天然氣市場化進程中儲氣服務價值變化研究

王盟浩，李森圣

(1.天然氣經(jīng)濟研究所分站西南油氣田分公司博士后工作站，四川 成都 610051；2.天然氣經(jīng)濟研究所西南油氣田分公司，四川 成都 610051)

0 引 言

在國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司(以下簡稱“ 國家管網(wǎng)公司”)成立以及天然氣產(chǎn)業(yè)鏈上下游逐漸形成競爭性格局的大背景下，儲氣庫商業(yè)化運營的條件即將理順，商業(yè)化運營是儲氣產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢。就國外成熟的儲氣庫商業(yè)化運營經(jīng)驗而言，主要思路是將儲氣能力作為一種產(chǎn)品出售，并采用兩部制收費來回收儲氣庫建設運營成本，乃至獲取盈利[1-2]。兩部制收費即分別收取儲氣能力的占用費與實際注采過程中所發(fā)生的使用費，用戶通過購買儲氣產(chǎn)品，提前預定儲氣庫工作氣量與注采能力占用，從而獲取儲氣庫提供的儲氣服務。因此，未來儲氣庫提供的儲氣產(chǎn)品將是儲氣市場運作的基本單元[3-6]。

儲氣產(chǎn)品本質上是一種倉儲產(chǎn)品，區(qū)別于普通倉儲產(chǎn)品的是儲氣產(chǎn)品還具有一定的金融價值。儲氣產(chǎn)品金融價值來源于天然氣價格隨季節(jié)的周期性波動，這使得購買儲氣產(chǎn)品的需求方可以通過在使用期內購入與出售天然氣獲取一定程度的盈利[7-8]。顯然，具有不同金融價值的儲氣產(chǎn)品應當具有不同的價格，從而實現(xiàn)產(chǎn)品區(qū)分的目的[9]。合理地理解儲氣產(chǎn)品的金融價值對于儲氣產(chǎn)品的設計與定價具有重要的指導意義。

儲氣產(chǎn)品的金融價值高度依賴于天然氣價格形態(tài)，不同的天然氣價格波動趨勢下，同樣的儲氣產(chǎn)品可以呈現(xiàn)截然不同的金融價值[10]。與我國儲氣庫商業(yè)化運營所需要的合理價值評估相矛盾的是，我國天然氣市場處于一個市場化改革逐步推進的過程中，天然氣價格形態(tài)也會隨之發(fā)生變化。可以預見，我國天然氣價格會從過去政策管制下有限上浮的價格變化方式，逐漸過渡到根據(jù)市場供需決定價格的合理波動方式，在這個過程中，天然氣市場化程度穩(wěn)步提升。因此，研究儲氣服務在天然氣市場化進程中的金融價值變化情況，對于在這個階段里儲氣庫的商業(yè)化運營推進具有參考價值[11]。

對于儲氣產(chǎn)品的金融價值進行定量評價，在國外已有大量相關研究[11-13]。由于我國儲氣庫產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，這方面研究在國內學界相對空白。針對歐美高度市場化的天然氣市場，國外學界提出的儲氣服務價值評估模型主要分為4類，包括內在價值模型、滾動內在價值模型、擴散模型以及現(xiàn)貨交易模型[11]。其中，現(xiàn)貨交易中的最小二乘蒙特卡洛模型具有較強的靈活性和穩(wěn)定性，是目前比較主流的方法[14]。

本文采用最小二乘蒙特卡洛法，研究儲氣產(chǎn)品在天然氣市場化進程中的金融價值變化。通過將天然氣市場化程度進行不同指標的量化，分別展示了金融價值在價格波動率、價格回歸率以及交易周期3個層面上的變化情況，并結合這些指標情況，討論了儲氣產(chǎn)品價值整體的國內天然氣市場化程度推進中的變化。研究結果對未來天然氣市場化進程中的儲氣庫產(chǎn)品設計與定價具有參考價值。

1 天然氣市場化程度量化指標

本質上，市場化程度是一個由政策、產(chǎn)業(yè)鏈、競爭環(huán)境等多方面因素綜合影響的屬性，因此難以量化。但通過對不同市場化程度下天然氣價格形態(tài)的對比，可以在部分層面上展現(xiàn)相應的價格特征。通過研究不同特征對儲氣產(chǎn)品金融價值的影響，可以了解市場化程度對金融價值的作用形式。

不同天然氣市場化程度下一年內典型的價格曲線如圖1所示，圖1(a)為典型合同內價格曲線，圖1(b)為上海石油天然氣交易中心華東區(qū)價格曲線，圖1(c)為美國Henry Hub現(xiàn)貨交易價格曲線。合同內價格由于受政策管控，在門站價基礎上，上浮與下行價格有明確的限制，本文將其視為非市場化的價格形態(tài)；上海交易中心價格能夠體現(xiàn)部分的市場化性質，但由于國內目前上游生產(chǎn)商處于壟斷地位，交易中心的價格由于供需關系不平衡，最終的價格并非完全市場化的行為，本文將其視為半市場化的價格形態(tài)；美國Henry Hub現(xiàn)貨價格是典型的天然氣市場化交易標桿，本文將其視為完全市場化的價格形態(tài)。

圖1 不同天然氣市場化程度下一年內典型的價格曲線Fig.1 Typical price curves under different natural gas marketization standards within one year

通過對比不同市場化程度的價格形態(tài)可以看出，隨著市場化程度的變化，價格形態(tài)的變化主要體現(xiàn)在價格波動幅值、價格回歸性以及交易周期3個方面。隨著市場化程度的提高，價格波動幅值顯著增大，這是由于市場決定天然氣價格后，冬夏價差會因為供需關系的變化，呈現(xiàn)出更大的差異；隨著市場化程度的提高，價格回歸性顯著增加，這是由于在低市場化程度下，市場參與者不足，價格無法有效回歸到合理的位置；隨著市場化程度的提高，交易周期顯著降低，價格變化頻率更高，合同內價格每30 d發(fā)生變化，上海交易中心則不定期發(fā)生價格變化，而美國Henry Hub現(xiàn)貨價格則每日發(fā)生波動，交易周期由政策和市場需求共同決定。

2 最小二乘蒙特卡洛法

為量化評價儲氣服務的金融價值，本文采用BOOGERT等[14]提出的最小二乘蒙特卡洛模型進行數(shù)值計算，算法基于Python編程語言中的數(shù)值計算庫numpy及scipy實現(xiàn)。本節(jié)中對最小二乘蒙特卡洛模型進行簡單的介紹，可參考文獻[14]以求對模型更詳細的了解。

儲氣能力受到3個維度的限制，即工作氣量、注采能力以及時間?？紤]一份儲氣合同最大工作氣量占用為vmax，單日最大注氣能力為imax，單日最大采氣能力為imin，儲氣合同從t=0開始，到t=T+1結束。在儲氣合同時間范圍內，一共有N個交易日，將這些交易日寫作tn,n=1,2，…,N，交易日對應的天然氣價格寫作S(tn)，兩個相鄰交易日之間的時間間隔寫作Δtn，其中，tn為較前交易日的時間。

合同擁有者可以在任何交易日tn選擇將儲氣庫中的天然氣在市場上交易，從而改變儲氣庫的工作氣量。 可以交易的天然氣量Δv(tn)受儲氣庫注采能力限制，為Δtn時間內注采能力的總和，見式(1)。

-imin×Δtn≤Δv(tn)≤imax×Δtn

(1)

同時也受到總工作氣量的限制，見式(2)。

0≤v(tn)+Δv(tn)≤vmax

(2)

因此，在任何交易日tn，儲氣庫可發(fā)生的工作氣量變化，見式(3)。

D(tn,v(tn))={Δv|0≤v(tn)-Δv(tn)≤vmax,

-imin×Δtn≤Δv(tn)≤imax×Δtn}

(3)

儲氣庫在時間tn的現(xiàn)金流計算，見式(4)。

h(S(tn),Δv(tn))=-S(tn)Δv(tn)

(4)

儲氣庫合同價值定義為在最優(yōu)的工作氣量操作策略Π下能夠獲得的累積未來現(xiàn)金流，見式(5)。

e-δ(T+1)q(S(T+1),v(T+1))]

(5)

式中：δ為利率；q為在合同到期后，如果還有剩余工作氣量的賠償金額，如果沒有相應的賠償機制，則q=0。

延續(xù)值為期權中的概念，引申到儲氣庫價值評估中，其意義為在時間tn采取特定交易策略后，未來能夠達到的最優(yōu)現(xiàn)金流，算法見式(6)。

C(t,S(t),v(t),Δv)=

E[e-δU(t+1,S(t+1),v(t)+Δv)]

(6)

式中，U為儲氣庫價值，算法見式(7)。

U(t,S(t),v(t))=

maxΔv∈D(t,v(t)){h(S(t),Δv)+C(t,S(t),v(t),Δv)}

U(T+1,S(T+1),v(T+1))=

q(S(T+1),v(T+1))

(7)

式(1)～式(7)表明，在每個交易日tn，儲氣合同擁有者都需要衡量各種可能的工作氣量變化，考慮當日買進/賣出天然氣的現(xiàn)金流與延續(xù)值的總和，并使之取得最大值。在取得最大值時的Δv(tn)即是當日的最優(yōu)操作，記為π(tn)，相應的當日現(xiàn)金流和延續(xù)值之和，則為在時間tn儲氣庫能夠實現(xiàn)的價值U(t,S(t),v(t))。

蒙特卡洛法的基本思想是進行足夠多次的數(shù)值實驗，求取數(shù)值實驗的平均值，從而使得數(shù)值結果趨近于解析解。在儲氣庫的價值評估中，針對給出的價格趨勢曲線，采用一定的價格模式，可以生成一系列的隨機價格曲線。

假設生成了M條蒙特卡洛價格曲線，則單一曲線可寫作b=1,…,M。 同時，分別在時間、工作氣量以及注采能力方面對儲氣產(chǎn)品進行離散，算法見式(8)。

Cb(t,Sb(t),v(t+1;n))=

e-δYb(t+1,Sb(t+1),v(t+1;n))

(8)

式中：n為儲氣庫工作氣量的離散份數(shù)；Yb為在第b條路徑上在時間t以后能夠實現(xiàn)的累計現(xiàn)金流。對于在時間t的每一條價格曲線b，都可以得到一個延續(xù)值Cb，對不同體積點對應的Cb進行最小二乘法擬合，即可得到任意價格對應延續(xù)值的擬合曲線。

已知所有體積點的延續(xù)值，則對于在時間t的所有可能操作，即Δv，可以得出一個最優(yōu)決策，見式(9)。

πb(t,Sb(t),v(t))=argmaxΔv∈D(t,v(t))×

{h(Sb(t),Δv)+Cb(t,Sb(t),v(t)+Δv)}

(9)

該決策對應的現(xiàn)金流，算法見式(10)。

Yb(t+1,Sb(t+1),v(t+1))=

h(Sb(t+1),πb(t+1,Sb(t+1,v(t+1))))+

e-δYb(t+2,Sb(t+2),v(t+2))+

πb(t+1,Sb(t+1,v(t+1)))

(10)

價值評估結果為所有價格曲線計算得到最優(yōu)現(xiàn)金流的平均值，見式(11)。

(11)

3 計算與討論

3.1 產(chǎn)品設置及價格模式

在使用蒙特卡洛計算前，首先需要給定計算參數(shù)。計算參數(shù)分為2個方面，一是儲氣產(chǎn)品合同對儲氣能力的約定限制，二是儲氣產(chǎn)品對應的天然氣市場的價格模式。由于本文研究目的是天然氣市場形態(tài)對金融價值的影響，儲氣產(chǎn)品合同參數(shù)在后續(xù)的計算中均保持不變，而對應的價格模式則隨對應變量發(fā)生變化。

計算中采用的儲氣產(chǎn)品合同參數(shù)見表1。該產(chǎn)品的最大允許注入速率為6.75×104m3/d，完全注滿最大工作氣量需要約100 d，最大采出速率為2.025×105m3/d，完全采出滿額的工作氣量需要約33 d，在合同開始的時候，產(chǎn)品中不包含工作氣量，合同結束時，如果還有剩余工作氣量，不考慮任何懲罰措施。

表1 計算中儲氣產(chǎn)品合同參數(shù)Table 1 Gas storage product contract parameters in the calculations

本文采用SCHWARTZ[15]提出的單因素價格模式作為蒙特卡洛價格曲線的生成模型，見式(12)。

(12)

式中：W(t)為隨機數(shù)；μ(t)為基準曲線的擬合形式；κ為平均回歸率；σ為價格波動率。

使用該模型生成價格模式時，σ決定了價格波動幅值，σ越大，價格波動幅值越大；κ決定了市場回歸性，κ值越大，市場回歸性越強。前文提到的前2個市場化程度參數(shù)都可以通過價格模式中的變量調節(jié)。μ(t)曲線通過對Herny Hub現(xiàn)貨價格在2018年1月—2019年3月的最小二乘擬合獲得。

交易周期ΔT則通過對價格變化周期的控制來實現(xiàn)，對于給定交易周期，讓周期內每日的價格恒等于周期第一日的價格。不同ΔT下典型的價格波動曲線如圖2所示，可以看出在短交易周期下，價格模式模型讓價格呈現(xiàn)快速的波動，當交易周期增大，這些波動則不再存在。

圖2 不同交易周期下價格模式生成的典型價格波動曲線Fig.2 Typical fluctuation curves in different trading periods generated by the price process

3.2 價格波動性影響

價格波動性反映了天然氣價格隨供需關系變化的敏感程度，是一個最為直觀的市場化程度指標。價格波動幅值越大，天然氣價格受供需關系影響越大，而受政策與壟斷因素影響則越小。在高度市場化的價格市場，天然氣價格可能受短期供需影響，出現(xiàn)幅度極大的波動情況。為研究價格波動幅值對儲氣服務金融價值的影響，進行了價格波動率σ從0.02增加至0.20的價值評估數(shù)值模擬。

儲氣服務金融價值U隨價格波動率σ的變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，隨著σ的增加，儲氣服務金融價值呈現(xiàn)快速增大的趨勢。在σ為0.02時，金融價值約為1 400萬元，當σ增大至0.12時，金融價值則超過4 000萬元，增長了近3倍。在σ值較小時，金融價值增大速率相對較快，當σ達到0.16以后，金融價值隨σ的增大速率顯著放緩。這是由于在價格波動幅值較大的情況下，儲氣產(chǎn)品限制的工作氣量與注采能力不足以捕捉全部價格波動。

圖3 儲氣服務金融價值U隨價格波動率σ的變化曲線Fig.3 Variation of gas storage financial value Uwith increasing σ

理論上，天然氣市場的波動幅值越大，儲氣服務能夠實現(xiàn)的金融價值也就越高。但對于實際的天然氣市場，由于天然氣作為基本能源的功能性，過大的波動幅值會造成較大的風險，并對社會穩(wěn)定造成影響。因此，理想的天然氣價格波動應當在金融價值的實現(xiàn)與能源的穩(wěn)定供應之間實現(xiàn)一個平衡。在2020年的中央定價目錄中，已經(jīng)取消了對天然氣價格的管制，我國未來的天然氣價格將由市場競爭形成。隨著天然氣市場化改革的推進，價格波動幅值的增加是可以預見的，儲氣服務的金融價值也會進入快速增長的階段。

3.3 市場回歸性影響

市場的回歸性反映了市場中參與者數(shù)量對價格的影響，當市場中有足夠的參與者(供應方與需求方)時，天然氣價格在短期的異常波動后會快速回歸到供需關系的平衡點。因此，市場回歸性也是天然氣市場化程度的一個重要指標，為研究市場回歸性對儲氣服務金融價值的影響，進行平均回歸率κ從0.005增加至0.200的價值評估數(shù)值模擬。

儲氣服務金融價值U隨平均回歸率κ的變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，隨著κ的增大，在κ小于0.050時，金融價值呈現(xiàn)快速增加的趨勢，當κ達到約0.050以后，金融價值則不再隨κ的增加發(fā)生顯著變化，這說明在市場參與者較少，當市場呈現(xiàn)回歸性極差的時候，市場回歸性對儲氣服務的金融價值有顯著影響；當市場參與者足夠多的情況下，繼續(xù)增強市場回歸性，則不再對金融價值產(chǎn)生影響。另外，當κ從0.005增加至0.050，對應儲氣產(chǎn)品的金融價值增加了約600萬元，相比增加市場波動性對金融價值數(shù)千萬的增大幅值，回歸性對金融價值影響的絕對值較小。

圖4 儲氣服務金融價值U隨平均回歸率κ的變化曲線Fig.4 Variation of gas storage financial value Uwith increasing κ

目前我國的天然氣市場由于供應端尚處于相對壟斷的階段，需求端對天然氣價格議價能力差，使得目前的天然氣價格無法呈現(xiàn)明顯的回歸性。由于國家管網(wǎng)公司的成立，我國天然氣產(chǎn)業(yè)鏈將會形成“X+1+X”的市場格局，上下游會產(chǎn)生足夠多的競爭者，在可預見的未來，天然氣價格的回歸性也會得到呈現(xiàn)。屆時，儲氣服務的金融價值也會隨之得到顯著提升。

3.4 交易周期影響

相比波動率和回歸率2個市場本身決定的參數(shù)，交易周期更多由政策因素所決定，是對天然氣價格活躍度的一種人為限制。在高市場化程度的天然氣市場，天然氣價格通常每日發(fā)生變化，如美國Herny Hub價格；在管控程度較高的市場，天然氣價格變化周期則較長，如現(xiàn)行的合同內交易，價格每月發(fā)生變化。為研究交易周期對儲氣服務金融價值的影響，進行交易周期ΔT從1增加至28時的價值評估數(shù)值模擬。

儲氣服務金融價值U隨交易周期ΔT的變化曲線如圖5所示，其中，圖5(a)展示了在不同價格波動率下的變化曲線，圖5(b)展示了在不同平均回歸率σ下的變化曲線。從圖5(a)可以看出，隨著交易周期的增加，儲氣服務金融價值整體呈現(xiàn)下降趨勢。在σ較小的時候，這種下降趨勢的幅度相對較小，隨著σ的增加，交易周期增加導致的金融價值下降則會更加顯著。在σ=0.025時，交易周期從1增加至30，金融價值下降約100萬元；而在σ=0.100時，金融價值則下降了約700萬元。這是由于高波動性的市場具有更多的短期金融套利空間，在交易周期較大的時候，這種短期套利則無法實現(xiàn)，而在低波動性的市場，較長的交易周期所損失的短期套利價值則相對較少。從圖5(b)可以看出，在κ=0.01和κ=0.03時，隨著交易周期增大，金融價值呈現(xiàn)出不規(guī)則的變化趨勢；當κ大于0.05以后，隨著交易周期增大，金融價值則呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。這是由于在市場回歸性較低的情況下，價格波動會呈現(xiàn)較大的分化，導致最終的金融價值呈現(xiàn)不規(guī)律的差異；而當市場回歸性足夠時，交易周期的影響才會得到呈現(xiàn)。

圖5 儲氣服務金融價值U隨交易周期ΔT的變化曲線Fig.5 Variation of gas storage financial value U with increasing ΔT

隨著上海市和重慶市兩大交易中心的建設與發(fā)展，交易周期將逐漸從過去合同內交易的非市場化形態(tài)轉變?yōu)楦鼮轭l繁的價格變化周期。而更短交易周期的影響并不只局限于對儲氣服務金融價值的提升，對于整個天然氣市場的活躍，天然氣市場化程度的推進，交易周期都起著重要作用。因此，交易周期的縮短除了能夠直接提升儲氣服務金融價值，還能夠間接影響波動性和回歸性兩個市場參數(shù)，從而促進儲氣服務金融價值的進一步提升。

3.5 儲氣產(chǎn)品價值變化

本文分別討論了在天然氣市場化進程中，市場波動性、回歸性以及交易周期3個市場化參數(shù)對儲氣服務金融價值的影響?？傮w而言，隨著各個參數(shù)向著市場化的方向變化，儲氣服務的金融價值呈現(xiàn)明顯增大的趨勢。其中，市場波動性對金融價值的影響幅值最大，而回歸性和交易周期造成金融價值變化的絕對值相對較小。

值得一提的是，隨著天然氣市場化程度的變化，這3個參數(shù)并非獨立變化，而是相輔相成，共同推進的。因此，在3個指標的共同作用下，天然氣市場化程度的增加會使得儲氣服務的金融價值產(chǎn)生巨大的促進作用。在天然氣市場化改革的大背景下，完全可以預期儲氣服務將具有更高的金融價值，從而提升儲氣庫的投資價值與運營價值，造成儲氣產(chǎn)業(yè)的繁榮。從另一個角度，儲氣庫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展同樣依賴于天然氣市場化改革的推進，在現(xiàn)有的體制下，儲氣庫難以展示其應有的價值。

4 結 論

1) 隨著天然氣價格波動性的增強，儲氣服務的金融價值會出現(xiàn)大幅的提升。

2) 隨著競爭性市場參與者的增加，價格回歸性增強，儲氣服務的金融價值呈現(xiàn)先快速提升，達到一定程度后保持不變的趨勢。

3) 在低回歸性條件下，儲氣服務的金融價值隨交易周期出現(xiàn)了不規(guī)則變化，而在高回歸性條件下，儲氣服務的金融價值則隨交易周期的增大呈降低趨勢。

4) 隨著天然氣市場化程度整體的增加，儲氣服務的金融價值會出現(xiàn)顯著的提升，這也說明了天然氣市場化改革的推進對儲氣庫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要意義。在現(xiàn)階段的儲氣庫規(guī)劃與設計中，應該充分考慮天然氣市場化改革推進下金融價值的變化情況。