背景概述
近年來，許多城市用上了天然氣，對於最佳化我國城市燃氣的結構、促進節能減排的實施發揮了重要的作用。但是要看到，城市天然氣供應形勢也越來越嚴峻，2005 年底及 2009 年 11 月中旬我國局部地區出現的“氣荒”就是突出的徵兆。因此，天然氣供應可靠性問題已經引起人們的關注。
天然氣供應可靠性是一個系統性的問題，涉及到天然氣生產、儲運、套用的整個產業鏈，涉及到燃氣負荷的預測與平衡問題。燃氣負荷預測的主要內容有兩個方面，即用於供氣系統設計和發展的天然氣消費不均衡性預測( 遠景預測) 和用於現有輸氣系統工況的天然氣消費預測( 操作預測) 。燃氣負荷的準確預測目的是提高城市氣源的科學決策、燃氣管網的合理規劃和燃氣運行的最佳化調度水平，以提高燃氣供應的可靠性和更好地發揮城市燃氣設施的投資效益。
燃氣負荷預測的核心問題是利用現有的歷史數據（如歷史負荷運行數據和相應的氣象數據等），採用適當的數學預測模型對預測對象的負荷值進行估計。因此，有效的進行燃氣負荷預測工作需要具備兩方面的條件，一是歷史數據的完整可靠性，二是預測方法和相應手段的可行性。
基於上述分析，在進行燃氣系統的負荷預測時，一般情況是按照下列步驟完成的：
（1）確定燃氣系統負荷預測的內容（年度負荷、月度負荷、日負荷或者小時負荷），蒐集相應的歷史數據等材料；
（2）分析整理統計資料，使其具有正確性、完整性、可比性和連慣性，能夠反映負荷發展的規律性；
（3）選擇適合於預測對象的預測模型；
（4）用預測模型進行預測；
（5）預測結果的分析和修正。
燃氣負荷問題的提出
我國城市燃氣正在經歷一場階段性轉變，西氣東輸工程已經全面啟動。天然氣將成為城市氣體燃料的主導，燃氣系統的輸送、分配、儲存各部分都將相應發生一系列變化。我國燃氣系統將從單個城市範圍的系統變為跨區域的大系統。從燃氣負荷的角度分析，我國城市燃氣由天然氣主導將引起各方面一系列的變化。供氣將可能從多氣源、多儲庫進行調度，在系統中存在著氣體容量(氣容)環節。在平衡燃氣負荷時，要從系統全局進行調度。
在終端用戶的構成上會發生巨大的變化。由原來以居民生活用氣為主變為工業、採暖製冷、機動車用氣、發電動力等用氣為主，以至在燃氣系統上接有天然氣化工終端用戶。據預測，到2015年，各種終端用戶用氣量比例將為:發電42%，化工16%，民用燃氣22%，工業及其他20%。其中，城市燃氣(民用，工業及其他)占42%。居民生活方式發生變化，包括生活水平提高和社會化程度增加，使熱水用量增加，外購食物製作成品比例加大，更多地在外餐飲娛樂或旅遊，都會影響到燃氣需求情況的變化。
燃氣作為城市能源的一部分，還將受到城市能源需求類型的結構性變化的影響。例如用電代替用氣，都會使傳統的用氣量指標、用氣不均勻係數等燃氣負荷參數發生顯著的變化。
所有這些變化將改變燃氣負荷在量和性質方面的狀態和規律。處在燃氣事業這樣一個新發展階段，產生了對燃氣負荷問題進行研究的迫切要求。而燃氣負荷的構成狀態、具有的規律性及變化趨勢則是燃氣負荷問題的基本內容。
研究燃氣負荷的意義
在任何工程技術中，負荷都是最基礎性的數據。燃氣負荷也不例外。在燃氣系統中，燃氣負荷數據(負荷大小和負荷的變化形態)對項目規劃、工程設計中設施和設備容量的確定、運行與調度以及工程技術分析都有根本的意義。
最常用的燃氣負荷的數據是其總量、幅值和時間序列變化。在城鎮燃氣規劃、設計中需要年供氣總量基礎數據，以便確定系統的配置規模，計算項目的經濟性和確定建設所需資金。在工程項目的設計階段,燃氣負荷是各種計算的基礎，傳統的燃氣負荷有關指標有用氣量指標和代表用氣不均勻性的高峰係數(月、日、小時高峰係數)。在長輸管線設計和計算中，根據用氣負荷的逐時變化數據對長輸管道進行不穩定工況計算和分析。
在儲氣設施設計以及分配管網設計或確定製氣設備能力(容量)時，也需要知道用氣負荷隨時間變化的規律。為確定儲罐容量，用一周內168 h逐小時供需氣量差的累積數的最大值與最小值的差作為依據。
燃氣負荷對燃氣經營企業是重要的，特別關於燃氣負荷的預測尤為重要。燃氣企業需要利用關於燃氣負荷的數據計畫生產和制訂經營策略，安排燃氣輸入計畫、落實氣源、調度燃氣儲庫，計畫燃氣系統中各種設備裝置的檢修。
對於燃氣學科的工程技術分析，燃氣負荷也是基礎性的。在進行工程技術問題分析時，往往要將其放在用氣工況的背景下進行研究。例如對液化石油氣瓶組供氣的技術分析，對輸配系統的有效性的分析等。在這樣一些分析中往往需要採用負荷模型,即典型化的負荷變化。而典型化的負荷模型是從對已有負荷數據研究的基礎上建立起來的。可見，燃氣負荷對於燃氣系統的建設和運行具有重要意義，這也是進行燃氣負荷研究的意義。
對於天然氣供氣系統來說，用氣負荷的預測涉及到供氣系統的安全性、可靠性和燃氣公司的經濟效益等諸多方面的因素。另外不論是最佳化設計，還是最佳化運行，首要解決的是對天然氣用氣負荷進行科學的預測問題和在安全、可靠、經濟的條件下滿足城市用氣要求的調峰問題，而調峰問題是燃氣用氣負荷問題的再現，因此城市燃氣負荷的研究為燃氣管網規劃提供依據和對長輸管線最佳化運行都有重要意義。其具體表現在以下幾個方面：
為“燃氣供銷契約”提供資料
西氣東輸工程標誌著我國天然氣供應商業化進程的開展。上游供氣方與下游燃氣企業之間簽訂的帶有照付不議條款的供氣契約中，除了照付不議氣量外，還有超提氣量、最大日供氣量、最大小時供氣量和計畫氣量等諸多條款，以及這些條款對應的經濟條款。燃氣公司如果未能依照已確定之購氣量提氣，可能需要按照照付不議或者繳付較高的氣價，這樣將提高運作成本。因此，準確的預測用氣量以及用氣模式，可以減少甚至杜絕燃氣企業不必要的經濟損失，也能保障天然氣產業鏈的正常、經濟運轉。
管網設計最佳化的基礎
在城市燃氣規劃、設計中需要年供氣量的基礎數據，以便確定系統的配置規模，計算項目的經濟性和確定建設所需的資金。在工程項目的設計階段，燃氣負荷是各種計算的基礎。對管網進行靜態水力計算時，則主要需要知道用氣負荷的小時峰值。
儲氣設施設計的依據
在儲氣設施設計以及分配管網設計或確定製氣設備能力時，需要知道用氣負荷隨時間變化的規律。儲氣設施的儲氣規模主要取決於工作氣量，所以一定要選擇大小合適的儲氣構造，以便提高儲氣設施的經濟性。
工程技術分析的依據
在進行工程技術問題分析時，往往要將其放在用氣工況的背景下進行研究。如對輸配系統的有效性分析等。在這樣的一些分析中需要典型化的負荷變化，而典型化的負荷模型是從對已有負荷數據研究的基礎上建立起來的。
實現燃氣管網管理現代化
在燃氣系統中，燃氣負荷數據對項目的規劃、工程設計中設施和設備容量的確定、運行與調度以及工程技術分析都有著根本的意義。目前，雖然我國許多城市的燃氣輸配管網都安裝了計算機監控管理系統，但是就其功能來說，發揮得還遠遠不夠，如果對這些資源作更深層次的開發和套用，則必將更充分發揮其作用，從而進一步提高其投資效益。而燃氣管網的負荷預測就是這類待開發研究的重要內容之一。
經濟調度的主要依據
對城市燃氣系統來說，必須對用戶可靠而經濟的進行供氣，以隨時滿足用戶用氣的需求。同時還要考慮在確保系統安全的情況下儘量減少儲氣量，降低儲氣成本。
綜上所述，對城市燃氣負荷特性進行研究，採用合理有效的預測方法對不同周期的燃氣負荷進行預測是具有明顯的社會效益和經濟效益的重要課題。
燃氣負荷與燃氣套用
燃氣終端用戶在一段時間內對燃氣的需用即形成燃氣負荷。燃氣負荷的因次是[體積] [時間]。燃氣負荷和時間一般都以離散形式取值。燃氣負荷在一個時段內隨時間的變化即稱為燃氣需用工況。燃氣需用工況的表象即用氣不均勻性。在一段時間內燃氣負荷的累積值即用氣量，用氣量大小的原始表述就是用氣量指標(常採用熱量單位)。一般，往往將需用量也稱為燃氣負荷。
城鎮燃氣的供應對象傳統上包括居民生活用氣、商業用氣、工業企業生產用氣和建築物採暖用氣。此外燃氣車輛用氣及製冷用氣都需列入狹義城鎮燃氣負荷之中。發電動力燃料用氣可能在燃氣負荷中占有很大的比例，發電動力燃料用氣的方式也將不限於用於燃氣鍋爐的直接燃燒，將發展燃料電池的化學轉化，可能直接從分輸站接入。燃氣負荷可以按天然氣使用性質劃分為作為燃料的廣義城鎮燃氣負荷(包括居民生活用氣、商業用氣、工業企業生產用氣、建築物採暖及製冷用氣、燃氣汽車用氣及發電動力燃料用氣)和作為化工原料天然氣在內的全系統燃氣負荷。天然氣化工原料用氣負荷基本不變。接入電網的天然氣發電用氣負荷取決於電力負荷,發電用氣負荷的規律性取決於電力負荷的規律性。在考慮長輸管線的負荷時，要採用全系統燃氣負荷，在考慮城鎮輸配管網時，則要按化工原料用氣或發電動力燃料用氣是否被包括在系統之中而採用全系統燃氣負荷、廣義城鎮燃氣負荷或狹義城鎮燃氣負荷。在研究燃氣負荷時，主要關注狹義城鎮燃氣負荷。
居民生活用氣主要與生活習慣、氣候條件、社會經濟環境等因素有關係。在用氣工況方面，一日之內的變化與飲食習慣、食物類型、熱水用量及用氣設備配置等多種因素有關。在雙休日的變化則與居民的職業構成、生活方式、當地工商企業的分布、營業安排等情況有關。就地域特點看，和歐美等國情況不同，在我國雙休日往往成為居民購物、上街消費、在外就餐等社會生活比例很大的日子。從時代發展看,不同於改革開放前的年代，一周之內用氣高峰日不一定很突出，可能星期日不再是用氣高峰日。
商業用氣有與居民生活用氣規律相同的一面，也有自己的某些特點，例如餐飲用氣比居民用氣在時間上要提前與拖後，在一日之內延續時間長，用氣較均勻。理髮店的用氣主要在於製備熱水。而賓館除用氣製備熱水外，可能用於直燃機或採暖燃氣鍋爐。隨著我國產業結構的大調整,第三產業比例大為提高,商業用氣會有大幅度增長。
一般說來，工業企業用氣主要用於生產工藝，在一周內各生產日基本保持不變。在一日之中在生產班時之內用氣較均勻。而一年之內的用氣月不均勻性主要受月生產量和氣候條件影響。
燃氣負荷在一日之內逐時的變化或一年之內逐日或逐月的變化主要取決於用氣構成和終端用戶的用氣特點，而燃氣負荷的長期趨勢性變化主要取決於終端用戶數量的變化(一般年用氣總量是增長趨勢)。它與社會經濟的發展狀況、城市基礎設施的建設進程有很密切的依存關係。
我國正在經歷一個建設和經濟穩定發展時期，城市能源結構在不斷改善與調整。燃氣，特別是天然氣將在越來多的城市成為主導的氣體能源。從全局範圍看，燃氣負荷將不斷增長。
規劃用氣量的預測
一個城市的年能源消耗總量主要受國民經濟方針、人口、產值單耗、產業結構等因素的影響。城市燃氣是能源消耗的重要組成部分之一，城市燃氣規劃用氣量的預測是未建城市燃氣管網的城市、已建城市燃氣管網但需增加供氣規模的城市，在進行燃氣規劃時首先需要解決的一個重要問題。
日負荷預測的實時最佳化
日負荷的準確預測關係到城市供氣的安全、穩定及經濟性，具有重要的意義。例如: 北京市供暖用天然氣量較大，造成高峰日用氣量與低峰日用氣量相差大。根據日負荷的特點，分為 3 個階段: 供暖期( 當年11月15 日到次年 3 月 15 日) 的供暖日負荷與日平均溫度及前兩天的負荷相關係數相當大，適合採用線性回歸模型預測; 供暖過渡期( 供暖期的前 20 天和後 15 天) 與近年對應期的變化規律趨於一致，適合於參照歷史信息與當前主要因素建立的神經網路預測模型，樣本選取一定量的前兩年同期數據及預測日近 20 日左右的數據，進行訓練學習並預測; 用氣平穩期( 供暖期和供暖過渡期以外的時間) 的日用氣量變化不大，採用經差分處理後的時間序列模型進行預測。
對北京市供暖期天然氣日負荷數據的分析發現，燃氣負荷的變化受其最近幾天的負荷變化影響最大。為此，人為地為預測日期的前 2 天加上較大的權值，其權值參照預測日期近段時間內預測模型誤差進行適應性調整，可得出實時的計算模型最優參數。預測結果表明，預測相對誤差絕對值小於5% 的天數占總天數的 82．35% ，總體 預測效果良好。這說明在分時段採用不同的預測模型的基礎上，利用模型實時最佳化系統自動計算出最優模型參數進行預測，預測準確度有明顯提高，且更加穩定可靠，是解決日負荷預測的一條新途徑。
短期預測與實時調度結合
如同任何事件的發生一樣，天然氣“氣荒”的發生是有一定預兆的。例如: 聯邦德國在貫徹歐洲議會和理事會保障安全節能的天然氣供應法規時，要求各城市上報未來 3 天的燃氣用氣量預測相對誤差控制在 5% 以內。此舉促進了燃氣預測的發展，對國內燃氣的預測工作也有借鑑意義。如果能夠利用燃氣負荷預測技術加上準確的氣象預報數據，燃氣負荷的預測必將更為及時與準確，並且與現有的SCADA 系統相結合，進行實時的調度，對於減輕天然氣供應系統“氣荒”的影響將具有重要的意義。
燃氣負荷預測技術的其他套用
燃氣負荷預測技術除了上述套用以外，還有助於燃氣公司以最低的成本做好及時、合理的調度，保證輸配系統安全可靠地運行; 有助於合理安排後期工程，安排設備的更新、維修等; 有助於指導安排燃氣生產計畫，確定燃氣產量、儲存量; 有助於保證用氣企業的經濟利益，對企業本身的燃氣需求做到心中有數，從而合理安排。
燃氣負荷的預測
20世紀國內外對燃氣負荷預測就開始研究，進入21 世紀後，負荷預測研究出現了更加活躍的局面，不斷有新的理論和方法被引入到負荷預測方面，採用較多的是時間序列方法、灰色理論、模糊理論以及人工神經網路理論。一般常用的方法有線性回歸、非線性回歸、灰色理論、時間序列分析、人工神經網路預測技術等。影響負荷預測軟體正確性、實用性、準確性的因素很複雜，如原始數據的可靠性、模型的完善程度、預測時間的範圍、用戶需求的滯後以及燃氣套用設施的特性等。因此，燃氣負荷預測的過程需要進行城市燃氣負荷變化規律的研究、燃氣負荷影響因素的研究和燃氣負荷預測軟體的開發。總體來講，燃氣負荷預測主要包括如下過程。
歷史數據和基礎數據的收集與匯總
描述性數據匯總技術可以用來識別數據的典型性質，突顯噪聲數據或離群點。該技術主要度量數據的中心趨勢和度量數據的離散程度。
原始數據的處理
實際收集的原始數據往往存在一些不完整的、有噪聲的、不一致和冗餘的數據信息。如果直接對這些數據進行挖掘分析，必將因低質量的數據而產生低質量的挖掘效果。因此在實施數據挖掘前，及時檢測數據異常，儘早調整數據，以有助於提高其後數據挖掘過程的精度和性能。
數據關聯與相關分析
相關分析就是研究兩個或兩個以上變數之間相關程度大小以及用一定函式表達現象相互關係。一般來說變數之間的相互關係可以分為兩種: 一種是函式關係，一種是相關關係。函式關係是指變數之間存在的相互依存的關係，它們之間的關係值是確定的。相關關係是兩個變數數值變化不完全確定的隨機關係，是一種不完全確定的依存關係。相關分析計算兩個變數間的相關係數，分析兩個變數間線性關係的程度。
燃氣負荷的預測
負荷預測的技術有時間序列分析與 預測技術、回歸分析技術、灰色理論與灰色預測技術、人工神經網路預測技術等。上述預測技術各有所長，也各有所限，採用何法要視具體的目標和所擁有的數據，進行具體分析而定。
燃氣負荷預測的分類
對於燃氣企業來說，燃氣負荷預測是一個完整的理論體系。所採用的負荷預測軟體按照其預測的周期性通常包括以下幾個模組，即短期負荷預測、中期負荷預測和長期負荷預測。
（1）短期負荷預測通常指未來幾小時至一周內的負荷預測。短期預測可對燃氣調峰起指導作用，用於安排燃氣生產計畫，確定燃氣的產量、存儲量。
（2）中期負荷預測通常為一個月至一年的負荷預測。中期負荷預測可用於安排後期工程，確定生產能力，安排設備的更新維修等。
（3）長期負荷預測指未來一年或者幾年的負荷預測。用於氣源和燃氣管網的發展，需要數年至數十年的負荷值，其目的在於提供巨觀決策的依據，使燃氣管網建設滿足國民經濟成長和人民生活水平提高的需要。
關於燃氣負荷的一些問題
在我國,多年來從教科書到一般工程運用，燃氣負荷問題一般局限於確定用氣量指標與用氣不均勻係數(用氣工況)等。
用氣量指標定義為單個居民或單位設施年耗氣量(耗熱量)。而用氣工況用月不均勻係數、日不均勻係數以及小時不均勻係數由按時間序列排列的離散的標準化的一系列數值給出。或者只用其峰值即月高峰係數、日高峰係數、小時高峰係數表示。對用氣量指標一般結合燃氣工程的規劃或項目的可行性研究進行確定，採用簡單的算術的統計方法，採集部分數據加以整理，針對工程項目的具體情況對影響用氣量指標的因素作定性評估，制訂出用氣量指標。這些數據的積累又可能編入各種手冊資料，轉而形成以後工程設計的參考依據。
與用氣量指標調研工作類似，在對城市進行燃氣工程規劃時都要投入很多時間和人力對已供應燃氣城市的現狀進行用氣不均勻性的調查。在現狀數據基礎上由對相關因素變化的定性估計做出對用氣不均勻性的定量的修正，形成規劃設計的基礎數據。城鎮燃氣設計規範也給出了一般用氣量指標及用氣高峰係數的範圍，它只能作為參考，而不應當替代對具體工程對象實際的調研工作。
燃氣負荷參數的確定方法和具體取值中存在下列若干有待改進的問題。
(1)在當前的一些規劃、可行性研究工作中,對居民用氣量指標做定性估計時,對隨著社會經濟狀況變化而導致的用氣規律的改變缺乏了解,對居民用能結構的變化(例如廣泛使用電熱水器、微波爐、電飯煲等電器)導致的用氣水平的改變缺乏估計，因而採用不恰當的用氣量指標。
(2)關於月不均勻係數，在以往的工作中主要由供氣記錄統計得出。應當指出，由統計居民用戶的月用氣抄表記錄不可能得到正確的居民用戶的用氣月不均勻係數。這主要因為對用戶用氣的逐月抄表不是在同一個固定日統一完成的，而是均勻地在一個月的若干工作日內各天分批進行的。
(3)小時高峰係數與燃氣負荷的大小有關,並且不是一個常數。
4)高峰係數與同時工作係數在計算上的矛盾區間問題。
同時工作係數宜用於居民小區庭院燃氣支管計算流量的計算。從同時工作係數的定義看,認為有相同燃具配置的一群燃氣用戶，使用燃具時燃具處於額定工況，考慮這些燃氣用戶總體中各用戶並不同時開啟燃具,而是隨機地投入使用，因此供給這一燃氣用戶總體的燃氣管道的燃氣流量不是各用戶燃具額定用氣量之和,而是用氣量之和的一部分,即同時工作係數所表明的分值。
可見,同時工作係數是一個理想狀態的概念(各工作燃具都在額定工況下工作),但這並不妨礙同時工作係數的實用性價值。通過對測定數據進行適當數理統計處理,可以得到實際用氣狀況各種因素在內的同時工作係數值。同時工作係數所適用的對象宜是2000戶以內的居民用戶總體。
另一種體系，用氣高峰係數所適用的對象是大數量多種用戶綜合，不直接包含用戶數量和用氣總量的因素對用氣高峰係數的影響。
在某些計算任務中，會遇到兩種計算方法都可適用的邊緣情況，此時會發現這兩種方法計算的結果會有很大的差別。可以用1000戶用戶情況下計算結果的矛盾予以揭示。
(5)同時工作係數所確定的管道計算流量的連續性問題。
從原則上考慮，一個管道的計算流量應該由該管道的實際最大負荷所確定。因此，在計算小區燃氣支管時，各管道的計算流量即由該管道所供給的居民用戶數按同時工作係數的計算予以確定。
展望
① 我國在燃氣負荷預測技術的研究方面，已經取得一系列成果，建立了各種負荷預測的方法，為城市燃氣負荷預測的實際套用提供了技術基礎。
② 由於燃氣負荷的影響因素較多，負荷預測的實踐證明，在多種因素的作用下，單一預測技術的預測結果難免與實測值有較大的差別，建議根據實際條件，採用多種預測方法相結合的方法進行預測。
③ 我國許多城市燃氣公司已經建有 SCADA系統，要加快燃氣負荷預測技術與城市燃氣 SCADA系統的結合，提高城市燃氣的智慧型調度水平。
