長江LNG運輸優(yōu)化模型研究

王鏡舟

（中海石油氣電集團有限責任公司）

0 引言

液化天然氣（LNG）是優(yōu)質(zhì)、清潔、高效的化石燃料，其生產(chǎn)、運輸、儲存、使用在國際上已有嚴格的規(guī)范和規(guī)程。以江蘇省為代表的長江中下游省份自2006年引進國外LNG以來，天然氣消耗量在其能源消費總量中的比例逐年增加。

然而，長江中下游地區(qū)LNG轉(zhuǎn)運體系在實際運營中存在許多不合理設(shè)計，轉(zhuǎn)運體系的優(yōu)化問題十分緊迫。為了應(yīng)對長江經(jīng)濟的快速發(fā)展以及能源工業(yè)的變革，只有充分利用長江發(fā)達的水路運輸網(wǎng)絡(luò)，大量引進以LNG為代表的優(yōu)質(zhì)能源，才能實現(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。

1 長江LNG轉(zhuǎn)運計劃與決策

本文以長江LNG水路轉(zhuǎn)運規(guī)劃作為優(yōu)化對象，在長江水深對LNG運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)運量分布，并評估全系統(tǒng)的綜合運輸成本。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運輸業(yè)務(wù)鏈。

典型的長江沿岸 LNG水陸轉(zhuǎn)運過程是以沿海LNG接收站作為產(chǎn)地，通過兩種方式運輸：一是將LNG沿長江水路運輸至沿岸的LNG中轉(zhuǎn)站，再通過?；凡圮嚬愤\輸至各個銷地，也就是“水路+陸路”的方式；二是直接將LNG陸路運輸至各個銷地，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)運過程示意圖

無論是采取LNG水路運輸或陸路運輸，從任何一個出發(fā)地到任何一個目的地的轉(zhuǎn)運成本和所轉(zhuǎn)運的數(shù)量均近似為線性比例關(guān)系，因此滿足運輸問題模型的成本假設(shè)條件。需要補充說明的是：

（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，則需要額外考慮運輸品原材料（管道氣/進口LNG）的價格差異因素，超出了運輸模型的研究范圍。未來可以考慮以LNG液化廠出廠價格與沿海LNG接收站出站價格的平均差異消減運費參數(shù)，從而進一步完善模型；甚至可以通過區(qū)分市場淡旺季價差，分季節(jié)代入不同的參數(shù)，從而進一步提高運輸模型的準確性。

2 轉(zhuǎn)運的供應(yīng)與需求分析

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)能進行評估，總計每年需供應(yīng)LNG 525×104t。

在需求端方面，將長江中下游沿岸LNG消費需求分為船用需求、車用需求和調(diào)峰需求三個主要類別。

（1）船用需求。以長江水系貨運船舶規(guī)模及年均燃油消耗的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行測算，適當考慮客船、拖船等燃油消耗（按總?cè)加拖牡?0%計算），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)動機的替代進程較為緩慢，預(yù)計2035年船用 LNG發(fā)動機替代率為 16%～20%。從船用LNG發(fā)動機的燃料替代策略分析，LNG-柴油雙燃料動力船的LNG用量占比為60%～70%，本次研究取65%；LNG單燃料動力船LNG用量為88%～95%，其余為引燃用油，考慮到發(fā)動機引燃技術(shù)的改進空間，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)運計劃可覆蓋水域（黃石港及其下游）的需求量為132×104t。最后根據(jù)船運貨物總量分布特點匹配船用燃料需求分布特點，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分為蘇南五市、皖南八市以及武漢地區(qū)，基于各省統(tǒng)計年鑒關(guān)于營運車輛保有量的數(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)劃指標以及車輛用氣指標，計算得到車用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燃氣調(diào)峰的用量，按照蘇南五市、皖南八市GDP規(guī)模加權(quán)，測得燃氣調(diào)峰需求量。

綜合考慮LNG中轉(zhuǎn)站的達產(chǎn)周期，以2030年為準列出LNG供應(yīng)與需求分布（見表1、表2）。

表1 LNG轉(zhuǎn)運模型的需求分布匯總 單位：104 t

表2 LNG轉(zhuǎn)運模型的供應(yīng)分布匯總 單位：104 t

3 綜合轉(zhuǎn)運成本的分析

綜合轉(zhuǎn)運成本分析的假設(shè)條件包括：

（1）LNG運輸無論是水路還是陸路，嚴格講都是離散的（即以LNG車、船的容量為單位運輸），為簡化運算，假定為連續(xù)運輸，且運輸成本和運輸量為線性關(guān)系。同時為了彌補潛在的線性偏差，根據(jù)水深條件分段給定水運單價，根據(jù)道路遠近分階梯給定陸運單價。

（2）假定運輸路徑上，運力不受限制，僅考慮產(chǎn)地、中轉(zhuǎn)站的裝船裝車能力（即只要能裝即可運走）。

（3）以三個 LNG接收站為出發(fā)點，設(shè)定運輸方向為單向，不考慮從LNG接收站直接陸運供應(yīng)的情景（如：如東—太倉陸路直接運輸）。

（4）在線性規(guī)劃模型中，運輸單價整體水平的波動對運力分配結(jié)果無影響，不同線路之間的運輸單價差異水平波動才會影響運力分配結(jié)果，本次模型研究運費設(shè)置主要參考了2018年物流行情，與現(xiàn)有運費水平難免存在偏差，考慮到物流市場是高度聯(lián)動市場，上述不同時點的差異可視為整體水平的波動，不影響運力分配決策。

基于上述假設(shè)條件，以下將分析各項轉(zhuǎn)運成本。

3.1 陸路運輸成本分析

按照百公里以上運費 1.0元/（t·km），百公里以內(nèi)運費1.5元/（t·km）保守估計三個中轉(zhuǎn)站到各個銷地的公路運距、運費（見表3）。

表3 三個中轉(zhuǎn)站到各個銷地的公路運費表 單位：元/t

3.2 水路運輸成本分析

為了分段定量分析長江水路LNG運輸成本，選擇重慶市下游 28個沿江城市主要港口作為分段節(jié)點，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運輸船運輸成本測算倉容 1×104m3的LNG運輸船在安慶至南京航段的運輸成本；綜合水深通行條件對運輸成本的加權(quán)（20%～30%），可以測算得出兩點間（取最小通行條件船型）的運輸成本，詳見55頁表4。

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3.3 水陸中轉(zhuǎn)成本分析

中轉(zhuǎn)成本主要指轉(zhuǎn)運站本身的轉(zhuǎn)運成本，以鎮(zhèn)江轉(zhuǎn)運站為例，根據(jù)項目投資概算，按照所得稅后財務(wù)內(nèi)部收益率約等于 9%[4]的目標，倒算對應(yīng)中轉(zhuǎn)差價為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儲罐標準的中小型接收中轉(zhuǎn)站作為標準站（如鎮(zhèn)江LNG中轉(zhuǎn)站），按照項目投資回收與運營成本分攤的模型測算單位中轉(zhuǎn)成本。該成本可作為固定成本計入中轉(zhuǎn)站至銷地的運輸成本之上，形成綜合轉(zhuǎn)運成本。

4 基于運輸問題模型的轉(zhuǎn)運決策

4.1 數(shù)學(xué)模型的建模過程及模型描述

運輸模型采用的是一種線性規(guī)劃迭代方法，對“位置”和“能力”兩個變量進行多種組合，在每—種組合下分別求解目標函數(shù)，從而尋求最優(yōu)的運輸方式和最佳位置[5][6]。一般運輸模型建立如下，假定A1、A2…Am表示某物資的m個產(chǎn)地；B1、B2…Bn表示某物質(zhì)的n個銷地，目標函數(shù)為[7]：

式（1）中：f——運輸成本；cij——從產(chǎn)地Ai運往銷地Bj的單位運價；xij——從產(chǎn)地Ai運往銷地Bj的運輸量。

式（2）中：si——產(chǎn)地Ai的產(chǎn)量；式（3）中：dj——銷地Bj的銷量。

一般運輸模型的變化包括以下幾個方面：

（1）目標函數(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）當某些運輸線路上的能力有限制時，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，可加入假想的產(chǎn)地（銷大于產(chǎn)時）或銷地（產(chǎn)大于銷時）[8]；

（4）原運輸問題上增加若干轉(zhuǎn)運站。運輸方式有：產(chǎn)地—轉(zhuǎn)運站、轉(zhuǎn)運站—銷地、產(chǎn)地—產(chǎn)地、產(chǎn)地—銷地、銷地—轉(zhuǎn)運站、銷地—產(chǎn)地等[9]。

根據(jù)第2章至第3章的評估結(jié)果，梳理匯總運輸模型參數(shù)設(shè)計如表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、銷地運輸模型參數(shù)匯總

4.2 模型求解及轉(zhuǎn)運決策應(yīng)用

4.2.1 計算工具的選擇與配置

（1）制定目標函數(shù) SUMPRODUCT（運價表、運量單元格）：運價表單元格區(qū)域即根據(jù)第3章成本分析得出的產(chǎn)銷平衡與運價表中的運價矩陣；運量單元格區(qū)域作為可變單元格；SUMPRODUCT（運價表、運量單元格）的值即為總運輸成本。

（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）求解并生成運算成果報告。

4.2.2 計算結(jié)果與驗證

初步求解結(jié)論，運輸成本最低為33.75×108元：

（1）產(chǎn)地累計向中轉(zhuǎn)地供應(yīng)LNG 345×104t，經(jīng)驗證分配原則符合低價優(yōu)先（見表6）。

表6 產(chǎn)地—中轉(zhuǎn)地運量測算結(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運輸船，沿岸港口可由產(chǎn)地直供，經(jīng)驗證分配原則符合低價優(yōu)先，直供總量72×104t（見表7）。

表7 產(chǎn)地—上游港口運量測算結(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)驗證分配原則符合低價優(yōu)先（見表8）。

表8 中轉(zhuǎn)地—城市運量測算結(jié)果（初步） 單位：104 t

4.3 敏感性分析及轉(zhuǎn)運決策優(yōu)化

4.3.1 經(jīng)驗證發(fā)現(xiàn)模型求解結(jié)果存在不足

運用數(shù)學(xué)模型求得的結(jié)果必須要與實際結(jié)合分析，避免出現(xiàn)與實際不符情況。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)地直供運量（見表9）。

表9 LNG供給地—六安、安慶運量 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)站在達到約束限制值后，陰影價格為 0，允許的增量極小，允許的減量極大，成為限制運輸成本降低的關(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)實中各接收站、中轉(zhuǎn)站的設(shè)計產(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個城市，14個港口，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個港口銷地（揚州港、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個城市，9個港口，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（運費設(shè)置為9 999元/t）銷地”的高成本線路。

六安的最優(yōu)運輸成本線路為“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)先配置完運量后，剩余六安、安慶只能通過M級的運輸線路配置運量，符合目標函數(shù)最小化原則。

經(jīng)計算，二者通過M級運輸線路配置的運量總計為15.11×104t，正好與中轉(zhuǎn)能力缺口相等。

4.3.3 轉(zhuǎn)運決策優(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)計中轉(zhuǎn)能力、釋放最敏感的約束條件，實現(xiàn)運輸成本的進一步降低。

將蕪湖中轉(zhuǎn)站設(shè)計提高至170×104t后，系統(tǒng)不再向M級的運輸線路配置運量，同時運輸成本總額顯著下降，為19.6×108元。修正后求解對應(yīng)的運量分配見表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)銷均衡與價格表、運量分配表基礎(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，遠高于運輸成本總額節(jié)省的收益，因此在蕪湖中轉(zhuǎn)站增加中轉(zhuǎn)能力并填補長江 LNG轉(zhuǎn)運體系的中轉(zhuǎn)能力缺口后，沒有必要進一步增加中轉(zhuǎn)能力。

4.4 決策過程的創(chuàng)新特點與結(jié)論

上述研究的主要特點包括以下幾個方面：

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）的達產(chǎn)周期，以 2030年為目標節(jié)點，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)濟性評價財務(wù)模型，基于一定的投資回報率來推算中轉(zhuǎn)站的綜合加工費；對于水路運輸成本，根據(jù)航線水深限制的最大船型，推算出了運輸單價。

三是基于敏感性分析，對初步運算結(jié)果進行了修正，一定程度上降低了運輸模型線性規(guī)劃的局限性。

基于當前國家關(guān)于“氣化長江”的相關(guān)戰(zhàn)略布局尚處于起步階段，尚無研究機構(gòu)、企業(yè)或個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)新點主要體現(xiàn)在首次將運籌學(xué)理論應(yīng)用在新產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，運用運輸模型求解LNG在長江流域的轉(zhuǎn)運線路規(guī)劃問題，并結(jié)合產(chǎn)業(yè)實際情況進行分析與修正，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)運體系可以通過運輸模型進行優(yōu)化，運輸線路的運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)地與銷地之間的運力配置均可求解。

運營過程中的總體運輸成本約為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)運體系的效率具有重要影響，可以通過對運輸模型約束條件進行敏感性分析，結(jié)合參數(shù)背后的現(xiàn)實意義，對投資配置與運營管理工作進行優(yōu)化。

長江中下游地區(qū)LNG的供需平衡，對LNG轉(zhuǎn)運體系具有本質(zhì)影響，應(yīng)該在現(xiàn)實管理工作中持續(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)運體系的運籌學(xué)運輸模型。