我国进口天然气供应安全预警研究

李宏勋,吴复旦

(中国石油大学(华东) 经济管理学院,山东 青岛 266580)

一、引言

近年来,在蓝天计划、能源结构调整、“一带一路”及“煤改气”工程等新背景下,作为清洁能源的天然气日益受到市场的青睐。2017年我国天然气消费量为2 373亿立方米,同比增长15.3%。相比而言，天然气产量的增速相对较缓，因此加大天然气进口已成为维持我国天然气供需平衡、经济安全发展的新常态。根据汤森路透Eikon终端统计数据,2017年我国管道天然气和液化天然气(LNG)进口量达6 700万吨,比一年前增加1/4以上,仅LNG进口量同比增长50%,天然气对外依存度已接近40%。此外，我国获取能源的成本很高，在国际市场上的话语权和影响力有限。由于我国天然气工业起步较晚,关于天然气供应安全预警方面的研究相对欠缺,本文通过探讨影响我国进口天然气供应安全的主要因素以及2006年以来我国进口天然气供应安全的发展状况,提出保障我国进口天然气供应安全的对策建议,为我国实现天然气的持续、稳定、安全供应提供参考。

二、文献回顾

20世纪70年代以后的相当长一段时间,能源安全仅指石油的供应安全,但对能源安全的关注不应仅局限于石油的供应安全,还应加强对电力及天然气等能源安全的关注。[1]国内外学者大多侧重于对天然气供应安全影响因素、现状、建议等内容的研究,较少学者运用定量分析的方法对天然气供应安全进行评价。[2-4]Cabalu创新性地提出天然气供应安全综合指标(GSSI),并对亚洲六大经济体的天然气供应安全的脆弱性进行了研究。[5]Biresselioglu、张秀梅、王晓宇等主要从供应和需求两个层面建立天然气安全指标体系,并运用适当的研究方法对天然气供应安全状况进行评价。[6-8]有关天然气供应安全预警区间界限的研究相对较少,典型的代表有余良晖和万玺,他们在分析天然气预警研究思路和方法的基础上,建立了天然气预警指标体系和预警标准。[9-10]由于其权重的确定均采用专家意见法,主观性较强。宋杰鲲等以供需等五个因素建立石油天然气安全预警指标体系,通过主成分分析等方法建立油气安全预警模型,对我国石油天然气安全进行预警。[11]由于我国石油天然气供需现状存在差异,对其进行综合预警缺乏一定的针对性。郑言从影响天然气供应安全的因素出发,建立指标体系对天然气安全进行预测,为天然气安全预防和控制提供决策依据，[12]但是地缘政治风险对天然气供应安全的影响尚未考虑。

尽管各学者从不同侧面对天然气供应安全状况进行研究并取得了较好的成果,但是关于天然气供应安全预警的探索还有待进一步加强,因此本文选取2006—2016年的数据对我国进口天然气供应安全状况进行探讨。与以往学者的研究有所不同,本文除了考虑国内供应和需求层面因素对我国进口天然气供应安全的影响以外,着重探讨进口层面的因素,从进口安全、国内供应、需求安全三方面选取13项指标建立我国进口天然气供应安全预警指标体系,之后运用主成分分析和K-means聚类分析建立模型,并对其进行评价分析,最后提出保障我国进口天然气供应安全的对策建议。

三、指标体系与预警模型构建

(一)指标体系构建

由于天然气供应安全的影响因素具有复杂性和多样性,因此关于我国天然气供应安全预警指标体系的构建尚未达成一致。本文在借鉴郑言、王晓宇等对天然气供应安全指标体系构建的基础上[12,8],在进口安全层面添加地缘政治风险[5]和运输量等指标。最后遵循科学代表性、动态性、可操作性的原则从三个层面选取13项指标构建我国进口天然气供应安全预警指标体系(见表1)。

表1 我国进口天然气供应安全预警指标体系

我国主要通过国内天然气开采及国际贸易获取天然气资源,与此同时,国内天然气的消费对天然气的供应具有重要的反作用,因此本文指标体系包含进口安全、国内供应安全、需求安全三个层面。其中进口安全层面主要反映我国天然气进口的稳定性、多样性,国内天然气供应层面体现我国天然气的采储能力及可持续供应能力,需求层面则直接反映我国天然气的消费增长状况及消费强度。

(二)预警模型构建

本文运用主成分分析(PCA)和K-means聚类分析的方法建立模型,其中主成分分析是一种将多指标问题转化为较少综合指标(主成分)的统计方法,虽然这些综合指标之间互不相关,但由于其所占的权重较大,因而能有效地反映原始数据的绝大部分信息。[13]K-means聚类是以距离为衡量标准的聚类算法,其认为每个类内部的数据相似程度较高,而不同类的数据之间相关性较低。[14]

模型构建的过程主要有以下几步:

第一,构建数据矩阵。选取n年数据p个指标,构建天然气供应安全样本数据矩阵:

(1)

式中:i=1,2,…,n;j=1,2,…,p。

第二,对数据进行标准化处理。为了增强各指标的可比性,将各个指标转化成相同的量纲[8],本文利用Z-score方法,对数据进行标准化处理,公式如下:

(2)

(3)

第三，计算相关系数矩阵:

(4)

第四，求解主成分的特征向量。通过主成分分析得到p个特征根λj及载荷矩阵，利用式(5)，计算特征向量:

(5)

式中:j=1,2,…,p;λ1≥λ2…≥λp≥0。

第五,确定主成分的个数。根据累计方差贡献率≥0.85[15]的原则确定主成分的个数。

(6)

第六，计算主成分矩阵和综合主成分得分。主成分矩阵为Uj=Zbj，计算综合主成分得分，并将其作为我国进口天然气供应安全预警风险水平。

(7)

第七,确定预警界限。通过K-means聚类分析,令K=3得到3个聚类中心,将其作为预警界限。具体过程如下:

(8)

其次将所有数据重新分配之后再确认新的聚类中心：

(9)

式中:j=1,2,3;N代表在第t+1迭代时聚类中心的总数。

如果聚类准则函数值较上一次发生变化,则重复上述步骤,否则输出聚类结果,最终得到聚类中心作为预警区间的临界点。

四、我国进口天然气供应安全评价

(一)数据选择

2006年之后,我国开始大量引进天然气资源。因此本文选取2006—2016年的数据进行研究,数据来自《BP世界能源统计年鉴》(2007—2017年)及2017年《中国统计年鉴》。对相关数据进行筛选并对部分数据进行二次计算,得到我国进口天然气供应安全预警指标基础数据(见表2)。

表2 我国进口天然气供应安全预警指标基础数据

(二)计算过程

1.相关性分析

在对原始数据标准化的基础上,借助SPSS对标准化的数据进行相关性分析,得到相关系数矩阵。统计发现，指标之间的相关性较大,因此需要通过主成分分析降低指标的维度,以降低复杂性。

2.主成分分析

通过主成分分析,得到特征值、方差贡献率和累计方差贡献率(见表3)。根据累计方差贡献率≥0.85[15]的原则确定主成分,结果显示前三项的累积贡献率为88.395%,能有效反映数据的全部信息。依据主成分分析得到的载荷矩阵,通过式(5)计算主成分的特征向量,结果见表4。

以特征向量为系数得到3个主成分表达式:

U1=0.312x1+0.299x2+0.151x3+0.335x4+0.326x5+0.307x6+0.032x7-0.277x8-0.146x9-0.254x10+0.333x11+0.307x12-0.332x13

(10)

U2=0.141x1-0.152x2-0.443x3+0.008x4+0.120x5+0.262x6+0.623x7-0.197x8+0.462x9-0.154x10+0.111x11-0.048x12-0.015x13

(11)

U3=0.270x1-0.285x2+0.394x3+0.204x4+0.203x5-0.016x6-0.184x7+0.330x8+0.577x9+0.126x10+0.114x11+0.249x12-0.204x13

(12)

表4 载荷矩阵及特征向量

将3个主成分作为自变量,其方差贡献率为权重,对主成分进行加权求和,得到我国进口天然气供应安全预警风险水平的综合得分模型:

F=0.655 88U1+0.160 59U2+0.067 48U3

(13)

将标准化的数据分别带入公式(10)、(11)、(12),得到各主成分的得分，之后将各主成分的得分带入式(13)，计算得到我国进口天然气供应安全综合得分(见表5)。

表5 2006—2016年我国进口天然气供应安全综合得分

3.K-means聚类分析

通过K-means聚类分析,令K=3,将最终的聚类中心作为我国进口天然气供应安全预警区间的界限。通过计算得到三个聚类中心:-2.520、1.716、-0.341。根据主成分的原理,预警风险水平越小,表明我国进口天然气供应状况越安全,以此为基础将其划分成安全、关注、警戒三种状态,其中聚类1对应安全状态,聚类2对应警戒状态,聚类3对应关注状态(见表6)。

表6 K-means均值聚类中心

(三)结果分析

1.基于主成分分析

根据表5相关数据,得到我国进口天然气供应安全趋势图(见图1),以此直观反映3个主成分及我国进口天然气供应安全水平的变化趋势。

从主成分的载荷矩阵(见表4)中可以看出主成分1在天然气对外依存度、消费占比、供需比、运输量、进口集中度几项指标上的得分绝对值较高,因而这些指标对于解释主成分1具有较大的话语权。从图1可知,2006—2016年主成分1的得分不断升高,说明我国进口天然气供应安全面临的压力越来越大。主要影响因素包括:(1)天然气的对外依存度持续上升,由2006年的1.69%增长到2016年的34.38%,2017年则接近40%。(2)天然气消费在一次能源中的占比增加,意味着我国经济的发展越来越依赖天然气,而供需比的降低则直接反映我国天然气供需矛盾突出的状况。(3)随着天然气进口量的增加,管道和液化天然气运输量也随之增加,我国天然气供应较易受国外环境因素的制约,增加了我国天然气供应的不确定性。(4)我国天然气进口集中度较高,天然气进口比重不合理,单一输入国进口的天然气比重过高,仅土库曼斯坦就占总管道天然气进口量的77%。这些因素共同导致主成分1在接下来的时间内仍然有继续上涨的趋势,另外,由于主成分1所占的比重较大，为65.588%,因此应当重点关注上述因素对我国进口天然气供应安全的影响。

图1 我国进口天然气供应安全趋势

主成分2的得分在2006—2016年处于不断波动状态,总体呈“W型”,2013年至今有进一步增长的趋势。由表4可知,储产比、储量接替率、LNG进口价格在其中的得分绝对值较高,因而对解释主成分2有较大的话语权。由图1可知,2010年主成分2的得分最低,这主要因为我国天然气的储产比和储量接替率在此处存在较大的波动,由于亚太地区没有成熟的天然气市场和定价机制,天然气交易随着原油的价格上下波动。[16]此外,液化天然气的进口价格受国际社会其他因素的作用,属于系统风险因素,其不确定性较高,因此总体呈现波动的状态。

主成分3的得分整体呈“N型”,2013年在达到顶峰之后开始下降,这表明近几年来天然气供应安全状况得到改善。根据表4,主成分3在储量接替率、LNG进口价格、生产增长率上的得分绝对值较高,因而对解释主成分3有较大的话语权。2010年之后我国天然气储量接替率持续增长,而天然气生产增长近几年来有所放缓。总体而言,主成分3处于波动状态,但相对主成分2其波动性较小。从发展趋势来看,主成分3对我国进口天然气供应安全造成的威胁会进一步降低。

2.基于K-means聚类分析

2006—2016年,我国进口天然气供应安全处于安全状态的年份占27.27%,关注状态占27.27%,警戒状态占45.46%。由此可将我国进口天然气供应安全状况划分为三个阶段:

(1)安全状态(2006—2008年)

2006—2008年,我国进口天然气供应处于安全状态,虽然这一阶段我国对天然气的消费需求增长较大,为25.6%,但国内天然气产量能满足市场需求,因此即使天然气进口单一,进口集中度高,对我国天然气供应安全也未产生较大的影响。

(2)关注状态(2009—2011年)

2009—2011年,我国进口天然气供应安全处于关注状态,主要原因有以下几点:第一,我国天然气市场出现供不应求的状况,天然气消费的增长速度超过生产增长速度,供需缺口呈继续扩大的趋势,与此同时,我国天然气对外依存度迅速增加。第二,虽然我国天然气进口集中度有所下降,但依然处于较高的状态。此外,进口比重不尽合理,从单一进口国进口的天然气的数量偏多。第三,我国管道气大部分来自中东、东南亚地区,其地缘政治的不稳定性对我国进口安全产生了较大的影响。总之,国内天然气供应不能满足需求,国外天然气供应面临众多不确定性因素。

(3)警戒状态(2012—2016年)

从2012年开始,我国天然气供应安全处于警戒状态。在这一阶段,我国天然气消费量持续增长,供需缺口越来越大,供需矛盾成为主要矛盾。与此同时,对外依存度上升,天然气进口相对集中,加大了我国对境外天然气的依赖性。但是从图1可以看出,我国进口天然气供应安全的综合得分增速有所放缓,表明在政策的作用下，我国进口天然气供应安全状况有所改善。

五、结论与建议

笔者从进口、国内供应和需求三个层面选取13项指标构建我国进口天然气供应安全预警指标体系,通过主成分分析和K-means聚类分析2006—2016年我国进口天然气供应安全状况并给出预警界限。由上述分析可知:天然气对外依存度、消费占比、供需比、运输量、进口集中度这几项指标对我国进口天然气供应安全的影响较大;2006—2008年我国进口天然气供应安全处于安全稳定状态，2009—2011年处于关注状态,2012—2016年处于警戒状态;我国进口天然气供应安全预警界限为-2.520、-0.341、1.716。基于影响我国进口天然气供应安全的主要因素,提出以下建议:

第一，优化进口来源,坚持多元化进口。我国天然气进口集中度和对外依存度不断提升,对我国进口天然气长期供应安全造成较大的威胁。2017年第四季度,我国最大的气源国土库曼斯坦减少供应,成为我国大面积、大范围天然气短供和“气荒”的重要原因。因此,保障我国进口天然气供应的稳定,应当将天然气对外依存度和进口集中度控制在一个合理的范围内,实现天然气进口来源、进口渠道、贸易方式的多元化。[17]在选择进口来源时,着重选择治安水平和比较优势高的国家。

第二，合理规划天然气进口运输量,降低运输风险。在进口天然气的过程中会面临各种风险,管道风险是其中重要的组成部分。[18]运输天然气的量越大,运输的风险越大。随着我国东北、西北、西南、东南和东部海上的“东南西北”四个方向天然气进口通道雏形的形成,加强同供应商和国境国家的合作具有重要战略意义,此外,将合理规划天然气的单次运输量和加强国内储气调峰设施建设相结合,降低运输因素对我国进口天然气供应安全产生的影响。

第三，增加国内天然气供给,正确引导天然气消费。近几年,我国天然气消费占比不断增加,供需比持续降低,说明我国天然气供不应求的矛盾日益突出。天然气的供应不足,很大程度上是由需求侧过快增长和供给侧供给不足造成。提高国内天然气供给能力,可以有效降低对进口的依赖。此外,国家推行“煤改气”政策很大程度上刺激了天然气需求的快速增长,而需求量的增长应当以相对充足的天然气供给为保障,因此我国应当鼓励国内页岩气、煤层气等资源的投资开发,增加国内天然气供给,降低对进口的依赖。