Комплексный эксергетический анализ энергоблоков ТЭС с новыми технологиями

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Г.В. НОЗДРЕНКО, П.А. ЩИННИКОВ

КОМПЛЕКСНЫЙ 

ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ

АНАЛИЗ ЭНЕРГОБЛОКОВ ТЭС 
С НОВЫМИ ТЕХНОЛОГИЯМИ

НОВОСИБИРСК

2009

УДК 621.311.22

Н 781

Рецензент  академик РАН  В.Е. Накоряков

Ноздренко Г.В.

Н 781
Комплексный эксергетический анализ энергоблоков ТЭС с но
выми технологиями : монография / Г.В. Ноздренко, П.А. Щинников. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. – 190 с. (Серия «Монографии НГТУ»).

ISBN 978-5-7782-1194-0

В монографии рассмотрены основные положения комплексного эк
сергетического анализа энергоблоков ТЭС с новыми технологиями (котельными, станционными и комбинированного теплоснабжения).

Приведены методики определения показателей эксергетической 

эффективности, эксергетических и технико-экономических характеристик энергоблоков ТЭС и их агрегатов, распределения затрат между 
энергопродуктами при их комплексном производстве агрегатами и в 
целом ТЭС, а также способы решения оптимизационных техникоэкономических задач.

Книга предназначена для теплоэнергетиков: научных работников, 

специалистов, аспирантов, магистрантов, студентов.

УДК 621.311.22

ISBN 978-5-7782-1194-0
© Ноздренко Г.В., Щинников П.А., 2009
© Новосибирский государственный 

технический университет, 2009 

Ministry of Education and Science of the Russian Federation

NOVOSIBIRSK STATE TECHNICAL UNIVERSITY

G.V. NOZDRENKO, P.A. SHCHINNIKOV

COMPLEX EXERGY ANALYSIS 

OF POWER UNITS OF HEAT 

POWER PLANTS BASED 
ON NEW YECHNOLOGIES

NOVOSIBIRSK

2009

UDC 621.311.22

N 781

Reviewer  B.E. Nakoryakov, Full Member of RAS

Nozdrenko G.V.

N 781
Complex Exergy Analysis of Power Units of Heat Power Plants 

Based on New Technologies : monograph / G.V. Nozdrenko, 
P.A. Shchinnikov. – Novosibirsk : NSTU Publisher, 2009. – 190 p. 
(NSTU Monograph series) 

ISBN 978-5-7782-1194-0

The main points of the complex exergy analysis of power units of heat 

power plants based on new technologies (boiler, station and combined heat 
supply plants) are described in the monograph.

The authors propose methods of determining efficiency indices, exergic 

and performance characteristics of power units of heat power plants and their 
installations, distribution of costs between power products generated by 
complex installation production and by the entire heat power plant as well as 
methods of solving technical and economic optimization problems.

The book is intended for heat power engineers, researchers, postgra
duate, graduate and undergraduate students.

UDC 621.311.22

ISBN 978-5-7782-1194-0
© Nozdrenko G.V., Shchinnikov P.A., 2009
© Novosibirsk State 

Technical University, 2009 

Предисловие

последние годы получил широкое распространение эксергетический метод анализа тепловых электростанций (ТЭС). 

Опубликовано значительное количество работ, посвященных решению 
отдельных задач как теоретического, так и прикладного характера. В 
развитие эксергетического анализа известный вклад внесли такие теплоэнергетики, как А.И. Андрющенко, В.А. Кириллин, Ж. Гюи, 
А. Стодола, 
А.Е. Шейндлин, 
Ф. 
Бошнякович, 
Д.П. 
Гохштейн, 

Я. Шаргут, Г. Байер, М. Трайбус, Д. Кинан, Р. Эванс, В.М. Бродянский, 
З. Ранд, Е.Я. Соколов, Ю.М. Хлебалин, А.И. Попов и др.

В монографии обобщены результаты многолетней работы авторов 

по комплексному исследованию ТЭС с применением эксергетической 
методологии и сделан шаг в развитии комплексного эксергетического 
анализа энергоблоков ТЭС с новыми технологиями (котельными, 
станционными, комбинированного теплоснабжения).

Авторы поставили перед собой две задачи:
1)предложить основные положения комплексного эксергетическо
го анализа;

2)рассмотреть практические методики определения показателей 

эксергетической эффективности, эксергетических и технико-экономических характеристик энергоблоков ТЭС и их агрегатов, распределения затрат между энергопродуктами при их комплексном производстве 
агрегатами и в целом ТЭС, а также способы решения оптимизационных технико-экономических задач.

Представленные в монографии материалы имеют научную новиз
ну. Впервые выполнен комплексный эксергетический анализ многоцелевых энергоблоков ТЭС с применением вероятностной оптимизации 
их функционирования в реальных условиях и при использовании 

В

ПРЕДИСЛОВИЕ
8

в составе ТЭС новых технологий. Выявлены основные закономерности 
влияния системных факторов на оптимальные эксергетические, технико-экономические характеристики и эффективность энергооборудования.

Впервые с позиций комплексного эксергетического анализа обоб
щены результаты исследования энергоблоков ТЭС с новыми технологиями. На этой основе разработаны и сформулированы рекомендации 
по выбору схем, параметров и режимов работы энергооборудования.

Авторы приносят благодарность рецензенту академику РАН 

В.Е. Накорякову за ценные советы и поддержку при издании монографии.

Введение

овременный период развития теплоэнергетики характеризуется 
разработкой и вводом в эксплуатацию многоцелевых энерго
блоков ТЭС (отпускающих потребителю электроэнергию, тепло с паром различных параметров, тепло с сетевой водой и некоторые другие 
виды энергопродуктов), расширением условий функционирования (работа на ФОРЭМе), увеличением диапазона режимов эксплуатации, 
вводом новых технологий и типов энергооборудования. На разработку 
и эксплуатацию ТЭС расходуются огромные средства, эффективное 
использование которых имеет большое народнохозяйственное значение. Коренное изменение взглядов на энергоресурсы и экономию топлива повышает требования к качеству проектирования и эксплуатации 
энергоблоков ТЭС.

Поэтому в современных экономических условиях необходимо и 

дальше развивать и совершенствовать эксергетический метод анализа, 
выходящий за рамки традиционных методических подходов.

Комплексный эксергетический анализ применительно к энергобло
кам ТЭС преследует две цели: учет термодинамического совершенства 
рабочих процессов и определение (и указание) путей увеличения экономии топлива, снижения электроэнергии на собственные нужды и 
затрат на реализацию и функционирование.

Эксергетический анализ опирается на способность определять зна
чение работы в различных термодинамических условиях [57]. Применяя это фундаментальное свойство эксергетического потенциала, можно оценить работоспособность потоков вещества (сплошных масс 
среды) и энергии в любой точке (в любом сечении) технологических 
процессов энергоблока. Это свойство позволяет оценить все необходимые для анализа характеристики энергоблока, его энергетических 

С

ВВЕДЕНИЕ
10

систем и агрегатов на основе общей, логически последовательной методики, имеющей главное качество – универсальность [57]. Эта методика универсальна в том смысле, что характер процессов (круговой 
или разомкнутый), формы энергии не имеют принципиального значения: подход к эксергетическому анализу и практические методики не 
изменяются. Для ТЭС важны не только параметры процессов внутри 
энергоблока, но и анализ всех возможных видов взаимодействия потоков энергии и рабочих тел вне его границ. Такие требования к анализу 
возможных процессов вне энергоблока означают, что общее представление об окружающей среде как обо «всем том, что находится за его 
пределами» [57], в этом случае недостаточно и должно быть развито с 
учетом внешних системных влияющих факторов.

При комплексном эксергетическом анализе энергоблоков ТЭС ис
следуется не только энергоблок в целом, но и его подсистемы, образуемые посредством разделения, расчленения технологической схемы 
на составные части, с целью получения наиболее полной информации 
о процессах преобразования энергии в таких подсистемах, их наивыгоднейших параметрах, режимах работы и связанных с этим затратах. 
Здесь комплексно решаются такие задачи [41, 44, 57, 63, 106, 107, 108, 
114], как технико-экономическая оптимизация параметров энергоблока 
и его подсистем, определение наивыгоднейших условий их функционирования, распределение топлива, энергии и затрат между энергопродуктами при их комплексном производстве агрегатами и в целом 
энергоблоков (или ТЭС), оценка количества и технического уровня 
энергооборудования по показателям эффективности, массовым и другим удельным эксергетическим характеристикам, обоснование и разработка норм удельного расхода эксергии и материалов, разработка 
наивыгоднейших режимов эксплуатации энергооборудования.

1.2. Эксергия топлива
11

Г л а в а  1

ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД 
К ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМУ

АНАЛИЗУ ПРОЦЕССОВ 

В ЭНЕРГОБЛОКАХ

1.1. Эксергия вещества в потоке

аибольшее практическое значение при эксергетическом 
анализе энергоблоков имеет эксергия вещества в потоке:

*
de
dh
T ds .
(1.1)

Функция e – эксергетическая, поскольку она однозначно определяется 
параметрами вещества и окружающей среды; 
*
T – температура окру
жающей среды; h, s – энтальпия и энтропия.

По Н. Эльснеру [457], эксергия представляет собой количество ра
боты, которая может быть получена от потока вещества, если выполнить обратимый переход от состояния, характеризуемого давлением p
и температурой T, в состояние равновесия с окружающей средой. Теплообмен происходит при температуре окружающей среды. Эта формулировка, как и уравнение (1.1), утверждает, что эксергия является параметром состояния, если учитывать состояние окружающей среды.

Так как при фиксированном значении 
*
T величина  e является па
раметром состояния, то сумма ее изменений в любом цикле равна нулю. Поэтому уменьшение e в одном месте тепловой схемы энергоблока 
вызовет соответствующее увеличение e в других местах схемы.

В энергоблоке увеличение эксергии происходит при сжатии пита
тельной воды в насосе, нагреве ее в регенеративных подогревателях, 

Н

Глава 1. ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ
12

в экономайзере, котле, перегревателях (основном и промежуточных). 
Эксергия пара уменьшается в турбине, в трубопроводах, в конденсаторе и регенераторе. Если увеличение эксергии обусловливается подводом тепла к рабочему телу (в экономайзере, котле, регенеративных подогревателях, пароперегревателях), либо подводом работы для сжатия 
(в насосах), то уменьшение эксергии вызывается либо производством 
работы (в турбине), либо трением (в трубопроводах, клапанах), либо 
переходом тепла в окружающую среду при конечных разностях температур. Уравнение определяет значение эксергии e в зависимости от 
параметров состояния h и s. На основе известных дифференциальных 
соотношений

p

p

dh
c dT
T
dp
T
v
v
,
(1.2)

p

c
c
T
T
ds
dp
d
T
p
T

p
v

v

v
v
(1.3)

получим

*

p

T
T
T
T
de
c
d
c
dp
dp
T
p
p
v

v

v+
v
v
,
(1.4)

где v – удельный объем; cp , cv – теплоемкости;

p

p
c
c
T
T
T
p
v

v

v
.

Обозначив функцию 
*
T
T
T через 
e, получим

e

p

de
c dT
T
dp
dp
T
p

v
v
(1.5)

и, следовательно,

p
T

e
e
de
dp
dT
p
T
,
(1.6)