王鏡舟
(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司)
液化天然氣(LNG)是優(yōu)質(zhì)、清潔、高效的化石燃料,其生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存、使用在國際上已有嚴(yán)格的規(guī)范和規(guī)程。以江蘇省為代表的長江中下游省份自2006年引進(jìn)國外LNG以來,天然氣消耗量在其能源消費(fèi)總量中的比例逐年增加。
然而,長江中下游地區(qū)LNG轉(zhuǎn)運(yùn)體系在實(shí)際運(yùn)營中存在許多不合理設(shè)計(jì),轉(zhuǎn)運(yùn)體系的優(yōu)化問題十分緊迫。為了應(yīng)對長江經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及能源工業(yè)的變革,只有充分利用長江發(fā)達(dá)的水路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò),大量引進(jìn)以LNG為代表的優(yōu)質(zhì)能源,才能實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能源供應(yīng)多元化,保障能源供應(yīng)的安全性和可靠性。
本文以長江LNG水路轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)劃作為優(yōu)化對象,在長江水深對LNG運(yùn)輸船舶的約束條件下,以長江中下游(武漢下游)地區(qū)為空間范圍,以 2019至2030年作為時(shí)間范圍,以沿海接收站、沿江城市及港口的LNG供需能力作為邊際條件,以水路、陸路運(yùn)輸成本作為參數(shù)條件,探討在江蘇、安徽、湖北各增設(shè)1座LNG中轉(zhuǎn)站的最優(yōu)運(yùn)量分布,并評估全系統(tǒng)的綜合運(yùn)輸成本。應(yīng)用此方法建立的模型、評估形成的條件參數(shù)以及最終結(jié)論,可服務(wù)于長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)相關(guān)部門的 LNG規(guī)劃工作及企業(yè)投資的戰(zhàn)略決策,研究范圍不限于單一公司的LNG運(yùn)輸業(yè)務(wù)鏈。
典型的長江沿岸 LNG水陸轉(zhuǎn)運(yùn)過程是以沿海LNG接收站作為產(chǎn)地,通過兩種方式運(yùn)輸:一是將LNG沿長江水路運(yùn)輸至沿岸的LNG中轉(zhuǎn)站,再通過危化品槽車公路運(yùn)輸至各個(gè)銷地,也就是“水路+陸路”的方式;二是直接將LNG陸路運(yùn)輸至各個(gè)銷地,也就是陸路的方式(見圖1)。由于銷地的需求可以部分通過LNG的替代品(例如管道天然氣、煤炭等)來滿足,因此需要考慮產(chǎn)銷不平衡的情況。
圖1 長江沿岸LNG水陸轉(zhuǎn)運(yùn)過程示意圖
無論是采取LNG水路運(yùn)輸或陸路運(yùn)輸,從任何一個(gè)出發(fā)地到任何一個(gè)目的地的轉(zhuǎn)運(yùn)成本和所轉(zhuǎn)運(yùn)的數(shù)量均近似為線性比例關(guān)系,因此滿足運(yùn)輸問題模型的成本假設(shè)條件。需要補(bǔ)充說明的是:
(1)為簡化模型,本次優(yōu)化只選取了鎮(zhèn)江、蕪湖、武漢3座擬建LNG中轉(zhuǎn)站代入模型。未來在廣泛收集項(xiàng)目資料、模型算力充裕的條件下,可以考慮窮舉沿江全部擬建站址代入模型,通過求最優(yōu)中轉(zhuǎn)量分配方案,淘汰中轉(zhuǎn)量低的站址,如此反復(fù)迭代2至3次,甄選出最優(yōu)站址。
(2)如果將內(nèi)陸LNG液化廠也納入研究范圍,則需要額外考慮運(yùn)輸品原材料(管道氣/進(jìn)口LNG)的價(jià)格差異因素,超出了運(yùn)輸模型的研究范圍。未來可以考慮以LNG液化廠出廠價(jià)格與沿海LNG接收站出站價(jià)格的平均差異消減運(yùn)費(fèi)參數(shù),從而進(jìn)一步完善模型;甚至可以通過區(qū)分市場淡旺季價(jià)差,分季節(jié)代入不同的參數(shù),從而進(jìn)一步提高運(yùn)輸模型的準(zhǔn)確性。
在供應(yīng)端方面,綜合考慮沿海LNG接收站相對長江入??谖恢靡约皾撛诘姆摧敼δ軛l件,選取中石油如東LNG接收站、啟東廣匯LNG接收站、新奧舟山LNG接收及加注站作為供應(yīng)端,結(jié)合其設(shè)計(jì)產(chǎn)能、歷史產(chǎn)量與液態(tài)外輸占比,對產(chǎn)地的LNG模型產(chǎn)能進(jìn)行評估,總計(jì)每年需供應(yīng)LNG 525×104t。
在需求端方面,將長江中下游沿岸LNG消費(fèi)需求分為船用需求、車用需求和調(diào)峰需求三個(gè)主要類別。
(1)船用需求。以長江水系貨運(yùn)船舶規(guī)模及年均燃油消耗的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測算,適當(dāng)考慮客船、拖船等燃油消耗(按總?cè)加拖牡?0%計(jì)算),根據(jù)替代率測算不同年份LNG需求量。由于2020年以前船用LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的替代進(jìn)程較為緩慢,預(yù)計(jì)2035年船用 LNG發(fā)動(dòng)機(jī)替代率為 16%~20%。從船用LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料替代策略分析,LNG-柴油雙燃料動(dòng)力船的LNG用量占比為60%~70%,本次研究取65%;LNG單燃料動(dòng)力船LNG用量為88%~95%,其余為引燃用油,考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)引燃技術(shù)的改進(jìn)空間,本次研究取95%。最終測算2030年長江內(nèi)河船用LNG需求量為163×104t,其中轉(zhuǎn)運(yùn)計(jì)劃可覆蓋水域(黃石港及其下游)的需求量為132×104t。最后根據(jù)船運(yùn)貨物總量分布特點(diǎn)匹配船用燃料需求分布特點(diǎn),得到各主要港口區(qū)域船用LNG加注需求分布。
(2)車用需求。長江中下游車用市場細(xì)分為蘇南五市、皖南八市以及武漢地區(qū),基于各省統(tǒng)計(jì)年鑒關(guān)于營運(yùn)車輛保有量的數(shù)據(jù)[1-3],測算各市汽車保有量復(fù)合增長率。參考各省能源結(jié)構(gòu)規(guī)劃指標(biāo)以及車輛用氣指標(biāo),計(jì)算得到車用LNG需求及分布情況。
(3)潛在天然氣儲備及季節(jié)調(diào)峰需求。根據(jù)各省LNG燃?xì)庹{(diào)峰的用量,按照蘇南五市、皖南八市GDP規(guī)模加權(quán),測得燃?xì)庹{(diào)峰需求量。
綜合考慮LNG中轉(zhuǎn)站的達(dá)產(chǎn)周期,以2030年為準(zhǔn)列出LNG供應(yīng)與需求分布(見表1、表2)。
表1 LNG轉(zhuǎn)運(yùn)模型的需求分布匯總 單位:104 t
表2 LNG轉(zhuǎn)運(yùn)模型的供應(yīng)分布匯總 單位:104 t
綜合轉(zhuǎn)運(yùn)成本分析的假設(shè)條件包括:
(1)LNG運(yùn)輸無論是水路還是陸路,嚴(yán)格講都是離散的(即以LNG車、船的容量為單位運(yùn)輸),為簡化運(yùn)算,假定為連續(xù)運(yùn)輸,且運(yùn)輸成本和運(yùn)輸量為線性關(guān)系。同時(shí)為了彌補(bǔ)潛在的線性偏差,根據(jù)水深條件分段給定水運(yùn)單價(jià),根據(jù)道路遠(yuǎn)近分階梯給定陸運(yùn)單價(jià)。
(2)假定運(yùn)輸路徑上,運(yùn)力不受限制,僅考慮產(chǎn)地、中轉(zhuǎn)站的裝船裝車能力(即只要能裝即可運(yùn)走)。
(3)以三個(gè) LNG接收站為出發(fā)點(diǎn),設(shè)定運(yùn)輸方向?yàn)閱蜗颍豢紤]從LNG接收站直接陸運(yùn)供應(yīng)的情景(如:如東—太倉陸路直接運(yùn)輸)。
(4)在線性規(guī)劃模型中,運(yùn)輸單價(jià)整體水平的波動(dòng)對運(yùn)力分配結(jié)果無影響,不同線路之間的運(yùn)輸單價(jià)差異水平波動(dòng)才會影響運(yùn)力分配結(jié)果,本次模型研究運(yùn)費(fèi)設(shè)置主要參考了2018年物流行情,與現(xiàn)有運(yùn)費(fèi)水平難免存在偏差,考慮到物流市場是高度聯(lián)動(dòng)市場,上述不同時(shí)點(diǎn)的差異可視為整體水平的波動(dòng),不影響運(yùn)力分配決策。
基于上述假設(shè)條件,以下將分析各項(xiàng)轉(zhuǎn)運(yùn)成本。
按照百公里以上運(yùn)費(fèi) 1.0元/(t·km),百公里以內(nèi)運(yùn)費(fèi)1.5元/(t·km)保守估計(jì)三個(gè)中轉(zhuǎn)站到各個(gè)銷地的公路運(yùn)距、運(yùn)費(fèi)(見表3)。
表3 三個(gè)中轉(zhuǎn)站到各個(gè)銷地的公路運(yùn)費(fèi)表 單位:元/t
為了分段定量分析長江水路LNG運(yùn)輸成本,選擇重慶市下游 28個(gè)沿江城市主要港口作為分段節(jié)點(diǎn),逐段測算航道長度以及對應(yīng)的行駛天數(shù)。以典型中小型 LNG運(yùn)輸船運(yùn)輸成本測算倉容 1×104m3的LNG運(yùn)輸船在安慶至南京航段的運(yùn)輸成本;綜合水深通行條件對運(yùn)輸成本的加權(quán)(20%~30%),可以測算得出兩點(diǎn)間(取最小通行條件船型)的運(yùn)輸成本,詳見55頁表4。
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中轉(zhuǎn)成本主要指轉(zhuǎn)運(yùn)站本身的轉(zhuǎn)運(yùn)成本,以鎮(zhèn)江轉(zhuǎn)運(yùn)站為例,根據(jù)項(xiàng)目投資概算,按照所得稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率約等于 9%[4]的目標(biāo),倒算對應(yīng)中轉(zhuǎn)差價(jià)為320元/t,因此水陸中轉(zhuǎn)成本為320元/t,其他中轉(zhuǎn)站中轉(zhuǎn)成本以典型的20×104m3儲罐標(biāo)準(zhǔn)的中小型接收中轉(zhuǎn)站作為標(biāo)準(zhǔn)站(如鎮(zhèn)江LNG中轉(zhuǎn)站),按照項(xiàng)目投資回收與運(yùn)營成本分?jǐn)偟哪P蜏y算單位中轉(zhuǎn)成本。該成本可作為固定成本計(jì)入中轉(zhuǎn)站至銷地的運(yùn)輸成本之上,形成綜合轉(zhuǎn)運(yùn)成本。
運(yùn)輸模型采用的是一種線性規(guī)劃迭代方法,對“位置”和“能力”兩個(gè)變量進(jìn)行多種組合,在每—種組合下分別求解目標(biāo)函數(shù),從而尋求最優(yōu)的運(yùn)輸方式和最佳位置[5][6]。一般運(yùn)輸模型建立如下,假定A1、A2…Am表示某物資的m個(gè)產(chǎn)地;B1、B2…Bn表示某物質(zhì)的n個(gè)銷地,目標(biāo)函數(shù)為[7]:
式(1)中:f——運(yùn)輸成本;cij——從產(chǎn)地Ai運(yùn)往銷地Bj的單位運(yùn)價(jià);xij——從產(chǎn)地Ai運(yùn)往銷地Bj的運(yùn)輸量。
式(2)中:si——產(chǎn)地Ai的產(chǎn)量;式(3)中:dj——銷地Bj的銷量。
一般運(yùn)輸模型的變化包括以下幾個(gè)方面:
(1)目標(biāo)函數(shù)可求最小也可求最大(如求利潤最大或營業(yè)額最大等);
(2)當(dāng)某些運(yùn)輸線路上的能力有限制時(shí),在模型中直接加入約束條件(等式或不等式約束);
(3)產(chǎn)銷不平衡時(shí),可加入假想的產(chǎn)地(銷大于產(chǎn)時(shí))或銷地(產(chǎn)大于銷時(shí))[8];
(4)原運(yùn)輸問題上增加若干轉(zhuǎn)運(yùn)站。運(yùn)輸方式有:產(chǎn)地—轉(zhuǎn)運(yùn)站、轉(zhuǎn)運(yùn)站—銷地、產(chǎn)地—產(chǎn)地、產(chǎn)地—銷地、銷地—轉(zhuǎn)運(yùn)站、銷地—產(chǎn)地等[9]。
根據(jù)第2章至第3章的評估結(jié)果,梳理匯總運(yùn)輸模型參數(shù)設(shè)計(jì)如表5所示。其中的虛設(shè)銷地,主要為了適應(yīng)產(chǎn)地總產(chǎn)能與銷地總需求不匹配的問題,允許產(chǎn)地多余產(chǎn)能“零成本流入”虛設(shè)銷地。
表5 產(chǎn)地、銷地運(yùn)輸模型參數(shù)匯總
4.2.1 計(jì)算工具的選擇與配置
(1)制定目標(biāo)函數(shù) SUMPRODUCT(運(yùn)價(jià)表、運(yùn)量單元格):運(yùn)價(jià)表單元格區(qū)域即根據(jù)第3章成本分析得出的產(chǎn)銷平衡與運(yùn)價(jià)表中的運(yùn)價(jià)矩陣;運(yùn)量單元格區(qū)域作為可變單元格;SUMPRODUCT(運(yùn)價(jià)表、運(yùn)量單元格)的值即為總運(yùn)輸成本。
(2)添加約束條件:對可變單元格豎排求和,添加約束使其等于各銷地需求量;橫排求和,添加約束使其等于各產(chǎn)地供應(yīng)量。
(3)制定求解策略,選擇單純線性規(guī)劃,約束精度0.01。
(4)求解并生成運(yùn)算成果報(bào)告。
4.2.2 計(jì)算結(jié)果與驗(yàn)證
初步求解結(jié)論,運(yùn)輸成本最低為33.75×108元:
(1)產(chǎn)地累計(jì)向中轉(zhuǎn)地供應(yīng)LNG 345×104t,經(jīng)驗(yàn)證分配原則符合低價(jià)優(yōu)先(見表6)。
表6 產(chǎn)地—中轉(zhuǎn)地運(yùn)量測算結(jié)果(初步) 單位:104 t
(2)中轉(zhuǎn)地上游航道可通行中型以上 LNG運(yùn)輸船,沿岸港口可由產(chǎn)地直供,經(jīng)驗(yàn)證分配原則符合低價(jià)優(yōu)先,直供總量72×104t(見表7)。
表7 產(chǎn)地—上游港口運(yùn)量測算結(jié)果(初步)單位:104 t
(3)中轉(zhuǎn)地為城市供應(yīng)LNG為274.39×104t,經(jīng)驗(yàn)證分配原則符合低價(jià)優(yōu)先(見表8)。
表8 中轉(zhuǎn)地—城市運(yùn)量測算結(jié)果(初步) 單位:104 t
4.3.1 經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)模型求解結(jié)果存在不足
運(yùn)用數(shù)學(xué)模型求得的結(jié)果必須要與實(shí)際結(jié)合分析,避免出現(xiàn)與實(shí)際不符情況。從結(jié)果看,存在顯著問題的是原本由于泊位船型差異而無法從產(chǎn)地直供的港口(六安、安慶),卻在系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)論中出現(xiàn)了產(chǎn)地直供運(yùn)量(見表9)。
表9 LNG供給地—六安、安慶運(yùn)量 單位:104 t
4.3.2 通過敏感性分析尋找問題原因
對于六安、安慶港口的模型測算結(jié)果與實(shí)際不符的情況,從約束條件的敏感性分析可以看出,蕪湖中轉(zhuǎn)站在達(dá)到約束限制值后,陰影價(jià)格為 0,允許的增量極小,允許的減量極大,成為限制運(yùn)輸成本降低的關(guān)鍵因素(見表10)。
表10 蕪湖中轉(zhuǎn)站的中轉(zhuǎn)能力敏感性 單位:104 t
結(jié)合現(xiàn)實(shí)中各接收站、中轉(zhuǎn)站的設(shè)計(jì)產(chǎn)量(中轉(zhuǎn)量)條件分析,可以發(fā)現(xiàn):
鎮(zhèn)江、蕪湖、武漢三個(gè)中轉(zhuǎn)站的總中轉(zhuǎn)能力為345×104t(鎮(zhèn)江 145×104t、蕪湖 150×104t、武漢50×104t)。全部銷地(14個(gè)城市,14個(gè)港口,不含虛擬銷地)的總需求為 431.75×104t,其中可以由產(chǎn)地直供5個(gè)港口銷地(揚(yáng)州港、江陰港、張家港港、南通港、常州港)的總需求為71.64×104t,剩余的銷地(14個(gè)城市,9個(gè)港口,不含虛擬銷地)的總需求為 360.11×104t,都需要通過中轉(zhuǎn)站來解決。而由于中轉(zhuǎn)站中轉(zhuǎn)能力只有345×104t,無法滿足360.11×104t的中轉(zhuǎn)需求,運(yùn)量缺口15.11×104t,導(dǎo)致系統(tǒng)首先通過“中轉(zhuǎn)站—銷地”的低成本線路配置運(yùn)量,滿足部分銷地345×104t需求,剩余銷地的15.11×104t需求,不得不配置給“M級(運(yùn)費(fèi)設(shè)置為9 999元/t)銷地”的高成本線路。
六安的最優(yōu)運(yùn)輸成本線路為“啟東—蕪湖—六安”線,成本700元/t,系全部銷地的最高值;安慶的最優(yōu)運(yùn)輸成本線路為“啟東—蕪湖—安慶”線,成本658元/t,系全部銷地的第二高值,因此系統(tǒng)為其他銷地優(yōu)先配置完運(yùn)量后,剩余六安、安慶只能通過M級的運(yùn)輸線路配置運(yùn)量,符合目標(biāo)函數(shù)最小化原則。
經(jīng)計(jì)算,二者通過M級運(yùn)輸線路配置的運(yùn)量總計(jì)為15.11×104t,正好與中轉(zhuǎn)能力缺口相等。
4.3.3 轉(zhuǎn)運(yùn)決策優(yōu)化與結(jié)論
基于敏感性分析結(jié)論,本模型可以通過增加蕪湖中轉(zhuǎn)站設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)能力、釋放最敏感的約束條件,實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸成本的進(jìn)一步降低。
將蕪湖中轉(zhuǎn)站設(shè)計(jì)提高至170×104t后,系統(tǒng)不再向M級的運(yùn)輸線路配置運(yùn)量,同時(shí)運(yùn)輸成本總額顯著下降,為19.6×108元。修正后求解對應(yīng)的運(yùn)量分配見表11。
表11 修正求解后得出的產(chǎn)地—中轉(zhuǎn)地—銷地運(yùn)量結(jié)果 單位:104 t
如表12所示,修成求解的敏感性分析顯示,蕪湖中轉(zhuǎn)站的中轉(zhuǎn)能力仍然是敏感約束條件。
表12 修正求解后的敏感性分析 單位:104 t
為此,在修成求解的產(chǎn)銷均衡與價(jià)格表、運(yùn)量分配表基礎(chǔ)上,為蕪湖中轉(zhuǎn)站增加1×104t邊際中轉(zhuǎn)能力,結(jié)果顯示運(yùn)輸成本總額下降了97×104元。考慮到中轉(zhuǎn)站提高1×104t中轉(zhuǎn)能力的投資回收代價(jià),遠(yuǎn)高于運(yùn)輸成本總額節(jié)省的收益,因此在蕪湖中轉(zhuǎn)站增加中轉(zhuǎn)能力并填補(bǔ)長江 LNG轉(zhuǎn)運(yùn)體系的中轉(zhuǎn)能力缺口后,沒有必要進(jìn)一步增加中轉(zhuǎn)能力。
上述研究的主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面:
一是對長江地區(qū)LNG產(chǎn)量與需求的定量評估。通過收集、統(tǒng)計(jì)沿海LNG接收站以及內(nèi)陸LNG液化廠的投資與產(chǎn)能情況,綜合考慮課題決策對象(LNG中轉(zhuǎn)站)的達(dá)產(chǎn)周期,以 2030年為目標(biāo)節(jié)點(diǎn),對長江中下游地區(qū)主要省市的LNG需求做合理評估。
二是對長江地區(qū)水路運(yùn)輸和中轉(zhuǎn) LNG的成本評估。對于中轉(zhuǎn)成本,建立了典型中轉(zhuǎn)站的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)財(cái)務(wù)模型,基于一定的投資回報(bào)率來推算中轉(zhuǎn)站的綜合加工費(fèi);對于水路運(yùn)輸成本,根據(jù)航線水深限制的最大船型,推算出了運(yùn)輸單價(jià)。
三是基于敏感性分析,對初步運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行了修正,一定程度上降低了運(yùn)輸模型線性規(guī)劃的局限性。
基于當(dāng)前國家關(guān)于“氣化長江”的相關(guān)戰(zhàn)略布局尚處于起步階段,尚無研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)或個(gè)人專門針對長江地區(qū)整體的 LNG中轉(zhuǎn)布局問題發(fā)表運(yùn)籌學(xué)意義上的定量分析與研究成果。本模型研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在首次將運(yùn)籌學(xué)理論應(yīng)用在新產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,運(yùn)用運(yùn)輸模型求解LNG在長江流域的轉(zhuǎn)運(yùn)線路規(guī)劃問題,并結(jié)合產(chǎn)業(yè)實(shí)際情況進(jìn)行分析與修正,對于類似產(chǎn)業(yè)的理論模型應(yīng)用研究具有一定的借鑒意義。
綜上所述,長江LNG轉(zhuǎn)運(yùn)體系可以通過運(yùn)輸模型進(jìn)行優(yōu)化,運(yùn)輸線路的運(yùn)力配置可以量化評估,產(chǎn)地與中轉(zhuǎn)地、產(chǎn)地與銷地、中轉(zhuǎn)地與銷地之間的運(yùn)力配置均可求解。
運(yùn)營過程中的總體運(yùn)輸成本約為19×104元/a,可解決長江中下游地區(qū)約431.75×104t/a的LNG需求,單位運(yùn)輸成本約440元/t,與天然氣液態(tài)供應(yīng)鏈的行業(yè)平均成本水平基本一致。
中轉(zhuǎn)站的中轉(zhuǎn)能力配置,對LNG轉(zhuǎn)運(yùn)體系的效率具有重要影響,可以通過對運(yùn)輸模型約束條件進(jìn)行敏感性分析,結(jié)合參數(shù)背后的現(xiàn)實(shí)意義,對投資配置與運(yùn)營管理工作進(jìn)行優(yōu)化。
長江中下游地區(qū)LNG的供需平衡,對LNG轉(zhuǎn)運(yùn)體系具有本質(zhì)影響,應(yīng)該在現(xiàn)實(shí)管理工作中持續(xù)開展長江中下游地區(qū)LNG的供需分析,關(guān)注新增產(chǎn)能、新增需求,持續(xù)優(yōu)化“氣化長江”LNG轉(zhuǎn)運(yùn)體系的運(yùn)籌學(xué)運(yùn)輸模型。