供应安全下天然气进出口国共建基础设施策略研究

张 华，张 荣

供应安全下天然气进出口国共建基础设施策略研究

张 华，张 荣

（重庆大学 经济与工商管理学院，重庆 400030）

经济发展与供应安全通常是天然气进口国所关注的焦点。鉴于某些进口国可能存在因基础设施不足而导致天然气供应安全问题，文章提出了兼顾经济利益和供应安全的目标函数，并以此构建了进出口两国之间的动态博弈模型，运用微分对策理论，求得了双方的最优策略与最优效用。结果表明，进口国的最优基础设施投入及其销售价格，均与基础设施存量之间呈正向关系；出口国总效用与其出口价格之间呈倒“U”型关系；供应安全意识越强或需求基础设施弹性越大，天然气出口价格越高；供应安全意识、需求基础设施弹性对天然气基础设施建设均具有推动作用，但可能在短期内的效果有限；通常情况下，供应安全意识能给双方均带来好处，只不过需要在长期下才能突显，但如果进口国的基础设施基准量过高，那么它可能反而起到负作用，使得自身效用下降。

供应安全意识；天然气基础设施；天然气进口；天然气出口；微分对策

0 引言

随着能源供应局势日趋紧张以及气候变化问题日益严峻，天然气作为一种清洁高效能源，其开发与利用在全球范围内都受到了高度重视。近年来，我国天然气消费需求不断增加，2017年，我国天然气消费总量2373亿立方米，同比增加315亿立方米，同比增长15.3%。与此同时，我国天然气进口量也逐年攀升，从十年前开始变成天然气净进口国，天然气对外依赖程度也越来越大。2017年我国天然气进口量累计920亿立方米，同比增长27.6%，对外依存度从2007年的2.0%飙升至39%。在“2015年中国气体清洁能源发展与能源大转型高层论坛”上，国家能源局专家表示，我国要大力提高天然气的消费比重，扩大天然气的使用规模，力争2020年天然气消费占一次能源消费中的比重达10%左右，2030年天然气消费占比达15%左右，可见，在未来的发展道路上天然气的需求潜力巨大。我国作为天然气消费与进口大国，其供应安全问题便成为“十三五”能源规划中的重要内容。

通常造成进口国天然气供应安全问题的原因有很多，如出口国因自然灾害、经济、政治和军事等因素造成天然气出口供应中断；又或者是进口国自身因天然气战略储备不足，天然气进口多元化程度不高，天然气与其他替代能源比价关系不合理等因素引起国内天然气供需矛盾。此外，另一个重要因素在于进口国的天然气管网、储气库、LNG（液态天然气）接收站等基础设施不足。例如，2017年冬季，我国天然气供应紧张，天然气价格也持续上涨。国家统计局数据显示，2017年8月下旬全国LNG价格为3129.1元/吨，9月同期价格为3519元/吨，10月为4337.4元/吨，11月为5636.7元/吨。按此计算，2017年11月LNG价格比8月上涨高达80%，比9月上涨60%，比10月上涨30%左右。然而，2017年12月8日，华南地区码头气库的进口LNG批发价为4780.8元/吨，与2017年10月13日的价格相比，却只提高了3.5%。换言之，华北、华中地区“气荒”，不是全球天然气供应紧缺、价格上涨，而是有气进不来。此次华北、华中地区出现大面积“气荒”，主要原因就是LNG接收站的基础设施建设滞后，LNG接收能力不足，导致取暖季新增需求难以得到满足。鉴于此，文章以进出口两国双方共建天然气基础设施为背景，提出了进口国兼顾经济利益和供应安全的目标函数，主要研究进出两国如何采取最优策略，使得他们各自效用达到最大。

1 文献回顾

目前，关于天然气进口供应安全方面的问题也逐步受到一些学者的关注。Cabalu[1]构建了天然气供应安全指数，分析了亚洲七个进口国关于天然气供应中断的脆弱性程度。Abada和Massol[2]采用静态的古诺模型分析了在天然气供应中不确定的供应中断对处在长期天然气合同中的天然气零售商合同行为、合同价格及福利的影响。Biresselioglu[3]考虑现有的政治、经济及安全风险，构建了多目标规划模型分析土耳其LNG进口安全策略。Biresselioglu[4]认为衡量天然气供应安全最有效的指标为：出口国的数量、出口国天然气供应安全的脆弱性以及天然气的进口总量。Villada和Olaya[5]考虑到天然气供应取决于生产、需求及基础设施的复杂相互作用，天然气供应安全呈现出经济、管理、政治、环境和技术方面的风险，构建了天然气供应链仿真模型，包括运输约束和需求波动，通过对哥伦比亚天然气行业的实证模拟，评价了运输能力的提高以及市场灵活性的增加对天然气供应安全的影响。Shaffer[6]认为天然气贸易中依赖性较弱的一方更容易利用对方较强的依赖性在政治中获利，贸易国之间的政治关系是影响天然气供应安全的重要因素。与此同时，不少学者对保障油气资源进口供应安全的具体措施展开研究，主要提出了“进口多元化”和“战略储备”等策略[7-13]。

也有一些学者研究了基础设施建设对天然气进口的影响。Skea[14]等认为英国在遭遇到天然气进口中断时，天然气基础设施发挥的了重要作用。Lochne[7]和Dieckhöner[15]等通过建立各种情形的天然气基础设施模型，分析了欧洲天然气市场基础设施的运输能力，以及对基础设施运输能力遇到瓶颈状况的识别，认为欧洲国家整体的天然气市场进口一体化水平较高，德国与丹麦以及一些东欧国家在某些情形下可能会遭遇到天然气基础设施运输的瓶颈。Zhang[16]构建最优化模型研究了天然气供应成本对我国区域间天然气流动以及天然气基础设施调度的影响，结果表明，国内非常规天然气生产成本和天然气进口成本是影响我国区域间天然气流动以及天然气基础设施调度的两个关键因素；天然气基础设施主要根据不同情形下的区域间天然气流动进行调度。

文章也与进出口国之间天然气博弈问题的文献相关。Boots[17]构建了欧洲天然气市场上出口国为主导者和进口国为跟随者的Stackelberg博弈模型。研究表明，欧盟作为博弈中的跟随者，可以通过增加进口源的方式用于防止天然气贸易过于集中，这样可以降低天然气进口价格，削弱出口国的垄断势利。Lise[18]构建了一个动态博弈模型，研究了天然气出口国的战略行为对未来天然气进口价格，及欧盟对天然气运输投资行为的影响。研究表明，欧盟对天然气运输的投资，及出口国之间的出口竞争将导致天然气进口价格大幅下降，同时也会削弱出口国的垄断势力。Abada[19]构建了俄罗斯、阿尔及利亚等出口国与德国、保加利亚等进口国之间的古诺模型，研究了供应中断风险对天然气进口价格与社会福利的影响，以及进口国的最优进口策略。研究表明，如果供应中断风险与天然气进口价格均过高，那么进口国应放弃进口天然气行为。

综上所述，在已有的研究中，对进口国天然气基础设施的研究主要针对基础设施运输能力的评估、运输能力遇到瓶颈状况时的识别以及天然气供应成本等问题。考虑基础设施对进口国天然气供应安全的影响，以及采用基础设施存量对天然气供应安全进行量化的研究较少，对供应安全影响下进出口国之间的天然气博弈问题缺乏深入的讨论。为此，鉴于某些进口国可能存在因基础设施不足而导致天然气供应安全问题，文章提出了兼顾经济利益和供应安全的目标函数，并以此构建了出口国和进口国之间的动态博弈模型，运用微分对策理论[20]，研究了进口国的天然气供应安全意识、天然气需求基础设施弹性等系数对两国双方的最优策略及其效用的影响，为以我国为代表的进口国与其它出口国在天然气供应链中共建天然气基础设施方面提供一定的理论支持。

2 模型描述及相关假设

文章选择全球天然气贸易中，单个出口国与单个进口国组成的简单供应链系统为研究对象，研究两国双方共建天然气基础设施问题。某些进口国由于对天然气进口需求量较大，且具有较强的依赖性，从而会表现出相应的供应安全意识。两国双方共建天然气基础设施，一方面，出口国可借此增加对进口国的天然气出口量而获得更多利益；另一方面，进口国不仅可借此增加国内消费者的天然气需求量获得更多利益，还能保障天然气供应安全。因此，基础设施在天然气供应链系统中的影响机制如图1所示。

图1 天然气进出口供应链中的基础设施的影响机制

Figure 1 Impact mechanism of infrastructure in natural gas import and export supply chain

2.1 天然气需求函数

中俄东线天然气管道事关中俄合作和国家能源战略安全。2014年5月底，Gazprom（俄罗斯天然气工业股份公司）与中国石油天然气集团公司签署了为期30年，价值将达到4000亿美元的《俄中东线供气购销合同》。双方商定，2019年12月20日起，俄罗斯开始通过双方共同建设的“西伯利亚力量”管道向中国供气，输气量逐年增加，最终达到380亿立方米。可见，在双方为保障天然气供应安全而加快天然气基础设施建设步伐下，如果仍然采用传统的需求函数显得不太合适，因此，文章假设进口国的天然气需求函数为[21-23]

2.2 目标函数

出口国A与进口国B在各自境内建设天然气基础设施将付出相应的成本，例如，根据《俄中东线供气购销合同》约定，东线主供气源地为俄罗斯东西伯利亚的伊尔库茨克州科维克金气田和萨哈共和国恰扬金气田，俄罗斯天然气工业股份公司负责气田开发、天然气处理厂和俄罗斯境内管道的建设，中石油负责中国境内输气管道和储气库等配套基础设施建设。文章假设两国的成本函数分别为[24,25]

出口国A为了追求经济利益最大化，其目标函数为

通常对天然气进口依赖性较强的进口国来说，如果拥有充足的天然气管网、储气库、LNG接收站等基础设施，那么当出口国的天然气供应充足时，进口国便可以更充分地将进口天然气引入国内，以保障国内的天然气供应安全。因此，文章在进口国兼顾经济利益和供应安全效用的背景下，假设进口国的天然气供应安全效用函数为[26]

综上所述，进口国B为了追求兼顾经济利益与天然气供应安全效用最大化，其目标函数可表示为

由式(5)易见，虽然天然气基础设施存量越多，进口国的供应安全效用越高，但同时基础设施建设成本可能也随之上升，因此，进口国在选择天然气销售价格与基础设施投入等最优决策时，必然会在供应安全效用与成本之间进行权衡。

2.3 天然气基础设施的动态约束方程

3 模型求解与分析

定理1 出口国A与进口国B的最优天然气基础设施投入、进口国B最优天然气销售价格与最优基础设施存量之间的动态关系分别为：

其中，

由定理1可以得到以下性质：

定理2 天然气基础设施存量的最优动态路径为：

定理3 进口国B的天然气基础设施投入、天然气销售价格的最优动态路径分别为：

由定理2和定理3可以得到以下性质：

由定理2和定理3可知，天然气基础设施存量、进口国B的天然气基础设施投入及其天然气销售价格在收敛至各自最优稳态的路径上拥有相同的收敛速度；它们的动态路径变化趋势主要取决于天然气基础设施存量的初始水平与最优稳态水平之间的差距，即前者小于后者时，它们均随时间以递增趋势收敛至各自的最优稳态水平。反之，则随时间以递减趋势收敛至各自的最优稳态水平。此外，从定理2和定理3还可以发现，它们的最优稳态水平均与进口国的供应安全意识有关，但与基础设施基准量无关，具体情形可见下一节的数值分析。

定理4 出口国A与进口国B获得的最优总效用分别为

由定理4可知，进口国B的供应安全意识不仅影响到自身的总效用，它还对出口国A的总效用产生影响，而基础设施基准量却仅对进口国B的总效用产生影响。显然，天然气基础设施基准量越高，进口国B的总效用越小。其原因就好比制定的标准越高，实质上相当于原有的水平在下降，那么效用越小也就不难理解了。

由定理5可知，出口国A的总效用与天然气出口价格之间呈倒“U”型关系。出口国A作为天然气出口价格的制定者，站在无限时域内获得的总效用角度出发，必将制定一个最优天然气出口价格使其总效用达到最大。

4 数值分析

4.1 最优天然气出口价格分析

由定理5可知，出口国A将制定一个最优天然气出口价格，使得其总效用达到最大。那么，随着供应安全意识与需求基础设施弹性的变化，最优天然气出口价格又该如何变化呢？图2不仅展现了出口国A的总效用随天然气出口价格的变化情况，还展现了天然气出口价格随供应安全意识、需求基础设施弹性的变化情况。

图2 参数、和对总效用的影响

表1 时，随参数的变化情况

表2 时，随参数的变化情况

4.2 两国最优稳态策略与总效用的分析

将表1和表2所示的不同供应安全意识、需求基础设施弹性下的最优天然气出口价格代入定理1-5的各式中，可得到关于两国最优策略的稳态值及其总效用。具体如表3和表4所示。

表3 时，参数对两国最优策略与总效用的影响

表4 时，参数对两国最优策略与总效用的影响

图3 参数和对总效用的影响

4.3 两国最优策略与瞬时效用的动态路径分析

在上一部分，虽然研究了供应安全意识、需求基础设施弹性的变化对两国最优策略的稳态值及其总效用的影响，并得出了相应的结论。但可能有人不禁要问，在随时间推移的动态路径上，供应安全意识、需求基础设施弹性的变化，又会对两国最优策略及其瞬时效用产生何种影响呢？为此，首先图4和图5分别展现了在供应安全意识、需求基础设施弹性的变化下，天然气基础设施存量、进口国B的天然气基础设施投入及其销售价格的动态变化轨迹。

由图4和图5易见，随着供应安全意识、需求基础设施弹性的增加，任意时刻的天然气基础设施存量、进口国B的天然气基础设施投入及其销售价格均随之增加；需求基础设施弹性越大，会使得天然气基础设施存量、进口国B的天然气基础设施投入及其销售价格的收敛速度越慢。由图4(a)和图5(a)还可以看出，因供应安全意识或需求基础设施弹性变化的天然气基础设施增加量，在短期内较小，并随着时间逐渐递增直至一个稳态水平。这表明，供应安全意识或需求基础设施弹性增加，尽管有助于推动天然气基础设施建设进程，但可能在短期内的效果有限。

图4 参数对最优策略、和的影响

图5 参数对最优策略、和的影响

图6 参数对瞬时效用的影响

由图6(a)易见，出口国A的瞬时效用将随时间呈递增趋势收敛至最优稳态水平；随着供应安全意识增加，出口国A的最优稳态效用将随之增加。但由图6(b)可以看出，随着供应安全意识的增加，并非使得出口国A的效用在任意时刻递增，而是在短期内可能随之递减。其原因可能是，在短期内，虽然供应安全意识增加，使得天然气基础设施存量及其出口价格增加，导致收益增加，但此时基础设施建设成本的增加速度快于收益，因此出口国A的效用随之递减。结合表3和图6的结果表明，供应安全意识增强，虽然会使得出口国A的总效用增加，但它的瞬时效用却并非如此，因供应安全意识的增加而带给出口国A的好处可能在长期下才能突显出来。

图7 参数对瞬时效用的影响

由图7(a)和(b)易见，无论基础设施基准量处于何种水平，进口国B的瞬时效用同样会随时间呈递增趋势收敛至最优稳态水平；随着供应安全意识增加，进口国B的最优稳态效用将随之增加，当基础设施基准量处于较低或中等水平时，进口国B的瞬时效用可能在短期内随之递减，长期下则随之递增。其原因可能是，与因供应安全意识变化的天然气基础设施增加量相比，进口国B的天然气基础设施投入的增加量在短期内更大（如图4(a)和(b)所示）。当基础设施基准量处于较高水平时，进口国B的瞬时效用却始终呈递减趋势。以上结果表明，如果基础设施基准量处于较低或中等水平，那么供应安全意识的增加也能给进口国B带来好处，这种好处同样可能在长期下才能突显出来；如果基础设施基准量处于较高水平，那么这种供应安全意识反而可能产生负作用，使得它的效用下降。

5 结语

基于某些进口国可能存在因基础设施不足而导致天然气供应安全问题，文章提出了兼顾经济利益和供应安全的目标函数，并构建了出口国和进口国之间的动态博弈模型，研究了进口国的天然气供应安全意识、天然气需求基础设施弹性等系数对进出口两国的最优策略及其效用的影响。通过研究得出以下主要结论：进口国的最优基础设施投入及其销售价格，均与基础设施存量之间呈正向关系；出口国总效用与其出口价格之间呈倒“U”型关系；进口国的供应安全意识越强或需求基础设施弹性越大，出口国制定的最优天然气出口价格越高；供应安全意识与需求基础设施弹性对天然气基础设施建设均具有推动作用，但可能在短期内的效果有限；从效用的角度来看，进口国的供应安全意识的增强，通常情况下对进出口两国均能够带来一定好处，只不过这种好处可能需要在长期下才能突显，但是，如果进口国的天然气基础设施基准量过高，那么其供应安全意识可能反而起到负作用，使得进口国的效用下降。

文章研究了进口国的天然气供应安全意识及其需求基础设施弹性等因素对进出口两国的最优策略及其效用的影响，对以我国为代表的进口国与其它出口国在天然气供应链中共建天然气基础设施方面具有一定的参考建议。但未来在以下几个方面还有待深入研究：（1）为了简化模型，文章假设出口国制定的天然气出口价格是一个与时间无关的参数，之后可针对出口国在动态过程中对天然气出口定价问题进行研究。（2）文章仅考虑由一个出口国和一个进口国组成的天然气供应链模型，随着近年来越来越多的进口国开始实施天然气进口多元化战略，那么在天然气贸易供应链中可能涉及更复杂的关系，之后的研究可扩展到一对多、多对一、甚至多对多的情形。（3）之后的研究还可考虑一些随机不确定因素对进出口两国共建天然气基础设施体系的影响。

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Joint investment in natural gas infrastructure under supply security

ZHANG Hua, ZHANG Rong

(School of Economics and Business Administration, Chongqing University, Chongqing, 400030)

In recent years, China's natural gas consumption demand has continuously increased. In 2017, China's total natural gas consumption was 237.3 billion cubic meters, an increase of 15.3% comparing last year. At the same time, China's natural gas imports have also increased year by year, and it has become a net importer of natural gas since a decade ago. The natural gas has become increasingly dependent on foreign countries. Foreign dependency has soared to 39% from 2.0% in 2007. As a major natural gas consumer and importer, China should pay more attention to its supply security. An important reason for the safety of natural gas supply for importing countries is the lack of infrastructure in pipeline network, gas storage, and LNG receiving stations. In response to this situation, importing countries and exporting countries usually work together to build natural gas infrastructure as investment. On the one hand, infrastructure construction can ensure the safety of natural gas demand and supply in importing countries; on the other hand, it can also benefit both countries. Under this background, this paper studies the dynamic game problems of large natural gas import and export countries with relevant interests, and mainly analyzes the equilibrium strategy and the decision-making implication in the joint construction of natural gas infrastructure by the import and export countries.

Specifically, the first section of the paper discusses the main players in the natural gas market, objective functions, and strategy sets, and constructs a dynamic game model that describes the economic interests of both the exporting and importing countries, and the security of supply. In the second section, the differential game theory is used to analyze the optimal strategy of natural gas infrastructure investment for exporting country, and the optimal natural gas sales price and optimal path of infrastructure investment for importing country. The third section mainly studies the potential impact of the natural gas supply security awareness and the elasticity of natural gas demand infrastructure on the optimal strategies of the import and export countries by a numerical analysis.

The results of the study show that the optimal infrastructure investment and the natural gas sale price of the importing country have a positive relationship with the infrastructure stock; the optimal utility of the exporting country and the optimal natural gas export price have an inverted "U" relationship; the stronger the awareness of natural gas supply security or the greater the elasticity of demand on infrastructure stock, the higher the export price of natural gas; the awareness of supply security and the elasticity of infrastructure demand have a promoting effect on the construction of natural gas infrastructure, but may have limited effects in the short term; usually, the awareness of supply security can bring benefits to both parties, but its highlighted effectiveness is only in the long run. However, if the infrastructure benchmark of the importing country is too high, then it may play a negative role instead and cause its total utility to decline.

Supply security awareness; Natural gas infrastructure; Natural gas import; Natural gas export; Differential game

F224.32

A

1004-6062(2020)06-0110-009

10.13587/j.cnki.jieem.2020.06.011

2018-05-21

2008-11-27

Supported by the National Social Science Foundation of China (16BGL136)

2018-05-21

2018-11-27

国家社会科学基金资助项目（16BGL136）

张华（1986—），男，湖南株洲人；重庆大学经济与工商管理学院博士生；主要研究方向：经济增长、能源经济与动态博弈。

中文编辑：杜 健；英文编辑：Boping Yan