Organization of optimization problem of shops operating modes of gas pipelines compressor stations
New organization of optimization problem of shops operating modes of gas pipelines compressor stations is described. It is offered to minimize expenses of fuel gas in compressor shop, analyzing the dependences of expenses of fuel gas constructed for everyone unit on the volumetric charge. Such appro...
Saved in:
| Date: | 2006 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/281 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | System Research in Energy |
| Download file: |  |
Institution
System Research in Energy| _version_ | 1871103463475118080 |
|---|---|
| author | Leshchenko |
| author_facet | Leshchenko |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Leshchenko ",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Leshchenko |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:35Z |
| description | New organization of optimization problem of shops operating modes of gas pipelines compressor stations is described. It is offered to minimize expenses of fuel gas in compressor shop, analyzing the dependences of expenses of fuel gas constructed for everyone unit on the volumetric charge. Such approach enables to reduce the optimization problem of compressor shop modes of operation to a problem of linear programming with Boolean variables. |
| first_indexed | 2026-03-24T02:01:18Z |
| format | Article |
| fulltext |
ПРОБЛЕМИ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ • №13/2006 67
Системи трубопровідного транспорту газу є
досить великими споживачами газу за рахунок
власних потреб, технологічних і випадкових вит-
рат. Витрати газу на власні потреби на компре-
сорних станціях газотранспортної системи Укра-
їни за різними оцінками становлять до 3% від об-
сягу прокачаного газу. Зменшення цих витрат є
важливим напрямом енергозбереження, має сут-
тєвий економічний ефект. Економія газу може
бути отримана за рахунок як удосконалення тех-
нічного рівня устаткування газопроводів, так і
вибору такого режиму роботи компресорних це-
хів, який забезпечує мінімальні витрати газу на
власні потреби.
Врахування технічного стану кожного окре-
мого газоперекачувального агрегату є необхід-
ною умовою оптимізації роботи компресорних
цехів. За оцінками фахівців, за рахунок вибору
оптимального складу обладнання з урахуванням
його технічного стану можна в нормальних умо-
вах роботи зменшити споживання паливного га-
зу майже на 5%. Отже, задача вибору оптималь-
ного режиму роботи агрегатів компресорного
цеху є надзвичайно актуальною.
В літературі описано декілька постановок за-
дачі оптимізації роботи компресорного цеху та
запропонованих методів її розв'язання. У роботі
[5] розглянуто задачу оптимізації роботи ком-
пресорної станції. Оптимізація режиму станції
здійснюється шляхом мінімізації суми абсолют-
них значень відхилень тисків на виходах ком-
пресорних цехів від своїх уставок. При цьому
кількість спожитого паливного газу не розгля-
дається, отже, економічність схем роботи не бе-
реться до уваги. У роботі [4] задача оптимізації
режиму роботи цеху розглядається як задача пе-
рерозподілу навантажень між агрегатами з ме-
тою мінімізації сумарної споживаної потужності
на перекачування газу. Задачу сформульовано
як задачу безумовної оптимізації, отже, не бе-
руться до уваги обмеження, які накладаються на
зведені витрати через відцентровий нагнітач
(ВЦН), на частоту обертання ВЦН, на потуж-
ність газотурбінної установки (ГТУ). Оптиміза-
ція виконується за критерієм мінімуму сумарної
потужності, що споживається компресорним це-
хом. Але ефективний ККД ГТУ газоперекачу-
вального агрегату змінюється при зміні його за-
вантаження. ГТУ газоперекачувальних агрегатів
проектуються таким чином, що режим роботи з
мінімальною потужністю не є оптимальним із
точки зору ефективного ККД і витрат паливно-
го газу. Тому, на наш погляд, більш коректно
проводити оптимізацію не сумарної витраченої
потужності, а безпосередньо сумарних витрат
паливного газу працюючими агрегатами ком-
пресорного цеху.
В роботі [1] задача вибору оптимального ре-
жиму роботи компресорного цеху зводиться до
перерозподілу потоків газу через газоперекачу-
вальні агрегати (ГПА) за умови максимізації
повного ККД агрегатів. При рішенні задачі ви-
користовуються характеристики нагнітача у
вигляді поліномів другого і третього ступенів.
Але не зрозуміло, як автори отримують коефіці-
єнти апроксимації для фактичних характерис-
тик. Адже в процесі експлуатації характеристи-
ки ВЦН відхиляються від паспортних нерівно-
мірно. Так, для характеристик ступеня стиснен-
ня у зоні малих витрат відхилення більше, ніж у
зоні максимальних витрат. Нерівномірний зсув
має місце і для характеристик політропного
ККД і зведеної внутрішньої потужності. Отже,
при використанні поліномів другого-третього
порядку для роботи з фактичними характерис-
тиками не можна застосовувати коефіцієнти ап-
роксимації, які відомі для паспортних характе-
ристик. Для кожного технічного стану ВЦН не-
обхідно отримувати нові коефіцієнти. Крім того,
наведена методика працює лише для випадку,
коли ГПА компресорного цеху включені пара-
лельно. Можливість застосування наведеної ме-
тодики для паралельно-послідовного включен-
ня агрегатів не аналізується.
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ ОПТИМІЗАЦІЇ
РЕЖИМІВ РОБОТИ ЦЕХІВ КОМПРЕСОРНИХ СТАНЦІЙ
МАГІСТРАЛЬНИХ ГАЗОПРОВОДІВ
УДК 62692
І.Ч. ЛЕЩЕНКО, канд. техн. наук (Інститут загальної енергетики НАН України, Київ)
Описано нову постановку задачі оптимізації режиму роботи компресорного цеху магістрального газопроводу.
Запропоновано мінімізувати споживання паливного газу компресорним цехом, аналізуючи побудовані для
кожного працездатного агрегату залежності витрат паливного газу від кількості пропомпованого газу. Такий підхід
дає можливість звести задачу оптимізації роботи компресорного цеху до задачі лінійного програмування з
булевими змінними.
68 ПРОБЛЕМИ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ • №13/2006
В даній роботі задача оптимізації режиму ро-
боти компресорного цеху розглядається як зада-
ча перерозподілу потоків газу між агрегатами
компресорного цеху з метою мінімізації витрат
паливного газу, який споживається агрегатами з
газотурбінним приводом. При цьому необхідно
забезпечити виконання планового завдання на
перекачування певної кількості газу при заданих
тисках на вході та виході компресорного цеху та
заданій вхідній температурі. Вирішуючи задачу
оптимізації, необхідно розглядати кожен агрегат
індивідуально, із власними фактичними характе-
ристиками, які в процесі експлуатації суттєво
відхиляються від паспортних.
Розглянемо компресорний цех, в якому газо-
перекачувальні агрегати працюють за паралель-
ною схемою. Робота паралельної групи ГПА опи-
сується такими рівняннями:
де – відповідно тиск на вході та виході і-го
ВЦН; – відповідно тиск на вході та виході
цеху; – відповідно температура на вході і-го
ВЦН та на вході цеху; εі– ступінь стиснення і-го
ВЦН; m – кількість працюючих ГПА цеху; QКЦ, Qi
– відповідно витрати через цех і через і-й ВЦН.
Ступінь стиснення, відносна частота обертан-
ня валу ni зведені об'ємні витрати газу, що
комприміюється, політропний коефіцієнт корис-
ної дії та зведена внутрішня потужність і-
го ВЦН співвідносяться згідно з його характе-
ристиками:
де – густина газу на вході і-го ВЦН.
Фактичні характеристики кожного нагнітача
можна отримати, провівши ідентифікацію тех-
нічного стану [2], [3]. Регулюючи частоту обер-
тання ВЦН, можна змінити об'ємні витрати, отже
і потужність агрегату й витрати паливного газу,
які залежать від потужності. Потужність газотур-
бінного приводу пов'язана з потужністю нагніта-
ча згідно із залежністю:
де – механічні витрати на валі силової тур-
біни ВЦН; n0 – номінальна частота обертання
ВЦН (за паспортом).
Витрати паливного газу на поточному режимі
для газотурбінної установки розраховуються
згідно із залежністю
де – коефіцієнти, які не залежать від заван-
таження агрегату, а визначаються типом регулю-
вання ГТУ, зовнішніми умовами та характерис-
тикою газу, що транспортується; – коефіцієнт
технічного стану i-ї ГТУ за потужністю; – вит-
рати паливного газу на номінальному режимі.
Потрібно мінімізувати сумарні по цеху витра-
ти паливного газу, тобто функцію:
Система обмежень моделі має такий вигляд.
Обмеження за частотою обертання кожного
ВЦН:
де – мінімальні та максимальні припус-
тимі оберти і-го ВЦН.
Обмеження за наявною потужністю і-ої ГТУ:
де – максимально припустима потужність і-ї
ГТУ, яка суттєво залежить від його технічного
стану.
Обмеження на зведені об'ємні витрати через
і-й ВЦН:
де – мінімальні та максимальні припус-
тимі зведені витрати через і-й ВЦН. Коефіцієнт
1,1 за мінімальних припустимих зведених об'єм-
них витрат забезпечує віддалення ВЦН від пом-
пажної зони.
Таким чином, рівняння та нерівності (1)-(11)
являють собою математичну модель компресор-
ного цеху для задачі оптимізації режиму його ро-
боти. Газодинамічні характеристики ВЦН (3)-(5)
та залежність (6) є нелінійними функціями.
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
ПРОБЛЕМИ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ • №13/2006 69
Отже, це нелінійна задача математичного програ-
мування.
Запропоновано новий підхід до формування
задачі оптимізації роботи компресорного цеху.
Для кожного працюючого ГПА цеху для заданих
P1i, P2i, T1i із припустимого діапазону значень вит-
рат газу (11) із певним шагом за витратами ∆Q
визначаємо втрати газу на власні потреби кожно-
го працюючого ГПА qПГij, тут i = 1...m, де m кіль-
кість працюючих у цеху ГПА; j = 1...k, де k – кіль-
кість режимів, що розглядається. Для всіх ГПА
розглядається однакова кількість режимів.
Розрахунок залежності витрат паливного газу
від кількості прокачаного ГПА газу для певного
режиму (тобто, при заданих P1i, P2i, T1i) викону-
ється за спеціальним алгоритмом. Для кожного
ГПА здійснюється перевірка, чи знаходиться зна-
чення необхідного ступеня стиснення (1) у при-
пустимому діапазоні εmini < εi < εmaxi, де εmini, εmaxi –
мінімальний та максимальний ступінь стиснення
для кожного ГПА. Якщо необхідний ступінь
стиснення виходить за рамки припустимого діа-
пазону, то цей режим взагалі не може бути реалі-
зованим даним ГПА.
Обраховується коефіцієнт стиснення газу Z із
рівняння Бенедикта-Уеба-Рабина, узагальнена
зведена форма якого має вигляд (для умов входу
ВЦН):
де а1,...а6 – коефіцієнти, розраховані для конкрет-
ного компонентного складу газу, що транспорту-
ється; πi, τi– зведені абсолютні температура та тиск,
що розраховуються за відомими залежностями.
За фактичною характеристикою (4) для поточ-
ного значення витрат через ГПА знаходимо зна-
чення політропного ККД. Далі визначається тем-
пература на виході ВЦН. Задається початкове зна-
чення та ітераційно уточнюється за формулою
де – фактичний політропний ККД і-го ВЦН;
– коефіцієнт "псевдоізоентропи".
Політропний напір через і-й ВЦН на режимі,
розраховується за залежністю
де (nT–1)/nT – температурний показник політро-
пи і-го ВЦН.
За фактичною характеристикою політропно-
го напору у критеріальних координатах для фак-
тичних витрат через агрегат (Qзві/n0) і номіналь-
ної частоти обертання визначається значення
еталонного політропного напору у критеріальних
координатах Hпол/n0
2. Частота обертання і-го ВЦН
на режимі обчислюється за формулою
Здійснюється контроль входження робочої
точки в характеристику ВЦН за витратами (11)
та за частотою обертання (9). У випадку, коли j-й
режим не може бути реалізованим і-м ГПА, умов-
но приймається qПгij = 0.
Внутрішня потужність ВЦН на режимі розра-
ховується за виразом
Потужність привода обчислюється згідно
формули (6). Здійснюється контроль виходу по-
тужності ГТУ за максимально припустиму по-
тужність на режимі. Максимально припустима
потужність ГТУ на режимі визначається за фор-
мулою
де AN – коефіцієнт, який не залежить від заванта-
ження агрегату, а визначається типом регулюван-
ня ГТУ, зовнішніми умовами та характеристикою
газу, що транспортується; – номінальна (пас-
портна) потужність ГТУ.
Витрати паливного газу на поточному режимі
для ГТУ розраховуються згідно (7).
На рис. 1 наведено графіки розрахованих
залежностей витрат паливного газу від кількос-
ті прокачаного ГПА газу на різних режимах
комприміювання для агрегату з газотурбінним
приводом типу ГТК-10-4 та відцентровим наг-
нітачем типу 235-21-1. На рисунку видно, що
для режиму з більшим ступенем стиснення діа-
пазон припустимих режимів суттєво звужуєть-
ся. Але всередині діапазону залежність витрат
паливного газу від кількості пропомпованого
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
70 ПРОБЛЕМИ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ • №13/2006
агрегатом газу має вигляд гладкої кривої без
розривів.
Поставимо у відповідність кожному з можли-
вих варіантів включення ГПА набір значень неві-
домих xij, відносно яких домовимося, що xij = 1,
якщо в даному варіанті для і-го ГПА обраний j-й
режим завантаження, та xij = 0, якщо в даному ва-
ріанті для i-го ГПА обраний не j-й режим заванта-
ження. Для будь-якого варіанта розподілу заван-
таження між ГПА серед невідомих xij повинно бу-
ти точно m одиниць. При чому повинні виконува-
тись умова:
що означає, що кожний ГПА працює лише на од-
ному режимі. Таким чином, математична модель
задачі оптимізації роботи компресорного цеху
приймає такий вигляд:
Умова (22) означає, що j-й режим i-го ГПА
може бути обраним тільки в тому випадку, коли
він є припустимим, тобто для нього існує розра-
ховане значення витрат паливного газу, що біль-
ше 0. Умова (19) є нелінійною, інші умови – лі-
нійні. Отже, отримано оптимізаційну задачу
(18) – (22), яка є лінійною задачею з булевими
змінними.
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ
1. Беккер М.В., Гулічев В.В., Мелешко В.І., Стрілець А.О., Артеменко Д.В. Визначення оптимального режиму роботи
компресорного цеху при паралельному включенні ГПА // Нафтова і газова промисловість. – 2005. – № 2. – С. 45-48.
2. Линецкий И.К., Лещенко И.Ч., Вертепов А.Г. Получение и учет фактических характеристик оборудования при расчетах
режимов компрессорных станций магистральных газопроводов // Проблеми загальної енергетики. – 1999. – № 1. – С. 40-47.
3. Лінецький Й.К., Щербина Є.В., Лещенко І.Ч., Вертепов А.Г. Оперативна діагностика обладнання в системах
магістрального транспорту газу // Проблеми загальної енергетики. – 2001. – № 4. – С. 49-53.
4. Прищепо О.О. Удосконалення режимів роботи ГПА на основі їх фактичних характеристик: Автореф. дис. канд. тех.
наук: 05.14.06 / НАН України. Інститут проблем машинобудування ім. А.М.Підгорного, – Х., 2001. – 18 с.
5. Саух С.Е., Гершгорин А.Е. Моделирование режимов работы многоцеховых компрессорных станций – К.: 1989. – 39 с.
(Препр. / АН УССР. Ин-т проблем моделирования в энергетике; №89-3).
Рис. 1. Залежність витрат паливного газу від обсягів газу, що перекачується ГПА, для різних режимів
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
|
| id | systemreorg-article-281 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:08:36Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/3b/8f4eb4b1394b467451e34fd4cea5db3b.pdf |
| spelling | systemreorg-article-2812026-07-18T12:57:35Z Organization of optimization problem of shops operating modes of gas pipelines compressor stations Постановка задачі оптимізації режимів роботи цехів компресорних станцій магістральних газопроводів Leshchenko gas pipeline, compressor shop, centrifugal force-pump, gas turbine, optimal regime. газотранспортна система, компресорний цех, відцентровий нагнітач, газотурбінна установка, оптимальний режим. New organization of optimization problem of shops operating modes of gas pipelines compressor stations is described. It is offered to minimize expenses of fuel gas in compressor shop, analyzing the dependences of expenses of fuel gas constructed for everyone unit on the volumetric charge. Such approach enables to reduce the optimization problem of compressor shop modes of operation to a problem of linear programming with Boolean variables. Описано нову постановку задачі оптимізації режиму роботи компресорного цеху магістрального газопроводу. Запропоновано мінімізувати споживання паливного газу компресорним цехом за допомоги аналізу побудованої для кожного працездатного агрегату залежності витрат паливного газу від кількості пропомпованого газу. Такий підхід дає можливість звести задачу оптимізації роботи компресорного цеху до задачі лінійного програмування з булевими змінними. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2006-01-26 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/281 System Research in Energy; No. 1 (13) (2006): The Problems of General Energy; 67-70 Системні дослідження в енергетиці; № 1 (13) (2006): Проблеми загальної енергетики; 67-70 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/281/228 Copyright (c) 2006 Leshchenko https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | gas pipeline compressor shop centrifugal force-pump gas turbine optimal regime. Leshchenko Organization of optimization problem of shops operating modes of gas pipelines compressor stations |
| title | Organization of optimization problem of shops operating modes of gas pipelines compressor stations |
| title_alt | Постановка задачі оптимізації режимів роботи цехів компресорних станцій магістральних газопроводів |
| title_full | Organization of optimization problem of shops operating modes of gas pipelines compressor stations |
| title_fullStr | Organization of optimization problem of shops operating modes of gas pipelines compressor stations |
| title_full_unstemmed | Organization of optimization problem of shops operating modes of gas pipelines compressor stations |
| title_short | Organization of optimization problem of shops operating modes of gas pipelines compressor stations |
| title_sort | organization of optimization problem of shops operating modes of gas pipelines compressor stations |
| topic | gas pipeline compressor shop centrifugal force-pump gas turbine optimal regime. |
| topic_facet | gas pipeline compressor shop centrifugal force-pump gas turbine optimal regime. газотранспортна система компресорний цех відцентровий нагнітач газотурбінна установка оптимальний режим. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/281 |
| work_keys_str_mv | AT leshchenko organizationofoptimizationproblemofshopsoperatingmodesofgaspipelinescompressorstations AT leshchenko postanovkazadačíoptimízacíírežimívroboticehívkompresornihstancíjmagístralʹnihgazoprovodív |