我國天然氣需求的系統動力學預測與分析

孟亞東 MENG Ya-dong；龔繼忠 GONG Ji-zhong

（中國石油化工股份有限公司天然氣分公司，北京 100029）

0 引言

2020年9月22日，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會上提出中國碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。實現碳中和其中最重要的方式是深化能源體制改革。天然氣的替代將對碳中和的實現起到重要作用。有學者提出，我國的天然氣需求將保持穩定快速增長[1]。而能源系統是動態復雜的，系統內各因素互相制衡影響，因此使用科學合理的方法對其進行預測是較為困難的。

1 文獻綜述

國內外學者最初對于天然氣需求預測一般是通過數學模型展開。早期利用傳統的計量模型[1-6]對其進行預測，采用logit函數回歸[2]，自回歸模型[3]和非線性模型[4]等方法。近年來，人工智能在天然氣需求預測方面快速發展[7-12]，很多學者嘗試將多種方法混合使用，以克服單一方法的弊端。焦文玲通過時間序列模型預測了各時期我國的天然氣需求量[5]。Smith，Husein，Leonard通過BP神經網絡的構建預測了英國的天然氣需求[7]。張明濤分別用BP神經網絡模型和灰色預測模型對我國天然氣的供需進行預測[9]。

隨著系統工程理論的發展，學者開始以系統的視角研究此問題。Naill RF首先運用系統動力學模型分析美國天然氣價格機制[13]；Li J,Dong X等建立了天然氣供需系統模型預測了美國和中國未來的天然氣供需量[14]。國內學者將系統動力學的基本原理和方法運用于能源供需預測領域并取得可觀成果[15-21]。李君臣、董秀成等綜合考慮各行業天然氣消費的影響因素，對我國未來天然氣消費量進行了預測[15]；李連德運用系統動力學模型預測了各能源的供需情況，并進行了總量分析和情景分析[16]。

2 模型構建

2.1 模型結構分析

本文以天然氣需求系統為主要研究對象，考慮能耗強度、經濟規模、人口規模3個因素對天然氣消費的影響。

①能耗強度。能耗強度是指單位生產值能源消耗量。同樣經濟增長的情況下如果能源消耗強度降低，則能源消耗量將減少，碳排放總量也將隨之減少。

②經濟規模。首先，經濟的發展會帶動社會投資的增加，有利于天然氣基礎設施的日漸完善。其次，天然氣滿足了居民對能源的環保性和便捷性的要求。最后，原料是天然氣的行業比重也會影響天然氣的消費。

③人口規模。人口規模的大小直接影響著天然氣的消費量和消費方式，城鎮人口不斷增加，其燃氣需求也會持續增加。

2.2 模型因果關系分析

在天然氣需求模型中，天然氣供應、天然氣消費、經濟、人口等各因素是相互影響、共同作用的。在可采儲量的限制下，天然氣的生產不能滿足其需求時，就要通過進口天然氣來填補需求。而天然氣進口量的過度增長也會使天然氣的對外依存度增加，不利于保障我國的能源安全。

根據以上分析，本文得出天然氣需求系統各因素的因果關系如圖1所示。圖中左邊的回路體現了自然因素對天然氣需求的影響，如可采儲量的增加使天然氣供應量增加，從而使庫存量增加，天然氣消費量增加，預期庫存量和預期供應量增加，逐步帶動天然氣生產量增加，最終導致天然氣供應量進一步增加。右邊的回路主要體現了社會因素對天然氣需求的影響，如人口數的增加使生活用氣增加，從而使天然氣消費量增加，進而引起進口量增加，天然氣供應量增加，庫存量增加，最終導致天然氣消費量進一步增加。

2.3 模型構建

根據2.2對我國天然氣需求系統因果關系的分析，本文建立系統動力學模型預測未來中國天然氣的需求量，并通過調整參數進行政策模擬，以預測不同因素對天然氣需求的影響。本研究使用Vensim軟件繪制的天然氣需求關系系統動力學流圖如圖2所示。

圖2 我國天然氣需求系統流圖

模型中水平變量包括庫存量、人口數、GDP、能源強度；速率變量有國內供應量、國內消費量、能源強度變化量、年人口變化量、GDP變化量。

3 結果與討論

3.1 模型參數確定及有效性檢驗

限于數據的可得性和完整性，本文研究時間為2011-2020年，對我國30個省市（不含西藏、香港、澳門及臺灣）。所用數據均來源于歷年《中國統計年鑒》和《中國能源統計年鑒》。國內生產總值均根據2010年不變價格折算。

在本研究中，GDP、人口數、能源強度等均是天然氣需求預測模型中的重要參數。本文在預測時，取人口數自然增長率為0.01%，取國內生產總值的增長率為4.5%[19]，能源強度的變化率參考姚文偉的研究[20]，天然氣進口量按照每年增長6%進行設置[10]，天然氣產量參考王建良[21]的研究數據。

首先對模型的有效性進行檢驗。以2011年為仿真初始年，通過比較仿真值與歷史數據來檢驗模型的可靠性。各數據的比較如表1所示。各個數值的誤差均在10%以下，可以看出模型擬合程度較好。

表1 天然氣需求系統動力學模型預測結果與實際值的比較

3.2 模型預測結果分析

使用Vensim對我國天然氣需求系統動力學模型進行仿真模擬，得到如圖3所示的我國2021-2023年天然氣消費趨勢的預測結果。

圖3 我國天然氣消費量趨勢圖（億m3）

從圖3可以看出，我國天然氣消費需求量呈不斷增長的上升態勢。到2030年，天然氣需求量將達到4172.73億立方米，比2011年多3087.77億立方米，年增長率14.23%。由此可見我國天然氣消費仍有較大增長潛力，這與我國良好的經濟形勢以及環保政策執行力度的提高是密不可分的。

3.3 天然氣消費的參數靈敏度分析

經濟增長與能源需求是密切相關的。本文從GDP增長率這一角度對模型進行了參數靈敏度分析。從圖4可知，其他參數不變，當GDP增長率增長0.5%時，也帶動了天然氣需求的增加，在這種情況下，到2030年天然氣消費量將增加8.51%。且由于不斷增長的天然氣消費量，凈進口量較之前也將有較大提高，并且呈現逐年增長的趨勢，對外依存度1對比之前會有明顯提高，從19.04%增加到27.99%，但對外依存度2相比之前會有所回落，從47.25%降低到44.78%，這表明經濟的增長會明顯拉動天然氣消費增長，同時拉動了凈進口量的增長，當進口量同時進行增長時，對外依存度也會增長，但經濟增長也能夠提升國家能源安全的防御能力，因此比之前預測的有一定程度的降低。

圖4 天然氣消費量與對外依存度變化對比

4 結論與建議

本研究綜合考慮了人口、經濟、環境等因素，運用系統動力學方法建立了我國天然氣需求趨勢預測模型，對我國2021年到2030年的天然氣消費量、凈進口量、對外依存度等進行了預測。結果顯示，我國天然氣消費仍有較大的增長空間。但與此同時，天然氣需求量的持續上升也會導致天然氣對外依存度的不斷提高，這不利于我國的能源形勢的安全發展。模擬實驗的結果顯示，經濟快速發展會導致天然氣對外依存度的增加，因此要在關注經濟發展的同時，注意能源消費結構的優化，提高天然氣的使用效率，改善天然氣供應結構，從而保障我國能源安全。