周盛，劉六井，洪金華

（1武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430063; 2．武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430063）

0 引言

目前，國(guó)際石油供應(yīng)緊張，油價(jià)高速增長(zhǎng)，而我國(guó)是貧油國(guó)家，國(guó)內(nèi)燃油無(wú)法滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，石油對(duì)外依存度高達(dá)55%。我國(guó)遠(yuǎn)洋船舶運(yùn)輸動(dòng)力主要以燃油為主，油價(jià)的上漲增加了船舶航運(yùn)成本。與此同時(shí)，隨著國(guó)際組織對(duì)航運(yùn)業(yè)減排要求的提高，普通燃油商船面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)，亟需可替代能源去適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需求。

核動(dòng)力船舶是綠色船舶，具有無(wú)溫室氣體排放的顯著優(yōu)點(diǎn)。相比普通燃油商船，核動(dòng)力商船的建造和運(yùn)行需要消耗巨額資金。因此，分析和比較核動(dòng)力商船與普通燃油商船的運(yùn)行成本具有十分重要的意義。本文以9200TEU集裝箱船為目標(biāo)船型，針對(duì)普通燃油集裝箱船和核動(dòng)力集裝箱船，在全壽期內(nèi)對(duì)其運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行分析和比較，為核動(dòng)力集裝箱船的實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 商船運(yùn)行費(fèi)用分析

1．1 目標(biāo)船型

核動(dòng)力商船可應(yīng)用的船型主要包括集裝箱船和油船等大型運(yùn)輸船舶。本文以9200TEU集裝箱船為目標(biāo)船型，壽期25年，相關(guān)運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1［1］。

假設(shè)該集裝箱船掛靠東南亞港口，進(jìn)行跨太平洋航線定期服務(wù)，每航次在海上航行30天，掛靠港口12天，每年完成8．7個(gè)航次，船舶以經(jīng)濟(jì)航速22．5 kn運(yùn)行，海上航行每天油耗約為180 t，在港口每天消耗4 t［2］。

1．2 運(yùn)行費(fèi)用主要構(gòu)成

商船運(yùn)行費(fèi)用分析研究對(duì)象為普通燃油集裝箱船與核動(dòng)力集裝箱船。商船運(yùn)行費(fèi)用主要分為3類(lèi):

1）建造投資費(fèi)用。主要包括船舶動(dòng)力裝置與船體投資費(fèi)用，其中商船建造投資費(fèi)用應(yīng)含有銀行利息。同時(shí)商船拆卸回收費(fèi)用需扣除。對(duì)于核動(dòng)力商船，退役費(fèi)用應(yīng)包含在內(nèi)。

2）燃料費(fèi)用。對(duì)于普通商船，燃料費(fèi)用為重油燃燒的費(fèi)用，核動(dòng)力商船燃料費(fèi)用為核燃料燃燒的費(fèi)用，其中核燃料的富集度為16．5%，核燃料的成本計(jì)算不包含核燃料的后處理費(fèi)用。

3）運(yùn)行與管理費(fèi)用。運(yùn)行與管理費(fèi)用包含人員管理費(fèi)用、維護(hù)保養(yǎng)、潤(rùn)料費(fèi)、港口使用費(fèi)等，主要以人員管理費(fèi)用和維修保養(yǎng)費(fèi)用為主。此外，核動(dòng)力商船運(yùn)行與管理費(fèi)用還包括換料費(fèi)。

全壽期運(yùn)行費(fèi)用為建造投資費(fèi)用（含利息）、燃料成本費(fèi)用和運(yùn)行管理費(fèi)用之和。

1．3 影響因素

商船的運(yùn)行費(fèi)用應(yīng)為全壽期的運(yùn)行費(fèi)用。由于國(guó)際能源供應(yīng)形勢(shì)的變化，油價(jià)被認(rèn)為是商船運(yùn)行費(fèi)用中變化幅度最大的因素。因此，在全壽期內(nèi)，鑒于油價(jià)的不確定性，普通商船與核動(dòng)力商船運(yùn)行費(fèi)用之間的比較，通常假定油價(jià)固定不變。除此之外，商船建造投資的銀行利息會(huì)提高商船的運(yùn)行費(fèi)用;核燃料價(jià)格與商船的運(yùn)行管理費(fèi)用的波動(dòng)同樣也會(huì)對(duì)商船運(yùn)行費(fèi)用產(chǎn)生影響。這些影響商船運(yùn)行費(fèi)用的因素，文章中都做了相應(yīng)假設(shè)。

2 全壽期運(yùn)行費(fèi)用估算［3］

2．1 建造投資費(fèi)用

1）船舶動(dòng)力裝置投資費(fèi)用

普通商船主機(jī)約占船舶總造價(jià)的16%［4］，其中大型集裝箱船主機(jī)所占比例更低。普通燃油集裝箱船動(dòng)力推進(jìn)裝置及相關(guān)設(shè)備價(jià)格約為1 500萬(wàn)美元。

核動(dòng)力集裝箱船核動(dòng)力裝置投資按每kW投資費(fèi)用計(jì)算，根據(jù)相關(guān)資料［5］，集裝箱船核動(dòng)力裝置投資每kW約為2 500美元。因此，功率為61．7MW的集裝箱船核動(dòng)力裝置投資費(fèi)用約為15 425萬(wàn)美元。

2）船體建造費(fèi)用

普通集裝箱船與核動(dòng)力集裝箱船船體結(jié)構(gòu)有所不同，但其投資費(fèi)用相差較小，假定船體建造費(fèi)用都約為9 000萬(wàn)美元［6］。

3）銀行利息費(fèi)用

船舶動(dòng)力裝置與船體建造費(fèi)用之和為設(shè)備總投資額。銀行利息按5%進(jìn)行計(jì)算，且假定10年內(nèi)償還所有債務(wù)。所需支付的利息如表2所示。

4）拆卸回收費(fèi)。拆卸回收費(fèi)是指船舶退役后，拆卸該船所得收益。燃油集裝箱船拆卸回收費(fèi)用為1 000萬(wàn)美元［7］，核動(dòng)力集裝箱船為2 000萬(wàn)美元［8］。

5）退役費(fèi)用。燃油集裝箱船無(wú)退役費(fèi)用，核動(dòng)力集裝箱船退役費(fèi)用約為4 500萬(wàn)美元［9］。

綜上所述，燃油集裝箱船與核動(dòng)力集裝箱船建造投資成本計(jì)算表如表3所示。

2．2 燃料費(fèi)用

2.2.1 普通燃油集裝箱船燃料費(fèi)用

油價(jià):假定集裝箱船全壽期內(nèi)燃油價(jià)格為480美元/t，即80美元/桶。

耗油量:該船每航次在海上航行30天，掛靠港口12天，每年完成8．7次航次，海上航行每天油耗約為180 t，在港口每天消耗4 t。每年耗油量為4．74萬(wàn)t。

燃油成本:每年燃油成本約為2 150萬(wàn)美元，全壽期內(nèi)燃油成本約為5．374 5億美元。

2.2.2 核動(dòng)力集裝箱船核燃料費(fèi)用

1）核燃料價(jià)格

核燃料價(jià)格主要包括核燃料循環(huán)的前端和后端，核燃料循環(huán)的前端主要是核燃料組件的生產(chǎn)，核燃料循環(huán)的后端主要是乏燃料的后處理。核燃料組件的生產(chǎn)包括原料購(gòu)置，轉(zhuǎn)換，濃縮，元件制造4個(gè)階段。本文的核燃料價(jià)格不考慮乏燃料后處理。

1 kg富集度為16．5%的核燃料需消耗約39 kg天然鈾，分離功約為30SWU［10］。天然鈾單價(jià)以50美元/磅計(jì)算［11］，元件制造費(fèi)400美元/kg［12］，轉(zhuǎn)換費(fèi)3．2美元/kg，分離功費(fèi)110美元/kg［13］。經(jīng)計(jì)算，1 kg富集度為16．5%的核燃料單價(jià)為8 086美元。

2）核燃料消耗量

核燃料消耗量主要與壓水堆的輸出功率，鈾燃耗深度，熱效率以及運(yùn)行的天數(shù)有關(guān)，計(jì)算公式和詳細(xì)過(guò)程可參見(jiàn)文獻(xiàn)［14］。

在已建造的核動(dòng)力商船中，核燃料燃耗深度約為7 000 MWd/t［15］，核燃料的富集度約為4%左右，如陸奧3．99%，薩瓦納4．4%，奧拓漢4．03%［16］。其中，奧拓漢最大輸出軸功率為8 MW，堆芯壽期500滿功率天，裝料量約為2．98 t［16］。

根據(jù)目前可應(yīng)用于船舶的壓水堆技術(shù)水平，鈾濃度約為16．5%，燃耗為95 GWd/t［17］。核動(dòng)力集裝箱船推進(jìn)功率為61．7 MW，鈾濃度約為16．5%，熱效率為25%。換料周期為5年。普通燃油船舶每年滿功率運(yùn)行天數(shù)為300天，核動(dòng)力裝置燃料的填裝量應(yīng)考慮核燃料功率的持續(xù)性，應(yīng)假定每年滿功率運(yùn)行365天，同時(shí)在設(shè)計(jì)中還需留有一定的裕量，經(jīng)計(jì)算，集裝箱船核動(dòng)力裝置換料量約為4．7 t。

3）核燃料成本

每5年核燃料成本約為4 023．9萬(wàn)美元，全壽期25年內(nèi)核燃料成本約為1．9億美元。

綜上所述，全壽期核動(dòng)力集裝箱船與普通燃油集裝箱船燃料費(fèi)用計(jì)算如表4所示。

2．3 運(yùn)行與管理費(fèi)用

2.3.1 燃油集裝箱船運(yùn)行與管理費(fèi)用

人員工資:若燃油集裝箱船約有20名船員，平均每人每年2．143萬(wàn)美元（約合15萬(wàn)人民幣）［18］，每年該船人員總工資42．85萬(wàn)美元，全壽期內(nèi)人員工資1 285萬(wàn)美元。

維修費(fèi)用:普通遠(yuǎn)洋船舶維修費(fèi)用占船舶固定費(fèi)用（不含燃油費(fèi)用）15%［19］，大型集裝箱船維修費(fèi)用占船舶固定費(fèi)用應(yīng)較低，則全壽期維修費(fèi)用約為2 200萬(wàn)美元。

潤(rùn)料費(fèi):燃油遠(yuǎn)洋船舶潤(rùn)料費(fèi)約為燃料費(fèi)的5%左右［20］，越大功率的船比例越小。大型集裝箱船潤(rùn)料費(fèi)所占比例應(yīng)較低，全壽期燃油集裝箱船潤(rùn)料費(fèi)約為1 000萬(wàn)美元。

其他費(fèi)用:通常包括各種零星的船舶費(fèi)用，如淡水供應(yīng)、航行工具費(fèi)用、海圖及郵電費(fèi)用等，大約占總成本的2%～5%［20］。全壽期其他費(fèi)用估計(jì)2 500萬(wàn)美元

2.3.2 核動(dòng)力集裝箱船運(yùn)行與管理費(fèi)用

人員管理費(fèi)用:若核動(dòng)力集裝箱船約有25名船員，平均每人每年2．857萬(wàn)美元（約合20萬(wàn)人民幣），每年該船人員總工資71．43萬(wàn)美元，全壽期內(nèi)人員工資2 142萬(wàn)美元。

換料費(fèi)用:核動(dòng)力船每5年更換1次核燃料，每次更換大約需600萬(wàn)美元，持續(xù)時(shí)間為35～40天［7，21］。全壽期內(nèi)換料費(fèi)約3 000萬(wàn)美元。

維修費(fèi)用:核動(dòng)力集裝箱船的維修費(fèi)用應(yīng)包括船體維修和核動(dòng)力裝置維修。船體維修假定與普通燃油集裝箱船維修費(fèi)用相同，核電站大維修費(fèi)用比例為1．35%［22］，核動(dòng)力裝置維修費(fèi)用比例應(yīng)較高，全壽期維修費(fèi)用約為2 700萬(wàn)美元。

潤(rùn)料費(fèi):核動(dòng)力集裝箱船采用核動(dòng)力裝置和汽輪機(jī)推進(jìn)，潤(rùn)滑油的使用很少，潤(rùn)料費(fèi)可忽略不計(jì)。

其他費(fèi)用:與普通燃油集裝箱船相同，全壽期其他費(fèi)用估計(jì)2 500萬(wàn)美元

綜上所述，核動(dòng)力集裝箱船與普通燃油集裝箱船運(yùn)行與管理費(fèi)用計(jì)算如表5所示。

2．4 全壽期運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

全壽期運(yùn)行費(fèi)用為全壽期建造總投資（含利息）、全壽期燃料費(fèi)和全壽期運(yùn)行管理費(fèi)用之和。綜上所述，全壽期燃油集裝箱船與核動(dòng)力集裝箱船運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算如表6所示。

3 全壽期運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)上述計(jì)算，將核動(dòng)力集裝箱船與燃油集裝箱船全壽期運(yùn)行費(fèi)用繪制成柱狀圖，如圖1所示。

根據(jù)核動(dòng)力集裝箱船與燃油集裝箱船全壽期運(yùn)行費(fèi)用數(shù)據(jù)表，可以得出以下結(jié)論:

圖1 核動(dòng)力集裝箱船與燃油集裝箱船全壽期經(jīng)濟(jì)性比較Fig．1Nuclear power container ship and fuel container ship's lifecycle economic analysis diagram

1）由圖中可以看出，在全壽期內(nèi)，核動(dòng)力集裝箱船相比燃油集裝箱船具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

2）核動(dòng)力集裝箱船建造總投資（含利息）費(fèi)用約為普通燃油集裝箱船建造總投資（含利息）費(fèi)用的2．716倍。其中核動(dòng)力集裝箱船的新建投資約占總運(yùn)行費(fèi)用的60%。

3）普通燃油集裝箱船全壽期燃料成本費(fèi)用比核動(dòng)力集裝箱船全壽期燃料成本費(fèi)用大，且燃料費(fèi)用比例會(huì)隨油價(jià)的變化而劇烈變化。普通燃油集裝箱船燃油成本占總成本的比例超過(guò)70%，若油價(jià)上漲30%，可導(dǎo)致總成本上漲超過(guò)20%。

4）核動(dòng)力集裝箱船全壽期運(yùn)行與管理費(fèi)用比普通燃油集裝箱船運(yùn)行與管理費(fèi)用大，同時(shí)，商船的運(yùn)行與管理費(fèi)用對(duì)全壽期內(nèi)的總運(yùn)行成本不產(chǎn)生大的影響。

5）當(dāng)油價(jià)高于367美元/t時(shí)，核動(dòng)力集裝箱船25年全壽期內(nèi)的總運(yùn)行成本低于傳統(tǒng)燃油集裝箱船的總運(yùn)行成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)富集度為16．5%的核動(dòng)力集裝箱船與普通燃油集裝箱船全壽期內(nèi)運(yùn)行成本費(fèi)用進(jìn)行分析得出:當(dāng)油價(jià)高于367美元/t時(shí)，核動(dòng)力集裝箱船船25年全壽期內(nèi)的總運(yùn)行成本低于傳統(tǒng)集裝箱船的總運(yùn)行成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

此外，核動(dòng)力船舶可以在實(shí)現(xiàn)船舶高速化的情況下，核燃料消耗幾乎不變。相比之下，普通燃油船舶若航速增加，油耗將大幅上漲。由此可見(jiàn)，隨著國(guó)際石油價(jià)格的飛漲，以及國(guó)際對(duì)節(jié)能減排要求的不斷提高，核動(dòng)力船舶具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

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