基于负荷持续曲线的天然气市场及供应规划

摘 要

摘要：将负荷持续曲线应用于天然气市场及供应规划，对城市天然气供气系统的季节供需平衡进行分析研究，为城市天然气企业签订照付不议合同、规划季节调峰设施以及市场发展提供科学
摘要：将负荷持续曲线应用于天然气市场及供应规划，对城市天然气供气系统的季节供需平衡进行分析研究，为城市天然气企业签订照付不议合同、规划季节调峰设施以及市场发展提供科学依据。
关键词：城市天然气；季节调峰；负荷持续曲线；市场；照付不议
Natural Gas Market and Supply Planning Based on Load Duration Curve
LI Fan，HUANG Wei-qiang，DONG Qiu-ling
Abstract：The load duration curve is applied to natural gas market and supply planning，and the seasonal supply and demand balance of city natural gas supply system is analyzed，which provides scientific basis for signing take-or-pay contracts by city natural gas enterprises，planning seasonal peak-shaving facilities and developing the market.
Key words：city natural gas；seasonal peak-shaving；load duration curve；market；take-or-pay
1 概述
    近年来，我国天然气产业取得长足发展，天然气消费量从2000年的257×108m3增长至2008年的779×108m3，年均复合增长率达到14.87%。据统计，2008年城市的天然气供应量逾258×108m3，占全国天然气总消费量的33.12%，天然气产业的市场已改变了以往以大型化工业需求为主的格局。据国土资源部预估，到2020年我国天然气产量有望达到2000×108m3，几乎与同期石油产量相当，加上进口管道天然气和进口LNG，天然气总供应量可能达到3000×108m3。
    随着城市天然气市场快速发展，供需不平衡、调峰责任不清晰等矛盾凸显，尤其在冬季，部分城市天然气供需矛盾突出，甚至引发气荒，严重影响了稳定供气。据统计，2009年入冬以来，部分城市天然气供需缺口较大，为应对短期供需矛盾，这些城市启动了天然气保供应急预案，以确保居民生活供气稳定安全。造成气荒的原因除了2009年冬季天气骤冷以外，季节调峰能力较低、用气市场规划不合理等都是主要原因。因此，对照付不议合同气量、季节调峰设施、用气市场做出规划就成了各燃气企业关注的重要课题之一。
2 负荷持续曲线及其描述
    传统负荷曲线(也称时序负荷曲线)是将天然气输配系统1年内日负荷按时间顺序排列后得到的曲线，见图1。负荷持续曲线(Load Duration Curve，LDC)是将时序负荷曲线按照负荷大小顺序重新排列后得到的曲线，它包含了最大负荷、最小负荷、负荷累积持续时间、负荷出现的概率、设施利用率等大量信息，常被用于电力系统规划和发电系统可靠性评估中[1]。
    LDC不同于传统负荷曲线，它是按照负荷大小顺序排列的曲线。LDC左上方一般代表冬季时段，右下方一般代表夏季时段，中间则是由春秋季混合时段构成，左右两个端点分别表示日负荷最高点和最低点。城市天然气LDC见图2。
 

3 城市天然气LDC分析
   根据城市天然气的供气特点，从图3城市天然气LDC与供应曲线可以看出，冬季和夏季的峰谷差较大。据统计，北京市天然气的冬夏季峰谷差达十几倍，东北地区的冬夏季峰谷差在5倍以上，山东地区为2～5倍。由于燃气企业与上游企业要签订照付不议合同，合同气量应尽可能地贴近市场需求曲线(LDC)的形状，以缩短上游供应的天然气用不完的时间，减少照付不议的经济损失。由于供需不平衡，决定了在签订照付不议合同时，应充分考虑年合同气量、季节供应系数、季节调峰设施规模、用气市场规划等因素，以期平衡协调，用最小的设施投入及气源采购成本取得适合的天然气供应量。下面利用LDC对上述几个方面进行分析。

3.1 夏季的用气平衡
    LDC的最低值在夏季，若燃气企业大力发展夏季用户，则夏季裕量可以通过夏季用户加以消化，以减少照付不议的损失。夏季是城市天然气用气低谷，但是电力供应的高峰，大力发展燃气空调是城市能源削峰填谷的有效手段之一。政府应出台相应的鼓励政策，促进天然气空调市场的发展。
3.2 冬季的季节调峰
    当上中游没有季节调峰能力的情况下，对于冬季缺口量则要通过系统外气源解决，如液化天然气、压缩天然气、代用天然气等(这里统称为补充气源)。一般，补充气源比管道天然气价格高，但把它们作为处理供需不平衡的调节手段，只在高峰季节使用，可以在控制额外气源成本的前提下有效缓解企业在高峰季节的保供难题[2]。当上中游具备季节调峰能力且实施两部制气价时，则需要对不同的调峰方案进行技术经济分析，比较上中游调峰成本与自建调峰设施造价及运行费用成本，选择最优季节调峰方案。
    ① 补充气源的全成本分析
    补充气源的全成本由气价和设施折旧及经营性成本两部分组成。假设补充气源设施的供应能力为1×104m3/d，全年以365d计，若利用率是100%，1年就有365×104m3来承担该设施当年的折旧成本。若全年只供应36×104m3，则该年每1m3天然气要承担的设施折旧成本是100%利用率情况下的10倍。
如果补充气源与门站天然气气价差是1元/m3，设施折旧及经营性成本是2元/m3，相当于补充气源比管道天然气要贵3元/m3。如能提高补充气源的利用率，即把图4a的LDC左上方冬季缺口量的三角形在不增加高度的情况下向右拓展(见图4b)，延长供应时间(假设从30d延长至80d)，把补充气源的年度总售气量提高，每1m3天然气要承担的设施折旧及经营性成本也就减少了，每1m3补充气源的全成本就可因提高设施的利用率而降低。
 

    ② 加强需求侧管理，降低补充气源日供应量
    a. 大力发展季节可中断用户
    通过市场手段来减少城市天然气冬季缺口量是燃气企业的常用做法[3]，即发展季节可中断用户。通过季节可中断用户用气量的调节，使冬季缺口量减少(即LDC的最高点降低，见图5)，减少了补充气源在供气高峰时的日供应量，从而降低相应的工程设施造价及其运行管理费用。
 

    b. 有序发展壁挂炉市场
    近年来壁挂炉市场发展迅猛，特别是在冬季无集中采暖的地区。从长远来看，发展壁挂炉市场对燃气企业扩大售气量有利，但是，壁挂炉用气量与城市天然气的冬季需求高峰重叠，在近期我国天然气门站普遍冬季供应能力还不足的格局下，应谨慎发展壁挂炉用气市场。假如某城市安装壁挂炉的家庭有2×104户，按1台壁挂炉耗气量为15m3/d计算，仅家庭采暖这一项就将增加约30×104m3/d的天然气需求。如此大的日增长量可能在整个冬季都存在，因此在上游仍未能提升门站的冬季持续供应能力前，壁挂炉用气市场将给城市天然气季节调峰带来巨大的压力。
3.3 对照付不议合同、调峰、市场的综合考虑
    签订照付不议合同应综合考虑年合同气量、市场季节需求特性、上游门站季节供应的月不均匀系数、补充气源、现有天然气供气及储气设施等情况。港华投资有限公司和港华燃气投资有限公司(合称港华集团)研制出DM904模板(DM904模板的原理：规划企业未来第5年各月的市场需求量、计划的照付不议供应量，制成LDC，再通过工程规划，缩小门站天然气供应量与LDC的差距)，将LDC与综合考虑的各因素制作成图6，鼓励港华集团旗下的燃气企业研究自身市场未来几年需求的趋势及季节可中断客户，并不断对市场发展方案进行优化，把研究成果作为企业新签天然气供应合同时决定年合同气量和月不均匀系数的参考依据。
 
图6的右边反映出在照付不议供气合同气量与市场需求不一致的情况下，可能出现的冬季缺口量和夏季裕量，以及春秋季节某些天的供需不平衡，利用LDC有助于规划各类气源供应以及市场发展策略。在图6的左边，有市场、资源、高压管输能力和高压储气量4根柱状图。高压储气量柱状图显示：球罐和管束等对储气压力有调节手段，能应付变化幅度较大的调峰，对应右边LDC腰部的位置；高压输气管道只有小时调峰能力而无季节调峰能力。高压管输能力柱状图比LDC最高点高出0.2倍，是提醒设计时应考虑管输能力比年最大用气量目的用气需求负荷高20%。资源柱状图表示解决冬季缺口量所需的工程手段，即补充气源设施规划。若冬季缺口量全部由工程手段解决将会使补充气源设施庞大，造价高，且补充气源全成本较高也会增加燃气企业的运行费用。因此，应从需求侧(市场)做出规划，即大力发展季节可中断用户，谨慎发展壁挂炉用
    季节可中断用户的发展会使燃气企业售气量降低，因此，应在补充气源与可中断用户间取得平衡。在市场柱状图上还有一块就是通过发展夏季用户消化夏季裕量，减小在夏季可能出现的照付不议损失。
    为了在市场、工程及非工程调峰手段、照付不议合同气量等方面达成平衡，应针对市场发展方案，具体考虑新增用气市场分布，计算出补充气源设施、高压管道等各类工程造价，以及它们的利用率，计算单位全成本。再考虑季节可中断用户情况，综合考虑该方案的用户承受能力和企业赢利情况，来调整修改市场方案。上述过程为一个PDCA循环(即计划、执行、检查、处理)，通过PDCA循环可以不断优化方案，经过3次以上的PDCA循环可以得到较优化的方案。
    以DM904模板进行一次供需工程设施及市场规划，就等于完成了一次PDCA循环。若PDCA循环的结果发现制定出的业务发展规划方案的工程造价太高，面对的照付不议损失太大，或两部制门站气源价格较高，影响天然气的比价优势，企业就应重选目标用户组成，包括引入更多的季节可中断用户和夏季用气用户，使全年目标售气量不变甚至减少的情况下，降低高压管输及补充气源设施造价，也控制月不均匀系数落差及门站总体平均价格，目标是制定出有竞争力且经济可行的业务发展方案。
参考文献：
[1] 张谦，朱雪凌，黄俊辉，等.负荷持续曲线的解析化模型及其预测方法[J].中国电力，2009，42(9)：49-53.
[2] 吴洪波，何洋，周勇，等.天然气调峰方式的对比与选择[J].天然气与石油，2009，27(5)：5-9.
[3] 肖嵩，林铭荣，王彦馨，等.照付不议条款下天然气的供气与调峰[J].煤气与热力，2006，26(6)：34-38.
 
(本文作者：李帆1 黄伟强1 董秋玲2 1.港华投资有限公司 广东深圳 518026；2.香港中华煤气有限公司 香港)