Расчет тепловых схем парогазовых установок тепловых электростанций

РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ 
СХЕМ ПАРОГАЗОВЫХ 
УСТАНОВОК ТЕПЛОВЫХ 
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

А.А. КУДИНОВ
С.К. ЗИГАНШИНА
К.Р. ХУСАИНОВ

Москва
ИНФРА-М
2024

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.311.22+621.11(075.8)
ББК 31.37я73
 
К88

Р е ц е н з е н т ы:
В.В. Бирюк, доктор технических наук, профессор, заместитель заведующего 
кафедрой теплотехники и тепловых двигателей Самарского нацио нального исследовательского университета имени академика С.П. Королева;
М.Ю. Лившиц, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой 
управления и системного анализа теплоэнергетических и социотехнических 
комплексов Самарского государственного технического университета

ISBN 978-5-16-017660-4 (print)
ISBN 978-5-16-110303-6 (online)

Материалы, отмеченные знаком 
, 
доступны в электронно-библиотечной системе Znanium

© Кудинов А.А., Зиганшина С.К., 
Хусаинов К.Р., 2023

Кудинов А.А.
К88  
Расчет тепловых схем парогазовых установок тепловых электростанций : учебное пособие / А.А. Кудинов, С.К. Зиганшина, К.Р. Хусаинов. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 256 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/1865669.
ISBN 978-5-16-017660-4 (print)
ISBN 978-5-16-110303-6 (online)
Изложены основы теории повышения тепловой экономичности электростанций за счет использования газотурбинных и парогазовых технологий. Дана классификация, приведены принципиальные и расчетные тепловые схемы, параметры и характеристики газотурбинных и парогазовых 
установок различного типа, описаны принципы их действия. Приведены 
конструкции камер сгорания и особенности сжигания топлива в камерах 
сгорания газотурбинных установок. Представлены методики и примеры 
расчета тепловых схем газотурбинных установок с котлами-утилизаторами и парогазовых тепловых электростанций.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для студентов энергетических специальностей вузов и факультетов, 
обучающихся по направлениям подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника», «Энергетическое машиностроение», а также для аспирантов вузов 
и инженерно-технических работников электростанций.

УДК 621.311.22+621.11(075.8)
ББК 31.37я73

Предисловие

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся 
по направлениям подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» и 13.03.03 «Энергетическое машиностроение», в соответствии с содержанием дисциплины «Парогазовые установки 
тепловых электростанций» (96 ч аудиторных занятий, включая 
лекции, практические и лабораторные занятия, имеется курсовое 
проектирование). В книге изложены основы теории повышения 
тепловой экономичности электростанций за счет использования 
газотурбинных и парогазовых технологий. Дана классификация, 
приведены принципиальные и расчетные тепловые схемы, параметры и характеристики газотурбинных и парогазовых установок 
различного типа, описаны принципы их действия. Рассмотрены 
конструкции камер сгорания и особенности сжигания топлива в камерах сгорания газотурбинных установок. Представлены методики 
и примеры расчета тепловых схем парогазовых установок утилизационного типа.
Материал пособия изложен в простой и доступной форме 
при сохранении научной строгости. Особое внимание уделено физической трактовке рассматриваемых явлений и их техническому 
приложению. Предполагается, что студент изучил курсы «Топливо 
и теория горения», «Котельные установки тепловых электростанций», «Паротурбинные установки», «Расчет тепловых схем 
и проектирование тепловых электростанций», знаком с основами 
гидрогазодинамики, термодинамики и тепломассообмена.
Настоящее издание разработано на кафедре тепловых электрических станций ФГБОУ ВО «СамГТУ» и, по мнению авторов, 
дополняет фундаментальные учебники С.В. Цанева, В.Д. Бурова, 
А.Н. Ремезова «Газотурбинные и парогазовые установки тепловых 
электростанций» (2009), А.Д. Трухния «Парогазовые установки 
электростанций» (2013), по которым читаются одноименные курсы 
в МЭИ (ТУ) и других вузах.
Изучение материала пособия позволяет формировать у читателя навыки применения фундаментальных законов теплофизики 
и теоретической теплотехники при решении профессио нальных 
задач в области расчета тепловых схем, устройства и функционирования современных парогазовых и газотурбинных установок, 
включая технико-экономический анализ показателей их работы 
на тепловых электростанциях.

В результате изучения материалов учебного пособия студент 
будет:
знать
 
• оборудование газотурбинных (ГТУ) и парогазовых (ПГУ) установок, их конструкции и принципы действия;
 
• циклы и тепловые схемы газотурбинных и парогазовых установок;
 
• технологии производства электрической и тепловой энергии 
на парогазовых ТЭС;
 
• основные режимные и интегральные параметры ГТУ и ПГУ, 
их зависимости от внешних условий;
 
• тепловые схемы ПГУ, методики их расчетов;
 
• оборудование газотурбинных и парогазовых установок, их конструкции и принципы действия;
 
• циклы и тепловые схемы газотурбинных и парогазовых установок;
 
• методики расчетов тепловых схем газотурбинных и парогазовых 
установок;
уметь
 
• анализировать и составлять тепловые схемы ПГУ, выполнять 
их расчет;
 
• проводить испытания основного и вспомогательного энергетического оборудования парогазовых ТЭС;
 
• проектировать основное и вспомогательное оборудование парогазовых ТЭС;
 
• составлять графики проведения ремонтных и профилактических работ на парогазовых ТЭС;
 
• составлять, анализировать и рассчитывать тепловые схемы парогазовых установок;
 
• обосновывать выбор основного тепломеханического оборудования парогазовых установок;
 
• проводить испытания основного и вспомогательного оборудования парогазовых ТЭС;
владеть навыками
 
• выполнения работ, связанных с эксплуатацией энергетических 
установок, и определения параметров работы оборудования газотурбинных и парогазовых ТЭС;
 
• проектирования газотурбинных и парогазовых электростанций;
 
• выполнения работ, связанных с эксплуатацией парогазовых 
установок;
 
• контроля параметров работы оборудования газотурбинных и парогазовых ТЭС.

Замечания и пожелания по содержанию учебного пособия 
просим направлять по адресу: 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, Главный корпус, кафедра «Тепловые электрические станции».

Введение

Энергетической стратегией РФ на период до 2035 г. предусматривается обеспечение электроэнергетической и теплоэнергетической отраслей квалифицированными кадрами и преимущественно 
отечественным оборудованием. Разработку газотурбинных и парогазовых тепловых электростанций (ТЭС) планируется осуществлять на основе использования опыта изготовления и эксплуатации лицензионных газотурбинных установок (ГТУ) мощностью 
110 и 160 МВт. Важным является определение оптимальных параметров цикла ГТУ (температуры газов перед турбиной, степени 
сжатия и др.) и рацио нальной степени усложнения технологической 
схемы парогазовой установки (ПГУ). При этом новые и усовершенствованные ГТУ, которые разрабатываются для использования 
в теплоэнергетике, должны оборудоваться низкоэмиссионными камерами сгорания (с выбросами топливных NOx не более 25 ppm) 
и иметь значительный рабочий ресурс (не менее 100 тыс. ч). 
При этом котлы-утилизаторы ГТУ, работающих в составе ПГУ, 
должны проектироваться с контурами двух или трех давлений, что 
обеспечивает достаточно эффективную работу на разных производительностях.
Наиболее перспективными с точки зрения тепловой экономичности являются бинарные ПГУ чисто утилизационного типа, 
в состав которых входят одна или две ГТУ с котлами-утилизаторами (КУ) и паровая турбина. ПГУ утилизационного типа работает по комбинированному циклу Брайтона — Ренкина с довольно 
высоким КПД. На долю парогазовых установок в настоящее время 
приходится около 35% общего количества новых мощностей, вводимых на тепловых электростанциях [22, 47, 61]. Современные 
ПГУ характеризуются высоким КПД по отпуску электроэнергии 
(не менее 50%), малым расходом охлаждающей воды по сравнению 
с паротурбинными блоками той же мощности, низкими значениями 
вредных выбросов. При этом большая часть суммарной мощности 
ПГУ приходится на ГТУ. В качестве основного топлива на утилизационных парогазовых установках (ПГУ-У) используется природный газ, доля применения которого в топливном балансе РФ 
превышает 60%.
Для российской энергетики особенно актуальна задача совершенствования парогазовых установок с целью доведения КПД 
цикла Брайтона — Ренкина до 58–60% и выше, что обусловлено 

ростом цен на топливо. Для достижения высоких значений КПД 
ПГУ-У необходимо иметь достаточно высокую температуру уходящих газов на выходе из газовой турбины, тем самым обеспечивая 
высокие параметры водяного пара для паровой турбины. Следовательно, при подборе основного оборудования ПГУ следует ориентироваться на ГТУ с высокой начальной температурой рабочего 
тела [22, 58, 59, 62].
К перечню приоритетных задач развития комбинированных 
парогазовых установок относится также и повышение тепловой 
экономичности паровых турбин, КПД которых не превышает 36% 
из-за сниженных начальных параметров водяного пара и отсутствия системы регенеративного подогрева основного (турбинного) 
конденсата и воды, направляемой в контур КУ [12, 51, 58]. В этом 
случае задача наиболее полного использования теплоты уходящих 
продуктов сгорания ГТУ становится актуальной как для выработки 
перегретого водяного пара, так и для его промежуточного перегрева 
в КУ.
При работе на газообразном топливе с номинальной нагрузкой 
ПГУ-У обеспечивают выработку электрической энергии с КПД 
до 60%. Однако для работы парогазовых установок требуется подача природного газа высокого давления (p ≥ 4,0 МПа). Анализ 
рынка энергетических ресурсов РФ показывает, что необходимо 
планировать использование альтернативных источников топлива, 
среди которых наиболее перспективным является ископаемый 
уголь. Характеристики углей месторождений РФ являются лучшими в мире, кроме того, залежи углей выгодно размещены по территории страны. Использование в энергетике ископаемого угля 
обусловлено стабилизацией цен на этот вид топлива, а экологическая безопасность и экономическая эффективность использования 
угля в энергетике в перспективе будут обеспечены переходом 
от сжигания угля в топках теплогенерирующих установок к технологиям глубокой комплексной его переработки, в том числе и с получением водорода [59, 61, 63]. В связи с этим перспективными 
являются разработка и внедрение тепловых электростанций с параллельной схемой работы на базе отечественных паротурбинных 
и газотурбинных установок с котлами-утилизаторами, генерирующими пар среднего и высокого давления.

Глава 1. 

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ. 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ ОТКРЫТОГО ТИПА

На тепловых электрических станциях широко используются 
газотурбинные установки открытого типа с подводом теплоты 
к рабочему веществу (телу) при постоянном давлении (p = const) 
(рис. 1.1) [13, 17]. Предварительно очищенный атмосферный воздух 
поступает в турбокомпрессор, где его давление повышается до необходимого, после чего воздух поступает в камеру сгорания ГТУ. 
На входе в камеру сгорания сжатый в турбокомпрессоре воздух разделяется на два потока: первичный и вторичный. Первичный поток 
воздуха в количестве, необходимом для сгорания органического 
топлива (20–40%), подается в активную зону горения. Туда же одновременно подается органическое топливо, осуществляется смешение топлива с воздухом и горение образовавшейся топливовоздушной смеси, образуются продукты сгорания. Вторичный поток 
воздуха в количестве 60–80% обтекает активную зону камеры сгорания снаружи, охлаждает ее стенки и смешивается с продуктами 
сгорания с целью понижения их температуры.

Воздух

Газы

ЭГ

4

1

2

3

ТК
ГТ
ПЭ

ПТ

КС

ДК

ВУ

Тл

Рис. 1.1. Принципиальная тепловая схема ГТУ открытого типа:
ВУ — воздухоочистительное устройство; ТК — турбокомпрессор; 
ЭГ — электрогенератор; КС — камера сгорания; ГТ — газовая турбина; 
Тл — топливо; ПТ — подогреватель топлива; ДК — дожимной компрессор; 
ПЭ — пусковой электродвигатель

Смесь продуктов сгорания органического топлива с воздухом 
(газы) подается в газовую турбину. Газовая турбина — это тепловой двигатель, который состоит из двух основных частей: ротора 
(вращающийся диск с радиальными лопатками), корпуса (статор). 
В турбине рабочее тело — газы расширяются, при этом совершается 
работа, которая первоначально затрачивается на вращение ротора 
газовой турбины.
Полная мощность, вырабатываемая газовой турбиной, расходуется на привод турбокомпрессора и других вспомогательных механизмов (60–70%), а оставшаяся (избыточная) часть (30–40%) передается потребителю, например, преобразуется в электрическую 
энергию в электрогенераторе. Запуск газотурбинной установки осуществляется специальным (пусковым) электродвигателем, а зажигание органического топлива производится только при запуске ГТУ. 
Для этого в камере сгорания устанавливается электрическая «свеча».
В ГТУ химическая энергия сжигаемого органического топлива 
преобразуется в электрическую энергию в одной компактной установке в отличие от более сложных и громоздких паросиловых установок, которые состоят из парового котла, паровой турбины, электрогенератора и вспомогательного тепломеханического оборудования.
С целью повышения экономичности — снижения расхода органического топлива тепловые схемы энергетических ГТУ (см. 
рис. 1.1) усложняют, например, путем использования теплообменного аппарата поверхностного типа — регенератора, в котором 
теплота отработавших в турбине газов используется для подогрева 
поступающего в камеру сгорания воздуха, применения ступенчатого сжигания органического топлива в камерах сгорания ГТУ, 
расположенных последовательно по ходу движения газов между 
турбинами, осуществления двухступенчатого и реже — трехступенчатого сжатия воздуха и др.
Энергетические ГТУ условно разделяют на установки малой 
и средней мощности (до 25–30 МВт), которые, как правило, создаются на базе газотурбинных двигателей, и ГТУ большой мощности 
(70–300 МВт), которые часто выполняют одновальными, иногда 
с использованием регенерации. Технические характеристики энергетических ГТУ приведены в приложении 1.

1.2. ЦИКЛ БРАЙТОНА ГТУ С ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ 
К РАБОЧЕМУ ТЕЛУ ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ

Основой технологического процесса выработки механической 
энергии газотурбинной установкой является цикл Брайтона. 

На рис. 1.2 в Т, s-диаграмме представлены совмещенные термодинамический (идеальный) и действительный циклы ГТУ (циклы 
Брайтона) со сгоранием органического топлива при p = const [13, 
17, 22]. При рассмотрении идеального цикла приняты следующие 
допущения:
1) цикл замкнут, рабочим телом является идеальный газ, 
имеющий постоянные количество, состав и теплоемкость;
2) все процессы в цикле протекают без тепловых и гидравлических потерь и обратимы;
3) процессы сжатия в турбокомпрессоре и расширения в газовой турбине являются адиабатными, протекают при s = const, так 
как потери отсутствуют.
 

s3  

4

 
4 ′ 

3  

4  
2′  

2 

1  

1′  

s2  

q1  

q2  

Т 

s  

Рис. 1.2. Цикл Брайтона ГТУ с изобарным подводом теплоты 
к рабочему телу

Для идеального цикла линия 3–4′ означает адиабатное (изоэнтропийное) сжатие идеального газа (воздуха) в турбокомпрессоре, 
сопровождающееся повышением его p и T от начальных значений 
p3, Т3 до p4, Т4. В действительном цикле сжатие воздуха сопровождается внутренними потерями в турбокомпрессоре по линии 3–4,