中國省級天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境評價及聚類分析

趙振宇，葉慧男，耿孟茹

(華北電力大學(xué)新能源電力與低碳發(fā)展研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

節(jié)能和清潔能源利用是當(dāng)今世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的兩大主題，不同國家和地區(qū)均圍繞這兩大主題探索因地制宜的能源利用方式。天然氣分布式能源清潔高效兼具靈活和可調(diào)節(jié)的特性，滿足節(jié)能的要求，并能通過電—?dú)饣ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建促進(jìn)風(fēng)光等間歇性可再生能源的消納[1]，正受到廣泛關(guān)注。國家發(fā)展改革委、財政部住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于發(fā)展天然氣分布式能源的指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源[2011]2196號)對天然氣分布式能源的概念進(jìn)行了界定，并提出要推動天然氣分布式能源有序發(fā)展。天然氣分布式能源被界定為以天然氣為燃料，實(shí)現(xiàn)能源梯級利用且綜合利用效率在70%以上的就地供能方式。中國不同地區(qū)的天然氣分布式能源項目開發(fā)環(huán)境差異明顯，如天然氣資源分布、價格、熱(冷)需求、地方政策、環(huán)保要求等均有差異，造成天然氣分布式能源區(qū)域發(fā)展的不均衡性。因此，亟需研究不同地區(qū)天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境的特征和異同，分析制定差異化的發(fā)展策略，開展地區(qū)分類指導(dǎo)。

1 天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境分析

天然氣分布式能源項目開發(fā)決策受多方面因素影響，包括項目內(nèi)部的資源、需求、價格以及項目外部地區(qū)的社會軟硬件基礎(chǔ)。依據(jù)這4個方面要素，并在梳理相關(guān)研究文獻(xiàn)觀點(diǎn)基礎(chǔ)上，可將天然氣分布式能源開發(fā)影響因素歸納為資源條件、能源環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境和社會環(huán)境4個維度。相關(guān)觀點(diǎn)及不同地區(qū)的典型情況如表1所示。

表1 地區(qū)天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境分析Table 1 Analysis of GDES development environments in different regions

能源環(huán)境：天然氣分布式能源項目開發(fā)的能源投資環(huán)境和供能需求。項目開發(fā)應(yīng)符合能源產(chǎn)業(yè)供需關(guān)系及其平衡的要求。

經(jīng)濟(jì)環(huán)境：影響天然氣分布式能源經(jīng)濟(jì)效益水平的項目自身成本、收入及外部相關(guān)要素價格水平對比。

社會環(huán)境：天然氣分布式能源引入的推力和軟硬件基礎(chǔ)，包括地區(qū)發(fā)展的環(huán)保壓力以及項目開發(fā)的政策支持水平、技術(shù)推廣水平和管網(wǎng)設(shè)施基礎(chǔ)。

2 開發(fā)環(huán)境評價指標(biāo)體系構(gòu)建

對地區(qū)天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境展開分析，細(xì)化并歸納相應(yīng)指標(biāo)，依據(jù)全面、具體、可操作性原則，并考慮數(shù)據(jù)的可獲得性，構(gòu)建地區(qū)天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境評價指標(biāo)體系，如表2所示，目標(biāo)層包含4個準(zhǔn)則層，即資源條件、能源環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會環(huán)境；在準(zhǔn)則層的16個指標(biāo)中，可再生能源消納水平和天然氣價格水平為負(fù)向指標(biāo)，其他均為正向指標(biāo)。

各指標(biāo)測度主要以相關(guān)統(tǒng)計值為依據(jù)?！罢咧С炙健笔褂谩?-1”二元評價測度結(jié)果，測度過程如下：

1) 將相關(guān)政策分為涉及天然氣分布式能源的節(jié)能減排政策、涉及天然氣分布式能源的中長期發(fā)展規(guī)劃、推進(jìn)天然氣分布式能源項目發(fā)展的導(dǎo)向政策、天然氣分布式能源專項規(guī)劃以及補(bǔ)貼政策5個方面；

2) 根據(jù)地區(qū)現(xiàn)實(shí)情況，展開各項政策記錄，有某方面政策內(nèi)容記“1”分，否則記“0”分；

3) 累加各方面政策記錄得分，獲得地區(qū)政策支持水平統(tǒng)計值。

通過這種判斷式評價，可以減小主觀判斷錯誤，提高政策支持水平評價的準(zhǔn)確性。

表2 地區(qū)天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境評價指標(biāo)體系Table 2 Evaluation index system of regional GDES development environments

3 綜合評價及結(jié)果

3.1 主客觀組合賦權(quán)法

指標(biāo)權(quán)重的確定對綜合評價結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，本文采用主客觀組合賦權(quán)法[24]確定指標(biāo)權(quán)重。

首先，基于熵值法[25]確定第i個指標(biāo)的客觀權(quán)重w1i；其次，基于九標(biāo)度專家打分和層次分析法確定第i個指標(biāo)的主觀權(quán)重w2i；最后，計算第i個指標(biāo)組合權(quán)重，即

(1)

式中wi、w1i、w2i分別為第i項指標(biāo)的組合、客觀、主觀權(quán)重，i=1, 2, …,n。

3.2 數(shù)據(jù)收集及處理

考慮統(tǒng)計數(shù)據(jù)的可獲得性，選取31個省級行政區(qū)開展分地區(qū)的天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境評價，指標(biāo)數(shù)據(jù)來源如表3所示。

表3 評價指標(biāo)數(shù)據(jù)來源Table 3 Data sources of evaluation indicators

對指標(biāo)的統(tǒng)計值進(jìn)行歸一化處理，可以消除指標(biāo)間由于量綱而導(dǎo)致的信息量差異，即

Sij=

(2)

式中Zij、Sij分別為第j個樣本第i個指標(biāo)的統(tǒng)計值、歸一化統(tǒng)計值，Sij最大值為1，最小值為0。

結(jié)合組合權(quán)重，第j個樣本的綜合評價結(jié)果為

(3)

3.3 地區(qū)環(huán)境評價結(jié)果及分析

采用主客觀組合賦權(quán)法獲取各指標(biāo)權(quán)重，如圖1所示，可以看出，主觀賦權(quán)更側(cè)重于社會環(huán)境，尤其是政策支持水平；客觀賦權(quán)更側(cè)重于經(jīng)濟(jì)環(huán)境，尤其是天然氣價格水平。組合賦權(quán)法對主觀、客觀權(quán)重計算結(jié)果進(jìn)行了修正，使地區(qū)天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境評價的指標(biāo)權(quán)重更加合理科學(xué)。

圖1 指標(biāo)權(quán)重Figure 1 Weight of indicators

31個參與評價地區(qū)的天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境評價結(jié)果如表4所示，天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境綜合得分前5位的省(市)為北京、上海、江蘇、浙江和山東，后5位的省(區(qū))為江西、遼寧、云南、西藏和甘肅。根據(jù)天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境的準(zhǔn)則層指標(biāo)，資源條件較好的有四川、新疆；經(jīng)濟(jì)環(huán)境較好的有上海、浙江、北京、重慶；能源環(huán)境較好的有北京、遼寧、河南、黑龍江、山東、浙江；社會環(huán)境較好的有江蘇、上海、山西、廣東。綜合來看，中國天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境存在地區(qū)內(nèi)的資源、經(jīng)濟(jì)、能源和社會方面的結(jié)構(gòu)性差異，以及地區(qū)間的開發(fā)環(huán)境橫向差異。

表4 各地區(qū)天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境評價結(jié)果Table 4 Evaluation results of GDES development environments for different region

4 開發(fā)環(huán)境聚類及分析

4.1 聚類方法及操作

聚類分析通過某種準(zhǔn)則將對象依據(jù)屬性值的近似或差異關(guān)系進(jìn)行對象分類，以便挖掘?qū)ο髮傩缘膬?nèi)涵。本文采用改進(jìn)的K-means法[26]對天然氣分布式能源項目開發(fā)環(huán)境展開聚類分析。步驟：①使用系統(tǒng)聚類法開展多級聚類分析；②結(jié)合實(shí)際情況分析，選擇合適的聚類組合數(shù)，并明確對應(yīng)的聚類中心；③輸入組合數(shù)及聚類中心信息，開展K-means聚類，修正個別樣本所屬類別。如圖2所示，將基于主、客觀綜合權(quán)重獲取的參評地區(qū)資源條件以及能源、經(jīng)濟(jì)、社會、綜合環(huán)境評價結(jié)果作為輸入數(shù)據(jù)，對地區(qū)天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境展開多級聚類。

圖2 地區(qū)天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境多級聚類Figure 2 Multi level cluster diagram of regional GDES development environments

4.2 聚類分析結(jié)果

依據(jù)聚類分析結(jié)果及各地區(qū)實(shí)際情況，參評的31個地區(qū)較適宜的分類數(shù)為5。以類別數(shù)5及其對應(yīng)的質(zhì)心坐標(biāo)為輸入?yún)?shù)，使用K-means法修正個別樣本所屬類別，最終各地區(qū)所屬類別如表5所示。根據(jù)聚類結(jié)果，計算各類地區(qū)各指標(biāo)評價結(jié)果均值，使用雷達(dá)圖呈現(xiàn)各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，開展各類天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境特征對比，如圖3所示(雷達(dá)圖中坐標(biāo)軸值從內(nèi)到外依次增加)。

根據(jù)表5，一類地區(qū)雖然資源條件相對一般，但受其他方面的拉動，其地區(qū)綜合環(huán)境最利于項目開發(fā)；二、三類地區(qū)相較其他地區(qū)資源條件優(yōu)勢突出，其中，三類地區(qū)較二類地區(qū)的短板在社會環(huán)境；四類地區(qū)各項指標(biāo)相對水平較為不均衡，其中，能源環(huán)境和社會環(huán)境較好，但資源條件和社會環(huán)境較差；五類地區(qū)資源條件較四類地區(qū)好，但其他方面的環(huán)境尚未配套建設(shè)，天然氣分布式能源的綜合開發(fā)環(huán)境落后。

表5 基于改進(jìn)K-means法的天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境分類Table 5 The classification of GDES development environments based on revised K-means method

圖3 五類地區(qū)天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境特征對比Figure 3 Characteristics of five types of GDES development environments

4.3 五類地區(qū)環(huán)境分析及發(fā)展策略

依據(jù)五類天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境特征及分析，不同地區(qū)在進(jìn)一步把握發(fā)展機(jī)遇、布局天然氣分布式能源發(fā)展時，需立足當(dāng)前基礎(chǔ)、找準(zhǔn)關(guān)鍵問題、精準(zhǔn)施策。

一類地區(qū)天然氣分布式能源的整體建設(shè)環(huán)境較好，適宜大力發(fā)展，但地區(qū)天然氣資源主要依靠外來供應(yīng)，發(fā)展進(jìn)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注天然氣量的保障。隨著中俄東線、新—粵—浙天然氣管道等的全面建成投運(yùn)及沿海地區(qū)LNG接收站的建設(shè)，北京、廣東、上海、江蘇、山東等地區(qū)天然氣供應(yīng)量將明顯上升。該類地區(qū)應(yīng)配套研究推進(jìn)天然氣供應(yīng)管網(wǎng)同電、同熱等供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的信息溝通，通過增加天然氣資源和需求的耦合，適度擴(kuò)大天然氣分布式能源的開發(fā)空間。

二類地區(qū)資源條件優(yōu)勢相對突出，應(yīng)以資源為主導(dǎo)，進(jìn)一步完善能源、經(jīng)濟(jì)和社會環(huán)境，有序開發(fā)天然氣分布式能源市場。一方面，應(yīng)強(qiáng)化需求側(cè)管理，完善管輸體系以協(xié)調(diào)天然氣資源的對內(nèi)保障和對外輸送；另一方面，應(yīng)充分發(fā)掘區(qū)域內(nèi)天然氣分布式能源建設(shè)的有效需求，如把握京津冀一體化建設(shè)、川陜地區(qū)革命老區(qū)振興等契機(jī)，有針對性地優(yōu)化氣電管網(wǎng)布局、出臺融資補(bǔ)貼政策。

三類地區(qū)資源條件優(yōu)于一類地區(qū)，能源環(huán)境和經(jīng)濟(jì)環(huán)境與二類地區(qū)相似，項目建設(shè)的相對經(jīng)濟(jì)性較好，但社會環(huán)境相對滯后。在環(huán)境建設(shè)實(shí)踐過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注社會環(huán)境改善，以地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)為依托拉動能源需求和投資增長，以地區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、工業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整為抓手，提出針對性政策而推進(jìn)天然氣分布式能源開發(fā)。

四類地區(qū)的能源和社會環(huán)境明顯優(yōu)于其資源條件和經(jīng)濟(jì)環(huán)境，天然氣分布式能源開發(fā)的綜合環(huán)境一般?？紤]該類地區(qū)天然氣分布式能源開發(fā)的資源條件和經(jīng)濟(jì)環(huán)境較前3類地區(qū)差，項目的規(guī)?；l(fā)展有賴于地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長帶動天然氣資源要素的增加。其天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境改善可對標(biāo)一類地區(qū)，借鑒北上廣地區(qū)的成熟發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，并隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的改善動態(tài)把控項目開發(fā)節(jié)奏。

五類地區(qū)資源條件優(yōu)于四類地區(qū)，但能源、經(jīng)濟(jì)和社會環(huán)境普遍較其他地區(qū)差，并滯后于自身資源條件。對該類地區(qū)，應(yīng)論證天然氣分布式能源發(fā)展對地區(qū)天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展及地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)度，理性選擇戰(zhàn)略方向并在政策上加以明確，避免盲目發(fā)展。如：西藏地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后、能源需求小，當(dāng)?shù)毓夥Y源豐富且開發(fā)利用率高，因此，不宜過度宣傳和發(fā)展天然氣分布式能源；云南和甘肅則可分別依托中緬天然氣管道和西氣東輸線路的氣源和管網(wǎng)基礎(chǔ)，研究制定長期的天然氣分布式能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，以政策和管網(wǎng)設(shè)施建設(shè)等社會環(huán)境提升為突破口帶動整體環(huán)境改善，穩(wěn)步推進(jìn)項目建設(shè)。

5 結(jié)語

基于文獻(xiàn)和現(xiàn)狀分析，歸納提出影響地區(qū)天然氣分布式能源開發(fā)的4個維度：資源條件、能源環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境和社會環(huán)境，并建立了地區(qū)天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境評價指標(biāo)體系。采用主客觀組合賦權(quán)法對中國31個省級行政區(qū)天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境進(jìn)行量化綜合評價。根據(jù)對綜合評價結(jié)果的聚類分析，可實(shí)現(xiàn)將31個省區(qū)市劃分為五類地區(qū)的合理分類，以科學(xué)判斷和比較不同類別和同類別地區(qū)間天然氣分布式能源開發(fā)環(huán)境的異同，為全國天然氣分布式能源開發(fā)的分類指導(dǎo)和同類地區(qū)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的相互借鑒提供依據(jù)，也為國家和區(qū)域性天然氣分布式能源的戰(zhàn)略制定提供支持。