我國天然氣消費的系統(tǒng)動力學預測與分析

摘 要

摘要：天然氣消費的影響因素眾多，而以前的預測模型大多只考慮到兩三個影響因素，預測結果難以達到準確。在總結前人研究成果的基礎上，建立了我國天然氣消費預測的系統(tǒng)動力學模型。
摘要：天然氣消費的影響因素眾多，而以前的預測模型大多只考慮到兩三個影響因素，預測結果難以達到準確。在總結前人研究成果的基礎上，建立了我國天然氣消費預測的系統(tǒng)動力學模型。該模型則對天然氣消費進行了行業(yè)劃分，綜合考慮了各行業(yè)天然氣消費的相關影響因素，從而能夠進行更有效的預測。預測結果顯示，我國未來天然氣消費量將迅速增長，2020年達到1830.0×108m3，2030年達到3027.4×108m3；并且消費結構也將發(fā)生巨大變化，主要體現(xiàn)為化工用氣、工業(yè)燃料用氣比例下降，發(fā)電用氣、第三產(chǎn)業(yè)用氣比例上升，而居民生活用氣比例先升后降。基于此，對我國未來天然氣工業(yè)的政策提出了建議：加強天然氣資源的勘探開發(fā)、加快天然氣基礎設施建設、加快天然氣技術創(chuàng)新步伐等。
關鍵詞：天然氣消費；化工用氣；發(fā)電用氣；工業(yè)燃料用氣；第三產(chǎn)業(yè)用氣；居民生活用氣；系統(tǒng)動力學
1 預測模型構建
天然氣消費是一個復雜的非線性系統(tǒng)，影響因素眾多。目前大多數(shù)以計量模型為基礎的預測方法只能考慮到兩到三方面的影響因素[1～6]。為了能夠更準確地預測我國天然氣消費量，本文采取系統(tǒng)動力學的方法，利用能夠考慮多因素的Vensim系統(tǒng)動力學軟件進行建模預測。在構建天然氣消費預測模型時，從國民經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)結構入手，將天然氣消費系統(tǒng)分為第一產(chǎn)業(yè)天然氣消費量、第二產(chǎn)業(yè)天然氣消費量、第三產(chǎn)業(yè)天然氣消費量以及居民生活天然氣消費量4個子系統(tǒng)。同時，考慮到整個社會的經(jīng)濟發(fā)展水平以及人口數(shù)量對天然氣消費量的直接影響，將GDP和全國人口數(shù)量作為預測我國天然氣消費量的重要因素。我國天然氣消費的系統(tǒng)動力學預測模型如圖1所示。
 
2 基于模型的預測
2.1 天然氣消費現(xiàn)狀
    2003年以來，我國的天然氣消費年增長率都維持在15%以上，遠高于以前6.4%的平均水平。從年增長率的趨勢來看，我國天然氣消費仍將快速增長。
    在我國天然氣消費中，化工用氣的比例最高，1999年之前一直占消費總量的40%以上。近年來由于其他行業(yè)用氣量迅速上升，化工用氣比例有所下降，但仍維持在35%以上；工業(yè)燃料用氣的比例僅次于化工用氣，其比例近年來也有所下降，2007年為27.0%；天然氣發(fā)電用氣增長速度最快，但根據(jù)國家的天然氣利用政策，大規(guī)模發(fā)展天然氣發(fā)電的可能性不大，未來的發(fā)展速度會有所減緩；第三產(chǎn)業(yè)用氣和居民生活用氣隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，比例逐步提高。
2.2 天然氣消費預測
2.2.1主要影響因素預測
在所建立的系統(tǒng)動力學模型中，GDP與總人口數(shù)量是預測我國天然氣消費的重要因素。在進行各個子系統(tǒng)天然氣消費預測時，必須首先掌握這兩個因素的變化規(guī)律。根據(jù)國務院發(fā)展研究中心對我國經(jīng)濟增長前景的預測以及國家人口和計劃生育委員《國家人口發(fā)展戰(zhàn)略研究報告》的基本判斷，我國GDP的總量和未來全國總人口數(shù)量預測結果如圖2所示。為了便于計算和對比，GDP以2005年不變價格計算。
 

2.2.2子系統(tǒng)天然氣消費量預測
    為了能夠更加有效地進行預測，需要對圖1所示系統(tǒng)動力學模型中的相關變量進行必要的說明。
    1) 第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的天然氣消費量與我國固定資產(chǎn)投資密切相關。筆者根據(jù)固定資產(chǎn)價格指數(shù)，同樣以2005年不變價格研究我國1995～2007年各年固定資產(chǎn)投資與GDP之間的相互關系，根據(jù)GDP的增長趨勢確定未來的固定資產(chǎn)投資。另外，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)以及對我國未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景的判斷，假設未來我國固定資產(chǎn)投資中，第二產(chǎn)業(yè)比率為45%，第三產(chǎn)業(yè)比率為53%；在第二產(chǎn)業(yè)的固定資產(chǎn)投資中，化工行業(yè)固定資產(chǎn)投資占12%，電力行業(yè)固定資產(chǎn)投資占15%，工業(yè)燃料固定資產(chǎn)投資占73%。
    2) 化工產(chǎn)品單位耗氣量是基于天然氣化工產(chǎn)品的歷史產(chǎn)量以及相應的耗氣量得到的；工業(yè)燃料以及第三產(chǎn)業(yè)的耗氣系數(shù)則是基于各自固定資產(chǎn)投資歷史數(shù)據(jù)和相應的耗氣量得到的。
    3) 天然氣發(fā)電效率是根據(jù)單位天然氣能夠產(chǎn)生的熱值與產(chǎn)生單位電量所需要熱值之間的相互關系得到的。假設我國天然氣熱值為0.356×108J/m3，天然氣發(fā)電設備的能量轉換效率為50%，可以得到每立方米天然氣發(fā)電量為4.94kW·h。
    4) 在居民生活天然氣消費量子系統(tǒng)中，消費天然氣人口比例指的是消費天然氣人口占城市人口的比例。我國城市居民用氣主要包括人工煤氣、液化石油氣和天然氣。2007年消費天然氣人口的比例為17.2%。根據(jù)預測，這一比例在2020年將達到33.9%，2030年將達到39.5%。
    根據(jù)圖1建立的系統(tǒng)動力學模型，以2007年子系統(tǒng)所處狀態(tài)為預測初始狀態(tài)，將數(shù)據(jù)輸入Vensim系統(tǒng)動力學軟件后進行仿真預測，即可得到我國天然氣消費的預測值，預測結果如圖3所示。
 

3 預測結果分析
    根據(jù)預測結果，在2030年以前，我國天然氣消費量將以年均6.6%的增長率快速增長，2015年天然氣消費量為1285.7×108m3，約為2007年消費水平的2倍；2020年天然氣消費量為1830.0×108m3；2030年天然氣消費量為3027.4×108m3。由此可見，我國正處在天然氣消費利用的初級階段，天然氣消費有很大的上漲潛力。這與我國經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結構的調整以及環(huán)保意識的增強密切相關。
    目前我國天然氣消費主體為化工用氣與工業(yè)燃料用氣，發(fā)電用氣、第三產(chǎn)業(yè)用氣以及居民生活用氣的比例相對較小。隨著天然氣消費總量的增長，消費結構也將發(fā)生很大的變化，如圖4所示。
 

    第二產(chǎn)業(yè)仍是天然氣消費的主體，雖然在2010～2015年間由于居民生活用氣和第三產(chǎn)業(yè)用氣的迅速增長使其比例有所降低，但一直占消費總量的70%以上。預測顯示，天然氣化工用氣依然保持增長，2020年將達到488.9×108m3，2030年將達到689.4×108m3，年均增長4.5%，但由于天然氣化工投資風險大、成本高、產(chǎn)業(yè)鏈短、效益低，未來不會大規(guī)模建設，因而增長速度逐步放緩。這使化工用氣比例逐漸下降，2020年降為26.7%，2030年降為22.8%。發(fā)電用氣增長速度最快，年均增長11.5%；2020年達到381.3×108m3，占天然氣消費總量的20.8%；2030年達到864.4×108m3，比例上升為28.6%。天然氣發(fā)電具有效率高、建設周期短、設備運行靈活、環(huán)境污染低等諸多優(yōu)點，但是根據(jù)我國2007年頒布的《天然氣利用政策》，目前我國天然氣發(fā)電將主要用于調峰電站。工業(yè)燃料用氣在2020年將達到432.0×108m3，2030年將達到707.3×108m3，年均增長5.9%；雖然絕對數(shù)量不小，但其在天然氣消費總量中的比例一直在緩慢降低，2020年為23.6%，2030年為23.4%，這與未來我國工業(yè)化程度逐步加深，經(jīng)濟發(fā)展趨緩是密不可分的。
    第三產(chǎn)業(yè)天然氣消費量2020年將為191.5×108m3，2030年為350.2×108m3，年均增長8.9%。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，第三產(chǎn)業(yè)在整個產(chǎn)業(yè)結構中的比例不斷提高，科技、服務等行業(yè)對經(jīng)濟的促進作用越來越明顯，突出反映在我國未來第三產(chǎn)業(yè)固定資產(chǎn)投資的迅速增上。第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使其天然氣消費比例不斷上升，從2007年的7.2%上升到2020年的10.5%，2030年則為11.6%。
    居民生活天然氣消費量2020年為336.2×108m3，2030年為416.1×108m3，年均增長5.1%。隨著我國人口的增加和城市化進程的加快，城市人口不斷增加，促使居民生活用氣量不斷增長。雖然人工煤氣、液化石油氣、天然氣都是我國居民生活用氣來源，但是由于天然氣熱值高、清潔環(huán)保等優(yōu)勢，更有國家對城市天然氣發(fā)展的大力支持，使其逐步成為我國主要的居民生活用氣來源。居民生活用氣比例2020年達到18.4%，最高值將出現(xiàn)在2012年的21.0%；隨后，由于城市化進程的趨緩、用氣市場的逐步飽和，以及其他行業(yè)尤其是電力行業(yè)用氣的快速增長，居民生活用氣比例有所降低，2030年降為13.7%。
4 結論與建議
    利用系統(tǒng)動力學模型，在綜合考慮各方因素基礎上對我國未來天然氣消費量進行了預測。結果顯示：我國天然氣消費量將快速增長，天然氣在能源消費結構中的比例將越來越高，能源消費結構將得到優(yōu)化；在天然氣消費迅速增長的同時，其消費結構也發(fā)生巨大的變化，化工用氣、工業(yè)燃料用氣比例下降；發(fā)電用氣、第三產(chǎn)業(yè)用氣比例上升；而居民生活用氣比例先升后降。據(jù)此建議：我國應當加強天然氣資源的勘探開發(fā)，確保天然氣產(chǎn)量不斷上升，滿足消費需求。
參考文獻
[1] NOUREDDINE KRICHENE. World crude oil and natural gas：a demand and supply model[J].Energy Economics.2002(24)：557-576.
[2] BRABC MAREK，KONAR ONDREJ，PELIKAN EMIL，et al. A nonlinear mixed effects model for the prediction of natural gas consumption by individual customers[J].International Journal of Forecasting.2008，24(4)：659-678.
[3] 錢凱.中國天然氣資源[M].北京：石油工業(yè)出版社，1999.
[4] 焦文玲.城市燃氣短期周期負荷預測的時序模型[J].天然氣工業(yè)，2002，22(1)：92-94.
[5] 殷建成.天然氣需求自適應優(yōu)化組合預測模型研究[J].天然氣工業(yè)，2004，24(11)：167-169.
[6] 高建，董秀成.天然氣消費量自組織數(shù)據(jù)挖掘預測研究[J].統(tǒng)計與決策，2008(7)：50-52.
 
(本文作者：李君臣 董秀成 高建 中國石油大學(北京)工商管理學院)