Парогазовые технологии на твердом топливе

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

А. Ф. Рыжков, Т. Ф. Богатова, Е. И. Левин

Парогазовые технологии  

на твердом топливе

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета  

для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки  

13.04.01, 13.03.01 — Теплоэнергетика и теплотехника

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2018 

УДК 621.311.22:662.62(075.8)
ББК 31.374я73+31.352я73
          Р93

Рецензенты: директор Свердловского филиала «Т плюс» В. А. Бусоргин; 
гендиректор «Инженерный центр “Уралтехэнерго”» В. А. Зайцев 

Научный редактор — проф., д‑р. техн. наук Б. В. Берг 

На обложке использовано изображение с сайта https://goo.gl/6U5ZPP

Р93

Рыжков, А. Ф.
Парогазовые технологии на твердом топливе : учебное пособие /  
А. Ф. Рыжков, Т. Ф. Богатова, Е. И. Левин. — Екатеринбург : Изд‑
во УрФУ, 2018. — 160 с.
ISBN 978‑5‑7996‑2355‑5

В учебном пособии излагаются вопросы конкуренции технологий производ‑

ства энергии и перспектив развития парогазовых технологий на базе твердого 
топлива. Выполнен анализ конструктивных и технологических решений и по‑
казано их влияния на эффективность выработки энергии. Рассмотрены вопро‑
сы повышения технико‑экономических и экологических показателей твердото‑
пливных парогазовых технологий.

Может быть использовано для подготовки студентов всех форм обучения 

по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника». Издание представляет ин‑
терес для аспирантов и научных работников.

Библиогр.: 15 назв. Табл. 19. Рис. 63. Прил. 3.

УДК 621.311.22:662.62(075.8)
ББК 31.374я73+31.352я73

ISBN 978‑5‑7996‑2355‑5
©Уральский федеральный  
    университет, 2018

Сокращения

ВК — воздушный котел 
ВПГ — высоконапорный парогенератор 
ВГПТУ — высокотемпературная газопаровая турбоустановка 
ВПТУ — высокотемпературная паротурбинная установка 
ВРУ — воздухоразделительная установка 
ВТУ — воздухотурбинная установка 
ВУС — водоугольная суспензия, разновидность водоугольного топлива 
ВУТ — водоугольное топливо 
ГГ — газогенератор 
ГО — газоохладитель 
ГОЧ — блок очистки газа 
ГТ — газовая турбина 
ГТУ — газотурбинная установка 
ДК — дожимной компрессор 
ЖШУ — жидкое шлакоудаление 
ЗГТУ — газотурбинная установка замкнутого цикла 
К — компрессор 
КПД — коэффициент полезного действия 
КС — камера сгорания газовой турбины 
КС — кипящий слой 
КСД — кипящий слой под давлением 
КУ — котел‑утилизатор 

Сокращения

НДТ — наилучшие доступные технологии 
ПВД — подогреватель высокого давления 
ПГУ — парогазовая установка 
ПГУ‑ВЦГ, ПГУ‑IGCC — парогазовая установка с внутрицикловой га‑

зификацией твердого топлива 

ПК — паровой котел 
ПНД — подогреватель низкого давления 
ПТ — паровая турбина 
ПТУ — паротурбинная установка 
СЖТ — синтетическое жидкое топливо 
СКП — сверхкритические параметры пара 
ССКП — суперсверхкритические параметры пара 
СТП — сухая топливоподготовка 
ТП — система топливоподготовки 
ТХК — термохимическая конверсия 
ТШУ — твердое шлакоудаление 
ТЭ — топливный элемент 
ТЭС — тепловая электрическая станция 
ТЭЦ — теплоэлектроцентраль 
ЦВД — цилиндр высокого давления
ЦК — цикловый компрессор 
ЦКС — циркулирующий кипящий слой 
ЦКСД — циркулирующий (циркуляционный) кипящий слой под дав‑

лением 

ЦНД — цилиндр низкого давления 
ЦСД — цилиндр среднего давления 

Введение

П

роизводство электроэнергии с использованием органическо‑
го топлива является базовым направлением развития миро‑
вой экономики уже многие десятилетия. Значительная часть 

рынка первичных энергоресурсов базируется на угле, и доля его постоян‑
но возрастает: с 2000 по 2015 г. доля угля возросла от 23 до 29 %, при этом 
45 % роста мирового спроса на первичные энергоресурсы обеспечивалось 
именно за счет угля*. К началу 2015 г. мощность угольных ТЭС состави‑
ла 1900 ГВт, или 50,5 %, из 3759 ГВт суммарной установленной мощности 
ТЭС мира. На них выработано 23 322 ТВт·ч, или 41,3 % от общей генера‑
ции электроэнергии в мире, рис. 1. Для справки: доля выработки на газо‑
вых ТЭС составила 27,1 % всей мировой электрогенерации, или 11 728 ГВт. 
На долю Азиатско‑Тихоокеанского региона ** приходится 64 % угольных 
ТЭС. Средняя эффективность ТЭС мира составляет около 35 %. Прогнозы 
развития угольной энергетики связаны как с появлением на рынке новых 
потребителей (Индия, страны Юго‑Восточной Азии), так и с понимани‑
ем необходимости сдерживания негативного влияния отрасли на миро‑
вую экосистему.

* 
World Energy Outlook [Электронный ресурс] : IEA, 2016. URL: http:// http://www.iea.

org (дата обращения: 16.06.2017).

** URL: http://www.worldcoal.com/special‑reports/13072015/Cleaning‑up‑the‑coal‑power‑

market‑2551/ (дата обращения: 16.06.2017).

Введение

 

Рис. 1. Доля первичных энергоресурсов в производстве электроэнергии * 

Стратегическим приоритетом развития тепловой энергетики на ор‑

ганическом топливе является повышение эффективности и экологиче‑
ской безопасности с обеспечением в перспективе близких к нулю выбро‑
сов вредных веществ. Анализируя разные сценарии развития энергетики, 
эксперты получили **, что сохранение существующего тренда с двукратным 
увеличением потребления энергии к 2050 г. может вызвать повышение 
температуры атмосферы на недопустимо большое значение (+6 °C, этому 
значению соответствует сценарий потребления угля до 2050 г. 6DS). Для 
того чтобы затормозить этот процесс до допустимого уровня (+2 °C, это‑
му значению соответствует сценарий потребления угля до 2050 г. 2DS), 
необходима реализация комплекса мероприятий по реструктуризации 
отрасли. Требуется в том числе вывод из эксплуатации всего энергети‑
ческого оборудования, работающего на паре докритических параметров, 
(что составляет около 40 % установленных мощностей и по техническим 
условиям может находиться в эксплуатации до 2050 г.), а также оснаще‑
ние системами улавливания и хранения СО2 (carbon capture and storage — 
CCS) всех ТЭС, работающих на сверхкритических и суперсверхкритиче‑
ских параметрах (СКП и ССКП). Уровень потребления угля в сценариях 
2DS и 6DS представлен на рис. 2.

* 
Key World Energy Statistics 2016 [Электронный ресурс]. URL: http://www.iea.org/

publications/freepublications/publication/KeyWorld2016.pdf (дата обращения: 20.07.2017).

** Technology Roadmap. High‑Efficiency, Low‑Emissions Coal‑Fired Power Generation 

[Электронный ресурс] : IEA, 2012. URL: http://www.iea.org (дата обращения: 12.05.2017).

Рис. 2. Прогнозы потребления угля на ТЭС по «мягкому» 6DS и «жесткому» 

2DS‑сценариям*

В США в рамках стратегического плана развития энергетики выделено 

в качестве цели № 1 взаимодействие научного и энергетического секторов 
по стратегическим направлениям развития чистой энергетики, экологиче‑
ски ответственного и безопасного использования национальных ресурсов 
углеводородного сырья и производства энергии, включая нетрадицион‑
ные технологии, внедрение в промышленных масштабах ТЭС на возоб‑
новляемых источниках энергии, создание хранилищ для СО2

**. К страте‑

гическим целям также отнесена разработка эффективных технологий для 
модернизации инфраструктуры и интеграции всех отраслей энергетики 
на базе партнерства национальных лабораторий с университетами и про‑
мышленными корпорациями.

Аналогичные национальные программы приняты в Китае, Японии 

и других странах. На базе Международного энергетического агентства 
(International Energy Agency — IEA) создан Центр чистых угольных техно‑
логий (Clean Coal Centre — CCC), объединяющий усилия стран ЕС, США, 
Канады, Японии, Китая, Австралии, Индии и ряда других стран в дости‑
жении стратегической цели — создании эффективной энергетики с нуле‑
выми выбросами загрязняющих веществ. В рамках этой ассоциации раз‑
работана программа Наилучших доступных технологий (НДТ) — High 

* 
Technology Roadmap. High‑Efficiency, Low‑Emissions Coal‑Fired Power Generation 

[Электронный ресурс]. IEA, 2012. URL: http:// http://www.iea.org (дата обращения: 
12.05.2017).

** The State of the American Energy [Электронный ресурс]. Washington : API, 2014. URL: 

http:// http://www.eia.gov  (дата обращения: 12.05.2017).

Введение

efficiency low emissions technologies (высокоэффективные низкоэмиссин‑
ные технологии). Для действующих ТЭС в качестве необходимых меро‑
приятий в ней предусмотрены реновация и модернизация технологий, 
использования теплоты отходящих газов, сбросных вод и т. д. для повы‑
шения эффективности и экологичности цикла. В ЕС в соответствии с Ди‑
рективой Европарламента по промышленным выбросам * разрешения 
на эксплуатацию энергетических установок выдаются на основании пе‑
речня Наилучших доступных технологий, жестко ограничивающих пре‑
дельные значения выбросов. Для вновь вводимых ТЭС предлагаются тех‑
нологии на сверхкритических (СКП) и суперсверхкритических (ССКП) 
параметрах пара, ПГУ с внутрицикловой газификацией, усовершенство‑
ванные циклы на суперсверхкритических параметрах (с высокотемпера‑
турными турбинами), разработка и внедрение установок на возобновля‑
емых источниках энергии и др.

В России аналогичные мероприятия включает разработанная база Наи‑

лучших доступных технологий для энергетики **. Развитие ТЭС на СКП 
и ССКП, разработка ПГУ с внутрицикловой газификацией, применение 
топливных элементов реализуются совместными усилиями государства 
и бизнеса в рамках технологической платформы «Экологически чистая 
тепловая энергетика высокой эффективности»***.

В настоящем учебном пособии представлен анализ существующих 

и перспективных энергоэффективных, экологически безопасных техно‑
логий производства электрической и тепловой энергии из твердого орга‑
нического топлива.

* 
Directive 2010/75/EU on industrial emissions (integrated pollution prevention and 

control. OJ L 334. 2010) [Электронный ресурс]. URL: http://http://base.garant.ru/70161770/ 
(дата обращения: 10.09.2016).

** Гусева Т. Справочник по наилучшим доступным техническим методам для повы‑

шения эффективности и минимизации негативного воздействия на окружающую среду 
в теплоэнергетике. М. : 2008. 122 с.

*** Стратегическая программа исследований технологической платформы «Эколо‑

гически чистая тепловая энергетика высокой эффективности» [Электронный ресурс]. 
М., 2015. URL: http://tp‑rusenergy.ru/files/Law/strategicheskaya_programma_issledovanij_
tehnologicheskoj_platformy_ekologicheski_chistaya_teplovaya_energetika_vysokoj_
effektivnosti.pdf (дата обращения: 20.08.2016).

Глава 1. Основные направления 
развития угольной энергетики

Р

азвитие угольной энергетики в мире базируется на сочетании 
многолетнего опыта и перспективных разработок в рамках кон‑
цепции высокоэффективных низкоэмиссионных угольных тех‑

нологий (High-efficiency, low-emissions (HELE) coal technologies).

Статус технологий, уровень их реализации и перспективы на средне‑

срочный и долгосрочный периоды анализируются Международным энер‑
гетическим агентством IEA. И угольные технологии в течение как мини‑
мум последних 5 лет оцениваются как демонстрирующие низкий уровень 
прогресса с точки зрения реализации сценария 2DS. Это связано с тем, 
что большое количество ТЭС, работающих на паре докритических пара‑
метров, находится в эксплуатации и продолжается строительство новых 
ТЭС. В качестве перспективных твердотопливных технологий предлага‑
ются ТЭС на сверхкритических и суперсверхкритических параметрах, 
а также ПГУ с внутрицикловой газификацией. При этом отмечается, что 
в долгосрочной перспективе ПГУ с внутрицикловой газификацией обе‑
спечивают более высокий КПД и более масштабное снижение выбросов 
СО2. Однако на сегодняшний день в стадии проектирования и строитель‑
ства находится незначительное количество ПГУ‑ВЦГ, основная причи‑
на чего — высокая стоимость. Эксперты отмечают существенный рост 
в целом стоимости строительства объектов электрогенерации начиная