呂 靖，王琴琴，盛慧敏

(大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

0 引 言

國家各項(xiàng)環(huán)保政策的實(shí)施導(dǎo)致國內(nèi)天然氣消費(fèi)需求迅速增長。據(jù)北京發(fā)布的《2018年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》顯示：2018年我國天然氣進(jìn)口量約為1 254×108m3，首次超越日本，成為全球天然氣第一大進(jìn)口國。我國天然氣進(jìn)口主要采用液化天然氣(LNG)和管道氣兩種形式，LNG是天然氣在-162 ℃下的液化狀態(tài)，其體積約是氣態(tài)天然氣的1/600。2018年我國LNG進(jìn)口量占天然氣進(jìn)口總量的59%。隨著進(jìn)口量增加，海運(yùn)成本也迅速增加。由于我國進(jìn)口LNG海上運(yùn)輸起步較晚，海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)較原油、鐵礦石等運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)稍顯不足，尚未發(fā)展到沿海二程轉(zhuǎn)運(yùn)。目前，采用中小型LNG運(yùn)輸進(jìn)行沿海轉(zhuǎn)運(yùn)于日本和北歐等國已經(jīng)相當(dāng)成熟，相較于這些國家，我國擁有更長的海岸線，隨著長江干線LNG動(dòng)力船加注站的逐步建設(shè)[1]，都為我國發(fā)展中小型LNG運(yùn)輸船提供有利條件。近年來，小型LNG運(yùn)輸船已開始在我國沿海試航。就當(dāng)前而言，學(xué)術(shù)界對(duì)采用中小型LNG運(yùn)輸船進(jìn)行中短距離海上運(yùn)輸?shù)年P(guān)注度遠(yuǎn)不及采用大型LNG運(yùn)輸船進(jìn)行的長距離遠(yuǎn)洋運(yùn)輸。

目前國內(nèi)外關(guān)于在較短距離中使用中小型LNG運(yùn)輸船的可行性研究相對(duì)較少且也大多是定性分析研究。付海泉等[2]從市場(chǎng)需求角度出發(fā)，分析了我國現(xiàn)有的LNG運(yùn)輸模式和中小型LNG運(yùn)輸船的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)點(diǎn)，指出發(fā)展中小型LNG運(yùn)輸船能更好滿足市場(chǎng)需求。王志剛等[3]從LNG運(yùn)輸船船型角度出發(fā)，對(duì)長江中下游LNG市場(chǎng)和長江中下游水域進(jìn)行分析，找出適合在長江中下游適航的LNG運(yùn)輸船船型。R.JOKINEN等[4]從LNG供應(yīng)鏈角度出發(fā)，以芬蘭沿海地區(qū)LNG供應(yīng)為例，將中小型LNG運(yùn)輸船和卡車運(yùn)輸相結(jié)合，分析了這兩種運(yùn)輸方式在距離上的經(jīng)濟(jì)性。A.BITTANTE等[5]基于文獻(xiàn)[4]的研究，將一維問題擴(kuò)展成二維問題，分析了波羅的海兩側(cè)芬蘭和瑞典沿岸的LNG海陸聯(lián)合運(yùn)輸問題。A.BITTANTE等[6]隨后又從LNG供應(yīng)鏈角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了適合短距離、小規(guī)模的LNG供應(yīng)鏈優(yōu)化模型，并以加勒比地區(qū)為例進(jìn)行分析，指出在短距離、小規(guī)模和管網(wǎng)不通地區(qū)更適合發(fā)展中小型LNG運(yùn)輸船。

關(guān)于LNG遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)研究則較為豐富，主要研究方向是基于供應(yīng)商角度，為供應(yīng)商制定長期或短期的交付計(jì)劃[7-10]。牛東翔等[11]從航線配船角度研究了我國LNG海上運(yùn)輸，將大宗工業(yè)物資運(yùn)輸航線配船和班輪運(yùn)輸航線配船模型進(jìn)行融合，建立了一個(gè)以船隊(duì)年運(yùn)營成本最小為目標(biāo)的LNG航線配船模型。R.RAJ等[12]從航運(yùn)企業(yè)運(yùn)輸成本角度出發(fā)，建立了基于基本工程原理的成本估算模型，用于估算船舶在采用不同動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，船舶燃料消耗的變化，進(jìn)而研究其在不同運(yùn)輸距離下對(duì)運(yùn)輸成本的影響。

綜上所述，能定量研究中小型LNG運(yùn)輸船在短距離運(yùn)輸中經(jīng)濟(jì)性和可行性的現(xiàn)有文獻(xiàn)較少。同時(shí)，關(guān)于LNG海上運(yùn)輸?shù)难芯看蠖嗍腔诠?yīng)商角度。為響應(yīng)國家“國貨國運(yùn)”的運(yùn)輸發(fā)展戰(zhàn)略，筆者基于進(jìn)口國角度，即由我國航運(yùn)企業(yè)組建運(yùn)輸船隊(duì)，對(duì)我國進(jìn)口LNG海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)人。筆者在海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中加入沿海二程轉(zhuǎn)運(yùn)，建立以運(yùn)輸成本最小為目標(biāo)的進(jìn)口LNG海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，同時(shí)在海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中分析采用中小型LNG船舶進(jìn)行沿海轉(zhuǎn)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性，并在轉(zhuǎn)運(yùn)經(jīng)濟(jì)情況下選擇合適的樞紐港，以期對(duì)我國中小型LNG運(yùn)輸船發(fā)展政策制定和進(jìn)口LNG海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化起到借鑒作用。

1 我國LNG進(jìn)口及運(yùn)輸現(xiàn)狀

我國LNG進(jìn)口及運(yùn)輸主要有如下特點(diǎn)：其數(shù)量龐大，進(jìn)口來源地眾多，海上運(yùn)輸航線距離較遠(yuǎn)。

1.1 主要進(jìn)口來源地

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和國家環(huán)保力度不斷加強(qiáng)等綜合因素的影響下，我國天然氣需求量逐年增加，天然氣自身供應(yīng)能力難以滿足消費(fèi)市場(chǎng)需求。

我國LNG進(jìn)口量增長迅速，截至2018年底，LNG進(jìn)口總量達(dá)5 400×104t，如圖1。據(jù)文獻(xiàn)[13]顯示：2018年我國凈進(jìn)口增量達(dá)1 600×104t，居世界首位，天然氣對(duì)外依存度達(dá)到45%。我國進(jìn)口LNG主要來自澳大利亞、東南亞、中東、北美、非洲等地區(qū)(圖2)，排名前4的國家分別為澳大利亞、卡塔爾、馬來西亞、印度尼西亞，這些國家進(jìn)口到我國的LNG占進(jìn)口總量的76%。

圖1 2012—2018年我國進(jìn)口LNG統(tǒng)計(jì)

圖2 2018年我國LNG進(jìn)口來源國

1.2 主要進(jìn)口運(yùn)輸航線

結(jié)合文獻(xiàn)[14]和我國LNG進(jìn)口來源國情況進(jìn)行分析可知：我國進(jìn)口LNG運(yùn)輸航線主要有5條，分別為中東航線、東南亞航線、大洋洲航線、非洲航線和北美航線(表1)。

表1 我國進(jìn)口LNG主要路線

由于筆者研究的側(cè)重點(diǎn)是優(yōu)化進(jìn)口LNG海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，并分析我國沿海地區(qū)發(fā)展中小型LNG運(yùn)輸船經(jīng)濟(jì)性?？紤]到在遠(yuǎn)洋航線中每個(gè)區(qū)域內(nèi)的各國到我國沿海各港口距離差別較小，故選取每個(gè)地區(qū)向中國出口LNG最多國家的一個(gè)港口作為代表進(jìn)行分析[15]。

2 優(yōu)化模型建立

2.1 問題描述與基本假設(shè)

LNG進(jìn)出口貿(mào)易以簽訂長期照付不議合同為主，這使得LNG運(yùn)輸具有較穩(wěn)定的供需關(guān)系和運(yùn)輸價(jià)格。假設(shè)由LNG進(jìn)口國國內(nèi)的某一航運(yùn)企業(yè)負(fù)責(zé)該國內(nèi)所有進(jìn)口LNG運(yùn)輸，航運(yùn)企業(yè)可在航運(yùn)市場(chǎng)自由租入船舶，且該航運(yùn)企業(yè)運(yùn)輸船全部以長期租船方式所得。船舶全部執(zhí)行簡(jiǎn)單航次的運(yùn)輸任務(wù)，即在裝船港一次裝船，在目的港一次卸船，中途不發(fā)生停靠、裝卸船等現(xiàn)象。航運(yùn)企業(yè)按照年度交付任務(wù)組織船舶運(yùn)輸，其要在滿足國內(nèi)所有接收站需求基礎(chǔ)上使得運(yùn)輸總成本最小。該進(jìn)口LNG海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)考慮了沿海二程轉(zhuǎn)運(yùn)，轉(zhuǎn)運(yùn)由中小型LNG運(yùn)輸船負(fù)責(zé)。國內(nèi)樞紐港需求全部由遠(yuǎn)洋運(yùn)輸滿足；而國內(nèi)非樞紐港需求可由遠(yuǎn)洋運(yùn)輸和沿海轉(zhuǎn)運(yùn)共同滿足。

在模型建立前，做出以下假設(shè)：

1)規(guī)劃期為1 a(365 d)；

2)所用船舶均為期租船舶，租期為1 a；

3)船舶年度可使用時(shí)間為345 d；

4)同型船舶在同類型港口具有相同的港口使費(fèi)和停泊時(shí)間；

5)所有接收站需求必須被全部滿足；

6)所有接收站聯(lián)合進(jìn)口。

期租的LNG運(yùn)輸船按照租船合同，承租人要支付船舶燃油費(fèi)、港口費(fèi)、過路費(fèi)和租金。租金一般以美元/d計(jì)算。目前，我國所有進(jìn)口LNG運(yùn)輸航線中只有在通過蘇伊士運(yùn)河和巴拿馬運(yùn)河時(shí)要收取過路費(fèi)。在目標(biāo)函數(shù)中，不將過路費(fèi)模塊單獨(dú)列出，而是將其疊加入運(yùn)輸航線中需要通過這兩個(gè)運(yùn)河的進(jìn)口來源國港口費(fèi)用中。

LNG運(yùn)輸船按照容積大小可分為9×104m3以下的中小型船舶，(12～18)×104m3的傳統(tǒng)型船舶，20×104m3以上的超大型船舶。其中：超大型船又可分為(20～22)×104m3的Q-Flex型和大于26×104m3的Q-Max型兩種型號(hào)。中小型船舶主要適用于沿海轉(zhuǎn)運(yùn)或江海直達(dá)運(yùn)輸，傳統(tǒng)型和超大型船舶主要用于遠(yuǎn)洋運(yùn)輸。目前，傳統(tǒng)型船舶是LNG運(yùn)輸市場(chǎng)的主力船型；超大型船舶數(shù)量較少，不足船舶總數(shù)9%，故市場(chǎng)可租得的數(shù)量有限?？紤]超大型船舶的市場(chǎng)租船限制，我國進(jìn)口LNG總量占全球LNG貿(mào)易總量的17.3%，故筆者設(shè)定可租入超大型船舶的數(shù)量不超過市場(chǎng)總數(shù)的20%。擬設(shè)計(jì)的我國進(jìn)口LNG海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)示意如圖3。

圖3 擬設(shè)計(jì)的我國進(jìn)口LNG海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)示意

2.2 數(shù)學(xué)模型

我國進(jìn)口LNG海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)包括一組港口節(jié)點(diǎn)和一組運(yùn)輸路徑，即為G(N,A)。其中：N為港口節(jié)點(diǎn)集合，A為連接港口節(jié)點(diǎn)所有可行的運(yùn)輸路徑集合。對(duì)于任意的港口i、j∈N，定義ij∈A為港口i到港口j間直接連接的運(yùn)輸路徑。該連接運(yùn)輸路徑分為3種情況：① 連接出口國港口與國內(nèi)樞紐接收站；② 連接出口國港口與國內(nèi)非樞紐接收站；③ 連接國內(nèi)樞紐接收站與非樞紐接收站。

模型涉及集合：P為所有港口集合；S為所有出口國港口集合，S?P；L為國內(nèi)所有LNG接收站集合，L?P；H為備選樞紐接收站集合，H?L；N為不作為備選樞紐接收站集合，N?L；K為所有船舶集合；K1為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船集合，K1?K；K2為沿海轉(zhuǎn)運(yùn)船集合，K2?K。

則目標(biāo)函數(shù)如式(1)：

(1)

約束條件如式(2)～(12)：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式(1)為目標(biāo)函數(shù)即進(jìn)口LNG海運(yùn)總成本最小，第1項(xiàng)為租船成本，第2、3項(xiàng)分別為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸和沿海二程轉(zhuǎn)運(yùn)的燃料消耗，第4、5項(xiàng)分別為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸和沿海二程轉(zhuǎn)運(yùn)的港口使費(fèi)；式(2)為對(duì)供應(yīng)地的供應(yīng)數(shù)量約束；式(3)、(4)分別為備選樞紐港和非樞紐港需求量約束；式(5)、(6)分別為對(duì)備選樞紐港和非樞紐港接收能力約束；式(7)為對(duì)備選樞紐港反輸能力約束；式(8)、(9)分別為對(duì)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶和沿海轉(zhuǎn)運(yùn)船舶實(shí)際可運(yùn)營時(shí)間約束；式(10)為港口對(duì)可通行船舶大小約束；式(11)為對(duì)船舶航次運(yùn)量約束，航次運(yùn)量建立在航次基礎(chǔ)上，若一航次船舶處于半載狀態(tài)則航次運(yùn)量記為x=0.5；式(11)為對(duì)船舶航次最小裝載量約束，LNG運(yùn)輸途中存在蒸發(fā)問題，因裝載量越少，蒸發(fā)速度越快，故對(duì)船舶最小裝載量進(jìn)行限制，參照文獻(xiàn)[6]，f=75%，即船舶最小裝載量不少于船舶容積的75%。

3 案例分析

筆者以2017年我國LNG進(jìn)口來源情況和LNG接收站需求情況為例，對(duì)我國進(jìn)口LNG海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化分析。

3.1 主要參數(shù)說明

3.1.1 船舶相關(guān)數(shù)據(jù)

根據(jù)我國LNG運(yùn)輸需要，模型選擇了9種典型船型(表2)。船舶航速采用克拉克森統(tǒng)計(jì)的船舶平均設(shè)計(jì)航速，船舶和港口相關(guān)費(fèi)用參照文獻(xiàn)[16]。

表2 選擇船型數(shù)據(jù)

3.1.2 國內(nèi)接收站數(shù)據(jù)

國內(nèi)存在一些接收站之間可通過管網(wǎng)相連，做到互聯(lián)互通。筆者為在不影響沿海二程轉(zhuǎn)運(yùn)前提下簡(jiǎn)化模型，通過對(duì)不同距離下管道運(yùn)輸和小型LNG船舶運(yùn)輸單位的運(yùn)輸成本進(jìn)行比較，從而將部分接收站進(jìn)行整合。

管道運(yùn)輸成本由文獻(xiàn)[17]得到，管道運(yùn)輸與小型LNG船舶運(yùn)輸單位運(yùn)輸成本如式(13)、(14)：

(13)

(14)

式中：d為運(yùn)輸距離；Q為單位時(shí)間運(yùn)輸量。

圖4分別顯示在100、200、300 km的運(yùn)輸距離下，兩種運(yùn)輸方式單位運(yùn)輸成本變化。當(dāng)運(yùn)輸距離小于100 km時(shí)，管道運(yùn)輸成本小于小型LNG船舶；隨著運(yùn)輸距離和運(yùn)輸量不斷增加，LNG運(yùn)輸船在單位運(yùn)輸成本上逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)。故筆者對(duì)距離相隔在100 km內(nèi)且有管網(wǎng)連接的接收站進(jìn)行整合，其結(jié)果如表3。

圖4 管道運(yùn)輸與LNG船舶運(yùn)輸單位運(yùn)輸成本比較

表3 接收站建設(shè)及需求情況

當(dāng)前我國具備裝船反輸接收站只有4座，分別為大連LNG接收站、南通如東LNG接收站、深圳大鵬LNG接收站和海南洋浦LNG接收站，筆者將其作為備選樞紐港。

3.2 結(jié)果分析

基于以上數(shù)據(jù)，筆者采用LINGO12軟件對(duì)我國2017年進(jìn)口LNG海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，其優(yōu)化結(jié)果如表4～6。結(jié)果表明：考慮二程轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)的運(yùn)輸總成本為2.832×109美元，此時(shí)所租用的3艘1型船和7艘2型船被充分利用，3型船則為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)闹髁Υ?，一?型船和一艘9型船用來滿足LNG沿海轉(zhuǎn)運(yùn)需求。

從表4～6可知：在不考慮因季節(jié)性調(diào)峰所造成額外調(diào)運(yùn)情況下，1艘1.5×104m3和1艘3×104m3的LNG運(yùn)輸船將初步滿足當(dāng)前沿海轉(zhuǎn)運(yùn)需求，總轉(zhuǎn)運(yùn)量為191.4×104t。沿海二程轉(zhuǎn)運(yùn)主要發(fā)生在大型LNG接收站和中小型LNG接收站之間，即由大型LNG接收站向中小型LNG接收站運(yùn)送LNG。我國沿海目前只有東莞LNG接收站、防城LNG接收站和上海五號(hào)溝LNG接收站這3座中小型接收站對(duì)船型有較大限制，這3座接收站的LNG需求由沿海轉(zhuǎn)運(yùn)滿足。對(duì)于幾乎沒有船型限制的大型LNG接收站，其需求主要由遠(yuǎn)洋大型運(yùn)輸船直接滿足，接收站之間發(fā)生的轉(zhuǎn)運(yùn)量較少。

表4 國外供應(yīng)地到國內(nèi)接收站的LNG運(yùn)輸量

表5 LNG轉(zhuǎn)運(yùn)量

表6 轉(zhuǎn)運(yùn)船的運(yùn)輸航次

通過優(yōu)化結(jié)果可知：大連LNG接收站、南通LNG接收站、深圳LNG接收站和洋浦LNG接收站這4個(gè)備選接收站皆進(jìn)行了轉(zhuǎn)運(yùn)外輸，故可將其作為海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的樞紐港。由轉(zhuǎn)運(yùn)情況分析可知：樞紐港進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)主要遵循就近原則，即大連LNG接收站主要對(duì)渤海灣即天津接收站進(jìn)行小規(guī)模的轉(zhuǎn)運(yùn)；南通則主要負(fù)責(zé)長三角地區(qū)，少量轉(zhuǎn)運(yùn)輻射到環(huán)渤海和東南沿海地區(qū)；深圳主要滿足珠三角地區(qū)的轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)，少量輻射到西南沿海地區(qū)；而洋浦則主要滿足西南沿海地區(qū)即西南沿海的防城港需求。

4 結(jié) 語

筆者通過分析LNG海運(yùn)模式和我國進(jìn)口LNG海運(yùn)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合沿海二程轉(zhuǎn)運(yùn)，建立了我國進(jìn)口LNG海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型，并得到沿海轉(zhuǎn)運(yùn)船舶的配備規(guī)模。從優(yōu)化結(jié)果可知：在海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中考慮二程轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)量達(dá)191.4×104t，表明二程轉(zhuǎn)運(yùn)存在一定優(yōu)勢(shì)。轉(zhuǎn)運(yùn)主要發(fā)生在樞紐港和其附近的中小型接收站之間，這些中小型接收站需求量較少且接收船型也比較小。由此看出，如若我國加快沿海LNG衛(wèi)星站建設(shè)，同時(shí)考慮因季節(jié)性調(diào)峰發(fā)生調(diào)運(yùn)，則將需要更多的中小型LNG運(yùn)輸船來滿足沿海轉(zhuǎn)運(yùn)需求。

沿海二程轉(zhuǎn)運(yùn)意味著樞紐港要接收更多航次遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船的同時(shí)還要兼顧高頻次的二程轉(zhuǎn)運(yùn)船，這無疑會(huì)加大樞紐港的船舶接待壓力，造成港口擁堵。在后續(xù)研究中，筆者將重點(diǎn)關(guān)注因二程轉(zhuǎn)運(yùn)造成樞紐港港口擁堵問題對(duì)海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)造成的影響。