壽建敏 周紫荊

(上海海事大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 上海 201306)

0 引言

近年來(lái)中國(guó)的天然氣消費(fèi)需求呈擴(kuò)張趨勢(shì),且供應(yīng)缺口逐年變大, 天然氣對(duì)外依賴度不斷攀升。中國(guó)進(jìn)口天然氣主要通過(guò)液化天然氣(LNG)海運(yùn)和管道氣運(yùn)輸兩種方式, 其中海運(yùn)進(jìn)口的天然氣占比不斷提高。據(jù)預(yù)測(cè), 未來(lái)中國(guó)LNG的進(jìn)口量在2022年將達(dá)到8032.5萬(wàn)噸, 并將持續(xù)增長(zhǎng),這使LNG進(jìn)口來(lái)源的穩(wěn)定性和可靠性成為關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著北極天然氣資源的逐步開(kāi)發(fā)、北極東北航道通航條件的日益改善, 以及中俄兩國(guó)在“冰上絲綢之路”上的合作深化, 從俄屬北極地區(qū)進(jìn)口LNG已在近年變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。未來(lái), 通過(guò)北極東北航道進(jìn)行LNG海運(yùn)進(jìn)口將會(huì)成為我國(guó)緩解天然氣供應(yīng)不足壓力, 促進(jìn)能源安全的有效途徑。

在此背景下, 許多學(xué)者對(duì)北極航線的航運(yùn)經(jīng)濟(jì)可行性作了相關(guān)研究。蔡梅江等[1]從航行里程、節(jié)省船期的角度論證了北極航線的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì), 并且分析得出LNG船將會(huì)成為北極航道商業(yè)航行上的主流船型之一。駱巧云和壽建敏[2]對(duì)北極東北航線和傳統(tǒng)航線的LNG運(yùn)輸進(jìn)行比較, 從里程、航次、運(yùn)輸成本三方面論證了北極東北航線LNG運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性。此外, 船舶在通過(guò)北極東北航道的運(yùn)輸過(guò)程中, 其冰級(jí)、起訖港等對(duì)于運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性存在著一定的影響[3]。李振福等[4]基于海運(yùn)里程和單船必要運(yùn)費(fèi)率兩方面分別比較了通過(guò)北極東北航線、蘇伊士運(yùn)河航線、好望角航線進(jìn)行跨亞歐LNG運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性, 發(fā)現(xiàn)三條航線中北極東北航線的必要運(yùn)費(fèi)率更低, 更具運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性。徐海棟和鄭明非[5]對(duì)不同運(yùn)輸模式下的北極LNG海運(yùn)成本進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)模式下的LNG運(yùn)輸較直運(yùn)更為經(jīng)濟(jì)。Koz’menko等[6]對(duì)比了俄羅斯北極地區(qū)的天然氣通過(guò)管道以及海上運(yùn)輸?shù)姆绞竭\(yùn)往德國(guó)、中國(guó)、意大利、土耳其的運(yùn)輸成本, 研究發(fā)現(xiàn)每0.1萬(wàn)立方米天然氣海上運(yùn)輸成本比管道氣平均低40.2%。Liu和 Kronbak[7]研究得出在破冰引航費(fèi)用降低的情況下北極航線具有較大經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì), 且航行距離的縮短能夠減少碳排放。

綜合眾多學(xué)者針對(duì)北極東北航線經(jīng)濟(jì)性的研究成果, 目前還存在著一些需深入研究的方面。(1)船舶航次成本并沒(méi)有按照東北航道各航段的冰情差異分別計(jì)算航速以及航行費(fèi)用; (2)沒(méi)有充分考慮夏秋季節(jié)以及冬春季節(jié)對(duì)于航次時(shí)間和航行成本的影響; (3)目前的北極東北航線經(jīng)濟(jì)性研究主要集中在單船的運(yùn)輸成本上, 沒(méi)有結(jié)合現(xiàn)實(shí)運(yùn)輸需求研究船隊(duì)配置的經(jīng)濟(jì)性。在中俄共建“冰上絲綢之路”, 合作開(kāi)發(fā)北極的大背景下, 未來(lái)中國(guó)將從北極地區(qū)不斷增加LNG的進(jìn)口量。因此, 無(wú)論是從國(guó)際市場(chǎng)的角度還是從資源壟斷開(kāi)采企業(yè)的角度運(yùn)輸LNG ,都存在進(jìn)行最佳運(yùn)輸船型的選擇以及最經(jīng)濟(jì)船隊(duì)規(guī)模配置的決策問(wèn)題, 北極航運(yùn)全成本的研究將為企業(yè)的內(nèi)部成本控制、LNG合理定價(jià)、提高資源市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等方面提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 進(jìn)口北極LNG的基礎(chǔ)條件

北極地區(qū)的豐富天然氣資源和中俄兩國(guó)不斷深入的天然氣項(xiàng)目合作, 為中國(guó)拓展氣源地, 并進(jìn)口北極天然氣奠定了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。東北航道通航條件的逐步改善也為中國(guó)縮短能源進(jìn)口距離、直接通過(guò)白令海峽航道進(jìn)口俄屬北極地區(qū)的天然氣提供了基本運(yùn)輸保障。

1.1 北極天然氣資源開(kāi)發(fā)狀況

據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局報(bào)告顯示北極天然氣待發(fā)現(xiàn)量是4.4×1014m3, 占世界未探明天然氣資源的30%[8]。主要北極國(guó)家的天然氣儲(chǔ)量以俄羅斯最為豐富, 而俄屬北極地區(qū)天然氣占俄總儲(chǔ)量的70%以上。俄羅斯已探明的天然氣儲(chǔ)量為3.8×1014m3, 2018年產(chǎn)量為6.965×1012m3, 2019年為9.201×1012m3, 預(yù)計(jì)到2035年開(kāi)發(fā)比例將達(dá)到26%。

北極亞馬爾天然氣項(xiàng)目2020年產(chǎn)出LNG 1880萬(wàn)噸。中俄雙方的天然氣供應(yīng)合同約定2018—2038年, 亞馬爾項(xiàng)目將每年為中國(guó)供應(yīng)300萬(wàn)噸LNG。

2019年, 中俄雙方簽署的Arctic LNG-2合作項(xiàng)目將在亞馬爾-涅涅茨地區(qū)建造3條年產(chǎn)量660萬(wàn)噸的LNG生產(chǎn)設(shè)施。2021年, 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司和中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司與俄羅斯諾瓦泰克公司簽署了LNG購(gòu)銷(xiāo)協(xié)議, 購(gòu)銷(xiāo)合同量為每年396萬(wàn)噸。

未來(lái)北極地區(qū)天然氣資源的不斷開(kāi)發(fā), 為中國(guó)規(guī)?；M(jìn)口LNG提供了來(lái)源保障, 從北極地區(qū)進(jìn)口LNG的比重也將不斷提高。通過(guò)北極航道進(jìn)口北極地區(qū)LNG的運(yùn)輸距離將只有不足繞行蘇伊士運(yùn)河的1/3, 因此, 充分利用北極航道是中國(guó)能源進(jìn)口通道的重要保障之一。

1.2 北極海冰及航道通航現(xiàn)況

北極航道主要分為東北航道、西北航道以及中央航道。其中東北航道經(jīng)過(guò)俄羅斯北部海域,從太平洋進(jìn)入白令海峽, 自東向西依次途經(jīng)楚科奇海、德朗海峽、東西伯利亞海、拉普捷夫海、維利基茨基海峽、喀拉海、巴倫支海, 到西面的摩爾曼斯克港或挪威北角。東北航道的海冰消融速度較其他航道更快, 并且通航條件更為良好。從亞馬爾地區(qū)到白令海是東北航道的主要部分,該段由俄羅斯管轄的航道被稱(chēng)為北方海航道, 其水域邊界以及海域分布見(jiàn)圖1。

圖1 北方海航道水域邊界(基于俄羅斯北方海航道管理局地圖繪制)Fig.1.Boundary of the northern sea passage (drawing based on the map from The Northern Sea Route Administration)

航道冰情是影響北方海航道通航的主要因素。冬季時(shí), 北方海航道中包括喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海、楚科奇海在內(nèi)的海域冰情嚴(yán)重; 夏季時(shí), 浮冰主要集中在維利基茨基海峽區(qū)域、桑尼科夫海峽區(qū)域、拉普捷夫海部分海域以及東西伯利亞海部分海域[1]。根據(jù)俄羅斯《北方海航道航行規(guī)則》, 經(jīng)過(guò)北方海航道需要視冰情和船舶狀況繳納破冰引航費(fèi)用。規(guī)則規(guī)定Arc7冰級(jí)的船舶可在夏秋季節(jié)獨(dú)立航行于所有海域, 冬春季節(jié)除喀拉海外的其他海域需在破冰引航服務(wù)下航行。而位于新西伯利亞群島的桑尼科夫海峽和德米特里·拉普捷夫海峽, 以及位于北地群島的維利基茨基海峽和肖考斯凱海峽為強(qiáng)制引航水域, 因此船舶在夏秋季節(jié)也需繳納一定的破冰引航費(fèi)用[9]。

美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心信息顯示北極海冰覆蓋范圍不斷縮小, 1978—2020年間以每年5.1%的速度線性減少。北極海冰的加速消融不僅有利于北極近海油氣資源的開(kāi)發(fā), 對(duì)于北極航道的通航窗口期、運(yùn)輸條件都有正面的影響。

利用東北航道進(jìn)行的海運(yùn)活動(dòng)分為跨北極運(yùn)輸、以北極為起訖點(diǎn)的運(yùn)輸?shù)?。利用北極東北航道進(jìn)行海上運(yùn)輸可以縮短航行距離、增加航次、降低航速、提高船舶能效以及減少溫室氣體排放。在東北航道通航條件改善的前提下, 各國(guó)開(kāi)始利用東北航道進(jìn)行商業(yè)運(yùn)輸。東北航道的過(guò)境航次以及貨運(yùn)量在近年都呈持續(xù)增大的趨勢(shì)(圖2), 過(guò)境貨運(yùn)量由2015年的3.9萬(wàn)噸上升至2020年的128.1萬(wàn)噸。截至2020年, 從薩貝塔(Sabetta)港口運(yùn)輸?shù)腖NG航次數(shù)為254次。自西向東運(yùn)輸LNG的航次數(shù)為33次, 其中25個(gè)航次的目的地為中國(guó), 這表明中國(guó)是北極天然氣在遠(yuǎn)東市場(chǎng)的主要客戶之一。

圖2 2015—2020年?yáng)|北航道過(guò)境貨運(yùn)量Fig.2.Transit volume of Northeast Passage from 2015 to 2020

2 基于航運(yùn)全成本的北極LNG船隊(duì)配置模型建立

2.1 北極LNG船隊(duì)船型配置思路

在進(jìn)行北極運(yùn)輸船隊(duì)船型配置研究的過(guò)程中,主要采取成本分析法對(duì)不同船型的船隊(duì)進(jìn)行分析。20世紀(jì)70年代以后, 在國(guó)際航運(yùn)中, 成本的構(gòu)成被劃分為資金成本、經(jīng)營(yíng)成本以及航次成本。其中資金成本是指船舶購(gòu)置資金, 一般來(lái)說(shuō)可以將船舶年折舊費(fèi)作為年度資金成本。經(jīng)營(yíng)成本是為保持船舶處于適航狀態(tài)所產(chǎn)生的經(jīng)常性支出, 包括船員工資、船舶維修費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)用等。而航次成本是船舶從事特定航次的運(yùn)輸所產(chǎn)生的費(fèi)用, 包括燃油費(fèi)、港口運(yùn)河費(fèi)、引航費(fèi)用等。

由于北極航道的高緯度特性, 航道受自然條件影響在不同季節(jié)下存在不同的冰情。與此同時(shí),不同航段在同一季節(jié)下冰情也不盡相同。因此,LNG船舶在不同季節(jié)以及冰區(qū)內(nèi)不同航段上的航行速度均不相同, 對(duì)應(yīng)的燃油消耗、航行時(shí)間也隨著季節(jié)和航段冰情發(fā)生變化。北極東北航道LNG運(yùn)輸航線的冰區(qū)內(nèi)航段分為喀拉海航段、拉普捷夫海航段、東西伯利亞海航段、楚科奇海航段, 具體分布見(jiàn)圖3。根據(jù)谷歌地圖測(cè)距可得北方海航道LNG運(yùn)輸航線各航段長(zhǎng)度分別為: 喀拉海航段146海里、拉普捷夫海航段696海里、東西伯利亞海航段577海里、楚科奇海航段374海里、暢水航段3810.53海里。

圖3 北方海航道LNG運(yùn)輸航線航段分布(基于GS(2016)1611號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖繪制)Fig.3.Section distribution of LNG transportation routes in the North Sea Route (drawing based on the standard map of GS(2016)1611)

夏秋季節(jié)窗口時(shí)間內(nèi), 北方海海冰消融、浮冰較少, Arc7的船舶僅在喀拉海航段以及東西伯利亞海航段需要破冰引航服務(wù); 冬春季節(jié)北方海航道冰情嚴(yán)重, 船舶在除喀拉海西南部的其他區(qū)域都需要破冰引航服務(wù)。船舶航行速度關(guān)系到航次時(shí)間, 并影響船隊(duì)構(gòu)成的規(guī)模, 因此, 根據(jù)北極航道過(guò)往船舶的歷史航行數(shù)據(jù), 結(jié)合各航段的冰情, 可以計(jì)算分析出LNG船舶在各航段的航行速度。當(dāng)冰情嚴(yán)重時(shí), 船舶航行速度由核動(dòng)力破冰船船速確定, 一般為3～5節(jié)。不同季節(jié)各航段LNG船的航速及航行時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 不同季節(jié)各航段LNG船的航速情況Table 1.Speed of the LNG vessel in different seasons and sections

此外, 北方海航道的引航費(fèi)率在不同季節(jié)、不同航行區(qū)域也有不同的規(guī)定, 對(duì)航次成本有一定影響。綜合北極航道各航段航行時(shí)間、航段破冰引航狀況等, 通過(guò)模擬計(jì)算不同季節(jié)航段營(yíng)運(yùn)時(shí)間、各項(xiàng)耗費(fèi), 在全成本分析的基礎(chǔ)上構(gòu)造北極航道LNG船隊(duì)船型配置模型, 以單位運(yùn)輸成本最低為目標(biāo), 得出最具運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的LNG船隊(duì)規(guī)模, 優(yōu)化配置研究過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖4 北極LNG船隊(duì)船型配置研究過(guò)程Fig.4.Establishment of the optimization model to deploy fleet of LNG vessels on the Arctic routes

2.2 LNG船隊(duì)優(yōu)化配置模型建立

根據(jù)對(duì)北極航道LNG航線船隊(duì)優(yōu)化配置過(guò)程的分析, 以北極LNG航線全航運(yùn)成本的視角,建立北極LNG航線船隊(duì)船型優(yōu)化配置模型, 并以單位LNG運(yùn)輸成本作為優(yōu)化指標(biāo)來(lái)衡量不同裝載容量的船舶所組成船隊(duì)的運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性。模型構(gòu)建的基本假設(shè)為: 同一支船隊(duì)都由同類(lèi)大小的船型組成; 船舶冰級(jí)相同, 目前Arc7在北極航行最為普遍。由此, 可以通過(guò)模型分析比較得出最優(yōu)運(yùn)輸船隊(duì)構(gòu)成。具體模型建立如下:

模型中f(X,M)、g(X,M)、h(X,M,V,N)、y(M,X,N)分別表示船隊(duì)的年資金成本、船隊(duì)年經(jīng)營(yíng)成本、船隊(duì)年航次成本以及船隊(duì)年LNG運(yùn)輸量。其中,CLNG為單位LNG運(yùn)輸成本,X為單船運(yùn)輸規(guī)模,M為船隊(duì)規(guī)模,Q為L(zhǎng)NG年目標(biāo)運(yùn)輸量,N為單船年航次數(shù)。公式(1)為最小單位LNG運(yùn)輸成本的計(jì)算模型, 約束條件式(2)代表船隊(duì)的年運(yùn)輸量要滿足年目標(biāo)運(yùn)輸需求以及船型選擇約束范圍條件, 在實(shí)際計(jì)算中可以考慮現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行設(shè)定和選擇。年運(yùn)輸量計(jì)算模型見(jiàn)式(3)。

式中,Nj為各季節(jié)單船航次數(shù);Sj為各季節(jié)通航天數(shù);θ1為L(zhǎng)NG船實(shí)際裝載率;θ2為船舶營(yíng)運(yùn)天系數(shù);Tj為各季節(jié)單船單航次時(shí)間, 2Tj為各季節(jié)單船往返航次時(shí)間;Tjk為單船單航次裝卸時(shí)間,k取1為裝, 取2為卸;e代表j的上界, 即季節(jié)數(shù);Djd為北極東北航線上各航段距離;Vjd為船舶在不同季節(jié)不同航段上的航行速度;m代表d的上界, 即航線所劃分的航段數(shù)。

考慮到北極東北航道的通航條件在不同季節(jié)有較大差異, 并且各個(gè)航段的冰情不同, 在計(jì)算單船航次時(shí)間時(shí)考慮了季節(jié)以及航段對(duì)其的影響,因此式(4)是在計(jì)算各季節(jié)內(nèi)單船航次數(shù)的基礎(chǔ)上計(jì)算了單船全年綜合航次數(shù); 式(5)計(jì)算了各季節(jié)內(nèi)船舶以不同航速經(jīng)過(guò)東北航道各航段所需的時(shí)間, 并在此基礎(chǔ)上得出了單船單航次時(shí)間。船隊(duì)資金成本采取直線折舊建立計(jì)算模型, 見(jiàn)式(6)。

其中,P表示單船造價(jià), 與單船運(yùn)輸規(guī)模X有關(guān);U表示單船殘值, 與單船運(yùn)輸規(guī)模X有關(guān);n為船舶的使用年限。

船隊(duì)經(jīng)營(yíng)成本計(jì)算模型見(jiàn)式(7), 包括了保險(xiǎn)費(fèi)用、維修費(fèi)用、船員工資以及消耗品及備品費(fèi)用。

式中,r1為年基本保險(xiǎn)費(fèi)率;r2為冰區(qū)附加險(xiǎn)費(fèi)率;r3為年維修提存費(fèi)率; ?為單船船員人數(shù);w為船員平均年工資;β為消耗品及備品占工資的百分比。

船隊(duì)年航次成本計(jì)算模型見(jiàn)式(8), 主要包括單船年燃油成本(Co)、單船年LNG燃料成本(Cl)、單船年潤(rùn)滑油成本(Cr)、單船年引航費(fèi)用(Cp)和單船年港口費(fèi)用(Cg), 各部分航次成本的計(jì)算模型見(jiàn)公式(9)～(13), 其中式(10)～(12)體現(xiàn)了全成本模型基于季節(jié)和航段差異對(duì)LNG船的燃潤(rùn)費(fèi)以及引航費(fèi)進(jìn)行的計(jì)算。

式中,r4為燃油費(fèi)率;a為主機(jī)耗油率;b為船舶功率;Tjd為單船在不同季節(jié)不同航段的航行時(shí)間;VX為船舶設(shè)計(jì)航速;r5為L(zhǎng)NG燃料費(fèi)率;θ3為船舶燃油與LNG消耗比率;θ4為L(zhǎng)NG損耗率;r6為潤(rùn)滑油費(fèi)率;c為潤(rùn)滑油耗油率;rjs為各季節(jié)東北航道各航段引航費(fèi)率;Pjs為各季節(jié)北方海航道各海域需破冰引航概率, 其值取1或0;s為北方海航道各個(gè)海域;u為s的上界, 代表北方海航道的海域數(shù);GT為船舶總噸;NT為船舶凈噸;r7為裝港與卸港系解纜費(fèi)率之和;r8為裝港與卸港引航費(fèi)率之和;rjk為裝/卸港停泊費(fèi)率。

總體上, 北極LNG船隊(duì)船型優(yōu)化配置模型的設(shè)計(jì), 以不同季節(jié)和不同航段劃分為基礎(chǔ), 并逐步展開(kāi)進(jìn)行模型構(gòu)建(實(shí)際模型運(yùn)算中可將全年分為夏秋季節(jié)和冬春季節(jié)兩個(gè)時(shí)期)。船隊(duì)的年航次數(shù)則通過(guò)船隊(duì)年目標(biāo)運(yùn)輸量和單船的裝載容量相結(jié)合進(jìn)行運(yùn)算, 得出基于不同航段和不同時(shí)期計(jì)算的單船年航次數(shù)后, 進(jìn)一步結(jié)合船隊(duì)年航次數(shù), 計(jì)算得出不同裝載容量大小的LNG船在滿足年目標(biāo)運(yùn)輸量下需要的船隊(duì)規(guī)模。進(jìn)一步將不同季節(jié)不同規(guī)模的LNG船隊(duì)的航次成本進(jìn)行合成計(jì)算分析, 以全成本為基礎(chǔ), 分析得出船隊(duì)總運(yùn)輸成本以及單位LNG運(yùn)輸成本,通過(guò)比較擇優(yōu), 得出最具經(jīng)濟(jì)性的LNG船隊(duì)船型配置。

3 北極LNG船隊(duì)船型配置模型優(yōu)化運(yùn)行

根據(jù)所構(gòu)建的北極LNG運(yùn)輸船隊(duì)配置模型,結(jié)合現(xiàn)實(shí)LNG運(yùn)輸需求, 選取多個(gè)裝載容量(立方數(shù))的LNG船型作為具體方案, 計(jì)算得出未來(lái)最具運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的LNG船型以及船隊(duì)規(guī)模。

3.1 航線設(shè)定及目標(biāo)運(yùn)輸量確定

在通過(guò)北極東北航道進(jìn)口LNG的航線中, 假設(shè)上海港為北極LNG進(jìn)口運(yùn)輸接收站, 航線設(shè)定為: 薩貝塔港—喀拉海—拉普捷夫?！獤|西伯利亞?！似婧！琢詈{—上海。

年目標(biāo)運(yùn)輸量則根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和北極項(xiàng)目的進(jìn)展確定。世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示2019年中國(guó)通過(guò)海運(yùn)從俄羅斯進(jìn)口的LNG占總進(jìn)口量的3.9%, 并且該占比在近五年的平均增長(zhǎng)率為57.1%[10], 因此可推算未來(lái)三年從俄羅斯進(jìn)口的LNG占總進(jìn)口量的比例將分別提高至6.17%、9.70%、15.3%。根據(jù)Clarkson公司[11]預(yù)測(cè), 2020—2022年的海上LNG進(jìn)口量將分別達(dá)到6417.5萬(wàn)噸、7310萬(wàn)噸、8032.5萬(wàn)噸。綜合以上數(shù)據(jù)可以推算得出, 未來(lái)中國(guó)將從俄羅斯進(jìn)口396萬(wàn)～1229萬(wàn)噸的LNG。在中國(guó)同俄羅斯簽訂天然氣供應(yīng)合同的情況下, 北極亞馬爾項(xiàng)目每年將為中國(guó)提供300萬(wàn)噸LNG; 北極LNG-2項(xiàng)目每年將為中國(guó)提供396萬(wàn)噸LNG。綜合中國(guó)對(duì)俄羅斯液化LNG的需求預(yù)測(cè)以及合同確定的北極LNG供應(yīng)量, 模型運(yùn)行中采用700萬(wàn)噸作為中國(guó)從北極進(jìn)口LNG的年目標(biāo)運(yùn)輸量。

3.2 船舶冰級(jí)確定

根據(jù)哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù), 目前東北航道沿線海域很少存在兩年及以上的多年冰,且歷年冬春季節(jié)海冰厚度可達(dá)1.2 m。從東北航道冰情角度出發(fā), 結(jié)合各級(jí)抗冰船通航抗冰能力可知Arc7、Arc6抗冰船可在東北航道全年通航,Arc6以下的抗冰船需要破冰船協(xié)助引航, 各級(jí)抗冰船通航抗冰能力見(jiàn)表2。然而《北方海航道航行規(guī)則》規(guī)定在航道冰情嚴(yán)重時(shí), Arc7等級(jí)以下的抗冰船即使在破冰船協(xié)助下也無(wú)法在其中部分航段通航。此外, 從北方海航道主要通航船舶冰級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看, Arc7抗冰船的航次數(shù)最多, 容易被船東接受。2019年北方海航道全年航次數(shù)為2694次, 其中Arc7抗冰船航次數(shù)為1030次。綜合以上因素, 本文采用認(rèn)可度和覆蓋面廣的Arc7作為模型中船舶冰級(jí)。

表2 各級(jí)船舶通航抗冰能力Table 2.The navigable ice-resistant capability of ships with different ice class

3.3 模型運(yùn)行的其他參數(shù)設(shè)置

根據(jù)航運(yùn)市場(chǎng)的歷史數(shù)據(jù)分析, LNG船舶大型化趨勢(shì)明顯。因此, 分別選取裝載容量范圍在12萬(wàn)～24萬(wàn)立方米內(nèi), 且變化量為0.5萬(wàn)立方米的24類(lèi)LNG船型為船隊(duì)的配置變化量進(jìn)行船隊(duì)運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化比較分析。X、GT、b、NT等變量與LNG船舶的裝載容量、性能有關(guān), 其參數(shù)根據(jù)Clarkson公司LNG貿(mào)易與運(yùn)輸報(bào)告中的實(shí)船以及天然氣體積質(zhì)量換算公式進(jìn)行分析選取。

俄羅斯北方海航道管理局將北方海航道的通航期分為夏秋季節(jié)(6—11月)和冬春季節(jié)(12月至次年5月), 在模型運(yùn)算中也將采用這兩個(gè)時(shí)期的季節(jié)參數(shù), 即j取1、2。此外, 北方海的破冰引航費(fèi)率按7個(gè)區(qū)域進(jìn)行分別收取, 因此s取1～7。Arc7船舶在北方海各區(qū)域引航費(fèi)率見(jiàn)表3、4?；诒狈胶１榈募竟?jié)性特征以及北方海航道管理局的規(guī)定, 夏秋季節(jié)時(shí), Arc7的LNG船舶除在拉普捷夫海西部、東西伯利亞海西南部需引航外,其余區(qū)域無(wú)需引航, 即P13=P15= 1,P11=P12=P14=P16=P17= 0; 冬春季節(jié)時(shí), Arc7的船舶在喀拉海西南部以外的海域都需引航, 即P12=P13=P14=P15=P16=P17= 1,P11=0。根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況, 模型其他相關(guān)參數(shù)的選取見(jiàn)表5。

表3 Arc7船舶在北方海各區(qū)域引航費(fèi)率(船舶總噸: 40000～100000)Table 3.Icebreaking and pilotage rates in different regions of the Northern Sea Route for Arc7 class vessels (Gross ton:40000～100000)單位: 元/總噸

表4 Arc7船舶在北方海各區(qū)域引航費(fèi)率(船舶總噸: ＞100000)Table 4.Icebreaking and pilotage rates in different regions of the Northern Sea Route for Arc7 class vessels (Gross ton:＞100000)單位: 元/總噸

表5 模型參數(shù)設(shè)置Table 5.Model parameter setting

續(xù)表

3.4 模型運(yùn)行結(jié)果分析

3.4.1 季節(jié)對(duì)于北極航道LNG航線單船運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的影響

不同季節(jié)對(duì)于北極LNG航線船舶的航速、燃油費(fèi)、引航費(fèi)等有著較大的影響, 總體來(lái)看冬春季節(jié)的單船航次成本遠(yuǎn)高于夏秋季節(jié), 平均高出173%。

由于船舶燃油的消耗同航速的三次方成正比,這使得航次成本中的燃油成本因?yàn)楹剿僮兓纬杉竟?jié)性變動(dòng), 即使低航速航行使得冬春季節(jié)航次時(shí)間延長(zhǎng), 但其航次燃油油耗并不比夏秋季節(jié)高。而船型越大, 船舶需要裝備更大功率的主機(jī),因此航次燃油成本也越高, 見(jiàn)圖5, 夏季航次燃油成本整體比冬春季高, 并隨船型增大波動(dòng)上升,冬春季相對(duì)穩(wěn)定上升。

圖5 北極航道不同季節(jié)的單船航次燃油成本Fig.5.Fuel costs of per voyage in different seasons in the Arctic Passage

從北方海航道引航費(fèi)看, 不同通航期收取的引航費(fèi)用不同。船舶總噸在40000～100000之間的船舶, 夏秋季節(jié)的引航總費(fèi)率為61.285元/總噸, 而冬春季節(jié)需引航區(qū)域的總費(fèi)率高達(dá)473.944元/總噸。船舶總噸在100000以上的, 夏秋季節(jié)的引航總費(fèi)率為36.771元/總噸, 而冬春季節(jié)需引航區(qū)域的總費(fèi)率高達(dá)284.344元/總噸。在船舶總噸一定的情況下, 冬春季節(jié)的引航費(fèi)用約為夏秋季節(jié)的7.74倍, 大大增加了航次成本。單船引航費(fèi)用變化見(jiàn)圖6, 引航費(fèi)用隨船舶增大而變化的趨勢(shì)中,冬春季節(jié)和夏秋季節(jié)存在著明顯的差距。除通航季節(jié)和引航區(qū)域外, 北方海航道對(duì)于引航費(fèi)用還按船舶總噸進(jìn)行分級(jí)設(shè)定費(fèi)率。裝載容量為15.5萬(wàn)立方米的船舶總噸突破100000, 引航費(fèi)率大幅減少, 導(dǎo)致引航費(fèi)大幅降低。因此, 通航季節(jié)對(duì)船舶引航費(fèi)用的影響遠(yuǎn)高于對(duì)船舶航次燃油費(fèi)用的影響。

圖6 北極東北航道不同季節(jié)單船引航費(fèi)用Fig.6.Single vessel pilotage fees in different seasons in the Arctic Northeast passage

全成本模型包括了燃料費(fèi)、潤(rùn)滑油費(fèi)、引航費(fèi)、港口費(fèi)等在內(nèi)的成本, 運(yùn)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)夏秋季節(jié)不同規(guī)模的單船往返航次總成本遠(yuǎn)低于冬春季節(jié), 見(jiàn)圖7。

圖7 基于全成本模型的北極東北航道不同季節(jié)單船航次成本Fig.7.Cost of single voyage in different seasons of the Arctic Northeast passage

3.4.2 不同船型的LNG船隊(duì)運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性比較

由于不同裝載容量的船舶實(shí)載貨量亦不同,完成700萬(wàn)噸年運(yùn)輸量的年航行總次數(shù)不同。船舶可裝載立方數(shù)越大, 完成700萬(wàn)噸所需總航次越少, 相應(yīng)的船隊(duì)單船數(shù)量就越少。全成本模型輸出的不同裝載立方數(shù)船舶組成的LNG船隊(duì)規(guī)模如圖8所示。隨著船舶裝載立方數(shù)的增加, 船隊(duì)數(shù)量規(guī)模逐漸變小, 但是船隊(duì)的裝載能力變化不大。

圖8 不同立方數(shù)船舶所配置船隊(duì)船舶數(shù)量(括號(hào)內(nèi)數(shù)字為裝載能力, 單位為萬(wàn)立方米)Fig.8.Number of ships in fleets with different cubic numbers (the number in brackets is the loading capacity and its unit is 10,000 cubic meters)

在利用北極東北航道進(jìn)行年700萬(wàn)噸的LNG運(yùn)輸過(guò)程中, 船隊(duì)的航次成本在總運(yùn)輸成本中占比最大, 主要原因是北方海航道高昂的引航費(fèi)。而船隊(duì)年資金成本以及年經(jīng)營(yíng)成本在運(yùn)輸總成本中占比卻較低?？偝杀炯案黜?xiàng)構(gòu)成成本隨著單船規(guī)模的擴(kuò)大, 其下降趨勢(shì)逐漸趨緩, 見(jiàn)圖9。

圖9 不同船型的船隊(duì)運(yùn)輸成本比較Fig.9.Comparison of transportation costs of fleets with different ship types

船隊(duì)年航次成本隨著單船裝載立方數(shù)的增加,波動(dòng)明顯。總體上, 在LNG單船裝載量越大, 船隊(duì)船舶數(shù)量越少的情況下, 船隊(duì)全年航次總成本越低。而下降過(guò)程中的波動(dòng)與北方海航道按船舶總噸分級(jí)收取引航費(fèi)用有關(guān)。同一收費(fèi)區(qū)間的船舶總噸越大, 引航費(fèi)用越高。船隊(duì)的資金成本即船隊(duì)年折舊費(fèi)用在船型擴(kuò)大, 船隊(duì)規(guī)模縮小的同時(shí)波動(dòng)下降, 但趨勢(shì)不明顯。而船舶經(jīng)營(yíng)成本也隨著單船立方數(shù)的增加, 呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。

從模型輸出的單位運(yùn)輸成本變化來(lái)看, 船隊(duì)的單位運(yùn)輸成本隨著船型的增大而波動(dòng)下降, 見(jiàn)圖10。因此, 船舶大型化使北極LNG運(yùn)輸存在一定的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。在所輸入的所有船型中, 單船為24萬(wàn)立方米所組成的船隊(duì), 其單位LNG運(yùn)輸成本最低, 每噸LNG的運(yùn)輸成本為415.8元。因此在滿足LNG年目標(biāo)運(yùn)輸量700萬(wàn)噸的前提條件下, 8艘24萬(wàn)立方米船型組成的LNG船隊(duì)的配置方案最為經(jīng)濟(jì)。目前中遠(yuǎn)海運(yùn)能源在亞馬爾項(xiàng)目中投資建設(shè)了14艘17.2萬(wàn)立方米的ARC7冰級(jí)LNG船, 根據(jù)全成本模型運(yùn)算對(duì)比現(xiàn)有運(yùn)輸需求, 其運(yùn)力還有過(guò)剩。

圖10 不同船型船隊(duì)單位運(yùn)輸成本Fig.10.Unit transportation cost of fleets with different ship types

考慮到未來(lái)北極天然氣的開(kāi)發(fā)情況以及我國(guó)日益擴(kuò)大的LNG進(jìn)口需求, 對(duì)全成本模型LNG目標(biāo)運(yùn)輸量分別變化為1000萬(wàn)噸、1500萬(wàn)噸, 并進(jìn)一步對(duì)船型配置的經(jīng)濟(jì)性展開(kāi)研究, 經(jīng)運(yùn)算發(fā)現(xiàn): 目標(biāo)運(yùn)輸量的變化會(huì)使不同船型的船隊(duì)規(guī)模發(fā)生變化, 但是其單位LNG運(yùn)輸成本的變化趨勢(shì)保持不變。在所有船隊(duì)配置中, 仍然是由24萬(wàn)立方米大小的LNG船型組成的船隊(duì)運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性最佳。這表明未來(lái)在北極LNG航線上, 通過(guò)增加24萬(wàn)立方米LNG船的數(shù)量就能夠在保證經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上滿足擴(kuò)張的LNG進(jìn)口運(yùn)輸需求。

3.5 北極東北航線LNG運(yùn)輸趨勢(shì)分析

目前, 夏秋季節(jié)時(shí), 中國(guó)通過(guò)北極東北航線從俄羅斯進(jìn)口LNG; 冬春季節(jié)時(shí), 中國(guó)通過(guò)蘇伊士運(yùn)河運(yùn)輸LNG。而隨著北極海冰的消融, 俄羅斯北方海航道通航期不斷延長(zhǎng), 使得北極東北航道全年通航成為可能。在北極天然氣開(kāi)采力度不斷加大, 中國(guó)天然氣需求持續(xù)增長(zhǎng), 以及中俄能源合作不斷加深的背景下, 北極東北航線的LNG運(yùn)輸量將會(huì)在未來(lái)持續(xù)增加。

據(jù)研究表明, 在全球氣候變暖的趨勢(shì)下, 北極的夏季氣溫上升程度有限, 冬季氣溫上升程度明顯。因此北極海冰變化也存在季節(jié)性差異, 冬季海冰覆蓋范圍以及海冰厚度改善程度較大。相應(yīng)地, 冬季通航條件的改善將較夏季更明顯, 在航次時(shí)間明顯縮短以及船舶航次數(shù)增加的條件下, 北極東北航線冬季的LNG運(yùn)輸量將有大幅的增加。北極東北航線LNG運(yùn)輸量將在季節(jié)上逐漸均衡。

在一定的運(yùn)輸量下, 對(duì)約束范圍內(nèi)不同容量的船舶進(jìn)行船隊(duì)組合以及運(yùn)輸成本的分析結(jié)果表明, 船型越大, 運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性越佳。將目標(biāo)運(yùn)輸量變化增加后進(jìn)行的分析計(jì)算結(jié)果表明, 由24萬(wàn)立方米的LNG船舶組成的船隊(duì), 即使相對(duì)船舶數(shù)量規(guī)模較小也能在保證經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上滿足未來(lái)擴(kuò)張的LNG運(yùn)輸需求。因此未來(lái)北極東北航線上LNG的運(yùn)輸船隊(duì)將向船型大型化、規(guī)模精減化發(fā)展。

4 結(jié)論

本文綜合考慮了不同季節(jié)以及北極航道各航段差異對(duì)于船隊(duì)運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的影響, 基于全成本構(gòu)建了北極LNG航線船隊(duì)船型配置模型。通過(guò)模型運(yùn)算, 對(duì)滿足年進(jìn)口運(yùn)輸量700萬(wàn)噸的案例進(jìn)行了詳細(xì)分析, 選取了不同裝載立方數(shù)的船型參數(shù), 計(jì)算了其對(duì)應(yīng)的船隊(duì)規(guī)模。分析了不同規(guī)模單船組成的船隊(duì)總成本, 并以單位運(yùn)輸成本為優(yōu)選指標(biāo), 對(duì)比分析了各種組合的船隊(duì)從北極薩貝塔港出發(fā), 通過(guò)北極東北航道進(jìn)口LNG的經(jīng)濟(jì)性。得出的主要結(jié)論如下。

1.全成本模型的構(gòu)建為北極航道分季節(jié)、分航段的復(fù)雜組成奠定了經(jīng)濟(jì)性分析的基礎(chǔ), 也為冰雪航道船隊(duì)運(yùn)營(yíng)決策提供了解決方法。通過(guò)北極航道復(fù)雜性研究構(gòu)造的航運(yùn)全成本模型具備了開(kāi)放式結(jié)構(gòu), 并以船隊(duì)分析為基礎(chǔ), 以成本最小化為目標(biāo), 為泛航道經(jīng)濟(jì)性研究提供了理論分析基礎(chǔ)。

2.通過(guò)全成本模型運(yùn)算, 不同通航季節(jié)對(duì)北極航行船舶的運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性存在著差距較大的影響。冬春季節(jié)的單船往返航次中的燃油成本要低于夏秋季節(jié)。而冬春季節(jié)的引航費(fèi)卻是夏秋季節(jié)的約7.74倍。綜合來(lái)看, 冬春季節(jié)的航次成本遠(yuǎn)高于夏秋季節(jié)。結(jié)合冬春季節(jié)航次時(shí)間長(zhǎng)、東北航道冰情嚴(yán)重, 危險(xiǎn)因素多等的原因, 船隊(duì)在安排航次時(shí)應(yīng)考慮季節(jié)因素, 謹(jǐn)慎選擇通航期。

3.總體上, 船型越大, 實(shí)載貨量越多, 完成年運(yùn)輸需求的航次數(shù)越少, 相應(yīng)的船隊(duì)單船數(shù)量規(guī)模越小。而隨著船隊(duì)中單船可裝載立方數(shù)的增加, 船隊(duì)的航次成本、經(jīng)營(yíng)成本、資金成本都呈總體下降趨勢(shì), 且下降過(guò)程中略有波動(dòng)?？梢?jiàn),LNG船舶的大型化對(duì)于利用北極東北航道進(jìn)口LNG具有一定的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。在完成700萬(wàn)噸進(jìn)口運(yùn)輸量案例的模型運(yùn)算比較中, 由8艘24萬(wàn)立方米LNG船組成的船隊(duì)組合, 其運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性最好, 單位運(yùn)輸成本最低。并且應(yīng)對(duì)未來(lái)LNG進(jìn)口需求的增長(zhǎng), 亦可通過(guò)增加24萬(wàn)立方米LNG船型的數(shù)量來(lái)滿足擴(kuò)張, 并保證其經(jīng)濟(jì)性。

4.在船隊(duì)運(yùn)輸中, 北極航道航運(yùn)全成本中的航次成本所占比重最大。主要原因是經(jīng)過(guò)北極東北航道需要繳納高額的引航費(fèi)用, 因此引航費(fèi)率對(duì)于船隊(duì)的年運(yùn)輸總成本影響最大。目前可以通過(guò)多艘商船共同租用破冰船的方式節(jié)約破冰費(fèi)用,但這需與北極航道高度商業(yè)化通航的基本條件相配合, 而共享破冰船的商業(yè)模式也會(huì)使航次時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)。未來(lái)若能通過(guò)中俄合作使俄羅斯北方海航道管理局調(diào)整降低引航費(fèi)率, 將節(jié)約單船的航次成本以及船隊(duì)的年運(yùn)輸總成本。

隨著中俄兩國(guó)共建“冰上絲綢之路”的合作深化, 北極天然氣資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)以及北極東北航道通航條件的不斷改善, 中國(guó)從俄羅斯增加LNG進(jìn)口是一種必然趨勢(shì)?；谶@種現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)和對(duì)未來(lái)的展望, 在組建船隊(duì)組合時(shí)應(yīng)以航運(yùn)全成本模型運(yùn)算為理論基礎(chǔ), 決策選擇單位運(yùn)輸成本最低的運(yùn)輸船隊(duì), 并在夏秋季節(jié)投放更多的船舶進(jìn)行航行活動(dòng)。