Расчет двухтопливной ПГУ с параллельной схемой работы

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
 
 
РАСЧЕТ ДВУХТОПЛИВНОЙ ПГУ  
С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СХЕМОЙ  
РАБОТЫ 
 
 
Утверждено  
Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

УДК 621.18.01(075.8) 
  Р 248 
Коллектив авторов 
П.А. Щинников, О.В. Боруш, А.А. Францева, А.А. Зуева 
 
Рецензенты 
д-р техн. наук, доцент Ю.В. Овчинников 
канд. техн. наук, доцент Ю.И. Шаров 
 
Работа подготовлена на кафедре ТЭС 
 
Р 248  
Расчет двухтопливной ПГУ с параллельной схемой работы: 
учебное пособие / П.А. Щинников, О.В. Боруш, А.А. Францева,  
А.А. Зуева. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 112 с. 

ISBN 978-5-7782-3922-7 

Пособие содержит теоретические и аналитические сведения о двухтопливных ПГУ параллельного типа, а также алгоритм их расчетов при любом сочетании мощностей газовой и паровой части установки.  
В пособии представлены характеристики большинства производимых в 
мире газовых турбин, в том числе конверсионных и перспективных средней и 
большой мощности с локализацией в России.  
Учебное пособие предназначено для подготовки магистров по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника». Может быть полезно специалистам, 
проектирующим тепловые электростанции и широкому кругу практикующих 
энергетиков. 
УДК 621.18.01(075.8) 
Щинников Павел Александрович 
Боруш Олеся Владимировна 
Францева Алина Алексеевна  
Зуева Анна Александровна 
 
РАСЧЕТ ДВУХТОПЛИВНОЙ ПГУ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СХЕМОЙ РАБОТЫ 

Учебное пособие 

Редактор И.Л. Кескевич 
Выпускающий редактор И.П. Брованова 
Корректор И.Е. Семенова 
Дизайн обложки А.В. Ладыжская 
Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова 

Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции 
Издание соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП) 

Подписано в печать 20.06.2019. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная 

Тираж 50 экз. Уч.-изд. л. 6,51. Печ. л. 7,0. Изд. № 21. Заказ № 1016. Цена договорная 

Отпечатано в типографии 
Новосибирского государственного технического университета 
630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20 
 
ISBN 978-5-7782-3922-7 
© Коллектив авторов, 2019 
 
© Новосибирский государственный 
 
    технический университет, 2019 

ВВЕДЕНИЕ 

Учебное пособие состоит из двух глав. Первая содержит теоретические сведения, в которых представлены классификационные признаки ПГУ, дано определение коэффициента бинарности, отражены принципы формирования двухтопливных ПГУ. Показаны некоторые 
аналитические результаты исследований двухтопливных ПГУ и даны 
примеры тепловых схем подобных установок.  
Вторая глава пособия содержит алгоритм расчетов двухтопливных 
ПГУ параллельного типа при любом сочетании мощностей газовой и 
паровой части установки. При выполнении задания студенты разрабатывают конфигурацию и определяют энергетические, конструктивные 
и технико-экономические характеристики двухтопливной ПГУ параллельного типа. Затем ее сравнивают с угольными и газовыми технологиями генерации энергии. При этом последовательно выполняются: 
расчеты газотурбинной и паротурбинной части установки; формирование тепловой схемы парогазовой установки; формирование компоновочных схем котла-утилизатора и парового котла; определение тепловых потоков, передаваемых к каждой поверхности нагрева, их 
площадей и выбор материалов изготовления; расчеты автономного режима работы паротурбинной части установки и комбинированного 
режима работы ПГУ; определение технико-экономических показателей разрабатываемой ПГУ; соотношение цен на топливо, при котором 
обеспечивается равная эффективность работы двухтопливной ПГУ в 
сравнении с традиционной угольной ТЭС и бинарной ПГУ сбросного 
типа. 
Кроме того, пособие содержит вопросы для самопроверки и защиты работы, список литературы и приложения, в которых представлена 
справочная информация. В приложениях представлены характеристики большинства производимых в мире газовых турбин, в том числе 

конверсионных и перспективных средней и большой мощности с локализацией в России. Приведены примеры тепловых схем двухтопливных ПГУ параллельного типа.  
Пособие может использоваться в учебном процессе, а представленный алгоритм расчетов пригоден для проектных и предпроектных задач создания двухтопливных парогазовых установок параллельного 
типа и для задач сравнения различных технологий генерации энергии. 
Применимость разработанного подхода обусловлена тем, что задачи 
сравнения, характерные для стадии предпроектных работ, различных 
технологий генерации не требуют глубокой детализации их технических решений.  
 
 
 
 

Глава 1 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ  
О ДВУХТОПЛИВНЫХ ПГУ 

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВКАХ  
И КОЭФФИЦИЕНТЕ БИНАРНОСТИ 

Парогазовые установки (ПГУ) являются современными и перспективными. Они применяются все более широко как при новом строительстве, так и в рамках модернизации действующих энергоблоков и 
станций. В частности, в Российской Федерации за период с 2007 по 
2017 г. доля генерации электроэнергии на основе применения парогазовых установок увеличена с 0,6 до 8 %, а их установленная мощность 
в 2017 г. составила свыше 20 ГВт против 1,3 ГВт в 2007 г.  
Строгой классификации таких установок к сегодняшнему дню не 
выработано из-за многообразия технических схем и возможностей их 
применения. Вместе с тем чаще всего выделяют установки низко- и 
высоконапорные, а также сбросного типа и с дожиганием топлива 
(рис. 1.1). 
Наиболее широко в мировой и отечественной энергетике применяют установки низконапорные сбросного типа. Термодинамический 
цикл и принципиальная тепловая схема простейшей подобной установки показаны на рис. 1.2. Здесь реализованы два термодинамических 
цикла: цикл Брайтона – для газотурбинной и цикл Ренкина – для паротурбинной части установки. Можно видеть, что теплоту к ПГУ подводят 
в камере сгорания газотурбинной установки (ГТУ), где нагревается воздух, предварительно сжатый в компрессоре (К), который затем совершает работу А в газовой турбине (ГТ). После ГТУ воздух, имеющий еще 
достаточно высокую температуру, направляют в котел-утилизатор (КУ),  

ПГУ

НИЗКОНАПОРНЫЕ

Генерацию пара осуществляют
газами, отработавшими
в газовой турбине, а охлаждение
газов для ГТУ осуществляют
воздухом 

ВЫСОКОНАПОРНЫЕ

Охлаждение газов для ГТУ ведут
за счет генерации пара высоких
параметров

СБРОСНОГО ТИПА

Генерацию пара ведут
за счет газов,
отработавших в ГТУ

С ДОЖИГАНИЕМ

Генерацию пара ведут
за счет отработавших в ГТУ
газов совместно с сжиганием
дополнительно топлива
в парогенераторе

 
Рис. 1.1. Классификационные признаки ПГУ 

 
 

s

A

A

Qпод 

Qотв 
Qотв 
t*

t 

    

ГТУ 

КУ

ПТУ 

газ

К 
ГТ 

 
                              а                                                              б 

Рис. 1.2. Теоретический цикл (а) и принципиальная тепловая схема простейшей ПГУ сбросного типа с низконапорным парогенератором (котлом- 
                                                  утилизатором) (б):  

Qпод, Qотв – подведенная к установке и отведенная от нее теплота; А – работа; t* – 
температура окружающей среды; ГТУ –газотурбинная установка, ПТУ – паротур- 
 бинная установка; КУ – котел-утилизатор, К – компрессор, ГТ – газовая турбина 

в котором обеспечивают генерацию пара, и затем сбрасывают в атмосферу. Пар, двигаясь по собственному замкнутому контуру подобно 
традиционной паросиловой ТЭС, совершает работу в паротурбинной 
установке (ПТУ). Пар не имеет высоких параметров, характерных для 
автономных паросиловых установок, так как генерируется на «сбросном» тепле ГТУ. Отсюда получены классификационные признаки – 
низкий напор в парогенераторе (ННПГ) и сбросной тип. Топливом в 
таких установках чаще всего служит газ, реже – жидкое топливо. 
Кроме установок сбросного типа в учебной и научной литературе 
чаще всего встречаются описания высоконапорных установок и установок с дожиганием топлива. 
В высоконапорных установках (или установках с высоконапорным 
парогенератором, ВНПГ) теплота в комбинированном цикле подводится в ВНПГ, где обеспечивается генерация пара высоких параметров, и 
затем продукты сгорания совершают работу в газовой турбине (цикл 
Брайтона), рис. 1.3. Отработавшие в ГТУ газы отдают оставшуюся 
часть теплоты низкопотенциальной группе паросилового контура 
установки. Паросиловой контур работает по циклу Ренкина, и в нем 
обеспечиваются более высокие параметры, чем в ПГУ сбросного типа, 
рис. 1.3, б.  
 

s

A

A

Qпод 

Qотв 
Qотв 
t*

t 

       

ВНПГ

ГТУ

ПН

ПТУ

газ

КН

ТВД

ТНД

 
       а                                                            б  
Рис. 1.3. Теоретический цикл (а) и принципиальная тепловая  
схема (б) простейшей высоконапорной ПГУ: 

ВНПГ – высоконапорный парогенератор; ТВД, ТНД – теплообменники 
высокого и низкого давления; КН, ПН – конденсатный и питательный  
               насосы; остальные обозначения те же, что и на рис. 1.2 

В установках с дожиганием топлива реализуют подвод теплоты в 
двух точках термодинамического цикла (рис. 1.4). В первой точке, в камере сгорания ГТУ (при реализации цикла Брайтона), и этим топливом 
является газ, в другой точке – в паровом котле (при реализации цикла 
Ренкина), и этим топливом может являться уголь. Подвод теплоты в паровом котле за счет сжигания топлива обеспечивает высокие параметры 
цикла Ренкина, а использование угля расширяет возможности его применения до рамок ПГУ при обеспечении КПД комбинированного цикла, 
недостижимого для других «чисто» угольных технологий.  
Отработавшие в ГТУ газы используют в котле-утилизаторе для генерации пара, который затем направляют в ПТУ, что повышает общую 
эффективность установки (рис. 1.4). Поскольку пар в паровом котле и 
котле-утилизаторе генерируют с разделением общего потока питательной воды и дальнейшим смешением парового потока в проточной части турбины, такие схемы получили название параллельных. 
 

s

A 

A

Qотв 
Qотв 
t*

t 

газ
под
Q
 

уголь
под
Q

     

ГТУ 

КУ

газ 

уголь ПК 

 
                          а                                                           б 

Рис. 1.4. Теоретический цикл (а) и принципиальная тепловая схема (б)  
для ПГУ с дожиганием топлива и параллельной схемой работы: 

ПК – паровой котел; остальные обозначения те же, что и на рис. 1.2 

Общую эффективность ПГУ любого типа можно определить по 
выражению 

ГТУ
ПТУ
ПГУ
р
н

+
η
N
N

Q B


 

 


ГТУ
o
ГТУ
к эм
т
с.н
γη
η (1
γη
)η η
η (1
).
i
k




  
(1.1) 

В этом выражении 
ГТУ
N
 – мощность электрическая ГТУ; 
ПТУ
N
 – 

мощность электрическая ПТУ; 
р
н
Q  – низшая рабочая теплота сгорания 
топлива; B – расход топлива; 
ПГУ
η
, 
o
η i , 
к
η , 
эм
η
, 
т
η  – КПД ГТУ, 
внутренний относительный паровой турбины, котла, электромеханический и транспорта теплоты соответственно; 
с.н
k
 – коэффициент собственных нужд;  – коэффициент бинарности. 
В физическом смысле коэффициент бинарности характеризует то 
количество теплоты, которое подведено в цикле Брайтона по отношению к полной подведенной теплоте к комбинированной установке [1]. 
Коэффициент бинарности определяют как 

 

ГТУ
ГТУ
под
под
ПГУ
ГТУ
ПТУ
под
под
под

γ
,
Q
Q

Q
Q
Q



 
(1.2) 

где 
ГТУ
под
Q
, 
ПТУ
под
Q
 – подводимая к парогазовой установке (ПГУ) энергия 
в камере сгорания газовой турбины и в паровом котле соответственно.  
В том случае, когда к паровому котлу нет подвода энергии 


ПТУ
под
0
Q

, коэффициент бинарности становится равен единице ( = 1). 
В таких установках нет энергетического парового котла, а генерацию 
пара для цикла Ренкина производят в котле-утилизаторе. Эти установки получили название «установки бинарного цикла» или «бинарные 
ПГУ». Если 
ПТУ
под > 0
Q
, то коэффициент бинарности меньше единицы 
( < 1) и тогда к установке обеспечивается подвод энергии дополнительно к тому, который введен в камеру сгорания газовой турбины. 
Такие установки получили название ПГУ с бинарностью меньше единицы. Если в качестве топлива для камеры сгорания ГТУ используется 
один его вид, а для обеспечения дополнительного подвода энергии – 
другой, то такие установки называются двухтопливными ПГУ. Когда 
топливом для газовой турбины и энергетического котла служит газ с 

одной теплотой сгорания 


р
р
н(ГТУ)
н(ПТУ)
Q
Q

, выражение для опреде
ления коэффициента бинарности примет вид 

 

ГТУ
ГТУ
под
под
ПГУ
ГТУ
ПТУ
под
под
под

γ
.
B
B

B
B
B



 
(1.3) 

Анализ выражения (1.1) показывает, что при 
ГТУ

 = 0,36; 
оi

 = 0,86; 

к
  = 0,9; 
эм

 = 0,98; 
т
  = 0,98 и при с.н
k
 = 10 % может быть обеспечен 
ПГУ

 = 0,74 (для бинарных ПГУ,  = 1). Вместе с тем сегодня достижимы и более высокие показатели эффективности технических систем и агрегатов энергетических установок, что позволяет иметь еще 
более высокие теоретически достижимые 
ПГУ

. 
Установки с бинарностью меньше единицы позволяют вовлекать 
уголь в парогазовые технологии и добиваться наиболее высокой эффективности использования органического топлива данного вида.  

1.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 
ДВУХТОПЛИВНЫХ ПГУ 

Выше отмечалось, что одним из путей повышения эффективности 
в области генерации энергии может быть применение ПГУ с коэффициентом бинарности меньше единицы, что позволяет использовать в 
парогазовом цикле уголь. В этом случае уголь сжигают для генерации 
пара высоких параметров, а сжигание газа применяют для нагрева воздуха в газотурбиной установке [2, 3]. 
Термодинамическая особенность комбинированного цикла с бинарностью меньше единицы заключается в следующем. Подвод энергии осуществляют в двух местах (рис. 1.5, а): в камеру сгорания газо
вой турбины 

ГТУ
под
Q
 для обеспечения работы в газотурбиной части 

(1–2–3–4–1) цикла и в паровой энергетический котел 

ПТУ
под
Q
, для 
получения высоких параметров генерируемого пара в паросиловой части (0–П–ПП–к–к–ПВ–0) цикла. Отработавший в газовой турбине 

тепловой поток 

ГТУ
отв
Q
 также передается в пароводяной (паросиловой) контур комбинированного цикла через котел-утилизатор. Указанный поток можно использовать в качестве окислителя в энергетическом котле. В этом случае газы, отработавшие в газовой турбине, 
разделяются на две части. Одну часть направляют в котел-утилизатор, 
а другую – в паровой энергетический котел. В обоих случаях полезную 
продукцию в виде электроэнергии получают как в газотурбинной 

ГТУ
(
)
N
, так и в паротурбинной 
ПТУ
(
)
N
 части комбинированного 
цикла.