运输部署案例集/2018/美国天然气管道

定性分析

数据

本分析的数据来自美国交通部交通统计局在表格中的天然气管道概况。早期数据在线获取。原始数据转换为公里（km），并在下表1中列出。

表1. 分析使用的原始数据

年份	里程	(公里)
1872	5	8.04672
1879	110	177.02784
1920	115000	185074.56
1930	225000	362102.4
1960	630900	1015335.13
1965	767500	1235171.52
1970	913300	1469813.88
1975	979300	1576030.58
1980	1051800	1692708.02
1985	1110785	1787635.18
1990	1270295	2044341.64
1991	1217451	1959297.46
1992	1216081	1957092.66
1993	1276303.4	2054011.22
1994	1335530	2149327.19
1995	1331788.2	2143305.35
1996	1290163.19	2076316.39
1997	1331606.12	2143012.32
1998	1372638.76	2209047.95
1999	1364281	2195597.44
2000	1377320	2216581.68
2001	1412876	2273803.51
2002	1462213.49	2353204.5
2003	1432045.52	2304653.87
2004	1470290.23	2366202.76
2005	1489242.32	2396703.19
2006	1509306.74	2428993.75
2007	1524438.69	2453346.25
2008	1533876.04	2468534.2
2009	1545475.58	2487201.86
2010	1554290.38	2501387.89
2011	1563510.83	2516226.78
2012	1567309.38	2522339.95
2013	1575538.5	2535583.42
2014	1585638.44	2551837.71
2015	1595674.4	2567989.03
2016	1604165.43	2581654.01

模型

使用三参数逻辑函数进行定量分析。

$S(t)=K/(1+\exp(-b\times (t-t_{0}))$

其中S(t)是状态度量，(例如乘客公里数，t是时间(通常以年为单位)，$t_{0}$是拐点时间(达到1/2 K的年份，使用截距/(-b)计算)，K是饱和状态水平，b是系数。

当R平方值最接近1时，发现K，如下表所示。

K	2609000	2609100	2609200	2609300	2609400	2609500	2609600	2609700	2609800	2609900	2610000
截距	-183.91821	-183.89933	-183.88048	-183.86167	-183.84289	-183.82416	-183.80545	-183.78679	-183.76816	-183.74956	-183.73101
b	0.09308879	0.09307901	0.09306926	0.09305952	0.0930498	0.0930401	0.09303042	0.09302075	0.09301111	0.09300148	0.09299187
RSQ	0.9289918	0.92899203	0.92899215	0.92899217	0.92899208	0.92899188	0.92899158	0.92899118	0.92899068	0.92899007	0.92898936

然后使用Microsoft Excel中的数据分析工具进行回归分析。结果如下所示。

	系数	标准误差	t统计量	P值	下限95%	上限95%	下限95.0%	上限95.0%
截距	-183.86167	8.64218688	-21.274901	1.3238E-21	-201.40624	-166.3171	-201.40624	-166.3171
b	0.09305952	0.00434884	21.3986769	1.0959E-21	0.08423089	0.10188814	0.08423089	0.10188814

$t_{0}$在此分析中获得的年份是1975年。

S型曲线

美国天然气管道运输的S型曲线

模型的S型曲线绘制并如上所示。蓝线表示管道网络的实际长度，橙线表示管道运输的预测S型曲线。

从图中可以看出，诞生阶段、增长阶段和成熟阶段都很明显。诞生阶段从1870年代持续到1920年代。从1920年代到1990年代，管道运输经历了快速增长，从1990年代开始进入成熟阶段。因此，目前美国的管道运输处于成熟阶段。还可以观察到，预测长度在诞生阶段和增长阶段明显低于实际曲线。这可能是由于生命周期诞生阶段和增长阶段没有足够的数据。随着成熟阶段数据的增加，曲线更加平滑，并提供了对生命周期的更好预测。

管道运输

管道的技术特性

管道广泛用于运输材料和货物。它是流体动力学、GIS技术、先进的涂层保护和环境工程的集成。

管道的优势

管道适合运输长距离货物。管道运输的优势可以总结如下

1. 运输能力

管道因其显著的运输能力而被广泛使用。数据显示，在加拿大，每天的管道运输量约为250万桶，相当于超过100万辆铁路货车或14000列火车 。

2. 工程量少

管道建设所需土方工程远少于铁路建设。此外，由于大多数管道埋在地下，它们不占用耕地。

3. 低能耗

管道被认为是陆上运输石油和天然气的最有效方式。它们需要的燃料更少，因此减少了污染和温室气体排放。

4. 高安全性 & 环境友好

统计数据表明，超过 99.999% 的石油产品能够安全地运输到目的地。此外，大多数事故不会对公众或环境造成危害，2015 年的数据显示，71% 的事故都完全发生在运营商的设施内。

5. 成本效益

在长距离运输中，管道通常是运输大量能源资源的唯一可行方式。

管道的主要市场

通过管道运输的货物可以分为四类，如下表所示。

管道的主要市场

运输行业	供热资源	炼油厂 & 制造商	农业行业
汽油 柴油 航空燃料 煤油	家庭供暖油 天然气 丙烷	原油（用于炼油厂） 天然气液化原料 丙烯（用于车灯、泡沫保温材料、软管等）	无水氨（用于化肥）

管道主要用于运输石油和天然气。在 2008 年经济危机之前，石油和天然气的市场规模出现了显著增长 [5]。到 2016 年，已建成超过 160 万英里的天然气管道，用于分配、传输和集气。其他管道用途包括运输煤炭、水和化学品（如氨和氢气）。区域供暖可以通过管道实现。

管道之前

管道之前的运输方式

美国天然气工业始于 19 世纪 20 年代。在管道出现之前，长距离运输天然气不可行。当地工人用煤炭或石油生产合成、人造气体作为燃料。后来，火车和卡车成为管道出现之前运输石油和天然气等能源资源的主要方式。这些运输方式存在一些局限性。首先，这些旧的运输方式成本高昂且效率低下，尤其是在长途运输中。卡车和火车的最大载重量有限，因此每次运输所能获得的最大利润也受到限制。由于天然气的密度非常低，将天然气储存在液态状态下运输更方便，这大大增加了运输成本。其次，用于装载能源资源的油罐暴露在卡车和火车的空气中。这是一个潜在的环境威胁，因为如果发生泄漏，货物将直接流入周围环境。

运输市场的发展和新可能性的激励

运输市场从手动向更机械化发展，低效率和高成本是开发新运输方式的动力。技术的进步也促进了新运输方式的发明。因此，管道运输诞生了。

管道运输的发明

管道的发明

管道的发明可以追溯到罗马时代，当时这些工程大师使用运河和卷制铅管将水从河流和湖泊输送到城镇、城市和驻军的网络。现代管道的发展与石油和天然气的使用密切相关。这两种燃料自古以来就为人所知，据记载中国人曾使用天然气蒸发水来生产盐。自 1760 年起，美国街头普遍安装了石油和天然气灯。1816 年，伦勃朗·佩尔在巴尔的摩创办了第一家燃气公司。天然气和石油的广泛使用加剧了运输大量燃料以确保供应的问题。管道的想法被用作卡车和火车运输能源资源的替代方案。

管道中使用的技术专长

在管道发明之前，开发了多学科技术，并且这些技术不断改进以适应不断发展的市场细分。在流体力学领域，达西定律 出版于 1855 年，雷诺数 于 1883 年被引入，这使得人们能够透彻地了解流体在封闭管道中的行为。贝塞麦法于 1856 年被开发用于大规模生产钢铁。自 1897 年以来，焊接技术的进步也促进了管道的增长，因为它允许建造更大更强的管道，并且在 1925 年，制造了大型无缝管道。自 1863 年开始，随着美国计量公司的成立，天然气的标准计量也随之开始，允许对天然气进行准确的测量和调节。1869 年，管道的水压测试被采用，作为质量保证测试。

管道的设计没有改变其圆形，但材料随着冶金、金属制造和对其他材料的专业知识的技术发展而不断发展。罗马管道是用铅制成的，后来在中世纪使用陶瓷管道。在 19 世纪，管道是用木材制成的，后来随着焊接技术的进步，开始使用金属管道。美国第一个铸铁管道是在 1834 年在新泽西州米尔维尔制造的。

连接管道的技术也在不断发展。1863 年，管道通过螺纹接头连接。1897 年，制造了第一根直径为 30 英寸的搭接焊管道。仅两年后，就制造了第一根大型无缝管道。

早期市场发展

早期天然气市场和管道行业的诞生

1859 年，埃德温·德雷克上校在宾夕法尼亚州的泰特斯维尔钻出了第一口商业石油井后，管道首次在美国被用于石油运输。到 19 世纪 80 年代，石油的商业潜力才开始显现。在二十年内，石油产量增长到足以满足全世界 80% 以上的石油消费量，这些石油都来自宾夕法尼亚州的油田。最早的管道很短且简陋，只用于将石油从钻井孔运送到附近的油罐或炼油厂。随着对有用石油产品的需求迅速增长，更多油井被开采，并且对从工厂到市场运输产品的需求也随之增加。这最终导致了更好的和更长的管道网络的发展。   

功能增强

高效的管道系统促进了石油和天然气勘探的进一步发展，进而促进了当地经济。

功能发现

管道系统的维护和防漏要求促进了化学工程和材料工程的发展，开发出更耐用、更环保的材料。

管道运输不同阶段的政策

孕育阶段

孕育阶段被认为是从1870年代到1920年代的50年跨度，如S曲线所示。

在孕育阶段，管道建设进展缓慢。从1872年开始，在接下来的50年里，没有建造超过长途运输线的管道，这些管道将供应商与城市市场连接起来。受电灯问世的影响，当地配电公司对天然气器具进行创新，以利用这种燃料的热能。供应商和市场之间采用标准化管道直径的想法应运而生。这种政策借鉴了铁路运输中要求标准化轨距以便更方便地通行的做法，并在后来逐渐在运营商之间锁定。此外，还规定管道运营商必须在运营前提交申请并获得批准，这也成为一项锁定政策。

增长阶段

从S曲线可以看出，增长阶段是从1920年到1990年，在此期间，联邦政府在管道运输的增长阶段发挥了重要作用。私营公司拥有管道，并根据省级和联邦监管机构制定的规则和条例建设和运营管道。

下面介绍两个重要的联邦法规。

1938年天然气法

孕育阶段的天然气管道政策与天然气监管有关。1938年，随着天然气重要性的日益提高，人们开始担心天然气行业的高度集中和州际管道由于市场力量而倾向于收取高于竞争价格的垄断倾向，美国政府开始通过天然气法案来监管州际天然气行业。该法案实施后，州际运输市场迅速稳定地扩张，实现了天然气法案的目标和范围。

FERC第436号令

在1980年代，天然气行业开始走向放松管制。1985年，FERC发布了第436号令，该命令禁止管道在保护自身商品服务的情况下歧视运输请求。因此，为了向所有客户提供与工业燃料转换客户自1980年代初以来享有的相同管道运输权。

政策环境

在管道运输的增长阶段，美国联邦政府的监管往往更加严格，补贴较少。

成熟阶段

从S曲线可以看出，管道运输的成熟阶段是从1990年开始，在此期间发布了一项重要命令。

FERC第636号令

该命令的中心目标是强调州际管道监管所起的重要作用。该命令试图实现两个目标。第一个目标是“确保所有托运人都能有效地利用管道运输网络，以便愿意的买家和卖家能够在具有竞争力的全国市场上进行交易，达成最有效的交易”，第二个目标是“以继续确保消费者能够以合理的价格获得充足的天然气供应的方式来实现第一个目标”。此外，第636号令要求所有州际管道保持公开可访问的系统，并及时向客户提供运营信息。该命令为消费者提供天然气流量、系统图等实时数据，使他们能够更好地了解天然气消耗情况。