運輸部署案例集/2018/美國天然氣管道

定性分析

資料

本分析的資料來自美國交通部交通統計局在表格中的天然氣管道概況。早期資料線上獲取。原始資料轉換為公里（km），並在下表1中列出。

表1. 分析使用的原始資料

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

使用三引數邏輯函式進行定量分析。

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

其中S(t)是狀態度量，(例如乘客公里數，t是時間(通常以年為單位)，$t_{0}$是拐點時間(達到1/2 K的年份，使用截距/(-b)計算)，K是飽和狀態水平，b是係數。

當R平方值最接近1時，發現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

然後使用Microsoft Excel中的資料分析工具進行迴歸分析。結果如下所示。

	係數	標準誤差	t統計量	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

$t_{0}$在此分析中獲得的年份是1975年。

S型曲線

美國天然氣管道運輸的S型曲線

模型的S型曲線繪製並如上所示。藍線表示管道網路的實際長度，橙線表示管道運輸的預測S型曲線。

從圖中可以看出，誕生階段、增長階段和成熟階段都很明顯。誕生階段從1870年代持續到1920年代。從1920年代到1990年代，管道運輸經歷了快速增長，從1990年代開始進入成熟階段。因此，目前美國的管道運輸處於成熟階段。還可以觀察到，預測長度在誕生階段和增長階段明顯低於實際曲線。這可能是由於生命週期誕生階段和增長階段沒有足夠的資料。隨著成熟階段資料的增加，曲線更加平滑，並提供了對生命週期的更好預測。

管道運輸

管道的技術特性

管道廣泛用於運輸材料和貨物。它是流體動力學、GIS技術、先進的塗層保護和環境工程的整合。

管道的優勢

管道適合運輸長距離貨物。管道運輸的優勢可以總結如下

1. 運輸能力

管道因其顯著的運輸能力而被廣泛使用。資料顯示，在加拿大，每天的管道運輸量約為250萬桶，相當於超過100萬輛鐵路貨車或14000列火車 。

2. 工程量少

管道建設所需土方工程遠少於鐵路建設。此外，由於大多數管道埋在地下，它們不佔用耕地。

3. 低能耗

管道被認為是陸上運輸石油和天然氣的最有效方式。它們需要的燃料更少，因此減少了汙染和溫室氣體排放。

4. 高安全性 & 環境友好

統計資料表明，超過 99.999% 的石油產品能夠安全地運輸到目的地。此外，大多數事故不會對公眾或環境造成危害，2015 年的資料顯示，71% 的事故都完全發生在運營商的設施內。

5. 成本效益

在長距離運輸中，管道通常是運輸大量能源資源的唯一可行方式。

管道的主要市場

透過管道運輸的貨物可以分為四類，如下表所示。

管道的主要市場

運輸行業	供熱資源	煉油廠 & 製造商	農業行業
汽油 柴油 航空燃料 煤油	家庭供暖油 天然氣 丙烷	原油（用於煉油廠） 天然氣液化原料 丙烯（用於車燈、泡沫保溫材料、軟管等）	無水氨（用於化肥）

管道主要用於運輸石油和天然氣。在 2008 年經濟危機之前，石油和天然氣的市場規模出現了顯著增長 [5]。到 2016 年，已建成超過 160 萬英里的天然氣管道，用於分配、傳輸和集氣。其他管道用途包括運輸煤炭、水和化學品（如氨和氫氣）。區域供暖可以透過管道實現。

管道之前

管道之前的運輸方式

美國天然氣工業始於 19 世紀 20 年代。在管道出現之前，長距離運輸天然氣不可行。當地工人用煤炭或石油生產合成、人造氣體作為燃料。後來，火車和卡車成為管道出現之前運輸石油和天然氣等能源資源的主要方式。這些運輸方式存在一些侷限性。首先，這些舊的運輸方式成本高昂且效率低下，尤其是在長途運輸中。卡車和火車的最大載重量有限，因此每次運輸所能獲得的最大利潤也受到限制。由於天然氣的密度非常低，將天然氣儲存在液態狀態下運輸更方便，這大大增加了運輸成本。其次，用於裝載能源資源的油罐暴露在卡車和火車的空氣中。這是一個潛在的環境威脅，因為如果發生洩漏，貨物將直接流入周圍環境。

運輸市場的發展和新可能性的激勵

運輸市場從手動向更機械化發展，低效率和高成本是開發新運輸方式的動力。技術的進步也促進了新運輸方式的發明。因此，管道運輸誕生了。

管道運輸的發明

管道的發明

管道的發明可以追溯到羅馬時代，當時這些工程大師使用運河和卷制鉛管將水從河流和湖泊輸送到城鎮、城市和駐軍的網路。現代管道的發展與石油和天然氣的使用密切相關。這兩種燃料自古以來就為人所知，據記載中國人曾使用天然氣蒸發水來生產鹽。自 1760 年起，美國街頭普遍安裝了石油和天然氣燈。1816 年，倫勃朗·佩爾在巴爾的摩創辦了第一家燃氣公司。天然氣和石油的廣泛使用加劇了運輸大量燃料以確保供應的問題。管道的想法被用作卡車和火車運輸能源資源的替代方案。

管道中使用的技術專長

在管道發明之前，開發了多學科技術，並且這些技術不斷改進以適應不斷發展的市場細分。在流體力學領域，達西定律 出版於 1855 年，雷諾數 於 1883 年被引入，這使得人們能夠透徹地瞭解流體在封閉管道中的行為。貝塞麥法於 1856 年被開發用於大規模生產鋼鐵。自 1897 年以來，焊接技術的進步也促進了管道的增長，因為它允許建造更大更強的管道，並且在 1925 年，製造了大型無縫管道。自 1863 年開始，隨著美國計量公司的成立，天然氣的標準計量也隨之開始，允許對天然氣進行準確的測量和調節。1869 年，管道的水壓測試被採用，作為質量保證測試。

管道的設計沒有改變其圓形，但材料隨著冶金、金屬製造和對其他材料的專業知識的技術發展而不斷發展。羅馬管道是用鉛製成的，後來在中世紀使用陶瓷管道。在 19 世紀，管道是用木材製成的，後來隨著焊接技術的進步，開始使用金屬管道。美國第一個鑄鐵管道是在 1834 年在新澤西州米爾維爾製造的。

連線管道的技術也在不斷發展。1863 年，管道透過螺紋接頭連線。1897 年，製造了第一根直徑為 30 英寸的搭接焊管道。僅兩年後，就製造了第一根大型無縫管道。

早期市場發展

早期天然氣市場和管道行業的誕生

1859 年，埃德溫·德雷克上校在賓夕法尼亞州的泰特斯維爾鑽出了第一口商業石油井後，管道首次在美國被用於石油運輸。到 19 世紀 80 年代，石油的商業潛力才開始顯現。在二十年內，石油產量增長到足以滿足全世界 80% 以上的石油消費量，這些石油都來自賓夕法尼亞州的油田。最早的管道很短且簡陋，只用於將石油從鑽井孔運送到附近的油罐或煉油廠。隨著對有用石油產品的需求迅速增長，更多油井被開採，並且對從工廠到市場運輸產品的需求也隨之增加。這最終導致了更好的和更長的管道網路的發展。   

功能增強

高效的管道系統促進了石油和天然氣勘探的進一步發展，進而促進了當地經濟。

功能發現

管道系統的維護和防漏要求促進了化學工程和材料工程的發展，開發出更耐用、更環保的材料。

管道運輸不同階段的政策

孕育階段

孕育階段被認為是從1870年代到1920年代的50年跨度，如S曲線所示。

在孕育階段，管道建設進展緩慢。從1872年開始，在接下來的50年裡，沒有建造超過長途運輸線的管道，這些管道將供應商與城市市場連線起來。受電燈問世的影響，當地配電公司對天然氣器具進行創新，以利用這種燃料的熱能。供應商和市場之間採用標準化管道直徑的想法應運而生。這種政策借鑑了鐵路運輸中要求標準化軌距以便更方便地通行的做法，並在後來逐漸在運營商之間鎖定。此外，還規定管道運營商必須在運營前提交申請並獲得批准，這也成為一項鎖定政策。

增長階段

從S曲線可以看出，增長階段是從1920年到1990年，在此期間，聯邦政府在管道運輸的增長階段發揮了重要作用。私營公司擁有管道，並根據省級和聯邦監管機構制定的規則和條例建設和運營管道。

下面介紹兩個重要的聯邦法規。

1938年天然氣法

孕育階段的天然氣管道政策與天然氣監管有關。1938年，隨著天然氣重要性的日益提高，人們開始擔心天然氣行業的高度集中和州際管道由於市場力量而傾向於收取高於競爭價格的壟斷傾向，美國政府開始透過天然氣法案來監管州際天然氣行業。該法案實施後，州際運輸市場迅速穩定地擴張，實現了天然氣法案的目標和範圍。

FERC第436號令

在1980年代，天然氣行業開始走向放松管制。1985年，FERC釋出了第436號令，該命令禁止管道在保護自身商品服務的情況下歧視運輸請求。因此，為了向所有客戶提供與工業燃料轉換客戶自1980年代初以來享有的相同管道運輸權。

政策環境

在管道運輸的增長階段，美國聯邦政府的監管往往更加嚴格，補貼較少。

成熟階段

從S曲線可以看出，管道運輸的成熟階段是從1990年開始，在此期間釋出了一項重要命令。

FERC第636號令

該命令的中心目標是強調州際管道監管所起的重要作用。該命令試圖實現兩個目標。第一個目標是“確保所有託運人都能有效地利用管道運輸網路，以便願意的買家和賣家能夠在具有競爭力的全國市場上進行交易，達成最有效的交易”，第二個目標是“以繼續確保消費者能夠以合理的價格獲得充足的天然氣供應的方式來實現第一個目標”。此外，第636號令要求所有州際管道保持公開可訪問的系統，並及時向客戶提供運營資訊。該命令為消費者提供天然氣流量、系統圖等即時資料，使他們能夠更好地瞭解天然氣消耗情況。