鄭玉華 沈德群,2 魏 昭 呂正林 宜海濱

1. 中國石油大學(北京)經(jīng)濟管理學院, 北京 102249;2. 中石油北京油氣調(diào)控中心, 北京 100007;3. 中國石油天然氣集團公司質(zhì)量安全環(huán)保部, 北京 110000;4. 中國石油集團測井有限公司, 陜西 西安 710077

0 前言

天然氣是高效清潔的能源,2013年9月中國發(fā)布的《大氣污染防治行動計劃》[1]中,要求加快天然氣和煤制氣等清潔能源的替代利用,且新增天然氣優(yōu)先保障居民的內(nèi)容;2018年6月中國繼續(xù)發(fā)布《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》,要求經(jīng)過3年努力主要大氣污染物排放總量大規(guī)模減少,進一步明顯降低PM 2.5濃度,發(fā)展城市燃氣已成為改善城市空氣環(huán)境和提高居民生活質(zhì)量的重要措施。隨著國家政策的引導和基礎設施的逐步完善,城市燃氣需求增長迅速,也給城市能源供應系統(tǒng)帶來了一系列挑戰(zhàn),最典型的是城市燃氣需求具有極不平衡的屬性。例如隨著“煤改氣”政策的實施,中國北方大城市每年冬季采暖天然氣消費量占全年消費量平均比例超過70%,且高月日均消費量為低月日均消費量的4倍以上,全年高月高日消費量為低月低日消費量的7倍。天然氣需求量大幅波動對天然氣穩(wěn)定供應提出了極大挑戰(zhàn),各城市特別是大城市天然氣供需矛盾非常尖銳。

對天然氣供應問題的研究主要是從國家視角評價天然氣供應安全[2-6],此外還包括對天然氣進口風險的評價[7-8],通過對天然氣供應風險的評價可以分析供應系統(tǒng)所處的狀態(tài)和風險程度,為風險預警提供參考指標。相對風險評價而言,風險預警具有動態(tài)風險預測[9]和分析的功能,目前的研究主要集中于對中國能源安全的預警[10]、對區(qū)域能源安全的預警[11]、和對城市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)安全性的預警[12-13]等領域,對城市天然氣供應風險的評價和預警研究較為少見。城市天然氣供應安全關系到千家萬戶的切身利益,是全社會關注的敏感問題,而城市天然氣需求由于具有不均衡性強、短期變化迅速等特點,給天然氣供應企業(yè)信息傳遞、氣源調(diào)度、危機預警和聯(lián)合行動帶來較大挑戰(zhàn),亟需建立風險評價和預警機制。本文利用動態(tài)風險管理理論,對中國城市天然氣供應風險進行了系統(tǒng)識別,建立了城市天然氣供應風險評價體系和短期動態(tài)風險預警方法。本文的研究成果可以為天然氣供氣企業(yè)、管輸企業(yè)、城市燃氣企業(yè)的風險管理提供理論和方法依據(jù),并為供氣系統(tǒng)聯(lián)動機制的建立提供借鑒思路。

1 城市天然氣供應風險識別與評價

根據(jù)對各管道公司、天然氣調(diào)控中心和城市燃氣企業(yè)的調(diào)研和總結(jié),參考相關專家意見,構(gòu)建城市天然氣供應風險評價指標體系，見圖1。該風險評價體系分三個層級,一級為城市天然氣供應總體風險,二級包括3個風險因素,三級則具體細分為8個風險因素。

圖1 城市天然氣供應風險評價體系示意圖

1.1 氣源不足風險

氣源不足風險是最常見的風險。目前以北京、上海等特大城市為代表已經(jīng)實現(xiàn)了多氣源供氣格局,氣源較為復雜,主要包括氣田供氣、管道間轉(zhuǎn)供氣、儲氣庫注采氣、互聯(lián)互通供氣、LNG汽化氣等。各氣源供氣的來源和特點不同,導致多種氣源不足風險,具體包括:

1.1.1 未按計劃進氣風險

大部分城市供氣系統(tǒng)采用以銷定產(chǎn)的方式,即以城市天然氣需求量為錨,反推出各氣源的計劃進氣量,因此各氣源按照計劃進氣就格外重要,否則會引起供需不均衡,帶來供應風險。以當期的實際進氣量占計劃進氣量的比值,即進氣飽和度來衡量未按計劃進氣的風險程度,見式(1)。進氣飽和度越高,表明實際進氣量越接近計劃進氣量,風險越低。

(1)

式中:ST為T天內(nèi)的進氣飽和度;vt為第t天的實際進氣量,104m3;Vt為第t天的計劃進氣量,104m3;T為評價周期,d。

1.1.2 供應能力不足風險

向城市供氣的各氣源都具有最大供氣能力的限制,如LNG最大供氣能力受制于生產(chǎn)線的數(shù)量等。以計劃進氣量與氣源供氣能力的比率,即氣源負荷度來衡量供應能力不足的風險,見式(2)。氣源負荷度越高,則說明其氣源供氣余量越小,可提升供氣量有限,風險越高。

(2)

式中:LT為T天內(nèi)的氣源負荷度;Pt為第t天的供氣能力，104m3。

1.1.3 儲備氣源不足風險

中國北方冬季產(chǎn)生“氣荒”的原因之一是天然氣峰谷消費比增大,但季節(jié)性調(diào)峰能力不足[11],所以儲備氣源至關重要。儲備氣源主要指LNG儲罐中儲存氣量和管道管存。以各儲備氣源當前存儲量和滿負荷存儲量的比率,即儲備比率來衡量儲備氣源不足的風險,見式(3)。儲備比率數(shù)值越高,表示與儲存滿罐的狀態(tài)越接近,風險越低。

(3)

式中:CT為T天的平均儲備比率;TSt為第t天LNG儲氣庫存儲量,104m3;GSt為第t天的管道存儲量,104m3;TSmax為LNG儲氣庫滿罐容量,104m3;GSmax為應急最高管道存儲量,104m3。

1.2 輸送能力不足風險

管道輸送能力不足風險既包括來源于長輸管道系統(tǒng)的風險,也包括來源于城市管網(wǎng)系統(tǒng)的風險。

1.2.1 管輸能力不足風險

隨著天然氣需求的旺盛增長,管道系統(tǒng)的建設速度相對落后,這種不同步的增長帶來較大的管輸能力不足風險。特別是在冬季保供期間,一般城市管道系統(tǒng)必須滿負荷運行才能勉強滿足用氣,小規(guī)模的設備故障或者其他問題都會帶來較嚴重的后果。以完好狀態(tài)下的管輸能力和需求量的比值,即需求保障倍數(shù)來衡量管輸能力風險,見式(4)。需求保障倍數(shù)數(shù)值越大,風險越低;若小于1,則存在極大風險。

IT=SC/Max{Dt}t=1,2,…,T

(4)

式中:IT為T天內(nèi)的需求保障倍數(shù);SC為完好管道輸送能力,104m3/d;Dt為第t天的需求量,104m3。

1.2.2 管輸能力下降風險

管道所處外部環(huán)境復雜,因此其運營受到多種風險影響,通常包括腐蝕、第三方施工、地質(zhì)災害以及人為因素等。當管道需要停輸、休整或者降低壓力非滿負荷運行時,管輸能力隨即大幅降低,帶來保供風險。以實際管輸能力和設計管輸能力的比值，即管輸能力完整率來衡量管輸能力下降風險,見式(5)。管輸能力完整率越接近1,則表示管道完整性越好,風險越低。

WT=Min{sct}/SCt=1,2,…,TWT≤1

(5)

式中:WT為T天內(nèi)的管輸能力完整率;sct為第t天的管輸能力,104m3/d。

1.2.3 分輸能力下降風險

天然氣由長輸管道進入城市門站后,由于長輸管道的設計運行壓力高于城市管網(wǎng)的運行壓力,所以分輸過程中需要進行截流,一般截流1×1012Pa,分輸溫度降低6 ℃,截流較嚴重時,分輸會出現(xiàn)冰堵,導致分輸能力下降。另外,分輸支路設備都存在可靠性的問題,在設備出現(xiàn)故障時,分輸能力同樣會下降。以目前的分輸能力和完好狀態(tài)下分輸能力的比值,即分輸能力完整率來表示分輸能力下降風險,見式(6)。分輸能力完整率越接近1,則表示各門站總體設備完整性越好,風險越低。

FT=Min{fct}/FCt=1,2,…,TFT≤1

(6)

式中:FT為T天內(nèi)的分輸能力完整率;fct為第t天的分輸能力,104m3/d;FC為完好分輸能力,104m3/d。

1.3 需求旺盛風險

近幾年，天然氣“氣荒”產(chǎn)生的原因復雜,但根本原因還是天然氣需求旺盛,因此將需求旺盛的風險分為需求增長風險和需求遽變風險。

1.3.1 需求增長風險

中國城市天然氣需求量增長中包含自發(fā)增長部分,也包含政策性增長部分,特別是北方“煤改氣”政策實施以來,每年新增天然氣需求增長近13%。從短期季節(jié)性變化來看,每到冬季采暖開始,城市天然氣需求量快速攀升,在半個月的時間內(nèi)增加1倍多,給供應保障帶來壓力。以一段時間內(nèi)最高需求量相對最低需求量的增幅,即需求增長率來衡量需求增長的風險,見式(7)。

RT=[Max{Dt}-Min{Dt}]/Min{Dt}

t=1,2,…,T

或RT=(DT-DT-1)/DT-1t=1,2,…,T

(7)

式中:RT為T天內(nèi)的需求增長率。

1.3.2 需求遽變風險

需求遽變風險來源于氣溫劇烈變化導致的需求急劇變化,特別是采暖季天然氣需求量對氣溫非常敏感,每次寒流來襲,天然氣消費量激增[14-15],且這部分增長為剛性。此外,夏季氣溫較高時,空調(diào)大面積開啟,城市熱電中心需提高運行負荷來滿足此部分增量,天然氣消耗量也隨之大幅上升。以當期預測氣溫變化引起的天然氣消費非正常增幅,即溫度變化天然氣需求增長率來衡量需求遽變風險,見式(8)。一般當冬季平均氣溫低于4 ℃或夏季平均氣溫高于26 ℃時,才會產(chǎn)生該種風險。

(8)

式中:YT為T天內(nèi)的溫度變化天然氣需求增長率;Qt為第t天的平均氣溫,℃;γl和γh分別為低溫和高溫下氣溫變化1 ℃引起的天然氣消費量增長,104m3/℃。

2 城市天然氣供應風險預警

2.1 風險預警方法

風險預警是指通過對相關數(shù)據(jù)信息進行綜合分析,預測和推斷系統(tǒng)的警情和警度,達到提前預防和控制風險的目的[16]。文獻[17-18]研究表明,應用較長歷史數(shù)據(jù)的城市天然氣需求預測精度并不理想,因此鑒于城市天然氣供應風險具有較強的時效性,短期風險預警更具有現(xiàn)實意義,本文的研究根據(jù)馬爾科夫模型建立城市短期天然氣供應風險預警機制。馬爾科夫模型通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣反映風險狀態(tài)轉(zhuǎn)換的動態(tài)性[19],并通過分析某變量現(xiàn)在的動向來預測未來時刻的狀態(tài)和動向[20-21],從而實現(xiàn)對評價指標的預測和預警,因此馬爾科夫模型過程的特點,對于描述城市天然氣供應風險評價指標的短期變化具有良好的適應性。由于氣溫變化可以通過氣象部門的預報獲得,因此馬爾科夫模型用于除YT外的其他指標預測。

(9)

根據(jù)馬爾可夫模型,可以將狀態(tài)轉(zhuǎn)移關系寫成向量形式,見式(10)。

αk+1=αk·P=α0·Pk+1

(10)

(11)

在實際應用中,轉(zhuǎn)移矩陣有多種算法,由于馬爾科夫模型所使用歷史數(shù)據(jù)時間較短,使用最大似然估計結(jié)合古典概率模型更適合,此處使用過去7 d該風險指標由狀態(tài)i轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的概率(i,j∈{上升=1,不變=2,下降=3})。

(12)

式中：Zt為各風險指標在第t天的取值。

2.2 風險預警級別

根據(jù)中國國務院安委辦的相關文件,將風險分為四個預警等級,風險從小到大分別為:低風險、中風險、高風險、極高風險,每個風險預警等級的劃分標準均借鑒了歷史經(jīng)驗和專家意見,見表1。

由于各指標含義和取值范圍不同,指標間具有不可公度性,且指標取值和相關風險既有正向相關關系,也有負向相關關系。為了使指標和其所表示的風險具有一致性,且便于指標間進行比較,采用隸屬度函數(shù)對各指標進行規(guī)范化處理。對于風險評價指標數(shù)值越大,表示風險越大的指標,如供應能力不足風險、需求增長風險和需求遽變風險,運用隸屬函數(shù)式(13)進行規(guī)范化處理;對于風險評價指標值越大,表示風險越小的指標,如未按計劃進氣風險、儲備氣源不足風險、管輸能力不足風險、管輸能力下降風險和分輸能力下降風險,運用隸屬函數(shù)式(14)進行規(guī)范化。

(13)

(14)

式中：NT為各風險指標風險值規(guī)范化處理結(jié)果;rT為各指標的原始值;a,b分別為指標的下限和上限。轉(zhuǎn)化后的NT數(shù)值區(qū)間為0～1,將此數(shù)值乘以100,作為百分制規(guī)范化風險指數(shù)。

表1 二級風險因素預警級別及應對表

風險指標風險等級預警等級指標數(shù)值規(guī)范化風險指數(shù)應對措施未按計劃進氣風險ST低0.95～10～5無需調(diào)整中0.90～0.955～10管存高時不調(diào)整,管存低時需要調(diào)整高0.8～0.910～20督促和調(diào)整氣源供應極高0～0.820～100提高所有氣源進氣量,通知相關方供應能力不足風險LT低0～0.70～70無需調(diào)整中0.7～0.870～80無需調(diào)整,密切關注高0.8～0.980～90加強設備維修維護,保持可靠性,考慮增產(chǎn)極高0.9～1.090～100增產(chǎn)上量,關注設備狀態(tài),通知相關方儲備氣源不足風險CT低0.85～1.000～23無需調(diào)整中0.65～0.8523～54無需調(diào)整,關注需求、天氣、LNG船期高0.48～0.6554～80安排其他氣源多進氣極高0.35～0.4880～100盡量提升其他氣源進氣量管輸能力不足風險IT低1.3～1.50～40無需調(diào)整中1.2～1.340～60對需求量的變化保持關注高1.1～1.260～80需考慮增大管輸能力極高1.0～1.180～100盡快增大管輸能力,加快維修搶工期管輸能力下降風險WT低0.9～1.000～10無需調(diào)整中0.8～0.910～20及時排除故障并修復設備高0.7～0.820～30若為計劃性維檢修導致此風險大,需加快進度極高0.730～100派遣專業(yè)人員盡快恢復至完好狀態(tài),保持對需求量的密切關注,聯(lián)系各相關方共同應對分輸能力下降風險FT低0.9～10～10無需調(diào)整中0.7～0.910～30及時排除故障并修復設備高0.5～0.730～50需馬上對故障設備進行修理,同時進行城市內(nèi)部用氣量調(diào)整,將氣量分配至故障設備少的門站極高0～0.550～100馬上派遣專業(yè)人員進行設備修理,若無法滿足需求量,提前告知相關方需求增長風險RT低0～0.030～30無需調(diào)整中0.03～0.0530～50暫不調(diào)整,密切關注高0.05～0.0750～70需提前通知管道各氣源、管道公司和油氣調(diào)控中心極高0.07～1.1070～100增大各氣源進氣量、增大當前管輸量,調(diào)動儲備氣源需求遽變風險YT低0～0.020～25無需調(diào)整中0.02～0.0425～50暫不調(diào)整,密切關注高0.04～0.0650～75需提前通知各相關方,準備增加進氣量極高0.06～0.1075～100增大各氣源進氣量、增大當前管輸量,調(diào)動儲備氣源

3 風險評價與預警實例

以B市2019年1月為例,讀取其中8 d天然氣供氣相關基礎數(shù)據(jù),見表2。運用上文方法對天然氣供應風險進行評價,并通過風險預警系統(tǒng)分析其目前風險狀態(tài)及所需采用管控策略。

表2B市天然氣供氣相關基礎數(shù)據(jù)表

時間/d每日實際進氣量/104 m3每日計劃進氣量/104 m3每日供氣能力/104 m3每日需求量/104 m3管存量/104 m3管輸能力/104 m3氣溫/℃第t-718 34222 41113 8777 95267 70012 000-1.0第t-619 74622 41113 6958 56568 00012 000-2.0第t-520 64222 61112 9029 19467 40011 000-5.5第t-420 51122 51112 5219 77067 50011 000-7.5第t-321 25623 41112 02410 56767 00012 000-6.0第t-221 92122 41111 94210 46666 00011 000-5.5第t-122 14022 41112 09910 56465 90011 000-3.5第t22 17522 41112 11810 33265 80012 000-5.5

根據(jù)式(11),得到7個指標的一次概率轉(zhuǎn)移矩陣:

YT直接采用天氣預報的數(shù)值,根據(jù)式(8)進行計算;其他指標根據(jù)式(9)～(12)運用馬爾科夫模型進行計算,這里取T=1,即以1 d作為預警周期,則B市未來7 d天然氣供應風險各評價指標的預測結(jié)果見表3(誤差均在可接受范圍)。

表3B市天然氣供應風險評價指標預測結(jié)果表

時間/dSTLTCTITWTFTRTYT第t+11.007 90.855 20.858 41.111 50.959 10.869 0-0.018 20.147 9第t+21.026 10.854 50.857 91.088 01.010 40.819 8-0.006 90.119 1第t+31.044 20.854 90.857 31.125 51.073 70.806 30.008 20.098 5第t+41.062 20.854 70.857 01.136 51.142 00.769 30.025 30.115 2第t+51.080 30.854 80.856 81.133 41.214 40.710 70.043 20.046 0第t+61.098 40.854 70.856 61.162 01.288 50.710 70.061 70.043 3第t+71.116 50.854 80.856 51.168 31.363 90.673 50.080 40.024 1

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)確定各風險評價指標上、下限取值見表4。

表4 各風險評價指標取值范圍表

風險指標a(下限)b(上限)ST1.20LT10CT10IT1.51WT10FT10RT0.2-0.2YT0.30

圖2 B市天然氣供應風險預警蛛網(wǎng)圖

根據(jù)式(13)～(14),可以對表3數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理,得到規(guī)范化后的各指標風險指數(shù),見圖2。圖2綠色實線為綠色預警區(qū)域和橙色預警區(qū)域的邊界線,黃色實線為橙色預警區(qū)域和黃色預警區(qū)域的邊界線,紅色實線為黃色預警區(qū)域和紅色預警區(qū)域的邊界線。

從圖2可見各風險評價指標的風險評分和未來變化趨勢,可據(jù)此判斷預警級別和確定應對策略:

1)未按計劃進氣風險開始處于黃色預警,后期將逐漸好轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)為橙色預警。這意味著實際進氣量與計劃量存在偏離,需馬上進行調(diào)整,督促各氣源向計劃量靠攏。若某個氣源存在較大問題無法達到計劃量,可臨時提升其他氣源供氣量,使整體進氣量與計劃量保持一致。

2)供應能力不足風險一直處于黃色預警。氣源負荷程度較高,余量空間已不大。應對突發(fā)的需求量激增能力較弱。需加強對設備的維修維護,保持其可靠性,避免產(chǎn)生未按計劃進氣的風險,考慮增產(chǎn)上量。

3)儲備氣源不足風險短期內(nèi)將持續(xù)處于綠色預警區(qū)間。儲備氣源基本已經(jīng)儲存滿,LNG儲罐中液態(tài)天然氣已滿罐,管道中已達到應急高管存,應對需求量激增能力很強,對調(diào)峰氣量有較強支撐。

4)管輸能力不足風險持續(xù)處于黃色預警狀態(tài)。管輸能力滿足需求后所剩余量不大,應對需求量激增風險能力較弱,需考慮增大管輸能力。

5)管輸能力下降風險在短期內(nèi)將持續(xù)處于綠色預警區(qū)間。當前管道基本完好,各附屬設備均可靠,當前管道輸量基本能夠達到設計輸量。

6)分輸能力下降風險將處于橙色預警區(qū)間,但有向黃色預警區(qū)間發(fā)展趨勢。顯示較大比例的設備出現(xiàn)故障,分輸能力被大幅度削減,應對需求量激增的能力弱。此時,一方面需馬上對故障設備進行修理,使其達到理想狀態(tài);另一方面需進行B市內(nèi)部用氣量的調(diào)整,在總量不變的前提下,將氣量分配至故障設備少的門站來供氣。

7)需求增長風險變化幅度最大,將從橙色預警轉(zhuǎn)為紅色預警,可能會對整體系統(tǒng)帶來很大風險,需特別關注。需提前通知管道各氣源、B市管道公司、B市油氣調(diào)控中心。可采取增大各氣源進氣、增大當前管輸量,調(diào)動儲備氣源等措施滿足增長需求量。

8)需求遽變風險將從黃色預警逐漸轉(zhuǎn)為綠色預警。密切監(jiān)視溫度的變化情況,保障短期調(diào)峰的能力。

4 結(jié)論

分析了中國城市天然氣供需風險因素,建立了風險評價指標體系和風險預警機制,提出了不同風險級別下的風險管控措施。基于本文的研究,得出以下結(jié)論:

1)中國城市天然氣供應風險可以劃分為氣源不足風險、輸送能力不足風險、需求旺盛風險三大類。其中氣源不足風險又分為未按計劃進氣風險、供應能力不足風險和儲備氣源不足風險;輸送能力不足風險可分為管輸能力不足風險、管輸能力下降風險和分輸能力下降風險;需求旺盛風險可分為需求增長風險和需求遽變風險。

2)中國城市天然氣需求具有極強的不均衡性和時效性,對此構(gòu)建了基于馬爾科夫模型的城市天然氣供應風險評價體系和預測預警機制,針對各風險指標設定了綠、橙、黃、紅四級預警級別和相應風險管控策略。此預警機制可應用于城市天然氣供應風險評估和預警,對于監(jiān)測城市天然氣供應風險變動、增強各利益相關方的數(shù)據(jù)共享及協(xié)作,提前預防并采取風險管理措施具有一定的應用價值。