基于双层规划模型的天然气管输“两部制”定价机制研究

郑小强，王菊，宁敏静

1.西南石油大学经济管理学院；2.西南石油大学中国能源指数研究中心；3.四川省东宇信息技术有限责任公司

0 引言

中国天然气管输定价经历了1976年的“全国统一运价”、1984年的“老线老价，新线新价”、目前采用的“服务成本定价”的漫长发展历程。在此期间，国家发展和改革委员会先后提出实施“两部制”定价和“标杆管输价格”，但均未成功。天然气管输价格作为“中间”价，定价过高会抬高天然气市场价格，对下游市场带来“挤出效应”，抑制天然气消费；定价过低会导致管网企业及第三方运营公司压力过大，管网建设及运行维护难以保障。2016年以来，为了保障油气市场的平稳发展，逐步推进油气体制改革，国家发展和改革委员会以发改价格规〔2016〕2142号印发《天然气管道运输价格管理办法（试行）》和《天然气管道运输定价成本监审办法（试行）》（统称“新办法”），对天然气管输定价进行了规范。2019年，中央全面深化改革委员会第七次会议审议通过了《石油天然气管网运营机制改革实施意见》，要求对现行价格管理办法进行修改和完善。同年年底，国家石油天然气管网集团有限公司（简称国家管网公司）正式成立，标志着天然气管输与销售正式分离，使深化油气体制改革迈出关键一步［1］，传统油气管输格局被打破，油气管网独立进入实施阶段。为了更好地实现油气管网互联互通，提高管网利用率，对现行管输定价机制进行改革已迫在眉睫。

对比中国当前采用的传统“一部制”定价方法，“两部制”定价法在定价原则上有着本质的区别。“一部制”定价的核心在于统一费率，对所有用户都采用一致的计费标准。然而，不同用户之间存在用气连续性、用气需求量等方面的差异，统一费率使得用户被动进行“交叉补贴”，从而对社会福利造成一定损失。“两部制”定价的差异化计费原则一定程度上缓解了不合理的“交叉补贴”，推进了公平用气，从而减少社会福利损失。基于中国天然气消费持续增长、天然气管输格局新调整和天然气管输新政提出新要求的大背景，“两部制”定价更符合中国油气体制改革的要求。因此，本文将重点讨论“两部制”定价机制及其对行业和社会的影响。

1 相关研究文献评述

西方发达国家对天然气市场化开发利用较早，具有比较成熟的天然气管输市场，在天然气发展过程中逐渐形成了三大管输价格机制：一是美国亨利天然气交易中心价格机制，该机制基于管输距离，考虑了管道容量预约和使用费［2］。二是英国的NBP价格机制，该机制采用“注-提点定价”，即在天然气出口和入口收费，可有效避免由于管网复杂不便进行距离测算的难题。三是澳大利亚的维多利亚价格机制，该机制将天然气出厂价与管输价捆绑销售，实行金融管输权分配，提高了管网利用率，但不利于吸引管网投资建设。这些管输定价模式能有效确保上下游企业相对公平的管道通过权［3］，通过开发管道剩余权，进而有效提高天然气运输二级市场的竞争力［4］。

中国天然气管输定价研究起步较晚。1987年，白兰君［5］最早提出了按运量和运距收费的建议，掀起了业界讨论热潮。关于天然气管输定价的研究主要分为两方面：一方面是对管输定价机制的研究，特别是“两部制”定价机制的研究。2014年，罗大清［6］分析了“一部制”管输定价存在的管输费计算不准确、无法公平均衡用气等问题，对“两部制”的优势及实用性进行了探讨，并给出了推行“两部制”的相关建议；2016年，秦冬冬等［7］借鉴美国两部制机制，研究并提出了固定价格在使用费中的分配；2018年，崔媛媛等［8］在研究了英美两部制定价机制和测算方法后，设计并测算了适合中国现阶段特点的天然气两部制管输服务价格；2019 颙年，张等［9］研究了运销分离情况下两部制实行的重难点，并进行了两部制的价格设计，为今后中国推行两部制管输定价提供了理论依据。另一方面是对天然气管输定价模型和测算方法的研究，特别是运用不同定价模型研究不同的定价机制对利益相关者的影响。2010年，司江伟等［10］在考虑自由竞争、税收调整、存在交叉补贴、政府限价4种情况下，提出的天然气管输两阶段动态博弈模型；2012年，丁浩等［11］基于政府和管输企业博弈关系的 Stackelberg微分博弈模型的研究；2017年，高玉洁、梁丽平等［12］基于Nash均衡的管输配置模型的研究。在现有的管输定价研究中，缺乏对“管网独立”后天然气管输定价机制的优化、实施影响等方面的深入分析。本文基于现行管输定价机制和“两部制”，分别建立管输双层规划模型，对“一部制”和“两部制”天然气管输定价机制进行比较研究，测算其社会效益，模拟求解证实模型的合理性，以期对行业内制定定价机制及后续研究分析有一定的参考价值。

2 基于“两部制”的天然气管输定价理论分析

2.1 天然气管输市场分析

2019年，国家发展和改革委员会、国家能源局、住房和城乡建设部、国家市场监督管理总局联合印发了发改能源规〔2019〕916号《油气管网设施公平开放监管办法》，明确了“油气管网设施运营企业应当无歧视地向符合开放条件的用户提供油气输送、储存、气化、装卸、转运等服务”的相关规定［13］。在天然气运销过程中，上游企业主要为油气进口商和本国油气生产商，下游企业主要有城镇燃气、工业燃料、燃气电厂、天然气化工等四大用户，中间长输管道运输由管网公司提供。即上游企业直接向下游企业销售天然气，委托国家管网公司和省级管网公司运输给下游企业，其中，管网公司运输主要分为国家干线管网和省级管网。国家干线管网在整个油气市场中，只从事运输、存储和调控工作，并不参与天然气的销售，国家管网公司成立后天然气市场运销示意图如图1所示。

图1 国家管网公司成立后天然气市场运销示意图

科学合理的管输定价机制有利于天然气市场的良性运行，促进管网互联互通，提高管网利用率。天然气管网运储业务定价主要涉及三方主体：一是作为监督者的政府主体，其价值目标为社会效益最大化；二是提供服务的管网企业主体，其价值目标为企业利益最大化；三是接受管输服务的消费主体，其追求的价值目标为使用成本最小化。所以，管输定价机制的本质是一个实现社会效益最大化、管网企业利润最大化及使用企业成本最小化的多目标优化问题（见图2）。为了进一步对天然气管输定价机制进行研究，本文将探讨整个管网系统中天然气年运储量带来的内外部效益，研究管输定价中政府部门与管网企业之间的交互作用，对比不同定价机制下的总收益，从而给出更适合中国国情的定价机制建议。

图2 管输定价目标关系图

2.2 “两部制”定价机制

天然气管道输送环节最重要的是管道建设及管网运营管理［14］，其大部分成本都是固定成本，与管输量无关。常用的管输定价有边际成本定价、平均成本定价、“两部制”定价和净回值定价。“一部制”定价用管道使用费来回收所有的管道成本，而“两部制”定价在“一部制”的基础上增加了管道容量费的计价，这部分费用与实际管输量无关，只与用户预定的管输容量相关，对于保障管输市场各主体的效益来讲更加公平，是目前国际通用的定价机制。在“两部制”定价中，与管输量无关的固定成本主要由管输容量费回收，管道使用费回收与实际管输量有关的变动成本。在国家管网公司成立之前，油气市场为一体化模式，管道运营商与上游生产商往往同属一个企业，此时采用“一部制”定价，在管输部分亏损的利益可在生产及销售环节进行弥补，对于管输企业来讲，不必再区分管输容量费和管输使用费。统一执行“使用收费，不使用不收费”，这也是中国在2004年和2005年，对陕京管线和忠武管线试行“两部制”定价机制失败的原因之一。

国家管网公司成立后，如果继续采用“一部制”定价，高昂的固定成本投资将难以收回，管输企业运营将陷入困境；通过抬高管输价进行成本回收，必定导致管网利用率降低，违背了油气体制改革的初衷。“两部制”定价将固定成本合理分摊到管道容量费与管道使用费中，不仅能够解决管输企业合理收益问题，还能使用户产生“为避免亏损而尽量按更加准确的用气量预定管输容量”的心理，从而提高管网利用率。以下将基于“两部制”管输定价机制，通过模型优化设计，进一步确定“两部制”对管输企业效益及社会效益的影响。

3 管输定价双层规划模型设计

3.1 双层规划及参数设定

3.1.1 双层规划

双层规划模型在产品定价研究中较为有效，广泛运用于公共服务定价、水权交易定价、交通服务定价等领域。双层规划具有一定的独立性，即各层决策者各自控制一部分决策变量，以优化各自目标。双层规划又具有一定的自主性，即上层决策可能影响下层行为，从而部分影响下层目标的实现，但上层不能完全控制下层的选择行为，在上层决策允许范围内，下层有自主决策权［15］。上层决策者通过设置X的值影响下层决策者，下层决策变量Y是上层决策变量的函数，由此可得双层规划一般模型：

式中：F:Rm×Rn→R—上层目标函数；f:Rm×Rn→R—下层目标函数；x∈Rm—上层变量；y∈Rn—下层变量；G:Rm×Rn→Rl—上层约束函数；g:Rm×Rn→Rk—下层约束函数。R—域，Rm、Rn、Rl、Rk—R中不同的域。

在有多主体、多目标的决策问题中，双层规划或是多层规划更能显示其优势。作为天然气交易中枢的管网运输和储存是天然气交易的关键环节。管输环节具有自然垄断属性，管输价的确定并不是完全由管网企业决定，而是受到管网企业与政府的双重影响，政府对管输价实行核准制。因此，选取双层规划模型来分析天然气管输定价问题。为便于讨论，做出如下假设：一是根据国家对管网企业改革的目标，管网企业不得参与油气销售业务。由此，假设管网企业主营业务为天然气运输和存储，对天然气交易提供管输及存储服务，并收取一定的服务费用；二是根据最新的天然气管输定价办法及管网企业的规划及发展模式，多数管道不再是单一的具有明确开口出口，而是呈网络状。天然气长输管道贸易交接计量大多是以温度293.15 K（20 ℃）、压力101.325 KPa条件下的天然气体积作为结算依据，小部分以天然气发热量作为结算依据［16］。所以，假设运输和存储价格采用同网同价，即管网企业将按运输量和存储量收费。

3.1.2 参数设定

（1）i

文中i=1、2、3、4，分别表示城镇燃气、工业燃料、燃气电厂、天然气化工等四大用户。

（2）天然气量

Qc—管网企业的年总天然气运输量，m3；Qr—管网企业的年总储存量，即上游总产量减去其销售给下游的总量，m3；qi—上游企业委托管网公司与下游各用户运输交易的天然气量，m3；Qd—管道公司一年内签订的管输量，m3。

（3）价格

ω—政府天然气补贴价，元；uP—管网企业收取的单位管输使用费，元/m3；rP—管网企业收取的单位储存费，元/m3；vP—管网企业收取的单位管网容量费，元/m3。

（4）成本

CT—管网企业总成本，参考常规成本函数，结合管输实际，设定总成本为CT=c0+c1Qc，其中c0、c1分别为成本系数；Cr—上游企业年单位储存成本，元/m3，则年总储存成本为CrQr。

3.2 模型设计

3.2.1 下层规划

在下层规划中，主要考虑管网企业在政府指导确定合理收益，以管输企业利润最大化为下层规划目标进行建模，即天然气运储收入加政府补贴减管网运营总成本。模型构建如下：

式中：π—管网企业利润，元。

约束条件：

（1）管道运输约束

0 ≤Qc≤ Q′c，其中，Q′c—管网企业年最大天然气运输量，m3，即管网企业的年天然气运输量不大于其运输能力；0≤Qc≤Qd，即管道使用量应小于协议管输量。

（2）管道存储约束

0 ≤Qr≤Q′r，其中，Q′r—管网企业存储天然气的最大能力，m3，即管网公司天然气存储量不超过其存储能力。

（3）价格约束

0 ≤Pu≤Pu′、0 ≤Pv≤ Pv′，其中，Pu′—管网使用者能承受的最大管输价，元/m3，即管输运价不应超过消费者的预期价格；Pv′—管网企业收取的单位管网最大容量费，元/m3。

（4）收益约束

a≤π≤b，其中，a、b—管网企业利润合理收益的最大、最小值，元。在考虑管网企业利润时，若实际输气量Qc和设计输气能力Q0＜75%，则此时计算令Qc=75%Q0。

3.2.2 上层规划

约束条件：

（1）天然气年交易使用量约束

（2）补贴约束

0 ≤ωQc≤ S′，其中，S′—政府补贴天然气的最大金额，元。

上述变量均需满足非负约束。

综上所述，基于“两部制”管输定价的双层规划模型如下：

上层规划：

下层规划：

4 求解及模拟算例

4.1 模型求解

双层规划模型本质上是一个NP-hard问题，难以求解［17］。以上两个模型都属于非线性双层规划模型，求解更加复杂。目前学者们对于非线性双层规划模型的求解方法主要集中在遗传算法、启发式算法、罚函数法等。由于管输定价双层规划模型是凸规划，所以库恩-塔克条件（K-T）可作为求最优解的充分必要条件。即将下层规划转化为K-T条件加入上层规划中，使双层规划转化为单层规划，最后用MATLAB求解转化的单层规划问题得出结果，并进行比较。

首先用K-T条件表示下层规划得：

式中：1λ～λ12—拉格朗日乘子，均为非负数。

将下层规划转换的K-T条件加入上层规划中，得到最终的单层规划如下：

最后用MATLAB求解单层规划可得最终结果。

4.2 模拟算例

某天然气管道企业有两条在役管道，总设计输气量为250×108m3/a。该管道企业近3年年总协议平均管输量为120×108m3，2018年主营业务收入为32.492 5×108元，管道固定资产净值为207.76×108元，占用运营资本 11.20×108元，合计有效资产为218.96×108元，按照8%核定企业净利润为17.516 8×108元。

该管道企业年运储量为QT，天然气管输价格为P。为了简便计算，四大用户产业的天然气每立方米产值用 2020年的数据测度，根据《2020年天然气行业年度运行报告》及统计年鉴中的数据，计算得V1=644.83元/m3，V2=281.75元/m3，V3=34.56元/m3，V4=28.14元/m3。根据国家财政预算可以得知，国家对天然气管输业务的预算补贴不超过47.62×108元/a。参考相关文献对于管输成本函数的应用，并结合某企业的成本运输量数据，再由最小二乘法估计，设定该企业管道运输成本函数为CT=0.051Q+10.537。根据调查，综合各管网使用者的心理承受价，设定管输运价不高于 2.26元/m3，管道容量费率不高于1.46元/m3。管道运输企业在运营过程中，产生的负外部效应较小，模拟时设定负外部效益等于零。

可以得到基于“两部制”管输定价的双层规划模型为：

同理，模拟传统管输定价机制的双层规划模型为：

上述两个模型按照4.1所示方法，先用K-T条件转换为单层规划问题，最后用MATLAB（2019a）求解，结果如表1所示。

表1 现行与“两部制”管输定价双层规划模型结果对比

传统管输定价机制模型求解得管输价为 0.433 4元/m3，年管输量为73.365 3×108m3，社会总效益为47 325×108元。“两部制”管输定价模型求解得管输使用费为0.082 2元/m3，管输容量费为0.223 6元/m3，管输定价为0.305 8元/m3，“两部制”定价较现有定价降低0.127 6元/m3，降幅达29.44%。“两部制”管输定价模型年管输量为 89.371 5×108m3，增幅为21.82%，意味着“两部制”较现有定价机制管网利用率将提高21.82%；社会总效益为57 647×108元，增加 21.81%，“两部制”定价对社会总效益的促进作用显著，较传统定价更有优势。

5 结论及政策建议

5.1 研究结论

基于天然气管输“两部制”定价机制，结合管输定价中政府与管输企业的双层决策机制，建立了上层以社会效益最大化为目标和下层以企业自身利益最大化为目标的双层规划模型。运用算例模拟，证实了模型的合理性，通过对两种定价机制模拟结果的比较，可以得知在管网独立的背景下，采用“两部制”定价机制时，管输量和社会总效益都有较大幅度的增加，反映出“两部制”定价机制对管输企业、天然气行业发展及社会效益具有正向促进作用：一是从天然气管输市场角度看，一方面，“两部制”定价机制促使管网使用者按更加精确的天然气用量进行管网使用预约，提升了管输量，增大了管网利用效率。另一方面，管道使用分担了一部分的管输固定成本，使得管输企业承担的总成本减小，总收益增加。二是从社会角度看，“两部制”定价机制促进了天然气市场的交易，四大用户的天然气使用量间接增大，极大提升了社会效益。

5.2 “两部制”管输定价机制推行难点分析

天然气市场对于管输“能量计量-两部制”定价的改革需求是迫切的，但其推行还存在诸多困难：

从天然气下游市场角度看，“两部制”管输定价存在使下游企业出现管容浪费或超提的现象。若下游企业发展不均衡或是对计划用气量预测不准确，盲目按“两部制”计价易导致其超量罚款或管容闲置浪费。

从管输主体看，国家管网公司虽已成立，但中间管输主体间的竞合关系尚未确定，管输环节还存在一定问题，如国家管网公司与省级管网公司合作运行模式的确定。在管输“全国一张网”形成前，“两部制”计价存在主体混乱、定价模糊的风险，不利于“两部制”定价机制的实施。

管输企业资产认定问题在国家管网公司成立时，已进行了初步的评估认定，但评估的增值部分和折旧部分是否能作为定价成本还未最终确定，部分省级管网公司与国家管网公司的合作或并入正在逐步洽谈，有效资产的认定工作并未完全解决，给“两部制”定价的推行增加了难度。

根据中国“新办法”的规定，管输环节的准许收益率设定为8%，即以8%的准许收益率来核定国家管网管输价，其他管输企业参照国家管网管输价执行。然而，对于新建管道而言，由于投资中时间价值延期的影响，项目内部收益率往往达不到8%，所以，准许收益率的设定不利于新建管道的实施。

5.3 政策建议

结合以上研究结论和“两部制”定价机制的推行难点分析，为构建合理的管输定价体系，提出如下政策建议：

（1）以“两部制”为基础设计管输定价机制，开展“两部制”定价试点。中国管输价从最开始的按距离收费到按管线分别计价的“一线一价”，到按企业收益核定的“一企一率”，再到2021年新政提出的按区域核定运价率的“一区一价”，从本质上讲都属于业内所称的“一部制”计价。国家管网公司成立后，天然气交易市场转变为运销分离的形式，管道运输企业实现了真正的独立运营，推行天然气管输“两部制”定价机制条件已基本成熟，分别对管道容量和管道使用计价，更能提高管网利用率，激活天然气市场的交易，从而推动天然气行业的发展。

（2）进行合理的管输价格结构和准许收益率的设计，为管输企业降压。“两部制”管输能更合理地进行管输成本分配，进而促进天然气管输市场良性发展。可按年收益分段进行不同的准许收益率管输价的核定，以此保障新旧管道准许收益的平衡。在天然气改革过程中，政府一直鼓励多主体参与，带动市场发展，而现有管输价格结构和准许收益标准对传统管输企业和新进管输企业存在较大差异，也不利于形成区域统一的管输市场。全国一张网建设完善后，天然气管输市场将进一步扩大，市场对管输环节提出了新要求，为更好实现天然气管输市场规模化，应进行合理的管输价格结构和准许收益率的设计。

（3）进一步完善管输定价政府监管体系。天然气行业属于自然垄断行业，管道输送又是其中的关键环节，政府的监管必不可少。在天然气市场中，政府除了对整个市场进行适度宏观调控、保障能源安全外，也肩负了“管住中间，放开两头”的改革重任。“管住中间”的关键就是要建立高效的政府监管体系，保证管输环节费用公平公正，从而促进天然气市场的健康发展。