核动力集装箱船经济性分析

周盛，刘六井，洪金华

（1武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉430063; 2．武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430063）

0 引言

目前，国际石油供应紧张，油价高速增长，而我国是贫油国家，国内燃油无法满足经济发展的需求，石油对外依存度高达55%。我国远洋船舶运输动力主要以燃油为主，油价的上涨增加了船舶航运成本。与此同时，随着国际组织对航运业减排要求的提高，普通燃油商船面临严峻考验，亟需可替代能源去适应时代发展的需求。

核动力船舶是绿色船舶，具有无温室气体排放的显著优点。相比普通燃油商船，核动力商船的建造和运行需要消耗巨额资金。因此，分析和比较核动力商船与普通燃油商船的运行成本具有十分重要的意义。本文以9200TEU集装箱船为目标船型，针对普通燃油集装箱船和核动力集装箱船，在全寿期内对其运行费用进行分析和比较，为核动力集装箱船的实际应用提供基础。

1 商船运行费用分析

1．1 目标船型

核动力商船可应用的船型主要包括集装箱船和油船等大型运输船舶。本文以9200TEU集装箱船为目标船型，寿期25年，相关运行参数见表1［1］。

假设该集装箱船挂靠东南亚港口，进行跨太平洋航线定期服务，每航次在海上航行30天，挂靠港口12天，每年完成8．7个航次，船舶以经济航速22．5 kn运行，海上航行每天油耗约为180 t，在港口每天消耗4 t［2］。

1．2 运行费用主要构成

商船运行费用分析研究对象为普通燃油集装箱船与核动力集装箱船。商船运行费用主要分为3类:

1）建造投资费用。主要包括船舶动力装置与船体投资费用，其中商船建造投资费用应含有银行利息。同时商船拆卸回收费用需扣除。对于核动力商船，退役费用应包含在内。

2）燃料费用。对于普通商船，燃料费用为重油燃烧的费用，核动力商船燃料费用为核燃料燃烧的费用，其中核燃料的富集度为16．5%，核燃料的成本计算不包含核燃料的后处理费用。

3）运行与管理费用。运行与管理费用包含人员管理费用、维护保养、润料费、港口使用费等，主要以人员管理费用和维修保养费用为主。此外，核动力商船运行与管理费用还包括换料费。

全寿期运行费用为建造投资费用（含利息）、燃料成本费用和运行管理费用之和。

1．3 影响因素

商船的运行费用应为全寿期的运行费用。由于国际能源供应形势的变化，油价被认为是商船运行费用中变化幅度最大的因素。因此，在全寿期内，鉴于油价的不确定性，普通商船与核动力商船运行费用之间的比较，通常假定油价固定不变。除此之外，商船建造投资的银行利息会提高商船的运行费用;核燃料价格与商船的运行管理费用的波动同样也会对商船运行费用产生影响。这些影响商船运行费用的因素，文章中都做了相应假设。

2 全寿期运行费用估算［3］

2．1 建造投资费用

1）船舶动力装置投资费用

普通商船主机约占船舶总造价的16%［4］，其中大型集装箱船主机所占比例更低。普通燃油集装箱船动力推进装置及相关设备价格约为1 500万美元。

核动力集装箱船核动力装置投资按每kW投资费用计算，根据相关资料［5］，集装箱船核动力装置投资每kW约为2 500美元。因此，功率为61．7MW的集装箱船核动力装置投资费用约为15 425万美元。

2）船体建造费用

普通集装箱船与核动力集装箱船船体结构有所不同，但其投资费用相差较小，假定船体建造费用都约为9 000万美元［6］。

3）银行利息费用

船舶动力装置与船体建造费用之和为设备总投资额。银行利息按5%进行计算，且假定10年内偿还所有债务。所需支付的利息如表2所示。

4）拆卸回收费。拆卸回收费是指船舶退役后，拆卸该船所得收益。燃油集装箱船拆卸回收费用为1 000万美元［7］，核动力集装箱船为2 000万美元［8］。

5）退役费用。燃油集装箱船无退役费用，核动力集装箱船退役费用约为4 500万美元［9］。

综上所述，燃油集装箱船与核动力集装箱船建造投资成本计算表如表3所示。

2．2 燃料费用

2.2.1 普通燃油集装箱船燃料费用

油价:假定集装箱船全寿期内燃油价格为480美元/t，即80美元/桶。

耗油量:该船每航次在海上航行30天，挂靠港口12天，每年完成8．7次航次，海上航行每天油耗约为180 t，在港口每天消耗4 t。每年耗油量为4．74万t。

燃油成本:每年燃油成本约为2 150万美元，全寿期内燃油成本约为5．374 5亿美元。

2.2.2 核动力集装箱船核燃料费用

1）核燃料价格

核燃料价格主要包括核燃料循环的前端和后端，核燃料循环的前端主要是核燃料组件的生产，核燃料循环的后端主要是乏燃料的后处理。核燃料组件的生产包括原料购置，转换，浓缩，元件制造4个阶段。本文的核燃料价格不考虑乏燃料后处理。

1 kg富集度为16．5%的核燃料需消耗约39 kg天然铀，分离功约为30SWU［10］。天然铀单价以50美元/磅计算［11］，元件制造费400美元/kg［12］，转换费3．2美元/kg，分离功费110美元/kg［13］。经计算，1 kg富集度为16．5%的核燃料单价为8 086美元。

2）核燃料消耗量

核燃料消耗量主要与压水堆的输出功率，铀燃耗深度，热效率以及运行的天数有关，计算公式和详细过程可参见文献［14］。

在已建造的核动力商船中，核燃料燃耗深度约为7 000 MWd/t［15］，核燃料的富集度约为4%左右，如陆奥3．99%，萨瓦纳4．4%，奥拓汉4．03%［16］。其中，奥拓汉最大输出轴功率为8 MW，堆芯寿期500满功率天，装料量约为2．98 t［16］。

根据目前可应用于船舶的压水堆技术水平，铀浓度约为16．5%，燃耗为95 GWd/t［17］。核动力集装箱船推进功率为61．7 MW，铀浓度约为16．5%，热效率为25%。换料周期为5年。普通燃油船舶每年满功率运行天数为300天，核动力装置燃料的填装量应考虑核燃料功率的持续性，应假定每年满功率运行365天，同时在设计中还需留有一定的裕量，经计算，集装箱船核动力装置换料量约为4．7 t。

3）核燃料成本

每5年核燃料成本约为4 023．9万美元，全寿期25年内核燃料成本约为1．9亿美元。

综上所述，全寿期核动力集装箱船与普通燃油集装箱船燃料费用计算如表4所示。

2．3 运行与管理费用

2.3.1 燃油集装箱船运行与管理费用

人员工资:若燃油集装箱船约有20名船员，平均每人每年2．143万美元（约合15万人民币）［18］，每年该船人员总工资42．85万美元，全寿期内人员工资1 285万美元。

维修费用:普通远洋船舶维修费用占船舶固定费用（不含燃油费用）15%［19］，大型集装箱船维修费用占船舶固定费用应较低，则全寿期维修费用约为2 200万美元。

润料费:燃油远洋船舶润料费约为燃料费的5%左右［20］，越大功率的船比例越小。大型集装箱船润料费所占比例应较低，全寿期燃油集装箱船润料费约为1 000万美元。

其他费用:通常包括各种零星的船舶费用，如淡水供应、航行工具费用、海图及邮电费用等，大约占总成本的2%～5%［20］。全寿期其他费用估计2 500万美元

2.3.2 核动力集装箱船运行与管理费用

人员管理费用:若核动力集装箱船约有25名船员，平均每人每年2．857万美元（约合20万人民币），每年该船人员总工资71．43万美元，全寿期内人员工资2 142万美元。

换料费用:核动力船每5年更换1次核燃料，每次更换大约需600万美元，持续时间为35～40天［7，21］。全寿期内换料费约3 000万美元。

维修费用:核动力集装箱船的维修费用应包括船体维修和核动力装置维修。船体维修假定与普通燃油集装箱船维修费用相同，核电站大维修费用比例为1．35%［22］，核动力装置维修费用比例应较高，全寿期维修费用约为2 700万美元。

润料费:核动力集装箱船采用核动力装置和汽轮机推进，润滑油的使用很少，润料费可忽略不计。

其他费用:与普通燃油集装箱船相同，全寿期其他费用估计2 500万美元

综上所述，核动力集装箱船与普通燃油集装箱船运行与管理费用计算如表5所示。

2．4 全寿期运行费用计算

全寿期运行费用为全寿期建造总投资（含利息）、全寿期燃料费和全寿期运行管理费用之和。综上所述，全寿期燃油集装箱船与核动力集装箱船运行费用计算如表6所示。

3 全寿期运行费用经济性分析

根据上述计算，将核动力集装箱船与燃油集装箱船全寿期运行费用绘制成柱状图，如图1所示。

根据核动力集装箱船与燃油集装箱船全寿期运行费用数据表，可以得出以下结论:

图1 核动力集装箱船与燃油集装箱船全寿期经济性比较Fig．1Nuclear power container ship and fuel container ship's lifecycle economic analysis diagram

1）由图中可以看出，在全寿期内，核动力集装箱船相比燃油集装箱船具有较好的经济性。

2）核动力集装箱船建造总投资（含利息）费用约为普通燃油集装箱船建造总投资（含利息）费用的2．716倍。其中核动力集装箱船的新建投资约占总运行费用的60%。

3）普通燃油集装箱船全寿期燃料成本费用比核动力集装箱船全寿期燃料成本费用大，且燃料费用比例会随油价的变化而剧烈变化。普通燃油集装箱船燃油成本占总成本的比例超过70%，若油价上涨30%，可导致总成本上涨超过20%。

4）核动力集装箱船全寿期运行与管理费用比普通燃油集装箱船运行与管理费用大，同时，商船的运行与管理费用对全寿期内的总运行成本不产生大的影响。

5）当油价高于367美元/t时，核动力集装箱船25年全寿期内的总运行成本低于传统燃油集装箱船的总运行成本，具有较好的经济性。

4 结语

本文通过对富集度为16．5%的核动力集装箱船与普通燃油集装箱船全寿期内运行成本费用进行分析得出:当油价高于367美元/t时，核动力集装箱船船25年全寿期内的总运行成本低于传统集装箱船的总运行成本，具有较好的经济性。

此外，核动力船舶可以在实现船舶高速化的情况下，核燃料消耗几乎不变。相比之下，普通燃油船舶若航速增加，油耗将大幅上涨。由此可见，随着国际石油价格的飞涨，以及国际对节能减排要求的不断提高，核动力船舶具有不可比拟的优势。

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