)濟。

4 結(jié)語

本文對江蘇省集裝箱拖車“油改氣”的2種減排控制措施進(jìn)行費效分析，結(jié)果表明：

1）港內(nèi)集裝箱拖車整車更換需要投入的費用略高于發(fā)動機改造的費用，但考慮設(shè)備的殘余價值時，整車更換的方式要比發(fā)動機改造更為經(jīng)濟。為推進(jìn)綠色港口發(fā)展，建議采用更為經(jīng)濟的整車更換方式。

2）集裝箱拖車進(jìn)行“油改氣”后，年均總減排量達(dá)2 493.01 t，年均經(jīng)濟效益達(dá)642.23萬元，SO2和PM2.5的減排效果最好。但經(jīng)濟數(shù)據(jù)受市場因素影響，且機械存在一定的維護(hù)費用，相關(guān)經(jīng)濟投入的不確定性使港作機械的減排經(jīng)濟效益有必要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3）年均投入總費用對燃料價格的變化最為敏感，而改造成本和通貨膨脹率的影響相對較低。當(dāng)考慮機械殘余價值的影響時，發(fā)動機改造成本對年均投入總費用呈正影響，整車更換成本對年均投入總費用卻呈負(fù)影響。

本文僅針對集裝箱拖車均采用整車更換或發(fā)動機改造中的一種減排措施進(jìn)行“油改氣”，未考慮因素之間的相互影響，且存在各地區(qū)不同的鼓勵政策?，F(xiàn)實中，根據(jù)實際的技術(shù)可行性和經(jīng)濟條件可能存在多種措施的組合改進(jìn)，后續(xù)研究中有必要進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化方案的統(tǒng)籌規(guī)劃。