天然氣市場調(diào)節(jié)研究進展

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1、天然氣市場調(diào)節(jié)研究進展 天然氣市場調(diào)節(jié)研究進展 2018/04/17 摘要：合理規(guī)劃天然氣供給系統(tǒng)是天然氣市場調(diào)節(jié)的重要組成部分，有利于推動天然氣行業(yè)供給側(cè)改革，實現(xiàn)天然氣產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。天然氣供給系統(tǒng)與天然氣價格及需求緊密相關(guān)，通過對國內(nèi)外相關(guān)研究成果進行調(diào)研，總結(jié)了全球范圍內(nèi)天然氣價格波動的長期及短期影響因素，歸納了天然氣需求量波動影響因素及預(yù)測方法。詳述了近年來天然氣市場多主體分析的主要研究成果，并依據(jù)輸入?yún)?shù)類型梳理了國內(nèi)外天然氣供給鏈系統(tǒng)規(guī)劃模型的最新進展

2、。最后結(jié)合天然氣市場調(diào)節(jié)系列問題的研究現(xiàn)狀，提出了從供給側(cè)出發(fā)的天然氣市場調(diào)節(jié)思路，以期對中國天然氣市場有效調(diào)節(jié)提供借鑒。 關(guān)鍵詞：天然氣；供給側(cè)；市場調(diào)節(jié)；供給鏈規(guī)劃 繼石油和煤炭之后，天然氣以其優(yōu)質(zhì)、高效、清潔、易于儲存和運輸?shù)葍?yōu)勢成為全球第三大能源，占全球能源消費量的24.1%[1]。中國天然氣行業(yè)不斷發(fā)展和完善，市場化進程不斷加快，但與發(fā)達國家相比仍處于初級階段。一方面，中國自然資源稟賦和經(jīng)濟增長存在區(qū)域不平衡，導(dǎo)致天然氣區(qū)域供需不匹配。其次，存在進口價格波動和地緣政治動蕩等外部因素，使得天然氣供應(yīng)存在不確定性，影響天然氣出口國對中國的跨國供應(yīng)[2]。另

3、外，中國現(xiàn)行的天然氣定價機制缺乏能源供需公平，既無法刺激中上游生產(chǎn)及供應(yīng)，也不利于調(diào)節(jié)下游消費，制約了中國天然氣產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展[3]。近年來，中國政府出臺了一系列鼓勵天然氣供應(yīng)擴張的政策，包括全國天然氣價格市場化改革方案，以發(fā)揮價格在資源配置中的基礎(chǔ)作用，增加天然氣在中國能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中的比例[4-5]。但由于改革時間進程較短，部分環(huán)節(jié)處于試點或萌芽階段，價格扭曲現(xiàn)象仍然存在，深度與力度有待提升[3，6]。中國能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革戰(zhàn)略為天然氣行業(yè)發(fā)展提供了導(dǎo)向意義[7]。如何有效從供給側(cè)出發(fā)調(diào)節(jié)天然氣供需矛盾，對形成供需相互作用驅(qū)動的市場機制十分重要[8]。由于天然氣供給鏈系統(tǒng)受天然氣上、中、下

4、游的影響和支配，同天然氣價格和需求波動存在緊密聯(lián)系。價格與市場供求存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，一般而言價格調(diào)節(jié)市場供求平衡關(guān)系，而供求關(guān)系反作用于價格。在此首先歸納了天然氣價格及需求量波動的影響因素，總結(jié)了現(xiàn)有天然氣需求量預(yù)測方法，隨后對國內(nèi)外近年來天然氣市場分析方法和天然氣供給鏈規(guī)劃問題的主要研究成果進行梳理，從供給側(cè)出發(fā)為中國天然氣市場調(diào)節(jié)提供了思路。 1天然氣價格影響因素 準(zhǔn)確掌握價格波動的基本特征及其影響機制，對保障天然氣供應(yīng)安全和供給鏈系統(tǒng)規(guī)劃具有重要意義。目前，全球天然氣貿(mào)易市場主要分為北美、歐洲及亞太三大區(qū)域市場[4]，由于其市場成熟度、價格機制、資源稟賦

5、及進口來源有所不同，導(dǎo)致對應(yīng)的價格波動特征也存在不同[9]。但一般而言，天然氣價格受代替能源價格、天氣、市場供需不均衡、偶然沖擊等因素的影響，可從長期角度和短期角度兩方面分析。 1.1長期影響因素 代替能源價格水平對天然氣價格具有長期影響。通過對歐洲[10-11]，北美[12-13]市場的研究，很多學(xué)者證明了原油價格與天然氣價格存在長期平衡關(guān)系。Brigida[14]通過將協(xié)整向量變化納入?yún)f(xié)整方程估計中，根據(jù)一階馬爾可夫過程準(zhǔn)確捕捉了天然氣和原油價格間的協(xié)整關(guān)系。Saltik等[15]采用了多種類型的廣義自回歸條件異方差模型（GeneralizedAutoReg

6、ressiveConditionalHeteroskedasticity，GARCH），對油價和天然氣的現(xiàn)貨市場價格收益波動進行分析。Caporin等[16]表明在頁巖氣革命的影響下，油價對天然氣價格的影響已經(jīng)翻倍，然而是否已經(jīng)形成了新的油氣長期關(guān)系仍有待探索。除原油外，其他能源載體對天然氣價格也會產(chǎn)生一定影響。Wiser等[17]提出增加可再生能源部署將會減少天然氣需求，從而對天然氣價格造成下行壓力。Nick等[18]基于結(jié)構(gòu)向量自回歸模型（StructuralVectorAutoregressive，VAR）對德國天然氣市場進行分析，提出天然氣長期發(fā)展與煤炭價格緊密相關(guān)。天然氣和電能分別通

7、過獨立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交付給終端用戶，然而其內(nèi)在能源屬性和相互依賴特性影響著定價。Amirnekooei等[19]針對天然氣-電力統(tǒng)一系統(tǒng)，基于內(nèi)點法綜合考慮多種技術(shù)經(jīng)濟約束，求解并分析天然氣和電的最優(yōu)節(jié)點邊際價格。 1.2短期影響因素 天然氣價格短期動態(tài)變化與外在因素有關(guān)，如天氣、供需關(guān)系波動、偶然沖擊等。許多學(xué)者提出天氣是影響天然氣短期價格的主要因素[18，20-22]。天然氣作為主要的供暖來源，其消耗量具有明顯的季節(jié)性特征。居民和商業(yè)用戶的需求主要取決于溫度，因此冬季天然氣消耗量較高，而春夏相對較少，使天然氣價格形成一個深刻的季節(jié)性模式。天然氣市場還面臨著供需兩

8、方面的周期性沖擊，造成天然氣價格扭曲[23-24]。當(dāng)現(xiàn)有管道輸送能力及峰值負荷處理能力與日益增長的天然氣消費量不匹配時，將限制區(qū)域間天然氣輸送量，從而對天然氣價格產(chǎn)生一定影響。Brown等[25]從管道供給能力角度出發(fā)，通過因果檢驗對北美天然氣市場有限套利的定價效應(yīng)進行研究。Avalos等[26]基于區(qū)域市場一體化假說，利用美國佛羅里達州和南加利福尼亞州的管道日輸量及管容數(shù)據(jù)，分析了產(chǎn)能約束對天然氣價格的影響。另外，儲氣能力也是一個不可忽略的因素[9]。由于氣源較難實現(xiàn)供需靈活匹配，多采用儲氣設(shè)施實現(xiàn)季節(jié)調(diào)峰。當(dāng)儲量低于季節(jié)性標(biāo)準(zhǔn)，天然氣價格將被抬高，反之將會壓低價格。例如，2017年冬季，

9、中國大規(guī)?！懊焊臍狻惫こ虒?dǎo)致天然氣需求上漲，國際天然氣供應(yīng)不足，以及國內(nèi)儲氣設(shè)施建設(shè)滯后等供需失衡致因因素導(dǎo)致中國北方出現(xiàn)大規(guī)模氣荒，液化天然氣價格出現(xiàn)劇烈波動。偶然沖擊不可避免地會對天然氣價格產(chǎn)生顯著影響，如極端天氣[27]、供應(yīng)中斷[18]。當(dāng)氣源靈活度較低且需求量相對缺乏彈性時，中斷供應(yīng)將導(dǎo)致天然氣價格迅速上升。例如，2011年日本福島核泄漏事故導(dǎo)致日本大量進口液化天然氣用于發(fā)電，亞洲的LNG價格出現(xiàn)大幅上漲。2017年12月奧地利天然氣樞紐站爆炸導(dǎo)致意大利、斯洛文尼亞、匈牙利供氣中斷，歐洲的油氣商品價格激增。 2天然氣需求量預(yù)測 價格、供給及需求之間存在

10、復(fù)雜的耦合關(guān)系，對天然氣需求情況進行預(yù)測是天然氣市場調(diào)節(jié)及供給鏈規(guī)劃的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。按照預(yù)測時間周期的長短，可將天然氣需求量預(yù)測分為中長期預(yù)測和短期預(yù)測。中長期需求量預(yù)測對國家能源政策的制定及規(guī)劃具有重要意義，用于輔助天然氣進口、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、天然氣網(wǎng)絡(luò)擴張、關(guān)稅設(shè)計等方面的決策。尤其對于大型跨國管道而言，在建設(shè)初期需要大量投資，通?；陔S后若干年天然氣需求預(yù)測來確定合同的簽署和管道的規(guī)劃設(shè)計。短期天然氣需求量預(yù)測為天然氣供給鏈系統(tǒng)規(guī)劃提供依據(jù)，有利于實現(xiàn)天然氣管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度及維護，有效應(yīng)對突發(fā)事件，保障天然氣供應(yīng)安全。 2.1影響因素 天然氣需求量波動依賴于各種外

11、部因素，如經(jīng)濟、人口、天氣、時間等，這些因素在不同程度上影響特定群體的消費。對于居民用戶，天氣對用氣量增長影響最大；對于工業(yè)用戶，天然氣價格和國民收入水平影響最為顯著。應(yīng)根據(jù)被預(yù)測地區(qū)類型、消費群體類型及時間類型，考慮合適的因素，對國家、城市或局部地區(qū)進行長期或短期需求量預(yù)測。 2.2預(yù)測模型 準(zhǔn)確性是評價預(yù)測方法優(yōu)劣的重要指標(biāo)，預(yù)測偏差過大將會導(dǎo)致市場供需不平衡，產(chǎn)生重大經(jīng)濟損失。需根據(jù)數(shù)據(jù)模式的長度和特征（線性或非線性），輸入變量的范圍和所需的精度，選擇合適的建模方法。目前，預(yù)測方法大致可以分為3類，時間序列分析、灰色系統(tǒng)理論及智能算法。時間序列分析被廣泛用

12、于能源預(yù)測，該方法基于隨機過程理論和數(shù)理統(tǒng)計方法。當(dāng)數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)未知時，可通過對相同變量的觀測，建立反映序列中所包含的動態(tài)依存關(guān)系的數(shù)學(xué)模型[28]。Boroojeni等[29]針對電力系統(tǒng)，提出一種以時間序列形式對歷史負荷數(shù)據(jù)進行建模的通用技術(shù)，給定不同類型的時間周期（每天、每周、每季度、每年）均能實現(xiàn)短期到中期的需求預(yù)測。Shaikh等[30]基于計量經(jīng)濟學(xué)、人口統(tǒng)計學(xué)及統(tǒng)計理論原理，開發(fā)了logistic和logistic人口模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對中國中長期天然氣消費量的預(yù)測?；疑到y(tǒng)理論能夠使不確定因素和小樣本信息得以量化，因此可用于構(gòu)建預(yù)測及決策模型。Shaikh等[31]利用灰色費爾哈斯特

13、模型和非線性灰色伯努利模型構(gòu)建了中國天然氣消費量預(yù)測模型，并評估了中國現(xiàn)有天然氣供應(yīng)和預(yù)計天然氣供應(yīng)、液化天然氣和管道天然氣進口能力，對供求關(guān)系和進口趨勢的預(yù)測有一定借鑒意義。智能算法由于能解決非線性決策問題而被廣泛應(yīng)用于天然氣需求量預(yù)測，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[32]，遺傳算法[33]等。Panapakidis等[34]結(jié)合小波變換、遺傳算法、自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)及前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立需求量預(yù)測通用模型，可應(yīng)用于國家天然氣網(wǎng)絡(luò)的所有分配點，利用歷史天然氣消費量估計每個分配點的次日需求量。Karadede等[35]基于線性回歸，提出采用耦合改進遺傳和模擬退火的混合算法預(yù)測。 3天然氣市場

14、分析 天然氣市場由多個主體構(gòu)成，生產(chǎn)商、運輸商、貯存商、銷售商以及終端消費者在其中扮演不同角色，存在不同利益訴求[36-37]。根據(jù)區(qū)域覆蓋差異，可從企業(yè)、地區(qū)、國家乃至全球視角對天然氣市場進行多主體建模，探究天然氣網(wǎng)絡(luò)市場中的相互作用機制，實現(xiàn)市場均衡分析或政策分析，如個別市場參與者的市場能力分析、產(chǎn)能對價格的影響、區(qū)域和季節(jié)性的價格差異等。通過天然氣市場的深入分析，能夠在宏觀角度為供給鏈規(guī)劃提供指導(dǎo)。許多學(xué)者基于博弈論闡述天然氣網(wǎng)絡(luò)中各主體間的競爭合作關(guān)系，從而進行天然氣市場均衡分析。Lise等[38]基于遞歸-動態(tài)表達式，提出計算博弈理論模型，對歐洲2005—2030年間

15、天然氣市場需求、供應(yīng)、管道和液化天然氣運輸、儲存和投資之間的相互作用進行求解。考慮天然氣生產(chǎn)商的戰(zhàn)略行為對未來天然氣價格和市場投資的影響，Holz等[39]基于上游市場與下游市場的兩階段博弈，建立歐洲天然氣供應(yīng)模型。Egging等[40]建立綜合互補優(yōu)化模型，求解歐洲天然氣系統(tǒng)市場均衡價格，基于卡羅需-庫恩-塔克條件和市場出清條件模擬天然氣供給鏈中生產(chǎn)方、交易員、管道和存儲運營商、LNG液化及再氣化方的經(jīng)濟行為，借助合適的成本函數(shù)、總需求曲線及事后計算方法分別對LNG油輪、銷售人員及終端用戶進行建模。隨后，Egging等[41-42]針對全球天然氣市場，建立多周期全球天然氣互補模型，該模型考慮

16、了天然氣輸送管道及存儲能力的內(nèi)生性投資、液化及再氣化能力的發(fā)展、生產(chǎn)能力及需求量的增長、價格和成本隨時間的增加。之后，Egging等[43]對全球天然氣模型進行改進，增加了跨國天然氣管道和LNG長期合同約束。Gabriel等[37]針對北美天然氣市場，建立包含生產(chǎn)商、貯存及調(diào)峰運營者、第三方營銷者以及終端用戶的線性互補均衡模型，其中營銷者遵循古諾-納什均衡，其余參與者則符合完全市場競爭模式。另外，還有許多學(xué)者利用可計算一般均衡模型（ComputableGeneralEquilibrium，CGE）對天然氣市場進行政策分析，通過建立市場各主體的數(shù)量聯(lián)系進行擾動分析。Zhang等[44]采用CGE

17、和社會核算矩陣，分析了天然氣價格變化對中國居民及國家總體經(jīng)濟的影響。He和Lin[45]采用靜態(tài)CGE模型，對不完全競爭市場下中國政府對天然氣價格的控制行為進行探究，模擬了政策變化對碳排放、供給側(cè)及需求側(cè)經(jīng)濟效益的影響。Orlov[46]基于CGE分析了取消天然氣消費暗補所帶來的分配效應(yīng)。 4天然氣供給鏈規(guī)劃 天然氣系統(tǒng)擁有龐大而復(fù)雜的供給鏈，各個環(huán)節(jié)緊密銜接。上游開發(fā)和生產(chǎn)天然氣資源，或通過國際貿(mào)易以管道進口天然氣、以船運進口液化天然氣，中游環(huán)節(jié)包括運輸、存儲、液化、氣化等，最終輸送到下游目標(biāo)市場進行產(chǎn)品銷售[47]。按照天然氣供給鏈規(guī)劃模型輸入?yún)?shù)的類型，可

18、將已有的研究成果分為確定性規(guī)劃和不確定性規(guī)劃。 4.1確定性規(guī)劃 針對天然氣勘探及開發(fā)規(guī)劃問題，Caldern等[48]考慮融資方式的不同，為頁巖氣資源開發(fā)規(guī)劃問題建立混合整數(shù)線性規(guī)劃模型（mixedintegerlinearprogramming，MILP），能夠?qū)︺@探計劃、水和天然氣的運輸及處理進行規(guī)劃。運輸及儲存系統(tǒng)是天然氣供給鏈不可缺少的組成部分。Maryam等[49]以整個天然氣供給鏈系統(tǒng)的運行費用最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮體積、供需平衡、流量平衡等約束建立了MILP模型。Üster等[50]針對多周期天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃問題（新建或擴張），建立大規(guī)

19、?；旌险麛?shù)非線性規(guī)劃模型（mixedintegernonlinearprogramming，MINLP），能夠求得管道及站場的相應(yīng)設(shè)計參數(shù)及最優(yōu)建設(shè)時間安排。Wang等[51]進一步考慮地形因素，建立多周期天然氣管網(wǎng)規(guī)劃MILP模型。 4.2不確定性規(guī)劃 影響天然氣供給鏈的很多因素都存在內(nèi)在不確定性[52-53]，如供給量、需求量及價格的不確定性。價格的不確定性包括國內(nèi)氣田生產(chǎn)、LNG進口、管道進口、管道運輸以及儲存等價格。針對價格波動問題，Zhang等[2]以最低供應(yīng)價格為目標(biāo)，建立長期多區(qū)域動態(tài)優(yōu)化模型，考慮供給及輸送能力約束，分析供應(yīng)價格對國內(nèi)天然氣供給鏈

20、及基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的影響。Uggen等[54]基于投資組合視角，建立多級隨機MILP模型，求解液化天然氣市場戰(zhàn)略規(guī)劃問題。Chebeir等[55]提出兩階段隨機規(guī)劃模型，用于優(yōu)化頁巖氣供給鏈網(wǎng)絡(luò)，其中采用二項期權(quán)定價生成場景樹以處理產(chǎn)品價格的不確定性。Waldemarsson等[56]建立MILP模型，分析能源價格對能源密集型企業(yè)的生產(chǎn)和供給鏈規(guī)劃產(chǎn)生的影響。針對供需波動問題，F(xiàn)odstad[57]建立隨機混合整數(shù)二次規(guī)劃模型（mixedintegerquadraticprogramming，MIQP），分析天然氣消耗量對管道建設(shè)投資的影響。Dieckhöner等[58]建立歐洲天然氣基

21、礎(chǔ)設(shè)施和分配模型，基于場景分析識別特定位置的邊際供應(yīng)成本和輸氣管網(wǎng)中的擁擠情況，考慮了需求量變化、管道建設(shè)及LNG供過于求等場景。Behrooz等[59]耦合天然氣輸送網(wǎng)絡(luò)動態(tài)模擬器與隨機優(yōu)化框架，考慮未來需求不確定，對天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)進行策略規(guī)劃，其中采用了無跡變換處理不確定性傳播。Mitsuo[60]考慮了需求量的季節(jié)變化以及不同運輸方式和價格，以LNG供給鏈系統(tǒng)利益最大為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化模型。Santibanez-Gonzalez[61]將定價政策引入二氧化碳捕集、運輸及封存的供給鏈網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，以投資和建設(shè)成本最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮儲層不確定性，建立兩階段隨機MILP模型。表示隨機性的一種常

22、見方法是將未來可能發(fā)生的事件數(shù)量限制為由場景表征的有限事件集。場景數(shù)目過多會導(dǎo)致模型規(guī)模較大，求解困難。Gabriela等[62]提出一個啟發(fā)式的場景減少方法，可對廣泛形式的隨機市場模型進行求解，能夠有效減少計算量。 5結(jié)論和展望 價格、供給及需求之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，通過對價格與需求波動的預(yù)測，以及對天然氣市場的宏觀分析，可實現(xiàn)天然氣供給鏈規(guī)劃，從而基于供給側(cè)實現(xiàn)對天然氣市場的調(diào)節(jié)，緩解供需不均問題。市場分析是天然氣市場調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過多主體建模可實現(xiàn)市場均衡或政策分析，探究天然氣網(wǎng)絡(luò)市場中的相互作用機制。一方面，根據(jù)區(qū)域覆蓋差異能夠?qū)?、地區(qū)或企業(yè)的現(xiàn)行市場政策進行宏觀分析，從而實現(xiàn)政策定性及定量評價。另一方面，根據(jù)市場分析結(jié)果可反向提出政策指導(dǎo)建議，調(diào)節(jié)現(xiàn)行政策，從而在市場層面調(diào)節(jié)價格與供需關(guān)系，緩解供需矛盾。在確定合理宏觀政策的基礎(chǔ)上，可通過數(shù)學(xué)規(guī)劃方法進行天然氣供給鏈規(guī)劃建模?？紤]價格及供需等不確定條件可使模型接近現(xiàn)實情況，從而對天然氣供給鏈的勘探、開發(fā)、儲運、交易等各環(huán)節(jié)進行整體或局部針對性規(guī)劃，從供給側(cè)出發(fā)實現(xiàn)對天然氣市場的調(diào)節(jié)。