Energy-Saving Operation Modes of Natural Gas Cooling Units
Keywords:
gas transportation, air cooling devices, fan electric drive, control algorithm optimization
Abstract
The article addresses improvement of the energy efficiency of gas-air units for cooling main compressor stations by replacing discrete fan speed control with continuous control. The problems of electromagnetic compatibility of compressor station electrical equipment components when using a large number of frequency-controlled fan drives are noted. The possibility of using a combined fan speed control in which only a part of the cooling system’s air-cooling devices is controlled is considered. The combined control optimization problem and criterion are formulated taking into account the constraints on control actions and the technological process requirements. Using the method of indeterminate Lagrange multipliers, the problem of optimizing the control modes has been solved. Versions of the algorithm for optimal control of the discretely- and frequency-controlled drives of air-cooling devices are considered taking into account the nonlinear distribution of gas temperature along the heat exchanger length, and their efficiencies are analyzed. A procedure for estimating the energy savings when using the frequency and combined control of fan rotation speed is proposed.
References
1. Шайхутдинов А.З., Лифанов В.А., Маланичев В.А. Современные АВО газа – ресурс энергосбережения в газовой отрасли. – Газовая промышленность, 2010, № 9, c. 40–41.
2. Калинин А.Ф. Регулирование и оптимизация режимов работы системы охлаждения на КС. – Газовая промышленность, 2005, № 1, c. 47–50.
3. Устинов Е.В. Уменьшение энергопотребления аппаратов воздушного охлаждения газа. – Газовая промышленность, 2011, № 8, с. 54–57.
4. Белоусенко И.В. и др. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике газовой промышленности. М.: Недра-Бизнесцентр, 2002, 300 с.
5. Данилушкин А.И., Крайнов В.Г., Мигачева Л.А. Оптимизация стационарного распределения нагрузки аппаратов воздушного охлаждения газа. – Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки, 2011, № 3 (31), с. 159–164.
6. Артюхов И.И. и др. Ресурсосберегающая технология охлаждения газа на компрессорных станциях. – Вестник Саратовского государственного технического университета, 2011, т. 1, № 3 (54), c. 25–32.
7. Кумар Б.К., Выгонюк П.И. Система автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения сырого природного газа. – Вестник Казахского национального технического университета им. К.И. Сатнаева, 2011, № 1 (83), c. 67–71.
8. Абакумов А.М. и др. Энергетическая эффективность установок охлаждения природного газа с частотно-регулируемым приводом вентиляторов. – Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки, 2019, № 3, c. 95–104.
9. Artyukhov I. et al. Energy Efficiency Analysis of Control Algorithms for Fan Electric Drives in Gas Air-Cooling Plants. – Proceedings of ICEPP 2021. Lecture Notes in Civil Engineering, 2021, pp 46–55, DOI: 10.1007/978-3-030-86047-9_5.
10. Аршакян И.И., Тримбач А.А. Повышение эффективности работы установок охлаждения газа. – Газовая промышленность, 2006, № 12, с. 52–55.
11. Артюхов И.И., Бочкарева И.И., Тримбач A.A. Качество электроэнергии в системе электроснабжения газотурбинной компрессорной станции в условиях оснащения установок охлаждения газа частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов. – Вестник Саратовского государственного технического университета, 2011, т. 4, № 2 (60), c. 165–170.
12. Бочкарева И.И. Обеспечение электромагнитной совместимости частотно-регулируемых установок охлаждения газа с источниками электроснабжения: автореф. дис. … канд. техн. наук. Саратов: 2012, 19 с.
13. Абакумов А.М., Кузнецов П.К. Комбинированное управление электроприводами вентиляторов установок охлаждения газа. – Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки, 2021, № 3, c. 67–82.
14. Крайнов В.Г. Оптимизация режимов работы электроприводов установок охлаждения газа при транспортировке: автореф. дис. … канд. техн. наук. Самара: 2014, 24 с.
15. Абакумов А.М., Зубков Ю.В., Абакумов О.А. Оптимизация стационарных режимов работы установок охлаждения газа с частотно-регулируемым приводом вентиляторов. – Известия вузов. Электромеханика, 2024, т. 67, № 1, c. 36–45.
16. Алимов С.В., Данилушкин И.А., Мосин В.Н. Моделирование установившихся процессов теплообмена в аппаратах воздушного охлаждения газа. – Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки, 2010, № 2 (26), c. 178–186.
17. СТО 2-3.5-510-2010. Установки и аппараты воздушного охлаждения газа. Технические требования. Стандарт организации ОАО «Газпром», 2011, 35 с.
18. Тримбач А.А. Совершенствование электротехнических комплексов установок охлаждения компримированного газа: дис. … канд. техн. наук. Саратов: 2007, 179 с.
19. Фираго Б.И., Павлячик Л. КПД асинхронного электродвигателя при частотном управлении с различными видами нагрузок. – Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ, 2001, № 3, с. 52–59.
20. Соколова Е.М., Мощинский Ю.А. Оценка эффективности классических законов управления частотно-регулируемых асинхронных двигателей. – Электричество, 2019, № 12, с. 14–20.
#
1. Shayhutdinov A.Z., Lifanov V.A., Malanichev V.A. Gazovaya promyshlennost’ – in Russ. (Gas Industry), 2010, No. 9, pp. 40–41.
2. Kalinin A.F. Gazovaya promyshlennost’ – in Russ. (Gas Indust-ry), 2005, No. 1, pp. 47–50.
3. Ustinov E.V. Gazovaya promyshlennost’ – in Russ. (Gas Indust-ry), 2011, No. 8, pp. 54–57.
4. Belousenko I.V. et al. Novye tehnologii i sovremennoe oborudovanie v elektroenergetike gazovoy promyshlennosti (New Technologies and Modern Equipment in Electrical Power Plants of Gas Industry). M.: Nedra-Biznestsentr, 2002, 300 p.
5. Danilushkin A.I., Kraynov V.G., Migacheva L.A. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Seriya: Tehnicheskie nauki – in Russ. (Bulletin of Samara State Technical University. Series: Technical Sciences), 2011, No. 3 (31), pp. 159–164.
6. Artyuhov I.I. et al. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta – in Russ. (Bulletin of Saratov State Technical University), 2011, vol. 1, No. 3 (54), pp. 25–32.
7. Kumar B.K., Vygonyuk P.I. Vestnik Kazahskogo natsional’nogo tehnicheskogo universiteta im. K.I. Satnaeva – in Russ. (Bulletin of Kazakh Scientific Technical University), 2011, No. 1 (83), pp. 67–71.
8. Abakumov A.M. et al. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Seriya: Tehnicheskie nauki – in Russ. (Bulletin of Samara State Technical University. Series: Technical Sciences), 2019, No. 3, pp. 95–104.
9. Artyukhov I. et al. Energy Efficiency Analysis of Control Algorithms for Fan Electric Drives in Gas Air-Cooling Plants. – Proceedings of ICEPP 2021. Lecture Notes in Civil Engineering, 2021, pp 46–55, DOI: 10.1007/978-3-030-86047-9_5.
10. Arshakyan I.I., Trimbach A.A. Gazovaya promyshlennost’ – in Russ. (Gas Industry), 2006, No. 12, pp. 52–55.
11. Artyuhov I.I., Bochkareva I.I., Trimbach A.A. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta – in Russ. (Bulletin of Saratov State Technical University), 2011, vol. 4, No. 2 (60), pp. 165–170.
12. Bochkareva I.I. Obespechenie elektromagnitnoy sovmestimos-ti chastotno-reguliruemyh ustanovok ohlazhdeniya gaza s istochnikami elektrosnabzheniya: avtoref. dis. … kand. tehn. nauk (Ensuring Electromagnetic Compatibility of Frequency-Controlled Gas Cooling Units with Power Supply Sources: Dis. Abstract. … Cand. Sci. (Eng.)). Saratov: 2012, 19 p.
13. Abakumov A.M., Kuznetsov P.K. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Seriya: Tehnicheskie nauki – in Russ. (Bulletin of Samara State Technical University. Series: Technical Sciences), 2021, No. 3, pp. 67–82.
14. Kraynov V. G. Optimizatsiya rezhimov raboty elektroprivodov ustanovok ohlazhdeniya gaza pri transportirovke: avtoref. dis. … kand. tehn. nauk (Optimization of the Operating Modes of Electric Drives of Gas Cooling Units During Transportation: Dis. Abstract … Cand. Sci. (Eng.)). Samara: 2014, 24 p.
15. Abakumov A.M., Zubkov Yu.V., Abakumov O.A. Izves-tiya vuzov. Elektromehanika – in Russ. (Bulletin of Universities. Electro-mechanics), 2024, vol. 67, No. 1, p. 36–45.
16. Alimov S.V., Danilushkin I.A., Mosin V.N. Vestnik Sa-marskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Seriya: Tehnicheskie nauki – in Russ. (Bulletin of Samara State Technical University. Series: Technical Sciences), 2010, No. 2 (26), pp. 178–186.
17. STO 2-3.5-510-2010. Ustanovki i apparaty vozdushnogo ohlazhdeniya gaza. Tehnicheskie trebovaniya. Standart organizatsii OAO «Gazprom» (Installations and Devices for Air Cooling of Gas. Technical Requirements. The Standard of the Organization of OJSC "Gazprom"), 2011, 35 p.
18. Trimbach A.A. Sovershenstvovanie elektrotehnicheskih kompleksov ustanovok ohlazhdeniya komprimirovannogo gaza: dis. … kand. tehn. nauk (Improvement of Electrical Complexes of Compressed Gas Cooling Units: Dis. … Cand. Sci. (Eng.)). Saratov: 2007, 179 p.
19. Firago B.I., Pavlyachik L. Energetika. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy i energeticheskih ob’‘edineniy SNG – in Russ. (Power Industry. News of Higher Educational Institutions and Energy Associations of the CIS), 2001, No. 3, pp. 52–59.
20. Sokolova E.M., Moshchinskiy Yu.A. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 12, pp. 14–20
2. Калинин А.Ф. Регулирование и оптимизация режимов работы системы охлаждения на КС. – Газовая промышленность, 2005, № 1, c. 47–50.
3. Устинов Е.В. Уменьшение энергопотребления аппаратов воздушного охлаждения газа. – Газовая промышленность, 2011, № 8, с. 54–57.
4. Белоусенко И.В. и др. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике газовой промышленности. М.: Недра-Бизнесцентр, 2002, 300 с.
5. Данилушкин А.И., Крайнов В.Г., Мигачева Л.А. Оптимизация стационарного распределения нагрузки аппаратов воздушного охлаждения газа. – Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки, 2011, № 3 (31), с. 159–164.
6. Артюхов И.И. и др. Ресурсосберегающая технология охлаждения газа на компрессорных станциях. – Вестник Саратовского государственного технического университета, 2011, т. 1, № 3 (54), c. 25–32.
7. Кумар Б.К., Выгонюк П.И. Система автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения сырого природного газа. – Вестник Казахского национального технического университета им. К.И. Сатнаева, 2011, № 1 (83), c. 67–71.
8. Абакумов А.М. и др. Энергетическая эффективность установок охлаждения природного газа с частотно-регулируемым приводом вентиляторов. – Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки, 2019, № 3, c. 95–104.
9. Artyukhov I. et al. Energy Efficiency Analysis of Control Algorithms for Fan Electric Drives in Gas Air-Cooling Plants. – Proceedings of ICEPP 2021. Lecture Notes in Civil Engineering, 2021, pp 46–55, DOI: 10.1007/978-3-030-86047-9_5.
10. Аршакян И.И., Тримбач А.А. Повышение эффективности работы установок охлаждения газа. – Газовая промышленность, 2006, № 12, с. 52–55.
11. Артюхов И.И., Бочкарева И.И., Тримбач A.A. Качество электроэнергии в системе электроснабжения газотурбинной компрессорной станции в условиях оснащения установок охлаждения газа частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов. – Вестник Саратовского государственного технического университета, 2011, т. 4, № 2 (60), c. 165–170.
12. Бочкарева И.И. Обеспечение электромагнитной совместимости частотно-регулируемых установок охлаждения газа с источниками электроснабжения: автореф. дис. … канд. техн. наук. Саратов: 2012, 19 с.
13. Абакумов А.М., Кузнецов П.К. Комбинированное управление электроприводами вентиляторов установок охлаждения газа. – Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки, 2021, № 3, c. 67–82.
14. Крайнов В.Г. Оптимизация режимов работы электроприводов установок охлаждения газа при транспортировке: автореф. дис. … канд. техн. наук. Самара: 2014, 24 с.
15. Абакумов А.М., Зубков Ю.В., Абакумов О.А. Оптимизация стационарных режимов работы установок охлаждения газа с частотно-регулируемым приводом вентиляторов. – Известия вузов. Электромеханика, 2024, т. 67, № 1, c. 36–45.
16. Алимов С.В., Данилушкин И.А., Мосин В.Н. Моделирование установившихся процессов теплообмена в аппаратах воздушного охлаждения газа. – Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки, 2010, № 2 (26), c. 178–186.
17. СТО 2-3.5-510-2010. Установки и аппараты воздушного охлаждения газа. Технические требования. Стандарт организации ОАО «Газпром», 2011, 35 с.
18. Тримбач А.А. Совершенствование электротехнических комплексов установок охлаждения компримированного газа: дис. … канд. техн. наук. Саратов: 2007, 179 с.
19. Фираго Б.И., Павлячик Л. КПД асинхронного электродвигателя при частотном управлении с различными видами нагрузок. – Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ, 2001, № 3, с. 52–59.
20. Соколова Е.М., Мощинский Ю.А. Оценка эффективности классических законов управления частотно-регулируемых асинхронных двигателей. – Электричество, 2019, № 12, с. 14–20.
#
1. Shayhutdinov A.Z., Lifanov V.A., Malanichev V.A. Gazovaya promyshlennost’ – in Russ. (Gas Industry), 2010, No. 9, pp. 40–41.
2. Kalinin A.F. Gazovaya promyshlennost’ – in Russ. (Gas Indust-ry), 2005, No. 1, pp. 47–50.
3. Ustinov E.V. Gazovaya promyshlennost’ – in Russ. (Gas Indust-ry), 2011, No. 8, pp. 54–57.
4. Belousenko I.V. et al. Novye tehnologii i sovremennoe oborudovanie v elektroenergetike gazovoy promyshlennosti (New Technologies and Modern Equipment in Electrical Power Plants of Gas Industry). M.: Nedra-Biznestsentr, 2002, 300 p.
5. Danilushkin A.I., Kraynov V.G., Migacheva L.A. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Seriya: Tehnicheskie nauki – in Russ. (Bulletin of Samara State Technical University. Series: Technical Sciences), 2011, No. 3 (31), pp. 159–164.
6. Artyuhov I.I. et al. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta – in Russ. (Bulletin of Saratov State Technical University), 2011, vol. 1, No. 3 (54), pp. 25–32.
7. Kumar B.K., Vygonyuk P.I. Vestnik Kazahskogo natsional’nogo tehnicheskogo universiteta im. K.I. Satnaeva – in Russ. (Bulletin of Kazakh Scientific Technical University), 2011, No. 1 (83), pp. 67–71.
8. Abakumov A.M. et al. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Seriya: Tehnicheskie nauki – in Russ. (Bulletin of Samara State Technical University. Series: Technical Sciences), 2019, No. 3, pp. 95–104.
9. Artyukhov I. et al. Energy Efficiency Analysis of Control Algorithms for Fan Electric Drives in Gas Air-Cooling Plants. – Proceedings of ICEPP 2021. Lecture Notes in Civil Engineering, 2021, pp 46–55, DOI: 10.1007/978-3-030-86047-9_5.
10. Arshakyan I.I., Trimbach A.A. Gazovaya promyshlennost’ – in Russ. (Gas Industry), 2006, No. 12, pp. 52–55.
11. Artyuhov I.I., Bochkareva I.I., Trimbach A.A. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta – in Russ. (Bulletin of Saratov State Technical University), 2011, vol. 4, No. 2 (60), pp. 165–170.
12. Bochkareva I.I. Obespechenie elektromagnitnoy sovmestimos-ti chastotno-reguliruemyh ustanovok ohlazhdeniya gaza s istochnikami elektrosnabzheniya: avtoref. dis. … kand. tehn. nauk (Ensuring Electromagnetic Compatibility of Frequency-Controlled Gas Cooling Units with Power Supply Sources: Dis. Abstract. … Cand. Sci. (Eng.)). Saratov: 2012, 19 p.
13. Abakumov A.M., Kuznetsov P.K. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Seriya: Tehnicheskie nauki – in Russ. (Bulletin of Samara State Technical University. Series: Technical Sciences), 2021, No. 3, pp. 67–82.
14. Kraynov V. G. Optimizatsiya rezhimov raboty elektroprivodov ustanovok ohlazhdeniya gaza pri transportirovke: avtoref. dis. … kand. tehn. nauk (Optimization of the Operating Modes of Electric Drives of Gas Cooling Units During Transportation: Dis. Abstract … Cand. Sci. (Eng.)). Samara: 2014, 24 p.
15. Abakumov A.M., Zubkov Yu.V., Abakumov O.A. Izves-tiya vuzov. Elektromehanika – in Russ. (Bulletin of Universities. Electro-mechanics), 2024, vol. 67, No. 1, p. 36–45.
16. Alimov S.V., Danilushkin I.A., Mosin V.N. Vestnik Sa-marskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Seriya: Tehnicheskie nauki – in Russ. (Bulletin of Samara State Technical University. Series: Technical Sciences), 2010, No. 2 (26), pp. 178–186.
17. STO 2-3.5-510-2010. Ustanovki i apparaty vozdushnogo ohlazhdeniya gaza. Tehnicheskie trebovaniya. Standart organizatsii OAO «Gazprom» (Installations and Devices for Air Cooling of Gas. Technical Requirements. The Standard of the Organization of OJSC "Gazprom"), 2011, 35 p.
18. Trimbach A.A. Sovershenstvovanie elektrotehnicheskih kompleksov ustanovok ohlazhdeniya komprimirovannogo gaza: dis. … kand. tehn. nauk (Improvement of Electrical Complexes of Compressed Gas Cooling Units: Dis. … Cand. Sci. (Eng.)). Saratov: 2007, 179 p.
19. Firago B.I., Pavlyachik L. Energetika. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy i energeticheskih ob’‘edineniy SNG – in Russ. (Power Industry. News of Higher Educational Institutions and Energy Associations of the CIS), 2001, No. 3, pp. 52–59.
20. Sokolova E.M., Moshchinskiy Yu.A. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 12, pp. 14–20
Published
2024-11-28
Issue
Section
Article
