城镇化过程中天然气需求保障分析

王 琦

(中国石油大学(华东) 财务处,山东 青岛 266580)

一、引言

中国在《巴黎协定》中承诺到2030年实现减排65%的目标。天然气作为一种清洁高效的能源，在低碳减排进程中发挥着重要作用，随着中国能源转型和城镇化建设的推进，天然气行业迎来新的发展机遇，天然气消费量迅速增长。《中长期油气管网规划》指出，预计到2025年中国天然气管道将在50万人口以上城市的覆盖率基本达到100%，城镇天然气消费人口将达到5.5亿。但城镇化推动天然气行业发展的同时也使天然气面临着供应紧缺和供需不平衡等问题。

随着城镇化进程不断加快，目前关于城镇化与能源消耗关系的研究已较为成熟。在中国东中西三大区域划分的基础上，Xu等利用1990—2010年省级面板数据构建PVAR(面板向量自回归)模型，结合面板数据的单位根检验和协整检验，分析了能源消费与居民消费的动态关系。[1]佟丽萍等、严翔等借助Kaya恒等式与对数平均迪氏分解法(LMDI)，实证分析居民消费对能源消耗的影响效应，证明了居民消费是能源消耗增长的主要驱动力，不同地区居民消费效应的影响存在显著差异，应根据区域实际制定能源消费政策，以达到降低能源消耗的作用。[2-3]Yang等模拟中国未来城市化发展情景，定量预测了交通、建筑和住宅三个经济部门的居民能源消耗。[4]魏楚大量分析能源消费中“自上而下”和“自下而上”两种不同视角下的文献，总结出城镇低碳化发展的“中国模式”。[5]Liu等运用投入产出结构分解分析家庭直接能源消费和家庭间接能源消费变化，研究了城市化对中国家庭能源消费的影响。[6]这些研究为中国城镇化发展与低碳城市建设提供了建议。

基于可拓展的随机性环境影响评估模型(STIRPAT)，Shahbaz等、Wang等对巴基斯坦、马来西亚和中国的城镇化与能源消耗之间关系进行了研究，表明城镇化是能源消耗的主要贡献者，城镇化与能源消费之间存在单向因果关系。[7-9]Mrabet等考察了1980—2014年间城镇化和其他关键决定因素对不可再生能源需求的影响，结果证明与GDP和石油价格等因素的影响相比，城市化对不可再生能源需求的影响最大。[10]吕连菊等运用面板平滑转换回归模型(PSTR)分析经济发展水平对城镇化能源消费效应的影响，最后发现产业结构水平越高，城镇化对能源消费的降低作用越大。[11]

宋杰鲲等认为国家推行节能减排政策，二氧化碳排放与能源消耗关系密切。[12]大规模推广天然气是降低碳排放的重要措施，张晶晶等通过分析江西省11个设区市能源消耗与碳排放的对应关系，得到了能源碳排放的空间特征。[13]Shi等利用夜间灯光数据中的DMSP-OLS评估1997—2012年间中国城市二氧化碳排放量时空变化，Cui等利用NPP-VIIRS评估了中国华北地区2012—2016年集中供热的二氧化碳排放时空动态，为政府提供了有用信息，帮助政府确立二氧化碳减排政策。[14-15]高建等采用迪氏对数指标分解法，构建了城市天然气消费量分解模型，定量分析了各因素对中国城市天然气消费量变动的贡献率，为因地制宜开展天然气产业规划和政策制定提供了决策依据。[16]张涛等从宏观层面建立“源—网—荷—储”调整规划模型，统筹规划天然气运营过程，为天然气生产供应提供了优化建议。[17]

本文在前期文献研究基础上，分析城镇化对天然气消费的影响，建立需求广义模型对天然气需求变化过程进行动态分析，依据分析结果对城镇化进程中天然气需求保障提出建议措施，以解决天然气供应不足及供需不平衡等问题。

二、天然气需求控制模型

(一)天然气需求广义模型

城镇化建设进程中，居民天然气消费数量、公共建筑天然气消费数量以及工业天然气消费数量是影响天然气消费数量的主要因素。分析天然气需求、建立控制系统模型时可以将该模型简化为广义模型，即将其作为一个大系统，忽略其中的小系统，从宏观的角度对天然气需求控制模型进行分析，并对相关参数赋值。本研究利用MATLAB中SISOTOOL工具对广义模型进行分析，通过约束条件来调节控制参数，对控制参数赋予实际的意义。在广义模型构建时控制的主对象是运输管道中天然气的容积，也可以选择其他参数作为主控制对象进行相关分析。

在天然气消费需求控制过程中，把整个天然气运行流程抽象为广义的控制对象，天然气运输管道容积作为输出对象及被控对象，利用约束条件进行PID控制，即比例(proportion)、积分(integration)、微分(differentiation)控制。具体通过依次增加参数来实现系统模型的控制。首先，采用纯比例控制研究比例系数变换对系统闭环性能的影响，分析闭环控制系统随比例系数变化时控制性能指标(超调量、上升时间、调节时间、稳态误差等)的变化；其次，采用比例、积分控制器分析 PI 控制器参数变化对系统性能的影响；再次，采用比例、积分、微分控制分析不同参数值下PID控制系统的调节效果;最后，使用 MATLAB中SISOTOOL工具箱进行仿真分析，对比实际控制效果与仿真效果的差异，从根轨迹的角度分析PID控制器系数变化对系统性能的影响。

通过比较抽象控制参数与实际控制参数,得出该模型中观测状态为天然气存储罐容积与天然气运输管道容积、模型输入为天然气总来源，因此可以通过控制运输管道容积来控制天然气需求，运行流程如图1所示。

图1 天然气运行流程

其中u为控制变量，通过控制天然气阀开度控制天然气的运输，从而影响储气站天然气容积和运输管道内天然气容积。控制变量u与通过调节阀的天然气流量之间关系为公式(1)：

Qi=kuu

(1)

根据广义模型以及状态空间表达式描述建立数学模型，根据物料平衡(动态平衡)得到公式(2)：

(2)

建立一阶输出与状态变量之间关系，得到公式(3)：

(3)

进而得到非线性状态方程公式(4)：

(4)

式中:ku为管径面积，α12、α2为流量系数，Qi为输入天然气存储罐的天然气流量，Q12为输入运输管道的天然气流量，Q0为天然气需求总量，Q1为天然气存储罐的容积，Q2为天然气运输管道的容积。

(二)模型增量线性化

对求得的非线性状态方程进行线性化处理，利用增量化在工作点处进行线性化处理。

1) 先求出稳态时的关系式(基于平稳状态下的波动)，得到公式(5)：

(5)

根据平稳状态时供给与需求之间的关系得到公式(6)：

(6)

将公式(3)带入公式(6)得到公式(7)：

(7)

2)将公式(5)带入公式(4)，可以对微分方程中的各变量进行相应的增量代替，得到公式(8)：

(8)

进而得到公式(9)：

(9)

(10)

(11)

进而得到线性化状态方程，如公式(12)所示：

(12)

同时得到状态空间表达式,如公式(13)所示：

(13)

三、仿真分析

SISOTOOL工具箱能够根据控制器的约束条件，如阻尼比、超调量、稳态误差等来设计控制器的参数，利用SISOTOOL工具箱可以快速地设计经典控制系统。文章利用衰减震荡法选择合适的参数，衰减震荡法规律见表1。

表1 衰减震荡法规律

运用SISOTOOL工具箱仿真计算，当Kp=24.3时，衰减震荡响应如图2所示。

图2 衰减震荡响应曲线

其中控制器参数约束条件主要依据系统是否可控、系统的最大变差及与设定值的偏差进行设定，约束条件代表的实际意义分别是保障措施是否会失控、需求的最大范围以及设定需求量的偏差上限。控制器参数中的比例、积分、微分参数代表的实际意义分别是扩大管道数量、扩大储气能力、天然气用气量预测。控制器参数按照比例系数、积分作用、微分作用的顺序依次调节。

在比例控制中增加比例系数会使响应曲线稳态误差减小，但与此同时响应曲线调节时间与超调量会增大。图3(a,b,c,d)为比例系数逐渐增大所对应的响应曲线，可以看出随着比例系数逐渐增大其稳态误差随之减小，但是稳定的过程逐渐变慢。城镇化进程不断加快导致天然气需求的不断增加，天然气供应逐渐发展成为多管网、多通道、多干线的供应状态。天然气实际运行中比例控制调节指的是天然气供应管道的建设，天然气供应过程中的稳态表现为天然气的终端需求得到满足。随着天然气供应管道的建设和完善，区域供气管网已经初见规模，终端用户的天然气需求得以满足，因此天然气供应达到可控状态，可以有效地实现季节性的天然气供应控制，随之而来的是达到稳定状态的调节时间增长。

图3 不同Kp对应的响应曲线

由于天然气供应管网逐渐形成体系，其调节控制也会变得更加复杂，尤其是天然气普及程度高以及供气管网架设密集地区天然气的调动将会变得相对缓慢。某些地区经济发展较快但天然气供需关系极为不平衡，为了保障这些地区的天然气供应，需要不断提高供气管道建设进而确保天然气的输送。

为了进一步分析天然气供应，固定比例系数(Kp=20)后通过调节积分作用来研究PI控制器响应曲线。图4(a,b,c,d)为不同积分作用对应的响应曲线。当积分作用太强时系统处于不稳定状态，随着积分时间的推进，积分作用减弱，上升时间与调节时间缩短，系统响应加快，而积分时间过大时会使系统的积分作用太小，导致系统达到稳态的时间延长。天然气实际运行过程中储气能力相当于积分作用，储气能力对天然气运行的影响在于具有充足的天然气流量来调节天然气的需求供给，其中增加天然气的储气能力对天然气使用高峰期调节有重大意义，是增强天然气供给过程中的应急能力。天然气的储气能力对于保障天然气消费起到了关键作用，尤其是沿海经济发达城市的天然气需要从不同地区汇聚，来保障该城市的天然气供应量，增加储气能力使天然气供给运行过程中调节时间变短，系统响应速度变快，可以更高效地平衡天然气需求与供给之间的关系。但是天然气储气设备建设也会存在一些问题，当设备数量超出了一定量会导致天然气的调控时间变长，影响天然气供应和消费。现阶段我国处于天然气储气设备紧缺阶段，需要大量建设天然气储气设备。

图4 不同Ti对应的响应曲线

经过前文的模拟计算，在选择合适的比例系数(Kp=30.4)与积分作用(Ti=4)后，通过微分作用来调节PID控制系统的响应。图5(a,b,c,d)表示固定比例系数和积分作用时不同微分作用对应的影响曲线。在控制系统调节过程中系统可能会出现震荡、失稳，其原因是由于部分变量存在较大的滞后性，使得控制系统中该变量的变化无法紧随误差的变化。发生这种现象时如果只加入比例作用则无法使调节系统趋于稳态，因此要加入微分作用来预测误差变化趋势，在比例作用与微分作用双重作用下可以抑制误差从而使系统达到稳态。随着微分时间增加、微分作用增强，可以提高系统的响应曲线、抑制过渡过程的最大动态偏差。实际天然气运行过程中预测天然气使用量相当于微分作用，因此需要提前对天然气需求进行预测以制定相应的措施来应对天然气消费紧急情况，尤其是利用某一地区天然气日常消费的来源及往年数据进行天然气需求的相关预测，进而制定相应的应急措施保障天然气供应。随着城镇化建设的推进，居民天然气使用量在不断增加，地方有关部门需要关注居民天然气消费量，分析研究用气高峰期，避免出现“气荒”现象。

图5 不同Td对应的响应曲线

四、天然气需求保障措施

(一)加强天然气管网建设

城镇化建设以及天然气行业发展进程中，天然气管网建设是重要一环。天然气发展“十三五”规划是天然气管网建设的重要发展期，提出要根据不同地区经济发展需求和国内外天然气供给配合来整体规划天然气供应管网建设，完善四大进口通道、提高干线管输能力、加强区域管网和互联互通管道建设。相关部门要重视城市天然气管网建设，做到专人专责、措施得当和政策落地，统筹解决城市天然气管网建设中遇到的问题。天然气管道建设过程中要实施项目法人责任制，项目法人对天然气管道建设全过程负责，严格把控、规范管道的施工，确保施工流程合理畅通以及设备器材的安全可靠。同时要做好管网评估工作，对于管道风险管理要“以防为主，防治结合”，对施工前、施工过程中和施工后进行风险评估控制，提高施工人员风险意识，制定相应措施应对可能发生的问题。

天然气管网建设随着天然气消费增长逐渐陷入瓶颈，管道运输能力限制了天然气推广。天然气管网建设要遵循“北气南下、西气东输、海气登陆、就近外供”的输气方略，不断建设完善天然气气源地通向天然气高消费地区的天然气管道。以市场为导向，合理规划、分期分段建设天然气管网，加快构建跨区域性干线供气系统，保证及时有效地供给天然气。在实现天然气供气管网干线互联互通的情况下，以各地区的天然气需求特征为依据，建设天然气供气支线管道和干线联络管道，使之与主干线相连构成区域供气管网。促进非常规天然气供气管道的发展，将管网延伸至各非常规天然气资源开发地，实现主要资源地和各市场区域间输气畅通。随着天然气管网与基础设施的不断完善，互联互通、调度灵活化、供应网络化、资源多元化的天然气全国性供气网络将会成形。

(二)拓展天然气供给来源

提高天然气可供给总量是解决天然气紧缺问题的基础和关键，加强国内天然气资源的勘探开发力度，按照“海陆并进、常非并举”方针增加国内天然气资源的勘探投入。中国天然气分布不均匀、品质不理想、勘测开采难度较大，需要引进先进的开采技术来增加国内天然气供给总量。同时天然气的供给按照陆地与海上共同开采、常规与非常规等价重要的原则，提高常规天然气增储上限的同时不断突破非常规天然气的开发瓶颈，保证国内天然气供给总量的持续上升。

为了确保天然气供应，在不断探索国内资源的同时也要注重天然气进口来源的多元化。天然气的进口来源过于集中将会导致国家在进口价格与进口总量上处于被动状态，存在一定程度上的供应风险。伴随着国内天然气需求的不断增加,进口天然气的规模也会随之增加，天然气来源多元化的重要性也进一步凸显，从确保天然气来源安全乃至维护国家经济安全的战略高度来考虑，构建多元化的进口结构、推进天然气进口来源多元化势在必行。同时随着中国与周边国家协商进口协议的达成以及多线进口供气协议的签署，天然气进口通道不断完善，中亚、中俄、中缅天然气进口进入全面投产阶段，天然气来源已初步形成海上、西南、西北、东北四大天然气进口通道格局。目前中国天然气供应对外依赖度过高，天然气进口存在较大的风险，依靠现有的天然气进口通道无法满足天然气需求的增长，因此要构建多元化天然气进口结构来满足天然气消费需求以及降低天然气进口风险。

(三)进行天然气调峰优化

中国天然气消费受到资源的约束会导致在冬季等用气高峰期出现“气荒”现象，因此对天然气需求数量进行预测，并优化储气站建设来提高天然气消费的高峰期供气数量，以减少冬季出现“气荒”现象。

优化天然气调峰能力主要是针对天然气高需求地区。储气库与LNG是主要的调峰措施，除了已有的八大储气基地之外，还要不断扩大地下储气库的数量与容积，支持LNG储气设施建设。中国天然气储气库建设相对于发达国家较为滞后，其调峰能力无法适应消费量实时变化，为了进一步提高储气库的调峰能力，应不断加强建设和完善，国家相关部门可以通过确定供气企业与燃气企业等建设主体，制定关于天然气储气库调峰的政策,以价格优惠等措施吸引资金，加大储气库建设力度。构建以地下储气库为主，以LNG储备站为辅，源头供气方、输送企业以及用户需求方承担相应的调峰义务的多层次调峰储备体系。

天然气供应中除了增加供气数量以及提高储气输气能力等“开源”措施外，还要实施一定的“节流”手段，如实行天然气季差气价，即冬季天然气价格高于其他三个季节的天然气价格。通过季差气价促进需求方参与天然气储气过程，提高储气设备建设的积极性；缓解供气方建设大量储气设施的资金压力，使储气设施得到有条不紊的建设。进而缩小天然气需求的季节性谷峰差异，减少“气荒”现象，减缓天然气季节调峰的压力。

五、结论

低碳经济背景下，天然气作为清洁高效的低碳能源，将是未来国家能源发展规划的重要一部分。城镇化建设在短时间内会促进能源消耗增加能源需求量，伴随着城镇化建设的逐步完善和技术的发展进步，能源效率会得到一定程度的提高，从而减少能源消费需求总量，因此城镇化建设影响着能源消费需求。

解决城镇化发展过程中天然气供应不足与供需不平衡、弥补天然气供需缺口问题，不仅需要加强天然气生产以提高产能、加强管道建设以保障天然气供应、调峰预测天然气供需以优化能源配置，更需要控制天然气消费促进能源节约，才能最终缓解天然气供求不平衡问题，达到能源利用可持续发展。