中国天然气系统在供应短缺下的韧性评估：基于系统动力学方法的研究报告
作者及发表信息
本研究由Yueting Ding（北京理工大学管理与经济学院）、Sai Chen（中国矿业大学经济管理学院）、Yilei Zheng（北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室）、Shanglei Chai（山东师范大学商学院）和Rui Nie（中国矿业大学经济管理学院）合作完成，发表于能源领域期刊Energy第247卷（2022年），文章标题为《Resilience assessment of China’s natural gas system under supply shortages: A system dynamics approach》。
学术背景
研究领域与背景
本研究属于能源安全与系统韧性（resilience）交叉领域。随着中国天然气消费量快速增长（2020年占一次能源消费8%，2030年目标为15%），进口依赖度持续上升（2020年达43%），供应短缺风险凸显。例如2018-2019年土库曼斯坦管道气供应量骤减42%，直接影响中国28%的进口量。传统研究多聚焦静态风险评估，而本文创新性地从动态韧性角度，分析天然气系统在供应中断后的恢复能力。
研究目标
- 揭示天然气系统在供应短缺下的动态恢复机制
- 量化评估系统韧性水平
- 识别提升韧性的关键因素
研究方法与流程
韧性评估框架设计
基于广泛接受的韧性曲线理论（resilience curve），构建包含四个阶段的评估模型：
1. 正常阶段（Before）：系统基准运行状态
2. 退化阶段（Degradation）：供应短缺导致性能下降
3. 恢复阶段（Recovery）：通过应急措施恢复供应
4. 新稳态阶段（After）：系统恢复至原水平或新平衡
采用需求满足率（DSR, Demand Satisfaction Rate）作为系统性能指标，通过计算”韧性三角形”面积（公式1-2）量化韧性值（R∈[0,1]）。
系统动力学（SD, System Dynamics）建模
使用Vensim PLE软件构建包含两大子系统的SD模型：
1. 供应子系统
- 应急供应机制：
- 液化天然气（LNG）现货贸易（运输能力0.13亿立方米/日）
- 地下储气库调峰（初始工作气量95.8亿立方米）
- 管道气超额供应（按正常进口量的20%计算）
- 数据处理：基于2018年《中国能源统计年鉴》及商业数据库，将年度数据转换为日度数据（考虑冬季用气高峰为夏季1.7倍）
2. 需求子系统
- 需求压缩机制：按短缺程度分级压缩工业（首轮10%）、发电（次轮10%）、交通（末轮10%）用气，居民用气不压缩
- 季节性峰值：冬季90天内需求增加71%
模型验证
通过极端值测试（无短缺场景）验证模型有效性，所有变量响应符合理论预期（如DSR恒为1，应急措施未触发）。
主要研究结果
情景模拟分析
设置9种情景组合，涵盖两类短缺（30%进口短缺、进口短缺+季节性高峰）和三种恢复策略（仅应急供应、仅需求压缩、混合策略）：
1. 单一进口短缺情景
- 情景S3（混合策略）：DSR在短缺期内完全恢复（R=0.995），显著优于单一措施（S1应急供应R=0.956，S2需求压缩R=0.957）
- 关键发现：超额管道供应贡献最大（占应急供应量的54%），但依赖国际供应商配合
2. 复合短缺情景
- 情景S4（原始能力）：DSR无法完全恢复（R=0.970），重叠短缺期出现持续缺口
- 容量弹性分析：提出韧性容量弹性（CER, Capacity Elasticity of Resilience）指标，发现：
- 管道超额供应CER最高（0.015）
- 地下储气库运输能力次之（CER=0.009）
- LNG现货贸易最低（CER=0.0086）
3. 极限能力测试
- 情景S8（最大运输能力1.583亿立方米/日）：DSR快速恢复但储气库69日内耗尽
- 情景S9（储气库容量达标但运输能力不变）：DSR仍存在缺口，显示储气库与管道需同步扩建
结论与价值
科学结论
- 混合策略（应急供应+需求压缩）可使系统承受30%进口短缺，但无法应对叠加季节性高峰的复合冲击
- 地下储气库运输能力是提升韧性的最关键因素（需配套管道网络扩展）
- 当前储气库建设滞后于管道发展，2021-2025年需优先投资储气设施
实践意义
- 短期策略：优化需求压缩序列（工业→发电→交通），开发替代能源
- 长期策略：
- 将进口依存度控制在当前水平（约43%）
- 按IEA标准建立180天应急储备
- 同步提升储气库容量（目标为消费量10%）与管道运输能力
研究亮点
- 方法论创新：首次将系统动力学与韧性曲线结合，构建天然气系统动态评估框架
- 指标创新：提出韧性容量弹性（CER）量化不同措施的边际效益
- 政策洞察：揭示储气库与管道能力不匹配的结构性矛盾，为”十四五”能源规划提供实证支持
其他价值
研究开发的SD模型可扩展应用于其他能源系统韧性评估，模型参数可根据最新数据动态更新（如2022年俄乌冲突后的能源贸易格局变化）。作者公开了部分基础数据与建模逻辑，便于后续研究复现与改进。