基于信息熵的天然气区域市场消费结构的发展分析

时间：2015-12-20 23:23:21 所属分类：天然气工业 浏览量:

一、引言 能源是一个地区和一个国家发展的必要物质基础，能源数量短缺或消费结构不合理都将严重影响地区和国家的安全与发展.[1]12801285。国际能源署（IEA）2010年报告对中国天然气市场进行了全面评估，报告显示，2010年中国天然气消费量为107010.8m.3，比20

　一、引言
　　能源是一个地区和一个国家发展的必要物质基础，能源数量短缺或消费结构不合理都将严重影响地区和国家的安全与发展.[1]12801285。国际能源署（IEA）2010年报告对中国天然气市场进行了全面评估，报告显示，2010年中国天然气消费量为1070×10.8m.3，比2009年增长182%，已成为世界第四大天然气消费国，并预计2015年消费量将达到2600×10.8m.3左右，占一次能源消耗量的7%，2020年约为3500×10.8m.3。.[2]目前中国天然气市场定价主要采用成本加成法，其市场价格远低于替代能源价格（如煤、LPG等），虽然极大推动了市场消费与扩张，但导致了天然气消费结构比较单一，结构不合理，其市场价值没有得到充分体现，天然气资源在市场中没有得到合理配置.[34]。中国天然气消费模式正逐步由供应驱动消费向需求拉动消费模式转变，天然气市场结构如何变化直接关系到能源消费安全，从长远来看，中国天然气利用形势依然十分严峻.[5]。故研究天然气消费结构演变规律和演变趋势有利于国家天然气能源政策和产业政策的调整、天然气市场的结构优化、市场价值的实现和天然气资源的合理配置。
　　天然气市场具有较强的区域消费特征，目前中国形成了西南、环渤海湾、西北等8大不同类型区域性消费市场。大华北市场涵盖陕西、山西、内蒙古、山东、河南、北京等省市区，整个地区天然气管网密布，四通八达。该区域产业结构复杂，需求主体多样，经济水平差异较大，既有东部的发达地区山东、北京，又有中西部的欠发达地区山西、内蒙古、河南。该地区资源禀赋差异大：山西富产煤炭；陕北和内蒙古交界的鄂尔多斯气田和长庆气田为两省提供了可靠的供气保障；山东属于沿海LNG辐射地区，除接收管道气、海上气外，还接收进口气，用气结构比较复杂。整个大华北地区天然气需求主体主要以城市燃气、工业和发电为主，其市场需求量大且价格承受能力较强。由于中石油、中石化、中海油及内蒙古煤制天然气多个供气主体的并存，大华北地区气源结构也日趋多样化。该区现有管道气、海上气、煤制气、LNG等多种天然气能源，种类丰富。内蒙古、宁夏天然气汽车试点的推行，使得LNG、CNG项目在大华北地区迅速开展，中石油、中海油和中石化积极布局LNG项目抢占天然气市场。由此可见，大华北地区具有鲜明的区域特征，对该地区天然气消费结构的演变研究将为中国天然气的区域配置、下游消费结构的优化配置以及天然气市场化提供必要的参考价值。
　　能源消费系统是一个复杂的耗散系统，其结构在外部扰动和内部涨落影响下不断演变，表现出自发的、不可逆的演化特征。信息熵（Information entropy）从信息源系统角度出发，利用概率测度和统计方法度量耗散系统无序状态，揭示系统内部结构演变过程.[67]。耿海青等考虑到能源消费结构的区域差异性，利用信息熵分析了区域市场内居民能源消费结构（电力、煤炭、LPG和煤气等）的演变，认为电力和天然气将成为城市居民主要的消费能源.[8]。田志勇等分析了中国2001—2006年能源消费结构中的煤炭、石油和天然气的信息熵特征指标的动态变化，认为资源禀赋及煤炭、石油和天然气的储量影响能源消费结构的优化.[9]。揣小伟等从信息熵、均衡度和优势度等指标对中国1991—2006年煤炭、石油、天然气和电力等能源消费数量和结构进行了动态分析，并深入研究了经济发展水平、技术进步、产业结构对能源消费结构的影响.[1]12801285。目前信息熵理论用于天然气消费结构演变的研究还不多见，天然气能源系统作为整个能源系统的一个子系统，其消费结构演变既与其他能源有关（尤其是替代能源，如煤炭），又在工业、商业、民用等消费结构上呈现出自身演变的特点，为此，本文将采用信息熵、均衡度、优势度等方法分析研究区域市场天然气消费结构时空演变过程和规律，以及影响天然气消费结构演变差异性的因素，以便更加清晰地认识和准确把握中国天然气消费结构的变化规律、动态发展趋势和消费结构的差异性，为中国天然气政策制定和调整提供依据，促进天然气消费结构进一步优化。
　　二、研究方法和数据来源
　　（一）研究方法
　　假设一个地区的天然气消费总量为Q，该地区利用天然气的行业有m种，每种行业的天然气使用量为qi（i=1，2，…，m），则各行业天然气的消费量占该地区天然气消费量总和的比例为pi=qi/Q，∑pi=1。
　　据此，根据信息论的原理，同时参照申农公式.[9]，可以定义天然气消费结构的信息熵为
　　H=-∑mi=1Pilnpi 。 （1）
　式（1）可以用来描述某一地区天然气消费结构的有序度或复杂程度，揭示其动态演变规律。
　　一般来说，当一个地区的经济发展水平很低时，天然气消费结构比较单一，可能只有一两个行业使用量较大。假设处于极端状态，整个地区只有一个行业使用天然气，此时Hmin=0；相反，若该地区所有行业天然气使用量的比例相等，即p1=p2=…=pm=1/m，则此时Hmax=lnm。事实上，这两种情况均不会出现，信息熵一般会介于两者之间，其值的大小反映该地区天然气消费结构的复杂程度，而均衡度和优势度则描述各行业天然气利用的差别和结构格局.[1011]。一个系统越是有序，信息熵就越低；反之，一个系统越是混乱，信息熵越高。在这里，定义天然气消费结构均衡度的表达式为
　　J=-∑mi=1Pilnpi/lnm ， （2）
　　即均衡度是信息熵和最大熵之间的比值，取值范围为J∈[0，1]，其值越大，各行业天然气使用量的比例差别就越小；当J=0时，天然气消费结构的复杂程度最低。优势度的表达式为
　　D=1-J，
　　反映了一种或几种行业支配天然气消费的程度。
　　（二）数据来源
　　根据《中国能源统计年鉴》（2001—2011）、《中国统计年鉴》（2001—2011）、《中国国土资源统计年鉴》（2001—2011），整理选取出2000—2010大华北地区的北京、山东、内蒙古、山西、河北、陕西、宁夏以及河南等地各行业使用天然气的消费量数据作为本文研究的基础数据。
　　三、大华北地区天然气市场发展特征
　　（一）市场规模不断扩大
　　2010年，中国天然气消费量达到1070×10.8m.3，比2009年增长了182%，是2000年的44倍。大华北地区各省市区2010年天然气消费总量为33528×10.8m.3，远

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