我國能源轉(zhuǎn)型階段天然氣系統(tǒng)建模及優(yōu)化

天然氣在我國能源系統(tǒng)的清潔低碳轉(zhuǎn)型中具有重要地位。近年來，隨著“煤改氣”政策的大力推動，我國天然氣消費量快速增長，對外依存度快速升高。2018年，我國天然氣消費量達到2803億立方米，對外依存度達到近45%。

我國天然氣資源與需求在空間上分布不均，再加上天然氣運輸及存儲極大依賴基礎(chǔ)設(shè)施，我國已建成覆蓋全國的天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)和遍及沿海各省的液化天然氣接收站，從而對天然氣進行跨區(qū)域的大規(guī)模調(diào)配，如圖1所示。

圖1. 2017年我國跨省天然氣管網(wǎng)及LNG接收站分布圖

與此同時，我國天然氣需求具有顯著的季節(jié)性波動。冬季供暖使得天然氣需求驟增，尤其是大力推廣清潔供暖的華北地區(qū)。進口、運輸和儲存設(shè)施不足將難以應(yīng)對天然氣需求的季節(jié)性波動。2017年冬季，在多因素的作用下，我國出現(xiàn)了大范圍的供氣緊張現(xiàn)象。

未來，我國天然氣需求仍將持續(xù)增長。根據(jù)國家發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》和《能源生產(chǎn)與消費革命（2016-2030）》，天然氣在我國一次能源消費比重將在2020年和2030年分別達到10%和15%，同時，我國天然氣供應(yīng)能力在2020年將達到3600億立方米。

合理的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃是滿足不斷增長的天然氣需求及應(yīng)對天然氣需求季節(jié)性波動的關(guān)鍵。基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過早將帶來投資浪費，而建設(shè)過晚又容易引發(fā)供應(yīng)能力不足。我國國土面積廣袤，區(qū)域差異顯著，考慮到天然氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的位置、容量和時間節(jié)點，使得規(guī)劃問題更為復(fù)雜。

有鑒于此，來自于清華大學(xué)能源與動力工程研究團隊近期發(fā)表在BMC Energy 上發(fā)表的文章Modelling and optimization of a natural gas supply system at a transient stage: a case study of China 建立了我國多區(qū)域天然氣供應(yīng)系統(tǒng)優(yōu)化模型，在給定未來天然氣需求的條件下，通過優(yōu)化計算得到長期經(jīng)濟性最優(yōu)的基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃方案和天然氣資源分配方案。模型將我國劃分為30個區(qū)域，并以月份為時間步長以反映季節(jié)性差異，規(guī)劃時間段覆蓋2015到2050年。

本文依據(jù)該模型分析了四個問題。其一，模擬2017年冬季天然氣供應(yīng)緊張時天然氣主干管網(wǎng)的運行情況。其二，在當前基礎(chǔ)設(shè)施下，尋找能夠降低成本的天然氣資源配置方案。其三，根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃，分析十三五規(guī)劃中天然氣消費目標實現(xiàn)的可能性。其四，在未來天然氣需求預(yù)期下，天然氣基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃方案。主要結(jié)論如下：

一、2017年冬季天然氣供應(yīng)情況模擬如圖2所示，結(jié)果顯示西北向華北的輸送通道均處于高負荷狀態(tài)，北方沿海接收站也處于高負荷狀態(tài)，一定程度上反映了當時的供氣緊張局面。

圖2. 2017年12月我國主干天然氣管網(wǎng)負荷模擬

二、在當前基礎(chǔ)設(shè)施均處于高負荷運轉(zhuǎn)的條件下，天然氣資源供應(yīng)方案優(yōu)化空間較小。計算結(jié)果顯示，將西北的天然氣資源減少向華南供應(yīng)，而增加向華北的供應(yīng)，同時將LNG資源增加向華南的供應(yīng)，減少向華北的供應(yīng)，能夠減少總體的運輸成本。本研究采用的總經(jīng)濟成本最低的目標，是與天然氣市場化定價的條件相匹配的，因為在市場化條件下，如果有使總成本降低的方案，總會有市場參與者采取適當行為通過降低成本獲利。在當前不完全市場定價下，天然氣資源分配方案和總成本最低的方案會產(chǎn)生一定偏差。

三、根據(jù)各省制定的“十三五”規(guī)劃，2020年全國天然氣需求將達到4080億方，遠超過國家總體基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和需求量預(yù)期。如果各省均按照各自規(guī)劃推廣天然氣消納，將導(dǎo)致嚴重的供應(yīng)不足的局面。天然氣供應(yīng)能力的上下游是相互關(guān)聯(lián)的，而各省分別制定各自“十三五”規(guī)劃，導(dǎo)致了各省規(guī)劃和國家規(guī)劃相沖突的局面。

四、本文給出了我國天然氣消費量在2020年、2035年和2050年分別達到3420、7780和8700億方的情景下，天然氣管網(wǎng)和LNG接收站的布局情況，包含地點、容量和時間節(jié)點等信息，如圖3-5所示。儲氣庫建設(shè)和投資信息可參考文章內(nèi)容。

圖3. 2020年我國主干天然氣管網(wǎng)和LNG接收站規(guī)劃

圖4. 2035年我國主干天然氣管網(wǎng)和LNG接收站規(guī)劃

圖5. 2050年我國主干天然氣管網(wǎng)和LNG接收站規(guī)劃