中国省级天然气分布式能源开发环境评价及聚类分析

赵振宇，叶慧男，耿孟茹

(华北电力大学新能源电力与低碳发展研究北京市重点实验室，北京 102206)

节能和清洁能源利用是当今世界能源结构转型的两大主题，不同国家和地区均围绕这两大主题探索因地制宜的能源利用方式。天然气分布式能源清洁高效兼具灵活和可调节的特性，满足节能的要求，并能通过电—气互联网络的构建促进风光等间歇性可再生能源的消纳[1]，正受到广泛关注。国家发展改革委、财政部住房城乡建设部、国家能源局联合发布《关于发展天然气分布式能源的指导意见》(发改能源[2011]2196号)对天然气分布式能源的概念进行了界定，并提出要推动天然气分布式能源有序发展。天然气分布式能源被界定为以天然气为燃料，实现能源梯级利用且综合利用效率在70%以上的就地供能方式。中国不同地区的天然气分布式能源项目开发环境差异明显，如天然气资源分布、价格、热(冷)需求、地方政策、环保要求等均有差异，造成天然气分布式能源区域发展的不均衡性。因此，亟需研究不同地区天然气分布式能源开发环境的特征和异同，分析制定差异化的发展策略，开展地区分类指导。

1 天然气分布式能源开发环境分析

天然气分布式能源项目开发决策受多方面因素影响，包括项目内部的资源、需求、价格以及项目外部地区的社会软硬件基础。依据这4个方面要素，并在梳理相关研究文献观点基础上，可将天然气分布式能源开发影响因素归纳为资源条件、能源环境、经济环境和社会环境4个维度。相关观点及不同地区的典型情况如表1所示。

表1 地区天然气分布式能源开发环境分析Table 1 Analysis of GDES development environments in different regions

能源环境：天然气分布式能源项目开发的能源投资环境和供能需求。项目开发应符合能源产业供需关系及其平衡的要求。

经济环境：影响天然气分布式能源经济效益水平的项目自身成本、收入及外部相关要素价格水平对比。

社会环境：天然气分布式能源引入的推力和软硬件基础，包括地区发展的环保压力以及项目开发的政策支持水平、技术推广水平和管网设施基础。

2 开发环境评价指标体系构建

对地区天然气分布式能源开发环境展开分析，细化并归纳相应指标，依据全面、具体、可操作性原则，并考虑数据的可获得性，构建地区天然气分布式能源开发环境评价指标体系，如表2所示，目标层包含4个准则层，即资源条件、能源环境、经济环境、社会环境；在准则层的16个指标中，可再生能源消纳水平和天然气价格水平为负向指标，其他均为正向指标。

各指标测度主要以相关统计值为依据。“政策支持水平”使用“0-1”二元评价测度结果，测度过程如下：

1) 将相关政策分为涉及天然气分布式能源的节能减排政策、涉及天然气分布式能源的中长期发展规划、推进天然气分布式能源项目发展的导向政策、天然气分布式能源专项规划以及补贴政策5个方面；

2) 根据地区现实情况，展开各项政策记录，有某方面政策内容记“1”分，否则记“0”分；

3) 累加各方面政策记录得分，获得地区政策支持水平统计值。

通过这种判断式评价，可以减小主观判断错误，提高政策支持水平评价的准确性。

表2 地区天然气分布式能源开发环境评价指标体系Table 2 Evaluation index system of regional GDES development environments

3 综合评价及结果

3.1 主客观组合赋权法

指标权重的确定对综合评价结果的准确性至关重要，本文采用主客观组合赋权法[24]确定指标权重。

首先，基于熵值法[25]确定第i个指标的客观权重w1i；其次，基于九标度专家打分和层次分析法确定第i个指标的主观权重w2i；最后，计算第i个指标组合权重，即

(1)

式中wi、w1i、w2i分别为第i项指标的组合、客观、主观权重，i=1, 2, …,n。

3.2 数据收集及处理

考虑统计数据的可获得性，选取31个省级行政区开展分地区的天然气分布式能源开发环境评价，指标数据来源如表3所示。

表3 评价指标数据来源Table 3 Data sources of evaluation indicators

对指标的统计值进行归一化处理，可以消除指标间由于量纲而导致的信息量差异，即

Sij=

(2)

式中Zij、Sij分别为第j个样本第i个指标的统计值、归一化统计值，Sij最大值为1，最小值为0。

结合组合权重，第j个样本的综合评价结果为

(3)

3.3 地区环境评价结果及分析

采用主客观组合赋权法获取各指标权重，如图1所示，可以看出，主观赋权更侧重于社会环境，尤其是政策支持水平；客观赋权更侧重于经济环境，尤其是天然气价格水平。组合赋权法对主观、客观权重计算结果进行了修正，使地区天然气分布式能源开发环境评价的指标权重更加合理科学。

图1 指标权重Figure 1 Weight of indicators

31个参与评价地区的天然气分布式能源开发环境评价结果如表4所示，天然气分布式能源开发环境综合得分前5位的省(市)为北京、上海、江苏、浙江和山东，后5位的省(区)为江西、辽宁、云南、西藏和甘肃。根据天然气分布式能源开发环境的准则层指标，资源条件较好的有四川、新疆；经济环境较好的有上海、浙江、北京、重庆；能源环境较好的有北京、辽宁、河南、黑龙江、山东、浙江；社会环境较好的有江苏、上海、山西、广东。综合来看，中国天然气分布式能源开发环境存在地区内的资源、经济、能源和社会方面的结构性差异，以及地区间的开发环境横向差异。

表4 各地区天然气分布式能源开发环境评价结果Table 4 Evaluation results of GDES development environments for different region

4 开发环境聚类及分析

4.1 聚类方法及操作

聚类分析通过某种准则将对象依据属性值的近似或差异关系进行对象分类，以便挖掘对象属性的内涵。本文采用改进的K-means法[26]对天然气分布式能源项目开发环境展开聚类分析。步骤：①使用系统聚类法开展多级聚类分析；②结合实际情况分析，选择合适的聚类组合数，并明确对应的聚类中心；③输入组合数及聚类中心信息，开展K-means聚类，修正个别样本所属类别。如图2所示，将基于主、客观综合权重获取的参评地区资源条件以及能源、经济、社会、综合环境评价结果作为输入数据，对地区天然气分布式能源开发环境展开多级聚类。

图2 地区天然气分布式能源开发环境多级聚类Figure 2 Multi level cluster diagram of regional GDES development environments

4.2 聚类分析结果

依据聚类分析结果及各地区实际情况，参评的31个地区较适宜的分类数为5。以类别数5及其对应的质心坐标为输入参数，使用K-means法修正个别样本所属类别，最终各地区所属类别如表5所示。根据聚类结果，计算各类地区各指标评价结果均值，使用雷达图呈现各指标的标准化值，开展各类天然气分布式能源开发环境特征对比，如图3所示(雷达图中坐标轴值从内到外依次增加)。

根据表5，一类地区虽然资源条件相对一般，但受其他方面的拉动，其地区综合环境最利于项目开发；二、三类地区相较其他地区资源条件优势突出，其中，三类地区较二类地区的短板在社会环境；四类地区各项指标相对水平较为不均衡，其中，能源环境和社会环境较好，但资源条件和社会环境较差；五类地区资源条件较四类地区好，但其他方面的环境尚未配套建设，天然气分布式能源的综合开发环境落后。

表5 基于改进K-means法的天然气分布式能源开发环境分类Table 5 The classification of GDES development environments based on revised K-means method

图3 五类地区天然气分布式能源开发环境特征对比Figure 3 Characteristics of five types of GDES development environments

4.3 五类地区环境分析及发展策略

依据五类天然气分布式能源开发环境特征及分析，不同地区在进一步把握发展机遇、布局天然气分布式能源发展时，需立足当前基础、找准关键问题、精准施策。

一类地区天然气分布式能源的整体建设环境较好，适宜大力发展，但地区天然气资源主要依靠外来供应，发展进程中应重点关注天然气量的保障。随着中俄东线、新—粤—浙天然气管道等的全面建成投运及沿海地区LNG接收站的建设，北京、广东、上海、江苏、山东等地区天然气供应量将明显上升。该类地区应配套研究推进天然气供应管网同电、同热等供应网络的信息沟通，通过增加天然气资源和需求的耦合，适度扩大天然气分布式能源的开发空间。

二类地区资源条件优势相对突出，应以资源为主导，进一步完善能源、经济和社会环境，有序开发天然气分布式能源市场。一方面，应强化需求侧管理，完善管输体系以协调天然气资源的对内保障和对外输送；另一方面，应充分发掘区域内天然气分布式能源建设的有效需求，如把握京津冀一体化建设、川陕地区革命老区振兴等契机，有针对性地优化气电管网布局、出台融资补贴政策。

三类地区资源条件优于一类地区，能源环境和经济环境与二类地区相似，项目建设的相对经济性较好，但社会环境相对滞后。在环境建设实践过程中，应重点关注社会环境改善，以地区经济建设为依托拉动能源需求和投资增长，以地区经济开发区、工业产业园区能源结构调整为抓手，提出针对性政策而推进天然气分布式能源开发。

四类地区的能源和社会环境明显优于其资源条件和经济环境，天然气分布式能源开发的综合环境一般。考虑该类地区天然气分布式能源开发的资源条件和经济环境较前3类地区差，项目的规模化发展有赖于地区经济增长带动天然气资源要素的增加。其天然气分布式能源开发环境改善可对标一类地区，借鉴北上广地区的成熟发展经验，并随着地区经济的改善动态把控项目开发节奏。

五类地区资源条件优于四类地区，但能源、经济和社会环境普遍较其他地区差，并滞后于自身资源条件。对该类地区，应论证天然气分布式能源发展对地区天然气产业发展及地区经济发展的贡献度，理性选择战略方向并在政策上加以明确，避免盲目发展。如：西藏地区经济发展落后、能源需求小，当地光伏资源丰富且开发利用率高，因此，不宜过度宣传和发展天然气分布式能源；云南和甘肃则可分别依托中缅天然气管道和西气东输线路的气源和管网基础，研究制定长期的天然气分布式能源发展战略规划，以政策和管网设施建设等社会环境提升为突破口带动整体环境改善，稳步推进项目建设。

5 结语

基于文献和现状分析，归纳提出影响地区天然气分布式能源开发的4个维度：资源条件、能源环境、经济环境和社会环境，并建立了地区天然气分布式能源开发环境评价指标体系。采用主客观组合赋权法对中国31个省级行政区天然气分布式能源开发环境进行量化综合评价。根据对综合评价结果的聚类分析，可实现将31个省区市划分为五类地区的合理分类，以科学判断和比较不同类别和同类别地区间天然气分布式能源开发环境的异同，为全国天然气分布式能源开发的分类指导和同类地区发展经验的相互借鉴提供依据，也为国家和区域性天然气分布式能源的战略制定提供支持。