[科普中国]-燃气负荷

背景概述

近年来，许多城市用上了天然气，对于优化我国城市燃气的结构、促进节能减排的实施发挥了重要的作用。但是要看到，城市天然气供应形势也越来越严峻，2005 年底及 2009 年 11 月中旬我国局部地区出现的“气荒”就是突出的征兆。因此，天然气供应可靠性问题已经引起人们的关注。

天然气供应可靠性是一个系统性的问题，涉及到天然气生产、储运、应用的整个产业链，涉及到燃气负荷的预测与平衡问题。燃气负荷预测的主要内容有两个方面，即用于供气系统设计和发展的天然气消费不均衡性预测( 远景预测) 和用于现有输气系统工况的天然气消费预测( 操作预测) 。燃气负荷的准确预测目的是提高城市气源的科学决策、燃气管网的合理规划和燃气运行的优化调度水平，以提高燃气供应的可靠性和更好地发挥城市燃气设施的投资效益。2

燃气负荷预测的核心问题是利用现有的历史数据（如历史负荷运行数据和相应的气象数据等），采用适当的数学预测模型对预测对象的负荷值进行估计。因此，有效的进行燃气负荷预测工作需要具备两方面的条件，一是历史数据的完整可靠性，二是预测方法和相应手段的可行性。

基于上述分析，在进行燃气系统的负荷预测时，一般情况是按照下列步骤完成的：

（1）确定燃气系统负荷预测的内容（年度负荷、月度负荷、日负荷或者小时负荷），搜集相应的历史数据等材料；

（2）分析整理统计资料，使其具有正确性、完整性、可比性和连惯性，能够反映负荷发展的规律性；

（3）选择适合于预测对象的预测模型；

（4）用预测模型进行预测；

（5）预测结果的分析和修正。1

燃气负荷问题的提出我国城市燃气正在经历一场阶段性转变，西气东输工程已经全面启动。天然气将成为城市气体燃料的主导，燃气系统的输送、分配、储存各部分都将相应发生一系列变化。我国燃气系统将从单个城市范围的系统变为跨区域的大系统。从燃气负荷的角度分析，我国城市燃气由天然气主导将引起各方面一系列的变化。供气将可能从多气源、多储库进行调度，在系统中存在着气体容量(气容)环节。在平衡燃气负荷时，要从系统全局进行调度。

在终端用户的构成上会发生巨大的变化。由原来以居民生活用气为主变为工业、采暖制冷、机动车用气、发电动力等用气为主，以至在燃气系统上接有天然气化工终端用户。据预测，到2015年，各种终端用户用气量比例将为:发电42%，化工16%，民用燃气22%，工业及其他20%。其中，城市燃气(民用，工业及其他)占42%。居民生活方式发生变化，包括生活水平提高和社会化程度增加，使热水用量增加，外购食物制作成品比例加大，更多地在外餐饮娱乐或旅游，都会影响到燃气需求情况的变化。

燃气作为城市能源的一部分，还将受到城市能源需求类型的结构性变化的影响。例如用电代替用气，都会使传统的用气量指标、用气不均匀系数等燃气负荷参数发生显著的变化。

所有这些变化将改变燃气负荷在量和性质方面的状态和规律。处在燃气事业这样一个新发展阶段，产生了对燃气负荷问题进行研究的迫切要求。而燃气负荷的构成状态、具有的规律性及变化趋势则是燃气负荷问题的基本内容。3

研究燃气负荷的意义在任何工程技术中，负荷都是最基础性的数据。燃气负荷也不例外。在燃气系统中，燃气负荷数据(负荷大小和负荷的变化形态)对项目规划、工程设计中设施和设备容量的确定、运行与调度以及工程技术分析都有根本的意义。

最常用的燃气负荷的数据是其总量、幅值和时间序列变化。在城镇燃气规划、设计中需要年供气总量基础数据，以便确定系统的配置规模，计算项目的经济性和确定建设所需资金。在工程项目的设计阶段,燃气负荷是各种计算的基础，传统的燃气负荷有关指标有用气量指标和代表用气不均匀性的高峰系数(月、日、小时高峰系数)。在长输管线设计和计算中，根据用气负荷的逐时变化数据对长输管道进行不稳定工况计算和分析。

在储气设施设计以及分配管网设计或确定制气设备能力(容量)时，也需要知道用气负荷随时间变化的规律。为确定储罐容量，用一周内168 h逐小时供需气量差的累积数的最大值与最小值的差作为依据。

燃气负荷对燃气经营企业是重要的，特别关于燃气负荷的预测尤为重要。燃气企业需要利用关于燃气负荷的数据计划生产和制订经营策略，安排燃气输入计划、落实气源、调度燃气储库，计划燃气系统中各种设备装置的检修。

对于燃气学科的工程技术分析，燃气负荷也是基础性的。在进行工程技术问题分析时，往往要将其放在用气工况的背景下进行研究。例如对液化石油气瓶组供气的技术分析，对输配系统的有效性的分析等。在这样一些分析中往往需要采用负荷模型,即典型化的负荷变化。而典型化的负荷模型是从对已有负荷数据研究的基础上建立起来的。可见，燃气负荷对于燃气系统的建设和运行具有重要意义，这也是进行燃气负荷研究的意义。3

对于天然气供气系统来说，用气负荷的预测涉及到供气系统的安全性、可靠性和燃气公司的经济效益等诸多方面的因素。另外不论是优化设计，还是优化运行，首要解决的是对天然气用气负荷进行科学的预测问题和在安全、可靠、经济的条件下满足城市用气要求的调峰问题，而调峰问题是燃气用气负荷问题的再现，因此城市燃气负荷的研究为燃气管网规划提供依据和对长输管线优化运行都有重要意义。其具体表现在以下几个方面：

为“燃气供销合同”提供资料西气东输工程标志着我国天然气供应商业化进程的开展。上游供气方与下游燃气企业之间签订的带有照付不议条款的供气合同中，除了照付不议气量外，还有超提气量、最大日供气量、最大小时供气量和计划气量等诸多条款，以及这些条款对应的经济条款。燃气公司如果未能依照已确定之购气量提气，可能需要按照照付不议或者缴付较高的气价，这样将提高运作成本。因此，准确的预测用气量以及用气模式，可以减少甚至杜绝燃气企业不必要的经济损失，也能保障天然气产业链的正常、经济运转。

管网设计优化的基础在城市燃气规划、设计中需要年供气量的基础数据，以便确定系统的配置规模，计算项目的经济性和确定建设所需的资金。在工程项目的设计阶段，燃气负荷是各种计算的基础。对管网进行静态水力计算时，则主要需要知道用气负荷的小时峰值。

储气设施设计的依据在储气设施设计以及分配管网设计或确定制气设备能力时，需要知道用气负荷随时间变化的规律。储气设施的储气规模主要取决于工作气量，所以一定要选择大小合适的储气构造，以便提高储气设施的经济性。

工程技术分析的依据在进行工程技术问题分析时，往往要将其放在用气工况的背景下进行研究。如对输配系统的有效性分析等。在这样的一些分析中需要典型化的负荷变化，而典型化的负荷模型是从对已有负荷数据研究的基础上建立起来的。

实现燃气管网管理现代化在燃气系统中，燃气负荷数据对项目的规划、工程设计中设施和设备容量的确定、运行与调度以及工程技术分析都有着根本的意义。目前，虽然我国许多城市的燃气输配管网都安装了计算机监控管理系统，但是就其功能来说，发挥得还远远不够，如果对这些资源作更深层次的开发和应用，则必将更充分发挥其作用，从而进一步提高其投资效益。而燃气管网的负荷预测就是这类待开发研究的重要内容之一。

经济调度的主要依据对城市燃气系统来说，必须对用户可靠而经济的进行供气，以随时满足用户用气的需求。同时还要考虑在确保系统安全的情况下尽量减少储气量，降低储气成本。

综上所述，对城市燃气负荷特性进行研究，采用合理有效的预测方法对不同周期的燃气负荷进行预测是具有明显的社会效益和经济效益的重要课题。1

燃气负荷与燃气应用燃气终端用户在一段时间内对燃气的需用即形成燃气负荷。燃气负荷的因次是[体积] [时间]。燃气负荷和时间一般都以离散形式取值。燃气负荷在一个时段内随时间的变化即称为燃气需用工况。燃气需用工况的表象即用气不均匀性。在一段时间内燃气负荷的累积值即用气量，用气量大小的原始表述就是用气量指标(常采用热量单位)。一般，往往将需用量也称为燃气负荷。

城镇燃气的供应对象传统上包括居民生活用气、商业用气、工业企业生产用气和建筑物采暖用气。此外燃气车辆用气及制冷用气都需列入狭义城镇燃气负荷之中。发电动力燃料用气可能在燃气负荷中占有很大的比例，发电动力燃料用气的方式也将不限于用于燃气锅炉的直接燃烧，将发展燃料电池的化学转化，可能直接从分输站接入。燃气负荷可以按天然气使用性质划分为作为燃料的广义城镇燃气负荷(包括居民生活用气、商业用气、工业企业生产用气、建筑物采暖及制冷用气、燃气汽车用气及发电动力燃料用气)和作为化工原料天然气在内的全系统燃气负荷。天然气化工原料用气负荷基本不变。接入电网的天然气发电用气负荷取决于电力负荷,发电用气负荷的规律性取决于电力负荷的规律性。在考虑长输管线的负荷时，要采用全系统燃气负荷，在考虑城镇输配管网时，则要按化工原料用气或发电动力燃料用气是否被包括在系统之中而采用全系统燃气负荷、广义城镇燃气负荷或狭义城镇燃气负荷。在研究燃气负荷时，主要关注狭义城镇燃气负荷。

居民生活用气主要与生活习惯、气候条件、社会经济环境等因素有关系。在用气工况方面，一日之内的变化与饮食习惯、食物类型、热水用量及用气设备配置等多种因素有关。在双休日的变化则与居民的职业构成、生活方式、当地工商企业的分布、营业安排等情况有关。就地域特点看，和欧美等国情况不同，在我国双休日往往成为居民购物、上街消费、在外就餐等社会生活比例很大的日子。从时代发展看,不同于改革开放前的年代，一周之内用气高峰日不一定很突出，可能星期日不再是用气高峰日。

商业用气有与居民生活用气规律相同的一面，也有自己的某些特点，例如餐饮用气比居民用气在时间上要提前与拖后，在一日之内延续时间长，用气较均匀。理发店的用气主要在于制备热水。而宾馆除用气制备热水外，可能用于直燃机或采暖燃气锅炉。随着我国产业结构的大调整,第三产业比例大为提高,商业用气会有大幅度增长。

一般说来，工业企业用气主要用于生产工艺，在一周内各生产日基本保持不变。在一日之中在生产班时之内用气较均匀。而一年之内的用气月不均匀性主要受月生产量和气候条件影响。

燃气负荷在一日之内逐时的变化或一年之内逐日或逐月的变化主要取决于用气构成和终端用户的用气特点，而燃气负荷的长期趋势性变化主要取决于终端用户数量的变化(一般年用气总量是增长趋势)。它与社会经济的发展状况、城市基础设施的建设进程有很密切的依存关系。

我国正在经历一个建设和经济稳定发展时期，城市能源结构在不断改善与调整。燃气，特别是天然气将在越来多的城市成为主导的气体能源。从全局范围看，燃气负荷将不断增长。3

规划用气量的预测一个城市的年能源消耗总量主要受国民经济方针、人口、产值单耗、产业结构等因素的影响。城市燃气是能源消耗的重要组成部分之一，城市燃气规划用气量的预测是未建城市燃气管网的城市、已建城市燃气管网但需增加供气规模的城市，在进行燃气规划时首先需要解决的一个重要问题。

日负荷预测的实时优化日负荷的准确预测关系到城市供气的安全、稳定及经济性，具有重要的意义。例如: 北京市供暖用天然气量较大，造成高峰日用气量与低峰日用气量相差大。根据日负荷的特点，分为 3 个阶段: 供暖期( 当年11月15 日到次年 3 月 15 日) 的供暖日负荷与日平均温度及前两天的负荷相关系数相当大，适合采用线性回归模型预测; 供暖过渡期( 供暖期的前 20 天和后 15 天) 与近年对应期的变化规律趋于一致，适合于参照历史信息与当前主要因素建立的神经网络预测模型，样本选取一定量的前两年同期数据及预测日近 20 日左右的数据，进行训练学习并预测; 用气平稳期( 供暖期和供暖过渡期以外的时间) 的日用气量变化不大，采用经差分处理后的时间序列模型进行预测。

对北京市供暖期天然气日负荷数据的分析发现，燃气负荷的变化受其最近几天的负荷变化影响最大。为此，人为地为预测日期的前 2 天加上较大的权值，其权值参照预测日期近段时间内预测模型误差进行适应性调整，可得出实时的计算模型最优参数。预测结果表明，预测相对误差绝对值小于5% 的天数占总天数的 82．35% ，总体 预测效果良好。这说明在分时段采用不同的预测模型的基础上，利用模型实时优化系统自动计算出最优模型参数进行预测，预测准确度有明显提高，且更加稳定可靠，是解决日负荷预测的一条新途径。

短期预测与实时调度结合如同任何事件的发生一样，天然气“气荒”的发生是有一定预兆的。例如: 联邦德国在贯彻欧洲议会和理事会保障安全节能的天然气供应法规时，要求各城市上报未来 3 天的燃气用气量预测相对误差控制在 5% 以内。此举促进了燃气预测的发展，对国内燃气的预测工作也有借鉴意义。如果能够利用燃气负荷预测技术加上准确的气象预报数据，燃气负荷的预测必将更为及时与准确，并且与现有的SCADA 系统相结合，进行实时的调度，对于减轻天然气供应系统“气荒”的影响将具有重要的意义。

燃气负荷预测技术的其他应用燃气负荷预测技术除了上述应用以外，还有助于燃气公司以最低的成本做好及时、合理的调度，保证输配系统安全可靠地运行; 有助于合理安排后期工程，安排设备的更新、维修等; 有助于指导安排燃气生产计划，确定燃气产量、储存量; 有助于保证用气企业的经济利益，对企业本身的燃气需求做到心中有数，从而合理安排。2

燃气负荷的预测20世纪国内外对燃气负荷预测就开始研究，进入21 世纪后，负荷预测研究出现了更加活跃的局面，不断有新的理论和方法被引入到负荷预测方面，采用较多的是时间序列方法、灰色理论、模糊理论以及人工神经网络理论。一般常用的方法有线性回归、非线性回归、灰色理论、时间序列分析、人工神经网络预测技术等。影响负荷预测软件正确性、实用性、准确性的因素很复杂，如原始数据的可靠性、模型的完善程度、预测时间的范围、用户需求的滞后以及燃气应用设施的特性等。因此，燃气负荷预测的过程需要进行城市燃气负荷变化规律的研究、燃气负荷影响因素的研究和燃气负荷预测软件的开发。总体来讲，燃气负荷预测主要包括如下过程。

历史数据和基础数据的收集与汇总描述性数据汇总技术可以用来识别数据的典型性质，突显噪声数据或离群点。该技术主要度量数据的中心趋势和度量数据的离散程度。

原始数据的处理实际收集的原始数据往往存在一些不完整的、有噪声的、不一致和冗余的数据信息。如果直接对这些数据进行挖掘分析，必将因低质量的数据而产生低质量的挖掘效果。因此在实施数据挖掘前，及时检测数据异常，尽早调整数据，以有助于提高其后数据挖掘过程的精度和性能。

数据关联与相关分析相关分析就是研究两个或两个以上变量之间相关程度大小以及用一定函数表达现象相互关系。一般来说变量之间的相互关系可以分为两种: 一种是函数关系，一种是相关关系。函数关系是指变量之间存在的相互依存的关系，它们之间的关系值是确定的。相关关系是两个变量数值变化不完全确定的随机关系，是一种不完全确定的依存关系。相关分析计算两个变量间的相关系数，分析两个变量间线性关系的程度。

燃气负荷的预测负荷预测的技术有时间序列分析与 预测技术、回归分析技术、灰色理论与灰色预测技术、人工神经网络预测技术等。上述预测技术各有所长，也各有所限，采用何法要视具体的目标和所拥有的数据，进行具体分析而定。2

燃气负荷预测的分类对于燃气企业来说，燃气负荷预测是一个完整的理论体系。所采用的负荷预测软件按照其预测的周期性通常包括以下几个模块，即短期负荷预测、中期负荷预测和长期负荷预测。

（1）短期负荷预测通常指未来几小时至一周内的负荷预测。短期预测可对燃气调峰起指导作用，用于安排燃气生产计划，确定燃气的产量、存储量。

（2）中期负荷预测通常为一个月至一年的负荷预测。中期负荷预测可用于安排后期工程，确定生产能力，安排设备的更新维修等。

（3）长期负荷预测指未来一年或者几年的负荷预测。用于气源和燃气管网的发展，需要数年至数十年的负荷值，其目的在于提供宏观决策的依据，使燃气管网建设满足国民经济增长和人民生活水平提高的需要。1

关于燃气负荷的一些问题在我国,多年来从教科书到一般工程运用，燃气负荷问题一般局限于确定用气量指标与用气不均匀系数(用气工况)等。

用气量指标定义为单个居民或单位设施年耗气量(耗热量)。而用气工况用月不均匀系数、日不均匀系数以及小时不均匀系数由按时间序列排列的离散的标准化的一系列数值给出。或者只用其峰值即月高峰系数、日高峰系数、小时高峰系数表示。对用气量指标一般结合燃气工程的规划或项目的可行性研究进行确定，采用简单的算术的统计方法，采集部分数据加以整理，针对工程项目的具体情况对影响用气量指标的因素作定性评估，制订出用气量指标。这些数据的积累又可能编入各种手册资料，转而形成以后工程设计的参考依据。

与用气量指标调研工作类似，在对城市进行燃气工程规划时都要投入很多时间和人力对已供应燃气城市的现状进行用气不均匀性的调查。在现状数据基础上由对相关因素变化的定性估计做出对用气不均匀性的定量的修正，形成规划设计的基础数据。城镇燃气设计规范也给出了一般用气量指标及用气高峰系数的范围，它只能作为参考，而不应当替代对具体工程对象实际的调研工作。

燃气负荷参数的确定方法和具体取值中存在下列若干有待改进的问题。

(1)在当前的一些规划、可行性研究工作中,对居民用气量指标做定性估计时,对随着社会经济状况变化而导致的用气规律的改变缺乏了解,对居民用能结构的变化(例如广泛使用电热水器、微波炉、电饭煲等电器)导致的用气水平的改变缺乏估计，因而采用不恰当的用气量指标。

(2)关于月不均匀系数，在以往的工作中主要由供气记录统计得出。应当指出，由统计居民用户的月用气抄表记录不可能得到正确的居民用户的用气月不均匀系数。这主要因为对用户用气的逐月抄表不是在同一个固定日统一完成的，而是均匀地在一个月的若干工作日内各天分批进行的。

(3)小时高峰系数与燃气负荷的大小有关,并且不是一个常数。

4)高峰系数与同时工作系数在计算上的矛盾区间问题。

同时工作系数宜用于居民小区庭院燃气支管计算流量的计算。从同时工作系数的定义看,认为有相同燃具配置的一群燃气用户，使用燃具时燃具处于额定工况，考虑这些燃气用户总体中各用户并不同时开启燃具,而是随机地投入使用，因此供给这一燃气用户总体的燃气管道的燃气流量不是各用户燃具额定用气量之和,而是用气量之和的一部分,即同时工作系数所表明的分值。

可见,同时工作系数是一个理想状态的概念(各工作燃具都在额定工况下工作),但这并不妨碍同时工作系数的实用性价值。通过对测定数据进行适当数理统计处理,可以得到实际用气状况各种因素在内的同时工作系数值。同时工作系数所适用的对象宜是2000户以内的居民用户总体。

另一种体系，用气高峰系数所适用的对象是大数量多种用户综合，不直接包含用户数量和用气总量的因素对用气高峰系数的影响。

在某些计算任务中，会遇到两种计算方法都可适用的边缘情况，此时会发现这两种方法计算的结果会有很大的差别。可以用1000户用户情况下计算结果的矛盾予以揭示。

(5)同时工作系数所确定的管道计算流量的连续性问题。

从原则上考虑，一个管道的计算流量应该由该管道的实际最大负荷所确定。因此，在计算小区燃气支管时，各管道的计算流量即由该管道所供给的居民用户数按同时工作系数的计算予以确定。3

展望① 我国在燃气负荷预测技术的研究方面，已经取得一系列成果，建立了各种负荷预测的方法，为城市燃气负荷预测的实际应用提供了技术基础。

② 由于燃气负荷的影响因素较多，负荷预测的实践证明，在多种因素的作用下，单一预测技术的预测结果难免与实测值有较大的差别，建议根据实际条件，采用多种预测方法相结合的方法进行预测。

③ 我国许多城市燃气公司已经建有 SCADA系统，要加快燃气负荷预测技术与城市燃气 SCADA系统的结合，提高城市燃气的智能调度水平。2