我国天然气需求的系统动力学预测与分析

孟亚东 MENG Ya-dong；龚继忠 GONG Ji-zhong

（中国石油化工股份有限公司天然气分公司，北京 100029）

0 引言

2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会上提出中国碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。实现碳中和其中最重要的方式是深化能源体制改革。天然气的替代将对碳中和的实现起到重要作用。有学者提出，我国的天然气需求将保持稳定快速增长[1]。而能源系统是动态复杂的，系统内各因素互相制衡影响，因此使用科学合理的方法对其进行预测是较为困难的。

1 文献综述

国内外学者最初对于天然气需求预测一般是通过数学模型展开。早期利用传统的计量模型[1-6]对其进行预测，采用logit函数回归[2]，自回归模型[3]和非线性模型[4]等方法。近年来，人工智能在天然气需求预测方面快速发展[7-12]，很多学者尝试将多种方法混合使用，以克服单一方法的弊端。焦文玲通过时间序列模型预测了各时期我国的天然气需求量[5]。Smith，Husein，Leonard通过BP神经网络的构建预测了英国的天然气需求[7]。张明涛分别用BP神经网络模型和灰色预测模型对我国天然气的供需进行预测[9]。

随着系统工程理论的发展，学者开始以系统的视角研究此问题。Naill RF首先运用系统动力学模型分析美国天然气价格机制[13]；Li J,Dong X等建立了天然气供需系统模型预测了美国和中国未来的天然气供需量[14]。国内学者将系统动力学的基本原理和方法运用于能源供需预测领域并取得可观成果[15-21]。李君臣、董秀成等综合考虑各行业天然气消费的影响因素，对我国未来天然气消费量进行了预测[15]；李连德运用系统动力学模型预测了各能源的供需情况，并进行了总量分析和情景分析[16]。

2 模型构建

2.1 模型结构分析

本文以天然气需求系统为主要研究对象，考虑能耗强度、经济规模、人口规模3个因素对天然气消费的影响。

①能耗强度。能耗强度是指单位生产值能源消耗量。同样经济增长的情况下如果能源消耗强度降低，则能源消耗量将减少，碳排放总量也将随之减少。

②经济规模。首先，经济的发展会带动社会投资的增加，有利于天然气基础设施的日渐完善。其次，天然气满足了居民对能源的环保性和便捷性的要求。最后，原料是天然气的行业比重也会影响天然气的消费。

③人口规模。人口规模的大小直接影响着天然气的消费量和消费方式，城镇人口不断增加，其燃气需求也会持续增加。

2.2 模型因果关系分析

在天然气需求模型中，天然气供应、天然气消费、经济、人口等各因素是相互影响、共同作用的。在可采储量的限制下，天然气的生产不能满足其需求时，就要通过进口天然气来填补需求。而天然气进口量的过度增长也会使天然气的对外依存度增加，不利于保障我国的能源安全。

根据以上分析，本文得出天然气需求系统各因素的因果关系如图1所示。图中左边的回路体现了自然因素对天然气需求的影响，如可采储量的增加使天然气供应量增加，从而使库存量增加，天然气消费量增加，预期库存量和预期供应量增加，逐步带动天然气生产量增加，最终导致天然气供应量进一步增加。右边的回路主要体现了社会因素对天然气需求的影响，如人口数的增加使生活用气增加，从而使天然气消费量增加，进而引起进口量增加，天然气供应量增加，库存量增加，最终导致天然气消费量进一步增加。

2.3 模型构建

根据2.2对我国天然气需求系统因果关系的分析，本文建立系统动力学模型预测未来中国天然气的需求量，并通过调整参数进行政策模拟，以预测不同因素对天然气需求的影响。本研究使用Vensim软件绘制的天然气需求关系系统动力学流图如图2所示。

图2 我国天然气需求系统流图

模型中水平变量包括库存量、人口数、GDP、能源强度；速率变量有国内供应量、国内消费量、能源强度变化量、年人口变化量、GDP变化量。

3 结果与讨论

3.1 模型参数确定及有效性检验

限于数据的可得性和完整性，本文研究时间为2011-2020年，对我国30个省市（不含西藏、香港、澳门及台湾）。所用数据均来源于历年《中国统计年鉴》和《中国能源统计年鉴》。国内生产总值均根据2010年不变价格折算。

在本研究中，GDP、人口数、能源强度等均是天然气需求预测模型中的重要参数。本文在预测时，取人口数自然增长率为0.01%，取国内生产总值的增长率为4.5%[19]，能源强度的变化率参考姚文伟的研究[20]，天然气进口量按照每年增长6%进行设置[10]，天然气产量参考王建良[21]的研究数据。

首先对模型的有效性进行检验。以2011年为仿真初始年，通过比较仿真值与历史数据来检验模型的可靠性。各数据的比较如表1所示。各个数值的误差均在10%以下，可以看出模型拟合程度较好。

表1 天然气需求系统动力学模型预测结果与实际值的比较

3.2 模型预测结果分析

使用Vensim对我国天然气需求系统动力学模型进行仿真模拟，得到如图3所示的我国2021-2023年天然气消费趋势的预测结果。

图3 我国天然气消费量趋势图（亿m3）

从图3可以看出，我国天然气消费需求量呈不断增长的上升态势。到2030年，天然气需求量将达到4172.73亿立方米，比2011年多3087.77亿立方米，年增长率14.23%。由此可见我国天然气消费仍有较大增长潜力，这与我国良好的经济形势以及环保政策执行力度的提高是密不可分的。

3.3 天然气消费的参数灵敏度分析

经济增长与能源需求是密切相关的。本文从GDP增长率这一角度对模型进行了参数灵敏度分析。从图4可知，其他参数不变，当GDP增长率增长0.5%时，也带动了天然气需求的增加，在这种情况下，到2030年天然气消费量将增加8.51%。且由于不断增长的天然气消费量，净进口量较之前也将有较大提高，并且呈现逐年增长的趋势，对外依存度1对比之前会有明显提高，从19.04%增加到27.99%，但对外依存度2相比之前会有所回落，从47.25%降低到44.78%，这表明经济的增长会明显拉动天然气消费增长，同时拉动了净进口量的增长，当进口量同时进行增长时，对外依存度也会增长，但经济增长也能够提升国家能源安全的防御能力，因此比之前预测的有一定程度的降低。

图4 天然气消费量与对外依存度变化对比

4 结论与建议

本研究综合考虑了人口、经济、环境等因素，运用系统动力学方法建立了我国天然气需求趋势预测模型，对我国2021年到2030年的天然气消费量、净进口量、对外依存度等进行了预测。结果显示，我国天然气消费仍有较大的增长空间。但与此同时，天然气需求量的持续上升也会导致天然气对外依存度的不断提高，这不利于我国的能源形势的安全发展。模拟实验的结果显示，经济快速发展会导致天然气对外依存度的增加，因此要在关注经济发展的同时，注意能源消费结构的优化，提高天然气的使用效率，改善天然气供应结构，从而保障我国能源安全。