（南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

1 引言

隨著現(xiàn)代物流業(yè)和國際貿(mào)易的快速發(fā)展，全球集裝箱運(yùn)輸一直保持著較高的發(fā)展勢(shì)頭。據(jù)2015年各港口集裝箱吞吐量排名，我國港口集裝箱吞吐量已經(jīng)居世界首位，世界十大港口中有七個(gè)在我國。而由于集裝箱貨運(yùn)量巨大，大型設(shè)備多，裝卸工藝復(fù)雜，在港口作業(yè)過程中能源消耗大，且產(chǎn)生大量的二氧化碳及其他有害氣體，而這正是導(dǎo)致環(huán)境污染以及PM2.5不斷升高的主要原因之一，因此建設(shè)綠色低碳港口，降低我國集裝箱碼頭的碳排放量勢(shì)在必行。

實(shí)現(xiàn)綠色低碳物流，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：綠色設(shè)計(jì)（Green design）、綠色運(yùn)作（Green operations）[1-2]。綠色設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)為先進(jìn)設(shè)備的引進(jìn)、環(huán)保材料的利用、工業(yè)污染排放物的凈化、環(huán)保政策的制定等；綠色運(yùn)作強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)運(yùn)營過程中，通過合理安排生產(chǎn)計(jì)劃、合理分配資源、制定有效的調(diào)度管理方案等，從而降低能源消耗、減少碳及其他有害物的排放量。本文從綠色運(yùn)作角度出發(fā)，針對(duì)港口三大主要設(shè)備資源，即岸橋、集卡和龍門吊，對(duì)其作業(yè)運(yùn)營過程中所產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行量化，并分析港口各設(shè)備的能耗占比，從而能夠更有針對(duì)性地提出節(jié)能減排的有效對(duì)策。

2 港口作業(yè)系統(tǒng)

集裝箱港口主要設(shè)施包括：泊位、堆場(chǎng)、岸邊裝卸機(jī)械（岸橋）、水平搬運(yùn)機(jī)械（集卡）及堆場(chǎng)裝卸機(jī)械（場(chǎng)橋）等裝卸搬運(yùn)設(shè)備。港口作業(yè)流程如圖1所示，以卸船過程為例，貨船?？吭诓次恢?，岸橋負(fù)責(zé)將集裝箱從船上卸下來，并將其移動(dòng)到集卡上，集卡把集裝箱從岸邊裝卸區(qū)轉(zhuǎn)移至堆場(chǎng)存儲(chǔ)區(qū)，場(chǎng)橋?qū)⒓b箱安放在其確定的儲(chǔ)位上，裝船過程與卸船過程順序相反。由此可知，港口的裝卸任務(wù)需要港口資源在協(xié)作下共同完成，其中任何一個(gè)設(shè)備的故障或調(diào)度策略改變都會(huì)對(duì)其他設(shè)備的運(yùn)作以及港口效率產(chǎn)生影響。但是，由于港口問題的復(fù)雜度，以往研究多集中在單設(shè)備資源調(diào)度問題上，但此類問題中由于未考慮不同資源間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系，只能保證局部最優(yōu)而不能保證港口問題的整體最優(yōu)化[3]。

圖1 集裝箱港口作業(yè)示意圖

集裝箱港口作為重要的集疏運(yùn)節(jié)點(diǎn)，在國際物流中具有很重要的地位，其中包含泊位、碼頭前沿、集裝箱堆場(chǎng)等多種設(shè)施。其間還需要各種集裝箱裝卸設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備，這樣才能維持港口正常運(yùn)作。而在港口整個(gè)運(yùn)營過程中，集裝箱裝卸作業(yè)產(chǎn)生的能源消耗和碳排放量在總體能源消耗中占有重要比例，大約占據(jù)了總體的80%。因此，為減少集裝箱港口的能耗和碳排放，就必須從操作層面上對(duì)集裝箱裝卸作業(yè)所產(chǎn)生的碳排放量進(jìn)行量化，并找出產(chǎn)生原因。目前，我國的主要能量來源仍然是柴油與電力，太陽能等清潔能源仍然是作為輔助能源存在的，在港口設(shè)備中，耗電主要來自于岸橋的使用，而柴油的消耗則主要來自集卡和輪胎式起重機(jī)等。

計(jì)算港口碳排放主要是通過計(jì)算集裝箱牽引拖掛車、龍門起重機(jī)等裝卸設(shè)備作業(yè)時(shí)消耗的燃油量，并轉(zhuǎn)化為碳排放量，另外還要計(jì)算港口岸橋等用電設(shè)備消耗電能引起的碳排放量，然后將電能引起的碳排放量與燃油引起的碳排放相加，計(jì)算得出港口碳排放量的總和。

3 港口碳排放量化方法

3.1 方法介紹

碳排放計(jì)算方法的分類標(biāo)準(zhǔn)比較多，但是使用較多的一般是宏觀和微觀兩類。其中宏觀的計(jì)算方法主要是從概念性解釋方面給出碳排放核算的方法，微觀的估算方法則是按照不同排放源的類型估算碳排放量[4]。具體方法如下：

（1）排放因子法。排放因子法（Emission-Factor Approach）是由IPCC提出的碳排放估算方法，該方法是目前應(yīng)用范圍較廣的一種方法，排放因子法主要是用碳排放源的數(shù)值乘以排放因子，最終的計(jì)算結(jié)果會(huì)作為該碳排放源的碳排放估測(cè)值。

排放因子法的計(jì)算公式為：Emission=AD×EF，其中Emission為該碳排放項(xiàng)目中碳排放量實(shí)際值；AD為碳排放清單中記錄的相關(guān)碳排放源的數(shù)據(jù)值；EF為排放因子，即單位某排放源所釋放的溫室氣體數(shù)量。

（2）質(zhì)量平衡法。質(zhì)量平衡法（Mass-Balance Approach）是近年來提出的一種新方法，其操作方法相對(duì)另外兩種方法可以明顯地區(qū)分出各類設(shè)備之間的碳排放差別，而且可以進(jìn)行比較，對(duì)于各個(gè)碳排放地區(qū)的碳排放量可以進(jìn)行實(shí)際計(jì)算，更加合理有效。當(dāng)設(shè)備更新比較頻繁時(shí)，這種方法更為方便。

（3）實(shí)測(cè)法。實(shí)測(cè)法（Experiment Approach）是通過對(duì)排放源的碳排放量進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)，然后匯總實(shí)際監(jiān)測(cè)得到的排放源碳排放量的方法。由于該方法的中間環(huán)節(jié)少，因此結(jié)果相對(duì)比較準(zhǔn)確，但資金投入比較大，數(shù)據(jù)獲取相對(duì)困難。此外，由于該方法受到樣品采集和處理的代表性、測(cè)量精度等因素的影響較大，一旦樣品選擇不合適將會(huì)對(duì)最終的數(shù)據(jù)有很大的影響。目前，實(shí)測(cè)法在實(shí)際生活中的應(yīng)用還比較少。

由于集裝箱港口作業(yè)系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定且排放源并不復(fù)雜，并且考慮到集裝箱碼頭企業(yè)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)采集的方便性及準(zhǔn)確性，一般都認(rèn)為碳排放因子在使用過程中的取值不變。本文計(jì)算以能源種類為根據(jù)，不同種類能源的碳排放系數(shù)不一樣，然后根據(jù)設(shè)備參數(shù)計(jì)算出準(zhǔn)確的能源消耗量，這樣就可以計(jì)算出各設(shè)備、各種能源碳類型的碳排放量。

在港口各設(shè)備能耗中，計(jì)算碳排放量的設(shè)備主要有使用柴油的裝卸設(shè)備和使用電力的裝卸設(shè)備：

（1）使用柴油的裝卸設(shè)備的碳排放：

使用柴油引起的碳排放量=行程距離×燃油碳排放系數(shù)（E）

（2）使用電力的設(shè)備消耗引起的碳排放：

使用電力引起的碳排放量=耗電量×電力碳排放系數(shù)（F）

3.2 碳排放系數(shù)的確定

碳排放系數(shù)是用于計(jì)算消耗單位質(zhì)量或體積能源所產(chǎn)生的溫室氣體所轉(zhuǎn)化成的二氧化碳的量[5]。

（1）燃油碳排放系數(shù)E。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》，可以得出我國汽油和柴油的低位熱值和單位熱值C02排放系數(shù)取值，為簡(jiǎn)化計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果，假設(shè)燃油消耗時(shí)的氧化率為100%，由于汽油和柴油比重值不同，分別為0.72kg/L和0.85kg/L，則通過計(jì)算得出汽油和柴油的CO2排放系數(shù)分別為2.15kg/L和2.65kg/L。

（2）電力碳排放系數(shù)F。本文根據(jù)2013年中國各區(qū)域電力排放因子數(shù)值來計(jì)算港口使用電力的各設(shè)備碳排放量，見表1。可以根據(jù)港口所在區(qū)域選取相對(duì)應(yīng)的碳排放系數(shù)。

表1 2013年中國區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)碳排放因子數(shù)值

4 實(shí)例分析

本文以江蘇某港口為例，該港口共布置了四個(gè)集裝箱專用泊位，四個(gè)泊位總長(zhǎng)為1 600m。該港口裝卸運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械設(shè)備如下：岸橋14臺(tái)、輪胎式起重機(jī)20臺(tái)、集卡40臺(tái)，其中岸橋是利用電力驅(qū)動(dòng)，而輪胎式起重機(jī)和集卡都是由柴油驅(qū)動(dòng)。該港口岸橋與集卡的利用率相同，均為60%，而輪胎式起重機(jī)的利用率為40%，該港口的電力碳排放系數(shù)取華東地區(qū)電網(wǎng)，即0.811 2，參見表1。

船上集裝箱的區(qū)域主要是依據(jù)貝位來進(jìn)行劃分，通常情況下，各個(gè)劃分區(qū)域配備一臺(tái)岸橋，每臺(tái)岸橋一次操作能夠吊取兩個(gè)集裝箱。以卸船過程為例，集裝箱在港口的整個(gè)作業(yè)流程依次是船舶、岸橋、集卡、堆場(chǎng)，集卡到達(dá)堆場(chǎng)后，如果有集裝箱需要出口，集卡還需要負(fù)責(zé)將集裝箱運(yùn)輸至岸橋指定的堆存區(qū)，等待岸橋裝船，反之集裝箱則進(jìn)行空駛。以下分別計(jì)算在港口運(yùn)營階段，岸橋、集卡和輪胎式起重機(jī)的能量消耗以及相應(yīng)的碳排放量[5]。

（1）岸橋的年耗電量。設(shè)備參數(shù)設(shè)置：Ni-第i臺(tái)岸橋的年操作次數(shù)，Ti-岸橋的年操作次數(shù)，ti-岸橋單次操作時(shí)間，tui-岸橋起升時(shí)間，tli-岸橋水平運(yùn)輸時(shí)間，Wi-每臺(tái)岸橋的年耗電量，nq-岸橋的數(shù)量，ρq-岸橋的利用率為60%，Vui-岸橋起升速度為90m/min，Vli為小車速度200m/min，Hqi-岸橋吊抓集裝箱的起升高度為45m，Rqi-岸橋外伸距為60m，Di-集卡至岸橋軌道距離為10m，Pui-起升電機(jī)功率為500kW，Pli-小車電機(jī)功率為250kW。

每臺(tái)岸橋的耗電量Wi為：

由上可知，此港口14臺(tái)岸橋耗電量總量W為：

（2）輪胎式起重機(jī)年耗油量。設(shè)備參數(shù)設(shè)置：Nci-第i臺(tái)輪胎式起重機(jī)的年操作次數(shù)，nc-輪胎式起重機(jī)的數(shù)量，Cc—輪胎式起重機(jī)年耗油量，tcui-輪胎式起重機(jī)起升時(shí)間，tcli-輪胎式起重機(jī)的水平運(yùn)輸時(shí)間，Vcui-輪胎式起重機(jī)的起升速度為13m/min，Vcli-小車速度為50m/min，Hcui-起升高度為16m，ρci-輪胎式起重機(jī)利用率為40%，Sci-小車平均水平運(yùn)距為30m，ηci-輪胎式起重機(jī)使用柴油的燃油耗率為450g/KW·h，Pcui-起升電機(jī)功率為110kW，Pcli-小車電機(jī)功率為40kW。則：

此港口20臺(tái)輪胎式起重機(jī)的耗油量Cc計(jì)算為：

（3）集卡年耗油量。集卡在空駛和裝載集裝箱時(shí)的燃油消耗率是不同的，裝載時(shí)的燃油消耗率高于空駛時(shí)的消耗率，集卡空駛時(shí)的燃油消耗率為0.8L/km,裝載行駛時(shí)燃油消耗率為1.2L/km。假設(shè)集卡執(zhí)行任務(wù)是裝載狀態(tài)，回程時(shí)為空載狀態(tài)。

設(shè)備參數(shù)設(shè)置：Cj-集卡年耗油總量L，ny-集卡數(shù)量，ρji-集卡利用率為60%，Vji-集卡平均運(yùn)行速度為25km/h，ηji-集卡拖箱耗油率為1L/km，ηji'-集卡空車耗油率為0.7L/km。則：

（4）該港口的年碳排放強(qiáng)度

其中，EC×（Cj+Cc）為直接排放量，E×W為間接排放量。Ec即柴油的CO2排放系數(shù)為2.65kg/L，Cj即集卡年耗油量為4 467 600L，Cc即輪胎式起重機(jī)年耗油量為3 036 314L，E即華東地區(qū)電網(wǎng)電力碳排放系數(shù)為0.811 2，W為32 022 662kW·h。

（5）集裝箱港口的單箱碳排放量（kg/TEU）

其中，Ni為岸橋年操作總次數(shù)，Xi為岸橋一次操作吊取的集裝箱個(gè)數(shù)。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，岸橋、集卡、場(chǎng)橋的碳排放量分別為25 976 783kg、11 839 140kg、8 046 232kg，如圖2所示。由此，可得出港口各設(shè)備碳排放量占比，以及電力和柴油不同能源間碳排放量占比。

圖2 港口岸橋、集卡、場(chǎng)橋在運(yùn)營階段的碳排放量

由以上結(jié)果可知，集裝箱港口能源消耗中，岸橋是能源消耗占比最大的，約占57%，而場(chǎng)橋碳排放量和集卡碳排放量相對(duì)較少，分別是26%和17%。為在保證港口運(yùn)營效率的同時(shí)，減少能源消耗和碳排放，應(yīng)在滿足作業(yè)任務(wù)量的前提下，盡量提高各裝卸設(shè)備間的協(xié)作關(guān)系，優(yōu)化不同設(shè)備的調(diào)度方案，包括優(yōu)化集卡運(yùn)輸路徑，完善岸橋以及場(chǎng)橋的調(diào)度作業(yè)順序，從而達(dá)到減少裝卸設(shè)備等待或空閑時(shí)間、降低設(shè)備能耗量及碳排放量的目的。本案例分析中有14臺(tái)岸橋，20臺(tái)輪胎式起重機(jī)和40臺(tái)集卡，各設(shè)備的數(shù)量也是影響港口能耗的重要因素之一，因此如何確定合適的設(shè)備數(shù)量也是優(yōu)化港口作業(yè)方案中需要解決的問題之一。在港口運(yùn)營過程中，裝卸運(yùn)輸設(shè)備在沒有任務(wù)調(diào)配的情況下處于閑置狀態(tài)，在資金充足的前提下，港口岸橋或龍門吊等設(shè)備數(shù)目的確定，一般都以港口貨物運(yùn)輸量最飽和的狀態(tài)作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，但在一般情況下，集裝箱的數(shù)量往往達(dá)不到最高標(biāo)準(zhǔn)，所以其中一部分設(shè)備資源得不到利用，造成港口設(shè)備資源的浪費(fèi)。再者，集卡運(yùn)輸集裝箱去堆場(chǎng)，到達(dá)堆場(chǎng)之后很大一部分集卡沒有接到集裝箱需要出口的任務(wù)，從而導(dǎo)致集卡要空駛回去，這也十分不利于提高資源和設(shè)備利用率。在此基礎(chǔ)上，港口就必須要重視設(shè)備空閑時(shí)間的配置問題，從而減少不必要的碳排放和資源浪費(fèi)。另外，在集裝箱港口不同種類能源消耗占比中，電力消耗占比57%,由于我國電力來源主要是通過火力發(fā)電，最終還是轉(zhuǎn)化為碳排放及其他有害氣體，所以歸根結(jié)底使用電力資源作為港口生產(chǎn)運(yùn)營的主要?jiǎng)恿碓床⒉环暇G色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的理念，所以現(xiàn)代港口需要改變能源消耗結(jié)構(gòu)，使用清潔能源或新能源替代原有能源，從而真正實(shí)現(xiàn)低碳港口和綠色物流建設(shè)的最終目標(biāo)。

5 總結(jié)

集裝箱港口的快速發(fā)展推動(dòng)了現(xiàn)代物流業(yè)的進(jìn)步并拉動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，但同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，為此，建設(shè)低碳港口成為大勢(shì)所趨。在此背景下，本文從港口運(yùn)營過程的角度出發(fā)，對(duì)港口主要設(shè)備資源岸橋、集卡和場(chǎng)橋的碳排放進(jìn)行量化，通過具體案例分析發(fā)現(xiàn)，三大主要設(shè)備中岸橋?yàn)橹饕寂欧旁?，而在能源消耗中，電力消耗為主要碳排放源，?jù)此可以采取有效的節(jié)能減排策略。在今后的研究中，港口設(shè)備數(shù)量以及不同設(shè)備間的協(xié)作關(guān)系可作為研究重點(diǎn)，從而進(jìn)一步提高港口效率、設(shè)備利用率、降低港口碳排放量。