基于負荷持續曲線的天然氣市場及供應規劃

摘 要

摘要：將負荷持續曲線應用于天然氣市場及供應規劃，對城市天然氣供氣系統的季節供需平衡進行分析研究，為城市天然氣企業簽訂照付不議合同、規劃季節調峰設施以及市場發展提供科學
摘要：將負荷持續曲線應用于天然氣市場及供應規劃，對城市天然氣供氣系統的季節供需平衡進行分析研究，為城市天然氣企業簽訂照付不議合同、規劃季節調峰設施以及市場發展提供科學依據。
關鍵詞：城市天然氣；季節調峰；負荷持續曲線；市場；照付不議
Natural Gas Market and Supply Planning Based on Load Duration Curve
LI Fan，HUANG Wei-qiang，DONG Qiu-ling
Abstract：The load duration curve is applied to natural gas market and supply planning，and the seasonal supply and demand balance of city natural gas supply system is analyzed，which provides scientific basis for signing take-or-pay contracts by city natural gas enterprises，planning seasonal peak-shaving facilities and developing the market.
Key words：city natural gas；seasonal peak-shaving；load duration curve；market；take-or-pay
1 概述
    近年來，我國天然氣產業取得長足發展，天然氣消費量從2000年的257×108m3增長至2008年的779×108m3，年均復合增長率達到14.87%。據統計，2008年城市的天然氣供應量逾258×108m3，占全國天然氣總消費量的33.12%，天然氣產業的市場已改變了以往以大型化工業需求為主的格局。據國土資源部預估，到2020年我國天然氣產量有望達到2000×108m3，幾乎與同期石油產量相當，加上進口管道天然氣和進口LNG，天然氣總供應量可能達到3000×108m3。
    隨著城市天然氣市場快速發展，供需不平衡、調峰責任不清晰等矛盾凸顯，尤其在冬季，部分城市天然氣供需矛盾突出，甚至引發氣荒，嚴重影響了穩定供氣。據統計，2009年入冬以來，部分城市天然氣供需缺口較大，為應對短期供需矛盾，這些城市啟動了天然氣保供應急預案，以確保居民生活供氣穩定安全。造成氣荒的原因除了2009年冬季天氣驟冷以外，季節調峰能力較低、用氣市場規劃不合理等都是主要原因。因此，對照付不議合同氣量、季節調峰設施、用氣市場做出規劃就成了各燃氣企業關注的重要課題之一。
2 負荷持續曲線及其描述
    傳統負荷曲線(也稱時序負荷曲線)是將天然氣輸配系統1年內日負荷按時間順序排列后得到的曲線，見圖1。負荷持續曲線(Load Duration Curve，LDC)是將時序負荷曲線按照負荷大小順序重新排列后得到的曲線，它包含了最大負荷、最小負荷、負荷累積持續時間、負荷出現的概率、設施利用率等大量信息，常被用于電力系統規劃和發電系統可靠性評估中[1]。
    LDC不同于傳統負荷曲線，它是按照負荷大小順序排列的曲線。LDC左上方一般代表冬季時段，右下方一般代表夏季時段，中間則是由春秋季混合時段構成，左右兩個端點分別表示日負荷最高點和最低點。城市天然氣LDC見圖2。
 

3 城市天然氣LDC分析
   根據城市天然氣的供氣特點，從圖3城市天然氣LDC與供應曲線可以看出，冬季和夏季的峰谷差較大。據統計，北京市天然氣的冬夏季峰谷差達十幾倍，東北地區的冬夏季峰谷差在5倍以上，山東地區為2～5倍。由于燃氣企業與上游企業要簽訂照付不議合同，合同氣量應盡可能地貼近市場需求曲線(LDC)的形狀，以縮短上游供應的天然氣用不完的時間，減少照付不議的經濟損失。由于供需不平衡，決定了在簽訂照付不議合同時，應充分考慮年合同氣量、季節供應系數、季節調峰設施規模、用氣市場規劃等因素，以期平衡協調，用最小的設施投入及氣源采購成本取得適合的天然氣供應量。下面利用LDC對上述幾個方面進行分析。

3.1 夏季的用氣平衡
    LDC的最低值在夏季，若燃氣企業大力發展夏季用戶，則夏季裕量可以通過夏季用戶加以消化，以減少照付不議的損失。夏季是城市天然氣用氣低谷，但是電力供應的高峰，大力發展燃氣空調是城市能源削峰填谷的有效手段之一。政府應出臺相應的鼓勵政策，促進天然氣空調市場的發展。
3.2 冬季的季節調峰
    當上中游沒有季節調峰能力的情況下，對于冬季缺口量則要通過系統外氣源解決，如液化天然氣、壓縮天然氣、代用天然氣等(這里統稱為補充氣源)。一般，補充氣源比管道天然氣價格高，但把它們作為處理供需不平衡的調節手段，只在高峰季節使用，可以在控制額外氣源成本的前提下有效緩解企業在高峰季節的保供難題[2]。當上中游具備季節調峰能力且實施兩部制氣價時，則需要對不同的調峰方案進行技術經濟分析，比較上中游調峰成本與自建調峰設施造價及運行費用成本，選擇最優季節調峰方案。
    ① 補充氣源的全成本分析
    補充氣源的全成本由氣價和設施折舊及經營性成本兩部分組成。假設補充氣源設施的供應能力為1×104m3/d，全年以365d計，若利用率是100%，1年就有365×104m3來承擔該設施當年的折舊成本。若全年只供應36×104m3，則該年每1m3天然氣要承擔的設施折舊成本是100%利用率情況下的10倍。
如果補充氣源與門站天然氣氣價差是1元/m3，設施折舊及經營性成本是2元/m3，相當于補充氣源比管道天然氣要貴3元/m3。如能提高補充氣源的利用率，即把圖4a的LDC左上方冬季缺口量的三角形在不增加高度的情況下向右拓展(見圖4b)，延長供應時間(假設從30d延長至80d)，把補充氣源的年度總售氣量提高，每1m3天然氣要承擔的設施折舊及經營性成本也就減少了，每1m3補充氣源的全成本就可因提高設施的利用率而降低。
 

    ② 加強需求側管理，降低補充氣源日供應量
    a. 大力發展季節可中斷用戶
    通過市場手段來減少城市天然氣冬季缺口量是燃氣企業的常用做法[3]，即發展季節可中斷用戶。通過季節可中斷用戶用氣量的調節，使冬季缺口量減少(即LDC的最高點降低，見圖5)，減少了補充氣源在供氣高峰時的日供應量，從而降低相應的工程設施造價及其運行管理費用。
 

    b. 有序發展壁掛爐市場
    近年來壁掛爐市場發展迅猛，特別是在冬季無集中采暖的地區。從長遠來看，發展壁掛爐市場對燃氣企業擴大售氣量有利，但是，壁掛爐用氣量與城市天然氣的冬季需求高峰重疊，在近期我國天然氣門站普遍冬季供應能力還不足的格局下，應謹慎發展壁掛爐用氣市場。假如某城市安裝壁掛爐的家庭有2×104戶，按1臺壁掛爐耗氣量為15m3/d計算，僅家庭采暖這一項就將增加約30×104m3/d的天然氣需求。如此大的日增長量可能在整個冬季都存在，因此在上游仍未能提升門站的冬季持續供應能力前，壁掛爐用氣市場將給城市天然氣季節調峰帶來巨大的壓力。
3.3 對照付不議合同、調峰、市場的綜合考慮
    簽訂照付不議合同應綜合考慮年合同氣量、市場季節需求特性、上游門站季節供應的月不均勻系數、補充氣源、現有天然氣供氣及儲氣設施等情況。港華投資有限公司和港華燃氣投資有限公司(合稱港華集團)研制出DM904模板(DM904模板的原理：規劃企業未來第5年各月的市場需求量、計劃的照付不議供應量，制成LDC，再通過工程規劃，縮小門站天然氣供應量與LDC的差距)，將LDC與綜合考慮的各因素制作成圖6，鼓勵港華集團旗下的燃氣企業研究自身市場未來幾年需求的趨勢及季節可中斷客戶，并不斷對市場發展方案進行優化，把研究成果作為企業新簽天然氣供應合同時決定年合同氣量和月不均勻系數的參考依據。
 
圖6的右邊反映出在照付不議供氣合同氣量與市場需求不一致的情況下，可能出現的冬季缺口量和夏季裕量，以及春秋季節某些天的供需不平衡，利用LDC有助于規劃各類氣源供應以及市場發展策略。在圖6的左邊，有市場、資源、高壓管輸能力和高壓儲氣量4根柱狀圖。高壓儲氣量柱狀圖顯示：球罐和管束等對儲氣壓力有調節手段，能應付變化幅度較大的調峰，對應右邊LDC腰部的位置；高壓輸氣管道只有小時調峰能力而無季節調峰能力。高壓管輸能力柱狀圖比LDC最高點高出0.2倍，是提醒設計時應考慮管輸能力比年最大用氣量目的用氣需求負荷高20%。資源柱狀圖表示解決冬季缺口量所需的工程手段，即補充氣源設施規劃。若冬季缺口量全部由工程手段解決將會使補充氣源設施龐大，造價高，且補充氣源全成本較高也會增加燃氣企業的運行費用。因此，應從需求側(市場)做出規劃，即大力發展季節可中斷用戶，謹慎發展壁掛爐用
    季節可中斷用戶的發展會使燃氣企業售氣量降低，因此，應在補充氣源與可中斷用戶間取得平衡。在市場柱狀圖上還有一塊就是通過發展夏季用戶消化夏季裕量，減小在夏季可能出現的照付不議損失。
    為了在市場、工程及非工程調峰手段、照付不議合同氣量等方面達成平衡，應針對市場發展方案，具體考慮新增用氣市場分布，計算出補充氣源設施、高壓管道等各類工程造價，以及它們的利用率，計算單位全成本。再考慮季節可中斷用戶情況，綜合考慮該方案的用戶承受能力和企業贏利情況，來調整修改市場方案。上述過程為一個PDCA循環(即計劃、執行、檢查、處理)，通過PDCA循環可以不斷優化方案，經過3次以上的PDCA循環可以得到較優化的方案。
    以DM904模板進行一次供需工程設施及市場規劃，就等于完成了一次PDCA循環。若PDCA循環的結果發現制定出的業務發展規劃方案的工程造價太高，面對的照付不議損失太大，或兩部制門站氣源價格較高，影響天然氣的比價優勢，企業就應重選目標用戶組成，包括引入更多的季節可中斷用戶和夏季用氣用戶，使全年目標售氣量不變甚至減少的情況下，降低高壓管輸及補充氣源設施造價，也控制月不均勻系數落差及門站總體平均價格，目標是制定出有競爭力且經濟可行的業務發展方案。
參考文獻：
[1] 張謙，朱雪凌，黃俊輝，等.負荷持續曲線的解析化模型及其預測方法[J].中國電力，2009，42(9)：49-53.
[2] 吳洪波，何洋，周勇，等.天然氣調峰方式的對比與選擇[J].天然氣與石油，2009，27(5)：5-9.
[3] 肖嵩，林銘榮，王彥馨，等.照付不議條款下天然氣的供氣與調峰[J].煤氣與熱力，2006，26(6)：34-38.
 
(本文作者：李帆1 黃偉強1 董秋玲2 1.港華投資有限公司 廣東深圳 518026；2.香港中華煤氣有限公司 香港)