天然气定价的三方博弈模型及其均衡分析

邓茹月，罗叶霖,李 琼

(1. 西南石油大学 经济管理学院，四川 成都 610500;2.中国石油天然气股份有限公司 四川绵阳销售分公司，四川 绵阳 621000)

1 我国天然气供需及定价现状

天然气作为低碳、清洁、绿色能源在全球环境问题治理和能源革命进程中起着关键作用，因此天然气的供给与需求均呈不断上升的趋势。随着两部制定价和市场化改革的深入，在“管住中间，放开两头”的天然气改革目标下，我国正在逐步形成天然气上游、下游多元化竞争，中游成立国家管网公司作为独立的第三方掌握中游长管运输并对外开放的态势。天然气终端售价构成中，捆绑式门站价格到出厂气源价自由搭配管输价的转变模式已初具雏形，对天然气各主体定价博弈进行均衡结果的分析，是加速我国天然气产业结构改革和天然气市场化定价革命进程的必要步骤。

2 天然气定价的博弈模型构建

文章拟将天然气生产、运输和销售三个环节涉及的天然气生产商、国家管网公司和各城市燃气公司作为研究主体，以斯塔克尔伯格模型为框架分析其利益及相关行为，以求为天然气定价机制进一步改革提出建议。

2.1 理论假设

假设一，“X-1-X”的天然气产业新结构链条已经基本形成并逐步完善，上游勘探开采天然气的生产商生产符合国家标准的无差别同质天然气并保持充分的市场竞争，天然气多元供应体系持续完善，实现中游长管运输阶段完全由国家管网公司控制，形成运输相对销售业务的独立性，已经实现中游“第三方准入制度”，即运输管网向符合资质的第三方完全公平开放，作为下游天然气配售方的城市门站有充足的竞争者，天然气与各个城市门站之间的管道运输环节不存在竞争，由国家管网公司独立控制，此时国家对天然气定价过程中的价格管控仅以国家管网公司的运输费率调整为着力点。

假设二，天然气定价的利益相关方处于完全竞争市场中进行市场化定价，在完全信息环境条件下的天然气生产者、城市门站配气销售商和各类型用户是理性人，各自考虑自身利益最大化，各个环节的产供储销行为达到市场出清状态，前两者之间和后两者之间各自通过两阶段博弈达到均衡状态。其中，天然气生产商指国内提供勘探开采并将天然气出售给城市门站配气销售商等相关服务的主体，城市门站配气销售商指购入生产商生产的天然气并将其通过城市天然气运输管网配送至用户的主体，用户则区分居民用户和非居民用户。

2.2 模型推演

(1)当生产商居于斯塔克尔伯格模型的主导地位时，天然气生产商在城市门站配气销售商和用户价格确定后，以自身利润最大化寻求合适的价格。假设天然气生产商对城市门站配气销售商的销售价格为，收益为∏， 单位变动成本为，生产商固定成本为，城市门站配气销售商(Retailers)对用户的价格为，收益为∏， 单位变动成本为，销售商固定成本为，天然气价值也即用户接受价格为，用户的收益为∏， 整个天然气产供储销过程中需要向国家管网公司支付单位产量运输费率为固定的元立方米，天然气需求函数表达式为=-(>0)， 生产商、销售商和用户收益函数如下。表达式中固定成本均不考虑，此省略不影响结论。

∏=(--)×(-)

(1)

∏=(---)×(-)

(2)

∏=(-)×(-)

(3)

第一步，在中下游斯塔克尔伯格模型中，用户与城市门站配气销售商间存在前者追随者、后者领导者的不对称竞争，用户通过城市门站配气销售商确定的价格，追求自身收益最大化并据此确定协商价格。∏关于二次项系数为负，显然存在极大值，令一阶偏导为零求出。第二步，在上中游斯塔克尔伯格模型中，天然气生产商与城市门站配气销售商之间存在前者领导者、后者追随者的不对称竞争，销售商根据生产商价格追求利润最大化，再根据第一步确定的找到利润最大化的。同理,∏关于显然存在极大值，令一阶偏导为零求出。第三步，天然气生产商在处于主导地位的斯塔克尔伯格模型中追求自身利润最大化，再根据城市门站配气销售商和用户两步确定的和决定自身定价。同理∏关于显然存在极大值，令一阶偏导为零求出1。第四步，得到均衡价格和收益如下。

(4)

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(9)

(2)当城市门站配气销售商居于斯塔克尔伯格模型的主导地位时，城市门站配气销售商从自身边际利润出发，生产商和用户根据销售商的边际利润确定价格，以求各自利益最大化。在(1)的供需关系公式下，天然气生产商和用户两方定价均是函数中的一阶，无法求出最优定价，所以以边际利润的方式进行城市门站配气销售商居于主导地位的博弈推导。假设天然气生产商边际利润为，城市门站配气销售商边际利润为，用户边际利润为，各方相应售价及收益如下。

=++

(10)

∏=(-)

(11)

=++(+)++

(12)

∏=(-)

(13)

=++(+)+++

(14)

∏=(-)

(15)

第一步，城市门站配气销售商确定自身边际利润后，生产商追求自身利益最大化以确定自身边际利润。令∏的一阶偏导数为零得到。第二步，用户根据城市门站配气销售商边际利润追求自身利益最大化求解。显然∏关于存在极大值，令一阶偏导数为零，得到。第三步，城市门站配气销售商在斯塔克尔伯格模型中处于领导者地位，可认为其在已知生产商和用户边际利润的前提下，进行边际利润的决策得到、。第四步，城市门站配气销售商在其他两个利益相关方确定各自边际利润后，追求自己最大利润。显然∏关于存在极大值，令一阶偏导数为零得到。将边际利润代入、、得到均衡价格并解得三个主体的收益。

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(21)

(3)以用户为领导者的斯塔克尔伯格模型与以销售商为领导者的情况类似，需以边际利润求最优定价和最佳收益的方式进行用户居于主导地位的博弈推导。利用各自边际利润确定售价并追求收益最大化,可解得如下均衡价格和均衡收益。

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(26)

(27)

2.3 结果分析

结论一：1=2>3，受到长管运输三方运营的影响，天然气生产商居于领导者地位时引导天然气的产业价值链以较高价格运行，销售商与生产商直接承担运输管网费，使得博弈后均衡价格等于城市门站配气销售商大于用户居于主导地位时的定价，此时用户能够包容较低的天然气价格，用户期望凭借主导地位使自己付出最小代价并带来最大化收益，对较高定价的接受程度较低。用户能从天然气利益主体在生产商过渡到用户的地位降低过程中获得更高的接受价格。

结论二：三种情况下用户的收益函数表现为∏3>∏2=∏1、 ∏1>∏3>∏2、 ∏2>∏3>∏1。 用户居于主导地位时自身能得到最高收益，随着地位降低收益降低，用户观察其他主体的定价行为从而对天然气消费的收益进行预期，当自身居于领导者地位时收益最大，生产商和销售商居于主体时，用户能够享受无差别的收益。生产商和销售商分别主导天然气产业价值链时，都仅考虑自身忽略对方成本导致对方收益最低。

结论三：1=2=3和1=2=3均成立，管输费率在生产商和销售商的分配比例对其定价无显著影响，无论哪方居于主体都有相同的厂商定价和销售商定价，此时用户价格在整个价格形成关系中起作用。用户对天然气完成市场化改革至关重要，提升用户地位即可降低价格、增加收益，最终促进能源转型。

3 相关建议

3.1 提高用户在产业结构中的地位

在天然气产供储销的完整结构中，应该将用户保持在较高地位，降低消费者端的天然气价格，提高用户群体消费天然气带来的收益及效用，迅速提高天然气消费量并快速实现碳中和目标。依据上述动态博弈得到的第一条结论，用户在整个天然气产业价值链中处于较弱势地位，一旦主体地位转换成生产商或者销售商，用户收益难以得到保障进而对天然气的消费产生限制，对能源转型机遇和挑战的准确把握产生影响，压制宏观层面双碳目标实现进程。

3.2 规范中游准入三方的定价

“三方准入”在天然气价格形成过程中发挥作用，增加中上游“产销一体”中的竞争，避免寡头垄断导致的价格不合理，而长运管道过程的三方准入为天然气市场化提供了条件。在每个监管周期前以最近三个会计年度经审计的财务报告为依据确定管道运输价格。国家管网公司的运行为天然气“X-1-X”产业价值链的完善发展创造条件，其管输费率由专门委员会规范制定。管输费率的范围确定及其在生产商和销售商中的分配比例调整，对整个天然气产业结构各个过程的定价高低产生深刻影响，需将三方博弈的动态博弈结果考虑在内加以确定。

3.3 健全相关政策法规

完善国家管网公司独立三方的定价法律法规，在实践中调整管道运输价格管理办法和运输成本监审办法等，国有垄断企业对行业产生深远影响，细微调整都可能造成整个产业链的巨幅变动。价格形成机制离不开国家法律法规的保障，中国以天然气和各可再生能源为主要替代能源进行能源革命顺应中国能源转型大势，实现节能减排等目标，将相关法律法规体系作为天然气定价机制调整的坚实保障，以求实现天然气市场化改革、碳中和目标和中国能源转型。