天然氣市場調(diào)節(jié)研究進(jìn)展

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1、天然氣市場調(diào)節(jié)研究進(jìn)展天然氣市場調(diào)節(jié)研究進(jìn)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(jìn)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(jìn)展。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

2、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(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢成為全球第三大能源，占全球能源消費(fèi)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(jìn)程不斷加快，但與發(fā)達(dá)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(jì)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(jìn)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。另外，中國現(xiàn)行的天然氣定價機(jī)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(fèi)，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(kuò)張

3、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(jìn)程較短，部分環(huán)節(jié)處于試點(diǎn)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(jī)制十分重要8。由于天然氣供給鏈系統(tǒng)受天然氣上、中、下游的影響和支配，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)

4、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(jìn)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(jī)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(jī)制、資源稟賦及進(jìn)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

5、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。Brigida14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（GeneralizedAutoRegressiveConditionalHeteroskedasticity，GARCH），對油價和天然氣的現(xiàn)貨市場價格收益波動進(jìn)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

6、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(jìn)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過獨(dú)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(diǎn)法綜合考慮多種技術(shù)經(jīng)濟(jì)約束，求解并分析天然氣和電的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)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

7、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(fù)荷處理能力與日益增長的天然氣消費(fèi)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(jìn)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(dá)州和南加利福尼亞州的

8、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，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(jìn)口液

9、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復(fù)雜的耦合關(guān)系，對天然氣需求情況進(jìn)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(jìn)口、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、天然氣網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)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

10、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(hù)，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部因素，如經(jīng)濟(jì)、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(fèi)。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(fèi)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(jìn)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(jì)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

11、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于能源預(yù)測，該方法基于隨機(jī)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(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)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(fèi)量的預(yù)測?；疑到y(tǒng)理論

12、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(fèi)爾哈斯特模型和非線性灰色伯努利模型構(gòu)建了中國天然氣消費(fèi)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(jìn)口能力，對供求關(guān)系和進(jìn)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(diǎn)，利用歷史天然氣消費(fèi)量估計每個分配點(diǎn)的次日需求量。Karadede等35基

13、于線性回歸，提出采用耦合改進(jìn)遺傳和模擬退火的混合算法預(yù)測。3天然氣市場分析天然氣市場由多個主體構(gòu)成，生產(chǎn)商、運(yùn)輸商、貯存商、銷售商以及終端消費(fèi)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(jìn)行多主體建模，探究天然氣網(wǎng)絡(luò)市場中的相互作用機(jī)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(jìn)行天然氣市場均衡分析。Lise等38基于遞歸-動態(tài)表達(dá)式，提出計

14、算博弈理論模型，對歐洲20052030年間天然氣市場需求、供應(yīng)、管道和液化天然氣運(yùn)輸、儲存和投資之間的相互作用進(jìn)行求解?？紤]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(bǔ)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(yùn)營商、LNG液化及再氣化方的經(jīng)濟(jì)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(jìn)行建模。隨后，Egging等41-42針對全球天然氣市場，建立多周期

15、全球天然氣互補(bǔ)模型，該模型考慮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(jìn)行改進(jìn)，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(yùn)營者、第三方營銷者以及終端用戶的線性互補(bǔ)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(jìn)行政策分析，通過建立市場各主體的數(shù)量聯(lián)系進(jìn)行擾動分析。Zhan

16、g等44采用CGE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(jì)的影響。He和Lin45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(jìn)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(jì)效益的影響。Orlov46基于CGE分析了取消天然氣消費(fèi)暗補(bǔ)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(jìn)口天然氣、以船運(yùn)進(jìn)口液化天然氣，中游環(huán)節(jié)包括運(yùn)輸、存儲、液化、氣化等，最終輸送到下游目標(biāo)市場進(jìn)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，可將已有的研究成果分為確定性規(guī)劃

17、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(yùn)輸及處理進(jìn)行規(guī)劃。運(yùn)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(yùn)行費(fèi)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(kuò)張），建立大規(guī)?；旌险麛?shù)非線性規(guī)劃模型（mixedintegernonlinearprogr

18、amming，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(jìn)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(jìn)口、管道進(jìn)口、管道運(yùn)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(jī)MILP模型，求解液化天然氣市場戰(zhàn)略規(guī)劃問題。Chebei

19、r等55提出兩階段隨機(jī)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)odstad57建立隨機(jī)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

20、59耦合天然氣輸送網(wǎng)絡(luò)動態(tài)模擬器與隨機(jī)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(jìn)行策略規(guī)劃，其中采用了無跡變換處理不確定性傳播。Mitsuo60考慮了需求量的季節(jié)變化以及不同運(yùn)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-Gonzalez61將定價政策引入二氧化碳捕集、運(yùn)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(jī)MILP模型。表示隨機(jī)性的一種常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

21、對廣泛形式的隨機(jī)市場模型進(jìn)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?？蓪崿F(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(jī)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(jìn)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(jìn)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(yùn)、交易等各環(huán)節(jié)進(jìn)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)。