基于氣象因子的西青開發(fā)區(qū)燃氣負荷模型研究

韓 玥，鄧衛(wèi)疆，高 強，陳 靖,3，鄭 勇，戴 繪，劉志杰

(1.天津市西青區(qū)氣象局 天津300380；2.天津市西青開發(fā)區(qū)燃氣公司 天津300385；3.天津市氣象科學(xué)研究所 天津300074)

0 引 言

天津市西青經(jīng)濟開發(fā)區(qū)燃氣公司隸屬于西青經(jīng)濟開發(fā)區(qū)開發(fā)總公司，主要圍繞西青經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的招商引資工作，以實現(xiàn)“安全經(jīng)營、穩(wěn)定供氣、持續(xù)發(fā)展”為目標(biāo)，向西青開發(fā)區(qū)、微電子工業(yè)區(qū)及周邊工業(yè)園區(qū)、居民小區(qū)提供供氣服務(wù)和管理。開發(fā)區(qū)上游供氣單位為中石油大港油田天然氣公司，供氣管線由西青小卞莊站至西青開發(fā)區(qū)燃氣公司末站，為專線供應(yīng)，日供氣能力 100萬 m3。近幾年作為清潔能源的燃氣需求量不斷加大，極端天氣發(fā)生的頻率增多，考慮到賽達工業(yè)園六期建設(shè)、區(qū)域內(nèi)煤改燃采暖等因素，燃氣需求增長幅度將進一步增大，燃氣公司對燃氣能源供應(yīng)的保障形勢更加嚴峻。

在針對北方空氣質(zhì)量惡化的嚴峻考驗，國家優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)，大力推進煤改燃的大形勢下，為保障開發(fā)區(qū)企業(yè)燃氣穩(wěn)定供應(yīng)，減少高峰供應(yīng)期間調(diào)峰給企業(yè)帶來的壓力以及極端天氣情況下供用氣精準(zhǔn)調(diào)度，充分分析各因素對燃氣負荷的影響變得格外重要。冬季燃氣高峰期陜京大線的供氣能力已經(jīng)達到滿負荷，加之北京天然氣用量的巨幅增長，給華北地區(qū)尤其是天津區(qū)域燃氣供應(yīng)保障帶來巨大壓力。目前西青開發(fā)區(qū)燃氣公司已取得天然氣供應(yīng)國家計劃指標(biāo)，可以說量的需求不是問題。但是上游單位對氣量計劃的執(zhí)行度和吻合率要求非常嚴格，實施月計劃、周安排、日指定的配送方式，吻合率要求達到99%，每日超出計劃即會切斷氣源，對西青開發(fā)區(qū)的燃氣持續(xù)供應(yīng)形成隱患，因此燃氣負荷的預(yù)測對于保證管網(wǎng)用氣量十分重要，是合理規(guī)劃、經(jīng)濟運行的前提[1-2]。

西青開發(fā)區(qū)目前日高峰氣量在50萬m3以上，小時高峰也在 2.5萬 m3以上，現(xiàn)有管容儲氣可暫時應(yīng)急，供氣區(qū)域內(nèi)管容儲氣量僅1.5萬m3。自出現(xiàn)全國性的燃氣供應(yīng)危機以來，近些年區(qū)內(nèi)燃氣供應(yīng)中也曾多次出現(xiàn)燃氣暫時供應(yīng)不足的情況。隨著進駐開發(fā)區(qū)的生產(chǎn)型企業(yè)越來越多，生產(chǎn)上又要求 24,h連續(xù)不間斷供氣，對燃氣公司保障供氣提出了更高、更嚴的要求。中芯國際、寶潔等大型企業(yè)都要求燃氣公司建設(shè)儲氣設(shè)施或做出穩(wěn)定供氣的保證。在公司分別提出地下管束儲氣庫以及LNG儲氣方案未實現(xiàn)的情況下，在與上游單位建立良好溝通渠道的基礎(chǔ)上，通過溫度、風(fēng)力、風(fēng)向等多種氣象因子對燃氣日用氣量的影響特性進行研究，建立基于氣象因子的燃氣負荷量預(yù)報模型，為氣量供應(yīng)科學(xué)調(diào)度、精準(zhǔn)預(yù)測提供有效依據(jù)，保障氣源的正常供應(yīng)。

研究表明[3-5]，城市燃氣負荷與氣象因子關(guān)系密切，雖然影響燃氣負荷的因子有很多，但氣象因子是最直接的影響因子之一，所以基于氣象因子的燃氣負荷量預(yù)報技術(shù)十分必要。本文利用西青開發(fā)區(qū)2011—2015年逐日燃氣負荷量和同時期氣象要素值研究燃氣負荷與主要氣象因子間的關(guān)系[6]，建立基于氣象因子的西青開發(fā)區(qū)燃氣負荷模型。

1 資 料

本文選取的燃氣負荷數(shù)據(jù)為2011—2015年西青開發(fā)區(qū)燃氣負荷量值(實況值和預(yù)報值)，氣象數(shù)據(jù)來源于 2011—2015年西青區(qū)大寺鎮(zhèn)各氣象要素值(氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速)和溫度預(yù)報值。

燃氣負荷變化隨時間變化呈長期變化趨勢和季節(jié)波動特征，前者主要受社會經(jīng)濟發(fā)展因素的影響，后者反映季節(jié)變化及氣象條件對燃氣負荷的影響。因此研究氣象條件與燃氣負荷關(guān)系時，需要剔除燃氣負荷長期變化趨勢項。由于近幾年，西青區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展比較平穩(wěn)，因此采用線性關(guān)系表示燃氣變化的長期趨勢：

燃氣負荷變化量為：

其中，tr(t)為燃氣負荷長期變化趨勢，Y(t)為逐日實際燃氣負荷量，y(t)為剔除掉燃氣負荷長期變化趨勢后的燃氣負荷變化量，本文采用后者作為研究對象，t為樣本時間序列。

2 燃氣負荷時間變化趨勢分析

2.1 燃氣負荷年際變化趨勢分析

圖1為西青區(qū)開發(fā)區(qū)燃氣公司2011年1月1日至2015年12月30日燃氣負荷變化及其線性趨勢。根據(jù)近5年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)辨析得出，每年的燃氣負荷具有明顯的季節(jié)變化特征。春夏季燃氣負荷較低，波動較小，而秋冬季節(jié)燃氣負荷明顯增加。影響燃氣負荷的原因之一，是秋冬季節(jié)燃氣供暖和相關(guān)取暖設(shè)備使用頻率增加，且冬季溫度降低導(dǎo)致爐溫及相關(guān)工業(yè)材料溫度降低，增加工業(yè)用燃氣負荷。

圖1 西青區(qū)開發(fā)區(qū)燃氣公司燃氣負荷變化及其線性趨勢Fig.1 The gas load variation and its linear trend in Xiqing development area

圖2為2011—2015年春節(jié)前后燃氣負荷逐日變化曲線，其中，紅色曲線為春節(jié)假日期間的燃氣負荷日變化。從圖 2可以看出，在春節(jié)假期前后，燃氣負荷波動較大，在春節(jié)假日期間出現(xiàn)一個明顯的燃氣負荷谷值[7]，降幅在 50%,左右，這和春節(jié)期間工廠停產(chǎn)，用氣量下降有關(guān)，有必要對短期燃氣負荷進行調(diào)研，并通過相關(guān)分析找出其中規(guī)律。

圖2 春節(jié)期間燃氣負荷變化特征Fig.2 Characteristics of gas load variation during the Spring Festival

2.2 燃氣負荷月不均勻性分析

在天然氣供應(yīng)系統(tǒng)中，燃氣負荷隨時間變化是一個顯著的特征。一年中每月的燃氣負荷變化情況反映了西青開發(fā)區(qū)天然氣用氣負荷的不均勻性，用月不均勻性系數(shù)Km來表示：

圖3為2011—2015年西青開發(fā)區(qū)燃氣公司燃氣負荷量月不均勻系數(shù)變化曲線，從中可以看出，2011—2015年燃氣負荷月不均勻系數(shù)在 0.51～2.12之間，1～10月燃氣負荷較小，月不均勻系數(shù)一般都小于 1。從 11月開始，氣溫降低，燃氣負荷開始增加，一般持續(xù)到次年的 3月份。燃氣負荷峰值一般出現(xiàn)在 12月份和 1月份，這是由于年底生產(chǎn)任務(wù)較重，工業(yè)用氣量負荷增加所致。隨著春節(jié)假期的到來和溫度的逐步升高，從 2月份開始，燃氣供應(yīng)量呈現(xiàn)出明顯下降。

圖3 2011—2015年各月不均勻系數(shù)變化曲線圖Fig.3 The coefficient of uniformity changed from 2011 to2015

3 燃氣負荷與各氣象要素間的關(guān)系

根據(jù)歷史氣象資料，西青區(qū)大寺鎮(zhèn)入春時間為3月下旬與 4月上旬之間，入夏時間為 5月中下旬，入秋時間為 9月中旬，入冬時間為 11月中旬。根據(jù)西青區(qū)燃氣公司燃氣負荷的月變化特征，考慮西青區(qū)大寺鎮(zhèn)的氣候特征，按春季(4～5月)、夏季(6～8月)、秋季(9～10月)、冬季(11～轉(zhuǎn)年3月)來劃分四季，分別對西青開發(fā)區(qū)燃氣負荷及氣象要素進行相關(guān)性分析。

表1給出了西青開發(fā)區(qū)2011年 1月～2015年12月 4個季節(jié)逐日燃氣負荷與氣象要素的相關(guān)系數(shù)。從表 1可以看出，氣溫因子與燃氣負荷的相關(guān)性最為顯著[8]，春季、秋季、冬季的日均氣溫、最高氣溫、最低氣溫在相應(yīng)季節(jié)里呈一致負相關(guān)，尤其是在冬季，其平均氣溫與燃氣負荷的相關(guān)系數(shù)達到了-0.809,2，并通過了 0.01的信度檢驗。其次為春季，但相關(guān)系數(shù)只有-0.232,2。夏季燃氣負荷與平均氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)也僅有 0.160,9，表明夏季氣溫對燃氣負荷的影響并不顯著。綜上，除冬季外，氣溫因子對燃氣負荷的影響并不顯著。除氣溫外，日平均氣壓與燃氣負荷的相關(guān)性在冬季最顯著，相關(guān)系數(shù)達到了 0.488,3，這與冬季頻繁的冷空氣活動有關(guān)，冷氣團入侵，冷高壓控制的降溫過程導(dǎo)致燃氣負荷增加。平均風(fēng)速與燃氣負荷的影響并不顯著，相關(guān)系數(shù)在0.1以下。

表1 西青開發(fā)區(qū)燃氣負荷與相應(yīng)氣象要素相關(guān)系數(shù)Tab.1 Correlation coefficient between gas load and meteorological factors in Xiqing development area

3.1 氣溫變化對燃氣負荷的影響

圖4給出了2011年1月～2015年12月西青開發(fā)區(qū)日均氣溫與燃氣負荷的散點圖，其中紅色部分為根據(jù)冬季燃氣負荷與日均氣溫所做散點圖。由于西青開發(fā)區(qū)一些工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的搬遷，導(dǎo)致 2014—2015年度西青開發(fā)區(qū)燃氣負荷略有下降(見圖1)，因此，圖4中使用的日燃氣負荷數(shù)據(jù)剔除了長期變化趨勢。另外，在國家法定節(jié)假日期間，西青開發(fā)區(qū)燃氣負荷出現(xiàn)了不同程度的下降，因此，剔除掉節(jié)假日期間的燃氣負荷數(shù)據(jù)。

當(dāng)平均氣溫在 10～-10,℃時，氣溫對燃氣負荷的影響最為顯著，當(dāng)氣溫每下降 1,℃，燃氣負荷平均增加 4.5%,。而當(dāng)氣溫在 10～20,℃時，氣溫每上升1,℃，燃氣負荷平均增加 1.7%,，當(dāng)氣溫在 20,℃以上時，燃氣負荷平均僅增加 0.05%,。從圖 4中可以看出，隨著氣溫的下降，燃氣負荷快速上升，這在冬季尤其明顯，燃氣負荷與日均氣溫呈現(xiàn)線性關(guān)系。當(dāng)平均氣溫高于 10,℃時，燃氣負荷總體變化不大，當(dāng)氣溫低于 10,℃時，燃氣負荷隨氣溫的降低大幅增加。這與北方冬季供暖大量使用燃氣作為燃料有關(guān)。

圖4 2011年 1月～2015年 12月西青開發(fā)區(qū)日均氣溫與燃氣負荷Fig.4 The relationship between daily temperature and gas load in Xiqing development area from 2011 to 2015

3.2 氣壓變化對燃氣負荷的影響

圖5為2011年1月～2015年12月西青開發(fā)區(qū)日均氣壓與燃氣負荷的散點圖，其中紅色部分為根據(jù)冬季燃氣負荷與日均氣壓值所做的散點圖。從圖 5可知，燃氣負荷隨著氣壓的升高而增加，這在冬季最為明顯，呈現(xiàn)線性相關(guān)性，與前文分析一致，這是由于冬季冷空氣活動造成的。

圖5 2011年 1月～2015年 12月西青開發(fā)區(qū)日均氣壓與燃氣負荷Fig.5 The relationship between daily air pressure and gas load in Xiqing development area from 2011 to 2015

4 燃氣負荷預(yù)測模型及其應(yīng)用分析

4.1 動態(tài)回歸模型

4.1.1 動態(tài)線性回歸模型(冬季)

從前文的分析可以看出，冬季燃氣負荷與氣溫變化基本呈線性變化，而且燃氣負荷是隨時間變化的，要做出無系統(tǒng)偏差的燃氣預(yù)測，預(yù)測模型必須是動態(tài)的。因此，采用動態(tài)的綜合線性回歸和自回歸相結(jié)合的混合線性回歸方程來預(yù)測燃氣負荷[9-10]。

燃氣負荷模型：

式中：Yt為預(yù)報燃氣負荷，Y1-t為前一天的燃氣負荷值，X1為預(yù)報的氣溫變量，X2為預(yù)報的最高與最低溫度差，X3為前一天的溫度變量，X4為前一天的最高溫度與最低溫度的差，b0、a0、a1、a2、a3、a4為回歸系數(shù)。

線性回歸和自回歸相結(jié)合，既可以反映其他變量對因變量的作用，又可以體現(xiàn)因變量自身前后的變化，并且考慮了前一天的各變量的變化情況，可以反映燃氣負荷的變化。

數(shù)據(jù)選取2011—2014年冬季的燃氣負荷和氣象數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本建立方程，將 2015年的燃氣負荷和氣象數(shù)據(jù)用來驗證模型，并將春節(jié)期間及前后3天的數(shù)據(jù)剔除。在實際應(yīng)用中，X1和X2取西青氣象臺的溫度預(yù)報值。

圖6(a)為利用動態(tài)線性回歸方法預(yù)測的2011—2014年冬季燃氣負荷與實際燃氣負荷的散點圖；圖 6(b)為利用動態(tài)線性回歸方法預(yù)測的 2015年冬季燃氣負荷與實際燃氣負荷的散點圖。從圖中可見，預(yù)測燃氣負荷與實際燃氣負荷的散點基本在對角線上，動態(tài)線性回歸方法對燃氣負荷的日變化作出了比較準(zhǔn)確的預(yù)測，擬合優(yōu)度達到了0.9。

圖6 模型預(yù)測燃氣負荷與實際燃氣負荷散點圖Fig.6 Relationship between the gas load from the modelpredicted and the actual gas load

從圖 7中可以看出，無論是訓(xùn)練樣本，還是驗證樣本預(yù)測的燃氣負荷都對實際燃氣負荷的變化作出較準(zhǔn)確的預(yù)測，相比上報燃氣負荷，利用動態(tài)線性回歸模型預(yù)測的燃氣負荷能更好地模擬實際燃氣負荷的變化規(guī)律。

圖7 訓(xùn)練樣本與驗證樣本預(yù)測的時間序列變化圖Fig.7 Time series change map of training sample and verification sample forecast

4.1.2 動態(tài)非線性回歸模型(全年)

對于全年的燃氣負荷的變化，溫度對燃氣負荷的影響并不總是線性關(guān)系，因此，采用動態(tài)非線性方程對燃氣負荷進行預(yù)測。

采用預(yù)測溫度X1，前一天的溫度X2，以及前一天的燃氣負荷Y1-t作為因變量，得到如下方程：

數(shù)據(jù)選取2011—2014年全年的燃氣負荷和氣象數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本建立方程；將 2015年全年的燃氣負荷和氣象數(shù)據(jù)用來驗證模型，并將國家法定節(jié)假日及前后3天的數(shù)據(jù)剔除。

圖 8(a)為利用動態(tài)非線性線性回歸方法預(yù)測的2011—2014年燃氣負荷與實際燃氣負荷的散點圖；圖 8(b)為利用動態(tài)非線性回歸方法預(yù)測的 2015年燃氣負荷與實際燃氣負荷的散點圖。從圖中可見，動態(tài)非線性回歸方法預(yù)測的燃氣負荷與實際燃氣負荷的散點基本在對角線上，對全年燃氣日變化做出了比較準(zhǔn)確的預(yù)測。

圖8 模型預(yù)測燃氣負荷與實際燃氣負荷散點圖Fig.8 Relationship between the gas load from the model predicted and the actual gas load

圖9 訓(xùn)練樣本與驗證樣本預(yù)測時間序列變化圖Fig.9 Forecast time series change chart for training samples and validation samples

圖 9(a)、(b)分別為訓(xùn)練樣本與驗證樣本預(yù)測的燃氣負荷與實際燃氣負荷、上報燃氣負荷的時間序列變化圖。從圖中可以看出，無論是訓(xùn)練樣本，還是驗證樣本預(yù)測的燃氣負荷對實際燃氣負荷的變化均作出較準(zhǔn)確的預(yù)測，相比上報燃氣負荷，利用動態(tài)非線性回歸模型預(yù)測的燃氣負荷能更好地模擬實際燃氣負荷的全年變化規(guī)律。

4.2 預(yù)測結(jié)果分析

4.2.1 動態(tài)線性回歸燃氣預(yù)測統(tǒng)計結(jié)果分析

表 2列出了分別利用訓(xùn)練樣本和驗證樣本預(yù)測的燃氣負荷與實際燃氣負荷的比較，以及相對應(yīng)的上報燃氣負荷與實際燃氣負荷的對比的一些統(tǒng)計值。從表中可以看出，無論是利用訓(xùn)練樣本還是驗證樣本預(yù)測的燃氣負荷與實際燃氣負荷的平均誤差，都表現(xiàn)為較小的負偏差，比上報燃氣負荷與實際燃氣負荷的平均誤差小很多，均方根誤差也同樣如此。而利用兩種樣本預(yù)測的燃氣負荷的正、負最大誤差也都小于相應(yīng)的上報燃氣負荷的正、負最大誤差。

表2 動態(tài)線性方法預(yù)測的燃氣負荷與上報燃氣負荷Tab.2 Contrast between the dynamic linear method predicted gas load and the reported gas load

分別統(tǒng)計訓(xùn)練樣本和驗證樣本預(yù)測的燃氣負荷與上報燃氣負荷的平均絕對誤差的分布(見表 3)，對于 2011—2014年冬季的訓(xùn)練樣本，利用動態(tài)線性模型預(yù)測的燃氣負荷的平均絕對誤差小于3萬m3/d的天數(shù)占到所有樣本的98%,，大于3萬m3/d的天數(shù)僅占 2%,；而上報燃氣負荷的平均絕對誤差小于3萬m3/d的天數(shù)僅有40.9%,，大于3萬m3/d的天數(shù)占到了 59.1%,。對于 2015年冬季的驗證樣本，利用動態(tài)線性模型預(yù)測的燃氣負荷的平均絕對誤差小于3萬 m3/d的天數(shù)占到所有樣本的 96.1%,，大于3萬m3/d的天數(shù)也僅有3.9%,；而上報燃氣負荷的平均絕對誤差小于 3萬 m3/d的天數(shù)僅有 45.7%,，大于3萬m3/d的天數(shù)占到了54.3%,。

從以上分析可以看出，利用動態(tài)線性模型預(yù)測燃氣負荷可以更加準(zhǔn)確地把握實際燃氣負荷的變化情況，相比燃氣公司根據(jù)歷史數(shù)據(jù)上報的燃氣負荷更加準(zhǔn)確、科學(xué)，可以為燃氣公司冬季供氣提供更加科學(xué)、合理的預(yù)測。

表3 2011—2014年、2015年預(yù)測燃氣負荷、上報燃氣負荷的平均絕對誤差分布Tab.3 Average absolute error distribution between the predicted gas load from 2011 to 2014 and the reported gas load in 2015

4.2.2 動態(tài)非線性回歸燃氣預(yù)測統(tǒng)計結(jié)果分析

表 4列出了分別利用訓(xùn)練樣本和驗證樣本預(yù)測的燃氣負荷與實際燃氣負荷的比較，以及相對應(yīng)的上報燃氣負荷與實際燃氣負荷的比較的部分統(tǒng)計值。

分別統(tǒng)計訓(xùn)練樣本和驗證樣本預(yù)測的燃氣負荷與上報燃氣負荷的平均絕對誤差的分布(見表 5)，對于 2011—2014年全年的訓(xùn)練樣本，利用動態(tài)線性模型預(yù)測的燃氣負荷的平均絕對誤差小于3萬m3/d的天數(shù)占到所有樣本的 83.6%,，大于 3萬 m3/d的天數(shù)占所有樣本的16.4%,；而上報燃氣負荷的平均絕對誤差小于3萬m3/d的天數(shù)有73.5%,，大于3萬m3/d的天數(shù)占到了 26.5%,。對于 2015年冬季的驗證樣本，利用動態(tài)線性模型預(yù)測的燃氣負荷的平均絕對誤差小于 3萬 m3/d的天數(shù)占到所有樣本的 98.8%,，大于3萬m3/d的天數(shù)僅有1.2%,；而上報燃氣負荷的平均絕對誤差小于 3萬 m3/d的天數(shù)僅有 69.4%,，大于3萬m3/d的天數(shù)占到了31.6%,。

表4 動態(tài)線性方法預(yù)測的燃氣負荷與上報燃氣負荷的比較Tab.4 Contrast between the dynamic nonlinear method predicted gas load and the reported gas load

從以上分析可以看出，對于全年的燃氣負荷預(yù)測，利用動態(tài)非線性模型預(yù)測燃氣負荷比燃氣公司根據(jù)歷史數(shù)據(jù)上報的燃氣負荷，更加準(zhǔn)確、科學(xué)，可以為燃氣公司全年的供氣提供更加科學(xué)、合理的預(yù)測。

表5 2011—2014年、2015年預(yù)測燃氣負荷、上報燃氣負荷的平均絕對誤差分布Tab.5 Average absolute error distribution between the predicted gas load from 2011 to 2014 and the reported gas load in 2015

5 結(jié) 論

①2011—2015年西青開發(fā)區(qū)的燃氣負荷具有明顯的季節(jié)變化特征。春夏季燃氣負荷較低，波動較小，而秋冬季節(jié)燃氣負荷明顯增加。燃氣負荷還具有較顯著的節(jié)假日效應(yīng)，節(jié)假日期間的燃氣負荷較工作日明顯偏低，其中春節(jié)期間的燃氣負荷降幅最大。四季燃氣負荷的日變化規(guī)律較相似，基本呈單峰型變化。②氣溫、平均氣壓與燃氣負荷呈現(xiàn)季節(jié)性相關(guān)，冬季最強，春秋次之，夏季最弱；其他氣象要素對于燃氣負荷的影響較小。③利用動態(tài)回歸模型得出的燃氣預(yù)報模型，在冬季的預(yù)測樣本平均絕對誤差小于3萬m3/d的天數(shù)占到所有樣本的96.1%，較人為上報量高出 50%；在全年的預(yù)測樣本平均絕對誤差小于3萬m3/d的天數(shù)占所有樣本的98.8%，較人為上報量高出近 30%?；跉庀笠蜃拥娜細忸A(yù)報模型較人為預(yù)報數(shù)值的優(yōu)勢明顯。④本文僅討論氣象因子對于燃氣負荷預(yù)報的影響，實際生產(chǎn)生活中還要考慮企業(yè)數(shù)量的增減、工期長短等具體原因。■

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