Метод зниження витрат газу в гібридному газотурбінно-електричному приводі газоперекачувального агрегату

Abstract

Мета. У статті представлено розробку й наукове обґрунтування методу зниження витрат природного газу в роботі газоперекачувального агрегату (ГПА) шляхом оптимального розподілу навантаження між газотурбінним приводом і електроприводом. Метою дослідження є підвищення енергоефективності ГПА без необхідності фізичної модернізації обладнання, за рахунок удосконалення алгоритмів керування. Методика. Запропоновано математичну модель оптимізації на добову періодичність, у якій змінна αt, що містить частку навантаження на електропривод у час t, визначається методом послідовного квадратичного програмування (SLSQP). Обрана цільова функція – щоденні витрати газу ( ) 24 1 1 , t t t еф L = - a η Σ де Lt – навантаження в годину t, ηеф = 0,35 – ефективний коефіцієнт газотурбінного агрегату. У моделі враховано обмеження на сумарну електропотужність , ()( )ел t t max L P a ≤ добові ліміти електроспоживання atLt ≤ Et, а також межові умови at ∈ [0, 1]. Реалізовано ефективну програмну реалізацію рішення в Python із використанням бібліотеки SciPy. Застосування методу нелінійної оптимізації SLSQP із підтримкою нерівностей дозволило досягти надлінійної збіжності та надійного числа ітерацій при моделюванні задачі розподілу навантаження в гібридній системі. Результати. Отримані результати моделювання засвідчили економічну та екологічну обґрунтованість застосування гібридної схеми. Впровадження оптимізованої стратегії управління навантаженням між газотурбінним і електричним приводами забезпечило щомісячну економію 16 400–18 200 грн, що еквівалентно понад 1,5 млн грн на рік на один агрегат. Такий підхід супроводжується значним скороченням викидів CO2. Модель показала високу стабільність збіжності й адаптивність до зміни навантажень, демонструючи готовність до впровадження в умовах української інфраструктури без додаткових капіталовкладень у техніку. Наукова новизна. Наукова новизна полягає у використанні методу SLSQP для задачі оптимального розподілу навантаження між газовим і електричним приводами ГПА, що дозволяє досягти мінімізації витрат природного газу за реальних обмежень на потужність і енергоспоживання. Запропоновано інтеграцію стохастичного прогнозування навантажень, варіабельності тарифів на електроенергію (режими «пік / ніч»), а також поєднання гібридної схеми з відновлюваними джерелами енергії (акумулятори, сонячна генерація). Це відкриває можливість переходу від детермінованої до стохастичної оптимізації (наприклад, SLSQP + багатошарова імітація) та розширення моделі на багатокластерну конфігурацію декількох ГПА у межах газопроводів. Практична значимість. Реалізація запропонованого підходу не вимагає фізичної модернізації обладнання, оскільки оптимізація досягається шляхом переналаштування системи керування. Це забезпечує високу стійкість, гнучкість та швидку окупність рішення, а також низькі інвестиційні ризики. Подальше удосконалення моделі через інтеграцію відновлюваних джерел енергії здатне підвищити енергетичну автономність системи та знизити залежність від коливань ринкових тарифів.