城市天然气供应风险评价与预警研究

郑玉华 沈德群,2 魏 昭 吕正林 宜海滨

1. 中国石油大学(北京)经济管理学院, 北京 102249;2. 中石油北京油气调控中心, 北京 100007;3. 中国石油天然气集团公司质量安全环保部, 北京 110000;4. 中国石油集团测井有限公司, 陕西 西安 710077

0 前言

天然气是高效清洁的能源,2013年9月中国发布的《大气污染防治行动计划》[1]中,要求加快天然气和煤制气等清洁能源的替代利用,且新增天然气优先保障居民的内容;2018年6月中国继续发布《打赢蓝天保卫战三年行动计划》,要求经过3年努力主要大气污染物排放总量大规模减少,进一步明显降低PM 2.5浓度,发展城市燃气已成为改善城市空气环境和提高居民生活质量的重要措施。随着国家政策的引导和基础设施的逐步完善,城市燃气需求增长迅速,也给城市能源供应系统带来了一系列挑战,最典型的是城市燃气需求具有极不平衡的属性。例如随着“煤改气”政策的实施,中国北方大城市每年冬季采暖天然气消费量占全年消费量平均比例超过70%,且高月日均消费量为低月日均消费量的4倍以上,全年高月高日消费量为低月低日消费量的7倍。天然气需求量大幅波动对天然气稳定供应提出了极大挑战,各城市特别是大城市天然气供需矛盾非常尖锐。

对天然气供应问题的研究主要是从国家视角评价天然气供应安全[2-6],此外还包括对天然气进口风险的评价[7-8],通过对天然气供应风险的评价可以分析供应系统所处的状态和风险程度,为风险预警提供参考指标。相对风险评价而言,风险预警具有动态风险预测[9]和分析的功能,目前的研究主要集中于对中国能源安全的预警[10]、对区域能源安全的预警[11]、和对城市天然气管网系统安全性的预警[12-13]等领域,对城市天然气供应风险的评价和预警研究较为少见。城市天然气供应安全关系到千家万户的切身利益,是全社会关注的敏感问题,而城市天然气需求由于具有不均衡性强、短期变化迅速等特点,给天然气供应企业信息传递、气源调度、危机预警和联合行动带来较大挑战,亟需建立风险评价和预警机制。本文利用动态风险管理理论,对中国城市天然气供应风险进行了系统识别,建立了城市天然气供应风险评价体系和短期动态风险预警方法。本文的研究成果可以为天然气供气企业、管输企业、城市燃气企业的风险管理提供理论和方法依据,并为供气系统联动机制的建立提供借鉴思路。

1 城市天然气供应风险识别与评价

根据对各管道公司、天然气调控中心和城市燃气企业的调研和总结,参考相关专家意见,构建城市天然气供应风险评价指标体系，见图1。该风险评价体系分三个层级,一级为城市天然气供应总体风险,二级包括3个风险因素,三级则具体细分为8个风险因素。

图1 城市天然气供应风险评价体系示意图

1.1 气源不足风险

气源不足风险是最常见的风险。目前以北京、上海等特大城市为代表已经实现了多气源供气格局,气源较为复杂,主要包括气田供气、管道间转供气、储气库注采气、互联互通供气、LNG汽化气等。各气源供气的来源和特点不同,导致多种气源不足风险,具体包括:

1.1.1 未按计划进气风险

大部分城市供气系统采用以销定产的方式,即以城市天然气需求量为锚,反推出各气源的计划进气量,因此各气源按照计划进气就格外重要,否则会引起供需不均衡,带来供应风险。以当期的实际进气量占计划进气量的比值,即进气饱和度来衡量未按计划进气的风险程度,见式(1)。进气饱和度越高,表明实际进气量越接近计划进气量,风险越低。

(1)

式中:ST为T天内的进气饱和度;vt为第t天的实际进气量,104m3;Vt为第t天的计划进气量,104m3;T为评价周期,d。

1.1.2 供应能力不足风险

向城市供气的各气源都具有最大供气能力的限制,如LNG最大供气能力受制于生产线的数量等。以计划进气量与气源供气能力的比率,即气源负荷度来衡量供应能力不足的风险,见式(2)。气源负荷度越高,则说明其气源供气余量越小,可提升供气量有限,风险越高。

(2)

式中:LT为T天内的气源负荷度;Pt为第t天的供气能力，104m3。

1.1.3 储备气源不足风险

中国北方冬季产生“气荒”的原因之一是天然气峰谷消费比增大,但季节性调峰能力不足[11],所以储备气源至关重要。储备气源主要指LNG储罐中储存气量和管道管存。以各储备气源当前存储量和满负荷存储量的比率,即储备比率来衡量储备气源不足的风险,见式(3)。储备比率数值越高,表示与储存满罐的状态越接近,风险越低。

(3)

式中:CT为T天的平均储备比率;TSt为第t天LNG储气库存储量,104m3;GSt为第t天的管道存储量,104m3;TSmax为LNG储气库满罐容量,104m3;GSmax为应急最高管道存储量,104m3。

1.2 输送能力不足风险

管道输送能力不足风险既包括来源于长输管道系统的风险,也包括来源于城市管网系统的风险。

1.2.1 管输能力不足风险

随着天然气需求的旺盛增长,管道系统的建设速度相对落后,这种不同步的增长带来较大的管输能力不足风险。特别是在冬季保供期间,一般城市管道系统必须满负荷运行才能勉强满足用气,小规模的设备故障或者其他问题都会带来较严重的后果。以完好状态下的管输能力和需求量的比值,即需求保障倍数来衡量管输能力风险,见式(4)。需求保障倍数数值越大,风险越低;若小于1,则存在极大风险。

IT=SC/Max{Dt}t=1,2,…,T

(4)

式中:IT为T天内的需求保障倍数;SC为完好管道输送能力,104m3/d;Dt为第t天的需求量,104m3。

1.2.2 管输能力下降风险

管道所处外部环境复杂,因此其运营受到多种风险影响,通常包括腐蚀、第三方施工、地质灾害以及人为因素等。当管道需要停输、休整或者降低压力非满负荷运行时,管输能力随即大幅降低,带来保供风险。以实际管输能力和设计管输能力的比值，即管输能力完整率来衡量管输能力下降风险,见式(5)。管输能力完整率越接近1,则表示管道完整性越好,风险越低。

WT=Min{sct}/SCt=1,2,…,TWT≤1

(5)

式中:WT为T天内的管输能力完整率;sct为第t天的管输能力,104m3/d。

1.2.3 分输能力下降风险

天然气由长输管道进入城市门站后,由于长输管道的设计运行压力高于城市管网的运行压力,所以分输过程中需要进行截流,一般截流1×1012Pa,分输温度降低6 ℃,截流较严重时,分输会出现冰堵,导致分输能力下降。另外,分输支路设备都存在可靠性的问题,在设备出现故障时,分输能力同样会下降。以目前的分输能力和完好状态下分输能力的比值,即分输能力完整率来表示分输能力下降风险,见式(6)。分输能力完整率越接近1,则表示各门站总体设备完整性越好,风险越低。

FT=Min{fct}/FCt=1,2,…,TFT≤1

(6)

式中:FT为T天内的分输能力完整率;fct为第t天的分输能力,104m3/d;FC为完好分输能力,104m3/d。

1.3 需求旺盛风险

近几年，天然气“气荒”产生的原因复杂,但根本原因还是天然气需求旺盛,因此将需求旺盛的风险分为需求增长风险和需求遽变风险。

1.3.1 需求增长风险

中国城市天然气需求量增长中包含自发增长部分,也包含政策性增长部分,特别是北方“煤改气”政策实施以来,每年新增天然气需求增长近13%。从短期季节性变化来看,每到冬季采暖开始,城市天然气需求量快速攀升,在半个月的时间内增加1倍多,给供应保障带来压力。以一段时间内最高需求量相对最低需求量的增幅,即需求增长率来衡量需求增长的风险,见式(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为T天内的需求增长率。

1.3.2 需求遽变风险

需求遽变风险来源于气温剧烈变化导致的需求急剧变化,特别是采暖季天然气需求量对气温非常敏感,每次寒流来袭,天然气消费量激增[14-15],且这部分增长为刚性。此外,夏季气温较高时,空调大面积开启,城市热电中心需提高运行负荷来满足此部分增量,天然气消耗量也随之大幅上升。以当期预测气温变化引起的天然气消费非正常增幅,即温度变化天然气需求增长率来衡量需求遽变风险,见式(8)。一般当冬季平均气温低于4 ℃或夏季平均气温高于26 ℃时,才会产生该种风险。

(8)

式中:YT为T天内的温度变化天然气需求增长率;Qt为第t天的平均气温,℃;γl和γh分别为低温和高温下气温变化1 ℃引起的天然气消费量增长,104m3/℃。

2 城市天然气供应风险预警

2.1 风险预警方法

风险预警是指通过对相关数据信息进行综合分析,预测和推断系统的警情和警度,达到提前预防和控制风险的目的[16]。文献[17-18]研究表明,应用较长历史数据的城市天然气需求预测精度并不理想,因此鉴于城市天然气供应风险具有较强的时效性,短期风险预警更具有现实意义,本文的研究根据马尔科夫模型建立城市短期天然气供应风险预警机制。马尔科夫模型通过状态转移矩阵反映风险状态转换的动态性[19],并通过分析某变量现在的动向来预测未来时刻的状态和动向[20-21],从而实现对评价指标的预测和预警,因此马尔科夫模型过程的特点,对于描述城市天然气供应风险评价指标的短期变化具有良好的适应性。由于气温变化可以通过气象部门的预报获得,因此马尔科夫模型用于除YT外的其他指标预测。

(9)

根据马尔可夫模型,可以将状态转移关系写成向量形式,见式(10)。

αk+1=αk·P=α0·Pk+1

(10)

(11)

在实际应用中,转移矩阵有多种算法,由于马尔科夫模型所使用历史数据时间较短,使用最大似然估计结合古典概率模型更适合,此处使用过去7 d该风险指标由状态i转移到状态j的概率(i,j∈{上升=1,不变=2,下降=3})。

(12)

式中：Zt为各风险指标在第t天的取值。

2.2 风险预警级别

根据中国国务院安委办的相关文件,将风险分为四个预警等级,风险从小到大分别为:低风险、中风险、高风险、极高风险,每个风险预警等级的划分标准均借鉴了历史经验和专家意见,见表1。

由于各指标含义和取值范围不同,指标间具有不可公度性,且指标取值和相关风险既有正向相关关系,也有负向相关关系。为了使指标和其所表示的风险具有一致性,且便于指标间进行比较,采用隶属度函数对各指标进行规范化处理。对于风险评价指标数值越大,表示风险越大的指标,如供应能力不足风险、需求增长风险和需求遽变风险,运用隶属函数式(13)进行规范化处理;对于风险评价指标值越大,表示风险越小的指标,如未按计划进气风险、储备气源不足风险、管输能力不足风险、管输能力下降风险和分输能力下降风险,运用隶属函数式(14)进行规范化。

(13)

(14)

式中：NT为各风险指标风险值规范化处理结果;rT为各指标的原始值;a,b分别为指标的下限和上限。转化后的NT数值区间为0～1,将此数值乘以100,作为百分制规范化风险指数。

表1 二级风险因素预警级别及应对表

风险指标风险等级预警等级指标数值规范化风险指数应对措施未按计划进气风险ST低0.95～10～5无需调整中0.90～0.955～10管存高时不调整,管存低时需要调整高0.8～0.910～20督促和调整气源供应极高0～0.820～100提高所有气源进气量,通知相关方供应能力不足风险LT低0～0.70～70无需调整中0.7～0.870～80无需调整,密切关注高0.8～0.980～90加强设备维修维护,保持可靠性,考虑增产极高0.9～1.090～100增产上量,关注设备状态,通知相关方储备气源不足风险CT低0.85～1.000～23无需调整中0.65～0.8523～54无需调整,关注需求、天气、LNG船期高0.48～0.6554～80安排其他气源多进气极高0.35～0.4880～100尽量提升其他气源进气量管输能力不足风险IT低1.3～1.50～40无需调整中1.2～1.340～60对需求量的变化保持关注高1.1～1.260～80需考虑增大管输能力极高1.0～1.180～100尽快增大管输能力,加快维修抢工期管输能力下降风险WT低0.9～1.000～10无需调整中0.8～0.910～20及时排除故障并修复设备高0.7～0.820～30若为计划性维检修导致此风险大,需加快进度极高0.730～100派遣专业人员尽快恢复至完好状态,保持对需求量的密切关注,联系各相关方共同应对分输能力下降风险FT低0.9～10～10无需调整中0.7～0.910～30及时排除故障并修复设备高0.5～0.730～50需马上对故障设备进行修理,同时进行城市内部用气量调整,将气量分配至故障设备少的门站极高0～0.550～100马上派遣专业人员进行设备修理,若无法满足需求量,提前告知相关方需求增长风险RT低0～0.030～30无需调整中0.03～0.0530～50暂不调整,密切关注高0.05～0.0750～70需提前通知管道各气源、管道公司和油气调控中心极高0.07～1.1070～100增大各气源进气量、增大当前管输量,调动储备气源需求遽变风险YT低0～0.020～25无需调整中0.02～0.0425～50暂不调整,密切关注高0.04～0.0650～75需提前通知各相关方,准备增加进气量极高0.06～0.1075～100增大各气源进气量、增大当前管输量,调动储备气源

3 风险评价与预警实例

以B市2019年1月为例,读取其中8 d天然气供气相关基础数据,见表2。运用上文方法对天然气供应风险进行评价,并通过风险预警系统分析其目前风险状态及所需采用管控策略。

表2B市天然气供气相关基础数据表

时间/d每日实际进气量/104 m3每日计划进气量/104 m3每日供气能力/104 m3每日需求量/104 m3管存量/104 m3管输能力/104 m3气温/℃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

根据式(11),得到7个指标的一次概率转移矩阵:

YT直接采用天气预报的数值,根据式(8)进行计算;其他指标根据式(9)～(12)运用马尔科夫模型进行计算,这里取T=1,即以1 d作为预警周期,则B市未来7 d天然气供应风险各评价指标的预测结果见表3(误差均在可接受范围)。

表3B市天然气供应风险评价指标预测结果表

时间/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

根据历史数据确定各风险评价指标上、下限取值见表4。

表4 各风险评价指标取值范围表

风险指标a(下限)b(上限)ST1.20LT10CT10IT1.51WT10FT10RT0.2-0.2YT0.30

图2 B市天然气供应风险预警蛛网图

根据式(13)～(14),可以对表3数据进行规范化处理,得到规范化后的各指标风险指数,见图2。图2绿色实线为绿色预警区域和橙色预警区域的边界线,黄色实线为橙色预警区域和黄色预警区域的边界线,红色实线为黄色预警区域和红色预警区域的边界线。

从图2可见各风险评价指标的风险评分和未来变化趋势,可据此判断预警级别和确定应对策略:

1)未按计划进气风险开始处于黄色预警,后期将逐渐好转,转为橙色预警。这意味着实际进气量与计划量存在偏离,需马上进行调整,督促各气源向计划量靠拢。若某个气源存在较大问题无法达到计划量,可临时提升其他气源供气量,使整体进气量与计划量保持一致。

2)供应能力不足风险一直处于黄色预警。气源负荷程度较高,余量空间已不大。应对突发的需求量激增能力较弱。需加强对设备的维修维护,保持其可靠性,避免产生未按计划进气的风险,考虑增产上量。

3)储备气源不足风险短期内将持续处于绿色预警区间。储备气源基本已经储存满,LNG储罐中液态天然气已满罐,管道中已达到应急高管存,应对需求量激增能力很强,对调峰气量有较强支撑。

4)管输能力不足风险持续处于黄色预警状态。管输能力满足需求后所剩余量不大,应对需求量激增风险能力较弱,需考虑增大管输能力。

5)管输能力下降风险在短期内将持续处于绿色预警区间。当前管道基本完好,各附属设备均可靠,当前管道输量基本能够达到设计输量。

6)分输能力下降风险将处于橙色预警区间,但有向黄色预警区间发展趋势。显示较大比例的设备出现故障,分输能力被大幅度削减,应对需求量激增的能力弱。此时,一方面需马上对故障设备进行修理,使其达到理想状态;另一方面需进行B市内部用气量的调整,在总量不变的前提下,将气量分配至故障设备少的门站来供气。

7)需求增长风险变化幅度最大,将从橙色预警转为红色预警,可能会对整体系统带来很大风险,需特别关注。需提前通知管道各气源、B市管道公司、B市油气调控中心。可采取增大各气源进气、增大当前管输量,调动储备气源等措施满足增长需求量。

8)需求遽变风险将从黄色预警逐渐转为绿色预警。密切监视温度的变化情况,保障短期调峰的能力。

4 结论

分析了中国城市天然气供需风险因素,建立了风险评价指标体系和风险预警机制,提出了不同风险级别下的风险管控措施。基于本文的研究,得出以下结论:

1)中国城市天然气供应风险可以划分为气源不足风险、输送能力不足风险、需求旺盛风险三大类。其中气源不足风险又分为未按计划进气风险、供应能力不足风险和储备气源不足风险;输送能力不足风险可分为管输能力不足风险、管输能力下降风险和分输能力下降风险;需求旺盛风险可分为需求增长风险和需求遽变风险。

2)中国城市天然气需求具有极强的不均衡性和时效性,对此构建了基于马尔科夫模型的城市天然气供应风险评价体系和预测预警机制,针对各风险指标设定了绿、橙、黄、红四级预警级别和相应风险管控策略。此预警机制可应用于城市天然气供应风险评估和预警,对于监测城市天然气供应风险变动、增强各利益相关方的数据共享及协作,提前预防并采取风险管理措施具有一定的应用价值。