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 : Издво УрФУ, 2018. — 160 с.
ISBN 978‑5‑7996‑2355‑5

В учебном пособии излагаются вопросы конкуренции технологий производства энергии и перспектив развития парогазовых технологий на базе твердого 
топлива. Выполнен анализ конструктивных и технологических решений и показано их влияния на эффективность выработки энергии. Рассмотрены вопросы повышения технико‑экономических и экологических показателей твердотопливных парогазовых технологий.

Может быть использовано для подготовки студентов всех форм обучения 

по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника». Издание представляет интерес 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 газификацией 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 давлением 

ЦНД — цилиндр низкого давления 
ЦСД — цилиндр среднего давления 

Введение

П

роизводство электроэнергии с использованием органического топлива является базовым направлением развития мировой экономики уже многие десятилетия. Значительная часть 

рынка первичных энергоресурсов базируется на угле, и доля его постоянно 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 составила 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 генерации электроэнергии в мире, рис. 1. Для справки: доля выработки на газовых 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 пониманием необходимости сдерживания негативного влияния отрасли на мировую 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‑powermarket‑2551/ (дата обращения: 16.06.2017).

Введение

 

Рис. 1. Доля первичных энергоресурсов в производстве электроэнергии * 

Стратегическим приоритетом развития тепловой энергетики на органическом топливе является повышение эффективности и экологической безопасности с обеспечением в перспективе близких к нулю выбросов 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, этому значению соответствует сценарий потребления угля до 2050 г. 2DS), 
необходима реализация комплекса мероприятий по реструктуризации 
отрасли. Требуется в том числе вывод из эксплуатации всего энергетического 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 оснащение системами улавливания и хранения СО2 (carbon capture and storage — 
CCS) всех ТЭС, работающих на сверхкритических и суперсверхкритических 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, экологически ответственного и безопасного использования национальных ресурсов 
углеводородного сырья и производства энергии, включая нетрадиционные технологии, внедрение в промышленных масштабах ТЭС на возобновляемых источниках энергии, создание хранилищ для СО2

**. К стратегическим целям также отнесена разработка эффективных технологий для 
модернизации инфраструктуры и интеграции всех отраслей энергетики 
на базе партнерства национальных лабораторий с университетами и промышленными корпорациями.

Аналогичные национальные программы приняты в Китае, Японии 

и других странах. На базе Международного энергетического агентства 
(International Energy Agency — IEA) создан Центр чистых угольных технологий (Clean Coal Centre — CCC), объединяющий усилия стран ЕС, США, 
Канады, Японии, Китая, Австралии, Индии и ряда других стран в достижении стратегической цели — создании эффективной энергетики с нулевыми выбросами загрязняющих веществ. В рамках этой ассоциации разработана 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 низкоэмиссинные технологии). Для действующих ТЭС в качестве необходимых мероприятий в ней предусмотрены реновация и модернизация технологий, 
использования теплоты отходящих газов, сбросных вод и т. д. для повышения эффективности и экологичности цикла. В ЕС в соответствии с Директивой Европарламента по промышленным выбросам * разрешения 
на эксплуатацию энергетических установок выдаются на основании перечня Наилучших доступных технологий, жестко ограничивающих предельные значения выбросов. Для вновь вводимых ТЭС предлагаются технологии на сверхкритических (СКП) и суперсверхкритических (ССКП) 
параметрах пара, ПГУ с внутрицикловой газификацией, усовершенствованные циклы на суперсверхкритических параметрах (с высокотемпературными турбинами), разработка и внедрение установок на возобновляемых источниках энергии и др.

В России аналогичные мероприятия включает разработанная база Наилучших 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 технологий производства электрической и тепловой энергии из твердого органического 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 повышения эффективности и минимизации негативного воздействия на окружающую среду 
в теплоэнергетике. М. : 2008. 122 с.

*** Стратегическая программа исследований технологической платформы «Экологически 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 концепции высокоэффективных низкоэмиссионных угольных технологий (High-efficiency, low-emissions (HELE) coal technologies).

Статус технологий, уровень их реализации и перспективы на среднесрочный и долгосрочный периоды анализируются Международным энергетическим агентством IEA. И угольные технологии в течение как минимум 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 параметров, находится в эксплуатации и продолжается строительство новых 
ТЭС. В качестве перспективных твердотопливных технологий предлагаются ТЭС на сверхкритических и суперсверхкритических параметрах, 
а также ПГУ с внутрицикловой газификацией. При этом отмечается, что 
в долгосрочной перспективе ПГУ с внутрицикловой газификацией обеспечивают более высокий КПД и более масштабное снижение выбросов 
СО2. Однако на сегодняшний день в стадии проектирования и строительства находится незначительное количество ПГУ‑ВЦГ, основная причина чего — высокая стоимость. Эксперты отмечают существенный рост 
в целом стоимости строительства объектов электрогенерации начиная