我國(guó)天然氣需求的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)與分析

孟亞?wèn)| MENG Ya-dong；龔繼忠 GONG Ji-zhong

（中國(guó)石油化工股份有限公司天然氣分公司，北京 100029）

0 引言

2020年9月22日，習(xí)近平總書(shū)記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出中國(guó)碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。實(shí)現(xiàn)碳中和其中最重要的方式是深化能源體制改革。天然氣的替代將對(duì)碳中和的實(shí)現(xiàn)起到重要作用。有學(xué)者提出，我國(guó)的天然氣需求將保持穩(wěn)定快速增長(zhǎng)[1]。而能源系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)復(fù)雜的，系統(tǒng)內(nèi)各因素互相制衡影響，因此使用科學(xué)合理的方法對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)是較為困難的。

1 文獻(xiàn)綜述

國(guó)內(nèi)外學(xué)者最初對(duì)于天然氣需求預(yù)測(cè)一般是通過(guò)數(shù)學(xué)模型展開(kāi)。早期利用傳統(tǒng)的計(jì)量模型[1-6]對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)，采用logit函數(shù)回歸[2]，自回歸模型[3]和非線性模型[4]等方法。近年來(lái)，人工智能在天然氣需求預(yù)測(cè)方面快速發(fā)展[7-12]，很多學(xué)者嘗試將多種方法混合使用，以克服單一方法的弊端。焦文玲通過(guò)時(shí)間序列模型預(yù)測(cè)了各時(shí)期我國(guó)的天然氣需求量[5]。Smith，Husein，Leonard通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建預(yù)測(cè)了英國(guó)的天然氣需求[7]。張明濤分別用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)我國(guó)天然氣的供需進(jìn)行預(yù)測(cè)[9]。

隨著系統(tǒng)工程理論的發(fā)展，學(xué)者開(kāi)始以系統(tǒng)的視角研究此問(wèn)題。Naill RF首先運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分析美國(guó)天然氣價(jià)格機(jī)制[13]；Li J,Dong X等建立了天然氣供需系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)了美國(guó)和中國(guó)未來(lái)的天然氣供需量[14]。國(guó)內(nèi)學(xué)者將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本原理和方法運(yùn)用于能源供需預(yù)測(cè)領(lǐng)域并取得可觀成果[15-21]。李君臣、董秀成等綜合考慮各行業(yè)天然氣消費(fèi)的影響因素，對(duì)我國(guó)未來(lái)天然氣消費(fèi)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)[15]；李連德運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)了各能源的供需情況，并進(jìn)行了總量分析和情景分析[16]。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型結(jié)構(gòu)分析

本文以天然氣需求系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，考慮能耗強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)規(guī)模、人口規(guī)模3個(gè)因素對(duì)天然氣消費(fèi)的影響。

①能耗強(qiáng)度。能耗強(qiáng)度是指單位生產(chǎn)值能源消耗量。同樣經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的情況下如果能源消耗強(qiáng)度降低，則能源消耗量將減少，碳排放總量也將隨之減少。

②經(jīng)濟(jì)規(guī)模。首先，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展會(huì)帶動(dòng)社會(huì)投資的增加，有利于天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的日漸完善。其次，天然氣滿足了居民對(duì)能源的環(huán)保性和便捷性的要求。最后，原料是天然氣的行業(yè)比重也會(huì)影響天然氣的消費(fèi)。

③人口規(guī)模。人口規(guī)模的大小直接影響著天然氣的消費(fèi)量和消費(fèi)方式，城鎮(zhèn)人口不斷增加，其燃?xì)庑枨笠矔?huì)持續(xù)增加。

2.2 模型因果關(guān)系分析

在天然氣需求模型中，天然氣供應(yīng)、天然氣消費(fèi)、經(jīng)濟(jì)、人口等各因素是相互影響、共同作用的。在可采儲(chǔ)量的限制下，天然氣的生產(chǎn)不能滿足其需求時(shí)，就要通過(guò)進(jìn)口天然氣來(lái)填補(bǔ)需求。而天然氣進(jìn)口量的過(guò)度增長(zhǎng)也會(huì)使天然氣的對(duì)外依存度增加，不利于保障我國(guó)的能源安全。

根據(jù)以上分析，本文得出天然氣需求系統(tǒng)各因素的因果關(guān)系如圖1所示。圖中左邊的回路體現(xiàn)了自然因素對(duì)天然氣需求的影響，如可采儲(chǔ)量的增加使天然氣供應(yīng)量增加，從而使庫(kù)存量增加，天然氣消費(fèi)量增加，預(yù)期庫(kù)存量和預(yù)期供應(yīng)量增加，逐步帶動(dòng)天然氣生產(chǎn)量增加，最終導(dǎo)致天然氣供應(yīng)量進(jìn)一步增加。右邊的回路主要體現(xiàn)了社會(huì)因素對(duì)天然氣需求的影響，如人口數(shù)的增加使生活用氣增加，從而使天然氣消費(fèi)量增加，進(jìn)而引起進(jìn)口量增加，天然氣供應(yīng)量增加，庫(kù)存量增加，最終導(dǎo)致天然氣消費(fèi)量進(jìn)一步增加。

2.3 模型構(gòu)建

根據(jù)2.2對(duì)我國(guó)天然氣需求系統(tǒng)因果關(guān)系的分析，本文建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)未來(lái)中國(guó)天然氣的需求量，并通過(guò)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行政策模擬，以預(yù)測(cè)不同因素對(duì)天然氣需求的影響。本研究使用Vensim軟件繪制的天然氣需求關(guān)系系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖如圖2所示。

圖2 我國(guó)天然氣需求系統(tǒng)流圖

模型中水平變量包括庫(kù)存量、人口數(shù)、GDP、能源強(qiáng)度；速率變量有國(guó)內(nèi)供應(yīng)量、國(guó)內(nèi)消費(fèi)量、能源強(qiáng)度變化量、年人口變化量、GDP變化量。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型參數(shù)確定及有效性檢驗(yàn)

限于數(shù)據(jù)的可得性和完整性，本文研究時(shí)間為2011-2020年，對(duì)我國(guó)30個(gè)省市（不含西藏、香港、澳門(mén)及臺(tái)灣）。所用數(shù)據(jù)均來(lái)源于歷年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值均根據(jù)2010年不變價(jià)格折算。

在本研究中，GDP、人口數(shù)、能源強(qiáng)度等均是天然氣需求預(yù)測(cè)模型中的重要參數(shù)。本文在預(yù)測(cè)時(shí)，取人口數(shù)自然增長(zhǎng)率為0.01%，取國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的增長(zhǎng)率為4.5%[19]，能源強(qiáng)度的變化率參考姚文偉的研究[20]，天然氣進(jìn)口量按照每年增長(zhǎng)6%進(jìn)行設(shè)置[10]，天然氣產(chǎn)量參考王建良[21]的研究數(shù)據(jù)。

首先對(duì)模型的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。以2011年為仿真初始年，通過(guò)比較仿真值與歷史數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃浴８鲾?shù)據(jù)的比較如表1所示。各個(gè)數(shù)值的誤差均在10%以下，可以看出模型擬合程度較好。

表1 天然氣需求系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值的比較

3.2 模型預(yù)測(cè)結(jié)果分析

使用Vensim對(duì)我國(guó)天然氣需求系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真模擬，得到如圖3所示的我國(guó)2021-2023年天然氣消費(fèi)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖3 我國(guó)天然氣消費(fèi)量趨勢(shì)圖（億m3）

從圖3可以看出，我國(guó)天然氣消費(fèi)需求量呈不斷增長(zhǎng)的上升態(tài)勢(shì)。到2030年，天然氣需求量將達(dá)到4172.73億立方米，比2011年多3087.77億立方米，年增長(zhǎng)率14.23%。由此可見(jiàn)我國(guó)天然氣消費(fèi)仍有較大增長(zhǎng)潛力，這與我國(guó)良好的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)以及環(huán)保政策執(zhí)行力度的提高是密不可分的。

3.3 天然氣消費(fèi)的參數(shù)靈敏度分析

經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與能源需求是密切相關(guān)的。本文從GDP增長(zhǎng)率這一角度對(duì)模型進(jìn)行了參數(shù)靈敏度分析。從圖4可知，其他參數(shù)不變，當(dāng)GDP增長(zhǎng)率增長(zhǎng)0.5%時(shí)，也帶動(dòng)了天然氣需求的增加，在這種情況下，到2030年天然氣消費(fèi)量將增加8.51%。且由于不斷增長(zhǎng)的天然氣消費(fèi)量，凈進(jìn)口量較之前也將有較大提高，并且呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，對(duì)外依存度1對(duì)比之前會(huì)有明顯提高，從19.04%增加到27.99%，但對(duì)外依存度2相比之前會(huì)有所回落，從47.25%降低到44.78%，這表明經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)會(huì)明顯拉動(dòng)天然氣消費(fèi)增長(zhǎng)，同時(shí)拉動(dòng)了凈進(jìn)口量的增長(zhǎng)，當(dāng)進(jìn)口量同時(shí)進(jìn)行增長(zhǎng)時(shí)，對(duì)外依存度也會(huì)增長(zhǎng)，但經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)也能夠提升國(guó)家能源安全的防御能力，因此比之前預(yù)測(cè)的有一定程度的降低。

圖4 天然氣消費(fèi)量與對(duì)外依存度變化對(duì)比

4 結(jié)論與建議

本研究綜合考慮了人口、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等因素，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立了我國(guó)天然氣需求趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型，對(duì)我國(guó)2021年到2030年的天然氣消費(fèi)量、凈進(jìn)口量、對(duì)外依存度等進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示，我國(guó)天然氣消費(fèi)仍有較大的增長(zhǎng)空間。但與此同時(shí)，天然氣需求量的持續(xù)上升也會(huì)導(dǎo)致天然氣對(duì)外依存度的不斷提高，這不利于我國(guó)的能源形勢(shì)的安全發(fā)展。模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展會(huì)導(dǎo)致天然氣對(duì)外依存度的增加，因此要在關(guān)注經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，注意能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高天然氣的使用效率，改善天然氣供應(yīng)結(jié)構(gòu)，從而保障我國(guó)能源安全。