ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОСЛОЙНОГО ДИСКРЕТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ВЕНТИЛЯТОРОВ АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА В СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМАХ

EVALUATION OF LAYER-BY-LAYER DISCRETE CONTROL EFFICIENCY FOR FAN ELECTRIC DRIVES OF GAS AIR-COOLED HEAT EXCHANGERS IN STEADY-STATE MODES

Maskov Linar Ramilevich

Gazprom Dobycha Yamburg LLC,

Russia, Novy Urengoy

Safin Alfred Robertovich

Doctor of Technical Sciences, Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

Цель. Оценить эффективность послойного дискретного управления электроприводами вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа в стационарных режимах при изменении технологических параметров и теплотехнического состояния секций. Метод. Выполнено стационарное моделирование электротехнического комплекса, включающего 48 электроприводов вентиляторов. Проведено сравнение последовательного, произвольного и послойного способов выбора рабочего состава по температуре газа на выходе, числу работающих электроприводов и затратам электроэнергии. Дополнительно исследовано диагностическое ранжирование секций при неоднородном теплотехническом состоянии. Результат. Послойное управление обеспечивает требуемую температуру газа меньшим числом работающих электроприводов. При изменении температуры газа на входе, температуры окружающего воздуха и расхода газа максимальное сокращение рабочего состава относительно последовательного управления составило 17 электроприводов, относительно среднего произвольного выбора 5 электроприводов. Диагностическое ранжирование обеспечило дополнительное сокращение рабочего состава до 12 электроприводов. Наибольший эффект получен при частичной загрузке электротехнического комплекса. Выводы. Учёт положения секций по ходу движения газа и их фактического теплотехнического состояния позволяет повысить эффективность дискретного управления электроприводами вентиляторов. Для исследуемой структуры основная область эффективного применения послойного управления соответствует режимам неполной загрузки электротехнического комплекса.

ABSTRACT

Background. The study aims to evaluate the efficiency of layer-by-layer discrete control of fan electric drives in gas air-cooled heat exchangers under steady-state operating conditions, taking into account variations in process parameters and the thermal condition of heat-exchange sections. Methods. Steady-state simulation was performed for an electrotechnical complex comprising 48 fan electric drives. Sequential, random, and layer-by-layer operating-set selection strategies were compared in terms of outlet gas temperature, the number of operating electric drives, and energy consumption. Diagnostic ranking of sections under non-uniform thermal conditions was additionally investigated. Result. Layer-by-layer control provides the required gas temperature with a smaller number of operating electric drives. Under variations in inlet gas temperature, ambient air temperature, and gas flow rate, the maximum reduction reached 17 electric drives compared with sequential control and 5 electric drives compared with the average random selection. Diagnostic ranking provided an additional reduction of up to 12 electric drives. The greatest effect was obtained under partial-load conditions. Conclusion. Taking into account the position of heat-exchange sections along the gas flow and their actual thermal condition improves the efficiency of discrete fan-drive control. For the investigated structure, the main effective application area of layer-by-layer control corresponds to partial-load operating conditions of the electrotechnical complex.

Ключевые слова: аппарат воздушного охлаждения газа, электротехнический комплекс, электропривод вентилятора, дискретное управление, послойное управление, теплотехническая эффективность, диагностическое ранжирование.

Keywords: gas air-cooled heat exchanger, electrotechnical complex, fan electric drive, discrete control, layer-by-layer control, thermal effectiveness, diagnostic ranking.

Аппараты воздушного охлаждения (АВО) газа являются энергоёмким оборудованием газодобывающих и компрессорных объектов. При дискретном регулировании охлаждающего воздействия энергетический результат определяется не только числом работающих вентиляторов, но и расположением обслуживаемых секций по ходу газа. В многоступенчатой схеме температурный напор уменьшается от первых секций к последующим, поэтому одинаковое число включённых электроприводов может обеспечивать различную теплотехническую эффективность. Дополнительное влияние оказывает фактическое состояние теплообменных секций. Для учёта различий теплового вклада предложено послойное управление: приоритет включения задаётся положением секций в последовательности теплообмена, а внутри слоя корректируется по диагностической оценке их теплопередающей способности [1–4].

Структура интеллектуальной системы управления

Интеллектуальная система управления использует температуру газа на входе и выходе АВО, температуру окружающего воздуха, расход газа и информацию о состоянии электроприводов (рисунок 1). Расчётный контур определяет теплотехническую эффективность, диагностический определяет состояние секций, блок послойного управления формирует допустимые варианты рабочего состава, а оптимизационный контур выбирает вариант, удовлетворяющий температурному ограничению при минимальной электрической нагрузке [1, 5, 6].

Рисунок 1. Структура интеллектуальной системы дискретного управления электроприводами вентиляторов АВО газа

Методика стационарного исследования

Исследование выполнено для структуры из 48 электроприводов. В стационарной постановке для каждого рабочего состава рассчитывались интегральная теплотехническая эффективность и температура газа на выходе; динамика электроприводов и тепловая инерционность не учитывались. Сравнивались последовательный, произвольный и послойный способы формирования рабочего состава. При последовательном способе использовалась фиксированная очередность включения. Для произвольного способа при каждом числе работающих вентиляторов формировалось 300 случайных сочетаний с определением минимального, среднего и максимального результата. Послойный способ учитывал положение секций по ходу газа и, при необходимости, их диагностическое ранжирование. Сравнение проводилось при требуемой температуре газа 60, 50, 40 и 32 °C. Основным показателем принято минимальное число электроприводов, обеспечивающее требуемую температуру; дополнительно оценивались электрическая мощность и затраты электроэнергии.

Минимальный рабочий состав для четырёх температурных зон приведён в таблице 1.

Таблица 1.

Минимальное число включённых электродвигателей для достижения требуемой температуры газа

Результаты стационарного моделирования

При [формула 5], 50 и 40 °C послойному управлению требуется соответственно 9, 16 и 27 электроприводов против 17, 26 и 37 при последовательном способе. Относительно среднего произвольного выбора сокращение составляет 1, 3 и 3 электропривода. При [формула 6]°C загрузка приближается к предельной, поэтому различия уменьшаются до 1–2 электроприводов. Преимущество послойного управления обусловлено наличием нескольких допустимых сочетаний при частичной загрузке. По мере роста требуемой теплотехнической производительности число альтернатив сокращается, и влияние порядка выбора секций уменьшается. Устойчивость эффекта проверялась при изменении температуры газа на входе, температуры окружающего воздуха и расхода газа. Максимальное сокращение рабочего состава относительно последовательного, среднего произвольного и наиболее неблагоприятного произвольного способов составило 17, 5 и 13 электроприводов; соответствующее снижение затрат электроэнергии 629, 185 и 481 кВт·ч.

Влияние теплотехнического состояния секций

Для оценки влияния теплотехнического состояния рассмотрены два сценария: снижение эффективности всех 12 секций первого слоя и неоднородное состояние секций отдельных аппаратов. Сравнивались варианты послойного управления без учёта состояния и с диагностическим ранжированием. При снижении коэффициента состояния секций первого слоя до 0,40 и [формула 7]°C рабочий состав без ранжирования увеличивался до 35 электроприводов, тогда как диагностическое ранжирование обеспечивало ту же температуру при 27 электроприводах. Дополнительное сокращение составило 8 электроприводов, снижение затрат электроэнергии составило 296 кВт·ч. При неоднородном состоянии отдельных аппаратов максимальное дополнительное сокращение рабочего состава достигло 12 электроприводов, снижение затрат электроэнергии 444 кВт·ч, относительный эффект около 47 %. Результат показывает необходимость использования диагностической информации непосредственно при выборе рабочего состава.

Область эффективного применения

Обобщение расчётных сценариев показало, что наибольшее сокращение рабочего состава достигается при частичной загрузке электротехнического комплекса (ЭТК) АВО газа. Для исследованной структуры основной эффект сосредоточен при коэффициенте загрузки ниже приблизительно 0,75; по мере приближения к единице результаты способов управления сходятся (рисунок 2). Указанная граница является эмпирической и относится к структуре из 48 электроприводов и принятому диапазону параметров.

Рисунок 2. Зависимость изменения числа работающих электроприводов от коэффициента загрузки ЭТК АВО газа

Послойное управление целесообразно, прежде всего, при наличии нескольких допустимых вариантов рабочего состава. Диагностическое ранжирование сохраняет его преимущество при неоднородном состоянии секций, предотвращая приоритетное использование элементов с пониженной теплопередающей способностью.

Заключение

Стационарное моделирование подтвердило эффективность послойного выбора рабочего состава. При изменении технологических параметров максимальное сокращение относительно последовательного управления составило 17 электроприводов, относительно среднего произвольного выбора составило 5. Диагностическое ранжирование при неоднородном состоянии секций обеспечило дополнительное сокращение до 12 электроприводов без нарушения заданного температурного режима. Наибольший эффект достигается при частичной загрузке ЭТК АВО газа; при приближении к предельной теплотехнической производительности различия между способами уменьшаются. Полученные результаты могут использоваться при программной реализации дискретного управления АВО газа в составе автоматизированной системы управления технологическим процессом.

Список литературы:

1. Масков Л. Р., Сафин А. Р. Интеллектуальная система управления электроприводами вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа с аналитической диагностикой теплотехнического состояния // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2026. – Т. 28. – № 3. – С. 63–85. – DOI: 10.30724/1998-9903-2026-28-3-63-85.
2. Масков Л. Р. Дискретное управление электроприводами вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа на основе оценки теплового вклада секций // Современные исследования: теория, практика, результаты: материалы XXVII Международной научно-практической конференции. – Москва, 2026. – С. 154–160.
3. Масков Л. Р. Интегральный показатель тепловой эффективности аппаратов воздушного охлаждения в многоступенчатых схемах охлаждения газа // Молодые учёные России: сб. статей XXVI Всероссийской научно-практической конференции. – Пенза, 2025. – С. 54–56.
4. Масков Л. Р. Аналитический диагностический критерий теплотехнического состояния аппаратов воздушного охлаждения газа в задачах управления электротехническими комплексами // Общество, интеллект, инициатива в контексте междисциплинарных исследований. – Ижевск, 2026. – С. 36–39.
5. Методика оценки технического состояния аппаратов воздушного охлаждения газа. – Уфа: ООО «Газпром трансгаз Уфа», 2008. – 25 с.
6. Зубков Ю. В., Абакумов А. М., Абакумов О. А. Оптимизация алгоритмов комбинированного управления электроприводами установок охлаждения природного газа // Вестник СамГТУ. Серия: Технические науки. – 2024. – Т. 32, № 2(82). – С. 103 –118.