Энергоёмкость технически оптимизированной схемы тепловой комбинированной установки с учётом эксергетических потерь

В научной статье производится оценка эффективности работы газотурбинной установки комбинированного цикла с применением метода расширенного учета эксергии. Метод расширенного учёта эксергии позволяет производить количественное сравнение физических потоков энергии и неэнергетических величин. Оценивается ресурсное потребление, просчитываются капитальные затраты и воздействие на окружающую среду. Метод описывает различные сценарии общебазового потребления первичных ресурсов. Исследуемая установка находится в городе Басра, имеет коэффициент полезного действия 58 %, обеспечивает высокую аннигиляцию эксергии до 1000 МВт. Газотурбинная установка комбинированного цикла является экономически целесообразной. Часть установки использует солнечную энергию для увеличения коэффициента полезного действия. Экономия топливных ресурсов при грамотной оптимизации может достигать до 35 % в год. Это обусловлено высоким термодинамическим потенциалом и низким энергетическим потреблением в 750 МВт. При интеграции современной системы автоматического управления, установке солнечных коллекторов и применении воздушноводяного охлаждения производительность установки повышается до 63 %. Полезная мощность повышается с 350 МВт до 410 МВт. Происходит незначительное повышение капитальных затрат, но при этом энергетические потери снижаются на 73 % и повышается надежность обслуживания. Выполняется анализ потерь комбинированной установки в термодинамических процессах. Выявляются причины снижения мощностных показателей и эффективности. Затраты на электрическую энергию снижаются, чистая приведенная стоимость и внутренняя норма доходности повышается, мощностные показатели увеличиваются.

Цель научного исследования заключается в оптимизации мощностных показателей и снижении энергетических потерь комбинированной газотурбинной установки методом расширенной эксергии.

Научная новизна статьи заключается в количественном сравнении производственных процессов и расширении традиционного эксергетического анализа.

Применение метода расширенного учета эксергии улучшает термодинамическое исполнение и эффективность топливных процессов. Термодинамическое исполнение процессов оптимизируется через составление эксергетического баланса, коэффициента полезного действия, выявление и контроль элементов установки с наибольшими эксергетическими потерями.

1. Андреев А. С., Аксенчик К. В. Моделирование и оценка внедрения в практику энерготехнологического топочного устройства // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. – 2022. – № 12(68). – С. 81-88. DOI: 10.6060ivkkt.20226506.6525.

2. Мракин А. Н., Афанасьева О. В., Карпилов И. Д., Севергина Е. С. Эксергетический анализ системы термохимической регенерации теплоты на базе паровой конверсии метана // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. – 2023. – № 12(68). – С. 124-131. DOI: 10.6060/ ivkkt.20236612.6950.

3. Осинцев К. В., Корнякова О. Ю., Болков Я. С., Кончаков В. О., Карелин А. М. Экспериментальное исследование энерготехнологического комплекса опреснения морской воды на базе теплового насоса. Часть 1. Тепловой насос // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2023. – № 3(25). – С. 59-70. DOI: 10.14529/ power240107.

4. Буланин В. А. Использование газовых турбин для комбинированного производства энергии // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. – 2020. – № 1(47). – С. 8-18. DOI: 10.21822/2073-6185-2020-47-1-8-18.

5. Косой Е. В. Эксергетический анализ цикла Аллама и цикла бескомпрессорной парогазовой установки (ОИВТ) // Теплоэнергетика. – 2023. – № 7. – С. 29-50. DOI: 10.31790/1999-5516-2023-7-3-11.

6. Султанов М. М., Курьянова Е. В. Исследование применения водорода в качестве топлива для улучшения энергетических и экологических показателей работы газотурбинных установок // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2021. – № 2(719). – С. 46-55. DOI: 10.30724/1998-9903-2021-23-2-40-55.

7. Москаленко А. Б. Исследование экономической эффективности энергоблока ПГУ при использовании обводного парораспределения на паровой турбине // Международный научно-исследовательский журнал. – 2022. – № 10(124). – С. 1-5. DOI: 10.23670/IRJ.2022.124.10.

8. Shchinnikov P. A., Borush O. V., Zykov S. V. Оптимальное распределение электрической и тепловой нагрузок между агрегатами теплоэлектроцентрали // Известия академии наук. – 2018. – № 6. – С. 1-5. DOI: 10.31857/S000233100003520-6.

9. Эткин В. А. Актуальные задачи современной термодинамики // Проблемы науки. – 2018. – № 1(94). – С. 13-29.

10. Герасименко П. В. Сравнительный анализ активной жизни выдающихся ученых-математиков, рожденных в разные столетия // Известия Петербургского университета путей сообщения. – 2022. – № 19(1). – С. 105-115. DOI: 10.20295/1815-588X-2022-1-105-115.

11. Татаринова Н. В., Сущих В. М. Исследование расходных и мощностных характеристик последних отсеков теплофикационных паровых турбин // Проблемы региональной энергетики. – 2018. – № 3(44). – С. 79-90. DOI: 10.5281/zenodo.3562205.

12. Овсянник А. В., Ключинский В. П. Выбор, расчет и термодинамический анализ турбоустановок на органическом цикле Ренкина // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. – 2022. – № 1(65). – С. 76-88. DOI: https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-1-76-88.

13. Бибиков Д. Р., Полей А. К., Кулик А. В. Эксергетический анализ когенерационных энергоисточников // Журнал СФУ. Техника и технологии. – 2020. – № 6. – С. 690-701. DOI: 10.17516/1999-494X-0257.

14. Жамолова Ф. Р. К., Норбоев А. Т. У., Kенжаева Г. А. К. Эксергетический анализ абсорбционной холодильной машины // EJAR. – 2024. – № 5(1). – С. 53-58. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.11148879.

15. Карабута В. С. Метод оценки энергоэффективности оборудования систем энергообеспечения предприятий агропромышленного комплекса // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. – 2016. – № 4(82). – С. 287-295. DOI: 10.17223/22274789/44/28.

16. Комаров О. В., Саммур А. А., Зубков И. С., Блинов В. Л. Эксергетический анализ термодинамических характеристик газотурбинной установки // Известия МГТУ «МАМИ». – 2023. – № 4. – С. 321-329. DOI: 10.17816/2074-0530-492278.

17. Романюк В. Н., Нияковский А. М. Научно-методические основы эксергетического анализа процессов тепловой обработки бетонных изделий в теплотехнологических установках. Часть 1 // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. – 2021. – № 3(64). – С. 259-274. DOI: https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-3-259-274.

18. Носырева Д. А. Оценка влияния температуры наружного воздуха на эффективность работы ГТУ // Экономика и бизнес: теория и практика. – 2020. – № 1(2). – С. 65-71. DOI: 10.24411/2411-0450-2020-10049.

19. Ямано Т. Эффективность термодинамики при существовании уровней энергии, зависящих от температуры // Физическая химия. Химическая физика. – 2016. – № 7. – С. 1234-1238. DOI: 10.1039/C6CP00772H.

20. Москаленко А. Б. Исследование экономической эффективности энергоблока ПГУ при использовании обводного парораспределения на паровой турбине // МНИЖ. – 2022. – № 10 (124). – С. 1-5. DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.124.10.

21. Елсуков Н. С., Аникина И. Д., Голубев С. Е. Оптимизация режимов ТЭЦ с парогазовым и паротурбинным энергоблоками для максимизации прибыли на балансирующем сегменте оптового рынка электроэнергии // Известия вузов. Проблемы энергетики. – 2025. – № 2. – С. 138-154. DOI: 10.30724/19989903-2025-27-2-138-153.

22. Larson A. World’s most-efficient combined cycle plant: EDF Bouchain // Power. – 2017. – № 161(9). – С. 1-3.

23. Галашов Н. Н., Болдушевский Е. С. Разработка и расчет схемы комбинированной газопаровой установки с глубокой утилизацией теплоты и влаги // Известия ТПУ. – 2025. – № 3(336). – С. 100-111. DOI: 10.18799/24131830/2025/3/4925.

24. Стертюков К. Г., Стародубцева О. А. Проблемы внедрения новых технологий и технических средств с целью увеличения КПД в энергетической отрасли // Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления. – 2018. – № 25. – С. 58-74. DOI: 10.15593/perm.mech/2018.1.02.

25. Мракин А. Н., Афанасьева О. В., Карпилов И. Д., Севергина Е. С. Эксергетический анализ системы термохимической регенерации теплоты на базе паровой конверсии метана // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. – 2023. – № 12. – С. 124-132. DOI: 10.6060/ivkkt.20236612.6950.

26. Подшивалов Е. С., Крюков О. В., Гуляев И. В., Саушев А. В. Анализ эффективности абсорбционных холодильных машин для улучшения показателей газотурбинных газоперекачивающих агрегатов // Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение». – 2026. – № 1. – С. 57-68. DOI: https://doi.org/10.25206/2588-0373-2026-10-1-57-67 EDN: SCERIB.

27. Михайлов В., Кругликов П., Верткин М. Формирование программы «Энергетика больших мощностей нового поколения» в неравновесных экономических условиях // ЭП. – 2023. – № 5(183). – С. 78-99. DOI: 10.46920/2409-5516_2023_5183_78.

28. Галашов Н. Н., Туболев А. А., Болдушевский Е. С., Минор А. А. Влияние расхода пара в камеру сгорания контактной газопаровой установки на ее энергетические характеристики // Известия ТПУ. – 2024. – № 2. – С. 48-59. DOI: 10.18799/24131830/2024/2/4436.

29. Кортиков Н. Н. Оптимизация системы охлаждения сопловой лопатки энергетической газовой турбины // Материаловедение. Энергетика. – 2021. – № 4(27). – С. 85-95. DOI: 10.18721/JEST.27406.

30. Ломовской В. А., Чугунов Ю. В., Шатохина С. А. Методика исследования внутреннего трения в режиме свободно затухающего колебательного процесса. Ч. 3. Механизмы внутреннего трения // НП. – 2024. – № 2(34). – С. 17-29. DOI: 10.24412/2788-4357-2024-2-17-29.

31. Андреев А. С., Аксенчик К. В. Моделирование и оценка внедрения в практику энерготехнологического топочного устройства // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. – 2022. – № 6 – С. 81-88. DOI: 10.6060/ivkkt.20226506.6525.

32. Письменный В. Л. Методы и способы повышения температуры газа перед турбиной газотурбинного двигателя // Известия вузов. Машиностроение. – 2023. – № 6(759). – С. 108-119. DOI: 10.18698/0536-1044-2023-6-108-118.

33. Феоктистов Д. В., Кузнецов Г. В., Абедтазехабади А., Орлова Е. Г., Бондарчук С. П., Дорожкин А. В. Повышение энергоэффективности систем охлаждения энергонасыщенного оборудования путём смещения кризиса теплообмена второго рода в область более высоких температур // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – № 334 (4). – С. 72-88. DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2023/4/4097.

34. Менделеев Д. И., Марьин Г. Е., Галицкий Ю. Я., Ахметшин А. Р. Исследование влияния условий эксплуатации на эффективность использования абсорбционно-холодильной машины в цикле газотурбинных и парогазовых установок // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2020. – № 24 (4). – С. 821-831. DOI: https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-4-821-831.

35. Малинина О. С., Бараненко А. В., Аль-Фураиджи М. А. О., Лядова Е. Е., Комаров К. А. Эффективность абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины с многоступенчатыми процессами абсорбции и генерации со связанным потоком массы // Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение». – 2021. – № 5(2). – С. 9-17. DOI: 10.25206/2588-0373-2021-5-2-9-17.

36. Игнатова Т. В., Житомирский Б. Л. К вопросу о влиянии температуры окружающего воздуха на эффективность газоперекачивающих агрегатов // Тр. РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина. – 2022. – № 1(306). – С. 83-91. DOI: 10.33285/2073-9028-2022-1(306)-83-91.

37. Смирнов Н. В., Смирнова Т. Е., Смирнова М. А., Смирнов М. Н. Разностные динамические модели межотраслевого баланса // Вестник СПбГУ. Серия 10. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. – 2023. – № 1. – С. 51-65. DOI: https://doi.org/10.21638/11701/spbul0.2023.105.

38. Хрусталев В. А., Башлыков Д. О. Повышение системной эффективности энергоблоков АЭС интегрированием с ГТУ в энергокомплексах – единых объектах регулирования // Вестник СГТУ. – 2015. – № 1(80). – С. 207-215. DOI: 10.18506/2076-9033-2015-80-207-215.

39. Вялкова С. А., Корнюкова О. А., Надтока И. И. Математическое моделирование и прогнозирование значений электропотребления на основе алгоритма деревьев решений // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 2025. – № 68(3). – С. 130-136. DOI: https://doi.org/10.17213/0136-3360-2025-3-130-136.

40. Акатьев В. А., Волкова Л. В., Седляров О. И., Тюрин М. П. Повышение эффективности электроэнергетики при реализации договоров предоставления мощности на основе ступенчатого подогрева в котлах-утилизаторах конденсата паротурбинных установок // Международный научно-исследовательский журнал. – 2024. – № 7 (145). – С. 1-9. DOI: https://doi.org/10.60797/IRJ.2024.145.27.

41. Абакумов А. М., Зубков Ю. В., Абакумов О.А. Управление электроприводами установок охлаждения газа с учётом индивидуальных характеристик аппаратов воздушного охлаждения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2024. – № 8. – С. 567-571. DOI: 10.24412/2071-6168-2024-8-567-568.

42. Катков В. В. Повышение электрической мощности на теплоэлектроцентралях в летний период времени // Universum: технические науки. – 2025. – № 5(134). – С. 36-38. DOI: 10.32743/UniTech.2025.134.5.20156.

43. Яхья М. А. К., Головкина А. Г. Математическое моделирование и оптимальное управление энергопотреблением микросети комбинированной выработки тепла и электроэнергии // Вестник СанктПетербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. – 2024. – № 4 (20). – С. 446-466. DOI: https://doi.org/10.21638/spbu10.2024.402.

44. Ради М. Р., Шевлюгин М. В. Оценка целесообразности создания собственной генерации на основе укрупненных расчетов газотурбинных установок // БРНИ. – 2025. – № 3. – С. 47-61. DOI: 10.20295/2223-9987-2025-3-47-60.

45. Сайтова А., Ильинский А. Декарбонизация российской энергетики в условиях санкций и мирового энергоперехода // ЭП. – 2022. – № 6(172). – С. 42-56. DOI: 10.46920/2409-5516_2022_6172_42.

46. В. Ю. Игнатов и Ю. Е. Николаев Определение экономических показателей автономного энергокомплекса на базе ГТУ, ВЭУ и электрических аккумуляторов // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2021. – № 4(6). – С. 61-72. DOI: 10.15518/isjaee.2021.04-06.061-072.

47. Малинина О. С., Бараненко А. В. Сопоставление эффективности термодинамических циклов абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин // Омский научный вестник. Сер. Авиационноракетное и энергетическое машиностроение. – 2020. – № 2(4). – С. 27-36. DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-27-36.

48. Холманский А. С., Чирков В. Г., Кожевников Ю. А. Оценка теплотворной способности органических компонентов биотоплива // Экология промышленного производства. – 2016. – № 1. – С. 62-66. DOI: 10.12737/2079-0392-2016-1-62-66.

49. Малинина О. С., Бараненко А. В., Лядова Е. Е. Анализ эффективности термодинамического цикла абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машины с двухступенчатой абсорбцией и трёхступенчатой генерацией со связанным потоком массы // Вестник Международной академии холода. – 2020. – № 4. – С. 12-19. DOI: 10.17586/1606 4313 2020 19 4-12-19.

50. Боруш О. В., Григорьева О. К., Францева А. А. Тепловые и аэродинамические характеристики воздушно-конденсационной установки в составе паротурбинного энергоблока // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2024. – № 26 (1). – С. 93-106. DOI: 10.30724/1998-9903-2024-26-1-93-106.

51. Kaр С., Рахаман М., Рейснер Э. Топливо из воздуха: улавливание и переработка CO₂ в синтез-газ с помощью солнца и пластика // Joule. – 2023. – № 1. – С. 1-5. DOI: 10.1038/s41586-023-06044-0.

52. Швалев С. О., Сендюрев С. И. Исследование влияния геометрии системы подвода охлаждающего воздуха на эффективность охлаждения рабочей лопатки газовой турбины // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2023. – № 75. – С. 5-15. DOI: 10.15593/2224-9982/2023.75.01.

53. Асқарұлы М., Tynyshbayev М., Онгар Б., Дуйсенбек Ж., Егзекова А., Карасаева Ә. Оптимизация энергетической, эксергоэкономической и эксергосреды газотурбинной системы производства электроэнергии // Вестник КазАТК. – 2025. – № 141(6). – С. 414-423. DOI: 10.52167/1609-1817-2025-141-414-423.

54. Москаленко А. Б. Исследование экономической эффективности энергоблока ПГУ при использовании обводного парораспределения на паровой турбине // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия С. Фундаментальные науки. – 2022. – № 10(124). – С. 1-5. DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.124.10.

55. Ustinova L. N., Sirazetdinov R. M., Sirazetdinova E. R., Ustinov D. A. Энергетический сектор России: экономический аспект // Ekonomika, predprinimatelstvo i pravo. – 2023. – № 13 (2). – С. 401-412. DOI:10.18334/epp.13.2.117105.

56. Феоктистов Д. В., Кузнецов Г. В., Абедтазехабади А., Орлова Е. Г., Бондарчук С. П., Дорожкин А. В. Повышение энергоэффективности систем охлаждения энергонасыщенного оборудования путём смещения кризиса теплообмена второго рода в область более высоких температур // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – № 334 (4). – С. 72-88. DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2023/4/4097.

57. Карелин Д. Л., Болдырев А. В., Болдырев С. В., Колбин Т. Ю. Анализ испарительного и жидкостного методов охлаждения блоков топливных элементов методом относительных энергетических показателей // Машиностроение. – 2023. – № 3 (10). – С. 25-28. DOI: 10.24892/RIJIE/20230305.

58. Ливенцов В. С., Костинский С. С., Троицкий А. И., Савелов Н. С. Исследование влияния величины и коэффициента мощности нагрузки на абсолютную погрешность расчёта совокупных потерь активной мощности в системе электроснабжения // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 2023. – № 4(66). – С. 144-155. DOI: doi. org/10.17213/0136-3360-2023-4-144-155.

59. Гительман Л. Д., Кожевников М. В. Концептуальное представление энергетического перехода в электроэнергетике региона в новых реалиях // Экономика региона. – 2023. – № 3. – С. 844-860. DOI: https://doi.org/10.17059/ekon.reg.2023-3-17.

60. Тарасов С. А., Фомин В. А. Газотурбинная установка малой мощности с утилизацией теплоты в контуре с низкокипящим рабочим телом // Научнотехнические ведомости СПбГПУ. – 2017. – № 1(23). – С. 61-68. DOI: 10.18721/JEST.230106.

61. Фахразиев И. И., Мерзлякова К. С., Диденко В. Н. Исследование возможности применения газотурбинных установок для утилизации попутного нефтяного газа с высоким содержанием азота на нефтяных месторождениях Удмуртской Республики // Интеллектуальные системы в производстве. – 2017. – № 2(15). – С. 109-117. DOI: https://doi.org/10.22213/2410-9304-2017-4-109-117.

62. Горелов Ю. Г., Ананьев В. В., Золотухина Д. А. 3D исследования теплообмена и гидродинамики трактовых полок сопловых блоков турбины высокого давления с различными схемами охлаждения // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. – 2022. – № 21(2). – С. 16-27. DOI: 10.18287/2541-7533-2022-21-2-16-27.

63. Ольховский Г. Г. Наиболее мощные энергетические ГТУ // Теплоэнергетика. – 2021. – № 6. – С. 87-93. DOI: 10.1134/S0040363621060060.

64. Клер А. М., Степанова Е. Л., Жарков П. В. Оценка эффективности режимов работы теплофикационной ГТУ при эксплуатации в климатических зонах с умеренно континентальным и резко континентальным климатом с учётом неопределённости цен на отпускаемую энергетическую продукцию // Известия РАН. Энергетика. – 2021. – № 3 – С. 42-53. DOI: 10.11857/S0002311021030099.

65. Сакулин С. А. Визуализация многомерной границы Парето с применением трёхмерной когнитивной графики // Информационно-измерительные и управляющие системы. – 2025. – № 23(1). – С. 5-14. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700814-202501-01.