客貨滾裝碼頭減排設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)方法*

唐國磊，郭 雷，李善新，趙卓瑤，李 熠

(1.大連理工大學(xué)，海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.中國石油大港油田公司，天津 300280；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司大連供電公司普蘭店分公司，遼寧 大連 116200)

我國客貨滾裝運(yùn)輸迅速發(fā)展，形成瓊州海峽、舟山群島、渤海灣三大運(yùn)輸中心[1]，客貨滾裝碼頭的規(guī)劃和運(yùn)營正朝著安全、綠色、高效、舒適的方向發(fā)展。旅客作為客貨滾裝運(yùn)輸?shù)姆?wù)主體，其身體健康面臨著船舶廢氣的危害。因此，在規(guī)劃運(yùn)營客貨滾裝碼頭時(shí)，應(yīng)綜合考慮成本、減排效果、環(huán)境效益等因素選擇適合客貨滾裝碼頭的減排設(shè)計(jì)方案。

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種減排方案進(jìn)行了相關(guān)研究，如Kom等[2]闡述岸電的起源及發(fā)展；彭傳圣等[3-4]的研究表明，岸電投資大和換用低硫油保障基礎(chǔ)不足是我國能源替代政策實(shí)施的主要瓶頸；賈石巖[5]對(duì)船舶岸電改造或新船安裝的成本進(jìn)行研究；Boer等[6]的研究表明，船基洗滌器競爭優(yōu)勢隨著低硫柴油和重質(zhì)燃料油之間價(jià)格差異的降低而降低；王成鴻等[7]計(jì)算船基洗滌器的減排效果，并指出影響其推廣應(yīng)用的因素；Worley Advisian公司[8]調(diào)研表明，CAE-M公司研發(fā)的陸基洗滌器可捕獲船舶廢氣并凈化處理；Lasselle等[9]和Ammar[10]研究了甲醇作為燃料的船舶改建成本。由此可見，岸電、洗滌器、清潔燃料等方案均可減少污染物排放，但所需投資、運(yùn)營維護(hù)成本、環(huán)境效益等存在差異，需要合適的評(píng)價(jià)方法對(duì)客貨滾裝碼頭減排設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)擇優(yōu)。

碼頭減排設(shè)計(jì)需要考慮成本、減排效果、環(huán)境效益等諸多因素，是一個(gè)多目標(biāo)決策問題。目前常用的評(píng)價(jià)方法包括模糊評(píng)價(jià)法、優(yōu)劣解距離法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)和物元分析法等。如?l?er等[11]建立模糊群體決策模型，評(píng)價(jià)海運(yùn)中的清潔能源；Besikci等[12]應(yīng)用模糊層次分析法(fuzzy-AHP)評(píng)價(jià)船舶節(jié)能措施；李曉滿等[13]應(yīng)用加權(quán)TOPSIS法評(píng)價(jià)港口綠色發(fā)展水平；王征等[14]將物元分析法和熵權(quán)法相結(jié)合，對(duì)港區(qū)內(nèi)不同碳排放源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。雖然已有研究較少涉及客貨滾裝碼頭減排設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)，但可為本文提供一定的思路。

本文通過考慮旅客健康、經(jīng)濟(jì)可行性、環(huán)境效益等因素，構(gòu)建適用于客貨滾裝碼頭的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，引入AHP法和加權(quán)TOPSIS法，評(píng)價(jià)客貨滾裝減排設(shè)計(jì)方案，以期為客貨滾裝碼頭減排設(shè)計(jì)提供決策支持。

1 客貨滾裝碼頭減排方案

客貨滾裝碼頭為旅客、車輛提供服務(wù)，旅客數(shù)量多、人流密度大，船舶污染排放危害旅客健康[15]。為減少污染物排放、保護(hù)旅客健康，本文提出采用岸電、陸基洗滌器和清潔燃料等方案，其特點(diǎn)如下：

1)岸電是供、受電設(shè)備及相應(yīng)的監(jiān)控輔助系統(tǒng)的統(tǒng)稱[16]。當(dāng)使用岸電后，客貨滾裝船用電由陸側(cè)電網(wǎng)提供，船載發(fā)電機(jī)組不再工作。因此，該方案會(huì)明顯減少SO2、NOx、顆粒物PM(包括PM2.5和PM10)等大氣污染物排放，而且降低噪聲污染。但岸電的建設(shè)、運(yùn)營及維護(hù)等成本較高，而且電價(jià)昂貴和復(fù)雜的連接流程也會(huì)制約其發(fā)展。

2)陸基洗滌器可捕獲大氣污染物并進(jìn)行凈化處理，船舶使用重油作為燃料也可以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。陸基洗滌器需要大型起重機(jī)和支撐系統(tǒng)，不需要對(duì)船舶做太多改造，只在船舶靠泊時(shí)進(jìn)行作業(yè)。根據(jù)洛杉磯港在集裝箱船、貨船上的試驗(yàn)，陸基洗滌器脫硫效率可達(dá)95%，同時(shí)能去除大約80%的PM和NOx，但對(duì)CO2減排效果不明顯，且噪聲污染會(huì)增加。

3)清潔燃料包括低硫柴油、天然氣等，可以有效減少污染物的產(chǎn)生，但不能減少噪聲污染，而且需要對(duì)船舶進(jìn)行改造。

綜上所述，各方案在成本、環(huán)境、社會(huì)效益等方面表現(xiàn)出不同的優(yōu)劣性。因此，為選擇合適的減排設(shè)計(jì)方案，應(yīng)確定合適的方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)方法，解決客貨滾裝碼頭減排設(shè)計(jì)方案多目標(biāo)決策問題。

2 客貨滾裝碼頭減排設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)方法

為有效評(píng)估客貨滾裝碼頭減排設(shè)計(jì)方案，本文綜合考慮成本、污染排放、環(huán)境效益等屬性，提出適用于客貨滾裝碼頭的減排設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并引入AHP指標(biāo)賦權(quán)法和TOPSIS評(píng)價(jià)方法，形成客貨滾裝碼頭減排設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)框架。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

依據(jù)《綠色港口等級(jí)評(píng)價(jià)指南》[17]，綜合考慮經(jīng)濟(jì)可行性、旅客健康、社會(huì)影響等因素，構(gòu)建客貨滾裝碼頭減排設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見圖1。

圖1 客貨滾裝碼頭減排設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1.1成本屬性

成本屬性包含建設(shè)成本、運(yùn)營和維護(hù)成本、投資回收期3個(gè)指標(biāo)。其中，建設(shè)成本是指所耗費(fèi)的貨幣支出總和，反映方案的經(jīng)濟(jì)效果；運(yùn)營和維護(hù)成本是指維持其正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的支出，它反映方案持續(xù)的可行性；投資回收期是指收回投資費(fèi)用或達(dá)到收支平衡所需要的時(shí)間，采用凈現(xiàn)值，按下式計(jì)算：

(1)

式中：NPV為年收益凈現(xiàn)值；EBt為第t年的環(huán)境效益，取值見2.1.3節(jié)；OMCt為第t年的運(yùn)營和維護(hù)成本；w為計(jì)息期數(shù)；pt為第t年的折現(xiàn)率。

2.1.2環(huán)境屬性

環(huán)境屬性包含SO2、NOx和PM這3種大氣污染物排放量和噪聲共4個(gè)指標(biāo)。其中，SO2使人呼吸困難，對(duì)肺部造成直接損傷；NOx易引起支氣管炎和肺炎，誘發(fā)肺細(xì)胞癌變；PM易附著有害物質(zhì)沉積于肺，引起呼吸系統(tǒng)疾病。SO2、NOx和PM排放量公式見式(2)。噪聲會(huì)影響聽力和視力，且高強(qiáng)度的噪聲會(huì)使人出現(xiàn)焦躁不安等癥狀。但噪聲污染不易量化，本文以噪聲的相對(duì)排序作為指標(biāo)值。

(2)

式中：EMm為大氣污染物m的排放量(t)，m取1、2、3時(shí)分別代表SO2、NOx、PM；BEFam和BEFbm為大氣污染物m的燃料的排放系數(shù)和電網(wǎng)的排放系數(shù)(t/kW)；P(t)為船舶輔機(jī)功率(kW)；β為0或1的變量，1表示輔機(jī)發(fā)電，0表示岸電供電；FCV為燃料熱值(kW/t)；ηa為燃燒系數(shù)；ηb為岸電效率。

2.1.3社會(huì)屬性

污染排放減少可帶來社會(huì)效益，該效益與污染物減排量及環(huán)境成本有關(guān)，按下式計(jì)算：

(3)

式中：EB為環(huán)境效益；i為污染物序號(hào)，1、2、3、4分別代表SO2、NOx、PM、CO2；ERi為污染物i的減排量；ECi為污染物i的環(huán)境成本。

2.2 AHP指標(biāo)賦權(quán)法

為尊重旅客、船方、碼頭運(yùn)營方的意愿，本文引入AHP法確定各指標(biāo)的影響程度，具體步驟為：

1)建立判斷矩陣。按薩蒂1～9比例標(biāo)度法(表1)確定判斷矩陣B，B為n×n型矩陣(=[bij])。

表1 薩蒂1～9比例標(biāo)度法相對(duì)重要性取值

2)層次單排序。用正規(guī)化求和法確定本層次各相關(guān)元素相對(duì)重要性的權(quán)重向量w=(w1，w2，…，wn)。

3)一致性檢驗(yàn)。調(diào)整判斷矩陣至隨機(jī)一致性指標(biāo)CR<0.1。CR為一致性指標(biāo)CI與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的比值，RI由表2確定，CI按式(4)計(jì)算。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

(4)

式中：λmax為權(quán)重向量對(duì)應(yīng)的最大特征根；n為判斷矩陣維數(shù)。

2.3 TOPSIS評(píng)價(jià)方法

考慮到減排設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的多目標(biāo)決策特征，引入TOPSIS法[18]對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。TOPSIS法在交通運(yùn)輸、綠色發(fā)展評(píng)價(jià)、企業(yè)管理等方面[19-22]具有廣泛的應(yīng)用，其具體步驟為：

1)給定方案集P={Ph|h=1，2，…，p}和指標(biāo)集Q={Ql|l=1，2，…，q}，計(jì)算指標(biāo)值Rhl，構(gòu)建決策評(píng)估矩陣R=[Rhl]。

2)按式(5)計(jì)算規(guī)范化決策評(píng)估矩陣X=[Xhl]：

(5)

3)確定權(quán)重向量，并按式(6)計(jì)算加權(quán)規(guī)范化值矩陣Y=[Yhl]：

Yhl=wl·Xhl

(6)

式中：wl為指標(biāo)l對(duì)應(yīng)權(quán)重。

4)確定正負(fù)理想向量Y+和Y-。成本類指標(biāo)按式(7)計(jì)算，效益類指標(biāo)按式(8)計(jì)算：

(7)

(8)

5)計(jì)算加權(quán)歐氏距離及各方案與理想解的貼近度Dk：

(9)

(10)

式中：Dk±為加權(quán)規(guī)范化值Ykl到正(負(fù))理想解Yl±的距離。根據(jù)Dk的大小可對(duì)各減排方案進(jìn)行排序，Dk值越大表明方案越優(yōu)。

3 算例

某客貨滾裝作業(yè)區(qū)由4個(gè)3萬GT泊位和2個(gè)1萬GT泊位組成，10艘客貨滾裝船將服務(wù)6條航線。客滾船的發(fā)動(dòng)機(jī)組主要參數(shù)見表3，船舶靠泊時(shí)的輔機(jī)負(fù)荷率為25%。根據(jù)船舶用電功率及船期表，該港區(qū)船舶用電功率的峰值為6 MW，船舶年用電量為15.4 GW·h。本著安全、綠色、高效、舒適的發(fā)展理念，該工程提出岸電、陸基洗滌器、低硫柴油等3種減排設(shè)計(jì)方案。

表3 客滾船舶發(fā)動(dòng)機(jī)組主要參數(shù)值

3.1 減排設(shè)計(jì)方案

1)岸電。依據(jù)《碼頭岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范》[23]，岸電布置及主要參數(shù)見圖2，其用電容量約為6.2 MW。參考文獻(xiàn)[24]，本客貨滾裝作業(yè)區(qū)岸電的建設(shè)成本約為1億元，此地區(qū)基礎(chǔ)電費(fèi)為0.8元/(kW·h)，年運(yùn)營和維護(hù)成本共計(jì)約1 300萬元。

圖2 客貨滾裝碼頭平面布置及岸電主要參數(shù)

2)陸基洗滌器建設(shè)成本約為2.5億元，船舶每年靠泊時(shí)消耗的重油約3 400 t，其單價(jià)為3 700元/t。

3)船用燃料升級(jí)。該港區(qū)所在地可提供充足的低硫柴油，升級(jí)倉儲(chǔ)設(shè)施等所需的倉儲(chǔ)設(shè)施約為2 800萬元，依據(jù)船舶能耗和低硫柴油的平均低位發(fā)熱量可計(jì)算年消耗量約為3 300 t，其單價(jià)為3 700元/t。

3.2 排放系數(shù)與環(huán)境成本

該地區(qū)以火力發(fā)電為主，首先根據(jù)現(xiàn)階段能源發(fā)電比例及各能源排放系數(shù)計(jì)算電網(wǎng)排放系數(shù)，見表4；然后，參考《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》《城市大氣污染物排放清單編制技術(shù)手冊》《中國船舶大氣污染物排放清單報(bào)告(2016)》，確定各燃料的排放系數(shù)，見表4；最后，參考文獻(xiàn)[24]～[26]確定各污染物的環(huán)境成本，見表5。

表4 各能源發(fā)電比例及排放系數(shù)

表5 各污染物環(huán)境成本

3.3 方案評(píng)價(jià)

應(yīng)用本文提出的客貨滾裝碼頭減排設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)框架，確定指標(biāo)權(quán)重1(表6)及其規(guī)范化決策評(píng)估矩陣柱狀圖(圖3)，求得岸電、陸基洗滌器和低硫柴油對(duì)應(yīng)的Dk分別為0.116 9、0.056 7和0.068 7。可見，各方案在評(píng)價(jià)模型下具有良好的區(qū)分度。對(duì)于此工程，方案從優(yōu)到劣為：岸電、低硫柴油和陸基洗滌器。

表6 指標(biāo)權(quán)重情形集合

圖3 規(guī)范化決策評(píng)估矩陣柱狀圖

3.4 敏感性分析

在確定指標(biāo)影響程度時(shí)，不同的偏好會(huì)得到不同的權(quán)重向量。由表6可看出，偏向碼頭運(yùn)營方時(shí)，方案的成本屬性比重大(權(quán)重2)；偏向旅客時(shí)，方案的減排效果比重大(權(quán)重3)。經(jīng)計(jì)算，在不同偏好下各方案的評(píng)價(jià)結(jié)果見圖4?？梢钥闯?，由于各方案在各指標(biāo)下優(yōu)劣性的不同，各方案受指標(biāo)權(quán)重變化的影響較大。當(dāng)傾向成本屬性時(shí)，低硫柴油憑借其建設(shè)成本低這一優(yōu)勢成為最優(yōu)方案，而岸電和陸基洗滌器的競爭力明顯下降；當(dāng)傾向環(huán)境屬性時(shí)，低硫柴油成為最差減排方案。

圖4 不同權(quán)重下的方案評(píng)價(jià)結(jié)果

目前，我國正在大力推動(dòng)靠港船舶使用岸電，但受成本高、環(huán)境效益低等因素的影響，在權(quán)重2下，岸電的競爭力有待提高。為此，本文在權(quán)重2下，探究各情形(表7)對(duì)岸電競爭力的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果見圖5。可以看出，為促進(jìn)我國岸電建設(shè)，政府可采取以下措施：1)發(fā)放建設(shè)補(bǔ)貼，提高港方積極性；2)降低電價(jià)，提高船方積極性；3)優(yōu)化岸電技術(shù)，提高操作便捷性；4)優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)，降低岸電生命周期內(nèi)的排放，提高其環(huán)境效益。

表7 情形描述

圖5 不同情形下的方案評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

1)綜合考慮成本、污染排放、環(huán)境效益等屬性，提出適用于客貨滾裝碼頭的減排設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并引入AHP指標(biāo)賦權(quán)法和TOPSIS評(píng)價(jià)方法，形成客貨滾裝碼頭減排設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)框架。

2)在客貨滾裝碼頭算例中，岸電是最優(yōu)減排方案，低硫柴油為次優(yōu)減排方案。因此，考慮到岸電的建設(shè)、運(yùn)營及維護(hù)等成本相對(duì)較高，建議分階段建設(shè)，以逐步實(shí)現(xiàn)整個(gè)客貨滾裝作業(yè)區(qū)的岸電全覆蓋；在岸電建設(shè)過程中，無法連接岸電的船舶可暫時(shí)通過使用低硫柴油達(dá)到排放要求。