Vestnik of Samara State Technical University. Technical Sciences SeriesVestnik of Samara State Technical University. Technical Sciences SeriesВестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки»1991-85422712-8938Samara State Technical University68683510.14498/tech.2025.2.7JOREBHEnergy and Electrical EngineeringЭнергетика и электротехникаResearch ArticleAlgorithms optimization for combined natural gas cooling units control of electric drives taking into account the discreteness of control effectОптимизация алгоритмов комбинированного управления электроприводами установок охлаждения природного газа с учетом дискретности управляющего воздействияZubkovYury V.ЗубковЮрий Валентинович
Russian Federation

Dr. Sci. (Techn.), professor, Head Dept. of Industrial Power Supply

доктор технических наук, заведующий кафедрой электроснабжения промышленных предприятий

zub577@mail.ruAbakumovAlexander M.АбакумовАлександр Михайлович
Russian Federation

Dr. Sci. (Techn.), professor, professor Dept. of Electromechanics and Automotive Electrical Equipment

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электромеханики и автомобильного электрооборудования

abakumov-am@yandex.ruAbakumovOleg A.АбакумовОлег Александрович
Russian Federation

Postgraduate Student Dept. of Industrial Power Supply

аспирант кафедры электроснабжения промышленных предприятий

abakumovoleg1@gmail.comSamara State Technical UniversityСамарский государственный технический университет150820253321091240707202528072025Copyright ©; 2025, Zubkov Y.V., Abakumov A.M., Abakumov O.A.Copyright ©; 2025, Зубков Ю.В., Абакумов А.М., Абакумов О.А.2025Zubkov Y.V., Abakumov A.M., Abakumov O.A.Зубков Ю.В., Абакумов А.М., Абакумов О.А.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/1991-8542/article/view/686835

The problems of main gas pipelines compressor stations electromagnetic compatibility electrical complex of elements, arising when using a frequency-controlled drive of air-cooling devices fans for natural gas, are noted. The feasibility of using combined control systems is substantiated, in which air cooling devices included in the gas cooling unit are divided into two groups: with frequency and discrete regulation of fan speed. The control algorithms optimization issue for electric drives of a combined system by the criterion of power on the fan shaft is discussed. An algorithm for fan speed optimal interconnected control and the number of switched-on fan motors of the air-cooling devices corresponding groups is developed, taking into account the discreteness of the control action. An assessment is given of the power savings on the fan shaft when replacing discrete control with a combined one using the developed control algorithm. It is proposed to use an automatic control system closed by the gas temperature at the outlet of the cooling unit for implementing the optimal algorithm. A comparative the cooling process analysis the energy indicators and the accuracy of temperature maintenance was carried out using the developed optimal control algorithm and an algorithm that does not take into account the discreteness of the control action. It was shown that the use of the latter with a relatively small number of air cooling devices can lead to an unacceptable error in stabilizing the temperature at the outlet of the cooling unit. The control algorithms possibility of using simplified versions is considered. The advantages of using a combined control system, providing a significant energy-saving effect, are shown using the example of a cooling unit containing four two-fan air-cooling devices and operating under conditions of a significantly uneven load.

Отмечены проблемы электромагнитной совместимости элементов электротехнического комплекса компрессорных стаций магистральных газопроводов, возникающие при использовании частотно-регулируемого привода вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения природного газа. Обоснована целесообразность использования систем комбинированного управления, в которых аппараты воздушного охлаждения, входящие в состав установки охлаждения газа, разделены на две группы: с частотным и дискретным регулированием скорости вентиляторов. Обсуждается вопрос оптимизации алгоритмов управления электроприводами комбинированной системы по критерию мощности на валу вентиляторов. Разработан алгоритм оптимального взаимосвязанного управления скоростью вентиляторов и количеством включенных двигателей вентиляторов соответствующих групп аппаратов воздушного охлаждения, учитывающий дискретность управляющего воздействия. Дана оценка экономии мощности на валу вентиляторов при замене дискретного управления на комбинированное с использованием разработанного алгоритма управления. Предложено для реализации оптимального алгоритма использовать систему автоматического управления, замкнутую по температуре газа на выходе установки охлаждения. Проведен сравнительный анализ энергетических показателей процесса охлаждения и точности поддержания температуры при использовании разработанного алгоритма оптимального управления и алгоритма, не учитывающего дискретности управляющего воздействия. Показано, что использование последнего при относительно небольшом количестве аппаратов воздушного охлаждения может приводить к недопустимой погрешности стабилизации температуры на выходе установки охлаждения. Рассмотрена возможность использования упрощенных вариантов алгоритмов управления. На примере установки охлаждения, содержащей четыре двухвентиляторных аппарата воздушного охлаждения и работающей в условиях существенно неравномерной нагрузки, показаны преимущества использования комбинированной системы управления, обеспечивающей существенный энергосберегающий эффект.

natural gas cooling unitselectric drives for air cooling unitscombined systemscontrol algorithmsустановки охлаждения природного газаэлектропривод аппаратов воздушного охлаждениякомбинированные системыалгоритмы управленияBelousenko I.V., Shvarc G.R., Shpilevoj V.A. Energetika i elektrifikaciya gazovyh promyslov i mestorozhdenij [Power engineering and electrification of gas fields and deposits]. Tyumen, 2000. 274 p. (In Russian)Белоусенко И.В., Шварц Г.Р., Шпилевой В.А. Энергетика и электрификация газовых промыслов и месторождений. Тюмень, 2000. 274 с.Shajhutdinov A.Z., Lifanov V.A., Malanichev V.A. Sovremennye AVO gaza – resurs energosberezheniya v gazovoj otrasli [Modern gas air coolers are a resource for energy saving in the gas industry] // Gazovaya promyshlennost'. 2010. № 9. P. 40–41. (In Russian)Шайхутдинов А.З., Лифанов В.А., Маланичев В.А. Современные АВО газа – ресурс энергосбережения в газовой отрасли // Газовая промышленность. 2010. № 9. С. 40–41.Ustinov E.V. Umenshenie energopotrebleniya apparatov vozdushnogo ohlazhdeniya gaza [Reducing energy consumption of air-cooled gas units] // Gazovaya promyshlennost. 2011. № 8. P. 54–57. (In Russian)Устинов Е.В. Уменьшение энергопотребления аппаратов воздушного охлаждения газа // Газовая промышленность. 2011. № 8. С. 54–57.Menshov B.G., Ershov M.S., Yarizov A.D. Elektrotekhnicheskie ustanovki i kompleksy v neftegazovoj promyshlennosti [Electrical installations and complexes in the oil and gas industry]. M.: Nedra, 2000. 487 p. (In Russian)Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Яризов А.Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности. М.: Недра, 2000. 487 с.Alimov S.V., Prokopec A.O., Kubarov S.V. i dr. Modernizaciya ventilyatorov AVO gaza pri rekonstrukcii KS MG [Modernization of MG CS gas AVO fans during reconstruction] // Gazovaya promyshlennost. 2009. № 4. P. 54–56. (In Russian)Алимов С.В., Прокопец А.О., Кубаров С.В. и др. Модернизация вентиляторов АВО газа при реконструкции КС МГ // Газовая промышленность. 2009. № 4. С. 54–56.Linde R. Advantage of pipelining gas at low temperatures // Pipe Line Industry. 1984. Vol. 55. No. 3. P. 49–56.Artyuhov I.I., Arshakyan I.I., Krylov I.P. Avtomaticheskoe upravlenie apparatami vozdushnogo ohlazhdeniya na obektah magistralnogo transporta gaza [Automatic control of air cooling units at gas main transportation facilities] // Mekhatronika, avtomatizaciya, upravlenie. 2003. № 1. P. 33–36. (In Russian)Артюхов И.И., Аршакян И.И., Крылов И.П. Автоматическое управление аппаратами воздушного охлаждения на объектах магистрального транспорта газа // Мехатроника, автоматизация, управление. 2003. № 1. С. 33–36.Artyuhov I.I., Arshakyan I.I., Tarisov R.SH., Trimbach A.A., Ustinov E.V. Resursosberegayushchaya tekhnologiya ohlazhdeniya gaza na kompressornyh stanciyah [Resource-saving technology for gas cooling at compressor stations] // Vestnik Saratovskogo gos. tekhn. un-ta. 2011. № 1(54). Vyp. 3. P. 25–32. (In Russian)Артюхов И.И., Аршакян И.И., Тарисов Р.Ш., Тримбач А.А., Устинов Е.В. Ресурсосберегающая технология охлаждения газа на компрессорных станциях // Вестник Саратовского гос. техн. ун-та. 2011. № 1 (54). Вып. 3. С. 25–32.Alimov S.V. Povyshenie energoeffektivnosti stacionarnyh rezhimov raboty ustanovok ohlazhdeniya gaza s chastotno-reguliruemym elektroprivodom [Improving the stationary operating modes energy efficiency of gas cooling units with a frequency-controlled electric drive]: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk. Samara: SamGTU, 2011. 24 p. (In Russian)Алимов С.В. Повышение энергоэффективности стационарных режимов работы установок охлаждения газа с частотно-регулируемым электроприводом: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Самара: СамГТУ, 2011. 24 с.Kumar B.K., Vygonyuk P.I. Sistema avtomaticheskogo upravleniya apparatami vozdushnogo ohlazhdeniya syrogo prirodnogo gaza [Automatic control system for air cooling units of raw natural gas] // Vestnik kazahskogo nacionalnogo tekhnicheskogo universiteta im. K.I. Satnaeva. 2011. № 1 (83). P. 67–71. (In Russian)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). С. 67–71.Trimbach A.A. Sovershenstvovanie elektrotekhnicheskih kompleksov ustanovok ohlazhdeniya komprimirovannogo gaza [Improvement of compressed gas cooling units electrical complexes]: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk. Saratov: SGTU, 2007. 24 p. (In Russian)Тримбач А.А. Совершенствование электротехнических комплексов установок охлаждения компримированного газа: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Саратов: СГТУ, 2007. 24 с.Artyukhov I., Abakumov A., Zemtsov A., Yerbayev Y. Energy Efficiency Analysis of Control Algorithms for Fan Electric Drives in Gas Air-Cooling Plants // International Conference on Efficient Production and Processing ICEPP 2021: Proceedings of ICEPP 2021. Lecture Notes in Civil Engineering. P. 46–55.Artyuhov I.I., Arshakyan I.I., Zhabskij M.V., Korotkov A.V., Pogodin N.V., Trimbach A.A. Nekotorye aspekty primeneniya chastotno-reguliruemogo elektroprivoda v sistemah vozdushnogo ohlazhdeniya komprimirovannogo gaza [Some aspects of the use of variable frequency electric drives in compressed gas air cooling systems] // Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2006. № 1(100). Vyp. 1. P. 20–29. (In Russian)Артюхов И.И., Аршакян И.И., Жабский М.В., Коротков А.В., Погодин Н.В., Тримбач А.А. Некоторые аспекты применения частотно-регулируемого электропривода в системах воздушного охлаждения компримированного газа // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. № 1(100). Вып. 1. С. 20–29.Artyuhov I.I., Bochkareva I.I., Trimbach A.A. Kachestvo elektroenergii v sisteme elektrosnabzheniya gazoturbinnoj kompressornoj stancii v usloviyah osnashcheniya ustanovok ohlazhdeniya gaza chastotno-reguliruemym elektroprivodom ventilyatorov [Quality of electricity in the power supply system of a gas turbine compressor station when gas cooling units are equipped with frequency-controlled electric fan drives] // Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2011. № 4(60). Vyp. 2. P. 165–170. (In Russian)Артюхов И.И., Бочкарева И.И., Тримбач А.А. Качество электроэнергии в системе электроснабжения газотурбинной компрессорной станции в условиях оснащения установок охлаждения газа частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 4(60). Вып. 2.С. 165–170.Bochkareva I.I. Obespechenie elektromagnitnoj sovmestimosti chastotno-reguliruemyh ustanovok ohlazhdeniya gaza s istochnikami elektrosnabzheniya [Ensuring Electromagnetic Compatibility of Frequency-Controlled Gas Cooling Plants with Power Supply Systems]: avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk. Saratov: SGTU, 2012. 19 p. (In Russian)Бочкарева И.И. Обеспечение электромагнитной совместимости частотно-регулируемых установок охлаждения газа с источниками электроснабжения: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Саратов: СГТУ, 2012. 19 с.Abakumov A.M., Kuznecov P.K. Kombinirovannoe upravlenie elektroprivodami ven-tilyatorov ustanovok ohlazhdeniya gaza [Combined control of electric drives for fans of gas cooling units] // Vestnik SamGTU. Ser. Tekhnicheskie nauki. 2021. № 3. P. 67–82. DOI: 10.14498/tech.2021.3.4. (In Russian)Абакумов А.М., Кузнецов П.К. Комбинированное управление электроприводами вентиляторов установок охлаждения газа // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. 2021. № 3. С. 67-82. DOI: 10.14498/tech.2021.3.4. EDN: CACBTX.Abakumov A.M., Zubkov Yu.V., Abakumov O.A. Optimizaciya stacionarnyh rezhimov raboty ustanovok ohlazhdeniya gaza s chastotno-reguliruemym privodom ventilyatorov [Optimization of stationary operating modes of gas cooling units with frequency-controlled fan drives] // Izvestiya vuzov. Elektromekhanika. 2024. T. 67, № 1. P. 36–45. DOI: 10.17213/0136-3360-2024-1-36-45. (In Russian)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. С. 36-45. DOI: 10.17213/0136-3360-2024-1-36-45. EDN: NSATJU.Abakumov A.M., Zubkov Yu.V., Abakumov O.A. Optimizaciya algoritmov kombinirovan-nogo upravleniya elektroprivodami ustanovok ohlazhdeniya prirodnogo gaza [Algorithms optimization for combined natural gas cooling units control of electric drives] // Vestnik SamGTU. Ser. Tekhnicheskie nauki. 2024. V. 32, № 2. P. 103–118. DOI: 10.1 4498/tech.2024.2.6. (In Russian)Абакумов А.М., Зубков Ю.В., Абакумов О.А. Оптимизация алгоритмов комбинированного управления электроприводами установок охлаждения природного газа // Вестник СамГТУ. Сер. Технические науки. 2024. Т. 32, № 2. С. 103–118. DOI: 10.1 4498/tech.2024.2.6. EDN: FXTJTU.Abakumov A.M., Zubkov Yu.V., Abakumov O.A. Energosberegayushchie rezhimy raboty ustanovok ohlazhdeniya prirodnogo gaza [Energy-saving modes of natural gas operation cooling units] // Elektrichestvo. 2025. № 1. P. 50–57. DOI: 10.24160/0013-5380-2025-1-50-57. (In Russian)Абакумов А.М., Зубков Ю.В., Абакумов О.А. Энергосберегающие режимы работы установок охлаждения природного газа // Электричество. 2025. № 1. С. 50–57. DOI: 10.24160/0013-5380-2025-1-50-57. EDN: QTIOEY.STO Gazprom 2-3.5-510-2010. Ustanovki i apparaty vozdushnogo ohlazhdeniya gaza [STO Gazprom 2-3.5-510-2010. Installations and apparatus for air cooling of gas]. Tekhnicheskie trebovaniya. (In Russian)СТО Газпром 2-3.5-510-2010. Установки и аппараты воздушного охлаждения газа. Технические требования.Sivkov A.A., Gerasimov D.Yu., Sajgash A.S. Osnovy elektrosnabzheniya: uchebnoe posobie. 2-e izd., dop [Electrical Basics: A Tutorial]. Tomsk: TPU, 2014. 174 p. (In Russian)Сивков А.А., Герасимов Д.Ю., Сайгаш А.С. Основы электроснабжения: учеб. пособие. 2 е изд., доп. Томск: ТПУ, 2014. 174 с.Radkevich V.N., Kozlovskaya V.B., Kolosova I.V. Raschet elektricheskih nagruzok promyshlennyh predpriyatij: uchebno-metodicheskoe posobie dlya studentov. Minsk: BNTU, 2013. 124 p. (In Russian)Радкевич В.Н., Козловская В.Б., Колосова И.В. Расчет электрических нагрузок промышленных предприятий: учебно-методическое пособие для студентов. Минск: БНТУ, 2013. 124 с.Ilinskij N.F., Moskalenko V.V. Elektroprivod: energo- i resursosberezhenie [Electric drive: energy and resource saving]. M.: Akademiya, 2008. 208 p. (In Russian)Ильинский Н.Ф., Москаленко В.В. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение. М.: Академия, 2008. 208 с.