客货滚装码头减排设计方案评价方法*

2022-03-07唐国磊李善新赵卓瑶

水运工程 2022年2期

唐国磊，郭雷，李善新，赵卓瑶，李熠

(1.大连理工大学，海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024；2.中国石油大港油田公司，天津 300280；3.国网辽宁省电力有限公司大连供电公司普兰店分公司，辽宁大连 116200)

我国客货滚装运输迅速发展，形成琼州海峡、舟山群岛、渤海湾三大运输中心[1]，客货滚装码头的规划和运营正朝着安全、绿色、高效、舒适的方向发展。旅客作为客货滚装运输的服务主体，其身体健康面临着船舶废气的危害。因此，在规划运营客货滚装码头时，应综合考虑成本、减排效果、环境效益等因素选择适合客货滚装码头的减排设计方案。

目前国内外学者对各种减排方案进行了相关研究，如Kom等[2]阐述岸电的起源及发展；彭传圣等[3-4]的研究表明，岸电投资大和换用低硫油保障基础不足是我国能源替代政策实施的主要瓶颈；贾石岩[5]对船舶岸电改造或新船安装的成本进行研究；Boer等[6]的研究表明，船基洗涤器竞争优势随着低硫柴油和重质燃料油之间价格差异的降低而降低；王成鸿等[7]计算船基洗涤器的减排效果，并指出影响其推广应用的因素；Worley Advisian公司[8]调研表明，CAE-M公司研发的陆基洗涤器可捕获船舶废气并净化处理；Lasselle等[9]和Ammar[10]研究了甲醇作为燃料的船舶改建成本。由此可见，岸电、洗涤器、清洁燃料等方案均可减少污染物排放，但所需投资、运营维护成本、环境效益等存在差异，需要合适的评价方法对客货滚装码头减排设计进行评价择优。

码头减排设计需要考虑成本、减排效果、环境效益等诸多因素，是一个多目标决策问题。目前常用的评价方法包括模糊评价法、优劣解距离法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)和物元分析法等。如Ölçer等[11]建立模糊群体决策模型，评价海运中的清洁能源；Besikci等[12]应用模糊层次分析法(fuzzy-AHP)评价船舶节能措施；李晓满等[13]应用加权TOPSIS法评价港口绿色发展水平；王征等[14]将物元分析法和熵权法相结合，对港区内不同碳排放源进行综合评价。虽然已有研究较少涉及客货滚装码头减排设计方案评价，但可为本文提供一定的思路。

本文通过考虑旅客健康、经济可行性、环境效益等因素，构建适用于客货滚装码头的评价指标体系，引入AHP法和加权TOPSIS法，评价客货滚装减排设计方案，以期为客货滚装码头减排设计提供决策支持。

1 客货滚装码头减排方案

客货滚装码头为旅客、车辆提供服务，旅客数量多、人流密度大，船舶污染排放危害旅客健康[15]。为减少污染物排放、保护旅客健康，本文提出采用岸电、陆基洗涤器和清洁燃料等方案，其特点如下：

1)岸电是供、受电设备及相应的监控辅助系统的统称[16]。当使用岸电后，客货滚装船用电由陆侧电网提供，船载发电机组不再工作。因此，该方案会明显减少SO2、NOx、颗粒物PM(包括PM2.5和PM10)等大气污染物排放，而且降低噪声污染。但岸电的建设、运营及维护等成本较高，而且电价昂贵和复杂的连接流程也会制约其发展。

2)陆基洗涤器可捕获大气污染物并进行净化处理，船舶使用重油作为燃料也可以达到排放标准。陆基洗涤器需要大型起重机和支撑系统，不需要对船舶做太多改造，只在船舶靠泊时进行作业。根据洛杉矶港在集装箱船、货船上的试验，陆基洗涤器脱硫效率可达95%，同时能去除大约80%的PM和NOx，但对CO2减排效果不明显，且噪声污染会增加。

3)清洁燃料包括低硫柴油、天然气等，可以有效减少污染物的产生，但不能减少噪声污染，而且需要对船舶进行改造。

综上所述，各方案在成本、环境、社会效益等方面表现出不同的优劣性。因此，为选择合适的减排设计方案，应确定合适的方案评价指标体系及评价方法，解决客货滚装码头减排设计方案多目标决策问题。

2 客货滚装码头减排设计方案评价方法

为有效评估客货滚装码头减排设计方案，本文综合考虑成本、污染排放、环境效益等属性，提出适用于客货滚装码头的减排设计方案评价指标体系，并引入AHP指标赋权法和TOPSIS评价方法，形成客货滚装码头减排设计方案评价框架。

2.1 评价指标体系

依据《绿色港口等级评价指南》[17]，综合考虑经济可行性、旅客健康、社会影响等因素，构建客货滚装码头减排设计方案评价指标体系，见图1。

图1 客货滚装码头减排设计方案评价指标体系

2.1.1成本属性

成本属性包含建设成本、运营和维护成本、投资回收期3个指标。其中，建设成本是指所耗费的货币支出总和，反映方案的经济效果；运营和维护成本是指维持其正常运转所需的支出，它反映方案持续的可行性；投资回收期是指收回投资费用或达到收支平衡所需要的时间，采用净现值，按下式计算：

(1)

式中：NPV为年收益净现值；EBt为第t年的环境效益，取值见2.1.3节；OMCt为第t年的运营和维护成本；w为计息期数；pt为第t年的折现率。

2.1.2环境属性

环境属性包含SO2、NOx和PM这3种大气污染物排放量和噪声共4个指标。其中，SO2使人呼吸困难，对肺部造成直接损伤；NOx易引起支气管炎和肺炎，诱发肺细胞癌变；PM易附着有害物质沉积于肺，引起呼吸系统疾病。SO2、NOx和PM排放量公式见式(2)。噪声会影响听力和视力，且高强度的噪声会使人出现焦躁不安等症状。但噪声污染不易量化，本文以噪声的相对排序作为指标值。

(2)

式中：EMm为大气污染物m的排放量(t)，m取1、2、3时分别代表SO2、NOx、PM；BEFam和BEFbm为大气污染物m的燃料的排放系数和电网的排放系数(t/kW)；P(t)为船舶辅机功率(kW)；β为0或1的变量，1表示辅机发电，0表示岸电供电；FCV为燃料热值(kW/t)；ηa为燃烧系数；ηb为岸电效率。

2.1.3社会属性

污染排放减少可带来社会效益，该效益与污染物减排量及环境成本有关，按下式计算：

(3)

式中：EB为环境效益；i为污染物序号，1、2、3、4分别代表SO2、NOx、PM、CO2；ERi为污染物i的减排量；ECi为污染物i的环境成本。

2.2 AHP指标赋权法

为尊重旅客、船方、码头运营方的意愿，本文引入AHP法确定各指标的影响程度，具体步骤为：

1)建立判断矩阵。按萨蒂1～9比例标度法(表1)确定判断矩阵B，B为n×n型矩阵(=[bij])。

表1 萨蒂1～9比例标度法相对重要性取值

2)层次单排序。用正规化求和法确定本层次各相关元素相对重要性的权重向量w=(w1，w2，…，wn)。

3)一致性检验。调整判断矩阵至随机一致性指标CR<0.1。CR为一致性指标CI与平均随机一致性指标RI的比值，RI由表2确定，CI按式(4)计算。

表2 平均随机一致性指标RI

(4)

式中：λmax为权重向量对应的最大特征根；n为判断矩阵维数。

2.3 TOPSIS评价方法

考虑到减排设计方案评价的多目标决策特征，引入TOPSIS法[18]对其进行评价。TOPSIS法在交通运输、绿色发展评价、企业管理等方面[19-22]具有广泛的应用，其具体步骤为：

1)给定方案集P={Ph|h=1，2，…，p}和指标集Q={Ql|l=1，2，…，q}，计算指标值Rhl，构建决策评估矩阵R=[Rhl]。

2)按式(5)计算规范化决策评估矩阵X=[Xhl]：

(5)

3)确定权重向量，并按式(6)计算加权规范化值矩阵Y=[Yhl]：

Yhl=wl·Xhl

(6)

式中：wl为指标l对应权重。

4)确定正负理想向量Y+和Y-。成本类指标按式(7)计算，效益类指标按式(8)计算：

(7)

(8)

5)计算加权欧氏距离及各方案与理想解的贴近度Dk：

(9)

(10)

式中：Dk±为加权规范化值Ykl到正(负)理想解Yl±的距离。根据Dk的大小可对各减排方案进行排序，Dk值越大表明方案越优。

3 算例

某客货滚装作业区由4个3万GT泊位和2个1万GT泊位组成，10艘客货滚装船将服务6条航线。客滚船的发动机组主要参数见表3，船舶靠泊时的辅机负荷率为25%。根据船舶用电功率及船期表，该港区船舶用电功率的峰值为6 MW，船舶年用电量为15.4 GW·h。本着安全、绿色、高效、舒适的发展理念，该工程提出岸电、陆基洗涤器、低硫柴油等3种减排设计方案。

表3 客滚船舶发动机组主要参数值

3.1 减排设计方案

1)岸电。依据《码头岸电设施建设技术规范》[23]，岸电布置及主要参数见图2，其用电容量约为6.2 MW。参考文献[24]，本客货滚装作业区岸电的建设成本约为1亿元，此地区基础电费为0.8元/(kW·h)，年运营和维护成本共计约1 300万元。

图2 客货滚装码头平面布置及岸电主要参数

2)陆基洗涤器建设成本约为2.5亿元，船舶每年靠泊时消耗的重油约3 400 t，其单价为3 700元/t。

3)船用燃料升级。该港区所在地可提供充足的低硫柴油，升级仓储设施等所需的仓储设施约为2 800万元，依据船舶能耗和低硫柴油的平均低位发热量可计算年消耗量约为3 300 t，其单价为3 700元/t。

3.2 排放系数与环境成本

该地区以火力发电为主，首先根据现阶段能源发电比例及各能源排放系数计算电网排放系数，见表4；然后，参考《2006年IPCC国家温室气体清单指南》《城市大气污染物排放清单编制技术手册》《中国船舶大气污染物排放清单报告(2016)》，确定各燃料的排放系数，见表4；最后，参考文献[24]～[26]确定各污染物的环境成本，见表5。

表4 各能源发电比例及排放系数

表5 各污染物环境成本

3.3 方案评价

应用本文提出的客货滚装码头减排设计方案评价框架，确定指标权重1(表6)及其规范化决策评估矩阵柱状图(图3)，求得岸电、陆基洗涤器和低硫柴油对应的Dk分别为0.116 9、0.056 7和0.068 7。可见，各方案在评价模型下具有良好的区分度。对于此工程，方案从优到劣为：岸电、低硫柴油和陆基洗涤器。

表6 指标权重情形集合

图3 规范化决策评估矩阵柱状图

3.4 敏感性分析

在确定指标影响程度时，不同的偏好会得到不同的权重向量。由表6可看出，偏向码头运营方时，方案的成本属性比重大(权重2)；偏向旅客时，方案的减排效果比重大(权重3)。经计算，在不同偏好下各方案的评价结果见图4。可以看出，由于各方案在各指标下优劣性的不同，各方案受指标权重变化的影响较大。当倾向成本属性时，低硫柴油凭借其建设成本低这一优势成为最优方案，而岸电和陆基洗涤器的竞争力明显下降；当倾向环境属性时，低硫柴油成为最差减排方案。

图4 不同权重下的方案评价结果

目前，我国正在大力推动靠港船舶使用岸电，但受成本高、环境效益低等因素的影响，在权重2下，岸电的竞争力有待提高。为此，本文在权重2下，探究各情形(表7)对岸电竞争力的影响，评价结果见图5。可以看出，为促进我国岸电建设，政府可采取以下措施：1)发放建设补贴，提高港方积极性；2)降低电价，提高船方积极性；3)优化岸电技术，提高操作便捷性；4)优化电力结构，降低岸电生命周期内的排放，提高其环境效益。