摘 要:隨著天然氣事業(yè)的快速發(fā)展,城市燃氣輸配設(shè)施的投資建設(shè)規(guī)模擴大、速度加快。城市燃氣輸配設(shè)施規(guī)劃設(shè)計是投資建設(shè)各類管網(wǎng)、場站等輸配設(shè)施的重要依據(jù)。以往燃氣輸配設(shè)施規(guī)劃設(shè)計中采用的用氣量預(yù)測方法早已無法滿足當(dāng)前的實際需求。本文分析了城市年用氣量的發(fā)展變化特點,基于邏輯斯蒂原理提出了城市年用氣量預(yù)測模型,并對模型中的相關(guān)參數(shù)進行細致分析、總結(jié)了20個城市的用氣量發(fā)展變化特征值,對2011年~2013年用氣量進行預(yù)測計算,證明了該預(yù)測模型的實用性和適用性。
關(guān)鍵詞:城市天然氣 氣量預(yù)測 方法模型
當(dāng)前我國天然氣產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展階段,城市氣化和燃氣管網(wǎng)建設(shè)需求巨大,各類燃氣輸配設(shè)施的規(guī)劃設(shè)計與投資建設(shè)急需對城市用氣量的預(yù)測研究。目前在國內(nèi)外燃氣輸配設(shè)施的規(guī)劃設(shè)計中,僅以耗熱定額指標進行相關(guān)用氣量估算,缺少成熟可靠的系統(tǒng)性預(yù)測方法。而當(dāng)前大多數(shù)用氣量預(yù)測模型多基于趨勢外推類方法,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)測的準確性與歷史數(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)測研究方面,回歸分析法和時間序列法[1-3]等傳統(tǒng)預(yù)測方法是最先被引用到燃氣預(yù)測領(lǐng)域中的,主要是基于經(jīng)濟因素(例女UGDP)以及氣候因素建立用氣量預(yù)測模型[4,5],適用于發(fā)展穩(wěn)定的城市用氣量預(yù)測情況。我國絕大多數(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,而且過程推進速度快,不宜直接套用現(xiàn)有的預(yù)測方法。現(xiàn)代化智能方法在用氣量預(yù)測中也較為常見,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,為了達到精度要求,此類方法的預(yù)測時限短,無法準確預(yù)測城市用氣量的長期發(fā)展變化,也無法在燃氣規(guī)劃設(shè)計中直接應(yīng)用。
1 城市用氣量的變化規(guī)律
用氣量預(yù)測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個階段,初始期可追溯到1994年,之后進入1995年~2001年度間的快速發(fā)展期,戶均年用氣量達到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,戶均年用氣雖進入穩(wěn)定階段,大約為230Nm3左右。
在《HL市2012~2030年燃氣專項規(guī)劃》中:近期居民耗熱定額為1760MJ/人·年(42萬kcal/)k·年),遠期居民耗熱定額為1880MJ/人·年(45萬kcal/人·年)。按氣源平均熱值38MJ/Nm3,每戶3.5人計算,得出HL市,戶均年用氣量近期(2020年)規(guī)劃值為234Nm3,遠期(2030年)規(guī)劃值為250Nm3,兩者數(shù)值相近,而且與近幾年的實際值相差也不大,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,隨后進入快速發(fā)展階段,用氣量顯著提升,顯然用氣量的增長量以及增長速度并不足無限發(fā)展的,發(fā)展到中后期階段時,用氣量增長速度明顯降低,直到發(fā)展后期用氣量在某穩(wěn)定值上下波動,整個發(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。一開始城市局部地區(qū)實現(xiàn)燃氣管網(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,因此用氣量相對較少。隨著時間推移,無論是國家政策導(dǎo)向,市場發(fā)展還是人們的實際需求,從天然氣用量上看是逐年攀升且增長速度快。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限制的,就像自然界的物種演變,具有“有限制增長”的特點。
2 城市年用氣量的預(yù)測模型
無論哪種類型的城市,其用氣量發(fā)展變化都是從無到有,從少到多直至飽和,雖然發(fā)展變化過程所需的時間不同,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”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率。
以HL市為例進行計算方法驗證。HL市最早使剛天然氣在1994年,屬于我國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2030年HL市用氣量可達到穩(wěn)定階段,屆時年用氣量可達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)測模型計算,當(dāng)ry=0.23時,計算的年用氣量與真實用氣量吻合較好,平均相對誤差為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相對緩慢,處于發(fā)展初期階段,用氣量增量約每年300萬m3左右,在2000年之后進入快速發(fā)展階段,尤其在2007年以后用氣量增長速度加快,用氣量增量約達到每年1500萬m3左右。
3 預(yù)測模型的參數(shù)分析
預(yù)測模型體現(xiàn)出城市年用氣量“有限制增長”的變化特點。以年為時間基礎(chǔ)刻度,確定此模型的參數(shù)主要有3個,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率ry。
3.1 城市年用氣量的初始值分析
實際上,沒有嚴格意義的年用氣量初始值Qy0也無法準確判斷什么樣的規(guī)模用氣量可以作為初始值,但是在年用氣量預(yù)測模型中,Qy0并不是單獨存在,因此只要對Qy/ Qy0做出合理判斷即可。根據(jù)對當(dāng)前我國天然氣用量的發(fā)展情況分析,可估算2020年我國天然氣用量是2000年天然氣用量的13倍,2030年我國天然氣用量是2000年的22倍[9,10]。在缺少城市調(diào)研數(shù)據(jù)時,可根據(jù)我國天然氣用量發(fā)展情況進行判斷。
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,這5個城市中位居前兩位的是完全生產(chǎn)類城市(工業(yè)用戶用氣量占絕對主導(dǎo)地位),其他的為省會級城市,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)該存在相對確定的數(shù)值,即天然氣的使用量不會超過其供應(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,在相對長的時間范圍內(nèi),天然氣的用量存在極限值。在本文計算中,仉的選擇主要參考當(dāng)?shù)爻鞘腥細鈱m椷h期規(guī)劃值。
然而城市也在“生長”,地域擴張是常有發(fā)生的事情,“環(huán)境”也會隨之變化,因此極限值不是一成不變的,且變化范同是無法估計的。本文提出的年用氣量預(yù)測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率分析
年用氣量同比增長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、社會經(jīng)濟發(fā)展變化、城市燃氣發(fā)展變化息息相關(guān)。
如表1中,年用氣量的同比增長率基本上在0.18~0.26之間變化,城市燃氣發(fā)展速度快的ry較大,城市燃氣發(fā)展速度緩慢的ry較小。從企業(yè)經(jīng)營角度看,鼓勵投資類城市燃氣發(fā)展速度快,允許類城市燃氣發(fā)展速度穩(wěn)進,限制類城市燃氣發(fā)展速度緩慢。而企業(yè)的經(jīng)營調(diào)控意識來源于對城市社會經(jīng)濟發(fā)展狀況的判斷,即城市社會經(jīng)濟發(fā)展與燃氣應(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,人們行為活動特點不同。社會發(fā)展情況與人口、經(jīng)濟規(guī)模相關(guān),町用城市等級進行量化表示。燃氣發(fā)展環(huán)境中投資環(huán)境體現(xiàn)出人的思想意識,當(dāng)判斷發(fā)展環(huán)境樂觀,則投入更多的資金推進發(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強弱的重要影響因素。用氣量同比增長率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氣發(fā)展變化的全過程。
4 預(yù)測模型的實際應(yīng)用
依據(jù)城市年用量預(yù)測模型,對20個城市2010年~2013年用氣量進行預(yù)測,具體計算結(jié)果見表2。對80個相對誤差的分布情況進行統(tǒng)計分析,具體計算結(jié)果見表3。
根據(jù)表3中的誤差評價指標,對年用氣量預(yù)測模型進行精度評價,從表3中數(shù)據(jù)顯示,年用氣量預(yù)測模型后驗差小于0.35,小誤差概率大于0.95,精度等級為一級優(yōu)秀。
5 結(jié)論
(1)城市用氣量變化具有“有限制增長”特點,天然氣使用初期,用氣量少且發(fā)展較慢,進入快速發(fā)展階段,前期朋氣量增長速度較快,后期用氣量增長速度降低,發(fā)展到穩(wěn)定期用氣量平穩(wěn)波動。
(2)基于邏輯斯蒂原理建立的城市年用氣量預(yù)測模型,適用于城市燃氣輸配設(shè)施規(guī)劃設(shè)計。通過城市年用氣量極限值Qylim、年用氣量同比增長率。以及極限用氣量與初始用氣量比值的確定,實現(xiàn)城市年用氣量預(yù)測計算。
(3)對20個城市2011年~2013年用氣量進行預(yù)測計算,平均相對誤差為7%,模型后驗差為0.335,小誤差概率為0.966,精度等級為一級優(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)
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