摘　要：隨著天然氣事業(yè)的快速發(fā)展，城市燃?xì)廨斉湓O(shè)施的投資建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大、速度加快。城市燃?xì)廨斉湓O(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)是投資建設(shè)各類管網(wǎng)、場(chǎng)站等輸配設(shè)施的重要依據(jù)。以往燃?xì)廨斉湓O(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)中采用的用氣量預(yù)測(cè)方法早已無(wú)法滿足當(dāng)前的實(shí)際需求。本文分析了城市年用氣量的發(fā)展變化特點(diǎn)，基于邏輯斯蒂原理提出了城市年用氣量預(yù)測(cè)模型，并對(duì)模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行細(xì)致分析、總結(jié)了20個(gè)城市的用氣量發(fā)展變化特征值，對(duì)2011年～2013年用氣量進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，證明了該預(yù)測(cè)模型的實(shí)用性和適用性。

關(guān)鍵詞：城市天然氣　氣量預(yù)測(cè)　方法模型

當(dāng)前我國(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展階段，城市氣化和燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)需求巨大，各類燃?xì)廨斉湓O(shè)施的規(guī)劃設(shè)計(jì)與投資建設(shè)急需對(duì)城市用氣量的預(yù)測(cè)研究。目前在國(guó)內(nèi)外燃?xì)廨斉湓O(shè)施的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，僅以耗熱定額指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)用氣量估算，缺少成熟可靠的系統(tǒng)性預(yù)測(cè)方法。而當(dāng)前大多數(shù)用氣量預(yù)測(cè)模型多基于趨勢(shì)外推類方法，主要是通過建立歷史用氣量與其相關(guān)影響因素之間的關(guān)系模型，外推用氣量的發(fā)展變化，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性與歷史數(shù)據(jù)的數(shù)量與質(zhì)量密切相關(guān)。

在城市年用氣量預(yù)測(cè)研究方面，回歸分析法和時(shí)間序列法[1-3]等傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法是最先被引用到燃?xì)忸A(yù)測(cè)領(lǐng)域中的，主要是基于經(jīng)濟(jì)因素(例女UGDP)以及氣候因素建立用氣量預(yù)測(cè)模型[4，5]，適用于發(fā)展穩(wěn)定的城市用氣量預(yù)測(cè)情況。我國(guó)絕大多數(shù)城市正處于快速發(fā)展初期，城市用氣量的發(fā)展變化快，而且過程推進(jìn)速度快，不宜直接套用現(xiàn)有的預(yù)測(cè)方法?，F(xiàn)代化智能方法在用氣量預(yù)測(cè)中也較為常見，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、遺傳算法等[6，7]。此類預(yù)測(cè)方法主要是通過大量的學(xué)習(xí)樣本建立輸入量和輸出量間的關(guān)系，為了達(dá)到精度要求，此類方法的預(yù)測(cè)時(shí)限短，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)城市用氣量的長(zhǎng)期發(fā)展變化，也無(wú)法在燃?xì)庖?guī)劃設(shè)計(jì)中直接應(yīng)用。

1　城市用氣量的變化規(guī)律

用氣量預(yù)測(cè)模型的建立足基于用氣量的變化規(guī)律。城市用氣量的變化反映了城市本身發(fā)展進(jìn)程情況，更是各類用戶用氣行為發(fā)展變化的具體體現(xiàn)。城市用氣量是各類用戶用氣量的總和，因此可以從用戶用氣量變化規(guī)律中探尋城市用氣量的變化規(guī)律。

1．1　民用戶的用氣量變化規(guī)律

以HL市戶均年屠氣量為例，如圖1所示。戶均年用氣量的發(fā)展變化過程大致可分為4個(gè)階段，初始期可追溯到1994年，之后進(jìn)入1995年～2001年度間的快速發(fā)展期，戶均年用氣量達(dá)到100Nm3左右，是初期戶均年用氣量的2倍。2002年之后，戶均年用氣量進(jìn)入慢速發(fā)展期，在發(fā)展后期戶均年用氣量接近200Nm3左右。2008年開始，戶均年用氣雖進(jìn)入穩(wěn)定階段，大約為230Nm3左右。

在《HL市2012～2030年燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃》中：近期居民耗熱定額為1760MJ／人·年(42萬(wàn)kcal／)k·年)，遠(yuǎn)期居民耗熱定額為1880MJ／人·年(45萬(wàn)kcal／人·年)。按氣源平均熱值38MJ／Nm3，每戶3.5人計(jì)算，得出HL市，戶均年用氣量近期(2020年)規(guī)劃值為234Nm3，遠(yuǎn)期(2030年)規(guī)劃值為250Nm3，兩者數(shù)值相近，而且與近幾年的實(shí)際值相差也不大，可見2008年以后HL市的戶均年用氣量發(fā)展已經(jīng)接近極限值。

從HL市戶均年用氣量的發(fā)展變化過程可以看出，民用戶天然氣使用的初始階段，用氣量低，而且發(fā)展變化緩慢，隨后進(jìn)入快速發(fā)展階段，用氣量顯著提升，顯然用氣量的增長(zhǎng)量以及增長(zhǎng)速度并不足無(wú)限發(fā)展的，發(fā)展到中后期階段時(shí)，用氣量增長(zhǎng)速度明顯降低，直到發(fā)展后期用氣量在某穩(wěn)定值上下波動(dòng)，整個(gè)發(fā)展變化過程類似曲線。

1．2　城市用氣量的變化規(guī)律

城市用氣量的發(fā)展變化過程同樣具有S型曲線變化特點(diǎn)。一開始城市局部地區(qū)實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)輸配氣，部分用戶開始使用天然氣，由于用戶數(shù)量少，用氣器具單一，因此用氣量相對(duì)較少。隨著時(shí)間推移，無(wú)論是國(guó)家政策導(dǎo)向，市場(chǎng)發(fā)展還是人們的實(shí)際需求，從天然氣用量上看是逐年攀升且增長(zhǎng)速度快。但是作為能源，天然氣的供應(yīng)量是受“環(huán)境”限制的，因此天然氣的使用量并不是無(wú)限制的，就像自然界的物種演變，具有“有限制增長(zhǎng)”的特點(diǎn)。

2　城市年用氣量的預(yù)測(cè)模型

無(wú)論哪種類型的城市，其用氣量發(fā)展變化都是從無(wú)到有，從少到多直至飽和，雖然發(fā)展變化過程所需的時(shí)間不同，發(fā)展變化的速度不同，但從理論上講，都遵循著“有限制增長(zhǎng)”這樣的規(guī)律，借鑒自然界物種演變過程的思想，基于邏輯斯蒂(logistic)原理，建立城市年用氣量預(yù)測(cè)模型。

式中Qy0——城市年用氣量初始值，單位：Nm3；

Qylim——城市年用氣量極限值，單位：Nm3；

ry——城市年用氣量同比增長(zhǎng)率。

以HL市為例進(jìn)行計(jì)算方法驗(yàn)證。HL市最早使剛天然氣在1994年，屬于我國(guó)使用天然氣較早的城市，根據(jù)記錄可追溯初始年用氣量約為Qy0=4.5×106Nm3，預(yù)計(jì)2030年HL市用氣量可達(dá)到穩(wěn)定階段，屆時(shí)年用氣量可達(dá)Qy30=4.5×106Nm3[8]，則可設(shè)年用氣量發(fā)展的極限值Qylim=4.5×106Nm3。根據(jù)預(yù)測(cè)模型計(jì)算，當(dāng)ry=0.23時(shí)，計(jì)算的年用氣量與真實(shí)用氣量吻合較好，平均相對(duì)誤差為7.2％。

從圖2中可以看出，1995年～2000年間HL市的天然氣用量增長(zhǎng)相對(duì)緩慢，處于發(fā)展初期階段，用氣量增量約每年300萬(wàn)m3左右，在2000年之后進(jìn)入快速發(fā)展階段，尤其在2007年以后用氣量增長(zhǎng)速度加快，用氣量增量約達(dá)到每年1500萬(wàn)m3左右。

3　預(yù)測(cè)模型的參數(shù)分析

預(yù)測(cè)模型體現(xiàn)出城市年用氣量“有限制增長(zhǎng)”的變化特點(diǎn)。以年為時(shí)間基礎(chǔ)刻度，確定此模型的參數(shù)主要有3個(gè)，分別是年用氣量初始值Qy0、年用氣量極限值Qylim和年用氣量同比增長(zhǎng)率ry。

3．1　城市年用氣量的初始值分析

實(shí)際上，沒有嚴(yán)格意義的年用氣量初始值Qy0也無(wú)法準(zhǔn)確判斷什么樣的規(guī)模用氣量可以作為初始值，但是在年用氣量預(yù)測(cè)模型中，Qy0并不是單獨(dú)存在，因此只要對(duì)Qy/ Qy0做出合理判斷即可。根據(jù)對(duì)當(dāng)前我國(guó)天然氣用量的發(fā)展情況分析，可估算2020年我國(guó)天然氣用量是2000年天然氣用量的13倍，2030年我國(guó)天然氣用量是2000年的22倍[9,10]。在缺少城市調(diào)研數(shù)據(jù)時(shí)，可根據(jù)我國(guó)天然氣用量發(fā)展情況進(jìn)行判斷。

3．2　城市年用氣量的極限值分析

城市年用氣量極限值Qylim是規(guī)劃期末城市年用氣量值，具有一定的前瞻性，Qylim的確定主要基于城市人口、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方面發(fā)展變化的考慮，以及一定的城市調(diào)研活動(dòng)而得到的。本文研究的城市數(shù)據(jù)樣本中，Qylim在10億m3，以卜的城市有5個(gè)，這5個(gè)城市中位居前兩位的是完全生產(chǎn)類城市(工業(yè)用戶用氣量占絕對(duì)主導(dǎo)地位)，其他的為省會(huì)級(jí)城市，HC市為生活類城市，顯然人口規(guī)模大引起用氣量偏高，H1和HZ市為生產(chǎn)類城市，相對(duì)來說工業(yè)用氣量大導(dǎo)致城市用氣量偏高。Qylim在5億m3以上，10億m3以下的城市多為生產(chǎn)類和綜合類城市。Qylim在5億一以下的城市多為生活類城市。

對(duì)于年用氣量極限值Qylim，如果城市規(guī)模沒有變，即“環(huán)境”確定，則應(yīng)該存在相對(duì)確定的數(shù)值，即天然氣的使用量不會(huì)超過其供應(yīng)量，也就是說作為資源，天然氣的量是有限的，而且城市輸配系統(tǒng)的供應(yīng)能力也是有限的，在相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)，天然氣的用量存在極限值。在本文計(jì)算中，仉的選擇主要參考當(dāng)?shù)爻鞘腥細(xì)鈱ｍ?xiàng)遠(yuǎn)期規(guī)劃值。

然而城市也在“生長(zhǎng)”，地域擴(kuò)張是常有發(fā)生的事情，“環(huán)境”也會(huì)隨之變化，因此極限值不是一成不變的，且變化范同是無(wú)法估計(jì)的。本文提出的年用氣量預(yù)測(cè)模型使用條件是城市地域范嗣未變，主要功能區(qū)劃分與城市發(fā)展規(guī)劃相一致，若城市用氣性質(zhì)發(fā)生較大改變，如生活類城市轉(zhuǎn)變成牛產(chǎn)類城市，則年用氣量預(yù)測(cè)模型中的相關(guān)參數(shù)需要修正。

3．3　城市年用氣量的同比增長(zhǎng)率分析

年用氣量同比增長(zhǎng)率是表示了城市年氣用量在“環(huán)境”下發(fā)展變化的綜合特征值，與城市的人文特點(diǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展變化、城市燃?xì)獍l(fā)展變化息息相關(guān)。

如表1中，年用氣量的同比增長(zhǎng)率基本上在0.18～0.26之間變化，城市燃?xì)獍l(fā)展速度快的ry較大，城市燃?xì)獍l(fā)展速度緩慢的ry較小。從企業(yè)經(jīng)營(yíng)角度看，鼓勵(lì)投資類城市燃?xì)獍l(fā)展速度快，允許類城市燃?xì)獍l(fā)展速度穩(wěn)進(jìn)，限制類城市燃?xì)獍l(fā)展速度緩慢。而企業(yè)的經(jīng)營(yíng)調(diào)控意識(shí)來源于對(duì)城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的判斷，即城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與燃?xì)鈶?yīng)用發(fā)展是相輔相成，相互制約的。

3．4　不同城市年用氣量變化特征參數(shù)分析

采用平均溫度代表城市的地理氣候特征，地理氣候特征不同，人們行為活動(dòng)特點(diǎn)不同。社會(huì)發(fā)展情況與人口、經(jīng)濟(jì)規(guī)模相關(guān)，町用城市等級(jí)進(jìn)行量化表示。燃?xì)獍l(fā)展環(huán)境中投資環(huán)境體現(xiàn)出人的思想意識(shí)，當(dāng)判斷發(fā)展環(huán)境樂觀，則投入更多的資金推進(jìn)發(fā)展，當(dāng)判斷發(fā)展環(huán)境悲觀，則盡可能阻止或延緩發(fā)展。用氣性質(zhì)表示的是城市主要用氣用戶類別，不同用戶類別用氣量隨季節(jié)變化規(guī)律不同。是否集中采暖是用氣量變化波動(dòng)強(qiáng)弱的重要影響因素。用氣量同比增長(zhǎng)率ry、極限用氣量Qylim以及極限用氣量與初始用氣量的比值刻畫了燃?xì)獍l(fā)展變化的全過程。

4　預(yù)測(cè)模型的實(shí)際應(yīng)用

依據(jù)城市年用量預(yù)測(cè)模型，對(duì)20個(gè)城市2010年～2013年用氣量進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體計(jì)算結(jié)果見表2。對(duì)80個(gè)相對(duì)誤差的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體計(jì)算結(jié)果見表3。

根據(jù)表3中的誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)年用氣量預(yù)測(cè)模型進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，從表3中數(shù)據(jù)顯示，年用氣量預(yù)測(cè)模型后驗(yàn)差小于0.35，小誤差概率大于0.95，精度等級(jí)為一級(jí)優(yōu)秀。

5　結(jié)論

(1)城市用氣量變化具有“有限制增長(zhǎng)”特點(diǎn)，天然氣使用初期，用氣量少且發(fā)展較慢，進(jìn)入快速發(fā)展階段，前期朋氣量增長(zhǎng)速度較快，后期用氣量增長(zhǎng)速度降低，發(fā)展到穩(wěn)定期用氣量平穩(wěn)波動(dòng)。

(2)基于邏輯斯蒂原理建立的城市年用氣量預(yù)測(cè)模型，適用于城市燃?xì)廨斉湓O(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)。通過城市年用氣量極限值Qylim、年用氣量同比增長(zhǎng)率。以及極限用氣量與初始用氣量比值的確定，實(shí)現(xiàn)城市年用氣量預(yù)測(cè)計(jì)算。

(3)對(duì)20個(gè)城市2011年～2013年用氣量進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，平均相對(duì)誤差為7％，模型后驗(yàn)差為0.335，小誤差概率為0.966，精度等級(jí)為一級(jí)優(yōu)秀。

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本文作者：郭開華　皇甫立霞　梁金鳳

作者單位：新奧能源控股有限公司

  中山大學(xué)