天然气市场调节研究进展范文

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摘要：合理规划天然气供给系统是天然气市场调节的重要组成部分，有利于推动天然气行业供给侧改革，实现天然气产业可持续发展。天然气供给系统与天然气价格及需求紧密相关，通过对国内外相关研究成果进行调研，总结了全球范围内天然气价格波动的长期及短期影响因素，归纳了天然气需求量波动影响因素及预测方法。详述了近年来天然气市场多主体分析的主要研究成果，并依据输入参数类型梳理了国内外天然气供给链系统规划模型的最新进展。最后结合天然气市场调节系列问题的研究现状，提出了从供给侧出发的天然气市场调节思路，以期对中国天然气市场有效调节提供借鉴。

关键词：天然气；供给侧；市场调节；供给链规划

继石油和煤炭之后，天然气以其优质、高效、清洁、易于储存和运输等优势成为全球第三大能源，占全球能源消费量的24.1%[1]。中国天然气行业不断发展和完善，市场化进程不断加快，但与发达国家相比仍处于初级阶段。一方面，中国自然资源禀赋和经济增长存在区域不平衡，导致天然气区域供需不匹配。其次，存在进口价格波动和地缘政治动荡等外部因素，使得天然气供应存在不确定性，影响天然气出口国对中国的跨国供应[2]。另外，中国现行的天然气定价机制缺乏能源供需公平，既无法刺激中上游生产及供应，也不利于调节下游消费，制约了中国天然气产业的良性发展[3]。近年来，中国政府出台了一系列鼓励天然气供应扩张的政策，包括全国天然气价格市场化改革方案，以发挥价格在资源配置中的基础作用，增加天然气在中国能源供应结构中的比例[4-5]。但由于改革时间进程较短，部分环节处于试点或萌芽阶段，价格扭曲现象仍然存在，深度与力度有待提升[3，6]。中国能源供给侧结构性改革战略为天然气行业发展提供了导向意义[7]。如何有效从供给侧出发调节天然气供需矛盾，对形成供需相互作用驱动的市场机制十分重要[8]。由于天然气供给链系统受天然气上、中、下游的影响和支配，同天然气价格和需求波动存在紧密联系。价格与市场供求存在复杂的耦合关系，一般而言价格调节市场供求平衡关系，而供求关系反作用于价格。在此首先归纳了天然气价格及需求量波动的影响因素，总结了现有天然气需求量预测方法，随后对国内外近年来天然气市场分析方法和天然气供给链规划问题的主要研究成果进行梳理，从供给侧出发为中国天然气市场调节提供了思路。

1天然气价格影响因素

准确掌握价格波动的基本特征及其影响机制，对保障天然气供应安全和供给链系统规划具有重要意义。目前，全球天然气贸易市场主要分为北美、欧洲及亚太三大区域市场[4]，由于其市场成熟度、价格机制、资源禀赋及进口来源有所不同，导致对应的价格波动特征也存在不同[9]。但一般而言，天然气价格受代替能源价格、天气、市场供需不均衡、偶然冲击等因素的影响，可从长期角度和短期角度两方面分析。

1.1长期影响因素

代替能源价格水平对天然气价格具有长期影响。通过对欧洲[10-11]，北美[12-13]市场的研究，很多学者证明了原油价格与天然气价格存在长期平衡关系。Brigida[14]通过将协整向量变化纳入协整方程估计中，根据一阶马尔可夫过程准确捕捉了天然气和原油价格间的协整关系。Saltik等[15]采用了多种类型的广义自回归条件异方差模型（GeneralizedAutoRegressiveConditionalHeteroskedasticity，GARCH），对油价和天然气的现货市场价格收益波动进行分析。Caporin等[16]表明在页岩气革命的影响下，油价对天然气价格的影响已经翻倍，然而是否已经形成了新的油气长期关系仍有待探索。除原油外，其他能源载体对天然气价格也会产生一定影响。Wiser等[17]提出增加可再生能源部署将会减少天然气需求，从而对天然气价格造成下行压力。Nick等[18]基于结构向量自回归模型（StructuralVectorAutoregressive，VAR）对德国天然气市场进行分析，提出天然气长期发展与煤炭价格紧密相关。天然气和电能分别通过独立的网络系统交付给终端用户，然而其内在能源属性和相互依赖特性影响着定价。Amirnekooei等[19]针对天然气-电力统一系统，基于内点法综合考虑多种技术经济约束，求解并分析天然气和电的最优节点边际价格。

1.2短期影响因素

天然气价格短期动态变化与外在因素有关，如天气、供需关系波动、偶然冲击等。许多学者提出天气是影响天然气短期价格的主要因素[18，20-22]。天然气作为主要的供暖来源，其消耗量具有明显的季节性特征。居民和商业用户的需求主要取决于温度，因此冬季天然气消耗量较高，而春夏相对较少，使天然气价格形成一个深刻的季节性模式。天然气市场还面临着供需两方面的周期性冲击，造成天然气价格扭曲[23-24]。当现有管道输送能力及峰值负荷处理能力与日益增长的天然气消费量不匹配时，将限制区域间天然气输送量，从而对天然气价格产生一定影响。Brown等[25]从管道供给能力角度出发，通过因果检验对北美天然气市场有限套利的定价效应进行研究。Avalos等[26]基于区域市场一体化假说，利用美国佛罗里达州和南加利福尼亚州的管道日输量及管容数据，分析了产能约束对天然气价格的影响。另外，储气能力也是一个不可忽略的因素[9]。由于气源较难实现供需灵活匹配，多采用储气设施实现季节调峰。当储量低于季节性标准，天然气价格将被抬高，反之将会压低价格。例如，2017年冬季，中国大规模“煤改气”工程导致天然气需求上涨，国际天然气供应不足，以及国内储气设施建设滞后等供需失衡致因因素导致中国北方出现大规模气荒，液化天然气价格出现剧烈波动。偶然冲击不可避免地会对天然气价格产生显著影响，如极端天气[27]、供应中断[18]。当气源灵活度较低且需求量相对缺乏弹性时，中断供应将导致天然气价格迅速上升。例如，2011年日本福岛核泄漏事故导致日本大量进口液化天然气用于发电，亚洲的LNG价格出现大幅上涨。2017年12月奥地利天然气枢纽站爆炸导致意大利、斯洛文尼亚、匈牙利供气中断，欧洲的油气商品价格激增。

2天然气需求量预测

价格、供给及需求之间存在复杂的耦合关系，对天然气需求情况进行预测是天然气市场调节及供给链规划的基础环节。按照预测时间周期的长短，可将天然气需求量预测分为中长期预测和短期预测。中长期需求量预测对国家能源政策的制定及规划具有重要意义，用于辅助天然气进口、基础设施建设、天然气网络扩张、关税设计等方面的决策。尤其对于大型跨国管道而言，在建设初期需要大量投资，通常基于随后若干年天然气需求预测来确定合同的签署和管道的规划设计。短期天然气需求量预测为天然气供给链系统规划提供依据，有利于实现天然气管网的优化调度及维护，有效应对突发事件，保障天然气供应安全。

2.1影响因素

天然气需求量波动依赖于各种外部因素，如经济、人口、天气、时间等，这些因素在不同程度上影响特定群体的消费。对于居民用户，天气对用气量增长影响最大；对于工业用户，天然气价格和国民收入水平影响最为显著。应根据被预测地区类型、消费群体类型及时间类型，考虑合适的因素，对国家、城市或局部地区进行长期或短期需求量预测。

2.2预测模型

准确性是评价预测方法优劣的重要指标，预测偏差过大将会导致市场供需不平衡，产生重大经济损失。需根据数据模式的长度和特征（线性或非线性），输入变量的范围和所需的精度，选择合适的建模方法。目前，预测方法大致可以分为3类，时间序列分析、灰色系统理论及智能算法。时间序列分析被广泛用于能源预测，该方法基于随机过程理论和数理统计方法。当数据间关联未知时，可通过对相同变量的观测，建立反映序列中所包含的动态依存关系的数学模型[28]。Boroojeni等[29]针对电力系统，提出一种以时间序列形式对历史负荷数据进行建模的通用技术，给定不同类型的时间周期（每天、每周、每季度、每年）均能实现短期到中期的需求预测。Shaikh等[30]基于计量经济学、人口统计学及统计理论原理，开发了logistic和logistic人口模型，能够实现对中国中长期天然气消费量的预测。灰色系统理论能够使不确定因素和小样本信息得以量化，因此可用于构建预测及决策模型。Shaikh等[31]利用灰色费尔哈斯特模型和非线性灰色伯努利模型构建了中国天然气消费量预测模型，并评估了中国现有天然气供应和预计天然气供应、液化天然气和管道天然气进口能力，对供求关系和进口趋势的预测有一定借鉴意义。智能算法由于能解决非线性决策问题而被广泛应用于天然气需求量预测，如人工神经网络[32]，遗传算法[33]等。Panapakidis等[34]结合小波变换、遗传算法、自适应神经模糊推理系统及前馈神经网络建立需求量预测通用模型，可应用于国家天然气网络的所有分配点，利用历史天然气消费量估计每个分配点的次日需求量。Karadede等[35]基于线性回归，提出采用耦合改进遗传和模拟退火的混合算法预测。

3天然气市场分析

天然气市场由多个主体构成，生产商、运输商、贮存商、销售商以及终端消费者在其中扮演不同角色，存在不同利益诉求[36-37]。根据区域覆盖差异，可从企业、地区、国家乃至全球视角对天然气市场进行多主体建模，探究天然气网络市场中的相互作用机制，实现市场均衡分析或政策分析，如个别市场参与者的市场能力分析、产能对价格的影响、区域和季节性的价格差异等。通过天然气市场的深入分析，能够在宏观角度为供给链规划提供指导。许多学者基于博弈论阐述天然气网络中各主体间的竞争合作关系，从而进行天然气市场均衡分析。Lise等[38]基于递归-动态表达式，提出计算博弈理论模型，对欧洲2005—2030年间天然气市场需求、供应、管道和液化天然气运输、储存和投资之间的相互作用进行求解。考虑天然气生产商的战略行为对未来天然气价格和市场投资的影响，Holz等[39]基于上游市场与下游市场的两阶段博弈，建立欧洲天然气供应模型。Egging等[40]建立综合互补优化模型，求解欧洲天然气系统市场均衡价格，基于卡罗需-库恩-塔克条件和市场出清条件模拟天然气供给链中生产方、交易员、管道和存储运营商、LNG液化及再气化方的经济行为，借助合适的成本函数、总需求曲线及事后计算方法分别对LNG油轮、销售人员及终端用户进行建模。随后，Egging等[41-42]针对全球天然气市场，建立多周期全球天然气互补模型，该模型考虑了天然气输送管道及存储能力的内生性投资、液化及再气化能力的发展、生产能力及需求量的增长、价格和成本随时间的增加。之后，Egging等[43]对全球天然气模型进行改进，增加了跨国天然气管道和LNG长期合同约束。Gabriel等[37]针对北美天然气市场，建立包含生产商、贮存及调峰运营者、第三方营销者以及终端用户的线性互补均衡模型，其中营销者遵循古诺-纳什均衡，其余参与者则符合完全市场竞争模式。另外，还有许多学者利用可计算一般均衡模型（ComputableGeneralEquilibrium，CGE）对天然气市场进行政策分析，通过建立市场各主体的数量联系进行扰动分析。Zhang等[44]采用CGE和社会核算矩阵，分析了天然气价格变化对中国居民及国家总体经济的影响。He和Lin[45]采用静态CGE模型，对不完全竞争市场下中国政府对天然气价格的控制行为进行探究，模拟了政策变化对碳排放、供给侧及需求侧经济效益的影响。Orlov[46]基于CGE分析了取消天然气消费暗补所带来的分配效应。

4天然气供给链规划

天然气系统拥有庞大而复杂的供给链，各个环节紧密衔接。上游开发和生产天然气资源，或通过国际贸易以管道进口天然气、以船运进口液化天然气，中游环节包括运输、存储、液化、气化等，最终输送到下游目标市场进行产品销售[47]。按照天然气供给链规划模型输入参数的类型，可将已有的研究成果分为确定性规划和不确定性规划。

4.1确定性规划

针对天然气勘探及开发规划问题，Calderón等[48]考虑融资方式的不同，为页岩气资源开发规划问题建立混合整数线性规划模型（mixedintegerlinearprogramming，MILP），能够对钻探计划、水和天然气的运输及处理进行规划。运输及储存系统是天然气供给链不可缺少的组成部分。Maryam等[49]以整个天然气供给链系统的运行费用最小为目标函数，考虑体积、供需平衡、流量平衡等约束建立了MILP模型。Üster等[50]针对多周期天然气管网系统规划问题（新建或扩张），建立大规模混合整数非线性规划模型（mixedintegernonlinearprogramming，MINLP），能够求得管道及站场的相应设计参数及最优建设时间安排。Wang等[51]进一步考虑地形因素，建立多周期天然气管网规划MILP模型。

4.2不确定性规划

影响天然气供给链的很多因素都存在内在不确定性[52-53]，如供给量、需求量及价格的不确定性。价格的不确定性包括国内气田生产、LNG进口、管道进口、管道运输以及储存等价格。针对价格波动问题，Zhang等[2]以最低供应价格为目标，建立长期多区域动态优化模型，考虑供给及输送能力约束，分析供应价格对国内天然气供给链及基础设施发展的影响。Uggen等[54]基于投资组合视角，建立多级随机MILP模型，求解液化天然气市场战略规划问题。Chebeir等[55]提出两阶段随机规划模型，用于优化页岩气供给链网络，其中采用二项期权定价生成场景树以处理产品价格的不确定性。Waldemarsson等[56]建立MILP模型，分析能源价格对能源密集型企业的生产和供给链规划产生的影响。针对供需波动问题，Fodstad[57]建立随机混合整数二次规划模型（mixedintegerquadraticprogramming，MIQP），分析天然气消耗量对管道建设投资的影响。Dieckhöner等[58]建立欧洲天然气基础设施和分配模型，基于场景分析识别特定位置的边际供应成本和输气管网中的拥挤情况，考虑了需求量变化、管道建设及LNG供过于求等场景。Behrooz等[59]耦合天然气输送网络动态模拟器与随机优化框架，考虑未来需求不确定，对天然气管网系统进行策略规划，其中采用了无迹变换处理不确定性传播。Mitsuo[60]考虑了需求量的季节变化以及不同运输方式和价格，以LNG供给链系统利益最大为目标函数建立优化模型。Santibanez-Gonzalez[61]将定价政策引入二氧化碳捕集、运输及封存的供给链网络设计中，以投资和建设成本最小为目标函数，考虑储层不确定性，建立两阶段随机MILP模型。表示随机性的一种常见方法是将未来可能发生的事件数量限制为由场景表征的有限事件集。场景数目过多会导致模型规模较大，求解困难。Gabriela等[62]提出一个启发式的场景减少方法，可对广泛形式的随机市场模型进行求解，能够有效减少计算量。

5结论和展望

价格、供给及需求之间存在复杂的耦合关系，通过对价格与需求波动的预测，以及对天然气市场的宏观分析，可实现天然气供给链规划，从而基于供给侧实现对天然气市场的调节，缓解供需不均问题。市场分析是天然气市场调节的基础和关键环节，通过多主体建模可实现市场均衡或政策分析，探究天然气网络市场中的相互作用机制。一方面，根据区域覆盖差异能够对国家、地区或企业的现行市场政策进行宏观分析，从而实现政策定性及定量评价。另一方面，根据市场分析结果可反向提出政策指导建议，调节现行政策，从而在市场层面调节价格与供需关系，缓解供需矛盾。在确定合理宏观政策的基础上，可通过数学规划方法进行天然气供给链规划建模。考虑价格及供需等不确定条件可使模型接近现实情况，从而对天然气供给链的勘探、开发、储运、交易等各环节进行整体或局部针对性规划，从供给侧出发实现对天然气市场的调节。

作者：袁梦1;梁永图1;王博弘1;张浩然1;王博2;赫曼求3;王艺1 单位：1.中国石油大学（北京）城市油气输配技术北京重点实验室，2.中国石油天然气集团有限公司规划计划部，3.中国寰球工程有限公司北京分公司