Б.М . КАГАНОВИЧ
С.П . ФИЛИППОВ
Е.Г. АНЦИФЕРОВ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
ТЕХНОЛОГИЙ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР
СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
СИБИРСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Б. М. КАГАНОВИЧ
С. П. ФИЛИППОВ
Е. Г. АНЦИФЕРОВ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
ТЕХНОЛОГИЙ:
термодинамика,
экономика, прогнозы
Ответственные редакторы
доктор физико-математических наук В. И. Быков,
кандидат химических наук Г. С. Яблонский
НОВОСИБИРСК
«НАУК А»
СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
1989

Эффективность энергетических технологии: термодинамика,
экономика, ирогнозы/Кагаповнч Б. М., Филиппов С. II ., А н­
циферов Е. Г .— Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989.—
256 с.
ISBN 5-02-028740-7 .
В монографии рассматриваются вопросы долгосрочного прогнози­
рования развития технологий. Пределы совершенствования технологи­
ческих установок оцениваются на основе их физико-химического и
термодинамического анализа. Эффективность предлагаемых методов
иллюстрируется на примерах анализа перспектив развития процессов
переработки и сжигания угля и интегрированных энергетических
систем.
Книга предназначена для широкого круга научных работников и
инженеров: теплоэнергетиков, химиков-технологов, металлургов, эко­
номистов, специалистов в области трубопроводного транспорта и теп­
лоснабжения.
Табл. 18. Ил. 65. Библиогр.: 238 пазв.
Рецензенты
кандидат физико-математических наук // . Л. Лапидес
кандидат технических наук Г. Б. Славин
Утверждено к печати
Сибирским энергетическим институтом СО АН СССР
.
2201000000— 'Ш
К 055(02)—89
676—89, кн. 2
© Издательство «Наука», 1989
ISBN 5-02-028740-7

ПРЕДИСЛОВИЕ
Предмет настоящей книги составляет прогнозный анализ эф­
фективности новых энергетических технологий. Под новыми мы
понимаем такие технологии, которые пока недостаточно проверены
на промышленных или даже опытных установках п существуют,
возможно, еще только в головах специалистов. Большое внимание
уделено энергохнмпческим технологиям. Определение «энергохн-
мические» означает, что в ходе переработки сырья происходят пре­
вращения п энергии, и вещества. Этот термин, по сравнению
с часто употребляемым понятием «энерготехнологические», более
четко отражает объект исследований. Действительно, словом «энер-
готехнологнчеекпй» (по нашему мнению, не совсем удачным
с точки зрения норм русского языка, поскольку формально его
можно отнести к любой энергетической технологии) принято под­
черкивать лишь комбинирование производства энергии с выпуском
какой-либо другой продукции. Нам же важно отметить, что в пред­
мет излагаемых исследований входит рассмотрение энергетической
и химической составляющих технологических процессов. К энер­
гетическим относятся многочисленные технологии в теплоэнергети­
ке, нефтепереработке, химической промышленности, металлургии,
производстве строительных материалов и т. д.
Прогнозный анализ технологий включает исследования их
возможных технико-экономических показателей и масштабов вне­
дрения. Последние оцениваются для различных предполагаемых
ситуаций в развитии энергетики и экономики в целом.
В книге рассматриваются теоретические и методические во­
просы анализа и его применения к оценке перспектив развития
конкретных технологий. При этом теоретические и методические
положения по возможности распространяются на весь спектр энер­
гохимических процессов, прикладные исследования ограничивают­
ся технологиями переработки и сжигания топлив, т. е. областью
энергетики. Продолжительность рассматриваемого периода разви­
тия техники выбрана равной двадцати — сорока годам.
Актуальность излагаемого направления исследований, связан­
ного с долгосрочным прогнозированием научно-технического про­
гресса (НТП), определяется возрастающим влиянием пашей сегод­
няш ней технической политики на экономические, социальные и
экологические условия жизни людей в будущем. Если при езде на

велосипеде, чтобы успеть затормозить или повернуть, нам доста­
точно увидеть опасное препятствие за три — четыре метра, то при
управлении локомотивом, обладающ им несравнимо большими ско­
ростью и инерцией, надо рассмотреть красный свет за сотни и
даже тысячи метров. Именно необходимостью предвидения воз­
можных отдаленных последствии развития экономики объясняется
систематическое выполнение в последние годы долгосрочных эко­
номических прогнозов, которое началось с работ Римского клуба
[187. 207, 211].
Разумеется, результатом таких прогнозов никоим образом не
может стать создание однозначной картины будущего. Угадать, что
будет через 40 лет, не только невозможно, но и не нужно. После­
дующие поколения специалистов, в и д и м о , не хуж е нас сумеют ре­
шить, что для них хорошо и что плохо, и развитию каких техноло­
гий отдать предпочтение. Сейчас важно, с одной стороны, преду­
смотреть, чтобы у наших потомков сохранилась сама возможность
выбора, т. е. чтобы последствия наших решений не оказались
столь тяжелыми, что в будущем станет невозможным удовлетвори­
тельно решать проблемы обеспечения нормальных условий жизни
человека. С другой стороны, нуж но предвидеть возможность воз­
никновения в отдаленной перспективе таких угрожающ их ситуа­
ций в отношении оскудения природных ресурсов, к встрече с ко­
торыми надо готовиться у ж е сегодня.
Прогноз долгосрочных тенденций развития техники должен
служить обоснованию направлений научно-исследовательских и
опытно-конструкторских работ (НИ О К Р) и в первую очередь по­
исковых НИОКР, обеспечивающих создание принципиально новых
ресурсосберегающих технологий. Это делает актуальным анализ
таких характеристик энергохимических установок, как потенциал
их ресурсо (энерго) сбережения, пределы экологического совершен­
ствования, сравнительные экономические показатели. Только имея
ясное представление о вероятном социальном, экологическом и
экономическом эффекте от широкомасштабного использования тех­
нологии при условии успешного преодоления всех трудностей вне­
дрения, можно обосновать целесообразность соответствующих по­
исковых работ.
Наряду с созданием теоретической и методической базы для
выбора направлений поисковых Н ИОКР актуальность прогнозного
анализа эффективности технологий обусловливается и неотлож­
ностью решения ряда других важных прикладных задач. Отметим
некоторые из них:
накопление информации о будущих технологиях для экономи­
ческого прогнозирования (электроэнергетики или топливно-энерге­
тического комплекса страны в ц ел ом );
разработка программ энергосбережения, охраны природы и ре­
шения других крупномасштабных плановых и проектных задач;
определение вероятных схем и параметров перспективных тех­
нологических установок и помощь непосредственным разработчикам

новой техники в уточнении требований к создаваемому ими обо­
рудованию.
Первоочередным объектом приложений развиваемых теорети­
ческих положении предполагаются, конечно, долгосрочные целевые
комплексные программы научно-технического прогресса.
Особенность подхода авторов к прогнозированию перспектив
развития техники заключается в сочетании технико-экономическо­
го исследования схем и циклов конкурирующих установок и их
системной эффективности с физико-химическим анализом процес­
сов превращения вещества топлива. Если в прогнозировании, ос­
нованном на статистических методах обработки патентов или ин­
формации о рыночном спросе на технологии [85, 88, 171], исполь­
зуются обобщенные характеристики классов установок, то здесь
предполагается изучение внутренних закономерностей рассматри­
ваемых процессов с целью оценки шансов на их успеш ное при­
менение.
Физико-химический анализ позволяет установить саму осуще­
ствимость технологии, список ее вероятных конкурентов, деталь­
ные энергетические, экологические и конструкционные характери­
стики. В настоящей работе использованы все указанные возмож­
ности такого анализа. Конечно, физика процессов учитывается и
при сопоставлении традиционных установок. Особенность ее ис­
пользования при долгосрочном прогнозировании состоит в отыска­
нии пределов совершенствования технологий. Имеются в виду та­
кие пределы, как максимальный выход конечных продуктов из
единицы исходного сырья, минимум образования вредных веществ,
наименьшие размеры оборудования. Зависимости между экономи­
кой и физикой раскрываются с помощью физико-математических и
экономико-математических моделей технологий и их структур.
Создание и изучение этих моделей составляет теоретическую частц
обсуждаемых ниже исследований. Построение на осиове разраба­
тываемых моделей вычислительных алгоритмов и автоматизирован­
ной системы прогнозирования представляет методическую сторону
работы.
Подход авторов к анализу технологии опирается на традиции,
которые были заложены в ряде классических работ по обоснова­
нию направлений развития энергетической техники. Синтез физи­
ки и экономики при решении задач ПТ11 осуществил уж е в 1824 г.
С. Карно в своих «Размышлениях о движущей силе огня и о
машинах, способных развивать эту силу» [60], сделав одни из пер­
вых шагов на пути создания термодинамики. В дальнейшем физи­
ко-термодинамический анализ развития энергетической техники
использовался в трудах II. А. Умова [144], Л. К. Рамзина [107],
П. Л . Капицы [59] и других ученых [2—4, 138]. В «Плане электри­
фикации РСФСР» [107] по материалам Л. К. Рамзина написана
глава, посвященная топливоснабжению, где дается термодинамиче­
ское обоснование развития ряда энергетических
технологии.
В частности, показана эффективность комплексного использования
древесины с комбинированием деревообработки и производства хн-

мпчсскпv продуктов или деревообработки с выработкой электро­
энергии из древесных пород. В настоящее время методы про­
гнозирования показателей технологий на основе их термодинами­
ческого анализа освещаются в литературе по нефтехимическим
процессам. Весьма полезным для нас оказалось ознакомление с ра­
ботами Е. Б . Цыркнна с соавторами [J, 154, 155], содержащ ими
концепцию «предельно эффективной технологии».
Как и в названных выше трудах, основную часть в ф изико­
химическом анализе, приводимом в настоящ ей монографии, состав­
ляют термодинамические исследования, которые позволяют уста­
новить более универсальные ограничения на развитие технологий,
чем налагаемые законами тепло- и массообмена, гидродинамики,
химической кинетики. Это следует из того, что термодинамика яв­
ляется общим учением о превращениях энергии, т. е. превращени­
ях форм движения материи, опирается на фундаментальные зако­
ны природы и устанавливает универсальные соотношения между
макроскопическими физическими величинами. Термодинамически
предельные потери энергии не могут быть сокращены или тем
более устранены улучшением конструкций аппаратов и совершен­
ствованием организации происходящих в них процессов. В то же
время максимальные скорости реакций н интенсивность тепло- и
массообмена в значительной мере определяю тся именно подобны­
ми факторами (подбором катализаторов, организацией перем еш и­
вания и т. д .) . Важным достоинством термодинамического анализа
является относительная простота использования получаемых огра­
ничений. В настоящее время его возмож ности сильно увеличива­
ются в связи с прогрессом вычислительной техники п методов ма­
тематического программирования.
В соответствии с тремя составными частями исследований —
физико-экономической, математической и прикладной — изл ож ен ие
материала разделено на три главы.
В первой обосновываются принятые авторами предпосылки и
формулируются общие принципы прогнозного анализа. Кратко и з­
лагается схема прогнозирования развития техники, основанная на
использовании трех типов математических моделей: моделей про­
цессов (МОПР), технологических установок (МОТУС) п структур
технологии (МОСТ). МОПР сл уж ат для оценки предельных фи­
зико-химических и энергетических характеристик процессов. С по­
мощью МОТУС находятся технико-экономические
показатели
технологических установок. МОСТ позволяет оценивать сравнитель­
ную конкурентоспособность технологий и выбирать их оптималь­
ные структуры. Приводится постановка задачи оценки пределов
совершенствования технологий и детально исследую тся термодина­
мические и гидродинамические пределы. Предлагаются различаю­
щиеся уровнем идеализации термодинамические .модели энергохн-
мических процессов и обсуждаю тся их свойства и области примене­
ния. Анализируются возможности использования понятия эксергин
для определения качества энергии при изучении энергетической
и экономической эффективности конкурирующих технологических
в

решений. Выявляются особенности оценки предельных показате­
лей комбинированных и комплексных производств.
Вторая глава содержит описание и анализ используемых ав­
торами математических моделей и численные алгоритмы их реали­
зации. Все затрагиваемые вопросы излагаются последовательно
для МОПР, МОТУС, МОСТ и объединяющей их вычислительной
системы ГРУНТ (аббревиатура от слов «Группа новых тех­
нологий» ).
В третьей главе на примерах прогнозирования показывается
эффективность предлагаемых моделей и методов и приводятся кон­
кретные результаты обоснования НИОКР по технологиям перера­
ботки н сжигания топлив. Даются прогнозные технико-экономиче­
ские показатели большого числа энергетических установок. Рас­
сматриваются вопросы перехода к интегрированным энергетиче­
ским системам (ИЭС). Идея ИЭС, выдвинутая В. Хейфеле [178,
183], наилучшим образом отвечает важнейшим требованиям к пер­
спективным структурам энергетических технологий — нечувстви­
тельности к качеству энергоресурсов и чистоте энергопспользова-
ния — и представляет основу для развития возможной концепции
научно-технического прогресса в энергетике.
В формировании излагаемого направления исследований не­
оценимую помощь оказали авторам беседы с Л. С. Полаком.
Во многом способствовали успешному продвижению работы ее об­
суждения с Р. А . Калиненко, Э. А. Левицким, А. Л . Рабкиной,
Л. Б . Хандросом, Э. Б. Шлихтером. Непосредственно в период на­
писания книги весьма плодотворным было сотрудничество с
Г. С. Яблонским, А. Н. Горбанем и В. И. Быковым. Их идеи
о термодинамическом анализе кинетики химических процессов
сильно повлияли на решения авторами задач оценки пределов со­
вершенствования технологий. Г. С. Яблонский и В. И. Быков лю­
безно предложили свои услуги по редактированию рукописи. Боль­
шую поддержку в работе над книгой оказал Л. С. Беляев. Всем им
авторы выражают свою глубокую признательность.
Соавторами отдельных разделов книги являются М. К . Такай-
швили (2.1, 2 .4), А. Н. Крутов (1.2, 1.5, 3.6), С. А. Семенов (1.3)
и И. Я. Кавелин (1.6, 2.2, 2.3, 3.5).

ПРИНЦИПЫ СОПОСТАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ
1.1. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Методы прогнозирования
В литературе по прогнозированию принято условное деление
прогнозных методов на три основные группы: экстраполяции, экс­
пертных оценок и моделирования.
Основанные на обработке статистических данных о предшест­
вующем развитии техники традиционные экстраполяционные мето­
ды для исследования долгосрочных перспектив развития новых
технологий в общем случае неприменимы из-за отсутствия преды­
стории и неизвестности законов развития. Поэтому предложено не­
сколько модифицированных экстраполяционных процедур для
оценки перспектив проникновения этих технологий на рынок и
прогнозирования изменения структуры технологических установок
[222, 232]. Анализ показал, что область применения такого подхо­
да ограничена технологиями очень большой степени агрегирования
(например, переработки угля в искусственное жидкое топливо в
целом).
Методы экспертных оценок известны во многих модификациях
[85, 88, 171]. Трудность подбора компетентных специалистов по
еще не существующим технологиям препятствует широкому рас­
пространению этих методов для решения рассматриваемых в кни­
ге задач.
В большинстве известных математических моделей, предназна­
ченных для прогнозирования развития энергетики [49, 84, 96, 164,
208, 214], по сущ еству описывались принципиальные направления
использования топлив и вторичных энергоносителей. Поэтому с их
помощью затруднительно (или даж е невозможно) выявить пер­
спективы развития конкретных технологий. Модели в основном
разрабатывались применительно к решению задач среднесрочного
прогнозирования (на 15—20 л ет). Кроме того, не предусматривал­
ся прогноз совершенствования исследуемых технологий, а имелось
в виду только определение перспектив
их
промышленного
внедрения.
Большой интерес представляет подход авторов работы [216].
В ней для оценки ближних и среднесрочных перспектив проник­
новения на рынок новых теплоэнергетических установок (ТЭУ)
использована модель технологической структуры электроэнергети­
ческой системы. Перспективные технико-экономические показатели
технологий рассчитаны с помощью специальных моделей. Расчеты

показателей (коэффициента полезного действия и стоимости про­
изводства электроэнергии) осуществлялись путем оптимизации
схем ТЭУ исходя из набора элементов оборудования с проектными
характеристиками и с учетом прогнозов на рассматриваемый п е­
риод цен на используемые топлива. Следовательно, и в этом под­
ходе не учитывалась возможность совершенствования физико-хи -
мнческих процессов.
Недостаточность кратко охарактеризованных выше методов
для долгосрочного прогнозирования развития технологии и заста­
вила авторов разрабатывать собственную методику. При этом они
старались опираться на заложенные трудами многих ученых тра­
диции оценки перспектив совершенствования техники на основе
физико-химического анализа технологических процессов.
Принятые предпосылки и схема прогнозирования
Целесообразность и допустимость принимаемых предпосылок
и допущений, очевидно, определяются решаемыми исследователя­
ми задачами. В выполнении задач, сформулированных в предисло­
вии, с учетом отдаленности горизонта прогнозирования реально
лишь вариантно наметить возможные картины будущего, дающие
представление о шансах на успешное внедрение той или иной тех­
нологии. Содержание этих картин может несколько видоизменять­
ся в зависимости от того, для чего предназначены конкретные
прогнозы.
При экономическом прогнозировании желательно получить
информацию о наборе (составе) сопоставляемых типов технологий
и их технико-экономических и экологических показателях. Непо­
средственным создателям новых технологий проводимые исследо­
вания должны помочь представить: перспективные требования к
производительностям и параметрам (давлениям, температурам)
процессов, надежности и маневренности оборудования; условия,
при которых технологии могут оказаться эффективными (при до­
стижении каких значений собственных характеристик и при каких
ситуациях в развитии энергетики); вероятные области и масштабы
целесообразного использования технологий.
В любом случае необходимо описание как предполагаемых
будущих характеристик самой исследуемой технологии, так и воз­
можностей ее внедрения при различных условиях конкуренции с
другими процессами (соотношениях в показателях сопоставляемых
процессов, потребностях в конечных продуктах, ограничениях на
используемые ресурсы и т. д .) . Состав исследуемых вариантов по
возможности должен охватывать крайне благоприятные и неблаго­
приятные в отношении применения данной технологии условия.
Выводы по результатам прогнозов могут быть в основном
только качественного характера, например, подобными следующим:
«рассматриваемая технология имеет значительные шансы на эф­
фективное крупномасштабное внедрение в будущем и для ее ос-

поения требуется организация широкого фронта НИОКР»; «шансы
практически отсутствуют, развитие НИОКР нецелесообразно».
Такой характер выводов, конечно, не позволяет однозначно
определить состав будущих технологий. И это естественно. Дейст­
вительно, нельзя предвидеть как все практические трудности, воз­
никающие при реализации новых идей, так и возможность откры­
тия в будущем эффективных путей решения многих проблем, ка­
жущихся сейчас неразрешимыми. Следовательно, список отбирае­
мых для дальнейших теоретической и экспериментальной проверок
технологий всегда должен быть избыточным по отношению к тех­
нологической структуре, которая реально слож ится в будущем.
В зависимости от изменения перспективных условий развития тех­
ники и экономики сравнительная эффективность конкурирующих
процессов может резко меняться. И в любой момент нужно иметь
возможность осваивать именно те технологии, которые в наиболь­
шей степени соответствуют сложившейся ситуации. Для обеспече­
ния такой возможности требуется создание достаточно •обширного
научно-технического задела, в том числе и задела всесторонне про­
анализированных технологических идей. Одновременно, конечно,
важно выявить и бесперспективные, не имеющие шансов на прак­
тически полезные выходы направления исследований, развитие ко­
торых может привести лишь к бесцельной трате финансовых, ма­
териальных и трудовых ресурсов.
Понятно, что квалифицированные качественные оценки пер­
спективности энергохимических процессов могут основываться
лишь на количественном анализе зависимости показателей их эф­
фективности от основных влияющих факторов. Исходным пунктом
такого анализа, по нашему мнению, является исследование физи­
ко-химических ограничений на возможности совершенствования
технологий. Вопросы выявления зависимостей м еж ду экономикой
и физикой детально рассматриваются в последующих разделах
главы. Здесь же отметим предположение авторов о том, что хотя в
результате изучения физики процессов удается установить только
верхние оценки границ совершенствования, сопоставление этих
оценок с динамикой улучшения показателей реальных установок,
близких но принципам действия к изучаемой, и анализ причин от­
клонения от идеальных характеристик позволяют оценить диапа­
зоны достижимых параметров технологий.
Излагаемый в книге количественный анализ достоинств п не­
достатков технологий основывается не па физическом или натур­
ном, а па вычислительном эксперименте с использованием имею­
щихся опытных данных.
Увеличение роли вычислительного эксперимента по сравне­
нию с физическим представляет объективную тенденцию развития
науки и техники. Оценка многочисленных конкурирующих техно­
логий в отношении их экономичности, надежности, воздействия на
природу и человека с помощью физических экспериментов часто
оказывается либо сли тком дорогой, либо просто невозможной. Се­
годня, например, мы ис можем проверить на испытательных стен-

Рис. 1.1. Схема изучения перспек­
тив развития новых технологий.
1*§
*£
£$
1о£
5Г&
>5
дах работу установок, изго­
товляемых из материалов,
которые
будут получены
только в будущем; не мо­
жем из-за недостатка време­
ни проварьировать много­
численные вероятные откло­
нения от расчетных условий
эксплуатации и принципи­
ально возможные аварий­
ные ситуации. Физические
модели не позволяют нам
прп создании одной и той
ж е установки
сопоставить
множество допустимых кон­
структорских решений и вы­
брать из них наплучшие.
Физический эксперимент без
предварительного
расчет­
ного часто недопустим по
условиям
взры воопасности,
выброса большого количест­
ва ядовитых веществ и т. п.
Следовательно, на стороне
вычислительного эксперимента оказываются такие преимущества,
как универсальность, дешевизна, получение более полной информа­
ции об изучаемом объекте. Правда, для их реализации нужно раз­
работать эффективные математические модели.
Конечно, увеличение в исследованиях доли одного экспери­
мента не означает сведение к нулю доли другого. Физический ла-
бораторый эксперимент, видимо, всегда будет одним из необходи­
мых этапов создания новых технологий. По отношению к обсуж­
даемым в данной книге задачам применение физического или на­
турного экспериментов оказывается желательным для провер­
ки, когда это возможно, правильности построения используемых
теоретических физико-химических и математических моделей.
!
55s 5s
$^
О*v>
0Ъ
*$
<ьо
55
£.ч
съ
6
&
1*'ч;
Основанная на использовании вычислительного эксперимента
схема прогнозирования включает две стадии изучения технологий
(рис. 1.1) — предварительную, на которой по результатам ориен­
тировочной оценки предельно достижимых технико-экономических
показателей процессов отбирается избыточный состав претендентов
на включение в будущие технологические структуры (этапы 1 и
2 ), и стадию детального анализа конкретной технологии, на кото­
рой выявляются области рационального использования и ее сис­
темная эффективность (этапы 3 —5).

Предварительная стадия отличается от последующей более
высоким уровнем абстракции и агрегирования при моделировании
технологических процессов. Кратко охарактеризуем
некоторые
этапы прогнозного анализа.
Первый этап. Отбор кандидатур для исследования перспектив
крупномасштабного внедрения производится на основе термодина­
мического анализа возможностей совершенствования отдельных
представителей из рассматриваемого класса энергохимических тех­
нологий и использования литературных данных о динамике технико­
экономических показателей близких к ним по принципу действия
установок. Термодинамический анализ выполняется с помощью
моделей МОПР. Отбираются процессы, для которых обнаружива­
ются теоретические возможности достиж ен ия высокой экономиче­
ской и экологической эффективности.
В [55] для составления списка сравниваемых на первом этапе
технологии была предложена физико-химическая классификация
возможных процессов переработки и сжигания угля по виду урав­
нения результирующей химической реакции превращения вещест­
ва топлива (рис. 1 .2). В дальнейшем, видимо, полезно создание
подобных прогнозных классификаций применительно к другим
областям энергохимических производств.
Второй этап. Предварительная оценка конкурентоспособности
выбранной технологии делается с помощью моделей структуры
технологий (МОСТ) (см. гл. 2). Прп этом задаются возможные
потребности в конечных продуктах энергохнмических процессов,
ограничения на топливные и другие ресурсы и технико-экономиче­
ские показатели конкурентов. Значения исходных величин варьи­
руются таким образом, чтобы воспроизвести по возможности наи­
более благоприятные и наиболее неблагоприятные для внедрения
данной технологии условия. В качестве граничных значений ха­
рактеристик процессов принимаются: 1) предельно достижимые
«розовые» оценки, определяемые из термодинамического анализа
па первом этапе, и 2) «черные» оценки, соответствующие характе­
ристикам лучших действующих или проектируемых установок
сходного типа.
Третий этап. Для отобранных на предварительной стадии ана­
лиза технологий конкретизируются принципиальные технологиче­
ские схемы химических и энергетических процессов, термодинами­
ческие циклы производства электрической энергии, конструкционные
особенности основного оборудования. Искомые технико-экономиче­
ские показатели — приведенные затраты на производство еди­
ницы конечного продукта, удельные расходы топлива, КПД,
надежность, маневренность, экологическая чистота — определяю тся
в зависимости от прогнозируемых физико-технических и конструк­
ционных показателей по алгоритму, описываемому укрупненной
схемой (рис. 1 .3).
Алгоритм основывается па использовании двух типов матема­
тических моделей: МОПР и МОТУС. С помощью МОПР рассчиты­
ваются термодинамические, химические, гидродинамические н теп-

Предполагаемые фиэико-технические
характеристики технологии
Конструкционна/е показатели
Технико-экономические характеристики |
Рис. 1.3. Схема перехода от про­
гнозируемых характеристик фи­
зико-химических процессов к пер­
спективным
технико-экономиче­
ским показателям новых техноло­
гий.
ло-массообменные процессы в отдельных блоках установки (реак­
торах, теплообменниках) и определяются такие показатели, как
производительность на единицу объема нлн поперечного сечения
оборудования, потеря вещества п энергии, коэффициент теплопе­
редачи и др. Применение моделей МОПР на этом этапе связано
с более детальными исследованиями, чем на первом. С помощью
МОТУС отыскиваются конструкционные и технико-экономические
характеристики отдельных блоков и оптимальные показатели
технологической установки в целом.
Четвертый этап. Оценка возможных масштабов внедрения тех­
нологии осуществляется с использованием модели МОСТ на основе
полученной на предыдущем этапе информации. Характеристики
процессов и направления их внедрения могут итеративно уточ­
няться путем повторения третьего н четвертого этапов.
Пятый этап. Целесообразность развития НИОКР обосновыва­
ется с помощью неформализованного анализа результатов вычис­
лительных экспериментов. При обосновании учитывается по воз­
можности большая совокупность факторов, связанных с освоением
технологии. На этом этапе могут быть сделаны отрицательные вы­
воды о ее дальнейшей судьбе и показана невыгодность продолже­
ния разработок.
По мере непосредственного проведения НИОКР, как правило,
периодически возникает необходимость в повторении (уточнении)
прогнозов развития технологий (шестой этап ). Это обусловлено,
в частности, тем, что НИОКР проходят несколько стадий (поиско­
вые и фундаментальные научно-исследовательские работы, созда­
ние и изучение на лабораторных и опытных установках, организа­
ция серийного производства) и перед очередной стадией приходит­
ся решать вопрос о целесообразности продолжения разработок. Та­
кое уточнение прогнозов отражено на рис. 1.1 стрелкой из блока
6вблок3.
Предпосылки, принятые при построении моделей МОПР,
МОТУС и МОСТ и объединяющей их системы ГРУНТ, излагаются
во второй главе.
1.2. ФИЗИКА И ЭКОНОМИКА
Поскольку основой нашего подхода к прогнозированию разви­
тия технологий является использование при оценке их экономиче­
ской эффективности физических ограничений, естественным пред­
ставляется и достижение методического единства в изучении эко­
номических и физических закономерностей. Очевидно, что такое

единство долж н о проявляться в аналогичности математических
описании, в применении для экономического анализа принципов и
методов, получивших распространение в естественных науках.
Возможность сходного описания природы и общества определяется
единством наиболее общих законов для физической, биологической
и социальной форм движения материи. Проникновение физики в
экономику, как н математизация последней, представляет, по на­
шему мнению, объективную тенденцию развития науки. О необ­
ходимости использования экономистами багажа, накопленного фи­
зиками, убедительно написано в [97].
В то ж е время при экспоненциальном расширении области на­
учных исследований неизбежно возникают и тенденции обособле­
ния наук, которые проявляются в переоткрывании у ж е открытых
законов, в нарушении преемственности в развитии науки. Совре-
менные системные исследования и общая теория систем [16, 30]
представляют, с одной стороны, конкретизацию философских по­
ложений о взаимосвязи и взаимообусловленности явлений матери­
ального мира, с другой — распространение количественных форма­
лизованных методов естественных наук на изучение социальных и
хозяйственны х процессов. Однако они часто стали использоваться
как основа для построения экономических теорий и решения кон­
кретных проблем без опоры на исходные физические идеи.
Цель настоящего раздела — показать на отдельных примерах
из истории науки плодотворность использования в системных со­
циально-экономических исследованиях (в том числе прогнозных)
опыта, приобретенного в физике, химии и математике. Конкретные
примеры анализируются с точки зрения выявления общности в ре­
шении вопросов выбора типов моделей систем (линейных, нели­
нейных,
оптимизационных, имитационных),
интерпретации их
свойств, поиска критериев оптимальности, раскрытия и учета н е­
определенностей и др.
Читатель, интересующийся лишь содержанием конкретных
методов прогнозирования и результатами их использования, может
данный раздел пропустить.
Системные идеи у Ньютона
История современной науки и история системных исследова­
ний начинаются с Ньютона и тех гигантов, на плечах которых он
стоял (Галилея, Декарта, Гюйгенса, Ферма, Паскаля, Лейбница).
Во введении к своим «Математическим началам натуральной фи­
лософии» [100] Ныотон писал, что греческие механики лишь объ­
яснили действие используемых в их время механизмов, его же
цель заклю чается в построении системы .мироздания, выявлении
основных свойств вещей, причин и законов их движения. II по­
ставленную системную задачу он блестяще решил.
Наряду со специфическими свойствами, важными для изуче­
ния механических, тепловых, гидравлических, оптических явле­
ний, Ньютон ввел понятия о фундаментальном свойстве мате-

pun — массе — и важнейшей характеристике движения — импульсе.
Сформулировав три своих знаменитых закона, он вывел из них
ряд следствий, в том числе закон сохранения живых сил (в сов­
ременной терминологии — сохранения энергии) и неизменности
положения центра тяжести изолированной системы. С помощью
этнх законов н следствий Ньютон получил основные математиче­
ские зависимости для поступательного, вращательного и колеба­
тельного движений; заложил основы гидростатики и гидродинами­
ки, учения о теплоте п теплопередаче, оптики [101].
Характеризуя подход Ньютона к изучению природы, выразим
мнение, что нм были сформированы идейные основы метода моде­
лирования, исследования реальных систем с помощью абстракт­
ных .моделей. Классической физической моделью является исполь­
зуемая нм материальная точка — тело, обладающее массой, но с
нулевыми размерами.
Развивая математический аппарат для реш ения поставленных
задач, Ньютон ввел два типа величин: движущиеся (flueuce) и не­
определенные (indeterminate). К движущимся величинам он отно­
сил те, которые меняют свои значения в процессе реального дви­
жения, а к неопределенным те, которые могут принимать различ­
ные значения в одни и тот ж е момент времени. Таким образом,
в трудах Ньютона уж е содержалось ставшее теперь широко рас­
пространенным в технико-экономических исследованиях понятие
неопределенности. Правда, переводчики оба ньютоновских термина
стали переводить с латинского одним слово.м — переменная [100].
При создании математических методов он также последова­
тельно проводил идею глубокого абстрагирования, упрощения ис­
ходных зависимостей, отражения лишь главных количественных
связей реального мира. Красной нитью через творчество Ньютона
прошла идея линеаризации, активно используемая в науке п се­
годня. Линеаризация легла в основу и метода касательных, и са­
мого исчисления бесконечно малых. Замена нелинейных зависи­
мостей между переменными линейными зависимостями между пх
приращениями позволила получать математические формулировки
сложных законов природы. Другой конкретной реализацией общей
идеи упрощения явилось разложение функций в ряды.
Таким образом, в трудах Ньютона можно отметить идеализа­
цию физики явлений (пример — материальная точка) в сочетании
с линейной аппроксимацией получаемых моделей. Учитывая, что
наряду с теоретическими Ньютон развивал и экспериментальные
методы изучения природы, его творчество и сегодня можно считать
непревзойденным образцом системных исследований.
Принципы равновесия и экстремальности Лагранжа
Следующий шаг в развитии культуры научного мышления
связан с именем Лагранжа, который, конечно, как и Ньютон, опи­
рался на своих предшественников: Бернулли, Даламбера и прежде
всего Эйлера. По словам Гамильтона, «Лагранж, пожалуй, больше,

чем какой-либо другой аналитик, сделал для того, чтобы расши­
рить и придать стройность... дедуктивным исследованиям, доказав,
что самые разнообразные следствия, относящиеся к движению сис­
темы тел, могут быть выведены из одной основной формулы» [34,
с. 176]. Анализ творчества Лагранжа содержится в [78, 100]. Одна­
ко развитие современной науки, видимо, делает целесообразным
вновь переосмыслить наследие автора «Аналитической меха­
ники» [79].
Различие в подходах к познанию мира Пыотона и Лагранжа
заключается в том, как они использовали математику. Ньютон
применял ее исключительно как средство решения конкретных
задач, т. е. как вычислительный инструмент. Законы в «Началах»
даются лишь в словесных формулировках, их общие уравнения
не приводятся. Д ля каждой задачи сначала излагается геометри­
ческая интерпретация и у ж е затем с помощью аналитических ме­
тодов вычисляются искомые длины отрезков и площади фигур.
После Лагранжа математика стала не только вычислительным
инструментом, но и средством объяснения мира. Сам он в преди­
словии к [79] писал: «План настоящего трактата является совер­
шенно новым. Я поставил себе целью свести теорию механики и
метода решения связанных с нею задач к общим фор.мулам, про­
стое развитие которых дает все уравнения, необходимые для ре­
ш ения каждой задачи» [79, с. 5]. Таким образом, математика
(«формула») превратилась в язык физической теории, а методом
теоретических исследований стала дедукция (решение частных за­
дач на основе общих формул). В дальнейшем по Лагранжу (с по­
лучением всех частных результатов из нескольких общих принци­
пов) строятся такие науки, как классические электродинамика п
термодинамика.
Наиболее общей формулой, включающей, по словам А. Н. Кры­
лова, всю .механику Ньютона, явилось уравнение равновесия м еха­
нических систем, которое представляет записанный в дифференци­
альной форме баланс между работами при виртуальных перемеще­
ниях сил, стремящихся привести систему в движение, и сил,
возникающих в связях, ограничивающих перемещения. Если уравне­
ние равновесия означает равенство нулю полного дифференциала
какой-либо функции, то решению задачи равновесия соответствует
решение экстремальной задачи. Это сформулированное в [79] по­
ложение о связи фундаментальных принципов равновесности и
экстремальности стало одним из основных в математической эко­
номике и в теории математического программирования (теорема
Куна — Таккера). Запись критерия оптимальности в виде экстре­
мума функции Лагранжа с неопределенными множителями теперь
общепринята в технико-экономических исследованиях.
Предложив свой метод множителей, Лагранж показал, что его
преимущества заключаются не в вычислительной эффективности,
а в возможности более полной по сравнению с другими подходами
физической интерпретации рассматриваемых задач. Он дал общее
определение множителей как сил, стремящихся уменьшить функ-

Ц1Ш связей, п раскрыл их смысл в конкретных задачах. Для ил­
люстрации возможностей изучения с помощью уравнения равнове­
сия Лагранжа экономических проблем и плодотворности физико-
экономических аналогий запишем это уравнение в виде
2 cj(*j)dxj+ 2 yid^i = 0,
(1.1)
3
г
где с — действующая на систему внешняя сила; х — координата;
у — неопределенный множитель; ср — связь; / и i — индексы внеш­
них сил и связей соответственно.
Предположим, что описываемая с помощью (1.1) механиче­
ская система представляет подвешенный на нити груз, находящий­
ся под действием нескольких сил. В состоянии равновесия груз
не перемещается, и суммарная работа внеш них сил и сил, стремя­
щихся изменить длину связи (нити), равняется нулю. Нулю рав­
ны dx и dtp (нить не деформируется). Множитель Лагранжа в
данном случае определяет силу, которая стремится минимизиро­
вать изменение длины нити. Такой силой является ее натяжение.
Экономической задачей, описываемой уравнением (1.1), может
служить распределение ресурсов меж ду конкурирующими техноло­
гиями, которые должны обеспечить заданные потребности ф,- в ка-
ких-лпбо продуктах. Координаты х} здесь интерпретируются как
соответствующие расходы ресурсов, а роль внеш них сил играют
денежные затраты с;- на / - ю технологию. «Ниточками» являются
заданные потребности в продуктах (при других постановках задач
допустимые расходы ресурсов или какие-либо другие ограниче­
ния). Множители уи обычно интерпретируемые в экономических
задачах как цены, объективно обусловленные оценки [56—58] пли
замыкающие затраты, соответствуют общему их определению Ла­
гранжом как сил, стремящихся уменьшить функции связей. Дей­
ствительно, именно цены минимизируют изменение длины «ниточ­
ки »-разности м ежду потребностью в продукте и его производстве.
При избыточом предложении цены падают, вызывая снижение
производства, при дефиците продукта растут, стимулпруя рост вы­
пуска, и в обоих случаях обеспечивают достижение равновесного
состояния с нулевой деформацией.
Отражением принципа равновесия сил в материалистической
диалектике является закон единства и борьбы противоположно­
стей; поэтому, видимо, можно заключить, что уравнение (1.1)
представляет собой математическую ф ормулировку этого закона
(или, точнее, одну из возможных формулировок).
Интегрируя уравнения равновесия, Л агран ж получил матема­
тическую формулировку принципа наименьш его действия (п. н .д .)
Т2
Т2
6/=6|
=
(T—IJ)dт = 0,
(1.2)
xi
Ti
где 6 — символ вариации функции; J — действие; 2? — функция
Лагранжа; т — время; Т и / / — соответственно кинетическая н по-

тенцпальная энергии системы. Равенство нулю дифференциала ZE
соответствует равновесным состояниям, а равенство нулю вариа­
ции интеграла — оптимальным равновесным процессам.
Вывод Лаграшкем п. н. д. н его дальнейшее обобщение Га­
мильтоном [34] показали невозможность произвольного выбора
критериев оптимизации, их объективную связь с основными зако­
номерностями развития изучаемой системы. В дальнейшем, с пе­
реходом к изучению каждой новой формы движения материи, фи­
зики находили для нее и вид уравнения и. н. д. [109]. Берталанфи
назвал получение наиболее общей формулировки принципа наи­
меньшего действия (пригодной и для физических, и для социаль­
ной форм движения материи) важнейшей задачей теории сис­
тем [16].
Очень созвучную нашему времени формулировку и. и. д. дал
Эйлер, который назвал его законом бережливости [161]. Действи­
тельно, принцип наименьшего действия определяет то сокровище,
беречь которое стремится сама природа. Согласно Лагранжу и Га­
мильтону, она бережет величину (действие), неразрывно связан­
ную с энергией Э и временем т (Э X т — такова размерность по­
дынтегральной функции в (1.2)).
Весьма интересно для анализа экономических проблем содер­
ж ащ ееся в [79] положение о равноправности использования для
решения задач механики как вариационных принципов (п. н. д .),
так и непосредственно законов, описывающих механизм взаимо­
действия элементов в системе. Отсюда, по крайней мере, можно
извлечь пищу для размышлений о соотношении между оптимиза­
ционным и имитационным подходами, сравнительные преимущест­
ва которых в последнее время часто обсуждаются в экономической
литературе.
В целом вклад Лагранжа в развитие методов познания, при­
годных для исследования физических и экономических проблем,
можно охарактеризовать с помощью нескольких тезисов.
1. С Лагранжа начинается формализм в науке, стройное опи­
сание на языке математики основных закономерностей материаль­
ного мира.
2. Распространяется дедуктивный принцип построения наук.
После Лагранжа все физические науки, достигающие совершенст­
ва, строятся по образцу его механики.
3. Получают строгие математические формулировки важней­
ш ие законы природы: принцип равновесия и принцип наименьше­
го действия, которые в дальнейшем распространяются и на соци­
альные системы.
4. Обосновывается объективный подход к выбору критериев
оптимизации систем, исходя из законов их развития.
5. Устанавливается взаимосвязь между оптимизационным и
имитационным подходами к поиску траекторий развития систем.
6. Создается математический аппарат для решения экстре­
мальных (оптимизационных) задач: вариационное исчисление и
метод множителей.

Развитие техники в X IX в. потребовало создания соответству­
ющего научного задела. Джеймс Уатт, изобретая универсальный
паровой двигатель, опирался в основном не на какие-либо теорети­
ческие положения, а на свои интуицию и практический опыт.
Однако непрерывное совершенствование рабочих машин и двига­
телей после промышленного переворота X V III в. оказалось невоз­
можным без систематического теоретического обоснования, отделе­
ния от фундаментальной специальной прикладной науки. И такая
наука стала создаваться. В 1824 г. вышла книга Карно «Размыш­
ления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать
эту силу» [60]. В ней он дал качественное описание энергетическо­
го хозяйства того времени, определил области эффективного при­
менения тепловых двигателей, сформулировал (связанные с раз­
витием промышленности, транспорта, культуры и условий жизни
людей) задачи совершенствования энергетической техники и для
определения тенденций ее развития залож и л основы технической
термодинамики, предвосхитив ее второй закон. Выявленная им из
анализа идеального цикла тенденция повышения начальных пара­
метров (термпературы и давления) рабочего тела господствует в
теплоэнергетике более ста пятидесяти лет.
Таким образом, уж е в [60] содержались элементы синтеза об­
щественных, естественных и технических наук; в значительной
мере была сформирована тематика научной дисциплины — общей
энергетики и, видимо, впервые использован метод прогнозирования
развития технологий на основе их термодинамического анализа.
Классическая термодинамика
и общие принципы изучения систем
Системный подход Ньютона и Лагранж а к изучению механики
был распространен на все физические и химические формы движе­
ния материи с созданием классической термодинамики, основы ко­
торой были заложены Клаузиусом и Гельмгольцем, а построение
здания завершено Больцманом [20] и Гиббсом [36]. Возникнув как
«механическая теория теплоты» (название работы К лаузиуса [63]),
термодинамика в ходе своего развития превратилась в общее уче­
ние о превращениях форм энергии, в «единственную», по словам
Эйнштейна, «физическую теорию общего содержания» [163, с. 143].
В термодинамике математически четко определяю тся объект
исследования и основные понятия. Д аю тся формулировки откры­
тых, закрытых, изолированных, простых и слож ны х, гомогенных
и гетерогенных систем. К сож алению, специалисты по современ­
ным системному анализу и теории систем, переопределяя эти по­
нятия, часто забывают или, по крайней мере, недостаточно ис­
пользуют то, что у ж е было сделано в термодинамике. Приводится
классификация свойств систем с делением на экстенсивные и ин­
тенсивные, механические и калорические. Все свойства аналнтиче-

ски выражаются через специально введенные характеристические
функции п их производные. При изучении систем используются
два уровня рассмотрения: макро н микро, т. е. реализуется широ­
ко распространенный в системных экономических исследованиях
иерархический подход. Па микроуровне применяется статистиче­
ский анализ взаимодействия отдельных частиц (элементов систем).
На макроуровне системы рассматриваются как целое и устанавли­
ваются зависимости между их входами (воздействиями) и выхо­
дами (реакциями), т. е. применяется кибернетический метод чер­
ного ящика, правда, без введения соответствующего термина.
В содержательном плане термодинамика обогатила наше по­
нимание мира установлением единства всех форм движения мате­
рии (эволюцией закона сохранения энергии в закон ее сохранения
и превращения) и открытием второго закона. Последний — это за­
кон эволюции изолированных систем. Он утверждает, что изолиро­
ванные системы развиваются в сторону их деградации, возраста­
ния энтропии, которая характеризует степень неупорядоченности,
хаоса в системе.
В дальнейшем понятие энтропии входит и в кибернетику
(теорию информации), и в синергетику (теорию самоорганизации
материи), где она получает еще одну трактовку — меры неопреде­
ленности систем. Следовательно, второй закон термодинамики
можно интерпретировать как закон возрастания неопределенности
изолированных систем, а саму неопределенность рассматривать в
качестве объективного свойства этих систем.
В термодинамике получает развитие и будущая кибернетиче­
ская идея обратной связи, формулируемая здесь в виде принципа
Ле Шателье. Если на систему оказывается воздействие, которое
стремится вывести ее из состояния равновесия, то система, соглас­
но указанному принципу, реагирует таким образом, чтобы это воз­
действие уменьшить.
С термодинамикой в физику вошло вероятностное понимание
законов природы, представляющее новый виток в развитии науч­
ного мышления по сравнению с детерминизмом Ньютона и Л а­
гранжа. Максвелл, Больцман и Гиббс показали, что принципы рав­
новесия, п. н. д. и второй закон термодинамики имеют вероятност­
ный характер. Причина такого характера макроскопических про­
цессов заклю чается в том, что в любом сколько-нибудь заметном
объеме вещества содержатся миллиарды частиц, и поведение их
ансамблей подчиняется законам больших чисел. В результате вза­
имодействия элементов ансамбль переходит в наиболее вероятное
состояние.
Наряду с вероятностью состояний и процессов с термодинами­
кой в науку вошли и важнейшие понятия о равновесных (обрати­
мых) и неравновесных (необратимых) процессах. Такая диффе­
ренциация процессов в последнее время получает распространение
и в экономической литературе [30].
Аналогию м еж ду возникновениями физической и экономиче­
ской необратимостей мож но провести, воспользовавшись известным

в физике представлением, но которому необратимость связана ис­
ключительно с те.м, что мы не можем управлять отдельно поведе­
нием каждой из частиц в многомиллионном ансамбле. В экономи­
ческой системе всегда находятся «частицы» (предприятия, отдель­
ные работники),которые отклоняются от оптимальной для системы
равновесной траектории, руководствуясь с в о и м и местными, личны­
ми интересами. В результате появляются нарушения равновесия,
например между расходами денежны х ресурсов на заработную
плату и производительностью труда.
Релятивистская и квантовая механики и экономика
Неисчислимое богатство идей, представляющих несомненный
интерес и для экономической науки, накапливается в первой по­
ловине X X в. в релятивистской и квантовой механиках. Остано­
вимся лишь на вопросах, связанны х с выбором критериев оптими­
зации и трактовкой понятия неопределенности.
В общей теории относительности была получена, видимо, наи­
более общая на сегодня, формулировка п. н. д. Если, по Лагранжу
и Гамильтону, действие имело размерность произведения энергии
на время, то у Эйнштейна, поскольку в его теории временная и
пространственные координаты полностью равноправны, глобаль­
ный критерий оптимальности приобрел вид интеграла от плотно­
сти вещества по четырехмерному объему: пространство — время
[162]. Так как плотность связана с энергией через квадрат скоро­
сти света, то становится ясно, что природа в неразрывном единст­
ве экономит энергию, время и пространство. Можно предположить,
что для социальных систем размерность объективного критерия
оптимальности может оказаться еще большей.
Углубление понимания п. н. д. дала квантовая механика, из
которой обнаружилось, что минимизируемое действие имеет диск­
ретный характер. При этом значение дискретности увеличивается
с уменьшением временных и пространственных интервалов, с при­
ближением размеров действия к его минимально возможному зна­
чению — постоянной Планка. Кроме прозрачных физико-экономи-
ческих аналогий, связанных с дискретностью оборудования, отсю­
да, видимо, следует и желательность выявления элементарных
экономических процессов.
С точки зрения экономики значительный интерес имеют физи­
ческие представления об изменении неопределенности при перехо­
де на все более мелкие временные и пространственные интервалы,
для которых имеют место известные соотношения Гейзенберга.
Высшая степень неопределенности достигается при переходе к
пространственным интервалам м енее 10-13 см и временным мепее
10-24 с, когда возникает проблема тождественности частиц са­
мим себе.
Эти представления не согласуются с встречающимися в лите­
ратуре но экономическому прогнозированию утверждениям и, что
неопределенность уменьшается по мере сокращения прогнозного

периода. Рост неопределенности может наблюдаться при переходе
от задач долгосрочного прогнозировании крупных отраслевых или
территориальных комплексов к задачам оценки эфф ективности
внедрения конкретных технологии на конкретных предприятиях.
Если эффективность широкомасштабного внедрения повой техни­
ки в течение продолжительного периода времени мы можем уве­
ренно оценить как положительную, то эффект от использования
определенной машины может оказаться и отрицательным — вслед­
ствие проявления ее непредвиденных недостатков. Проблему тож­
дественности в данном случае можно интерпретировать как задачу
ответа на вопрос: «Является ли предположительное добро (чем
должна быть новая техника) добром или злом?».
Синергетика и установление единства
живой и неживой природы
Во второй половине X X в. на фундаменте классической тер­
модинамики получила развитие термодинамика
неравновесных
процессов, в объект изучения которой вошли процессы самоорга­
низации в живой и неживой природе [37, 99, 110, J 12]. Хакен на­
звал новую научную дисциплину синергетикой [1461. Синергетику
можно определить как теорию качественной эволюции систем
вследствие взаимодействия составляющих их элементов. С нее
началось систематическое проникновение физики в науку о живом.
На основе идей одного из основоположников неравновесной термо­
динамики Пригожина, Эйген создал теорию синтеза белков в орга­
низме [160] и пришел к заключению, что в биологии нет ничего,
чего нельзя было бы объяснить с помощью физики.
Прпгожнн выразил мысль о единстве природы следующим об­
разом: «Существует один тип физических законов, но различны
термодинамические ситуации: вблизи и вдали от равновесия...
Жизнь более не выглядит как островок сопротивления второму на­
чалу термодинамики или как деятельность каких-то демонов Макс­
велла. Она возникает теперь как следствие общих законов физики
с присущей ей специфической кинетикой химических реакций,
протекающих в далеких от равновесия условиях» [37, с. 260—261 ].
Эти слова находятся в полном соответствии с высказыванием
Энгельса о том, что высшие формы организации и движения ма­
терии содержат низшие, по не исчерпываются ими: «...органиче­
ская жизнь невозможна без механического, молекулярного, хими­
ческого, термического, электрического и т. п. изменения. Но нали­
чие этих побочных форм не исчерпывает существа главной формы
в каждом рассматриваемом случае» [86, с. 5631. Отсюда можно
сделать вывод, что наряду со своими специфическими законами
высшие фермы материи должны подчиняться и более общим зако­
нам низших форм.
Формализованный анализ эволюции материи от простых форм
к более сложным в неравновесной термодинамике основывался на
обобщении второго закона па открытые системы, обменивающиеся

веществом, энергией и энтропией с окружающей средой. Это обоб­
щение позволило согласовать величайшие открытия X IX в.: второе
начало термодинамики и теории развития Дарвина и Маркса.
Непосредственно механизм эволюции, самоорганизации, увели­
чения степени порядка Пригожин объяснил через флуктуации, ко­
торые при определенных условиях взаимодействия системы с окру­
жающей средой могут накапливаться и приводить к образованию
так называемых диссипативных структур, существование которых
возможно только благодаря получению энергии и негэнтропии (от­
рицательной энтропии) извне.
Синергетика существенно обогатила и саму методологию науч­
ного познания. Если модели равновесий в физических и химиче­
ских системах можно заменять эквивалентными экстремальными
(оптимизационными), то для неравновесных процессов принци­
пиально нельзя найти глобальный критерий оптимальности и воз­
можно решение лишь локальных оптимизационных задач. Если
начиная с Ньютона в науке широко использовалась идея линеари­
зации, математического упрощения реальных зависимостей, то яв­
ления самоорганизации объясняются только с помощью нелинейных
моделей.
Одним из важнейших результатов, полученных с помощью ме­
тодов синергетики к настоящему времени, является объяснение
процессов самоорганизации в неживой природе (лазерное излуче­
ние, сверхпроводимость, явления Бенара и образование турбулент­
ных вихрей в жидкости, самоорганизующиеся химические реакции).
Кроме того, Пригожин и Хакен небезуспешно пытались применить
синергетический подход для изучения социальных явлений.
Любопытные физико-экономические аналогии можно провести на
примере возникновения турбулентности в жидкости при высоких
значениях чисел Рейнольдса (Re). Энтропия, т. е. неупорядочен­
ность, для одних и тех ж е значений Re при турбулентном режиме,
в котором имеются хаотические движения макроскопических обра­
зований частиц, оказывается меньше, чем при ламинарном реж им е,
в котором жидкость движется параллельными струйками и колеб­
лются лишь отдельные микрочастицы. Повышение степени порядка
при образовании макровихрей проявляется в увеличении коэффи­
циентов тепло- и массообмена, т. е. в более эффективном взаимо­
действии с окружающей средой. В экономике аналогами участву­
ющих в хаотическом движении ансамблей частиц могут служить
крупные производственные объединения, имеющие большую степень
свободы. Высокая самостоятельность позволяет им эффективно
функционировать, передавая внешним потребителям значительное
количество производимой продукции. Наоборот, при жестком опре­
делении сверху направления деятельности всех предприятий (ана­
лог ламинарного режима) продажа полезных продуктов (аналог
энерго- и массообмена) становится минимальной. Конечно, в обоих
рассмотренных случаях самоорганизация, согласно законам термо­
динамики, достигается благодаря получению энергии и негэнтропии
из окружающей среды. В гидравлических системах увеличивается

потребление мощности на привод нагнетателей, в экономических —
возрастает расход денежных, трудовых, топливных и других
ресурсов.
В неравновесной термодинамике получила дальнейшее разви­
тие трактовка неопределенности как объективного свойства систем.
Первый и второй дифференциалы энтропии (неопределенности) ис­
пользовались в [37] для оценки устойчивости систем, выявления
возможности их эволюции.
Проникновение физики в экономику
С некоторым отставанием по времени основные системные идеи
и методы физики с учетом специфики социальной формы движ е­
ния материи проникают в экономику. Из физико-экономических
аналогий в значительной мере исходил основоположник математи­
ческого направления в экономике, современник Маркса Вальрас. По
его словам, «чистая теория экономики есть наука,, напоминающая
во всем физико-математические науки» [12, с. 8]. Созданная Валь­
расом модель равновесной экономики во многом оказалась сходной
с лагранжевой моделью механики. Множители Лагранжа приобрели
у него смысл цен, а в качестве связей были приняты заданные
потребности и ограничения на ресурсы. Конечно, специфика со­
циальной формы движения и на уровне простейших моделей вы­
явила особенности ее математического описания. Так, если Лагранж
оперировал исключительно равенствами (для равновесия механиче­
ской системы небаланс сил недопустим), то в оптимизационных
экономических задачах часто употребляемой формой задания огра­
ничений стали неравенства.
В качественной форме аналогичные физическим принципы эко­
номического равновесия и экстремальности были сформулированы
Марксом: «...различные сферы производства постоянно стремятся
к равновесию... Однако эта постоянная тенденция различных сфер
производства к равновесию является лишь реакцией против посто­
янного нарушения этого равновесия. Правило, действующее при
разделении труда внутри мастерской a priori (заранее) и плано­
мерно, при разделении труда внутри общества действует лишь
a posteriori (задним числом) как внутренняя, слепая естественная
необходимость, преодолевающая беспорядочный произвол товаро­
производителей и воспринимаемая только в виде барометрических
колебаний рыночных цен» [86, с. 368]. В этих словах Маркса не
только утверждается действие в экономических системах принципа
равновесия, но и показывается его статистический характер, выпол­
нение с точностью до флуктуаций цен.
К принципам равновесия следует отнести сформулированный
Марксом и Энгельсом и развитый Лениным принцип демократиче­
ского централизма, ставший у нас основным принципом партийной,
общественной и хозяйственной деятельности. Его связь с процесса­
ми установления равновесия подсказывается словами Ленина:
«...надо ясно понять, как далеко отличается демократический цент-

рализм, с одной стороны, от централизма бюрократического, с дру­
гой стороны, от анархизма» [81, с. 151]. Другими словами, демокра­
тический централизм представляет равновесие между бюрократией
и анархией. Всякий перекос в сторону усиления централистского
начала в управлении экономикой неизбежно ведет к ограничению
инициативы масс и усилению бюрократизма и, наоборот, чрезмер­
ное ослабление централизованного руководства приводит к анархии.
Экстремальные принципы экономического развития были сфор­
мулированы Марксом в виде основного закона капитализма (мак­
симизации прибыли) и закона экономии времени. «Чем меньше
времени требуется обществу на производство пшеницы, скота
и т. д ., тем больше оно выигрывает для другого производства, мате­
риального и духовного. Как для отдельного индивида, так и для
общества всесторонность его развития, его потребления и его дея­
тельности зависит от сбережения времени. Всякая экономия в ко­
нечном счете сводится к экономии времени... Стало быть, экономия
времени, равно как и планомерное распределение рабочего време­
ни по различным отраслям производства, остается первым эконо­
мическим законом
на
основе
коллективного
производства»
[87, с. 117].
Закон Маркса по своему содержанию близок к принципу Фер­
ма в оптике, согласно которому свет всегда выбирает путь, преодо­
леваемый за кратчайшее время. Но он, бесспорно, тесно связан и
с фундаментальным законом природы — принципом наименьшего
действия. На первый взгляд, такая связь вызывает недоумение,
поскольку сберегаемое природой действие имеет размерность про­
изведения энергии на время. Неужели так может быть, чтобы
один и тот ж е закон экономии времени для высшей, общественной
формы движ ения материи был всеобщим («первым экономическим
законом»), а для низших
выполнялся
лишь
в
частных случаях
(например, в оптических явл ен иях), в остальных ж е экономилась
другая величина — действие?
Для разрешения этого кажущегося противоречия нужно выяс­
нить, при каких условиях интеграл действия можно измерять в
единицах времени. Сделаем два предположения: первое — что сис­
тема не находится в ноле действия каких-либо сил (гравитацион­
ных, электромагнитных), и второе — что движение происходит без
сопротивления среды (трения). Из первой предпосылки следует
равенство нулю потенциальной энергии, а из второй — постоянство
абсолютной величины (модуля) скорости и, следовательно, посто­
янство кинетической энергии. Тогда интеграл действия из (1.2)
можно представить в виде
Ч
t J'a
Т1
с размерностью времени. Правда, чтобы теперь решать экстремаль­
ные задачи, необходимо сделать замену переменной dl = wdx и за­
писать и. н. д. в форме, совпадающей с математическим выраже-

б
=0,
(1.3)
где I — путь; w — скорость (вектор); 1\ и h — заданные началь­
ная п конечная координаты системы.
Для объяснения подобного перехода от (1.2) к (1.3) приме­
нительно к экономическим системам можно воспользоваться н е­
которыми аналогиями. В качестве воздействия внешнего поля на
экономическую систему могут приниматься: международная на­
пряженность, административные санкции вышестоящих органов,
договорные обязательства о помощи другим системам и т. д. Сня­
тие этих воздействий ведет к /7 = 0. Отсутствие трения свидетель­
ствует о равновесности, обратимости процессов. Аналогия м е ж ду
возникновениями физической и экономической необратимостей уж е
обсуждалась выше-
Таким образом, закон экономии времени можно охарактеризо­
вать, во-первых, как статистический, проявляющийся в виде тен­
денции, которая пробивает себе дорогу вопреки различным нерав-
новесностям и необратимостям, и, во-вторых, как экстремальный,
определяющий величину, минимальное значение которой должно
соответствовать равновесному развитию экономики.
Из закона
Маркса следует, что минимум затрат времени — это основной, фун­
даментальный критерий оптимальности решений в равновесной
экономике.
К настоящему времени принципы экстремальности и равно­
весности прочно вошли в экономику и стали основой разработки
многих математических моделей, нашедших широкое практическое
применение. В [127, 128] была показана возможность использова­
ния для оптимизации экономических процессов классических ре­
зультатов термодинамики в определении максимальной работы.
Поскольку сейчас в экономической литературе начинают исследо­
ваться с помощью средств математики различные неравновесностп
[30], полезным должно оказаться переосмысливаиие положений си­
нергетики об условиях возникновения иеравповесных состояний,
появлении флуктуаций и их влиянии на изменение структуры и
поведения систем, об отсутствии в неравновесных условиях гло­
бальных минимизируемых функционалов. Интересен с точки зре­
ния экономической науки и анализ применяемых в термодинамике
методов поиска точек бифуркаций и неустойчивых траекторий
движения.
Понятие энтропии, хотя и проникло из физики в экономику
через кибернетику, используется экономистами явно недостаточно.
Оно практически не применяется для анализа неопределенности
состояний и траекторий развития экономических систем, не связы­
вается с оценками их устойчивости и направлений эволюции. Сама
неопределенность часто трактуется не как объективное свойство
систем, а лишь как характеристика информации.

Зависимость ж е экономики от физических факторов, так же
как и от социальных и экологических, стала сейчас неизмеримо
более сильной, чем несколько десятилетий назад. Призыв Капицы
к энергетикам — полнее учитывать физику при определении на­
правлений развития энергетики [59] — можно смело отнести ко
всем экономистам. Глобальность последствий от аварии на единич­
ном объекте — Чернобыльской АЭС — ясно показала, насколько
важно при экономическом прогнозировании оцепить связь между
физическими процессами и надежностью и безопасностью техно­
логий. При современных масштабах развития индустрии сопоста­
вимое влияние на экономику, природу и жизнь людей с влиянием
повреждений на ядерных станциях могут оказать отклонения от
расчетных параметров эксплуатации или аварии на предприятиях
теплоэнергетики, химической и нефтехимической промышленности,
металлургии и др.
Исходя из описанных представлений об историческом разви­
тии связей между физикой и экономикой, авторы старались следо­
вать логике этого развития в своем прогнозном анализе энергети­
ческих и энергохимических технологий.
1.3. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТЕХНОЛОГИЙ.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРЕДЕЛЫ
Физико-химический анализ позволяет оценить потенциал со­
вершенствования технологий во всех практически значимых на­
правлениях. Из соотношений термодинамики находятся пределы
повышения энергетической эффективности: максимальные КПД и
минимальные удельные расходы топлива, а также экстремальные
выходы в реакциях полезных и вредных веществ. Химическая ки­
нетика, гидродинамика, тепло- и массообмен определяют наиболь­
шие скорости процессов и, следовательно, наименьшие размеры
оборудования. Физика твердого тела и сопротивление материалов
дают представление о предельной прочности конструкций и воз­
можности улучшения массогабаритных характеристик технологи­
ческих установок.
В настоящей работе детально рассматриваются только термоди­
намические пределы и менее подробно — пределы, накладываемые
гидродинамикой.
Термодинамический анализ технологий представляет исходный
пункт изучения перспектив их развития, поскольку он дает более
широкую картину, чем исследование ограничений, определяемых
законами кинетики, теплообмена, гидродинамики и др. Характерной
чертой термодинамики «является универсальность выводимых в ней
соотношений» [137, с. 8]. Устанавливаемые ею пределы не могут
быть изменены или тем более устранены улучшением конструкций
аппаратов и организации происходящих в них процессов. Другие
(петермодинамические) предельные показатели в значительной ме­
ре определяются именно подобными факторами (подбором ката­
лизаторов, организаций перемешивания и т. д .) .

Попытаемся, например, определить максимально
константу скорости элементарной реакции, используя
Аррениуса
к = pZe~E/RT,
возможную
уравнение
(1/*)
где к _ константа скорости; р и Z — стернческнй и частотный ко­
эффициенты соответственно; 2? — энергия активации; R — универ­
сальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура. Коэф­
фициент Z приблизительно равен 10й м3/(к м о л ь -с) (см., например,
[90]). При /> = 0,01 —1 и Е = 0 (предполагается, что реакция про­
текает на идеальном катализаторе), к для бимолекулярных реак­
ций также принимает подобные колоссальные значения, которым
соответствуют удельные производительности реакторов порядка
многих тысяч кпломоль на кубометр в секунду. Таким образом, из
чисто кинетических соображений трудно установить пределы уве­
личения производительности оборудования.
При поиске термодинамических пределов их, видимо, необхо­
димо дифференцировать применительно к объектам различных
уровней иерархии, например реакциям, реакторам, технологическим
установкам с многими узлами превращений вещества и энергии.
Учитывая разумность (в связи с большой отдаленностью горизон­
та прогнозирования) высокой степени идеализации процессов, мы
ограничились двумя иерархическими уровнями: реактором и уста­
новкой — п предположили, что предельные термодинамические по­
казатели результирующей реакции процесса совпадают с аналогич­
ными показателями реактора.
При развитии методики определения энергетических пределов
имелось в виду, что они являются одним из основпых факторов,
которые необходимо учитывать при оценке шансов технологий на
будущее эффективное внедрение. Эти показатели, позволяя в пер­
вом приближении представить возможности совершенствования про­
цессов, конечно, не дают оснований сделать однозначные заключе­
ния о перспективах их развития.
В теплоэнергетике большая разница температур горячего (Ti)
и холодного (Тг) источников определяет высокое значение КПД
цикла Карно
ЦК= (Т\ —Т2)/Т\,
(1-5)
но не гарантирует действительного достижения высокой энергетиче­
ской и экономической эффективности изучаемой установки. Слож­
ность изготовления и эксплуатации, дефицитность используемых
материалов, большие потери энергии в связи с необратимостью от­
дельных процессов в общей технологической цепочке и другие по­
добные обстоятельства могут перечеркнуть преимущества, обуслов­
ленные наличием большой разницы температур. Однако малое
значение величины (Т\ —Т2) однозначно свидетельствует об огра­
ниченных возможностях совершенствования процесса преобразова­
ния теплоты в работу. Следовательно, высокий КПД представляет
необходимое, но не достаточное условие эффективности теплоэнер­
гетической установки. Все ж е это условие должно проверяться при

анализе любого нового принципа производства работы благодаря
разнице температур источников теплоты.
Использование термодинамических пределов применительно к
обсуждаемым в данной книге задачам долж но способствовать по­
ниманию и оценке тенденции развития эиергохпмических техноло­
гии. Установление значений предельных показателей связапо с
определенной системой представлений об уровне развития техники
в целом. Действительно, точные значения пределов установить
нельзя. При предположении о неограниченных возможностях роста
параметров теплоэнергетических установок даже г|к может дости­
гать значении, сколь угодно близких к единице (при Н т Г 1 = <»).
Аналогично для любого из эиергохпмических процессов при усло­
вии отсутствия ограничении на выбор параметров и возможности
утилизации тепловой энергии максимально достижимые КПД ока­
жутся равными единице и сопоставление технологий по предель­
ным показателям потеряет смысл.
Принимаемая система предпосылок обусловливает термодина­
мическую модель технологии. Далее апализпруются и используются
три типа термодинамических моделей: стехиометрическая, конеч­
ных равновесии и промежуточных состояний. Стехиометрическое
термодинамическое описание основывается на предпосылке, что
основные химические реакции процессов идут до конца, т. е. сте­
пень превращения вещества равняется единице. Энергия расходу­
ется на покрытие потерь в окружающую среду, производство элект­
роэнергии и получение водяного пара. Тепловые балансы реакций
определяются их стехиометрическими уравнениями. Модель конеч­
ных равновесий описывает условия экстремума термодинамического
потенциала и основывается на предположении, что максимальные
выходы полезных продуктов характеризуются состояниями термо­
динамического равновесия реагирующих веществ. Модель проме­
жуточных состояний является наиболее общей по сравнению с дву­
мя предыдущими и представляет описание условий достпжеппя
экстремального содержания целевых продуктов па всем термодина­
мически допустимом м ножестве составов веществ, включающем на­
ряду с другими исходное состояние и состояние конечного рав­
новесия.
Стехиометрическая модель
Рассмотрим идеальный процесс получения из угля высококаче­
ственных искусственных топлив. Представим предельную ситуацию,
когда перерабатываемое топливо целиком состоит из углерода,
а производит!» требуется чистый водород. В этом случае происходя­
щие в технологической установке химические реакции запишутся
в виде
С+НгО=СО+П2+Q\,
(1.6)
СО+П20= С02+ П2- (?2,
(1.7)
С+ 02= С02- (?з,
(1.8)

где (1.6) — паровая газификация углерода; (1 .7 )— конверсия окси­
да углерода; (1 .8 )— сжигание углерода с целью получения теплоты
для покрытия эндотермического эффекта реакции (1.6); знак « + »
перед символом теплового эффекта реакции указывает на ее эндо­
термический характер (теплота поглощается), а знак «—» — па эк­
зотермический (реакция происходит с выделением теплоты). Энер­
гетический баланс, КПД процесса ц и удельный расход топлива Ь
(на единицу конечного продукта) определяются выражениями
где левая и правая части (1.9) отражают соответственно поступле­
ние и расход теплоты; Э/г)э — расход теплоты на производство элек­
троэнергии, которая потребляется при сжатии реагентов и получе­
нии кислорода, используемого в реакции (1.8), QT— расход тепло­
ты на генерацию водяного пара для реакций (1.6) и (1.7); Qn—
потери теплоты в связи с удалением продуктов реакций из техно­
логической установки с температурой, превышающей температуру
окружающей среды; (?н2 — теплота сгорания водорода, получаемо­
го в (1.6) и (1.7), <7н2 и qc — удельная теплота сгорания водорода
и углерода соответственно.
Уравнение (1.9) отражает первый закон термодинамики. Энер­
гетические затраты на процессы сушки и дробления угля, удаления
золы и шкала, разделения и очистки промежуточных и конечных
продуктов, улавливания и рециркуляции катализатора и некоторые
другие не включены в (1.9), так как предполагается, что они долж­
ны определяться при исследовании конкретных технологических
установок в дополнение к термодинамическому анализу. Подобная
итеративная схема оценки энергетической эффективности широко
распространена при изучении теплоэнергетических установок.
Основное используемое в модели допущение об определении
из стехиометрии выхода конечных продуктов (уравнения 1.6, 1.7)
в ряде случаев м ожет быть оправдано выбором благоприятных с
точки зрения термодинамики температур п давлений процессов,
а также возможностью рециркуляции и повторного использования
непрореагировавших исходных веществ, что часто осуществляется
на практике.
Система (1.6) — (1.11), вид отдельных уравнений которой из­
меняется в зависимости от особенностей изучаемой технологии,
и представляет стехиометрическую модель.
С помощью этой модели были проведены расчеты предельных
т| и b для основных углехимических процессов в соответствии с их
классификацией (см. рис. 1 .2). При расчетах было принято, что из
всего вещества угля в реакциях участвуют только углерод, водород
и кислород, а его эквивалентная молекулярная химическая форму­
ла имеет вид CH0.84O0.23 (соответствует составу нрша-бородннскпх
(?2+@3=Q\+Э/Т|э+ Qr+ (?„,
л = QnJiQz + (?*)>
Ъ= ?н2/(?с*ц),
(1.9)
( 1.10)
(1.11)

Рис. 1.4. Изображение процессов переработки угля в Н — Т диаграмме.
а — эндотермическая; б — экзотермическая реакции.
уг л ей); формулы получаемых в результате реакций искусственного
жидкого топлива (И Ж Т), заменителя природного газа (ЗПГ) и об­
лагороженного твердого топлива (ОТТ) СН2, СН4 и С соответствен­
но. Термодинамическим анализом из общей схемы переработки угля
были охвачены сл едующ ие процессы: основные химические реак­
ции; производство кислорода путем разделения воздуха; генерация
водяного пара; нагрев и сж атие исходны х веществ до параметров,
при которых осуществляются реакции; утилизация физической
теплоты конечных продуктов для нагрева исходных веществ, а так­
ж е для производства электрической и тепловой энергии.
При составлении энергетических балансов (1.9) использова­
лись условные изображения процессов в Н — Т диаграмме (Н —
энтальпия, Т — абсолютная температура), приведенные на рис. 1.4,
где 1—3 — процессы подготовки исходных веществ, протекающие
при Т — const; 1—2 — увеличение энтальпии AHi благодаря подво­
ду электрической работы; 2—3 — изменение фазового состояния
(парообразование); 3—4 — нагрев исходных веществ от температу­
ры окружающей среды То до температуры реакции Гр; 4—5
— хи­
мическая реакция; 5—8
—
охлаждение продуктов реакции от Гр до
То; 5—6 на рнс. 1.4, а и 4—6 на рис. 1.4, б — отвод теплоты на
регенеративный подогрев исходных веществ (Грег — температура
продуктов после процесса реген ераци и); 6—7 — утилизация тепло­
ты для производства электрической пли тепловой энергии (Гух —
температура конечных продуктов после энергетической уста н ов к и );
7—8 — отвод теплоты в окружающую среду.
Для основных исходных показателей были выбраны следующие
численные значения: удельный расход энергии на получение 1 м3
кислорода — 0,3 кВт • ч/м3; КПД процесса сж атпя газообразных ве­
ществ — 0,88, производства электроэнергии внешними источника­
м и — 0,4, получения электрической энергии на основе утилизации

Конечный
продукт
Технология
Проектные показатели
Оценки
предельных
показателей
Л
ъ
ЛЧк
ъ
Гндрогазификация
65—76 1,32—1,54 81,4
1,22
зпг
Гидрогазнфикация + ЯЭ
■
81,5 85,7 1,01
Газификация + синтез
6 3 - 6 8 1,47—1,59 68,0 75,4 1,38
Газификация + ЯЭ +
+ синтез
—
—
71,6 77,1 1,01
Гидрогенизация
51—56 1,79-1,96 91.8
1,09
Гидрогенизация + ЯЭ
—
92,4
—
1,08
Газификация + синтез
45-54 1,85-2,22 69,6 76,9 1,35
нжт
Газификация + ЯЭ +
+ синтез
—
—
73,2 80,2 1,00
Газификация -- синтез
метанола + Мобил-
процесс
45-53 1,89-2,22 69,6 76,9 1.35
Газификация т ЯЭ т
-(-синтез метанола -f-
+ Мобил-процесс
—
—
73,2 80,2 1,00
Метанол
Газификация -(- синтез
47-53 1,89-2,13 76,8 83,7 1,23
Газификация + ЯЭ +
+ синтез
—
—
80,8 85,4 0.90
Газификация -f- конвер­
сия
52-60 1,67-1,92 81,6
1,23
Газификация + ЯЭ +
+ конверсия
_
85,7
0,84
Водород
Металлопаровой процесс 58-68 1,47-1 ,72 85,7
1,17
Металлопаровон
про­
цесс + ЯЭ
—
—
90,8
—
0,79
ИЖТ + КБТ Пиролиз
75-81 1,23-1 ,33 92,0
—
1,09
Примечание. г \ и Пк— КПД соответственно раздельных и комбинированных
производств, %; b — удельный расход угля, ТДж угля/ТДж конечных продуктов; если ком­
бинирование возможно, то Ь приводится для этих технологий.
3 Б. М. Каганович, С. П. Филиппов, Е. Г. Анциферов
33

теплоты синтеза — 0,3, ироизподства тепловой энергии ядерпыми
реакторами и в котельных на органическом топливе — 1,0 и 0,8 со­
ответственно; минимальная температура греющего теплоносителя в
процессах утилизации теплоты — 393 К.
Результаты выполненных расчетов приведены в табл. 1 .1. Здесь
наряду с предельными оценками КПД и Ъ указаны их значения,
которые получены на основе обработки данных о результатах ис­
пытании и эксплуатации лучших на сегодня опытных и промыш­
ленных установок пли закладываемых в проекты.
Несмотря на приближенный характер стехиометрической мо­
дели, приведенные в табл. 1 .1 ориентировочные оценки г) и Ъ мо­
гут найти применение в числе прочих учитываемых факторов при
анализе перспектив развития углехнмической техники. Сопоставле­
ние этих оценок позволяет сделать определенные предположения о
тенденциях развития технологий.
Сравнение расчетных показателей с проектными (разница в
КПД составляет для большинства процессов 15—20% ) свидетель­
ствует о том, что можно надеяться на значительные усовершен­
ствования технологий. Следовательно, создание в перспективе при
соответствующей ситуации в энергетике крупной промышленности
по производству из угля качественных углеводородных топлив
представляется вполне вероятным. Табличные данные показывают
также большую энергетическую эффективность использования в
процессах переработки угля теплоты ядерных реакторов. Из
табл. 1 .1 можно получить представление о целесообразности комби­
нирования процессов переработки угля с процессами производства
электрической п тепловой энергии, которое приводит к увеличению
теоретических КПД на 5 —7 % и более.
Приведенные данные могут оказаться полезными в дальнейших
исследованиях, но их никоим образом нельзя считать решающими
для оценки перспективной сравнительной конкурентоспособности
углехимических технологий. Прогнозные показатели этих техноло­
гий с учетом дополнительных факторов анализируются в гл. 3.
Модель конечных равновесий
Модели конечных равновесий нашли широкое распространение
для термодинамического анализа природных и технологических про­
цессов. По данным [153] к настоящему времени уж е разработано
более ста алгоритмов их реализации на ЭВМ. Все это множество
можно разбить на два класса: алгоритмы, основанные на законе
действия масс, и алгоритмы, использующ ие экстремальный прин­
цип максимума энтропии или минимума свободной энергии. Оба
основополагающих принципа представляют распространение на ге­
терогенные системы лагранжсиых принципов равновесия и экстре­
мальности. Эаслуга применения законов механики для гетероген­
ных систем, как известно, при надлеж ит Д. Гиббсу [36].

Ах —В,
(1.12)
/>Л'Р<7 AVpП a*pj}= А'рр, р = 1,
j
(1.13)
po-'Xj=елСе/лг, р= гг+ 1, ..., г2,
(1.14)
Xj> 0,
(1.15)
гдеА=
п — матрица содержаний элементов (электрических за ­
рядов) в компонентах термодинамической системы; a(i— сод ер ж а ­
ние 1-го элемента (заряда) в ;-м компоненте; х = (х\, . . . , хп)т—
вектор мольных содержаний компонентов; В = (Ь\, . . . , bm)T— век­
тор количеств молей элементов; р — давление; Av — сумма стехио­
метрических коэффициентов реакции; v — стехиометрический коэф­
фициент, записываемый со знаком « + » для конечных продуктов
и со знаком «—» для исходных реагентов; р — индекс химической
реакции или процесса фазового перехода; а — общее число молей
газообразных компонентов; г\ — число независимых химических р е­
акций; AG£ = G£p —
G„p и G®p — стандартные энергии Гиббса
для р-го фазового перехода конденсированной и газообразной фаз
соответственно; гг — п
— число конденсированных фаз. Матричным
уравнением (1.12) описываются законы сохранения массы и элек­
трического заряда. Уравнения (1.13) представляют запись закона
действия масс для химических реакций, а уравнения (1.14)— усло­
вия фазового равновесия.
Экстремальная модель с максимизацией энтропии выражается
в форме:
найти
max (S = 2 Sj(xj)+ Sj.p.(x))
(1.16)
при условиях
Ах=В,
^j
”1” Jт.р. (■!") == J1
(1.17)
Xj^ О,
где S — энтропия; J — заданная полная энтальпия системы; индекс
«т. р.» относится к тепловому резервуару.
Авторы во всех до сих пор проведенных исследованиях ис­
пользовали модель, основанную на минимизации свободной энергии
Гиббса при фиксированных р и Т:
найти
minG—^ Gj(xj)
(1.18)
при условиях
Ах=В.
xj>0.
При этом предполагалось, что газовая фаза и растворы в реагирую-
‘J*
kJ

щей смеси являются идеальными, а энергия Гиббса вычисляется по
формуле
Г
r k~~^
G(х)=V(G?+RT1“(рi))X)+ 2 G>)+
j= 1V
\ // j=r+i
kRh
+22 (G"+"Г1"(т))^’
<1Л!))
i i=rA4
где G° — стандартная мольная энергия Гиббса; г — число компонен­
тов в газовой фазе; Rk— гк— число компонентов в А*-м растворе;
к — число растворов.
Составление списка компонентов вектора х и определение со­
ответствующих значении G0 осуществлялось с использованием бан­
ка данных о термодинамических свойствах индивидуальных ве­
ществ, содержащегося в [141] и дополненного авторами в отношении
свойств органических соединении и конденсированных фаз. Даль­
нейшее пополнение банка (в настоящее время в нем содержатся
сведения примерно о двух тысячах компонентов) является необхо­
димым условием повышения эффективности термодинамических мо­
делей. Анализ чувствительности решений к задаваемому списку
веществ должен составить предмет специальных исследований.
В будущем предполагается развитие модели конечных равно­
весий введением в число варьируемых переменных Т и Р. Это. воз­
можно, повлияет па математические особенности решаемых задач
в связи с изменением вида минимизируемого функционала. Пред­
варительные исследования характера функций G= f(T) и S = f(T)
показали, что они близки к линейным.
К настоящему времени модели конечных равновесий реализо­
ваны авторами в двух модификациях: для идеального и реального
газов. Предварительные исследования показали, что уравнения со­
стояния могут быть записаны в таком виде, что в обоих случаях
будет обеспечена выпуклость или, по крайней мере, унимодальность
функции Гиббса. Эти модели использовались авторами для оценки
энергетической эффективности плазменной газификации угля и рас­
четов горения топлив.
Модель оптимальных промежуточных состояний
Уж е первые расчетные исследования с использованием модели
конечных равновесий показали, что не во всех случаях с их по­
мощью могут быть получены оценки предельных показателей тех­
нологий. Дело в том, что основные целевые продукты некоторых
зиергохимических производств получаются не в точке окончатель­
ного термодинамического равновесии, а на промежуточных стадиях
процесса. Прежде всего это относится к процессам, протекающим
при сравнительно невысоких температурах, когда скорости отдель­
ных химических реакции могут сильно отличаться друг от друга.

Таблица 1.2. Результаты расчета окончательного термодинамического
равновесия процессов переработки угля (в весовых долях)
А. Пиролиз. Исходное вещество: СИ0 R4O0 23; Р = 0,1 МПа
Состав
равновесной
смеси
Температура, К
500
600
700
800
900
н2
0.000 5
0,002 5
0,008 0
0,081 3
0,031 1
Н20
0,201 0
0,182 0
0,161 0
0,131 0
0,087 0
со
0,000 0
0,000 2
0,003 1
0,023 5
0,104 7
со2
0,060 7
0,083 6
0,105 6
0,123 2
0,117 5
сн4
0,112 3
0,112 8
0,099 4
0,072 2
0,041 2
С„
0,625 5
0,619 0
0,622 9
0,632 0
0,618 3
Б. Гидрогенизация. Состав исходной смеси: СП0 ?4О0 23- f 0,66Н2; Р — 15 МПа
Состав
равновесной
смеси
Температура, К
600
700
800
н2
0,000 4
0,001 2
0,003 0
Н20
0,203 0
0,190 0
0.183 0
со2
0,045 7
0,059 0
0,069 5
сн4
0,256 7
0,258 1
0,255 1
Ск
0,505 8
0,491 7
0,489 4
В. Синтез. Состав исходной смеси: СО + 2Н2; Р = 2 МПа
Состав
равновесной
смеси
Температура, К
500
600
700
800
н2
0,000 2
0,001 4
0,004 6
0,011 6
Н20
0,461 0
0,423 0
0,393 0
0,361 0
со
0,000 0
0,000 0
0,001 4
0,010 4
со2
0,123 2
0,167 2
0,206 8
0,237 7
сн4
0,290 4
0,290 2
0,304 2
0,290 2
Ск
0,125 1
0,118 2
0,090 0
0,089 0
Предположим, например, что механизм процесса описывается
схемой
А^В-^С,
где А, В п С — векторы составов исходных веществ, промежуточ­
ных и конечных продуктов соответственно. Если время тВс проте­
кания В -*■С во много раз превосходит длительность Тдв реакции
А В, то промежуточный продукт В можно извлечь из реактора
и закалить путем быстрого охлаждения. Общеизвестным примером
такого явления может служить термическая обработка металлов,
при которой в результате нагревания получаем нуж ную нам, по

термодинамически неустойчивую структуру и затем резким сниж е­
нием температуры предотвращаем ее дальнейшие изменения.
Применительно к энергохимическим технологиям получение по­
лезных веществ на промежуточных стадиях было обнаружено при
анализе ряда процессов переработки твердого топлива. Так, расче­
ты показали, что в результате полного проведения реакции пироли­
за и гидрирования угля, синтеза из смеси СО и Нг образуются
равновесные составы, содержащие только газообразные продукты
(СО, СО2. Н2О, СН4, Нг) и непрореагнровавший конденсированный
углерод (табл. 1 .2 ), и, следовательно, производство ж идких топлив
оказывается возможным лишь в результате резкого уменьшения
скорости превращения реагентов на заключительном этапе.
Накопление в реакторе полезных промежуточных продуктов
может осуществляться как в результате естественного протекания
процесса, так и путем его специальной организации с искусствен­
ным изменением соотношений м еж ду скоростями отдельных стадий
(введением катализаторов и ингибиторов). В обоих случаях для
проведения термодинамического анализа предельной энергетической
эффективности технологий требуется реш ение задачи поиска опти­
мальных промежуточных состояний.
Постановка задачи о термодинамическом анализе кинетики хи­
мических процессов на основе поиска локальных (промежуточных)
равновесий была сделана А. Н. Горбанем, В. И. Быковым и Г. С. Яб­
лонским в [39]. Дальнейшее изучение ими же этой проблемы нашло
отражение в [167] и [191] и специально посвященной «обходу» рав­
новесия монографии А. Н. Горбаня [38]. В 1985 г. на данную тему
была опубликована статья американских ученых Ш иннара и Фен-
га [229].
Задачу поиска оптимальных промежуточных состояний авторы
настоящей книги сформулировали в [93, 108]. Особенность подхода,
описанного в [108], по сравнению с методами анализа, изложен­
ными в [38, 39, 167, 191, 229], заключается в том, что здесь про­
блема была сведена не к поиску полных зон доступности и недо­
ступности из заданного начального состояния, а к нахождению на
балансном многограннике лишь доступной точки с экстремальным
содержанием желаемых (нежелаемых) веществ. Уменьшение раз­
мерности пространства решений позволило резко увеличить возмож­
ности соответствующих вычислительных алгоритмов и применить их
для анализа многокомпонентных систем.
Чтобы найти промежуточную точку процесса, которая соответ­
ствует наиболее благоприятному составу веществ, прежде всего
необходимо определить область поиска, т. е . указать исходный и
конечный пункты траектории. Построение траектории движ ения от
исходного состоянии до конечного, т. е. раскрытие м еханизм а про­
цесса, относится к предмету химической кинетики. Однако для ис­
следовании новых, не прошедших экспериментальной поверки тех­
нологии, возможность использования методов кинетики представ­
ляется весьма проблематичной. В наших задачах неизвестными яв­
ляются константы скорости элементарных реакций, и их список,

( 1.20)
- /(Ай),
где т — времян к — константа скорости реакции.Сведениепопска
промежуточных состоянии к термодинамическому анализу было
осуществлено на основе следующей задачи математического про­
граммирования:
найти
max ^
CjXj
0 -21)
jeJonr
при условиях
Ах=В,
Gp<G(x)^GHj
(1.22)
G(x') >G{x")
(1.23)
для любого непрерывного перехода из х в х " ,
Xj>0,
где Cj— коэффициент, ранжирующий желательность получения /-го
компонента; / опт — множество индексов компонентов, получение ко­
торых является желательным; Gp и G„ — энергии Гиббса системы
в равновесном и начальном состояниях соответственно.
Ограничения (1.22), (1.23) отражают второй закон термодина­
мики, что легко объяснить, основываясь на его формулировке, при­
веденной в [ 1 1 2]: «второе начало термодинамики позволяет ут­
верждать, что для изолированных систем функция Ляпунова суще­
ствует п термодинамическое равновесие является аттрактором для
неравновесных состояний». В нашем случае функцией Ляпунова
служит энергия Гиббса системы. Действительно, точку отсчета энер­
гии можно выбрать такую, что Gp будет равно нулю и во всех воз­
можных неравновесных состояниях G > 0 и G' (т) ^ 0, так как при
движении системы к равновесию каждая промежуточная реакция,
продолжающаяся от момента времени ti до момента времени Т2,
может совершаться лишь при G\ > G2, т. е. при положительном
сродстве, что и выражается неравенством (1.23).
Геометрическая интерпретация задачи приведена на рис. 1.5.
Здесь многоугольник abcOa на плоскости х\Ох2 отображает множе­
ство допустимых по условию (1.12) значений вектора х. Точки «н»,
«р» и «п» на поверхности G и плоскости Х\0х2 соответствуют ис­
ходному составу системы, конечному равновесию и промежуточному
состоянию. На площади abcOa нанесены проекции линий G = const
и выделены области abcdea и fgOf, недостижимые из исходного со­
стояния «н» по условиям (1.22), (1.23). Показаны также две тра­
ектории движения от исходного состояния к конечному: удовлетво­
ряющая (обозначена сплошной линией) и неудовлетворяющая (обо­
значена пунктиром) неравенству (1.23).

Рис. 1
.5
.
Графическая интерпретация задачи поиска промежуточных состоя­
ний в пространстве G. х.
Заштрихована область состояний, недостижимая из точки н.
Основываясь на геометрической интерпретации, задаче (1.21) —
(1.23) можно дать такую словесную формулировку: найти термоди­
намическое состояние системы реагирующих веществ, т. е . точку
в пространстве (G, х), расположенную на одной из термодинамиче­
ски допустимых траекторий движения от «и» к «р» н соответству­
ющую максимально возможному выходу требуемых продуктов.
Корректно определить вид функции (1.21) в каждом конкрет­
ном случае можно, лишь принимая во внимание особенности ре­
шаемой задачи. Действительно, как назначить список наиболее
ценных продуктов пиролиза угля? Ведь и полукокс (коммунально-
бытовое топливо), и газ (энергетическое топливо), п смола (сырье

для химической промышленности или производства ИЖТ) являют­
ся полезными веществами. II если даже мы установили, что жела­
тельно получить максимально возможное количество жидкого топ­
лива, останется неясным нанлучший выбор углеводородов. На это
могут повлиять и общее количество образуемой смолы, и сложность
дальнейшей переработки, и требования к производимому ИЖТ,
и другие факторы.
Для расширения возможностей термодинамического анализа на
основе поиска оптимальных промежуточных состояний было со­
ставлено и реализовано в виде вычислительных алгоритмов и про­
грамм для ЭВМ еще пять модификаций модели.
Модификация I. Расширение ассортимента продуктов.
Найти
max |
при условиях
Gр<G(x)
CjXj^£
Ах=В,
:Gh,
G(x')>G(x"),
для всех /е /опт,
xj>0,
(1.24)
где | — вспомогательная переменная. Целесообразность использо­
вания этой модификации связана с тем, что в случае применения
описания (1.20) — (1.23) и алгоритма линейного программирования
размерность оптимального решения в некоторых ситуациях не мо­
жет быть больше размерности вектора В (см. разд. 2 .1). В то же
время часто желательно получение широкого ассортимента продук­
тов (например, при упомянутом выше процессе пиролиза). Очевид­
но, что введение переменной £ позволяет решить возникшую
проблему.
Модификация 2. Оптимизация состава реагентов.
Найти
при условиях
ах2
cj*jlE У)
;е /опт
/j
(1.25)
2v>m=1,
j
(1.26)
Ах = В(у),
(1.27)
Ay ~В{у),
(1.28)
1Фи,
i
(1.29)
G(x’)>G(x"), х}>0, у , > 0.
(1.30)
j
i
Gp^ G(#) G
где у — вектор мольных содержаний исходных веществ (управляю­
щих переменных); ц — молекулярный вое;
и а*2— коэффициен­
ты; i — индекс неравенства. С помощью неравенства (1.26) коли­
чества исходных компонентов нормируются относительно одного

килограмма смеси. Однородными неравенствами вида (1.29) зада­
ются пределы изменения соотношении между компонентами век­
тора у.
Очевидно, что преимуществом постановки задачи (1.25) — (1.30)
перед ( 1 .2 1 ) — (1.23) и (1.24) является возможность автоматическо­
го выбора оптимального с точки зрения расхода сырьевых ресурсов
состава исходных реагентов. При анализе процессов переработки
топлив решение (1.25) — (1.30) окажется нанвыгоднейшнм в отно­
шении энергосбережения.
Модификация 3. Оптимизация состава реагентов при ограни­
чениях на выход вредных веществ. Отличается от второй добавле­
нием ограничений вида
шах 2 сзхзЕ уз^%; j^Jz,
(1.31)
ie/z /
где Z — допустимый выход загрязняющего окружающую среду пли
вредного по каким-либо другим условиям компонента; Jz — м ноже­
ство индексов компонентов, получение которых нежелательно.
Модификация 4. Минимизация выхода вредных веществ.
Найти
min шах 2 cjxjl]Ly
(1.32)
isjz /з
при условиях
2No =1, Ах=В(у),Ау=В(у),
i
aij2 Уз^ Ун^ а*22 Уз' )Ф1и
3
3
Gp^G(x)^GH, G{x')>G(x"),
Xj^ 0, yj>0.
Модификация 5. Минимизация выхода вредных веществ при
ограничении на выход полезных. По сравнению с четвертой вклю­
чает еще ограничение
шах 2 CjXj^F,
(1.33)
?4=J°nT
где F — минимально допустимый максимум выхода целевых про­
дуктов.
Последние две модификации модели промежуточных состояний
позволяют оптимизировать процессы с точки зрения минимизации
выхода вредных веществ.
В целом рассмотренная модель является более общей по срав­
нению со стехиометрической и конечных равновесий и включает их
как частные случаи. Для перехода к стехиометрическому анализу
следует предположит]», что термодинамические ограничения ( 1 .22)
и (1.23) несущественны. Модель конечных равновесий мы автома­
тически получаем из модели промежуточных состояний в случаях,
когда оптимальный состав вещества оказывается одновременно и
равновесным.

Таблица 1.3. Результаты расчета процесса пиролиза угля (Т - 900 К ,
Р=0,1МПа)
Вещество
Химическая
формула
Энергия
Гиббса
компонента,
кДж/кг
Исходный
состав
Равновесный
состав
Оптимал1
ный
состав
кг
Уголь
CH0,48°0,40N0,014 —4 058,3 0,880 0
0,000 0
0,000 0
Водород
Н2
—64 476
0
0,005 5 0,000 0
Вода
Н20
—23 633 0,120 0
0,248 9
0,000 0
Диоксид углерода
со2
— 13697
0
0,237 7
0,468 3
Азот
N2
—6
376
0
0,008 4
0,000 0
Диоксид азота
no2
-4313
0
0,001 1 0,028 9
Сероводород
H2s
-6475
0
0,009 0
0,000 0
Триоксид серы
so3
-8128
0
0,000 2
0,002 2
Метан
сн4
—16231
0
0,001 2
0,000 0
Бензол
c 6H6
—2 669
0
0,000 2
0,344 2
Фенол
c 6H6o
—3 987
0
0,000 2
0,135 8
Толуол
С;Н8
—2
507
0
0,000 2
0,000 0
Фенантрен
С14Н10
—1
173
0
0,000 3
0,000 0
Дпметплнафталин
СХ2Н12
-2
500
0
0,000 2
0,000 0
Ундекан
СцН24
-6
003
0
0,000 2
0,000 0
Метплэтплтетра-
лин
С1зН18
-3
685
0
0,000 6
0,000 0
Углерод
С„
- 5682
0
0,473 7
0,000 0
Суммарная энергия Гиббса
системы, кДж/кг
-6958
—10123
- 8270
Приведенные модели позволяют в определенной мере учесть и
ограничения на механизм процесса. Связанные с этим математиче­
ские проблемы требуют дальнейших исследований. Однако прин­
ципиальная возможность такого учета показывается ниже на
примере.
Для распространения термодинамического анализа на все прин­
ципиально возможные энергохпмические технологии в будущем, мо­
жет быть, еще потребуется построить прогнозные модели неравно­
весной термодинамики и, по-видимому, специальные модели неста­
ционарных процессов [89].
Описанные модели дают возможность оценивать энергетиче­
скую и экологическую эффективность отдельных реакторов. При
исследовании степени совершенства технологических установок с
мпогими элементами опи используются в составе более общих мо­
делей МОТУС (см. разд. 1 .1).
Математические особенности термодинамических моделей и реа­
лизующих их алгоритмов детально изложены в гл. 2 , здесь же при­
ведем три примера, иллюстрирующих эффективность использования
модели оптимальных промежуточных состояний.

В табл. 1.3 представлены результаты расчета процесса пиро­
лиза угля, проведенного на основе заданного списка веществ, ко­
торый включал 98 компонентов (в таблице помещена только его
часть). Из сопоставления четвертого и пятого столбцов видно, что
оптимальный состав резко отличается от равновесного и характе­
ризуется большей долей смолы (около 48 % от общего веса) с вы­
соким содержанием фенола. Анализ табличных данных также об­
наруживает, что оптимальный выход целевых продуктов совпадает
с максимально возможным по условиям материального балан­
са (уравнение (1.12)). Расчетная эффективность процесса намного
превзошла достигнутую на лабораторных и опытных установ­
ках [И].
Аналогичные результаты получились и во многих других рас­
четах пиролиза, выполненных для различных углей и различных
температур и давлении. Это позволило сделать выводы, что, во-
первых, термодинамика не накладывает ограничений на совершен­
ствование технологии пиролиза и термодинамически допустимые
(при используемых на практике параметрах процесса) степени
превращения веществ можно находить, применяя только закон со­
хранения массы, и, во-вторых, что имеются принципиальные воз­
можности значительного улучшения показателен данной техноло­
гии по сравнению с сегодняшним уровнем.
В области температур, близких к температуре окружающей сре­
ды (применение которых в будущем может стать реальным в слу­
чае создания катализаторов, сопоставимых по эффективности с био­
логическими), был обнаружен эффект резкого сокращения выхода
целевых продуктов пиролиза по условиям термодинамики (уравне­
ния (1.22), (1.23)).
Из приведенного примера следует, что термодинамический ана­
лиз оказывается весьма эффективным даж е для сильно необрати­
мых химических процессов, представителем которых является пи­
ролиз. Это объясняется тем, что целевые продукты могут образо­
ваться не при достижении системой состояния равновесия, а на пу­
ти к нему; и тем, что саму степень необратимости процессов нельзя
определить априори.
В качестве второго примера выбран процесс синтеза метанола
пз смеси СО и Нг (мольное соотношение СО/Н2 = 0 ,5), результаты
расчета которого представлены в табл. 1.4. Рассмотрены два вари­
анта исходной информации, которые отличались друг от друга раз­
мерами задаваемых списков веществ: семь по первому варианту
и три по второму.
При первом варианте данных равновесная смесь оказалась со­
стоящей из газообразных продуктов: Нг, НгО, СОг, СН4 п неболь­
шого количества конденсированного углерода, выход метанола по­
лучился нулевым. Анализ промежуточных состояний выявил, что
выход СН40 может быть доведен до 96 % от веса исходного синтез-
газа (столбец А ).
Интересно сопоставление результатов расчетов по первому п
второму вариантам. Неожиданным оказалось уменьшение макси-

Таблица 1.4. Результаты расчета процессии синтеза мета­
нола СИ40 . Исходная смесь: СО 2II2; Т (ИИ) К , Р
:Ш МПа,
О-
—9990 кДж/кг
Выходы веществ (в весовых долях)
Вещество
Промежуточные состояния
Конечное
А
Б
В
равновесие
Вариант I
н2
0,000 1
0,000 2
0,000 3
0,000 4
Н20
0,010 8
0,165 8
0,351 8
0,425 7
со
0
0
0
0,000 8
со2
0,006 6
0,064 8
0,138 0
0,166 0
сн4
0,012 0
0,120 3
0,256 0
0,309 4
сн4о
0,960 5
0,610 7
0,173 4
0,000 3
Ск
0,004 0
0,038 2
0,080 5
0,097 5
G, кДж/кг
—10200
—11370
—12660
—13100
Вариант II
Н2
0,045 7
0,045 9
СО
0,317 9
0,319 1
сн4о
0,636 4
0,635 0
G, кДж/кг
—10207
—10207
Примечание. А — без учета механизма процесса (идеальный
катализатор); Б — медь-цннк-алюмннпевый катализатор; В — цинк-хро-
мовый катализатор.
мально возможного выхода метанола от 96 до 64 % при «запреще­
нии» образования балластных примесей: Иг, ЩО, СОг, СН4 (сокра­
щение списка веществ в исходной информации можно объяснить
как имитацию подавления ряда реакций с помощью ингибиторов).
Хотя равновесная смесь по второму варианту оказалась достаточно
насыщенной СН40 (64 % при нуле по первому варианту), более
благоприятных точек на термодинамически допустимых путях к
равновесию обнаружено не было.
Объяснение полученного результата заключается в уменьшении
возможностей «обхода» равновесия при сокращении размерности
решаемой задачи. Предположим, что задача одномерная, т. е. систе­
ма ( 1 . 12) сводится к одному линейному уравнению, и точка с наи­
большим содержанием требуемого продукта «II» расположена по
другую сторону от равновесия по сравнению с исходным состояни­
ем реагирующей системы «II» (рис. 1.6, а). В этом случае переход
от «Н» к «Г!» невозможен, так как на участке НИ суммарная энер­
гия Гиббса должна возрастать. При увеличении размерности снсте-

Рис. 1.6. Появление возможностей обхода равновесия при увеличении
размерности задачи.
мы (1.12) (рпс. 1.6, б) переход из состояния «Н» в состояние «П»
делается возможным по траекториям, не проходящим через точку
равновесия.
При сравнении данных табл. 1.4 с сегодняшними показателями
технологий получения метанола не следует забывать, что в ней
указаны лишь термодинамически допустимые пределы роста.
В табл. 1.4 для варианта I приведены результаты еще двух
расчетов, в ходе которых учитывались ограничения на механизм
реакции, определяемый катализатором (столбцы Б и В). При ис­
пользовании медьсодержащих катализаторов предполагалось, что
механизм описывается уравнениями
СО+ Н20 = С02+ Н2.
С02+ ЗН2= СН3ОН + Н20.
Для цинк-хромовых катализаторов записывались уравнения
С02+ Н2= СО + Н20,
СО + 2Н2= СНзОН.
Включение в постановку задачи уравнений, отражающих эти
стехиометрические соотношения, сужает многогранник ограничений
материального баланса (1.12) и соответственно область термодина­
мической доступности из исходного состояния.
Естественно, что в случае, когда механизм реакций не учиты­
вался (т. е. предполагалась возможность использования каких-то
более эффективных, чем применяются сегодня, катализаторов), вы­
ход метанола оказался наибольшим (96% ). При учете механизма
соответствующие цифры получились равными 61 и 17 %. Они сви­
детельствуют о наличии резервов в повышении эффективности син­
теза метанола.
Данный пример иллюстрирует возможность учета с помощью
модели промежуточных состояний таких реальных особенностей
процессов, как тип применяемых катализаторов.

Таблица 1.5. Результаты расчета пароводимон конверсии углеводородов.
Исходное состояние: Т = 000 Ii‘, Р — 0 .215 МПа.
Состав исходной смеси в весовых долях:
Н2— 0.001 6;
N2— 0,001 7;
С114— 0,003 2;
С2НВ— 0,009 1; Call,— 0,034 2; С,Н10— 0,088;
С#Н18— 0,017;
Cpilj,— 0.002 7; С8П18— 0,001 4;
С4Н8— 0,002 3;
П20 — 0,837 1;
Т= 000К, Р = 0,215МПа, Сн= —17049кДж/кг
С
Е-
Состав продуктов
(в весовых долях)
Оан
Состав продуктов
(в весовых долях)
Вещество
Состав продуктов
(в весовых долях)
С
ё
Конечное
равнове­
сие
Промежу­
точное
состояние
о
г>
3 Конечное
равнове­
сие
Промежу­
точное
состояние
Конечное
равнове­
сие
П роме-
жуточное
состоя­
ние
н2
0,005 2 0,029 0 N2 0,001 4 0,000 0
nh3
0,000 3 0,002 0
со
0,0007 0,0000 сн4 0,1320 0,0000 ск
0,000 4 0,129 0
со2 0,1020 0,0000 н2о 0,7560 0,8378 G, кДж/
кг
|—18 105 -17 893
Третий пример показывает, что создаваемые в целях прогно­
зирования термодинамические модели могут найти другие практи­
ческие применения. Это иллюстрируется анализом решения прак­
тически важной задачи определения условий образования конден­
сированного углерода С„ в печах конверсии углеводородов (см., на­
пример, [111]).
Исследовался реальный процесс переработки газов, которые
содержали углеводороды Ci—С7, водород и азот (табл. 1 .5). При
эксплуатации служащих для осуществления этого процесса трубча­
тых печей выявились серьезные трудности, обусловленные выпаде­
нием в нагреваемых трубах Ск, который проникал в поры катали­
затора н разрушал его. Забивание нижней части труб каталпзатор-
ной пылью приводило к увеличению их гидравлического сопротив­
ления, перегреву и преждевременному выходу из строя.
Модель промежуточных состояний использовалась для решения
оптимизационной задачи с критерием оптимизации в виде max Ск.
Анализ результатов расчета показал, что Ск образуется в условиях,
когда более 60 % Н2О проходит через печи, не прореагировав. Про­
межуточное равновесие с максимумом Ск достигается в случае,
когда водяной пар вообще не участвует в реакции, углеводороды
диссоциируют на углерод и водород и весь азот переходит в аммиак.
Установленный в результате численного эксперимента факт,
что максимум Ск имеет место при степени превращения НгО, рав­
ной нулю, привел к предположению, что возможным местом обра­
зования Ск является теплообменник, где газы подогреваются до
Т = 500 К еще до смешения с водяным паром. Это подтвердилось
натурным обследованием. Возможность протекания разложения
С„Нт при низких температурах объяснялась тем, что никель, вхо­
дящий в состав легированной стали, из которой изготовлены труб­
ки теплообменника, является катализатором.

Исследование влияния параметров процесса и состава реаген­
тов на образование Ск в печи показало целесообразность увеличения
доли водорода в подаваемом газе и бесполезность и даже вредность
добавки кислорода (это приводило бы к окислению водорода, содер­
жащегося в углеводородах, и усилению выпадения С„).
Из третьего примера можно увидеть дополнительные достоин­
ства термодинамического анализа. Действительно, кинетическими
расчетами найти место и условия образования С„ в рассмотренном
случае не представляется возможным из-за отсутствия эксперимен­
тальных коэффициентов скоростей реакций для неорганизованного
катализа в трубках теплообменника п побочных процессов в печи.
Термодинамика же позволила в какой-то мере объяснить физику
процесса и наметить мероприятия по его совершенствованию.
Очевидно, что методика, подобная описанной в приведенном
примере, может быть использована для анализа экологических ха­
рактеристик технологий. Конечно, для корректного применения тер­
модинамических моделей нуж но всегда помнпть, что с помощью
термодинамики мы определяем не действительные выходы продук­
тов, а лишь верхние оценки их значений. Но и такая информация
при выборе эффективных процессов может оказаться весьма по­
лезной. Так, низкая оценка производства полезных веществ свиде­
тельствует о бесперспективности технологии и возможности ее
исключения из прогнозного анализа. Наоборот, малые предельные
выходы вредных ингредиентов могут использоваться при обоснова­
нии дальнейшей разработки технологического процесса.
1.4. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРЕДЕЛЫ
В настоящем разделе вопросы оценки и эффективности исполь­
зования гидродинамических пределов рассматриваются примени­
тельно к трубопроводным системам транспорта энергоносителей и
реакторам. Системы трубопроводов представляют важ ную составную
часть большинства промышленных предприятий и играют значи­
тельную роль в формировании обсуждаемых в монографии инте­
грированных энергетических систем.
Зависимости между экономическими
и гидравлическими характеристиками трубопроводных систем
Сопоставление затрат на транспорт различных энергоносителей
часто проводится в технико-экономических исследованиях. Его ре­
зультаты могут в какой-то мере изменяться в зависимости от тем­
пов развития техники в сравниваемых трубопроводных системах и
изменения соотношений между их стоимостными показателями.
При долгосрочном прогнозировании подобные обстоятельства очень
трудно или даже невозможно предвидеть.
Для получения ориентировочных оценок эффективности транс­
порта на далекую перспективу нуж но установить ее зависимость
от физических свойств энергоносителей и гидродинамических зако­

номерностей их движения по трубопроводам, т. е. факторов, пе под­
верженных влиянию времени. Учет физики явлений здесь, как и
при анализе химических процессов, должен в наибольшей степени
способствовать уменьшению неопределенности наших суждений о
будущем. Переход от физических зависимостей к экономическим
естественно осуществлять по уж е приведенной схеме (см. разд. 1 .1):
физические характеристики
конструкционные параметры -*• техни­
ко-экономические показатели.
Особенности экономических характеристик трубопроводных се­
тей и математических задач их оптимизации были строго выведены
из основных гидродинамических соотношений В. Я . Хасилевым [148.
149]. Попытка систематического изложения и некоторого развития
идей В. Я. Хаснлева относительно экстремальных свойств оптими­
зационных моделей гидравлических систем была предпринята в [54].
Ниже кратко излагаются отдельные положения приведенного в
[54] анализа зависимостей м еж ду экономическими и гидравлически­
ми характеристиками трубопроводов, которые далее используются
для оценки предельных сравнительных показателей транспорта
энергоносителей.
Движение несжимаемой жидкости по трубопроводу может быть
достаточно точно описано эмпирической формулой Дарси — Вейс-
баха
где Ар— потеря давления; X — коэффициент гидравлического тре­
ния; D — диаметр трубопровода; w — скорость; р — плотность ж ид­
кости; I— длина трубопровода*.
Перепишем (1.34), заменив скорость более удобной для нашего
анализа переменной — объемным расходом энергоносителя в еди­
ницу времени и:
*P=XT>^iL
И -35)
Из (1.35) можно выразить конструкционный параметр D тру­
бопровода как функцию расхода и потери давления, т. е. гидравли­
ческих характерпстпк:
При соблюдении формальной строгости множитель X нельзя
было включать в постоянный коэффициент [}, поскольку
где Re — критерий Рейнольдса; к — шероховатость стенок трубо-
* Вывод экономических характеристик для транспорта сжимаемых жид­
костей отличается от приведенного ниже лишь использованием вместо Ар и
I их дифференциалов. Результаты оказываются идентичными.
(1.34)
(1.36)
X= /(Re, k/D),
(1.37)

Рис. 1.8. Зависимость м еж ду выраженными в от­
носительных единицах приведенными затрата­
ми о и потерями давления в трубопроводе е.
Рис. 1.7. Экономический функционал трубопро­
водной системы.
провода. С учетом (1.37) для турбулентного движения различных
жидкостей могут несколько меняться и показатели степени в (1.36).
Однако с точки зрения простоты изложения н обеспечения разум­
ной точности проводимого исследования формула (1.36) оказыва­
ется вполне удовлетворительной.
Для последующего перехода к экономическим показателям
представим капиталовложения в трубопровод в виде линейной
функции диаметра
k=cl+bDl,
(1.38)
что по крайней мере в первом приближении отражает реальные за­
висимости. От (1.36) п (1.38) можно перейти к выражению для
приведенных затрат
„0,4П0,2
3 -av\p+Ь.* р,1иг+ с,1,
(1.39)
Ар0,2
где первое слагаемое представляет затраты на перекачку энергоно­
сителя: произведение vAp дает значение потребной для транспорта
мощности, а постоянный коэффициент а является произведением
числа часов использования этой мощности на стоимость перекачки
единицы энергии. Множители Ь\ и ci содержат нормативный коэф­
фициент эффективности капиталовложений.
Из анализа (1.39) видно, что функция 3 является вогнутой
по оси и (сумма вогнутой и линейной функций) н выпуклой по оси
Ар (сумма выпуклой и линейной составляющих). Вид зависимости
(1.39) приведен на рис. 1.7.
Теперь рассмотрим обнаруженное В. Я . Хаснлевым замечатель­
ное свойство зависимости приведенных затрат от потери давления
в трубопроводе (связи м еж ду его экономическими и гидравлически­
ми характеристиками), которое послужило авторам для обоснования

исходных предпосылок их методики оценки предельных показате­
лем транспорта энергоносителей.
Введем выраженные в относительных единицах показатели
е = Ар/Аро
(1.40)
о = (3-3 „)/(3-с),
(1.41)
где индекс «о» относится к оптимальным значениям Ар и 3; с —
постоянная часть в приведенных затратах.
Для раскрытия характера функции о = /(е) преобразуем (1.39)
к виду
3= ААр+ВАр~*+ с.
(1.42)
Возможность такого преобразования очевидна. Значение показа­
теля степени ф в приведенной выше формуле принимается равным
0,2. Приравнивая производную от (1.42) по Ар нулю, найдем, что
Ар0= (<рВ/А)'“ '+*\
(1.43)
После подстановки в (1.41) 3 и 30 из (1.42), Ар из (1.40) и
Ар0 из (1.43) и проведения ряда алгебраических преобразований
получим
о = фе/(1 + ф)+ е—ф/(1+ ср)—1.
(1.44)
Анализ (1.44) прежде всего показывает, что о, т. е. относи­
тельное изменение затрат при отклонении решения от оптималь­
ного, не зависит от коэффициентов А, В и с в (1.42) и, следова­
тельно, не зависит от таких определяющих их экономических
показателей, как вид энергоносителя, удельные затраты на исполь­
зуемую для перекачки жидкости энергию, удельные капиталовло­
жения в трубопроводы разных диаметров, отчисления на аморти­
зацию и ремонты и др.* Единственным влияющим на вид кривой
о = /(е) фактором является значение показателя степени при Ар
в гидродинамической формуле (1.36).
Другой важный результат анализа (1.44) — установление свой­
ства исключительно большой пологости а вблизи точки оптимума
(е = 1, см. рис. 1 .8). Так, удвоение потери давления против опти­
мального значения (при ф = 0,2) увеличивает затраты на 4,6% ,
а уменьшение потерь в два раза — всего на 3,8 %.
Свойство пологости экономического функционала встречается
во многих задачах и обычно устанавливается экспериментально на
основе многочисленных расчетов, но только строгое аналитическое
обоснование позволяет корректно использовать его в теоретических
исследованиях.
В нашем случае это свойство характерно лишь для изменения
затрат вдоль оси Ар. Функция 3 = f(v) отличается значительно
большей крутизной, что обнаруживается из (1.39) и иллюстриру­
ется на рис. 1.7.
* Понятно, что этими показателями определяются абсолютные значения
затрат и их изменений при отклонении потерь давления от оптимума.

Выяснив особенности экономических характеристик трубопро­
водных систем, перейдем непосредственно к оценке сравнительной
эффективности транспорта различных энергоносителей. Сначала ре­
шим такую задачу.
Задача. Определить количества энергии, которые могут быть
переданы в единицу времени по трубопроводу заданных диаметра
и длины, при использовании каждого из сопоставляемых энергоно­
сителей. При этом принимаются предпосылки, что режим движе­
ния турбулентный, а потерн давления в трубопроводе одинаковы
дл я всех рассматриваемых вариантов, т. е. Ад = const.
Первая предпосылка представляется очевидной, так как при
транспорте сколько-нибудь значительны х количеств энергии (при
больших диаметрах трубопроводов) ламинарный режим не имеет
места. Условие Ад = const принимаем исходя из свойства пологости
экономического функционала. Действительно, можно предположить,
что хотя значения Адо для различных энергоносителей различны,
обширные зоны пологости затрат для сопоставляемых вариантов
имеют точки, принадлежащие им всем одновременно, и, следова­
тельно, есть такие значения Ад, при которых затраты во всех слу­
чаях будут близкими к оптимальным.
Допустимость
такого
предположения
иллюстрируется
на
рис. 1.9. Здесь отрезок аб изображает множество значений Ад, при­
надлежащих зонам пологости (а < 0,1) трех энергоносителей с не­
совпадающими точками Адо.
Количество транспортируемой энергии Э, будем измерять в от-*
Рис. 1.9. Зависимость между относительными приведенными затратами о и по­
терями давления АД в трубопроводе для различных энергоносителей.
* С учетом (1.37) показатель степени при D должен быть несколько боль­
ше лиги, что не сказывается на результатах приводимого далее вывода.
а

где индексы i и «э» относятся соответственно к исследуемому и
эталонному энергоносителям.
Далее получаем
l'i = vipy/pi, l'i =г;э / Рэ/Pi-
Обозначив энергоемкости i-го и эталонного энергоносителей
через ЭУ п Э^, в результате элементарных преобразований
э,=
У"<’i = 9'/i>3 V Рэ/(Ч.
=
=
=
Гр1
Э3 Э*<,8 Э»о, V Pi Э»|/Pi
и, учитывая, что Ээ = 1, окончательно найдем
(1.46)
Последнее выражение дает решение задачи о пропускной спо­
собности трубопровода по отношению к i-му энергоносителю. Ч то­
бы проверить его пригодность для сжимаемых жидкостей, которые
при движении по трубопроводу изменяют свою плотность, запишем
формулу Дарси — Вейсбаха в дифференциальной форме:
—
dp—x-^ —dl,
(1-47)
^
Dbр
v
’
где х — коэффициент; G — массовый расход, равный vp. Для про­
ведения интегрирования примем, что плотность р в начальный мо­
мент равна pi и в каждый последующий определяется из уравне­
ния состояния идеального газа:
р = pI(RT).
После этого получим:
—dp=
DbР
(1.48)
—pdp=х
Db
P\dl
И
p\ />22=Х ^!М
2
(1.49)
где индекс 1 при v, р и р относится к начальному состоянию энер­
гоносителя (на входе в трубопровод), а индекс 2 — к конечному.
Из приведенных выкладок следует, что применительно к газам
формулой (1.46) можно пользоваться, если для р,- принимать зна­
чение pi, cpi вычисляемое из совместного решения уравнений (1.49) и
Ар=Pi—Pi=х 1 h
(1.50)
D Pj.cp

Рис. 1.10. Пьезометрические графики тру­
бопроводов.
1 — несжимаемая жидкость; 2 — сжимаемая
жидкость; з — касательная к кривой 2, парал­
лельная 1.
и определять удельную энергоем­
кость Э * при соответствующем дав­
лен ии рСр,р. При фиксированных Ар
11 Р1 pi, ср определяется из (1.50).
Приближенно
можно
брать
плотность несколько большей, со­
ответствующей среднеарифметическому давлению
Рср.о=(Р1+Р2)/2,
в связи с вогнутой формой графиков потерь давления (пьезомет­
рических) для сжимаемых жидкостей (рис. 1 .10).
Решив задачу о сравнительных пропускных способностях Э*
п зная потери энергии на транспорт эталонного энергоносителя,
легко найти и предельные КПД транспорта различных энергоно­
сителей ц н сравнительные удельные приведенные затраты 3f.
Отношение между расходами энергии на транспорт АЭ при
движении по одному п тому же трубопроводу г-го и эталонного
энергоносителей при условии Ар = const можно вывести из выра­
жения
_____
АЭ,/АЭэ = Apivj (Арэ^э) = vi/vэ = Урэ/рь
следовательно,
АЭ* =;= АЭэУрэ/р.-
Отсюда с учетом (1.46) можно определить расход энергии па
транспорт 1 кД ж i-м энергоносителем:
A9?=fl=A3?|,
I
^i
( 1.51)
где ДЭэ — энергетические затраты на передачу 1 кД ж эталонным
агентом. Через АЭ* легко вычисляется КПД эиергопередачи
•Пг= 1 —ДЭ?.
(1.52)
Для трубопроводных систем оказывается возможным перейти
от гидродинамических пределов к экономическим. Чтобы получить
выражение для вычисления 3jf, рассмотрим два случая:
1) энергия транспортируется в столь больших масштабах, что
при переходе на энергоносители с меньшими Э, требуется увели­
чить число параллельно прокладываемых ниток п (при их макси­
мально возможных диаметрах D), т. е. п — var;
2) энергия передается в сравнительно небольших размерах и
изменение Э, ведет только к изменению диаметров ниток при их
неизменном количестве, т. е. п = const.

Энергоноситель
1
JГ
»iis
ь£
сЁ-
115
L^
о-л
с* •*
к-^
£5«
*ок
Яsо
<s "со*
I
г
с
К
-
•
есГ* -
2= с*
г-
ос
Ь|"о
£3л
ьgс
С>>й
О
т
н
о
с
и
т
е
л
ь
н
а
я
п
р
о
­
п
у
с
к
н
а
я
с
п
о
с
о
б
н
о
с
т
ь
(
п
о
э
н
е
р
г
и
и
)
о
.
е
.
IС-
_
в
*
°ВF
jCk“M
2sн
5S 5*
S-Sg.
Сон
Сравнительные
приведенные
затраты
3*. О. е./кДж
7i=var
n=const
Вода. Д<= 80'С
'ср= 1Wсс
958 3.21 103
1
1
93,8
1
1
Вода. А/ = 150 °С
'сР= I50°С
918 5,76-105
1,790
1,83 96,55 0,546
0,785
Синтез-газ (СО -р
—
ЗН21
Рср= 6 МПа
0.379* 2 .13-103*
80,41 ** 0.611 ** 1.08 **
22,74 1,28-103
84,38
0,389
0,685
Водород (Н2)
Рср= 6 МПа
0,089 1,08 -104
2,019
27,0
96,92 0,037
0,267
5.34 6,48-103
Метан (СН4)
Рср= 6 МПа
0.714 3,58-104
6,698
31,8
99,1
0,032
0,25
42,96 2,15 -106
Метанол (СН3ОН3) 793 1,67-107 52,20
57,4
99,88 0,017
0,197
Моторное топли­
во (СН2)
800 3,5 -107 109,4
119,7
99,94 0,0084 0,147
Угольно-водяная
суспензия
(С/Н20 = 0,5)
1310 2,0 -107
62,30
53,28 99,9
0,0188 0,204
Угол ьно-метанол ь-
ная суспензия
(С СН3ОН =
= 0,6)
1220 3,27-107 101,8
90,2
99,94 0,011
0,165
* В числителе — при нормальных условиях, в знаменателе— при реальных Р и Г.
** В числителе — с учетом, в знаменателе — без учета затрат на возвращение продуктов
н метаннровання к теплоисточнику.
В обоих случаях в первом приближении можно учесть лишь
затраты, пропорциопальные капиталовложениям, доля которых в
суммарных затратах по трубопроводным системам обычно является
подавляющей и соотношения между которыми должны правильно

отражать сравнительную эффективность энергоносителей. Некото­
рое усложнение вида функции 3!{ при учете затрат на перекачку
также не представляет принципиальных трудностей.
В первом случае относительные затраты будут прямо пропор­
циональны п и, следовательно, обратно пропорциональны Э„ т. е.
(30-var =
(1-53)
Во втором случаедля транспорта
г-м энергоносителем такого
же количества энергии,как и эталонным, нуж но изменить
об­
ратно пропорционально Э,-, но поскольку 3j пропорционально vl’
(см. (1.39)),
(3/)п=const =
(1.54)
Рассчитанные по формулам (1.46), (1.51) — (1.54) оценки пре­
дельных сравнительных показателей транспорта девяти энергоно­
сителей сведены в табл. 1.6.
В качестве эталонного энергоносителя была выбрана горячая
вода, охлаждаемая у потребителей в расчетном режиме на 80 °С
и имеющая среднюю за отопительный период температуру транс­
порта 100 °С. Принятые параметры характерны для современных
водяных тепловых сетей. Затраты на возвращение воды к тепло­
источнику не учитывались.
Удельные энергоемкости Э | рассчитывались по формулам:
для воды
ъ\ = срДг;
(1.55)
для синтез-газа
э ? == (?мр/,и;
(1.56)
для водорода, природного газа, метанола п моторного топлива
3i—$сгР>
(1.57)
для смеси угля С водой
9 f = $сгР^уг>
(1.58)
для смеси угля с метанолом
э ?/ = (Фсг.уг^уг “Ь @сгэмет*£мет) Р>
(1.59;
где с — теплоемкость воды, кДж/кг; Д£— снижение температуры
воды, связанное с полезной отдачей теплоты; QM— тепловой эф­
фект реакции метапировання (СО + ЗНг = CII4 +• НгО), кДж/моль
СН4; ц — кажущаяся молекулярная масса смеси (СО + ЗНг), кг;
Qcr — низшая теплота сгорания, кДж/кг; х — весовая доля компо­
нента в двухфазном потоке; индексы «уг» и «мет» относятся соот­
ветственно к углю и метанолу.

Рис. 1.11. Зависимость экономической эффек­
тивности транспорта энергоносителя 3,-,„ от
его объемов Э,\
1 — транспорт энергии в незначительных разме­
рах (п = co n st); 2 — крупномасштабный транс­
порт энергии (п = var).
При проведении расчетов исполь­
зовались следующие предположения:
спнтез-газ у потребителей не сжигает­
ся, а метаннруется (применение в хе-
мотермической системе теплоснабжения); моторное топливо имеет
эквивалентную молекулярную химическую формулу СНг; в рабочей
массе угля содержится 90 % углерода и 10 % золы. Предельный
КПД определен для условий, когда / = 1000 км и Ар = 20 МПа.
Сугубо предварительный характер носят приведенные оценки
предельных показателей транспорта энергии двухфазными потока­
ми: угля в воде и угля в метаноле. Для этих случаев, очевидно,
требуется обоснование дополнительных предположений о характере
гидродинамических процессов. Наши расчеты основывались на
представлении о потоке однородной жидкости, для которой спра­
ведливо уравнение Дарси — Вейсбаха, а плотность среды опреде­
ляется по формуле
р = 1/[хуг/р2+ (1 —*yr)/pi],
(1.60)
где индексы 1 и 2 относятся соответственно к непрерывной н диск­
ретной фазам. Кроме того, предполагалось, что скорости, соответ­
ствующие принятым потерям давления, превосходят критическую,
т. е. минимальную скорость, при которой твердые частицы дви­
жутся в потоке без осаждения.
Приведенные в табл. 1.6 оценки предельных ц могут быть уточ­
нены при переходе на более низкие уровни абстракции благодаря
учету требований к сооружению насосных пли компрессорных стан­
ций, потерь в нагнетателях, особенностей конструкций трубопрово­
дов, наличия изоляции и других факторов применительно к каж ­
дому из сопоставляемых энергоносителей.
В то ж е время полученные оценки позволяют сделать некото­
рые интересные выводы. Из табл. 1.6, например, видна сильная
зависимость сравнительной эффективности энергоносителей от абсо­
лютных размеров транспортируемых потоков энергии (столбцы 3;
при п —var н п —const). При больших масштабах транспорта,
когда увеличение пропускной способности трубопроводов требует
прокладки дополнительных ниток, различия между затратами на
передачу энергии оказываются значительно большими, чем в слу­
чае мелких трубопроводных систем (рис. 1 .11). Па этот факт ав­
торы у ж е обращали внимание в [55, 93].
Интересными направлениями продолжения исследований но
предельным показателям трубопроводных систем представляются
следующие:

—
изучение пределов при варьировании предпосылок об уров­
не развития техники на прогнозируемую перспективу, в частности
о возможных параметрах транспортируемых агентов;
—
расширение круга сопоставляемых энергоносителей (напри­
мер, включение в него различных видов ж идких углеводородных
топлив, сжиженного метана и водорода);
—
развитие и обоснование методики оценки предельных пока­
зателен транспорта двухфазных потоков.
Гидродинамические пределы при создании реакторов
Возникновение потребности в оценке гидродинамических пре­
делов можно проиллюстрировать на примере решения задачи мак­
симально возможного повышения производительности реактора по
условиям теплосъема.
Предположим, что диаметр и высота цилиндрического реакто­
ра равняются единице и для отвода выделяющейся в нем теплоты
мы увеличиваем число располагаемых внутри корпуса трубок п и
уменьшаем их диаметр D. Тогда при стремлении п к бесконечности
и D к нулю поверхность нагрева
F= aDn
(1.61)
окажется равной я • 0 • °°. Для раскрытия возникшей неопределен­
ности найдем связь между D и п. Примем для простоты, что шаг
расположения трубок равен D, т. е. они непосредственно примы­
кают одна к другой (увеличение шага привело бы к изменению
значений численных коэффициентов в приводимых ниж е формулах).
Зависимость между п и D можно выразить с помощью очевид­
ного соотношения
i=R/D
11--= 2 j Hidi,
(1.62)
i=l
где интеграл в правой части представляет число трубок, размещен­
ных в половине цилиндра; R — радиус цилиндра; «{ — число тру­
бок в г-м ряду:
ih = h/D,
(1.63)
где длина 1-го ряда
U= 2УЛ2 —D42= 2DyR2/D2- i2.
(1.64)
Из (1.62) — (1.64) следует, что
«{ = 2}R2ID2- i2,
(1.65)
R/D
n=4j/R\D- — i2di,
(1.66)
i
RiD
F=4лТ>J/R-,D- — rdi.
(1.67)

Поскольку формула соответствующего неопределенного инте­
грала им еет вид
J VК1/D- —
г di = i V^ID2- i2+ Л2//)2arcsin (Ш/Д), (1.G8)
выражение для F можно преобразовать следующим образом:
F= 4л£(ЛDVЯW3—Д2/#2+ Д2/Д2arcsin1—/ Д2/Д2—1
—
—
R2jD2arcsin (Д/Д)) = 4л ( у Д2/Д - / R2— D2- R 2/Darcsin (Д/Д)).
(1.69)
ПриD—
- 0будетF=4л(°°—Я
—°°
0).
Раскрыв неопределенность последнего слагаемого в скобках по
правилу Лопнталя, получим
lim R2/D arcsin (D/R) = R2
(1.70)
D-»o
нF=oo.
Следовательно, теоретически имеется возможность расположить
в реакторе сколь угодно большую поверхность нагрева, способную
обеспечить любой требуемый теплосъем. Однако при этом нуж но
проверить, как возрастет расход энергии на перемещение через
реактор энергоносителей. Рассмотрим, например, изменение потерь
давления при движении реагентов во внутритрубном пространстве.
Для этого, прежде всего, надо определить режим движения,
типом которого определяется вид зависимости между Ар и ско­
ростью w. С этой целью найдем значение критерия Рейнольдса Re
при п
°оиD-*■0:
Re = wD/v,
(1.71)
где v — кинематическая вязкость транспортируемого агента,
w = 4G/{nnD2).
(1.72)
Из (1.71) и (1.72) получаем
Re=
4G
л xnD
4G
ЛУ'ОО-О’
(1.73)
Но так как согласно (1.61) и (1.69)
limnD=lim
Foo
n->O
O
Лл
c°’
D-»o
limRe= 40=0,
?г-*эо
ЛVoo
’
D-»o
(1.74)
следовательно, при п-*-<»иД-»-0в трубках будет ламинарный ре­
жим движения, и формулу для определения потерь давления мож­
но записать в виде
(1.75)
Ар = $G/nD\

где (i — коэффициент. При п -*■оо ц D -*■О
Ар= pG/oo •0.
Для раскрытия неопределенности, учитывая (1.69) и (1.74), за­
пишем знаменатель (1.75) следующим образом:
nD4= 4
-
D3 V - D2- R2D2arcsin^j. (1.76)
Легко увидеть, что при D -*■0 выражение в скобках обраща­
ется в нуль и
ПтАр=^
= оо.
D-*0
Таким образом, при бесконечном увеличении с целью повыше­
ния теплосъема расположенной в реакторе поверхности нагрева
бесконечно увеличиваются и потерн давления, и расход энергии на
перемещение теплоносителя. Однако, чтобы убедиться, что ограни­
чения на рост F накладывает именно гидродинамика, надо дока­
зать, что Ар и Э приближаются к °° быстрее, чем F. Это можно
dF d (Ар)
сделать, найдя производные
и-D,
которые достаточно
брать по одной переменной, поскольку n = f(D). Не приводя по­
лучаемых громоздких выражений для производных, укажем лишь,
что их грубо можно аппроксимировать соотношениями
dF
a
d(Ap)
Ъ
dD~
D2
dD~
Db'
(1.77)
где а и b— коэффициенты. Из (1.77) ясно, что при 0<G <1
d (Ар)
dD
(1.78)
чем и доказывается решающая роль гидродинамических ограниче­
ний на пределы роста F при заданных габаритах реактора.
Наиболее актуально определение пределов, накладываемых
гидродинамикой, для реакторов с к и п я щ и м слоем (топок, газогене­
раторов), производительности которых на единицу поперечного се­
чения лимитируются предельными скоростями псевдоожижения.
Детальное изучение этого вопроса, видимо, должно составить одно
из направлений дальнейших прогнозных исследований энергохпмн-
ческих технологий.
1.5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ СОВЕРШЕНСТВО ТЕХНОЛОГИЙ
Энергетический и общеэкономический критерии
оптимизации
Влияние расхода энергии на общую экономическую эффектив­
ность технологических установок является тривиальным фактом и
не требует доказательств. В настоящее время энергия относится

к числу наиболее дефицитных ресурсов, а энергетическая составля­
ющая приведенных затрат оказывается наибольшей для многих
промышленных процессов. При сопоставлении вариантов развитии
новой техники энергетическая эффективность наряду с общими за­
тратами представляет одни нз основных критериев принятия
решении.
Иногда в связи с неопределенностью экономической информа­
ции и трудностью определения затрат сопоставление вариантов це­
ликом основывается на использовании энергетических и других не­
стоимостных показателей (расхода трудовых или материальных
ресурсов, воздействия на природу, надежности функционирования
и т. д .) . При этом делаются попытки оценки расхода энергии не
только на эксплуатацию, но и на строительство объектов [169—
171]. Видимо, в отдельных случаях такая замена критерия оправ­
дана как вынужденная мера.
В то же время нужно иметь в виду, что она никоим образом
не позволяет преодолеть неопределенность экономических факторов,
влияющих на эффективность рассматриваемого объекта. Действи­
тельно, при незнании реальных сроков строительства и освоения
проектной мощности какой-либо установки нельзя точно опреде­
лить ни денежные затраты, связанные с вводом ее в нормальную
эксплуатацию, ни соответствующий расход энергии. Последний за­
висит от уровня организации и автоматизации строительно-мон­
тажных работ, качества применяемой строительной техники и ее
обслуживания, объема корректировки проектных решений и т. д.
Неопределенности, порождаемые недостатками нашего хозяйствен­
ного механизма, могут быть устранены лишь в результате его со­
вершенствования, а не путем улучшения методик технико-эконо­
мических расчетов.
Тем более серьезные сомнения вызывают попытки теоретиче­
ского обоснования с помощью принципов термодинамики возмож­
ности и целесообразности сведения стоимостных критериев к энер­
гетическим и предложения об измерении в единицах энергии за­
трат труда и стоимости товаров [2, 129]. Так, в [2], где излагается
очень интересный анализ перспектив развития энергоустановок,
энергетические критерии обосновываются ролью «энергии как един­
ственной абсолютной валюты на земле». «Без непрерывного по­
требления энергии не может быть не только промышленности и
сельского хозяйства, по и самой жизни. II в любом предметном
объекте, будь то материал или готовая продукция (автомобиль,
стул, элемент одежды и т. д .), заключено всегда определенное ко­
личество овеществленной энергии, в то время как рыночная цепа
его «скачет» в зависимости от множества факторов, т. е. относи­
тельна» [2, с. 51]. При таком обосновании не учитываются разли­
чия м еж ду стоимостью и потребительской стоимостью товаров.
Стоимость определяется не тем, что в товаре заключено, а тем, что
тратится обществом па его изготовление. Л затраты энергии на
изготовление стула никак не могут быть абсолютной валютой. Они
зависят от уровня развития лесной и деревообрабатывающей про-

ммииенностей и ряда других фа кто рои и так же, как и рыночные
цен ьг, относи тел ьп ы.
В физике обкектшшый критерий оптимальности, как у ж е от­
мечалось н разд. 1.2, определяется формулой принципа наимень­
шего дейстння для изучаемой формы движения материи. Выраже­
ние такого критерия в единицах энергии, исходя из и. и. д ., можно
получить только для статических постановок задач, используя про­
изводную действия но времени
%=*
(1-79)
и отыскивая ее минимальное значение как функции пространствен­
ных (обобщенных) координат.
Видимо, такой критерии м ож ет найти лишь ограниченное при­
менение н пользоваться им нуж но с известной осторожностью.
Действительно, приведенные затраты даж е в простейшей «стати­
ческой» форме
3=11+ЕК
(1.80)
имеют динамическую природу, поскольку с помощью нормативного
коэффициента эффективности Е соизмеряются разновременные те­
кущие II и капитальные К затраты, т. е. с помощью формулы
(1.80) хотя бы в какой-то мере учитывается фактор времени. При
использовании ж е соотношения (1.79) влияние этого фактора игно­
рируется. Сведение критерия оптимальности к минимуму расхода
энергии, исходя из законов физики, представляется еще более за­
труднительным, если иметь в виду, что в общей теории относитель­
ности минимизируемое действие имеет размерность произведения
плотности вещества на четырехмерный объем пространство — вре­
мя, а для неравновесных процессов в области сильной нелиней­
ности не отыскиваются глобальные минимизируемые функционалы
(см. разд. 1 .2). Конечно, возможно применение энергетических по­
тенциалов для локальной оптимизации.
Из изложенного можно сделать вывод, что при чрезвычайной
важности показателя расхода энергии в технико-экономических ис­
следованиях его нельзя абсолютизировать. Поэтому авторы, прини­
мая термодинамическое и энергетическое изучение технологий за
исходный пункт анализа их совершенства, не ограничивались этим
и старались найти в результате прогнозных исследований стоимост­
ные показатели сопоставляемых установок.
Оценка качества энергии
Наряду с выявлением роли энергетической составляющей за­
трат в общей эффективности технологий важной проблемой энерго-
экономического анализа является оценка стоимости самой энергии
(//) и энергоносителей с учетом их качества.
Нахождение универсального показателя качества, по крайней
мере в настоящее время, авторам представляется нереальным. Его

выбор должен осуществляться с учетом физических особенностей
н назначения технологического процесса.
При сопоставлении установок, предназначенных для получения
работы, естественно использовать такую характеристику энергии,
как ее работоспособность — эксергня (К). (Под эксергней понима­
ется величина, равная максимальной работе, которую термодина­
мическая система может совершить при обратимом переходе от
исходного состояния до равновесного с окружающей средой.) Од­
нако н в данном случае использование только этой характеристики
может оказаться недостаточным. Габариты и стоимость устройств
для преобразования энергии в значительной мере определяются
плотностью ее потока, т. е. вектором Умова — Пойнтинга. На эф­
фективность процессов транспорта и аккумулирования энергоноси­
телей решающее влияние оказывает их энергоемкость (объемная
плотность энергии).
В процессах, потребляющих не работу, а теплоту (отопление
зданий, сушка и нагрев материалов, переработка топлив и т. д.),
одинаково ценным являются как способная к полному превраще­
нию из исходной формы в любую другую часть энергии — эксергия,
так п непригодная к преобразованиям часть — анергия. Следова­
тельно, в таких процессах энергетическая эффективность должна
оцениваться по расходу Н в целом.
Однако в последнее время в ряде работ выдвигается идея об
использовании эксергпп в качестве единственной основы для и з­
мерения энергетической [27, 136] и даж е общей экономической
[47, 170, 171] эффективности тепловых и силовых процессов, а так­
же ценности получаемых продуктов.
Применение эксергетпческого КПД или минимума затрат эк-
сергии в качестве универсального критерия совершенства техноло­
гий могло бы быть физически обосновано только на основе исполь­
зования вариационных (экстремальных) принципов физики п пре­
жде всего универсального закона природы — принципа наименьшего
действия. При этом следовало бы учитывать и исторические зако­
номерности возникновения в ходе развития термодинамики пред­
ставлений о качественно различных составляющих энергии систе­
мы. Пока подобных обоснований не имеется.
Понятия о разной ценности различных видов энергии появи­
лись одновременно с зарождением термодинамики. В [60] С. Карно
использовал представление о «движущей силе угля», предвосхитив
идеи эксергии топлива и эксергетпческого КПД. Ясное понимание
обширности диапазона степеней качества следует из формулировок
второго закона как закона эволюции изолированных систем в сто­
рону деградации, сниж ения ценности энергии, пригодности к ис­
пользованию при неизменном ее количестве. Выделение наиболее
качественных составных частей в общем энергосодержании систе­
мы было осуществлено с помощью введения понятий свободной
энергии Гельмгольца и Гиббса. Именно эти составляющие, соглас­
но принципу наименьшего действия, экономятся в равновесных

природных процессах, и том числе и не связанных с превращением
одной формы энергии в другую.
Гельмгольц но аналогии с термодинамическим применил поня­
тно кинетического потенциала к разности кинетической и потен­
циальной энергий, т. е. к функции Лагранжа механической системы
[35]*, и тем самым выделил наиболее ценную составляющую в
обычно рассматриваемой как безэнтропнйная механической энергии.
Смысл такого выделения можно пояснить на элементарном приме­
ре. Если мы двум телам с одинаковой массой, одно нз которых на­
ходится на Земле, а другое — на Луне, сообщим одну н ту же ки­
нетическую энергию, то после преодоления сил притяжения оста­
ток энергии для дальнейшего космического полета у лунного тела
окажется значительно большим, чем у земного. Величиной этого
остатка и определяется свободная (могущая быть полезно исполь­
зованной) энергия.
В дальнейшем в физику вошло понятие электромагнитных по­
тенциалов, например представляемых в виде разности квадратов
напряженностей электрического н магнитного полей [109]. Возмож­
ность выделения в электрической энергии качественно различных
частей показывает, что определение ее как безэнтропшшой, пол­
ностью упорядоченной, является лишь относительным, верным при
некоторых фиксированных правилах вычисления энтропии. В элек­
тротехнике неупорядоченность, сниж ение ценности связаны с по­
явлением нестандартных частот, напряжений, увеличением доли
реактивной составляющей энергии. Наиболее ярким примером за­
висимости показателей качества электромагнитной энергии от типа
и назначения технологических установок служ ит использование ла­
зеров. Здесь полезный эффект достигается лишь при условии коге­
рентности излучения. Даже незначительное возрастание энтроппн,
благодаря появлению в спектре колебаний новых частот, ведет к
полному прекращению выполнения установкой своих функций.
Учитывая опыт развития системы понятий о формах энергии
и их качественной структуре, видимо, и эксергию системы можно
разделить на различные части: 1) скрытую (наиболее ценную),
которая пригодна к преобразованию при температуре окружающей
среды (например, в электрохимических генераторах) и равна из­
менению свободной энергии в реакции окисления; 2) явную, зави­
сящую от разности температур между исходным состоянием про­
цесса получения работы и равновесным с окружающей средой,
и 3) энергию девальвации, обычно наиболее трудноиспользуемую и
поэтому наименее ценную, равную работе перевода продуктов про­
цесса из их условного начального состояния в окружающей среде
в полученное конечное состояние.
Ли одна нз выделенных частей эксоргни, ни эксергия в целом
не могут претендовать на роль универсального показателя каче-
* В настоящее время И. Нрнгожшг использует этот термин в другом
смысле. И [37] под кинетическим потенциалом понимается функция, знак
которой определяет направление изменений в системе в неравновесных ус­
ловиях.

ства энергпп, что подтверждается рассуждеппями, приведенными
выше. И зм енение формулировок вариационных принципов, в том
числе и п. н. д ., в зависимости от рассматриваемой формы движ е­
ния материи (механической, тепловой, электромагнитной) свиде­
тельствует о безуспеш ности попыток поиска единого по физической
природе критерия энергетической эффективности процессов.
Ошибочность неограниченного расширения областей примене­
ния понятия эксергпп можно проиллюстрировать на примерах ана­
лиза ряда важных технических систем.
Наиболее интересными для выявления возможностей эксерге-
тпческого анализа являются теплофикационные системы, целевое
назначение которых заключается в одновременном обеспечении по­
требителей чистой пли почти чистой эксергпей — электрической
энергией п обладающей крайне малой работоспособностью низко-
потенциальной теплотой. Д л я транспорта теплоты коммунальным
потребителям в этих системах по общепринятой в СССР схеме пер­
вичный энергоноситель — пар нагревает вторичный — воду и у ж е
последняя передается по тепловым сетям в узлы нагрузки. Такое
преобразование энергоносителей связано с потерей эксергии, так
как работоспособность воды значительно меньше работоспособности
пара даже при их одинаковых температурах. Однако при этом су­
щественно сокращаются затраты на транспорт, поскольку зависи­
мость м еж ду энергоемкостями рассматриваемых теплоносителей
противоположна зависимости м еж ду их эксергиями. Следовательно,
в данном случае важнейшим показателем качества энергии оказы­
вается ее объемная плотность.
При температуре энергоносителя 150 °С (Г = 423 К) и темпе­
ратуре окружающей среды 25 °С (Г = 298 К) эксергия теплового
потока q составит всего
Е=?Пк= Ч 423— « 0,3q,
т. е. около 30% от его общего энергосодержания (ц*— КПД цикла
Карно). В то же время при условии, что вода в узлах потребле­
ния охлаждается до своей исходной температуры перед нагревом,
энергию потока м ож но использовать практически полностью, вклю­
чая и ее анергию. Эксергетическпй КП Д водогрейных котельных
обычно не превосходит 35—40 % при 75—80 %-ном использовании
их полной энергии. Поэтому в раздельных (не комбинированных с
производством электроэнергии) системах теплоснабжения показа­
телем энергетического совершенства сл уж и т не эксергетический,
а энергетический кпд.
Трудно оправдать использование эксергпп как критерия каче­
ства энергии применительно к технологиям с неэнергетпческой про­
дукцией, потребляющим теплоту. Ведь содержание эксергии в про­
дуктах в данном случае не может характеризовать их потребитель­
скую стоимость. Например, при производстве меди нам важны ее
ковкость, электро- и теплопроводность, но никоим образом не свой­
ство образовывать при сгорании работоспособный газ. Эксергия

литьевой воды может оказаться паивысшей при загрязнении ее
вредными примесями. Экссргня вин повы ш ается с увеличением
содержания в них алкоголя, но это не свидетельствует о росте их
потребительской ценности. Приведенные рассуждения полностью
относятся к переработке топлив и р яду других энергохимических
технологии.
Из анализа возможностей использования эксергии как крите­
рия качества можно сделать выводы о ее применении для оценки
стоимости различных форм энергии и энергоносителей. Исходя из
экономических соображений, видимо, нельзя относить на нее все
затраты на производство (если, конечно, речь не идет о техноло­
гиях, единственным назначением которых является получение ра­
боты) и принимать нулевой стоимость анергии. Действительно, од­
ним из основных направлений современной экономической полити­
ки является комплексное использование сырьевых ресурсов, вклю­
чая наиболее труднопзвлекаемые и перерабатываемые компоненты,
ресурсо- и энергосбережение. В этих условиях представляется про­
тиворечащим здравому смыслу признание бесполезным отходом, пе
подлежащим учету в энергетическом балансе, значительной части
энергии,— анергии.
Оценивая плодотворность эксергетпческого анализа в целом,
пужно отметить, что он оказался полезным для развития техниче­
ской термодинамики [158], но его абсолю тизация, распространение
за границы обоснованной применимости практически ничего не да­
ют пли даже приносят вред (приводят к неправильным выводам
об эффективности технологий). В связи с этим в данной работе по­
нятие эксергии при термодинамическом анализе энергохпмическпх
процессов не использовалось.
1.6. ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОМБИНИРОВАНИЯ
Задача комбинирования в исследованиях
эффективности энергетических технологий
Большинство энергохпмическпх и многие энергетические тех­
нологии либо у ж е являются комплексными или комбинированны­
ми, либо должны развиваться в этих направлениях в целях повы­
шения эффективности.
Под комплексностью здесь поним ается достаточно полное ис­
пользование всех компонентов сырья, например легко- и трудно-
перерабатываемых составляющих органического вещества угля и
его минеральной части; а под ком бинированием — производство из
одного и того ж е вида сырья одновременно нескольких различных
продуктов, каждый из которых может получаться и раздельным
способом. Однако четкую границу м еж ду этими понятиями, на наш
взгляд, провести невозможно. Комбинирование, как правило, ведет
к увеличению степени ком плексности, а многопродуктовые комп­
лексные производства обычно м ож но рассматривать как комбини­
рованные, сопоставляя их с раздельным производством того же

ассортимента продукции. В дальнейшем мы будем применять тер­
мин «комбинирование», но отношению к которому во всех случаях
можно использовать в качестве противоположного но смыслу тер­
мин «раздельное производство».
В энергетике СССР комбинированные технологии широко рас­
пространены в энергоснабжении городов (комбинированное произ­
водство электроэнергии на базе теплового потребления — теплофи­
кация) и гидроэнергетике (одновременное удовлетворение при ис­
пользовании водных ресурсов потребностей электроэнергетики,
сельского хозяйства и судоходства).
Примером комбинированной угольной технологии является вы­
сокоскоростной пиролиз [166] с одновременным производством обла­
гороженного твердого топлива (ОТТ), смолы и электроэнергии.
К конкурирующим с ним раздельным технологиям можно отнести
получение ОТТ термообработкой в вихревых камерах, производство
ИЖТ методом гидрогенизации и выработку электроэнергии на тра­
диционных теплоэнергетических установках. Комбинированное энер­
гохимическое производство на основе процессов газификации и син­
теза следует сопоставлять с гидрогенизацией угля и получением
электрической энергии на угольных тепловых электростанциях
(ТЭС).
Физико-химической основой комбинирования является термо­
динамическое (или кинетическое) сопряжение [113, 114]. Так, осу­
ществление основного целевого процесса ТЭС — преобразования
тепловой энергии потока хаотически движущихся частиц в электри­
ческую энергию упорядоченно перемещающихся зарядов — связано
с уменьшением энтропии и возможно только при одновременном
протекании сопрягающего необратимого процесса перехода теплоты
от горячего к холодному источнику. Сопряженный процесс — повы­
шение по условиям рыболовства уровня воды в нижнем бьефе ГЭС
реализуется только при параллельном протекании необратимого
снижения уровня в верхнем.
Использование продуктов сопрягающих необратимых процессов
обеспечивает энергетическую эффективность комбинирования (на­
пример, употребление на цели теплоснабжения низкопотенцналь-
ной теплоты в теплофикационных системах). Отметим, кстати, что
такая трактовка эффективности противоречит идеологии эксерге-
тического анализа, основанного на предположении, что всякая не­
обратимость служ ит лишь источником дополнительных потерь
энергии.
При исследовании совершенства комбинированных производств
возникает ряд сложны х теоретических и методических вопросов,
центральное место среди которых занимает разнесение общего эф­
фекта от комбинирования м еж ду отдельными получаемыми продук­
тами. От подхода к распределению экономии денежных, энергети­
ческих и природных ресурсов зависит понимание и решение многих
важных экономических и технико-экономических задач, в том чис­
ле и задач прогнозирования энергетических технологии. Укажем
некоторые из них.

Определение оптимальных цен или замыкающих затрат на от­
дельные продукты комбинированных процессов, что оказывается
нетривиальным, так как множители Лагранжа, служащие для на­
хождения численных значений этих величин, при решении данной
задачи часто получаются неоднозначными (см. н и ж е). К этой за­
даче относится и определение ущербов от загрязнении природы.
Ведь обычно промышленные предприятия выбрасывают в окружаю­
щую среду одновременно несколько вредных компонентов и в этом
смысле являются комбинированными производствами.
Анализ структуры энергопотребления. При отнесении эконо­
мии топлива от комбинированной выработки тепловой и электри­
ческой энергии на электроэнергию доля расхода энергоресурсов на
теплоснабжение в этой структуре будет существенно больше, чем
при противоположном подходе. В то ж е время важно понимать, что
экономия топлива благодаря комбинированию при заданной струк­
туре технологий инвариантна по отношению к методу разнесения
ресурсов.
Выбор показателей эффективности, которые можно было бы
использовать в качестве системных характеристик комбинирован­
ных технологий при сопоставлении различных процессов между
собой (например, с помощью МОСТ), а также уяснение роли этих
показателей при оценке перспектив конкретных типов установок на
основе вычислительных экспериментов. В частности, могут прояс­
няться роль и механизм формирования КПД, удельных расходов
топлива на тонну совокупного конечного продукта или одного из
конечных продуктов, замыкающих затраты на различные энерго­
носители и природные ресурсы. Как известно, КПД не дает доста­
точно полного представления об энергетической эффективности
комбинированных производств. Например, КПД теплоэлектроцент­
рали (ТЭЦ) на современном этапе развития нашей энергетики
обычно бывает ниж е КПД районных котельных, но несмотря на
это ТЭЦ обеспечивают сниж ение суммарного расхода топлива на
тепло- и электроснабжение.
Решение оптимизационных задач, в которых варьируются со­
став и выходы продуктов энергохимических процессов. Примерами
этих задач могут служить выбор оптимальных схем и параметров
комбинированных установок (предприятий) по получению искус­
ственного топлива, электрической и тепловой энергии.
Оптимизация структуры отраслевы х или региональных систем,
которые включают в себя лишь отдельные части энергохпмических
комплексов. Примером может служ ить выбор структуры генериру­
ющих мощностей электроэнергетической системы (ЭЭС), содержа­
щих комбинированные установки по производству искусственного
топлива и электроэнергии.
В настоящее время общие затраты (экономия) ресурсов (энер­
гетических, денежных) распределяются в основном с помощью од­
ного из следующих методов:
—
весового [70], когда затраты принимаются пропорциональ­
ными выходу отдельных продуктов на единицу сырья, измеряемому

в долях по массе, эпергпп или эксергпп [26, 158], смотря но тому,
какая из величин принята за показатель веса;
—
сохранения имеющих место при раздельном способе произ­
водства пропорций в затратах [47, 92, 169];
—
отнесения экономии от комбинирования па один пли не­
сколько продуктов пз всего получаемого набора [91].
Их выбор обосновывается обычно неформалнзуемымн сообра­
жениями и часто при решении аналогичных задач используются
противоположные подходы. Так, в СССР при определении расходов
топлива на вторичные энергоносители, вырабатываемые па ТЭЦ,
принято относить экономию от комбинирования исключительно на
электроэнергию. В ФРГ , наоборот, весь эффект от теплофизики
переносится на отпускаемую теплоту, что призвано стимулировать
развитие централизованного теплоснабжения.
Четкое представление о правомочности применения того или
иного метода распределения затрат и, следовательно, о коррект­
ности решенпя связанных с ним вопросов можно получить только
на основе исследования математических и физико-экономических
особенностей задачи оценки эффективности комбинирования.
Математическая интерпретация задачи
Рассмотрим сначала задачу сопоставления комбинированных и
раздельных способов производства и определения затрат на отдель­
ные продукты в простейших экономической и математической
постановках.
Предположим, что требуется получить пз одного п того же
сырья т продуктов. Нужный объем выработки i-го продукта (i =
= 1, ..., т) равняется
Дл я пх производства могут быть исполь­
зованы либо комбинированный (индекс / = т + 1), либо раздель­
ные (/ = 1, ..., т ) способы. Дополнительных ограничении на
масштабы применения этих способов не накладывается, т. е. по­
требность в каждом пз продуктов может быть полностью удовлет­
ворена любым пз них. Зависимость затрат в / - ю технологию от ко­
личества перерабатываемого с ее помощью сырья
имеет вид
3j = cjx*,
(1.81)
где Cj — постоянный коэффициент.
Функция 3 = f(x) может быть либо выпуклой (а>1), либо
линейной (а=»1), либо вогнутой (0 < а < 1) (см. разд. 2 .2 и 2.3).
Экономическая система является равновесной, т. е. минимум затрат
ресурсов потребителей соответствует максимуму дохода произво­
дителей.
При этих условиях задача математически может быть сформу­
лирована в виде общего уравнения равновесия (1.1) или как поиск
экстремума (седловой точки) его интеграла — функции Лагранжа:
171+1
ТП
^ = 2 Cfrf + 2 yi(bi — auXi —aim+1Tm+,),
(1.82)
j-i
t=i

Xj>0 для всех /,
где i/i — неопределенный множитель, интерпретируемый как стои­
мостная оценка (цена) i-го продукта; а„ — выход i-ro продукта на
единицу исходного сырья при раздельном (/ = 1, . . т) способе
его получения; a,m+i — аналогичный показатель для комбинирован­
ного производства.
Предполагается, что коэффициенты a,m+i пропорциональны
biy т. е.
Qim+\/bi== const для всех i,
(1.83)
и, следовательно, потребность в продуктах может быть полностью
удовлетворена с помощью комбинированной технологии без произ­
водства излишков. Принятие условия (1.83), на первый взгляд,
представляется чрезмерной идеализацией задачи, снижающей ее
практическую значимость. Однако его возможность видна хотя бы
из того, что для действующей комбинированной установки пропор­
циональность Ъ и a m+i соблюдается автоматически (соотношения
м ежду общими объемами производства предприятием отдельных
продуктов те ж е, что и меж ду их выходами из единицы сырья).
Следовательно, запись ограничения (1.83) основывается на орга­
ническом свойстве комбинированных технологий. Как станет ясно
из дальнейшего текста, именно это условие позволяет объяснить
случаи многозначности двойственных оценок. Ниж е будут рассмот­
рены также постановки задачи, не включающие выражение (1.83).
Условиями оптимальности решения (1.82) являются:
XiШ =Xi(аС
{Х
*
=
0,
(1.84)
#т+1
= #тп+ 1 ( 0^m+l#m+l
l/i^im+lj = 0,
(1.85)
л п»+1
\
i=l
/
дЗ?
ViWi ==Vi ^ ” ttiiXi ~
=
( 1>86)
i—1, ..., тп.
Рассмотрим особенности системы уравнений (1.84) — (1.86) для
случая, когда функции (1.81) выпуклые. Предположим сначала, что
комбинированное производство является более эффективным, чем
раздельные, и с его помощью целиком обеспечиваются потребности
во всех продуктах заданного ассортимента, т. е. Xj = 0 для всех
/ = 1, ..., тп. Тогда из (1.84), (1.85) и условий Куна — Таккера в
целом можно получить:
я..*/»•< 0,
(1-87)
ТП
0^m+l#m+i
yi^im+l —0.
(1.88)
i=l
Но выражения (1.87) и (1.88) несовместимы, так как значе­
ния Cm+i, a.m+i и a,i не могут быть отрицательными или нулевыми

по своему смыслу, a a u x m+i — по принятым условиям. Следова­
тельно, предположение, что хj = 0 для i = 1, ..., m, ошибочно,
и даж е при большой сравнительной эффективности комбипировап-
нон технологии хотя бы незначительную долю продукции необходи­
мо получать раздельным способом.
Таким образом, оптимальные значения х и у определяются ре­
шением системы
acjx®-1
—
=0,
(1.89)
т
0C£m-fi^7n+l 1 Уг&гт+1 — 0,
(1.90)
г=1
Ь\
m+l^m+l 0, i ~~1, . . ., Tfl.
(1.91)
Из (1.89) следует, что
ух = а схх^~1/ац =
(1.92)
т. е. оценки оказываются равными приросту затрат на единицу
продукта, вырабатываемого раздельным способом, в точке хх = х ® ,
где хх — оптимальное значение а\. Для каждого из продуктов при­
менительно к комбинированному и раздельному способам производ­
ства выполняется широко известный в энергетике принцип равен­
ства относительных приростов, который для нашего случая записы­
вается в виде
ас_,,а:“Д
ТП+1Т71+1
7П
2ai
асхх<х 1
гг
=
г/i,i=1,...,m.
m+l
г=1
(1.93)
Особенности оптимального решения при а > 1 проиллюстри­
руем на простейшем примере. Примем, что
3=\0х\+10^2+4, m+1=3;
ап=а22=1,
а,3= а23= 0,5, b\= Ъ2= 1.
В этих условиях, когда при переработке каждым из способов
единицы сырья затраты на комбинированное производство в десять
раз меньше, чем на любое из раздельных, последними при опти­
мальном решении потребляется по 0,166 единицы ресурса. Так, из
(1.89) —(1.91) получаем: х\ = х2 = 0,166, х$ = 1,66, i/i = У2 = 3,33.
Значение оптимальных затрат 3° составляет 3,33 единицы или
(3,33/4) • 100 % = 83 % затрат при выпуске всей продукции ком­
бинированным способом. Графическая интерпретация решения при­
ведена на рис. 1 .12 .
Здесь по оси ординат отложены значения величин:
3-V? Уа
°11
°22
И3„=
С:А
а1Я ' °23
где индексы «р» н «к» относятся соответственно к раздельной и

Рис. 1.12. Графическая интерпретация
решения задачи минимизации выпук­
лой функции.
комбинированной технологиям. Эк­
стремальным значениям функции
S 7 и 3 соответствуют точки х\ =
=Х2=Аихз=В,длякоторых
соблюдаются равенства
tgЬ=tgY2= У0,
2Л+B=6i+62.
Теперь проанализируем линейную задачу (а = 1). Сначала
представим ситуацию, когда при большей эффективности комбини­
рованной технологии все
Ф 0. Тогда из условий Куна — Танке­
ра получаем:
Ci У{da= 0для i= 1, ..., пг,
(1.94)
cm+l
m
^ У&гт+1 = 9.
i-»l
(1.95)
Отсюда находим, что
о
I
I
(1.96)
Cm+1 *
m
—
~
a*m+i =
i=i
(1.97)
т.е.условиех,Ф0для/=1, ..т
пм ож ет выполняться только
при строго определенных соотношениях между коэффициентами с
и а, вытекающих из (1.97). При этом
/ = 1, ..., т, в зависимо­
сти от значения arm+i могут изменяться от нуля (при x m+i = Ь/ат+\)
до bi/ац (когда arm+i = 0), что видно из (1.91). Это свидетельствует
о равноэкономичности комбинированного и раздельного способов
производства, которые могут участвовать в суммарном выпуске про­
дукции в любых пропорциях. Область оптимальных значений yt
б
в
Рис. 1.13. Графическая интерпретация задачи определения оптимальных оце­
нок для случая производства двух энергоносителей при различных (а — в)
расположениях области ограничений.
1— Vi
—
Ct/au; * —
Vt= Ct/an; 3—a»Vi+аЛу**=с»; 4—6,y,+Ьгуг= D.

Рис. 1.14. Графическая интерпретация реше­
ния задачи определения оптимальных оценок
комбинированного трехпродуктового произ­
водства.
1 — область оптимальных решений.
(решение системы уравнений (1.94),
(1.95)) для отмеченных условий сли­
вается в точку Б (рис. 1.13, в).
Таким образом, при большей эф­
фективности комбинированной техноло­
гии по сравнению с раздельными она
при оптимальном решении целиком
обеспечивает выпуск всех требуемых
продуктов, т. е. Xj= 0 для / = 1, ..., т.
Достиж ение равенства прироста затрат
при£m+i Xjдля /=1, ..., т, что
отмечалось для выпуклой функции за­
трат, здесь оказывается невозможным.
Условия Куна — Таккера в данном случае примут вид:
Ci—
^0дляi=l,...,т,
т
^тп+1 2
—9,
(1.98)
i=l
9ДЛЯЬ 1,..., 7ТЬ»
Очевидно, что последнее уравнение оказывается разрешимым
только при справедливости принятого выше условия (1.83).
Решим систему (1.98) относительно у:
у{< CifOu,
тп
J/i&i.m +i = Cm-1-1»
г=1
Полученное решение является многозначным и представляет
грань многогранника ограничений, которая принадлежит гиперпло­
скости (1.199). Этот факт для двух- и трехмерного пространства
иллюстрируется на рис. 1.13, а, б и рис. 1.14.
Детальное обсуждение фактора многозначности решений ли­
нейной задачи, имеющего принципиальное значение для исследо­
вания эффективности комбинированных технологий, проведем ниже.
Здесь ж е сделаем небольшое замечание о случае, когда 9 < а < 1.
Как известно, вогнутая функция достигает своих минимальных
значений в крайних точках области допустимых значений перемен­
ных, а при линейных ограничениях — в вершинах образуемого эти­
ми ограничениями многогранника. Для условий вида (1.91) при
большей эффективности комбинированной технологии глобальному
минимуму затрат соответствует вершина хт+\ *» Wa«m+i, xj = 0, /«**
(1.99)
(1.199)

=1,..ш
, что имело место и для линейной задачи. Поскольку
характер функции 9? = f(y) от а не зависит, многозначность опти­
мального решения относительно у также сохраняется.
Особенности задачи при линейной целевой функции
Детальный анализ особенностей линейной задачи, разумеется,
можно было бы провести с использованием функции Лагранжа, ло­
гически продолжая рассуждения, приведенные выше. Однако более
удобно сделать это, используя аппарат линейного программирова­
ния. Сформулируем рассматриваемую задачу в виде двух взаимо­
связанных: прямой и двойственной.
Прямая задача: минимизировать
т+1
3=2 CjXj
)=1
( 1. 101)
при условиях
ахххх
d^.-
уОС%>
+а1т+Л+1=Ьх,
“Ь ^2
= ^2’
( 1. 102)
0,
О-тт
-
^тп “Ь а т m+1-^m+l — ^mt
dim+ilbi = const,
i=l, ...,m.
Двойственная задача: найти максимум
то
0=2Ъм
( 1. 103)
г=1
при условиях
“пУх
Я221/2
< Сх,
^ с2.
атт Ут^ у
(1.104)
fllTO+хУх + Я 2ТО+ 1У2 +
dmm+lh'm^ ^то+1»
где D — доход от производства продуктов.
Из пропорциональности элементов столбцов ат+\ и Ъ расш ирен­
ной матрицы системы (1.102) следует вырожденность решения пря­
мой задачи и многозначность двойственной [151] в случае эффек­
тивности комбинированного производства. Область оптимальных зна­
чений у представляет грань многогранника ограничений (1.1 04),
которая принадлежит гиперплоскости, соответствующей уравнению
d\т+\У\ + d2т+\У2+ . .. + «mm-f\Ут Сщ-f
(1.105)
что следует из параллельности (в связи с пропорциональностью ко­
эффициентов) графиков уравнений (1.103) и (1.105). Последние
фразы являются доказательством многозначности у, несколько от­
личным от у ж е приведенного выше.

На рис. 1.13, а область оптимальных значении у представлена
отрезком Б — В (т — 2). Вершина Б соответствует решению, когда
оценка (объективно обусловленная оценка — о. о. оценка [56—58])
первого продукта принимается равной удельным затратам у\ = с\1а\\
при его раздельном производстве, а оценка второго продукта на­
ходится из соотношения г/2 =(сз —«i32/i)/«23-
Вершнна В определяет решение, при котором по затратам раз­
дельного производства находится о. о. оценка второго продукта:
У2 = С2/(*22, а о. о. оценка первого вычисляется из условия (1.105),
выражающего, что удельный (на единицу перерабатываемого сырья)
доход от комбинированного производства равен связанным с ним
удельным затратам, т. е. у\ = (с3 — «231/2)/« 13.
Поскольку многозначность решений возникает при определен­
ных соотношениях между я,;,
и с}, которыми полностью опреде­
ляется и ее диапазон, для анализа оценок у{в условиях многознач­
ности принципиально не могут использоваться какие-либо харак­
теристики действительных процессов внутри комбинированного про­
изводства или выделение среди них термодинамически сопрягающих
и сопряженных. Следовательно, комбинированную технологию при
определении о. о. оценок (цен) ее продуктов можно рассматривать
как «черный ящик», для которого заданы входы — количество по­
требляемого сырья и затраты на его переработку п выходы — коли­
чества получаемых продуктов.
Любопытной особенностью задач (1.101), (1.102) и (1.103),
(1.104) является возможность получения отрицательных значений
у. Это относится к случаям, когда затраты раздельного производства
одного из продуктов соответствуют отрицательной о. о. оценке дру­
гого (точки А н Г на рис. 1.13, б).
Такое расположение области оптимальных решений означает,
что поставщик, не отклоняясь от своего разумного поведения, мо­
ж ет так установить цепы на продукты комбинированного производ­
ства, что одна или несколько из них окажутся отрицательными.
Экономический смысл подобные решения могут иметь в случаях,
когда в стоимость продукта включаются не только затраты на его
производство, но п транспортные расходы, а возможно, и затраты
на дополнительную обработку в узле потребления. Тогда вполне
реальной представляется ситуация, что отрицательное слагаемое
полноправно участвует в формировании цены, уменьшая ее, но ос­
тавляя положительной.
Получение отрицательных значений yt можно также объяснить,
если допустить неограниченное увеличение масштабов комбиниро­
ванного производства хт+\ с превышением модуля Ь (потребности
в продуктах), т. е. при замене равенств (1.102) неравенствами вида
auXi+ а,-т-м^тп-н > bh i= 1, ..., т.
(1.106)
В этом случае при эффективности комбинированной технологии раз­
дельные производства не являются замыкающими (неравенства
а»у, < Ci заведомо удовлетворяются) и область допустимых значений

вектора у изображается гиперплоскостью (1.105), включая ее точ­
ки, имеющие отрицательные компоненты у,-.
Теперь проанализируем особенности формирования о. о. оценок
продуктов при других возможных изменениях постановки задач по
сравнению с (1.101) — (1.104). Сначала введем ограничения на мас­
штабы использования комбинированного производства при отсут­
ствии требования пропорциональности векторов столбцов a m+i и Ь.
Тогда математическая формулировка задач примет следующий вид.
Прямая задача. Найти минимум
ТП+1
3=2CjXj
}=1
при условиях
QiiXi "Г
m+l^Tm+1=&i, £=1, •».,
W,
Хт+1< &т+1,
>0ДЛЯВСвХ/.
Двойственная задача. Найти максимум
т+1
D=2%i
i=l
при условиях
dayi<ch £= 1, ..., m,
dl т+1У1"T Cl2т+\У2“Ь . . . ”Ь dmт+\Ут Ут+l ^ Ст+1»
В (1.107) bm+i предполагается таким, что выполняются стро­
гие неравенства: a <m+ix m+i <
При данной постановке, когда в результате решения прямой
задачи выбирается максимально допустимое значение хт+\ (комби­
нированное производство оказывается экономически выгодным),
о. о. оценки продуктов получаю тся равными стоимостям их раз­
дельного производства. Отрицательное значение t/m+i здесь можно
интерпретировать как удельную (на единицу используемого сырья)
экономию затрат
m
d%m+ii/i £m+1
i=l
благодаря комбинированию, а отрицательное слагаемое в целевой
функции двойственной задачи bm+iym+i — как показатель полной
экономической эффективности комбинированной технологии.
Полученные о. о . оценки могут использоваться при решении
ряда локальных задач исследования эффективности комбинирова­
ния. Например, оценки экономичности строительства ТЭЦ при до­
пустимых м асштабах развития теплофикации в каком-либо регионе
или исследовании эффективности их сооружения для энергоснаб­
жения конкретных городов или предприятий.
Однако при апализе тех задач более низкого иерархического
уровня, которые могуг потребовать корректировки реш ения задачи
(1.107)
(1.108)
М 109^

(1.107), найденные из него значепня у( не могут быть использо­
ваны. При этом потребуется общую задачу (1.107) — (1.100) свести
к частной: нахождению вектора х, минимизирующего затраты при
производстве не всей массы продуктов д, а только той ее части,
которая м ож ет быть выработана комбинированным способом. Ф ор­
мулировка вновь полученной частной задачи полностью совпадает
с (1.101) — (1.104). Пропорциональность Ц{т+] и новых значении Ь{
при этом достигается автоматически, что подтверждает принципи­
альное значение условия (1.83), приводящего к многозначности о. о.
оценок, для математического анализа проблемы распределения за­
трат м еж ду продуктами комбинированных производств.
При сопоставлении энергохпмических технологии практически
важной является постановка задачи с более сложной, чем в
(1.101) — (1.104), структурой матриц А = [а,;], возникающей, когда
с раздельными технологиями конкурируют одновременно несколько
комбинированных. Пусть, например, система ограничений им еет вид:
Q'ii'Ei
тп+1^я*+1
^
1, ••
^
1,
QkhXk. + aAm+lXm+l + ahXm+2 = bh,
(1.110)
&iiXi 4" Й,- m+2^m+2
1 A“I"1,...,Wl,
Xj>0,
где индексы m + 1 n m 4- 2 относятся к комбинированным техноло­
гиям. Тогда придгт+1^0 и хт+2Ф0, a Xj=0,/ =1, ..., т, число
вошедших в оптимальный базис комбинированных процессов (два)
меньше т и вектор-столбцы ат+ь am+2 и b линейно зависимы:
Ь == ^m+l^m+l "l- '^т+2^т+2у
где х^+1 и Хт+2 —
оптимальные значения :rm+i и х т+2. Следова­
тельно, решение прямой задачи является вырожденным, а решение
двойственной — многозначным. Гиперплоскость функции дохода
(1.103) оказывается параллельной линии пересечения гиперплоско­
стей
k
т
2 Яг m-fij/t = £m+i> 2 Я*т+гУг = ^т+2*
(1.111)
г=1
i—k
П онятно, что эти решения могут быть получены только при
определенных соотношениях между численными значениями а ,то+ь
m+2 И Ь{.
Если в отличие от приведенного примера рассмотрим случай,
когда число комбинированных технологий больше т и в оптималь­
ное решение войдет ровно т из них, то о. о. оценки окажутся
однозначными, что не требует разъяснений ввиду тривиальности.
На многозначность решений относительно у не влияет добавле­
ние в формулировку прямой задачи (1.101), (1.102) уравнений,
представляющих ограничения на используемые ресурсы (денежны е,
трудовые, материальные, природные) или описывающих расп реде­
ление первичных энергоресурсов м еж ду отдельными технологиями

Рис. 1.15. Экономия затрат от комбиниро­
вания.
см. гл. 2). Такое изменение поста­
новки не устраняет линейной зави­
симости строк а<т+\хт+\ — bi, полу­
чающейся при Xj=0, / = 1, ..., то,
для подсистемы вида (1.102).
Отметим, что изменение продукта, на который в случае много­
значности решения относится эффект от комбинирования, равно­
сильно замене аргумента при вычислении функции общей экономии
затрат АЗ, но не сказывается на ее величине
771
АЗ = 2 с)х1 — On+I^m+I’
(1.112)
J=1
где xj и ;r£+1 — расходы сырья соответственно на раздельные и
комбинированную технологии при условии, что каждым из способов
полностью обеспечивается потребность в продуктах.
Действительно, при т = 2 п отнесении экономии (АЗ) на пер­
вый продукт
У2= С2/(122, У\= (С$— Я23*/2)/«13,
Но
АЗ (я?) = сххJ — ухахЗхп3= с^
—
с3х3 + а23
так как хх = x jfl13/fln , то
11
22
Аналогичное выражение получится при отнесении экономии на
второй продукт и проведении идентичных преобразований. В то же
время при изменении доли комбинированного производства в по­
крытии потребностей производные для функций A3 = /(;ri) и АЗ =
— /(# 2) будут различными (рис. 1.15), и это может повлиять на
удобство выбора аргумента (большие значения легче измерять).
Многозначность решений для линейной целевой функции иногда
может устраняться, если ограничения прямой задачи записываются
в виде неравенств:
771+ 1
2 dijXj^bu i= 1, .
(1.113)
j=i
В этих условиях при эффективности комбинированной техно­
логии могут возникнуть две ситуации: 1) ^ = 0, / = 1, ..., то,
и один или несколько продуктов производятся в излишке (возмож­
ная разумность подобных решений показана н и ж е); 2) часть по­
требностей покрывается раздельными производствами. Оценка про­
дукта, получаемого в избыточном количестве, равняется нулю.
В обоих случаях по крайней мере часть о. о. оценок продуктов ока­
зывается однозначной.

Эффективность комбинирования
и раскрытие многозначности о. о. оценок
На основе проведенного математического анализа можно уяс­
нить некоторые методические вопросы исследования эффективности
комбинирования при решении прикладных, в том числе н прогноз­
ных задач.
Возможности использования различных методов распределения
затрат (нлн экономии) между отдельными продуктами комбиниро­
ванных производств мы связываем с характером решения задачи,
двойственной к задаче минимизации затрат на производство требуе­
мой продукции: ее однозначностью пли многозначностью.
Многозначность о. о. оценок .может возникать при линейном
нлн вогнутом характере целевой функции, н ее появление всегда
оказывается связанным с введением в математическую постановку
задачи условия (1.83) линейной зависимости векторов а,-, / > т,
и Ъ (пли пропорциональности не меньше чем двух компонентов этих
векторов), которое, как было отмечено выше, является отражением
органического свойства комбинированных производств.
В ряде случаев соблюдение этого условия определяется воз­
можностью изменения соотношений .между коэффициентами а,>,
j > т. Так, при оптимизации теплофикационных систем желатель­
ные пропорции в выработке тепловой и электрической энергий в
определенных пределах обеспечиваются выбором соответствующего
состава оборудования ТЭЦ. Для гидроэнергетических сооружений
можно варьировать распределение общего расхода воды между элек­
троэнергетикой, сельским хозяйством и другими потребителями. Т ех­
нически достижимым является определенное изменение состава ко­
нечных продуктов при переработке угля методом последовательных
газификации п синтеза.
Но в основном многозначность возникает в тех случаях, когда
энергоэкономическое содержание задачи делает возможными такие
ее формулировки, при которых линейная зависимость столбцов или
строк расширенной матрицы условий достигается выбором значений
вектора Ь. Примеры таких случаев рассматривались выше при ана­
лизе задачи (1.107) — (1.109).
На этапе формализованных исследований характер решений
можно определить по ряду отличительных признаков.
Признаками однозначности о. о. оценок являются:
—
выпуклый (а>1) характер целевой функции (разумеется,
для получения четкого однозначного решения а должно существен­
но превосходить единицу, в противном случае найдется диапазон
значений у, практически не отличающихся от оптимального);
—
непропорциональность выходов отдельных продуктов комби­
нированных технологий aih / > m, потребностям в них Ьг,
—
получение оптимального решения прямой задачи в виде т
комбинированных технологий;
—
наличие в оптимальном решении раздельных производств.
Многозначность значений у при решении задачи линейного про­

граммирования симплекс-методом выявляется и з наличия в опти­
мальном базисе переменных с нулевыми значениями. О. о. оценки
продуктов, соответствующих этим переменным (i = / ) ,
г/i = Ci/ai{
(1.114)
выдаются ЭВМ на печать наряду с другими результатами расчетов.
Используя поочередно (1.114) для всех не вошедших в оптимальное
решение раздельных технологий, мож но оконтурить область допу­
стимых значений о. о. оценок и из (1.105) или (1.111) находить
любые внутренние точки множества у. Если предположить возмож­
ность неограниченного увеличения объема продукции комбиниро­
ванных производств одновременно с ростом потребностей, то мно­
жество у, включая и отрицательные компоненты, находится лишь
из (1.105) илп (1.111) (см. выш е).
Установленный и математически истолкованный факт существо­
вания многозначности о. о. оценок объясняет, по нашему мнению,
наличие в настоящее время различных практических подходов к
решению задачи распределения затрат при комбинировании. На ос­
нове проведенного анализа становится возможным обоснование под­
ходов к раскрытию многозначности.
Сначала еще раз отметим недопустимые приемы ее устранения.
Многозначность полностью определяется формализованной записью
таких условий развития систем и системных характеристик техно­
логий, как потребности в отдельных продуктах
удельные затраты
на переработку сырья е, и выходы продуктов из единицы сырья ац.
Следовательно, она не мож ет быть устранена дополнительным
включением в постановку задачи каких-либо показателей, отража­
ющих особенности протекания процессов внутри технологических
установок, которые в данном случае могут (или даже должны)
рассматриваться как «черные ящики». Этим, конечно, не отрица­
ется целесообразность учета технологических нюансов при решении
задач внутризаводского распределения затрат м еж ду отдельными
цехами или стадиями производственного процесса. Детальное ис­
следование процессов может позволить выявить и физико-химиче­
ские истоки эффекта от комбинирования для конкретной рассмат­
риваемой технологии, об общей причине которого упоминалось в
начале раздела.
Основными подходами к решению проблемы многозначности в
зависимости от ее реального содержания авторам представляются
следующие.
1.
Выделение в математической формулировке задачи таких по­
требностей (компонентов вектора Ь), которые не могут быть пол­
ностью удовлетворены за счет комбинированных технологий. Для
корректной формализации, видимо, надо проанализировать реальную
ситуацию и оценить, в приросте изготовления каких продуктов мы
прежде всего заиптересованы. Выделенным компонентам
будут
соответствовать о. о. оценки, равпые стоимостям раздельных про­
изводств.

Таблица 1.7. Сопоставление технологий при допустимости
производства «излишка» продуктов
Исходные данные
Оптимальное решение
с, руб
а
х, единиц
у, руб
сх= 31,0
с8= 37,0
с3= 23,5
ап = 0,37
Xj= 0
а22~ 0,80
,т2= 0
ахз= 0,20
333 000
в23= 0,60
—
У1= о
у
39,17
2.
Постановка линейной задачи с ограничениями в форме нера­
венств (1.113) и допустимостью производства «излишка» одного
или нескольких продуктов. Такая формулировка делается разумной
при наличии реальных возможностей увеличения масштабов ком­
бинированного производства. Вероятную экономическую целесооб­
разность получения избыточной продукции проиллюстрируем на
примере.
Пусть требуется произвести два продукта в количествах Ъ\ >
^* 61 400 и Ь2^ 200 000 единиц. Конкурирующими способами про­
изводства являются раздельный и комбинированный. Система огра­
ничений прямой задачи записывается в виде:
Исходные данные и результаты решения приведены в табл. 1.7 .
Из табл. 1.7 видно, что общая потребность в конечных продук­
тах оказалась обеспеченной комбинированным способом и при этом
производство первого продукта на 5267 единиц превзошло его ми­
нимально необходимое количество (333 333 • 0 ,20—61 400 « 5267).
Это позволило сэкономить затраты на получение второго продукта,
значительная часть которого в противном случае производилась бы
раздельным способом, существенно уступающим по экономичности
комбинированному. Экономия денеж ны х затрат, вычисляемая из
очевидного соотношения
составила 1,4 %. В приведенном выражении индексы «0» п «*» от­
носятся соответственно к решениям: оптимальному и когда произ­
водство продуктов точно равняется заданной потребности.
Решение двойственной задачи для условий рассмотренного при­
мера оказывается однозначпым, а о. о. оценка продукта, пропзведен-
а\1х1 "I"
+
&22Х2 "Ь &23Х3^ ^2)
Xj>0,/=1, ..., 3,
а\з!Ъ\ Ф а2з/Ь2.
АЗ=
100,

пого в избыточном количестве, равной нулю. Разумеется, отсюда
не следует целесообразность установления нулевых цен на продук­
ты в практических ситуациях. Подобные теоретические результаты
должпы использоваться при решении вопросов ценообразования
(в ю м числе и установления льгот) н аряду с прочими факторами,
не учтенными в моделях.
3.
Анализ роста затрат в комбинированное производство при
изменении соотношений м еж ду его продуктами. Такая постановка
задачи может оказаться разумной только при возможности доста­
точно широкого варьирования ассортимента продукции. В этом слу­
чае оценки (замыкающие затраты) определяю тся не в результате
оптимизации системы, включающей комбинированные и раздельные
производства, а на основе рассмотрения отдельно взятой технологии.
Входами и выходами исследуем ого процесса являются соответствен­
но изменения выпуска отдельных продуктов и изменение суммар­
ных затрат на технологию. Оценка /-го продукта находится из вы­
ражения
(1.115)
При использовании этого способа определения у{ следует иметь
в виду, что равенство
т
3=2 biHi
i=1
будет выполняться только для линейной целевой функция.
Наиболее обоснованным применение формулы (1.115), очевид­
но, является в случаях, когда реш аю тся вопросы об увеличении
выработки одного из продуктов на у ж е существующ их комбиниро­
ванных установках или при заданном объеме производства осталь­
ной части продукции.
При возможности корректного использования одного пз пред­
ложенных подходов к раскрытию многозначности полные затраты
на комбинированное производство долж ны распределяться между
продуктами пропорционально найденным о. о. оценкам. Это отно­
сится не только к денеж ны м затратам, но п к затратам энергети­
ческих, сырьевых и природных ресурсов. В свою очередь, оценки
расхода энергии на изготовление отдельных продуктов позволяют
находить и соответствующие К П Д, в том числе и предельные. И з­
ложенный анализ также обнаруживает, что для нахождения таких
КПД. комбинированных технологий их физнко-хпмпческое и тех­
нико-экономическое моделирование часто оказывается недостаточ­
ным и требуется использование специальных системных моделей.
Результаты исследования методических проблем оценки эффек­
тивности комбинирования можно распространить и на решение за­
дачи определения стоимости энергии. Представляется возможпой ее
следующая формулировка: иайтп минимум общих приведенных за­
трат на производство энергии при заданных потребностях в эксер-

гип и анергии и заданных допустимых технологиях их получении.
Можно предположить, что существуют технологии, целевым про­
дуктом которых является либо только эксергин (например, в виде
электроэнергии), либо анергия (например, в виде пнзкопотенциаль-
ной теплоты ), и комбинированные многопродуктовые технологии.
Удельные стоимости выделенных форм энергии для данной поста­
новки задачи найдутся как множители Лагранжа (i/j) при соответ­
ствующих ограничениях.
Если формализованное решение проблемы многозначности полу­
чить не удается, то из приведенного математического анализа может
быть сделан вывод о допустимости не связанного с экономическими
потерями стимулирования отдельных групп потребителей к приобре­
тению продукции комбинированных установок, вплоть до установ­
ления отрицательных значений некоторых составляющих цены про­
дукта. Вопрос о предоставлении скидок потребителям, выражающим
согласие подключиться к тепловым сетям от ТЭЦ, широко о б су ж ­
дается в ФРГ, где выбор источника теплоснабжения даже в рай­
онах, обслуживаемых теплоэлектроцентралями, является личным
делом домовладельцев.
Применительно к обсуждаемым в книге прогнозным задачам
анализ эффективности комбинирования позволяет заключить, что
если экономические и энергетические характеристики технологии
оказываются многозначными, ее будущ ая конкурентоспособность
может быть оценена только с помощью системных моделей.
Глава 2
ПРОГНОЗНЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
2.1. МОДЕЛИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Назначение этих моделей заключается в определении предель­
ных физпко-хнмпческих характеристик процессов н их предельного
физического совершенства в целом. К обсуждаемым здесь характе­
ристикам относятся: энергетические КПД и удельные расходы топ­
лива; коэффициенты тепло- и массообмена (теплопроводности, теп­
лоотдачи, д иф ф узи и ); скорости потоков вещества; скорости, коэф­
фициенты селективности и полноты химических реакций; удельные
производительности; выбросы вредных веществ в окруж аю щую сре­
ду; отложения загрязнителей на поверхностях нагрева. Д ля прог­
нозирования такого широкого ассортимента показателей в МОПР
необходимо включать блоки термо- и гидродинамики, переноса теп­
лоты и массы, химической кинетики.
К настоящему времени детально и в универсальной форме
(пригодпой для разнообразных энергетических процессов) авторами
разработаны только термодинамические модели, представляющие

важнейшую составную часть МОПР. П оскольку, как было показано
в разд. 1.3, наиболее общими из них являются модели оптимальных
промежуточных состояний, дальнейшее обсуждение в данном раз­
деле ведется применительно к этим моделям.
Основные понятия и определения
Закрытая термодинамическая система (Z). Характеризуется
двумя списками: списком веществ / = И , ..., я ), которые могут
образовываться в результате химических реакций, протекающих в
системе, и списком / = {'1 , ..., т) элементов, из которых состоят
эти вещества. Спискам / , / ставится в соответствие прямоугольная
матрица А размером т Х п , компоненты а 0 которой суть количе­
ства атомов вида i в единице вещества /.
Для каждого вещества / задается также величина G]— стандарт­
ная энергия Гиббса, сосредоточенная в единице /-го вещества. Со­
стояние системы Z полностью определяется заданием неотрицатель­
ного n-мерного вектора хТ=(х\, хч, ..., хп)т, компонента я, кото­
рого — количество молей /-го вещества в системе Z.
Вещества, образующие систему, разделяются на вещества, на­
ходящиеся в газообразной фазе, и вещества, находящиеся в кон­
денсированной фазе. Общее число веществ газообразной фазы обо­
значается Г. В соответствии с этим множество индексов / разби­
вается на два непересекающихся подмножества:
/“/гU/с, /г = {'1,2, ..., Г),/с= {Г+1, ..., н),
/ е / г соответствует веществу в газообразной фазе; / ^ / с — веще­
ству в конденсированной фазе.
Задаются также термодинамические параметры Р и Т — дав­
ление и температура, которые не меняются в течение химических
реакций. При этих предположениях каждому состоянию х системы
ставится в соответствие энергия Гиббса данного состояния, которая
определяется равенством
G(X)= 2 (б5+RTIn[р5^5))X,+ 2 GJ*,.
(2.1)
Здесь и в дальнейшем ст(я) = 2 Xj. Если обозначить
js/r
g}=G]+ RTInP,/<=Jr>gi= G%/<=JCt
П
L(x)*=*2
8(*) =
2
xiln
<2 -2)
;*eJp
то выражение для энергии Гиббса можно записать в более ком­
пактном виде
G(x) = L{x)+RT -g(x)\

Начальное состояние системы и уравнения баланса масс. Пусть
задано начальное состояние у е Е" термодинамической системы Z,
г. е. в начальный момент в системе присутствует у\ единиц 1 -го ве­
щества, у2 единиц 2-го вещества и т. д. Подсчитаем общие коли­
чества элементов каждого вида i е /, которые содержатся в системе
в начальный момент. Эти количества образуют вектор Ь(у)^Е т:
Ь(у) — Ау.
Поскольку система Z закрытая, обмен массой с окружающей
средой отсутствует и любое состояние х системы Z удовлетворяет
уравнению баланса масс:
Ах= Ау=Ь(у).
(2.3)
Второе начало термодинамики и термодинамически допустимый
переход. В закрытых системах действует принцип невозрастания
свободной энергии Гиббса, который заключается в следующем: если
система находилась в состоянии х \ имеющем энергию G(x' ) , то
она может перейти только в те состояния х " , для которых
G(x')>G(x").
(2.4)
Разумеется, оба состояния х' и х" удовлетворяют закону баланса
масс (2.3). Будем считать также, что система Z может перейти из
состояния х' в состояние х" только непрерывным образом.
Это требование вместе с (2.4) приводит к следующему опре­
делению термодинамически допустимого перехода из х в а;".
Термодинамически допустимый переход из х' в х" задается
непрерывной вектор-функцией х{%) переменного т е [0, 1 ] такой,
что:
аг(0)= аг/, х(\)=х",
G(x(t'))> G(x(t")) д л я любых т', т" ^ [О, 1] таких, что т'<т",
(2.5)
Ах(т) = Ах' = Ах" для всех те[0, 1 ].
Таким образом, мы постулируем, что, находясь в начальный
момент в состоянии у, система z в процессе эволюции может перей­
ти лишь в те состояния х, для которых существует термодипами-
td
чески допустимый переход у~+х. Множество таких состояний х
назовем термодинамически допустимым относительно начального со­
стояния у и будем обозначать Z)*(y). Множество состояний х, удов­
летворяющих условиям
Ax —Ayt
(2.6)
х>0,
(2.7)
будем называть балансныммногогранником, соответствующим н а­
чальному состоянию у, и обозначать D(y).
Наконец, множество состояний x ^ D (y), удовлетворяющих не­
равенству
G(x)<G(y),
(2.8)
будем обозначать Da(y).

Очевидно включение:
Я‘М =Я °(у) = D(y).
(2.9)
Свойства функции Гиббса. Выпуклость функции Гиббса для
идеальных термодинамических систем показал Н. Б . Зельдович [46].
Здесь дается дополнительный анализ свойств G в целях обоснова­
ния предлагаемых алгоритмов. Там, где зто не вызовет недоумения,
для сокращения записи будем опускать значок у в обозначениях
(г/), DG(y), D(y), b(y) и дальнейшие рассуждения относительно
выпуклости G(x) будем проводить, рассматривая вместо G(x) функ­
цию g(x).
Нам потребуются следующие соотношения:
Пт хInх=0,
(2. 10)
х^+0
In(1+х)=х—^
- +0(х3).
(2.11)
Пусть задано состояние х ^ D. Определим множества индексов
J0czJr= {/е/Г:X}=0), /+= /Л/о.
В силу (2.2), (2.10) можем записать
g(x)= 2
(2 -12)
jSJ+
Придадим компонентам х} (/ е / г) вектора х приращения 6, и обо­
значим А=(6i+62+ . •. + бг).Разумеется, 6;^ 0 для jе/0. Оп­
ределим приращение 6g = g(х + 6) —g (х):
h=2(-ч+&
>)1 п +.2
1пгг+д- ? W- (2-13)
iSJ+
Далее имеем:
1„fi+i? = in
о+A
1+А
Хх\
Xj
3
О
!+•
ьт+1»(*+%)- 1п(•+4)'
(2.14)
/+,
In—
=In
—
In(1+-£•), /е
Подставляя (2.14) в формулу (2.13) и используя (2.10) — (2.12),
получим
2
+42^(^-тУ+.2
+0(6»),
j-j+
г
'3
'
^'=Jo
(2.15)
Поскольку члены второго порядка относительно 6 образую т поло-

жнтелыю определенную квадратичную форму, функция g(x) вы­
пукла на D+= {x^D; Jq= 0). Кроме того, g(x) непрерывна на
D — замыкании D+. Следовательно, g(x), а вместе с ней и функция
Гиббса G(x), выпуклы на D.
Далее, (2.15) показывает, что функция G(x) дифференцируема
на D+н ее градиент может быть найден по формуле
dG(.г)
d*i
& + RT 1,15д7)’
.gp
jezJc-
(2.16)
В то же время в точках х ^ D, для которых /о ¥=■0, градиент
функции G{x) по компонентам / е / 0 обращается в —°°. Это озна­
чает, что при увеличении х} (/' е / 0) происходит уменьшение функ­
ции Гиббса (эффект «отталкивания от границы»).
Состояние равновесия. Предположим, что вектор b в уравнении
баланса масс строго положителен: bi > 0 , i = 1, 2, ..., т. По физи­
ческому смыслу компоненты матрицы А в этом уравнении суть н е­
отрицательные числа, причем у А нет нулевых столбцов. Следова­
тельно, многогранник D — {х\ Ах = Ь, х > 0} является замкнутым
ограниченным множеством. По теореме Вейерштрасса непрерывная
выпуклая функция G(x) достигает на D своего минимума. Подмно­
жество Хеcz D, на котором G(х) достигает своего минимума на D,
назовем множеством состояний равновесия. Множество Хе является
выпуклым в силу выпуклости G(x). Слово «равновесие» в опреде­
лении Хе подчеркивает тот факт, что при любых термодинамически
допустимых переходах система Z не покидает Хе, если ее состояние
в какой-то момент принадлежало этому подмножеству. Предполо­
жим, что балансный многогранник D удовлетворяет следующим
условиям.
Условие 1. Существует х°е D такой, что д:°>0для всех
7es/г.
Из условия 1 в силу эффекта отталкивания от границы сле­
дует, что в любом состоянии хее Хе компоненты х] вектора хе стро­
го положительны для всех / е / г.
Условие 2. Не существует пары векторов х е D и у ^ D та­
ких, что Xj= ку,для всех / е Jг.
При выполнении условия 2 значения координат / е / г для лю­
бого состояния хе^ Хе определены однозначно. Это следует из стро­
гой выпуклости G(х) по компонентам из Уг .
Знание множества Хе или хотя бы одной точки хее Хе важно
с теоретической точки зрения, поскольку дает представление о том,
в какое конечное состояние переходит закрытая термодинамическая
система в процессе эволюции.
Эта информация будет памп существенным образом использо­
ваться при построении различных алгоритмов. Обсудим вопрос о
нахождении точек равновесия закрытой термодинамической системы.
Алгоритм поиска точек равновесия при заданном начальном
состоянии системы. Если начальное состояние у системы Z задано,

то определен балансный многогранник D(y), и задача поиска точки
равновесия сводится к решению задачи выпуклого программиро­
вания
m in G(x)lx ^ D(y).
(2.17)
Заметим, что решепие этой задачи зависит от выбора начального
состояния у.
Сделаем дополнительное предположение о том, что D(y) имеет
непустую внутренность, т. е. существует х°^D{y) такой, что
х° ! > 0 для всех /==1,2, ..., п.
Точку х° возьмем в качестве исходной для описываемого ниже ал­
горитма. Далее для к= 0,1,2, ...
(к — номер итерации) можем
записать:
П
2 dijixj—Xj)=0, Xj>0, i= 1,2, ..., m, ;=1,2, ..., п. (2.18)
j=i
Точка х? (приближение к решению) является внутренней точкой
балансного многогранника D и поэтому содержится в D вместе с
эллипсоидом
7> >1-2 ___
и'
/тк\2 ^ 1
\xi)
(2.19)
Поскольку х° — внутренняя точка, возможно определить гра­
диент функции G(x) по формуле (2.16):
6G(хА) ..0
Cj—дх.1^
^ ••ч
*
п
Найдем минимальное значение линейной формы 1(х) = 2 cjxj
j=*i
на множестве ЕкПD:
П
(П
min2 Cjxj/xе ЕкП{я: 2 aij(xj—xj)~0
.
j=i
У j=»i
Поскольку 1(х) — линейная функция, ее минимум достигается в гра­
ничной точке Ек и может быть найден по правилу множителей
Лагранжа.
Приравнивая нулю производные по х^ функции Лагранжа:
L(*,и,Ц)=2 СА-щ:2
-
2 “I(2 ач(х>- 4)).
}-1
Иi=i \xi)
i-1
1
J
(2.20)
где u=(ui, ..., Urn), pi— неопределенные пока множители:
hm*
dL
\xi~xi
V
n
ST.= c>-ST-ЬчГ-1
“<e‘»= °-
I* (**)’ i-1

или
(2.21)
m
(xj
^
(^j)
Mjfljjji j—1» •••iл.
Умножая (2.21) на a/;, / = 1, ..., m, и суммируя по /, получим:
n
n
/
m
\
2 CLlj(xj —Xj) = p 2 (Xj)2ICj— 2 Ui^ij aU= 0,
1=1
1=1
г=1
m/n
\
n
2 ( 2 (х))2ацсч} Mi = 2 cj(xj)*’ 1=1,
(2.
i=i \j=i
/
i=i
22)
Разрешая (2.22) относительно wf, находим вектор множителей
тп
ик=- («1, «2, . . м£). Обозначим 6* = Cj— 2 uiaij и подставим
ie=l
это выражение в (2.21):
xi~xi
..-k*k
-
= рх*6*, /=1, ..., п.
(2.23)
Возводя обе части (2.23) в квадрат и суммируя по
получим мно­
житель р из уравнения
(2.24)
i=i
Здесь мы использовали условие связи (2.19), записанное в виде
П
равенства. Обозначим Ф* — 2 (я * )2(6*)2, отсюда
i=i
Ра— 1/^Фа,
(4)26j, /=1,
,п.
(2.25)
В (2.25) взят знак ( —) у р, поскольку мы ищем минимум функ­
ции 1(х).
Итерация алгоритма завершается нахождением точки #*+1, в ко­
торой достигается минимум функции G(x) на отрезке [я*, я*+1]:
xh+l = arg min £(#)/# е [#*+1, а:*].
(2.26)
Процесс повторяем, пока величина ФА не станет меньше заданного
малого числа е.
Приведенный выше алгоритм принадлежит И. И. Дикпну [42].
Он удобен при поиске точек равновесия тем, что оперирует с внут­
ренними точками балансного многогранника D, в которых возм ож но
вычислить градиент функции Гиббса.
Может оказаться, что в состоянии равновесия интересующие
нас «полезные» или «вредные» вещества отсутствую т почти пол­
ностью. Однако из этого нельзя сделать вывод о том, что в процессе
эволюции к равновесию система п е произведет ничего «полезного»

или «вредного». Требуется дополнительный анализ, который позво­
лил бы количественно оценить производство «полезных» и «вред­
ных» продуктов на термодинамически допустимом множестве D'.
Оценки па термодинамически допустимом множестве. Пусть за­
дано начальное состояние у системы Z. Оно определяет (согласно
(2.5)) термодинамически допустимое относительно начального со­
стояния множество D*(y). Пусть, кроме того, задана линейная
П
функция качества состояния С(х) = 2 сзх>• Величину С(х) можно
3=1
трактовать, например, как количество «полезных» веществ или как
количество «вредных» веществ в состоянии х. Нас будет интересо­
вать следующая задача: найти состояние х е D*(y), в котором функ­
ция С(х) принимает максимальное значение. Иными словами, тре­
буется найти состояние x ^ D (y), в которое можно перейти из на­
чального состояния у по термодинамически допустимой траектории
и в котором С(я) принимает наибольшее значение.
Отметим одно важное свойство термодинамически допустимого
из у множества Dl(y).
Лем м а 1. Множество D*(y) — выпуклое.
Доказательство. Пусть х' е D*(у) и х" ^D*(y). Это оз­
начает, что существуют термодинамически допустимые переходы
S': у-+■х' и S": у-+■х".
Но тогда существует и переход у
-
*■(х' + х" )/2, поскольку на отрезке \х', х"] G(x) — выпуклая функ­
ция и можно всегда перейти в среднюю точку отрезка [х', х"\ либо
из х', либо из х " , не увеличивая значения функции G(x).
Этот прозрачный факт наводит па мысль применить для реше­
ния задачи поиска максимума С(х) на D*(y) следующий алгоритм
случайного поиска.
Случайным образом выбираем N1 прямых, проходящих через
точку у и принадлежащих аффинному
многообразию М =
= ( я : Ах — Ь). В пересечении с D эти прямые дают отрезки, на ко­
торых находим точки минимума функции G(x) (минимум выпук­
лой функции одного переменного).
Полученные точки минимума ж1*1, я 2’1, ..., тл1д заведомо дости­
жимы из у. Тогда, исходя из леммы 1, мы можем утверждать, что
выпуклая оболочка указанны х точек
С1= со {яы, я2л, .... я*1*1)
целиком содержится в £)'(i/). Очевидно,
max С(я) = max С(яйл).
xsc1
l^k^N1
Далее повторяем процесс, случайным образом выбирая точки из С1
и в каждой из них прямые, на которых находим минимум G(x).
Допуская вольность речи, такой процесс можно назвать последова­
тельным «захватом территории». Очевидно, что его осуществление
требует большого объема вычислений, тем не менее мы считаем
полезным зафиксировать этот подход.
Случайный выбор прямой, проходящей через заданную точку
у е ]) и принадлежащую Л/, легко осуществить, вычисляя проекцию

Рис. 2.1. Построение термодинамически допу­
стимой траектории перехода.
произвольного вектора z па М:
лм(г) = z - А Т(ААТ)~1(Az - Ь).
Можно также указать некоторые
достаточные условия существования термодинамически допустимо­
го перехода S: х -*■у.
Лемма 2. Пусть
D, z е Д уе/) - некоторые состояния с
энергиями G(.г), G(z) , G(у) , G(x) =G(y) = G, на отрезках [х, z], [у, z]
функция G(x) монотонно не убывает при движении от х к z и от
у к z. Тогда существует термодинамически допустимый переход из
хвуиизувх.
Доказательство проводится построением траектории пере­
хода. Соединим точки х и у отрезком [ху у], т. е. рассмотрим мно­
жество точек u(t)^D: и(т)=(1—х)х+ту, O ^ x ^ l. Непрерывно
меняя т от нуля до единицы, соединяем точку и(т) отрезком с точ­
кой z: (1—t)u(x)+tz,
f 1^ и находим точку пересечения его
с поверхностью уровня G(x) = G. Для этого нужно решить урав­
нение с одним неизвестным
f{T) = G({l-t)u(x)+tz) = G,
которое имеет, в силу выпуклости G(x) и условий /(0)<G, /(1)^
> G, единственное решение 1(т). Искомая траектория определяет­
ся формулой
ц(т) = (1 - Г(т))и(т)+T(t ) z,
i?(0) = x, v(l)=y.
Сказанное поясняется рис. 2.1.
Точку z, используемую в описанной выше процедуре, можно
назвать «реперной точкой для перехода х
у».
Введем понятие ядра к-го порядка многогранника D. П од яд­
ром нулевого порядка D°(y) будем понимать состояния равновесия
Xе. Если минимум G(x) на D достигается в единственной точке х%
то ядро D°(y)={xe}.
Решим п задач выпуклого программирования:
minG(x)/ix^D,Xj=0,/е/}.
Пусть хе>j — соответствующие точки минимума, Gei — значения G(x)
в этих точках.
Перенумеруем точки xe,i в порядке возрастания Ge}:
G(хе)=Ge‘°^ Gel< ... < Gen.
Ядром порядка к балансного многогранника D(y) назовем мно­
жество
Dk(y)= ix^ D: G(х)< Gek)yк= 0, 1, 2, ..., п.
Поясним это определение примером.

Пример. Возьмем п= Г =3, т= 1, g\—1, g2=2, g3
Glx)~(1 In—j
——
—
|—j
-f*(2*4"In— ——2
——
] *^2 *4"
\
+»,+»»/
V х,+хг+ х»)
=3,
+(3+In
*l+*a+*a
*3’
тогда
D={.r:x\+X2+Хъ—1,x\^0,дг2^0,дгз^0).
Таким образом, балансный многогранник D в нашем примере —
двумерный симплекс с вершинами А: (1, 0, 0); В: (0, 1, 0);
С: (0, 0, 1). На этом симплексе формула для G(x) упрощается
и принимает вид
G(х)—(1+ InХ\)Х\+(2+ InХ2)Х2+ (3+ InХъ)Хъ.
Найдем числа Ge0, Ge>1, Ge,2y Ge>z. Чтобы найти число G*°, нужно
определить состояние равновесия. В нашем простом примере это
можно сделать, не прибегая к процедуре внутренних точек. Доста­
точно применить правило множителей Лагранжа. Составляем функ­
цию Лагранжа:
L(X,Я)=(1+InХ\)Х\+(2+\ПХ2)Х2+(3+Inяз)яз+
+ А,(#1+ Х2+ #3—1).
Приравнивая нулю частные производные по х\, Х2, хъ, имеем
1+InХ\=А,2+InХ2= А,3+Inхъ—А,откуда
х\ = ех_1, Х2 —ех-2, хъ= ех_3.
Подставляя эти величины в уравнение связи xi + Х2 + хъ — 1, полу­
чим выражение относительно А:
ех-1 + ек^2+ ех_3 = 1.
Искомый корень А0, очевидно, принадлежит отрезку [0, 1]. Применяя
метод деления отрезка пополам, находим
А0 = 0,592395,
= (0,665241, 0,244729, 0,090030), G(x')=e'° = 0,592395.
Далее последовательно находим точки ХАВ— минимум G(x) на от­
резке АВ, Хлс — минимум на АС, ХВс — минимум на ВС:
ХАВ= (0,731058, 0 ,268941, 0), G(XAB)= 0,686737,
ХАс =(0,880797, 0, 0,119203), G(XAC)= 0,873070,
хвс= (0, 0,731058, 0 ,268941), G{Хвс)= 1,686737.
Таким образом,
Gr0 = 0,592395, G‘ ] = 0 ,686737, G' 2= 0,873070, G*3= 1,686737.

Найдем также следующие точки:
-YAb, Х ав — касаппя поверхности G(x) = Ge2 и отрезка АВ\
Х ав— касания поверхности G(x)=Ge>z и отрезка АВ\
■^а с — касания поверхности G(x) — G и отрезка АС.
ХаВ = (0,9605, 0 ,0395, 0), G{X\B) = 0,873070,
Х ав = (0,4408, 0,5592, 0), G{Х\в) = 0,873070,
Х\в = (0,0671, 0,9329, 0), G(X\B) = 1,686737,
Х 1ас = (0,3371, 0, 0,6629), G(X\c) = 1,686737.
На рис 2.2 изображены ядра симплекса D и эти точки.
Введем понятие термодинамически связного подмножества. Под­
множество R ^ D называется термодинамически связным, если для
любой пары х е /?, у ^ R существует переход либо из х в у, либо
из у в х. Из этого определения следует утверждение: если R —
термодинамически связное подмножество D, х ^ R, y ^ R и G(y)<
< G (x) , то существует термодинамически допустимый переход
изхву.
Из рис. 2 .2 видно, что ядра первого и второго порядка симп­
лекса D термодинамически связны, тогда как 3-ядро не является
связным: из точки F, принадлежащей 3-ядру, нельзя попасть в вер­
шину А, которая также принадлежит 3-ядру.
Нетрудно показать, что 1-ядро любого балансного многогран­
ника D термодинамически связно.
Доказательство. Пусть x ^ D 1, у ^ D1 и G(x)=G(y).
Соединим точки х и у отрезком м(т)= (1—т)х+ ту, 0 <
1, це­
ликом принадлежащим D1. Если точка равновесия хе принадлежит
отрезку, то сдвигаемся из хе в любом направлении, ортогональном
отрезку, так, чтобы получившаяся в результате сдвига точка х е
принадлежала внутренности D. В противном случае полагаем х е= хе.
Далее непрерывно меняем т от нуля до единицы и для каж­
дого такого т строим луч z(t) = хе+ t(u(x) —хе),
0. Определим
t(x) = m8ixt/z(t)<^ D,
1. Заметим, что £(т)— первое значение па­
раметра t, при котором луч пересечет границу множества D.
Рассмотрим
уравнение
относительно t:
f(t) = G(xe+ t(u(т) —xe))—
= Gtl для t> 1. (2.27)
Нетрудно
видеть,
что
No % ))> G' ]. Действительно,
из f(t(T))<Gel следует, что
Рис. 22 . Ядра балансного много­
гранника и поверхности уровня
энергии Гиббса.
С

2 (<(т))е£>| и какая-то компонента вектора z(£(x)) равна нулю.
Но все компоненты любого вектора ядра D \ кроме первой, строго
положительны, а компонента zi(/(x)) не м ож ет равняться нулю,
•гак как это противоречит определению 1-ядра: Gel = min G(x)/ze
е Д .Г( = 0. Поэтому уравнение (2.27) имеет единственное непре­
рывное решение Т(х) .
Искомая траектория перехода определяется формулой
у(т) = z(f(x)), те[0, 1], у(0)=х, п(1)=у.
(2.28)
Максимизация линейной функции качества
на подмножествах балансного многогранника
Пусть G* — минимальное значение функции Гиббса G(x) на
D и Gmax — ее максимальное значение. Тогда для любого G0, такого,
что Ge^ G° ^ Gmax, подмножество D° <=D = {я: G(х) < G0} выпукло
и непусто.
Для таких G0 сформулируем задачу выпуклого программирова­
ния:
П
maxС(я)=2 CjXjприхе D0.
(2.29)
3=1
Опишем алгоритм решения задачи (2.29). Решение разбивается на
два этапа. На первом решаем задачу линейного программирования
П
max 2 cjxp
3=1
П
2 aijXj=b{, i=1, ..., m.
(2.30)
3=1
х,>0,/=1,...,n.
Если решать задачу (2.30) симплекс-методом, использующим мат­
рицу, обратную к базисной, то в результате решения будут извест­
ны: вектор х° — оптимальное решение задачи, в котором не более
чем m компонент (базисных компонент) отличны от нуля и осталь­
ные п - m небазисных компонент равны нулю; / в = {/ь /2, .
/т)—
номера базисных компонент; JN— {/m+i, . . /п)— номера небазисных
компонент; В — квадратная невырожденная m X m -матрица, обрат­
ная к базисной подматрице А в, составленной из столбцов матрицы
А, соответствующих базисным переменным,
а131 а132 •••авт
_ йтзх amj2•••
.
*
а тпЗтп_
lil
(2.31)
Вектор двойственных переменных u —(uif 1/2, ...» um) такой,
что
итАj= Cj для всех / е /Вт
uTAj> с, для всех / е Js.
(2.32)

Здесь А , — / -и столбец матрицы А. Наконец, известно значение
функции С(х) в решении х°:
Iq= С(х°).
Если G(x°)<G0, то х°, очевидно, является решепием задачи (2.29),
и на этом вычисления прекращаются. В противном случае перехо­
дим к алгоритму опорного конуса [10], который начинается с по­
строения исходного конуса С(0).
Определение. Конусом С{к\ опорным к допустимому мно­
жеству D0 и имеющим вершину х(к), назовем множество
определяемое системой равенств и неравенств
П
2 ац(хj—х(к))= 0, i= 1, ..., m,
j=1
П
2 aili (xj—x<jh))^0, i==m+ 1, ..., n,
3=1
(2.33)
с невырожденной матрицей Л (Л), первые пг строк которой совпадают
со строками матрицы А уравнения материального баланса Ах = В .
Это множество должно удовлетворять двум условиям.
Условие 1. С(к) должно содержать допустимое множество D0.
Условие 2. Линейная форма С(х) должна достигать своего
максимума на C(h) в вершине х(к).
По теореме Куна — Таккера условие 2 эквивалентно существо­
ванию вектора множителей Х = (Хц Хг, . . Xm, XM+i, ..., Х„) такого,
что
с = Х*Л(Й),
(2.34)
причем Xj^ 0 для всех i > m + 1. Первый этап решения задачи
(2.29) завершается построением опорного конуса С(0). Делается это
следующим образом. В качестве строки а\0) матрицы Л <0) возьмем
единичный вектор, взятый со знаком минус с ( — 1) на месте /ie /w,
(0) J—1, если к = ;‘i,
°гк
[0, если кФji.
Тогда неравенства в (2.33) эквивалентны следующим: —1 (xj —0 ) ^
^ 0 , 7е Ач или Xj>0, / е JN, Обозначим через af i-ю строку мат­
рицы А и определим С(0) как множество х е Е'\ удовлетворяющих
условиям:
(«», а:—а:0)= 0, i=l, ..., т,
(a(i0),х —£°)<^0, i—m+ 1, ..., n.
(2.35)
Любой x ^ D , а тем более x&D0, удовлетворяет (2.35), поскольку
(2.35) получена из Ах = 5, х ^ 0, отбрасыванием неравенств х, 5* 0
для
Поэтому С(0) [) zdD 0, и условие 1 для конуса выполнено.

Определим вектор Я0 = (Я1, • • •» Ят, Я.т +и ..., Я„) по правилу
Я0=Uiдлявсехi=l, . . тп,
т
С +i = 2 Wifli.m+i — ci.m+i ДЛЯ всех 1 = 1..........П—ТП\
А«1
всилу(2.32)с= Я°.4(0)пЯт+<^О,i=1,2, . . п —тп
. Следователь­
но, условие 2 для конуса также выполнено.
Обозначим через Z?(0) = [&$) матрицу, обратную к матрице
/а
h
]п
1 *п &12•••
O'in
9 а21Я22••*
п
•••
у!(°) —
тп Яml Яm2
Дтп
тп+100...
—
1
00
тп+2—10...0
01
•
п
66
6
-1
•
6
По известным компонентам fry матрицы В из (2.31) и индексным
массивам JB и JN легко определить матрицу В{0), обратную к Л(0).
Элементы bty этой матрицы определяются формулами (2.36). Для
Ь1к,если 1^ к
тп,
тп
2 bisasjk, если тп+ 1^ к
п.
5*1
Длят+1
<я,1</с<и:
—
1,еслик= I,
0, если кФ I.
(2.36)
Оппшем теперь основной этап (к = 0, 1 , 2, . . . — номер ите­
рации).
1. Вычислим значение энергии в вершине конуса Gk= G(xk) и
невязку
hh= Gk- G°.
2. Если hk< Ej, где ei — заданная точпость, то процесс итера­
ций закончен. В противном случае переходим к п. 3.
3. Соединим вершину конуса хк отрезком с точкой равновесия
х'\ х (t) = x* + t(xk— хе) и найдем точку пересечения отрезка x(t)
с поверхностью уровня G(х) = G0, решая уравнение относительно t:
G(x9+t(хк— *•)) = G0.
(2.37)
Пусть I — решение (2.37) и х к= х(Т) — граничная точка мно­
жества D0. Если в состоянии равновесия х * ;>0 для всех / е / Г| то
> 0длявсех/^/г,посколькуI>0.

4. Находим значение линейной формы 1(х) в точке х А:
Тк= С(хк).
Точка хк принадлежит множеству D°, поэтому Тк^С(х* )^1 к, где
х* — решение задачи (2.29).
5. Если /* —7* < ег. где е-2 — заданная точность, то процесс ите­
рации закончен. В противном случае переходим к 6.
6. Вычисляем вектор-градиент функции Гиббса в точке х*:
ак= ^G(xk).
Из выпуклости функции G(x) следует, что множество D0 со­
держится в полупространстве рк:
VG(х1к)T(x -x k)+G(хк)-G °< 0.
Поскольку G(x k) = G°, последнее неравенство можно переписать
в виде
VG{xk)T( x - x k)<0,
VG{xh)T(x-xk- x k+xk)< 0,
VG{xh)T{ x - x k)<VG{.хк)т{хк- х к).
Обозначим
= VG (#*)т(х к—хк) .
Вдоль отрезка [ х \ х*] функция G(x) возрастает н ее производ­
ная по направлению d —хк—х к в точке х к положительна, отсюда
(ак)т(хк—х к)> 0 п
< 0. Следовательно, полупространство Рк=
= {х: (а*)г(х —хк) < ^А} не содержит вершины х* конуса С[к).
По этой причине плоскость П* = {х: (а*)т(х —х*) = $к} назы­
вается отсекающей плоскостью.
7. Найдем вектор-строку р = (рь цг. • • рп), состоящую из ко­
эффициентов разложения нормали ак отсекающей плоскости по век­
тор-строкам матрицы Л (Ю. Они определяются из уравнения
а* = рЛ(А),
(2.38)
р= акВ(к).
(2.39)
8. Если в спстеме (2.33), определяющей конус С{к), заменить
неравенства равенствами, то полученная система уравнений будет
иметь единственное решение х = х \
Посмотрим, как изменится решение данной системы, если ка­
кое-либо из уравнений с номером I: 1 < / ^ m заменить уравнением
отсекающей плоскости (сс\ х —хк)= $к.
Обозначим у = х —х* н воспользуемся равенством (2.38). Тогда
получим
(а,-, у)=0, г= 1, ..., / —1, / + 1........п,
(pifli + ... +
+ р,я,+ Щ+1П/+1+ ... + ц„пп, у)=$к
или в эквивалентно!’! форме
(®<>У) 9, i 1,
I Г^1»*•■»
(2.40)
у)=
7 Б. М. Каганович, С. П. Филиппов, Е. Г. Анциферов
97

9. Если бы щ были неположительными для всех l= m+1, ...
....
w, то неравенство (ак)Т(х —хк)> О было бы, по известной лем­
ме Фаркаша, следствием системы неравенств (я,-, х —x * ) < 0 ; а это
означало бы, что система (2.33) и ( а \ х —
несовместны,
что, в свою очередь, означало бы, что множество D0 пусто. Поэтому
существует /, тп+ 1 / < п, для которого щ > 0. Для таких / при­
ращение у решения хк, получающееся заменой l-то равенства урав­
нением отсекающей плоскости, как нетрудно видеть из (2.40), рав­
но Z-му столбцу обратной матрицы В {к\ умноженному на отрица­
тельный скаляр pA/jn,.
10. Вычислим приращение целевой функции С(х), соответстую-
щее приращению у:
АС= ст(х—хк)=С(у)= сту.
Используя (2.34), найдем АС = ХА{к)у = КА{к)В{к\
поскольку
AwB{k)= I (I — единичная матрица),
АС = X\h)/\ii • |5ft.
(2.41)
Попостроениюh>0длявсех1:m+1^ ^п,щ>0,
< 0. Поэто­
му АС^ 0.
11. Определим индекс / из условия
Рй—
^ift) о
шах
—
|5Л,
(2.42)
приращение
y>= h Bj»
(2.43)
ii запишем систему условий, определяющих новый конус С(*+1>:
(аих—(хк+у1))=0, /=1, ..., т,
(а,-, х —(хк+ у1))< 0, *= m + 1, ..., п, ЬФ1У (2.44)
(а\ х-(хк+у1))^0.
Система уравнений (2.44) имеет единственное решение
д.л+1 = хк-Ь у\
которое, по построению, принадлежит отсекающей плоскости Пк и
в силу (2.41), (2.42) доставляет максимум функции С ы иа
нусе C(fc+I>:
К' на к0'
(а„х—хЛ+1)=0, г=1, .
т,
(а\к+л\х-х^i)<0, i=т+1,..„и,
ГДе
a (ift+1) = a{h\ i=£l, a (,ft+1>= a ft.
Таким образом, переход от конуса Cik) к конусу C(*+D
в замене х* на xh+1 и строки I матрицы Д (*> 11а строку а,к
(2.45)
(2.46)
состоит

Последнее означает, что матрицы А (к+и и А (к) связаны ра­
венством
Л (*+1>= £ 'Л (А\
где Е1— так называемый мультипликатор
1
Е1=
1
О
о
\^1 •••|Л-7Ъ
Нетрудно убедиться, что
1
О
щ/р* ...
1/рг ...
—
Цп/цг
1
о
(2.47)
поэтому
В {к+1) =В<к){Е')-].
(2.48)
12. Чтобы замкнуть процедуру, пересчитаем обратную матрицу
В{к+1) по формуле (2.48) п множители ?.:
>.<*+!> = с [^(А+1)]-1 = <.£(*+1) = с В ^ (Е‘) -К
Поскольку сВ(к) —}}к\ формула для пересчета /. принимает вид
>.<*+!>=
(£')-> .
(2.49)
13. Мы разобрали случай, когда вершина хк принадлежит ба­
лансному многограннику
0для всех /.= 1, 2, ..., п). Если же
О< Ьхк= max {— xf]= — xf , то пункты алгоритма 3—5 опускаются
l«j<n
0
ивп.6а*=(0,0,...,
—
1, 0, ..., 0). Пункты 7—12 остаются без
/о
изменения.
В зависимости от бхк< 0 либо 6хк> 0 модифицируем массив
(Jn*=
Jn)-
Если bxk^0 , то в позицию т + 1 массива /Л- заносим число 0.
Это означает, что в качестве нового активного неравенства вводим
неравенство, получающееся в результате линеаризации ограничения
G(х) ^ G0. В противном случае в позицию т + I массива Jx заносит­
ся число jo (активным становится неравенство — х$ ^ 0).

Рис. 2.S. Геометрическая интерпретация
алгоритма опорного конуса.
14.
Переходим к п. 1 основ­
ного этапа.
После выхода из итерацион­
ного процесса по условию 2 либо
по условию 5 имеем приближен­
ное решение х*, которое «почти
допустимо», причем справедливо
приближенное равенство:
Ke[JN[т+ г]]+
771
с—2 hidik+
2
1^=1
m+Kia-ffl
Jjy[m+i]>o
+
n+Kia-m
•^Л’[тп+г]=о
VG(4
(2.50)
Кроме того, имеем допустимое решение х к и оценку оптимального
значения lh^ с(х*) < lh.
^ О п исан н ы й алгоритм — алгоритм опорного конуса — предложен
Проиллюстрируем сказанное рис. 2 .3 . Точка х <0) доставляет мак­
симум линейной форме С(х) на D. Она не принадлежит Z)°(G(x(0,) >
>G°). Конус G(0)— сектор с вершиной х°, ограниченный лучами 1
и 2. Конус G(1) ограничен лучами 3 и 2, конус G(2)— лучами 3 и 4.
Из рисунка видно, что последовательности точек {хЧ и {хЧ схо­
дятся к решению задачи х*.
В заключение раздела приведем простой алгоритм приближен­
ного нахождения максимума функции качества на термодинамически
допустимом множестве DT(y). Хотя и известно, что это множество
выпуклое, трудность состоит в том, что мы не можем в общем слу­
чае указать тот уровень энергии G(x), на котором достигается мак­
симум С(х) на термодинамически достижимых из у состояниях.
Для приближенного определения такого уровня предлагается
следующий прием. Найдем точку максимума х мат на D, не учитывая
ограничения G(x)^G(y). Далее из точки у проведем отрезок, со­
единяющий у и х мат, и на нем найдем минимум функции G(x).
Пусть этот минимум достигается в точке х(у) с энергией G. Заме­
няем ограничение G (х)=^ G (у) неравенством G(x)<G° = G и, при­
меняя алгоритм опорного конуса, получаем приближение к решению
задачи (2.29). Чем ближе х(у) расположена по отношению к х мат,
тем точнее будет это приближение.
Укажем ситуацию, в которой данный прием позволяет найти
точное решение задачи (2.29). Это происходит тогда, когда G(x)
при движении от у к х мат монотонно возрастает и G = G(y). В этом
случае точки х*(у), х мат и у{х*(у) найден с помощью алгоритма

опорного конуса при G° = G) образуют тропку точек, которые по­
зволяют построить термодинамически допустимую траекторию пере­
хода из у в х*(у) по рецепту леммы 1.
Задачи нахождения оптимального исходного состава
реагирующих веществ, обеспечивающего заданные требования
к выходу полезных продуктов
и к предельно допустимым выходам вредных веществ
1. Постановка задач. Задачи такого рода являются естествен­
ным обобщением задачи, рассмотренной в предыдущем разделе.
Будем предполагать, что количественный состав исходных ве­
ществ, участвующих в реакции, находится в распоряжении техно­
лога, проектирующего технологический процесс. Этот состав харак­
теризуется вектором у = (у1, ..., ys) ^ E \ Не всякий состав у ^Е *
может быть допустимым по тем или иным технологическим ограни­
чениям. Поэтому технолог может выбирать у из некоторого допусти­
мого множества У. Будем считать, что множество У описывается с
помощью системы линейных однородных неравенств, характеризую­
щих ограничения на пропорции тех пли иных веществ в исходном
составе:
5
2
(2.51)
3=1
Например, если в исходной смеси присутствуют водород (Нг) п
углеводороды (СаНр) и заранее известно, что количество водорода
(в молях) не может составлять более чем 0,4 от общего количества
углеводородов, то следует записать неравенство
i/h2^ 0 ,4 2 Усащ-
(2.52)
Мы и в дальнейшем будем использовать записи вида (2.52), снаб­
жая у нетрадиционным индексом, обозначающим вещество из ис­
ходного состава.
Кроме неравенств вида (2.52) необходимо также записать нор­
мирующее условие2
2 МУ]=1,
(2.53)
3=1
где |Xj — молярная масса /-го компонента.
Условие (2.53) означает, что весь дальнейший анализ проводит­
ся для единицы массы состава. Кроме того, величины yj должны
быть неотрицательными:
Уз>0,/=1,...,s.
(2.54)
Таким образом, множество допустимых составов имеет вид
Г=
Е*: 2
/= 1,
I
3=1

Если технолог фиксирует состав у е Y, то тем самым он определяет
систему условий материального баланса:
П
^2^ ^
^ijUj
(|/))•£] ^
•
•
•
<^
j=i
з=1
,т,
(2.56)
имеющих тот же физический смысл, что и в разд. 2.1. Этому у е У
соответствует начальное состояние
•^о(.У) (уь ••ч У«» 0, •••» 0).
Если теперь при фиксированном у —у решить задачу макси­
мизации некоторой линейной целевой функции Ь(х) = 2 сзхз на
,t=Ji
множестве, определяемом (2.56) и условием невозрастания свобод­
ной энергии:
G(x)^G(y),
(2.57)
т. е. решить задачу построения термодинамически допустимой тра­
ектории из начального состояния в состояние с максимальным зна­
чением целевой функции L(x), то получим
*^opt(y)i L(з-opt{у))= /l{у)•
(2.58)
Таким образом, максимальный выход целевых продуктов (или вред­
ных продуктов) является функцией состава у е Г, которым распо­
ряжается технолог.
Будем считать, что у технолога имеются две несовпадающие
цели. Во-первых, он стремится выбрать такой состав, при котором
максимально возможный выход вредных веществ не превосходит
заданного предельного уровня. Во-вторых, этот состав должен быть
таким, чтобы уравнение баланса и термодинамические ограничения
давали возможность получить как можно больше полезных про­
дуктов.
Эти цели можно описать формально, вводя следующие три ска­
лярные функции исходного состава:
/ р (У) = [ niax^ Lp{хЩМ (у),
(2.59)
7р(У)= Гmax Lp(ж)lIM(у),
(2.60)
IxeD(v)
J/
U(У)= Гшах Ьг(*)1\М(у),
(2.61)
L*SD(y)
J/
D(y) = {x(=En: A x = b(y), х > 0 , G(x)^G(y)), (2.62)
D{y) — множество x^D(y), термодинамически доступных из х°(у)
(мы предполагаем здесь и ниже, что все вещества пронумерованы
таким образом, что номера веществ исходного состава занимают
первые s позиций в множестве / = И, 2, ..., «}); Ьр(х)— «функция

полезности»; Lz(x) — «функция вредности»; М (у) — задаппая «весо­
вая» характеристика исходного состава. Например М (у) = 2 УН
jeJpdJg
т. е. нас интересует не абсолютная величина максимального выхо­
да тех пли иных продуктов, а отношение этого выхода к «весу» вво­
димых веществ. Разумеется, нужно так описать множество допу­
стимых составов У, чтобы M{y)^ 0 для всех y ^ Y .
Теперь можно описать желания технолога, проектирующего
процесс, на языке математического программирования.
Задача 1. Для каждого исходного состава y ^Y найти со­
стояние из D(y) с максимальным выходом вредных продуктов и
среди всех таких составов выбрать тот, для которого отношение
максимума к весу М(у) минимально. Изложенному соответствует
запись
m in fz(у).
(2.63)
VSY
Зад ача 2. Для каждого состава у ^ Y построить термодина­
мически допустимую траекторию (ТД Т), ведущую из начального
состояния, определяемого этим составом, в состояние с максималь­
ным выходом полезны х продуктов, и среди всех таких составов
выбрать тот, для которого отношение максимума к весу М(у) мак­
симально:
^
max 7р(у)-
(2.64)
VSY
Задача 3. Для каждого состава у еУ , для которого макси­
мально возможный относительный выход вредных продуктов не пре­
восходит заданной величины / 2тах, построить термодинамически до­
пустимую траекторию из состояния хо(у) в состояние с максималь­
ным выходом целевых продуктов, и среди всех таких составов вы­
брать тот, для которого этот максимум наибольший:
max /р(y)/fz(у)< fzmax.
(2.65)
v<aY
Задача 4. Для каждого состава у У, для которого можно
построить термодинамически допустимую траекторию из xq(у) в
состояние с относительным выходом полезных продуктов, не мень­
шим заданного fpmm, найти максимально возможный выход вредных
продуктов, и среди всех таких составов выбрать тот, для которого
этот максимум минимален:
fz(у)//р (у)^ /р min«
(2.66)
ysY
Заметим, что в задачах 2 —4 при вычислении оценки для выхода
полезных продуктов мы требуем фактического построения термо­
динамически допустим ы х траекторий, тогда как при вычислении
fz(y) такого требования нет. Это связано с тем, что мы не умеем
точно вычислять значение функции fz(y) н можем лишь находить
оценки fz(y)< / .
Фактически в поставленных выше задачах мы будем получать
лишь оценки для функций fz(y) и fP(y). Каждое вычисление оце­

нок для jt(y) и fp(y) требует решения ладами поиска оптимальных
состоянии на подмножестве балансного многогранника, рассмотрен­
ных и предыдущем ралделе. Таким обралом, при переходе к опти­
мальному выбору исходного состава существенно нолрастает слож­
ность ладам.
2. Большие итерации. Вычисление градиентов функции f 2(y)
и fp{y). Из-за трудоемкости вычисления функции /*(*/), при по­
следовательном переборе вариантов состава у следует выбрать та­
кой алгоритм, который не требовал бы однонарамотрнмеской опти­
мизации по у и по возможности быстро локализовал решение. Ис­
ходя ил этих соображений, мы применяем в пространстве составов
у алгоритм симплексных погружении, предложенный в [9]. Опишем
схему этого алгоритма.
Пусть требуется решить задачу выпуклого программирования
шах /о(y)/h(у)< 0, /=1, 2, ..., р.
(2.67)
Заметим, что ограничения задами заданы в виде неравенств.
Пусть a priori известно, мто решение у * задачи (2.67) принад­
лежит симплексу 5°, где
S0=|*/:У}> /=1»•••> 2 Уз<^J.
Итерационный процесс уточнения у и локализующего множества Sk
состоит в следующем.
Пусть у* е Sk, Sh— симплекс, локализующий решение на к-ы
шаге. Этот симплекс задается в виде матрицы из 5 + 1 строк: Sk=
= (ук, ...» ук+i ) T, где у ) — векторы, соответствующие вершинам симп­
лекса Sh. Находим центр Sk:
Ус= (2Pij^(«+ 1)
и
и проверяем точку у с на допустимость, вычисляя
hk= max fi (ук) = f,(yfc).
1<г<р
Строим отсекаю1цее полупространство Р: Р — {у: (а, у — У с ) ^ 0 } ,
где а = V/o(ук), если Л* ^ О, т. е. если центр допустим, и а=
= Vfi(yhc) - в противном случае. Находим «невязки отсечения» в
вершинах
сц—(a,i/i—Ус), i—1, ..., s+ 1,
min cci= ar,
1<i<s+i
= -ajar, i= 1, ..., r—1, r+ 1, ..., s+ 1,
и параметр t* ил решения одномерной ладами выпуклой миними­
зации
t*
arg min (1/((1 + (^j/)*(1 + (+/)• . . .
...
•(! + IW)-(1 + IW )' ••••(! + P.+iO))-

Строки нового симплекса Sh+l строим по правилу
yhi+1=Tji/i+(1—тОyr, i = 1,
ьф г, у?;'1 = У*,
т,=1/(1+fM*), i=1, ..s
,i^г.
Симплекс S'4"1 содержит пересечение 5*ПР, причем (в силу выпук­
лости функции /о, /<) y * e 1S,ft4'1 и объем симплекса Sh+i меньше, чем
объем симплекса Sk.
Каждый шаг перехода от симплекса Sh к симплексу Sk+l будем
называть большой итерацией. Большая итерация — это итерация в
пространстве составов у.
Допустимым множеством R v в задачах 1 и 2 будет множество
Y, в задаче 3 —множество Я„ = {уе У: fz{y)^ /*max), в задаче 4 —
множество Rv= iy е Y: fP{y)> /Ртщ}.
Поскольку для применения метода симплексных погружений
требуется, чтобы ограничения задачи были заданы в форме нера­
венств, нужно переписать условия (2.55), выражая какую-либо
переменную, например первую, через остальные н используя нор­
мирующее условие (2.53):
Ух=(l—
Проделав указанную операцию, мы приходим к задаче выбора пе­
ременных у2, уз, . . уs. При этом однородные неравенства в (2.55)
перейдут в неоднородные:
jSв$Уз< bu i=1,2, ..., г,
B(ii=a{$—
bi= —ajf/pj,i=2, ..., s.
Множество составов (г/г, г/з» • • •, у«), удовлетворяющих (2.68), обо­
значим F .
Проверка центра симплекса на допустимость
Проверка условия у —{у2, ..., ys) ^Y тривиальна. Следует
подсчитать невязки в неравенствах (2.67). Для задач 1 и 2 про­
верка допустимости на этом заканчивается. Д л я задачи 3 требуется
дополнительно проверить условие
( max
\x<=D(y)
Lz(х)^|М (у)</г ш ах
и для задачи 4 — условие
( max Lp(s)\ /М (у)> /рmin.
'xsD(y)
'!
В обоих случаях для нахождения числителя требуется решить ы-
дачу выпуклого программирования, аналогичную (2.26). Вту ы
дачу будем решать методом опорного конуса и после решения

используем полученные приближения к двойственным переменным.
Пусть я*0Р1 = arg‘ max fz(y) либо xovt = arg max fp(y). В решении xovt
хеЩу)
xe=D(v)
мы имеем также список активных ограничений, формирующих вер­
шину конуса xopt 11 соответствующий им набор двойственных пе­
ременных Ль . . Лп.
Просуммируем Хи соответствующие тем активным ограничени­
ям, которые получены в результате линеаризации ограничения
G(x)<G(y):
Xq=
2
Обозначим также через Л(я,) множители, соответствующие уравне­
ниям баланса
71
2 ацХ]=h(у).
з-1
Тогда для приращения максимума Lp(x) (Lz(x)) можно записать
равенство
т
A[max Lp(#)] = 2 ^(ai)Abi(у) + XgAG(у).
7=1
Но bt= 2 ацУь поэтому Abz= 2 а«Д^»д с (У)в vTG{y)Ay, и прп-
3=1
3
ращение максимума можно представить в виде
A fmaxLp (ж)]
5
20= 1
Г 771
2 Л(ai) dij -f- (V TG(y))j
Следовательно,
V [max Lp(у)]= XT(a)Aj + XG(VTG(y)),,
где Aj — / -й столбец матрицы балансов я<„ / = 1, ..., s. Аналогич­
ную формулу можно записать для функции /г(у):
V [m a xL z(i/)] = XT(fl)Aj+ Xc(VTG(i/)b.
Конечно, множители Л в этой формуле будут другими.
Таким образом, решение внутренней задачи максимума (2.29)
методом опорпого конуса позволяет вычислить градпепты функции-
максимумов.
Градиенты функций fP(y) и fz(y) вычисляются далее очевид­
ным образом:
dfp (у) _
_
[maxLp(x)]
шахLp(х)дМ до
ду}
М (у)
{М(у)\-
1
dfz(У)
A [max M*)J max Ьг (х) дМ (у)
дУ3
М(у)
1М(у)}2 ду$

В соответствии с принятой схемой прогнозирования (разд. 1.1)
MOTVC служат для оценки на основе найденных с помощью МОП Г
физико-химических характеристик отдельных процессов технико-
экономических и экологических показателей технологической уста­
новки в целом. Предполагается, что при использовании МОТ УС
модели процессов используются в качестве составных блоков (про­
цедур). Выходы МОПР (удельные производительности, расходы
сырья и энергии, КПД) являются и схо дн ой информацией для вы­
числения значений таких величин, как эксплуатационные издержки
(И), капиталовложения (К) и приведенные затраты (3) по агре­
гатам и всей установке. Для оценки К и 3 обычно возникает не­
обходимость в предварительном определении массогабаритных ха­
рактеристик оборудования.
К настоящему времени авторами разработано несколько моде­
лей технологических установок, в частности рассматриваемых в на­
стоящей книге каталитических генераторов теплоты (КГТ) н кос­
венного ожпженпя угля. В данном разделе обсуждаются проблемы
создания универсальной модели, пригодной для использования при
прогнозировании широкого спектра эпергохимическпх производств
и кратко излагаются с иллюстрацией возможностей таких моделей
особенности МОТУС КГТ.
Проблемы создания универсальной модели
технологической установки
Рассмотрим особенности математического описания энергохи-
мпческнх установок на простейшем примере. На рис. 2 .4 представ­
лены идеализированная избыточная схема комбинированного про­
изводства нз угля жидких углеводородов и электроэнергии путем
последовательных газификации и синтеза (а) и ее отображение
в виде графа (б). Схема разделена на две части. Одна, включаю­
щая ветви 12—13—3, 0—1—2 —3 и 3—4 —5 —6, изображает техно­
логическую цепочку производства из угля ШКТ (обозначим ее И ).
Другая: 7—8 —9 —10—11—7 описывает установку для производства
электроэнергии (контур Е). Эти части связаны м еж ду собой теп-
лообменнымп аппаратами: 4—9, 6—8, 11—12 н 1— 11. Конечно,
в отношении выбора основных элементов оборудования представ­
ленная схема является весьма уязвимой для критики. Но в данном
случае ее назначение заключается не в обосновании оптимальной
структуры энергохимического производства, а лишь в иллюстрации
особенностей построения его математической модели. Ставится за ­
дача выбора оптимальной схемы (узлов теплообмена нз числа
приведенных на рис. 2 .4) параметров (температур и давлений)
в узлах и исходного состава реагентов при заданных ограничениях
на производство ШКТ (л'сн.,) и электроэнергии (Э). В качестве
минимизируемой целевой функции выбраны суммарные приведен­
ие

а
б
Рис. 2.4. Идеализированная схема эиоргохпмическон установки (я) и ее ото­
бражение в виде графа (б).
I — уголь; II — кислород; III — в о д а ; -------------- электроэнергия.
ные затраты
3=/(.г,Т,Р, г, Q,Э)= 1 3,(Xj,ТиPi,Ft,Qi,Э,), (2.69)
где х, Т, Р, F, Q и Э — векторы соответственно мольных содержаний
веществ, температур, давлений, поверхностей нагрева, потоков теп­
ловой н электрической энергий в узл ах схемы; i — номер узла;
3, — затраты на элемент установки, обозначаемый i-м узлом.
Система ограничений включает линейные материальные и энер­
гетические балансы в узлах. При этом первые записываются толь­
ко для схемы производства ИЖТ ( W), поскольку предполагается,
что в контуре производства электроэнергии (Е) циркулирует одно
рабочее тело постоянной массы. В матричной форме уравнение
материальных балансов имеет вид
Az=В,
(2.70)
где А — блочная матрица, содержащая пг матриц А соединений
линейно независимых узлов и участков схемы W:
А
А=
;
А
пг — число элементов, из которых состоят реагирующие в системе
вещества; А — матрица с размерами (71Г— l)X7vr; Iw и Гг — числа
соответственно узлов и участков в схеме IK;
z= (z\, ..., z}.
...,
Zj , . . ., Zj ) — вектор потоков элементов на участках; /У= (0j, ....
b}-j, . . . , bTM, . . . , bjLj) — вектор внешних притоков (стоков) эле­
ментов в узлах схемы. Из приведенных обозначений ясно, что урав­
нение (2.70) можно представить в виде матричных уравнений мате­
риальных балансов по узлам схемы для каждого из m элементов.
Уравнения энергетических балансов для узлов имеют вид
2<?j+23j=0,
(2.71)
з
з

где Qj и Э> — потоки тепловой и электрической энергий на участках,
смежных с t-м узлом; знак «+ » можно выбрать для притекающих
и знак «—» для отходящих от узла потоков.
Для узлов разделения потоков с отсутствием каких-либо дру­
гих физико-химических процессов балансные соотношения (2.70),
(2.71) являются единственными ограничениями. Па приведенной
схеме к таковым условно отнесен только узел 5, отображающий
устройство для очистки продуктов газификации от балластных ком­
понентов. Игнорирование энергетическими и химическими превра­
щениями в этих устройствах вызвано желанием предельного упро­
щения формализованной постановки задачи при сохранении ее ос­
новных особенностей.
Замыкающие соотношения других узлов, в зависимости от их
назначения, имеют различный вид.
Узлы, отображающие теплообмеппые аппараты: (7, 2, 4, 8 , 9,
11, 12). К указанному множеству отнесен и узел 13 — котлоагрегат.
Это означает, что топочные процессы не моделируются, а просто
варьируется количество производимой теплоты Q\z. Соответствую­
щие ограничения включают уравнение теплового баланса
2*М т1 Pd-ZxihiiT'i, /'!)-<?,-о,
(2.72)
I
содержащее в отличие от (2.71) переменные х и h; уравнение теп­
лопередачи (или теплоотдачи, если теплообмен определяется пере­
носом теплоты только с одной из сторон поверхности нагрева)
к(Т", Г , Xi)FtkTi—Qi= 0, Ft> 0.
(2.73)
я термодинамические ограничения, которые записываются для слу­
чая. когда в процессе теплообмена возможно образование конден­
сированных фаз. При увеличении детальности описания н точности
вычисления коэффициентов а, к и к появляется необходимость
во включении в систему ограничений уравнений гидродинамики.
В (2.72) и (2.73) hi н Pt — соответственно энтальпия и пар­
циальное давление l-то энергоносителя; к — коэффициент теплопе­
редачи; АТ — температурный напор, определяемый по одной из из­
вестных формул в зависимости от направлений потоков энергоно­
сителей относительно друг друга; верхние индексы «'» и «"» отно­
сятся к состояниям вещества соответственно на входе н выходе нз
теплообменного аппарата.
Химические реакторы. Д л я рассматриваемой установки они
отображаются узлами 3 (газогенератор) и 6 (реактор синтеза).
Основными в блоке являются термодинамические ограничения, ко­
торые описываются с помощью одной из приведенных в предыду­
щем разделе моделей. Кроме того, записываются уравнения отвода
теплоты в окружающую среду или к расположенным в реакторе
поверхностям нагрева
c,F,(Т*-П)+а,(х,Г,)1\(Г-Г„) - <?i=0
(2.74)

п энергетического баланса
Н\- н\-AHi-Qi=0,
(2.75)
где с — коэффициент; / / п А П — соответственно суммарная энталь­
пия реагентов и изменение этой энтальпии в ходе реакции; индекс
«п» относится к расположенной в реакторе поверхности нагрева.
Энергогенерирующее оборудование. На гр аф е узл ом 10 моде­
лируется энергоблок, включающий паровую турбину и электроге­
нератор. Д ля узла записывается уравнение энергетического баланса
«?;- Q"i)4i(Г- Т", Р’-
Р")-Э,=О,
(2.76)
Э,< Э,< Э„
(2.77)
где а — коэффициент; индексы «'» и «"» в данном случае отно­
сятся к тепловому потоку соответственно на входе и выходе из па­
ровой турбины.
Нагреватели (О — кислородный компрессор, 7 — водяной на­
сос). Уравнение энергетического баланса для них можно предста­
вить в виде
Э,-а,(Р", Р>,гр = 0.
(2.78)
Ограничения на вход материальных потоков в систему вклю­
чают уравнение нормировки к одному килограмму рабочей смеси
2ц,.г,=1
(2.79)
I
и однородные неравенства, определяющие допустимые соотношения
между исходными компонентами:
cct2xi
2хи
(2-80)
1
1^2?
где а и ctj — коэффициенты; SB — множество индексов компонен-
тов. В нашем примере с помощью (2.80) определяются возможно­
сти варьирования соотношений м ежду числами молей, вводимых
в систему угля, воды и кислорода.
Ограничения на выходы материальных потоков из системы
(целевые продукты) содержат неравенство
2 CiXi^c,
(2.81)
где
—
множество индексов компонентов, входящих в целевую
функцию; с — задаваемая в исходной информации константа. Кроме
того, записываются неравенства вида (2.80), с помощью которых
задаются желаемые соотношения м еж ду получаемыми углево­
дородами.
Выражения, связывающие затраты по отдельным узлам с соот­
ветствующими параметрами и расходами вещества и энергии. Для
простоты изложения здесь не рассматриваются соотношения для
определения капиталовложений и эксплуатационных расходов,
а также полная цепочка зависимостей
3, = /(Р1(1)-Р к , = /(Рф.,,),

где Р к и Рф.х — соответственно конструкционные и физико-химиче­
ские параметры отдельных элементов технологической установки.
Для отдельных узлов схем рис. 2 .4 функции 3i = /(P„f) могут
быть представлены в следующем виде:
Выбор конкретного вычислительного алгоритма для решения
описанной задачи (2.69) — (2.86), очевидно, обусловливается видом
целевой функции (2.82) — (2.86) и характером ограничении.
Графики 3, определяются численными значениями показателя
степени а. В большинстве случаев 0 ^ а < 1 , т. е. функции затрат
являются вогнутыми или линейными. Значения а для различных
технологий, полученные путем статистической обработки проектных
материалов, приведены в разд. 2 .3 . Теоретическое обоснование вида
кривой приведенных затрат применительно к трубопроводным си­
стемам сделал В. Я . Хасилев [149], идеи которого уж е использо­
вались в данной работе для оценки предельных показателей тран­
спорта энергоносителей (см. разд. 1.4).
Значения а, исходя из основных уравнений протекающих в
агрегатах физико-химических процессов и связи параметров этих
процессов с конструкционными, можно найти и для теплогенера­
торов, химических реакторов, теплообменных аппаратов, турбин и
нагнетателей, электрогенераторов и других элементов энергохими­
ческих установок. Например, вогнутый характер функции 3 = f{Q)
котельных агрегатов виден из того, что затраты в строительные
конструкции примерно пропорциональны наруж ной поверхности
топочного пространства и растут м едленнее производительности Q,
пропорциональной объему этого пространства, а затраты в поверх­
ности нагрева связаны с производительностью (или расходом воды
через водогрейные котлы) зависимостью, близкой к линейной (см.
анализ ситуации п = var в разд. 1.4). Имея представление о доли
поверхностей нагрева в общей стоимости котлоагрегата, можно оце­
нить и близость а к единице.
Для паровых и газовых турбин производительность определя­
ется поперечным сечением сопел и межлопаточных каналов, рост
ж е затрат в значительной мере зависит от линейных размеров (вы­
соты лопаток) и замедляется с сопутствующим повышению мощно­
сти увеличением температуры и давления *. Детальное, основанное
на физико-экономическом анализе, исследование связи стоимостных
* Предполагается, конечно, что эти параметры повышаются до тех пор,
пока они способствуют снижению затрат на единицу мощности.
(2.82)
)Fu (2.83)
(2.84)
(2.85)
(2.86)

характеристик оборудования с его производительностью авторы
предполагают сделать в дальнейшем.
В системе ограничений сильная нелинейность характерна для
значительной части уравнений. Так, в уравнения тепловых балан­
сов (2.72) — (2.75) входят произведения двух переменных xh(T,P),
а в уравнения теплопередачи — трех kFAT. Вид термодинамических
ограничений уже обсуждался в разд. 2 .1 .
Наряду с нелинейностью существенно усложняет решение рас­
сматриваемой задачи большая размериость. Так, при полном сов­
падении схем (графов) химической и гидравлической цепей число
уравнений материальных балансов для первой оказывается в тп раз
больше.
Отмеченные трудности, видимо, не позволяют надеяться на
создание алгоритмов, реализующ их МОТУС, которые гарантировали
бы нахождение глобального экстремума целевой функции. Дости­
гаемой задачей является улучшение начального решения, принятого
квалифицированным специалистом. Предполагается возможным ис­
пользование процедур блочного линейного программирования. Для
этого потребуется установление, исходя из уравнений (2.71) —
(2.78), линейных зависимостей м ежду приращениями х, Р, Т и G
в узлах схемы.
Модель каталитического теплогенератора
С точки зрения задач, рассмотренных выше, МОТУС КГТ яв­
ляется частной моделью, применимой лишь к отдельным, обладаю*
щим специфическими свойствами, установкам (помимо каталити­
ческих теплогенераторов с ее помощью могут исследоваться уст­
ройства для сжигания топлива в инертном кипящем слое). В от­
личие от графа, приведенного на рис. 2 .4, эта модель одноузловая
и в ней не предусмотрены обращения к блокам расчета конечных
или промежуточных термодинамических равновесий. Последнее
объясняется тем, что сжигание в КГТ определяется стехиометри­
ческими соотношениями.
Однако пример моделирования каталитических генераторов теп­
лоты позволяет проиллюстрировать во многом сходный для различ­
ных разрабатываемых модификаций МОТУС алгоритм перехода от
физико-химических параметров к конструкционным и затем к эко­
номическим (см. рис. 1.3). Кроме того, с его помощью авторы по­
пытались показать возможности идеализации реальных зависимо­
стей при построении прогнозных математических моделей.
Технология каталитического сж игания топлива является одним
из средств, с которыми можно связывать реш ение проблемы созда­
ния надеж ны х экономичных и экологически чистых теплогенерато­
ров для работы на низкокачественных углях и вторичных горючих
энергоресурсах. Каталитические генераторы теплоты, идея которых
была выдвинута и реализована на экспериментальных установках
в Институте катализа СО Л]Г СССР, представляют собой топочные
устройства с кипящим слоем (КО) катализатора f2l, 22. 125. 117].

а
б
Рис. 2.5. Схема КГТ с неизотермнче-
скпм КС (а) и графики температур
для нее (б).
1 — зоны кипящего слоя; 2 — насадки;
3 — уголь; 4 — воздух; 5 — нагреваемый
теплоноситель; 6 — дымовые газы; 7 —
реальный температурный график грею­
щего
теплоносителя; 8 — идеальный
(т. е. при бесконечном количестве наса­
док) температурный график греющего
теплоносителя.
Высокие скорость н полнота реакций каталитического горения по­
зволяют сделать КС неизотермическим. Схема КГТ с таким слоем
приведена на рис. 2 .5, а. С помощью насадок КС разделен по вер­
тикали на ряд зон. Использование принципа неизотермпчно-
сти дает возможность непосредственно в кипящем слое отво­
дить большую часть теплоты сгорания топлива, чем с помощью
инертного КС.
Исходными для прогнозирования общих технико-экономических
характеристик КГТ — КПД ц, удельного расхода топлива b и при­
веденных затрат 3 — были выбраны следующие физико-технические
показатели: теплонапряжение в зоне горения q; расход катализа­
тора GK; температура t горения и на выходе из КС; относительный
унос топлива qy; коэффициенты теплоотдачи ai к поверхности на­
грева в слое и потоке газов; гидравлическое сопротивление S.
В качестве основного конструкционного параметра, определяющего
приведенные затраты, выбрана суммарная поверхность нагрева теп­
логенератора.
Таким образом, алгоритм прогнозирования технико-экономиче­
ских характеристик, приведенный на рис. 1.3, для данной техноло­
гии конкретизировался в виде
Задача определения ц, Ъ и 3 при варьировании исходных по­
казателей может быть сведена к выбору общей площади поверх­
ности нагрева и ее распределению но высоте генератора Л, включая
зоны неизотермпческого КС и ноток отходящих газов, т. е. к на­
хождению функции F(h), обеспечивающей минимум 3. Такая функ­
ция однозначно определяет »l = il[/r(^)] и b= b[F(h)], так как ха­
рактер функциональных зависимостей известен.

Для обоснования типа используемой математической модели
проанализируем поставленную задачу, сформулировав ее сначала
в терминах вариационного исчисления. С этой целью сделаем сле­
дующие упрощающие предпосылки: число зон в КС бесконечно
большое * и в нем осуществляется весь полезный теплосъем: тем­
пературы греющего (t) и нагреваемого (т) теплоносителей явля­
ются непрерывными и гладкими функциями h; температуры на
нижней (точка «О») и верхней (точка «В») отметках КС (t0, tD,
то, тв на рис. 2.5,6), теплопроизводительность генератора и его
общая высота hBзаданы. При этих условиях нужно найти минимум
функционала
о
3[т(/*)]= a j ^[т(/г); т' (h); h]dh,
(2.87)
hB
где а— коэффициент.
Рассмотрим сначала случай, когда имеются только два тепло­
носителя: греющий и нагреваемый (см. рис. 2.5). Для раскрытия
вида подынтегрального выражения представим бесконечно малое
приращение поверхности нагрева по высоте КГТ формулой
dF = Wudj/(k • 6) = (WHj'/(k - 6 ))dh,
(2.88)
где W a— водяной эквивалент (произведение массового расхода на
теплоемкость)
нагреваемого теплоносителя; б — температурный
напор.
Так как k=k(ai) и ai= ai(£), то и k=k(t).В свою очередь,
t легко представляется в виде функции т:
CW
(W\
W
t= Тв+ &в+ Jррг
ТВ+Ьв4-цг Т’ (2.89)
хв
где WT— водяной эквивалент греющего теплоносителя. Темпера­
турный напор на бесконечно малом отрезке dh равен
6=I—т
—
W Тв+&в+
1Т.
(2.90)
Учитывая (2.88) и (2.90), найдем:
dF к(т)б(т)dh=
(2.91)
* Для КГТ по сравнению с традиционными теплогенераторами условием
достижения максимального г|, наряду с бесконечно большой поверхностью на­
грева, является и бесконечно большое число зон (при передаче теплоты на­
греваемым теплоносителям только в слое). Это положение легко доказывается,
если предположить, что в последней по ходу продуктов сгорания зоне КГТ
вследствие совпадения температур греющего и нагреваемого теплоносителей
имеют место бесконечно малые температурный напор и теплосъем. При пере­
ходе от последней и-й зоны к (п — 1)-й, от нее к (п — 2)-й и т. д. обнаружи­
вается, что и там передаются бесконечно малые теплоты. Конечное значение
сумма бесконечно малых принимает, как известно, только при бесконечном
число ее членов, т. е. в данном случае числе ступеней кипящего слоя.

(2.92)
dh.
Прп данном виде подынтегральной функции уравнение Эйлера —
Лагранжа
dF
dx
(2.93)
превращается в тождество
_
1 д/(т)dx
1 df(т) dx
q
f(т)2 dx dh j(T)2 dx dh
(2.94)
Тождества выполняются п для выражающих достаточные усло­
вия минимума уравнении Якоби и Лежандра [67].
Выявленная математическая особенность рассмотренной задачи
свидетельствует о независимости суммарной площади нагрева, а сл е­
довательно, и приведенных затрат от распределения температур по
высоте слоя. т. е. от вида функций t = t(h) и x = x(h). Понятно,
что это положение является следствием идеализации постановки
задачи. В действительности ж е для случаев, когда большая часть
разности температур одного из энергоносителей приходится на
относительно небольшой отрезок оси h (пунктирная кривая на
рпс. 2 .5, б ), к п б должны аппроксимироваться негладкими функ­
циями с разрывами производных в угловых точках (например,
в точке «я») и постановка задачи вариационного исчисления д е­
лается некорректной.
Графикам температур прп двух — трех зонах в КС могут соот­
ветствовать значения функционала, намного превосходящие опти­
мальные. Вместе с тем из приведенного анализа можно сделать за­
ключение о значительной пологости функции затрат вблизи точки
оптимума, где мало сказывается фактор дискретности. Это было
подтверждено экспериментальными расчетами для КГТ с числом
зон, равным и большим трех. В наибольшей мере отмеченная за ­
кономерность справедлива при оптимизации каталитических тепло­
генераторов водогрейных и паровых котельных без воздухоподогре­
вателей, т. е. для установок с двумя теплоносителями, схемы кото­
рых соответствуют рассмотренной постановке задачи.
Изменение математического характера задачи при переходе
к нескольким нагреваемым теплоносителям рассмотрим на примере,
когда их число равно двум. Здесь приращение поверхности нагрева
на бесконечно малом отрезке dh и тепловой баланс для dF описы­
ваются уравнениями
dF= dFl+ dF2,
(2.95)
Wrdt = Wxdxx+ \V2dx2.
(2.96)
где индексы «1» и «2» относятся соответственно к первому и вто­
рому нагреваемым теплоносителям.

Используя (2.95) и (2.96), можно найти выражение для мини­
мизируемого функционала
о
,
,
3[Т,(A),Т,(А)]- a J
+ 7Д^7))dh■ (2-07)
Уравнение Эйлера — Лагранжа, соответствующее оптимально­
му графику Ti = т 1 (/г), принимает вид
1 8fi(V T2)dTl
1
____
Мт.'т*)г
MVT2)2 ^
+_^
_____
в'г (V
dT.
о
т■■
■>
йт
*МТ,-т2)dx2:
--------------- м +
MVтг)'
dh
(2.98)
Аналогичное выражение получается для экстремали тг = Т2(Л).
Из (2.98) следует, что
1____
Ts) rfT» 0
т\2
<?Т
d/i
М Т1'Т*)
(2.99)
Но уравнение (2.99) не имеет решения. Действительно, 1//г
не может равняться нулю, так как fc п 6 могут принимать только
конечные положительные значения: /•>(тх) и т2(h) хотя бы в не­
которых точках отрезка ОВ должны одновременно иметь ненулевые
значения в связи с монотонно неубывающим характером т (h). Вид
функции /2 раскрывается из анализа входящих в нее к = к(т) и
6 = 6(т). О характере 6(т) можно судить по (2.90). Зависимость
k = f(<х\) от температуры обнаруживается с помощью уравнения,
достаточно точно аппроксимирующего функцию ai = ai(f):
oci = clq+ a.\t+ «2^2,
(2.100)
где ao, ai н «2 — коэффициенты.
Отсутствие решений уравнений Эйлера — Лагранжа, видимо,
можно объяснить тем, что точка формального оптимума функцио­
нала (2.97) лежит вне области допустимых траекторий ti и тг- Так,
минимум поверхности нагрева первого теплоносителя может быть
достигнут, когда охлаждается второй, т. е. когда тгв > т20. Между
тем при выводе (2.97) предполагалось, что Тгв < Т20.
Из анализа математических особенностей рассмотренной опти­
мизационной задачи следует, что, несмотря па предельную идеали­
зацию постановки, ее решение на основе аналитических методов
вариационного исчисления оказывается практически невозможным.
В то же время уяснение характера оптимальных решений позво­
ляет обоснованно упростить используемую модель. Хотя доказатель­
ство пологости экономического функционала было получено только
для случая с одним нагреваемым теплоносителем, ясно, что, по­
скольку при двух нагреваемых телах суммарная поверхность нагре­
ва будет распределяться между ними но высоте КГТ неравномерно,

дет приближенно выполняться.
Исходя нз этого, для построения модели КГТ был выбран чис­
ленный метод дискретного динамического программирования [14, 31].
Удобство применения метода в данном случае объясняется тем, что
процесс оптимизации естественно разбивается на отдельные шаги —
зоны КС и потока газов, и функционал (приведенные затраты)
аддитивен. Рекуррентные соотношения в данном случае записыва­
ются в виде
3j= min (3,+i + 3,,J+i),
3^—i min (3, -f" 3j—i,j),
( 2. 101)
где 3j — условно-оптимальные затраты на /-м шаге оптимизации;
3,tj+i — дополнительные затраты на /-м шаге при условно-опти­
мальных на (/' + 1) -м.
Графическая иллюстрация алгоритма построения оптимальных
температурных графиков неизотермического КГТ с одним нагревае­
мым теплоносителем приведена на рис. 2 .6. Процесс оптимизации
осуществляется от конечного состояния к начальному, т. е. от
верхней зоны КГТ, определяющей температуру уходящ их газов,
к нижней — зоне горения топлива. Номера шагов вычислительной
процедуры (шаг соответствует одной зоне) убывают в том же на­
правлении. В качестве управляющей переменной на каждом шаге
выступает разность температур греющего теплоносителя меж ду
(/—1)-й и /-й зонами — ATrj. При нескольких нагреваемых тепло­
носителях размерность фазового пространства и число управляющих
переменных увеличиваются. Так, для КГТ ТЭС, в которых необ­
ходимо нагревать воду и воздух, управление ведется сразу по двум
переменным: ЛГг, и АГВ;(ДГВ;)— подогрев воздуха в /-й зоне). Фа­
зовыми переменными в этом двумерном случае являются темпера­
туры греющего теплоносителя Trj п воздуха TBj на выходе нз /-й
зоны (при расчете затрат на участке траектории от /-го узла до
конечного). С учетом свойства пологости функционала число рас­
сматриваемых на каждом шаге дискретных значений фазовой пе­
ременной может быть принято относительно небольшим (восемь —
десять).
Число конкурирующих вариантов температурных графиков для
просмотренного отрезка теплогенератора, остающихся после каждо­
го шага оптимизации, не превышает sTjXsBj, где srj н sBj— числа
возможных значений фазовых переменных. При условии, что зна­
чения sFj и stii па всех шагах одинаковы и равны sr и sB, общее

число рассчитываемых вариантов определится как N ■sr• sB, где
д' — число зон в КГТ. Если бы заведомо неоптимальные темпера­
турные графики не отбрасывались, т. е. проводилось прямое сопо­
ставление всех теоретически возможных их конфигураций, то при­
шлось бы сравнивать (sr ■sB)N вариантов. При исследовании на
каждом шаге десяти значений Гг(ДГг= 100 К) и пяти значений
7 в(Д7,в= ЮО К) для пятизонного КГТ число возможных вариантов
составит 505(3,125 • 108), тогда как методом динамического програм­
мирования для данных условий будет сопоставляться всего 250 кон­
курирующих графиков. Отсюда видна вычислительная эффектив­
ность используемого алгоритма.
Особенностью применения динамического программирования
в нашем случае явилось то, что с его помощью оказалось возмож­
ным одновременно с решением задачи выбора оптимальных темпе­
ратурных графиков автоматически находить п оптимальные схемы
(число насадок в КС) неизотермнческнх КГТ. Действительно, при
задании в составе исходной информации заведомо избыточного чис­
ла зон программа для ряда из них выберет нулевые значения ДГгз.
Подлинное количество ступеней изменения температуры в теплоге­
нераторе определится числом зон, для которых величина ATrj ока­
жется неравной нулю.
Кроме того, метод динамического программирования примени­
тельно к рассматриваемой задаче обнаруживает следующие досто­
инства вычислительного эксперимента: полный учет индивидуаль­
ных особенностей отдельных зон КГТ (характера зависимостей
площади поверхности нагрева, гидравлического сопротивления, при­
роста затрат от выбора управления); учет дискретности целевой
функции (приведенных затрат) и ограничений; нахождение гло­
бального оптимума при многоэкстремалыюм характере задачи; ав­
томатическое получение в результате вычислений нескольких ло­
кально-оптимальных вариантов, что полезно при анализе получен­
ных решений с учетом неформализованных ограничений различного
типа (эксплуатационных, экологических и др.).
Метод динамического программирования для оптимизации КГТ
был реализован в четырех модификациях программ, относящихся
к теплогенераторам водогрейных котельных, ТЭС без промежуточ­
ного перегрева пара, ТЭС с промежуточным перегревом п к ппро-
лизерам (установкам, в которых получается облагороженное топ­
ливо). Использование этих программ обсуждается в гл. 3.
2.3. МОДЕЛИ СТРУКТУРЫ ТЕХНОЛОГИИ
Системные модели технологий предназначаются, как уж е ука­
зывалось выше, для выявления возможностей и условий эффектив­
ного применения сопоставляемых процессов, уяснения механизма
конкуренции между ними. С помощью МОСТ оцениваются шансы
на включение изучаемой технологии в будущую технологическую
структуру. Только с использованием этих моделей можно получить

представление о предельных показателях эффективности комбини­
рованных производств (см. разд. 1.6).
К настоящему времени авторами разработаны две модификации
МОСТ: перспективной технологической структуры использования
каыско-ачннскнх углей (КАУ) в энергетике СССР и структуры ин­
тегрированных энергетических систем (ИЭС) в зоне канско-ачинско-
го топливно-энергетического комплекса (КАТЭКа). По назначению
эти модификации близки друг другу, поскольку создание ПЭС как
раз предполагает решение многочисленных проблем, связанных
с крупномасштабным использованием в топливном балансе низко­
качественных топлив. Поэтому вторую модификацию можно рас­
сматривать как некоторое развитие первой. Исследование одной и
той же проблемы с помощью двух моделей предположительно долж­
но способствовать как выявлению их достоинств и недостатков, так
п увеличению полноты прогнозного анализа.
В соответствии с целями и особенностями долгосрочного про­
гнозирования обе модели выполнены в оптимизационной линейной
п статической форме.
Достоинство оптимизационной постановки задачи в данном слу­
чае заключается в том, что с ее помощью можно наиболее ясно
понять влияние на эффективность технологий различных факторов
п дать принципиальное объяснение выявляемых зависимостей.
Практически ж е реализуемость оптимизационного подхода при дол­
госрочном прогнозировании обеспечивается допустимостью агрегиро­
вания и упрощения математического описания.
В качестве критерия оптимальности выбран минимум приве­
денных затрат по системе технологий. Возможности использования
нестоимостных критериев уж е обсуждались в гл. 1.
Основной недостаток выбранной целевой функции — н адеж ­
ность или полное отсутствие прогнозов на длительную перспективу
входящих в нее экономических характеристик — предполагается
преодолеть следующими способами:
переходом от абсолютных к относительным значениям стои­
мостных показателей, которые существенно устойчивее;
варьированием в достаточно широких диапазонах соотношений
между экономическими характеристиками важнейших исследуемых
объектов.
Для выявления возможности представления задачи в линейной
форме был проведен статический анализ зависимостей экономи­
ческих характеристик (капиталовложений и эксплуатационных из­
держек) основных классов технологий от объемов производства
(транспорта) продукции. Искомые зависимости записаны в виде
функции
у = кха+Ь,
(2.102)
где к и Ь— постоянные. Оценки показателя степени а на основе
обработки проектных материалов приведены в табл. 2 .1 .
Из анализа табличных данных можно сделать вывод, что а
изменяется при увеличении х. Для всех вновь вводимых техноло-

Таблица 2.1. Ориентировочные значения коэффициента а для различных
технологий
Технология
Объемы
производства
Коэффи
Капитало­
вложения
циент а
Эксплуатацион­
ные издержки
1. Производство электроэнер-
1,5
0,69
0,71
run на НЭС, топливо—НАУ,
5—20
0,75
0,85
млн МВт-ч/год
20-40
0,85
0,90
2. Производство электроэнер-
1,5 -15
0,70
0,75
гии на АЭС, млн МВтч/год
15-40
0,85
0,90
3. Производство ПЖТ (мето-
1-М0
0,70
0,85
дом гидрогенизации), млн
т год
4. Трубопроводный транспорт
0,8 -9
0,39
0,43
нефти, млн т/ год
9—20
0.46
0,61
20—90
0,55
0,79
5. Трубопроводный транспорт
1-15
0,32
0,75
природного
газа
млрд
15-30
0,36
0,83
м3/год
6. ЛЭП переменного тока,
0,02-0 ,13 *
0,17
0,14
млн МВт ч/год
0,04—0,26 **
0,27
0,23
0,25-1,0 *
0,43
0,58
1,04-5,00 *
0,60
0,71
7. Железнодорожный
транс­
порт, млн т/год
А. Новое строительство
а) однопутная дорога
3—30
0,19
0,73
б) двухпутная дорога
3-100
0,24
0.76
Б . Расширение действующей
а) однопутная дорога
3-30
1,2
1,03
б) двухпутная дорога
3-100
1,3
1,05
* — одна цепь; **— две цепи,
гий в области небольших значений х исследованные зависимости
являются вогнутыми функциями ( 0 < а < 1 ). С ростом х показа­
тель степени а приближается к единице и функции становятся
линейными. При дальнейшем возрастании аргумента зависимости
делаются выпуклыми (а > 1). Вид функций показан на рис. 2.7.
В предыдущих разделах уж е рассматривались случаи, когда у
имеет выпуклый характер. Здесь ж е отметим, что выпуклость у
(иллюстрируемая в табл. 2.1 показателями железнодорожного тран­
спорта) должна иметь место, когда в результате наращивания про­
изводства мы выходим на какие-то ограничения (по потреблению
дефицитных конструкционных материалов, возможностям смежных
отраслей и т. д.).
Исходя из близости а к единице, при достаточно больших мас­
штабах развития технологий формализованная постановка пробле­
мы была сведена к известной задаче линейного программирования.
Это, в свою очередь, дало возможность использовать при проведе­
нии исследований имеющиеся стандартные программы с развитыми
сервисными блоками: анализа чувствительности реш ений, автома-

Рис. 2.7. Зависимость экономических харак- у
теристик технологии у от объемов производ­
ства х.
тнческого получения оптимальных цеп
(объективно обусловленных оценок)
энергоносителей н др. В то же время
проведенное исследование зависимости
ос = /(-г) показало, что при практиче­
ском использовании излагаемых моделей надо внимательно анали­
зировать возможности возникновения сильной нелинейности и при
необходимости осуществлять их корректную аппроксимацию.
Статическая постановка проблемы тоже вызвана стремлением
к упрощению математического описания. Однако этим, конечно, не
отрицается необходимость качественного анализа влияния динамики
развития изучаемой структуры технологий на ее перспективную
эффективность. Со временем меняются потребности в конечных
продуктах, технико-экономические показатели процессов, экологи­
ческие и прочие ограничения, становятся готовыми к промышлен­
ному внедрению новые технологии, подвергаются ф изическому и
моральному износу и требуют замены ранее введенные объекты.
В будущем в связи с ускорением научно-технического прогресса
можно ожидать усиления процесса морального старения. Его ре­
зультатом будет сокращение сроков службы и увеличение темпов
замены техники по всей цепочке «добыча — преобразование — тран­
спорт — конечное потребление».
Непосредственное включение в прогнозные модели уравнений,
описывающих динамику систем, представляется весьма заманчивым.
Но при этом может быть получен результат, противоположный
желаемому. Многократное увеличение размерности задачи и коли­
чества показателей, значения которых надо предугадывать для пе­
риода в несколько десятилетий, должно привести к потере нагляд­
ности и математической корректности оптимизационной модели и
возможности осмысления получаемых с ее помощью результатов.
В будущем, вероятно, удастся создать простые имитационные ди­
намические модели типа изложенной в [143] и предназначенные
для прогнозирования развития техники.
Далее детально излагается математическое описание техноло­
гической структуры в модели использования КЛУ, отмечаются осо­
бенности такого описания в модели 11ЭС и рассматриваются вопро­
сы учета экологических ограничении.
Математическое описание технологической структуры
Модель технологической структуры использования КЛУ созда­
на непосредственно для исследования перспектив развития КЛТОКа,
для которого особенно актуальна проблема получения более каче­
ственных энергоносителей. В модели содержатся подробное оннса-

нно балансов «исходное топливо — конечные продукты» для возмож­
ных технологии переработки и сж игания КЛУ, балансы покрытия
этими конечными продуктами потребностей зоны КАТЭКа и мак­
симально укрупненное описание топливно-энергетического баланса
(ТЭПа) страны в целом. К зоне КАТЭКа отнесены все установки
непосредственного использования КАУ, а также потребители элект­
рической и тепловой энергии независимо от территориального рас­
положения, которые обеспечиваются только КАУ или продуктами
его переработки. В описание ТЭБа включены лишь те энергоноси­
тели, которые конкурируют с канско-ачннским углем или получае­
мыми из него облагороженными топливами.
В модели представлены четыре вида первичных эиергоресурсов:
уголь, нефть, природный газ и ядерное горючее, причем уголь и
нефть разбиты на две группы. Одну угольную группу составляет
КАУ, другую — угли всех остальных бассейнов н месторождений
страны. Нефть условно разделена на традиционную, мало отличаю­
щуюся по условиям извлечения из недр от добываемой сейчас, и за­
мыкающую (дорогую), которая в будущем будет конкурировать
с ШКТ, получаемым из КАУ. Гидроэнергия, дрова, торф, сланцы,
возобновляемые источники энергии и импорт энергоресурсов в мо­
дель не включены, поскольку они не оказывают существенного
влияния на сравнительную эффективность исследуемых технологий.
Объемы производства КАУ и замыкающей нефти определяются
в модели, для остальных энергоресурсов они принимаются за­
данными.
Потребители топлива и энергии разбиты на семь групп: потреб­
ление электроэнергии от конденсационных электростанций (КЭС),
ТЭЦ и энергохимических комбинатов (ЭХК); потребление теплоты
от ТЭЦ; потребление теплоты от котельных; нестационарные уста­
новки (транспорт, строительные и сельскохозяйственные машины),
работающие на жидком (моторном) топливе; химическая промыш­
ленность; промышленные печи; сельскохозяйственные потребители
теплоты, расположенные в районах переработки КАУ. Для хими­
ческой промышленности в модели задается потребность в сырой
нефти. Выделение отдельной группы сельскохозяйственных потре­
бителей связано с тем, что их теплоснабжение за счет теплоты,
получаемой в процессах переработки угля, может повлиять на срав­
нительную эффективность соответствующих технологии.
Потребление электрической и тепловой энергии в модели рас­
пределено между двумя условными узлами: зоной КАТЭКа
(узел 1) и всеми остальными потребителями (узел 2): КЭС, ТЭЦ
и котельные первого узла обеспечиваются, как уж е отмечено, толь­
ко канско-ачинским углем и получаемыми из него продуктами, за
исключением ИЖТ и заменителя природного газа (ЗПГ). Исполь­
зование ядериой энергии в зоне КАТЭКа допускается лишь в про­
цессах переработки КАУ. На электростанции и в котельные второго
узла могут поставляться уголь второй группы, природный газ, ма­
зут, ядерное горючее и транспортабельные вторичные энергоноси­
тели, производимые из канско-ачпнского угля (полукокс, жидкое

котельное топливо и ЗПГ). В отношении всех оставшихся групп
потребителей и энергоресурсов модель является одноузловой.
В описании производства энергоносителей в первом узле выде­
лены комбинированные и раздельные технологии получения обл а­
гороженного твердого топлива (ОТТ), ИЖТ (угольной неф ти),
моторного топлива, метанола, водорода в соответствии с классиф и­
кацией, представленной на рис. 1.2 .
В качестве технологий использования КАУ и продуктов его
переработки на КЭС и ТЭЦ зоны КАТЭКа могут рассматриваться,
например, следующ ие виды установок: паротурбинные (ПТУ) с се­
роочисткой, ПТУ с кипящим слоем (инертным или каталитиче­
ским), парогазовые (ПГУ) с кипящим слоем, Г1ТУ с внутрицик-
ловой газификацией, ПГУ с внутрицикловой газификацией, магни-
тогпдродинампческне (МГДУ). Детальный анализ возможных бу­
дущих технологий получения из угля электрической и тепловой
энергии приведен в гл, 3. Для КЭС и ТЭЦ второго узла в мо­
дели задаются обобщенные технико-экономические характеристики
(удельные затраты на тонну используемого условного топлива и
КПД) без дифференциации по термодинамическим циклам, принци­
пиальным схемам установок и режимам использования.
В математическом описании технологической структуры приня­
ты следующие условные обозначения: / — индекс технологии пере­
работки К АУ ; j — индекс технологии использования энергоносите­
лей у потребителей первого и второго узлов; I — индекс энергоно­
сителя (для мазута и ядерной энергии применяются соответственно
индексы «М» и «Я»); т — индекс потребителя; ЗН — индекс замы­
кающей нефти; дгкау — объем добычи КАУ; хзн— объем добычи
замыкающей нефти; xf — объем переработки КАУ с применением
/-й технологии; xmJj — расход l-то энергоносителя для обеспечения
m-го потребителя с применением /-й технологии.
Минимизируемая целевая функция (суммарные приведенные
затраты) имеет вид
3 = СкАУ^КАУ“Ь^ЗН^ЗН+ 2 С/-Г/+ 2
2 2 cml)Xml) +
+
2 2 2cmljxmlji
(2.103)
m=M2leg2jeJ2
где c — удельные приведенные затраты; M, 9? и 7 — множества
индексов потребителей, энергоносителей и технологий соответствен­
но; 1 и 2 — индексы первого и второго узлов.
Система ограничений включает четыре блока. Первый блок —
распределение КАУ и продуктов его переработки
*^КАУ—2Х1
22Xmj— 2 2 xmlj=0, (2.104)
/
m£M1js/j
mc=M2
2aflXf—2 2 xmlj— 2 2 xmlj=0,
(2.105)
f
m£M2j-3J2
где aSi — удельный выход Z-го энергоносителя в / -й технологии.

Уравнение (2.104) оппсывает баланс добычи и расхода КАУ
на технологии переработки и непосредственного сжигания, а урав­
нение (2.105) записывается для каждого вторичного энергоносите­
ля, получаемого из канско-ачинского угля.
Второй блок — покрытие потребностей в конечной энергии
(электрической или тепловой) первого узла:
2 2 amijXmlj = Ь1т для всех
Mv
(2.106)
где оmi) — удельный выход конечной энергии; Ъ\т— потребитель
т-й группы потребителей первого узл а в конечной энергии.
Электроэнергия может вырабатываться на КЭС, ТЭЦ и ЭХК.
Переменные х для ТЭЦ включены в два уравнения (для электро­
энергии и теплоты от ТЭЦ) с соответствующими выходами а.
Третий блок — распределение мазута и первичных энергоресур­
сов, получаемых во втором узле, включает уравнения трех видов.
Баланс мазута выражается уравнением
ЯМ#!— 2 2 xmlj—0,
(2.107)
me3/2je J2
где йм — удельный выход мазута из нефти при получении мотор­
ного топлива; xt — объем перерабатываемой нефти. Уравнение
(2.107) записывается отдельно для мазутов, производимых из тра­
диционной и замыкающей нефти.
Распределение первичных энергоресурсов описывается ра­
венством
2 2 xmlj=
(2.108)
rnsM2je Jг
где Ь{— имеющийся в наличии первичный энергоресурс. Уравнения
вида (2.108) описывают потребление природного газа, угля второй
группы, ядерного топлива и традиционной нефти, производство ко­
торых, как указывалось выше, принимается заданным.
Уравнения балансов между расходом ядерного горючего и угля
в процессах переработки КАУ, использующих атомную энергию,
т. е. балансов интегрированных технологий (основанных на инте­
грации нескольких первичных р есурсов), таковы:
xf—Ф/1#/=0,
(2.109)
Я
я
где Xf и фу — соответственно полный и удельный (на единицу
перерабатываемого КАУ) расходы ядерного горючего на /- ю тех­
нологию.
Четвертый блок — обеспечение потребителей второго узла:
2 2 OmljXmlj = b2m ДЛЯ BCOX ШЕЕ Л/.,,
(2.110)
is2>2jej2
где Ь2т— потребность m-го потребителя. Уравнения (2.110) запи­
сываются дли потребителей электроэнергии и теплоты, а также

для потребления топлива промышленными печами, транспортом и
химической промышленностью.
По сравнению с моделями, предназначенными дли окономиче-
екого прогнозирования, представленное математическое описание
позволяет бол ее всесторонне сопоставлять различные концепции
развития техники, учитывать технологические нюансы крупномас­
штабного вовлечения КЛУ в топливный баланс страны.
Выделение в отдельную группу технологий переработки кан-
ско-ачннского угля (индекс /) дает возможность рассматривать их
разнообразные составы. Отдельно изучаются также энергоносители,
получаемые из КЛУ (множество &]); в их число может входить,
в частности, теплота различного потенциала, образующаяся в не­
которых углехимических процессах, которую желательно утилизи­
ровать для производства электрической или тепловой энергии. З а ­
дание альтернативных способов использования этих энергоносите­
лей у потребителей (множество J\) способствует правильной тех­
нико-экономической оценке технологий переработки топлива с уче­
том последующего использования производимых продуктов.
Максимальное упрощение описания остальной части ТЭВа
(оставлены лишь главные точки конкуренции КАУ с другими вида­
ми топлива) позволило уменьшить размерность модели (40 урав­
нений и 150 переменных) и повысить ее чувствительность в отно­
шении исследуемых технологий (устранить неизбежные «шумы»,
вносимые массой других, пеугольных производств, присутствующих
в традиционных экономических моделях энергетики). Кроме того,
облегчилась подготовка исходной информации и значительно сокра­
тились затраты времени на проведение многовариантных расчетов.
Модель ИЭС отличается от описанной несколько большей раз­
мерностью. В связи с необходимостью более детального учета ре­
гиональных транспортных потоков энергии в ней было выделено
пять территориальных узлов. Структура ограничений усложнилась
также благодаря добавлению блоков интегрированных технологий
(в модели использования КАУ было предусмотрено задание лишь
двух-трех таких технологий) и экологического. Кроме того, был
расширен блок конечного потребления с целью более детального
моделирования конкуренции между различными энергоносителями
(например, м ежду коксом и синтез-газом в процессе восстановления
железа).
К настоящему времени авторы использовали МОСТ для пред­
варительной оценки эффективности ряда углехимнческих техноло­
гий. Исследовались процессы переработки КАУ методами пиролиза
(в том числе с использованием каталитических генераторов тепло­
ты) , гидрогенизации, косвенного ож иж ения, сжигания канско-ачнп-
ского угля в инертном и каталитическом кипящем слоях и неко­
торые другие. Их технико-экономические показатели принимались
частично по материалам собственных исследований с помощью
M01IP и МОТУС, частично по литературным источникам и частич­
но по данным организаций разработчиков. При проведении расчетов
были взяты гипотезы развития энергетического комплекса страны

в начале будущего пека, разработанные ведущими в соответствую­
щей области институтами. И рамках этих гипотез варьировались
размеры добычи КАУ и нефти, потребности в некоторых видах
топлива и энергии, технико-экономические показатели технологий.
Расчеты позволили уяснить характер зависимости будущей
конкурентоспособности изучаемых процессов от основных влияю­
щих факторов.
Так, эффективность пиролиза возрастает с увеличением избы­
точности объема добычи канско-ачинского угля по отношению
к энергетическим потребностям зоны КАТЭКа и снижается с умень­
шением возможных объемов добычи традиционной нефти. Сила
проявления этих тенденций зависит от взаимного соотношения тех­
нико-экономических показателей пиролиза и альтернативных тех­
нологий получения ИЖТ и моторного топлива из КАУ (гидроге­
низации и косвенного ож иж ен ия). Конкурентоспособность послед­
них увеличивается с удорожанием замыкающей нефти, а также
с улучшением показателей раздельных процессов использования уг­
ля сравнительно с пиролизом.
Более детально результаты исследований с помощью МОСТ
обсуждаются в гл. 3.
Описание экологических ограничений
Учет экологических требований при прогнозировании развития
энергохимических технологий очень важен в практическом отноше­
нии и сложен в методическом. Сейчас становится общепризнанным,
что мы живем в ограниченном мире, который не может, не дегра­
дируя, вбирать в себя в любых количествах отходы нашего
производства. При большой концентрации в зоне КАТЭКа предприя­
тий по переработке угля и электростанций, сжигающих КАУ и по­
лученные из него продукты, экологические условия становятся
решающими для выбора технологий. Сложность вопроса обусловли­
вается м н о г и м и факторами: трудностями определения перспектив­
ных значений предельно допустимых выбросов вредных веществ;
влиянием конкретных природно-климатических условий района
размещения изучаемых производств и «фона», создаваемого други­
ми предприятиями; разнообразием способов очистки от загряз­
нителей.
Часто экологические требования учитывают посредством введе­
ния дополнительного к экономическому критерия эффективности
сопоставляемых технологий, основанного на использовании понятия
удельного ущерба от загрязнения природы тем или иным вредным
веществом. При этом возникают трудности, связанные с примене­
нием методов многокритериальной (векторной) оптимизации и эко­
номической оценкой экологических ущербов.
Авторы при моделировании экологических ограничений исходи­
ли из следующих положений.
1.
Количественная оценка таких последствий загрязнения ок­
ружающей среды, как рост заболеваемости населения и снижения

производительности труда, урон сельскому хозяйству, лесам и во­
доемам, у худ ш е н и е качества вырабатываемой продукции, износ
здании и сооружений т. и., представляется трудноосуществимой или
даж е невозможной. Поэтому желательно исключить необходимость
подобных оценок.
2. Ущерб от загрязнения природы при эксплуатации техноло­
гических установок представляет собой «нормальные» (не аварий­
ные) убытки процесса производства. Загрязнение воздуха, земли и
воды можно интерпретировать как потребление этих ограниченных
ресурсов. Поэтому в методическом плане экономические оценки та­
кого потребления могут быть аналогичными оценкам материальных,
трудовых, энергетических и других запасов. Их можно определять
как множители Лагранжа (двойственные оценки) в системных
экономико-математических моделях. Такой подход к анализу про­
изводственных воздействий на природу уж е освещался в литера­
туре [13, 29, 237].
3. Для района размещения эпергохимических предприятий
можно заранее определить допустимые объемы вредных выбросов
(с учетом природно-климатических условий, «фона» и других фак­
торов). При прогнозировании ИЭС в условиях ФРГ данные о таких
объемах использовались в [237].
Математическую модель технологической структуры при учете
экологических требований можно представить в следующем виде.
Прямая задача. Найти минимум
П
п
р
з—2
“Ь 2 2 Ckj^kj
(2 . 111)
j=l
j=l h=1
при условиях
n
j=l
n
n
j=i
i=i
21
к 1? •••?pi
(2.113)
ClkjXj Xkj^ 0, j 17.•
72, к
1, ..
pj
1~0
Двойственная задача. Найти максимум
m
Р
D=2hyi+2hyk
(2.115)
при условиях
m
V
P

В (2.111) —(2.117) обозначены: 3 — общие приведенные затра­
ты на произнодстно энергоносителей и сокращение нредных выбро­
сов; Xj и Cj — соответственно расход у'-го ресурса и удельные затра­
ты на технологию его преобразования; xkj и cki — соответственно
объем ликвидированного к-го выброса от у-й технологии и удельные
затраты на его ликвидацию; п — число сопоставляемы х технологий;
а0 — удельный выход i-ro продукта в у-й технологии;
—
i-й ком­
понент вектора конечных продуктов; т — разхмерность вектора ко­
нечных продуктов; ahi— удельный выброс А;-го загрязнителя в у-й
технологии; bk— допустимый выброс к-го загрязнителя в окружа­
ющую среду; р — размерность вектора загрязнений; D — доход от
производства конечной продукции (энергоносителей); ^ — опти­
мальная оценка i-ro продукта; ук— оценка ущерба окружающей
среде, наносимого к-м загрязнителем (плата за ущ ерб); уw — оцен­
ка очистки от к-то выброса у-й технологии, т. е. экономия затрат
благодаря его ликвидации.
Каждая технология описывается в приведенной модели пере­
менными двух видов: х, — характеризующей расход ресурсов на
производство полезной продукции и xkj— определяющей объем лик­
видированного выброса.
Уравнения (2.112) представляют баланс производства конеч­
ных продуктов, неравенства (2.113) отражают экологические тре­
бования, а неравенства (2.114) определяю т дополнительные усло­
вия, состоящие в том, что в у-й технологии объем ликвидации к-то
загрязнителя не может превышать его выброса. Запись двойствен­
ной задачи (2.115) —(2.117) соответствует постановке прямой.
Анализ системы (2.111) —(2.117) позволяет выявить некото­
рые особенности формирования объективно обусловленных оценок
ук и yhj. В соответствии с направлениями знаков неравенств (2.113)
и (2.114) оценки у, могут быть только отрицательными, а оценки
yhj, наоборот,— только положительными (или равными нулю). Зна­
чения ук и yhj оказываются нулевыми в случаях, когда (2.113) пре­
вращается в строгое неравенство, т. е. когда суммарные выбросы
к-то загрязнителя от всех технологических установок не достигают
их максимально допустимого значения Ьк. В этом случае организо­
вывать очистку от него и тем более взимать плату за его выброс
не имеет смысла.
Для загрязнителей, выбросы которых достигают предельных
значений, в результате расчетов на модели определяются типы тех­
нологических установок, на которых эффективна организация очист­
ки (xftj>0). При этом наиболее дешевые способы очистки будут
вводиться в максимально возможном объеме в соответствии с вы­
ражением (2.114), которое для таких способов превратится в ра­
венство, и их оценки i/ftj примут некоторые положительные значе­
ния. У последнего но эффективности (замыкающего) способа очист­
ки от к-то загрязнителя необходимый объем его ликвидации (л\,)
может оказаться меньше, чем его выбросы ( ahjXj) на данной замы­
кающей технологии, выражение (2.114) будет представлять нера­

венство, yhj примет нулевое значение. Значение платы за загрязне­
ние природы ук формируется из выражения (2.117), записанного
для замыкающей технологии, и оказывается равным удельным за­
тратам на сокращение выбросов к-го загрязнителя ск, на установ­
ках, где очистка вводится в последню ю очередь.
Следовательно, формирование экономического ущерба от загряз­
нения окружающей среды происходит аналогично формированию
о. о. оценок нли замыкающ их затрат на ограниченные ресурсы.
Представляется, что такой подход к учету экологических требова­
ний наиболее реалистичен и продуктивен и его целесообразно ис­
пользовать при сопоставлении новых технологий.
Постановку задачи оптимизации технологической структуры
с учетом экологических требований (2.111) — (2.117) можно суще­
ственно упростить, перейдя к следующему формализованному
описанию.
Прямая задача. Найти минимум
П
3=2 cjxj
(2.118)
j=i
при условиях
п
2aijXj=bui=1,...,m,
(2.119)
1
n
2akjxj^bk, к= 1, ..., p,
(2.120)
j=l
Xj>0.
Двойственная задача. Найти максимум
т
р
D=2
^il/i + 2 Ь^Ук
i=l
k=l
при условиях
т
р
Cj—2 <Ч}Ш—2 ah}yh>0, / =1, ...,л,
(2.121)
i=1
ft=l
Ук<0.
Здесь в отличие от системы (2.111) — (2.117) технологии не
разделяются на производство полезных продуктов и очистку от за­
грязнителей; с, обозначает суммарные удельные затраты на выра­
ботку товаров и ликвидацию вредных выбросов; ahi представляет
уж е выброс Аг-го загрязнителя с учетом его улавливания в очист­
ных устройствах. Двойственные переменные г/*, как и ранее, име­
ют экономический смысл ущерба (стоимостной оценки загрязнения
природы) и принимают значения замыкающих затрат на очистку.

Преимуществами более сложной постановки являются лишь ав­
томатическое определение замыкающих технологий по значениям
yh и возможность более полного экономического анализа задачи в
связи с нахождением стоимостных оценок различных способов
очистки. Если механизм формирования экономических ущербов от
загрязнения окружающей среды не является отдельным предметом
исследований и не имеется в виду непосредственное сопоставление
различных процессов ликвидации вредных выбросов, предпочтение
следует отдавать формулировке (2.118) — (2.121). Именно она бы­
ла выбрана при составлении модели ИЭС, включающей блок эко­
логических ограничений.
Главную трудность при у ч ет е в МОСТ экологических ограни­
чений составляет определение допустимых объемов выбросов bh.
Накопленный опыт экологического анализа [237] показывает, что
эта проблема не является неразрешимой. Вместе с тем предлагае­
мый подход позволяет более четко сформулировать требования к
необходимой исходной информации и наметить направления работ
по ее получению. Кроме того, экспертное варьирование соответст­
вующих показателей при использовании данной методики будет
способствовать уяснению зависимости эффективности различных
технологий от экологических факторов. По мере накопления ре­
зультатов исследований в области охраны природы экологические
требования при прогнозировании развития энергохимичеекпх про­
цессов будут учитываться все более полно.
2.4. ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ МОДЕЛЕЙ
Проведение в процессе прогнозирования многоварпантных рас­
четов с применением математических моделей нескольких типов и
итеративным уточнением результатов исследований на отдельных
этапах (см. схему на рис. 1 .1), бесспорно, требует объединения
этих моделей в единую систему, позволяющую в значительной ме­
ре автоматизировать их использование. Эта цель преследуется соз­
данием уж е упоминавшейся ранее системы ГРУНТ.
Ее назначение заключается в облегчении подготовки исходных
данных; унификации информации, используемой при работе
с МОПР, МОТУС и МОСТ; обеспечении диалогового режима ис­
пользования программ; контроле случайных ошибок; помощи чело­
веку в анализе результатов вычислений. Выполнение этих функ­
ций связано с разработкой многочисленных сервисных блоков.
Информационные блоки долж ны включать банки данных, мо­
дули автоматизированной подготовки исходной информации и об­
работки результатов вычислений и модули контроля ошибок.
Предполагается включение в ГРУНТ четырех банков данных
(рис. 2 .8). В экономических банках желательно накапливать ие
только показатели, непосредственно используемые при расчетах,
но и необходимые при неформализованном сопоставлении прогноз­
ных вариантов. Так, при расчетах с помощью МОТУС и МОСТ,
как ясно из предыдущего изложения, используются только такие

Рис. 2.8. Програлшно-вычислительнын комплекс ГРУНТ.
интегрированные показатели технологий, как приведенные затраты
на единицу используемого ресурса и выхода из этой единицы по­
лезны х продуктов и вредных веществ. При анализе результатов
расчетов могут представить также интерес сведения о капитало­
вложениях, эксплуатационных издержках, расходах трудовых, ма­
териальных, энергетических, водных, земельных и других ресурсов.
Таким образом, экономические банки должны служить не только
для обеспечения машинных вычислений, но и для эвристической
творческой работы специалиста. Из характеристик условий разви­
тия технологий, необходимых при использовании МОСТ, на ма­
шинных носителях будет храниться информация о потребности в
различных энергоносителях и объемы производства пли импорта
(экспорта) энергоресурсов по отдельным регионам, региональные
предельно допустимые объемы выброса загрязнителей и другие
показатели. Накопление информации предполагается вести как в
результате обработки литературных источников, так и по данным
собственных прогнозных исследований.
Теплофизический банк предназначается для обеспечения рас­
четов с помощью МОПР и МОТУС. Основную часть его составля­
ют сведения о термодинамических свойствах индивидуальных ве­
ществ (энтальпиях, теплоемкостях, энтропиях, свободных энергиях,
теплотах образования и фазовых переходов), представляемые в ви­
де функций температуры или температуры и давления. Кроме тер­
модинамических в этот банк вносятся значения величин, необходи­
мые для проведения расчетов тепло- массообмена в реакторах,
гидродинамики и кинетики физико-химических процессов.
Построение банков, разумеется, должно обеспечивать макси­
мальные удобства пользования ими, извлечения имеющихся или
внесения новых данных.
Модули подготовки исходной информации прежде всего следу­
ет использовать для автоматизированного построения систем урав-

нений: расширенных матриц производственно-распределительных
балансов МОСТ, матриц содержании элементов в веществах и век­
тора количеств молей элементов МОПР, матричных уравнений
законов сохранения вещества и энергии МОТУС и др.
С помощью модуля контроля ошибок желательно не только
выполнять элементарные операции выдачи на печать «подозри­
тельных» по численным значениям или знаку показателей, но и
осуществлять более сложные процедуры диагностики ошибок при
составлении исходных уравнений и неравенств. Для этого он дол­
ж ен включать алгоритмы определения ранга матриц, поиска про­
порциональных строк пли столбцов и др.
В блок обеспечения диалогового режима прогнозирования не­
обходимо включать модели управления режимами работы отдель­
ных программ или системы ГРУНТ в целом. Управление может
заключаться в назначении частоты и объемов выдачи промежуточ­
ных результатов на дисплей или печатающее устройство, выборе
вычислительных алгоритмов, определении последовательности ра­
боты моделей и вызовов их в оперативную память с учетом эконо­
мии последней, корректировке исходной или промежуточной ин­
формации и т. д. Работу в диалоговом режиме следует сопровождать
контролем и диагностикой ошибок человека и ЭВМ. Осуществле­
ние этого режима должно основываться как на использовании
диалоговых систем, поставляемых в составе обязательного матема­
тического обеспечения ЭВМ (например, DMS, УПО, Краб, Дпмон,
Примус, Рим), так и на разработке собственных диалоговых об­
служивающих программ.
При создании блока анализа результатов целесообразно пре­
дусмотреть возможности выдачи итогов расчетов в виде таблиц
пли графиков разной степени агрегированностп на дисплей пли
печатающее устройство и корректировки их вида.
На сегодня частично реализованы: термодинамическая часть
банка теплофизических данных; банк технико-экономических пока­
зателей технологий; алгоритм построения матрицы содержаний
элементов в веществах и вектора количеств молей элементов для
моделей МОПР.
Важной и сложной проблемой разработки системы ГРУНТ
является создание и наполнение банков данных. Без ее полного
решения анализ многих технологий оказывается просто невозмож­
ным. Принципиальные сложности связаны с наполнением банка
термодинамических свойств индивидуальных веществ. В имеющих­
ся справочниках [141] почти отсутствуют данные об органических
веществах и конденсированных ф азах. Самостоятельное вычисле­
ние недостающих свойств часто наталкивается на необходимость
создания специальных моделей. Тем не менее такая работа авто­
рами проводится, и каждый шаг в ее выполнении способствует по­
вышению эффективности м оделей МОГ1Р и МОТУС. Одновременно,
конечно, предпринимаются попытки получения имеющихся термо­
динамических данных у различных организаций в стране и за
рубежом.

ПРИМЕРЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ
3.1. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СЕГОДНЯШНИХ ТЕХНОЛОГИИ
ИЗ ПРОШЛОГО
Прежде чем применять какие-либо методические подходы и
модели, очевидно, следует хотя бы в какой-то мере убедиться в их
адекватности поставленным задачам, возможности получения с их
помощью внушающих доверие полезных результатов. В нашем
случае желательно проверить правомочность и эффективность при­
менения как методики прогнозирования в целом, так и отдельных
используемых моделей.
Такая проверка всегда связана со значительными трудностя­
ми. При решении экономических задач обычно оказывается невоз­
можным поставить контрольный эксперимент и приходится до­
вольствоваться сопоставлением прогнозных модельных результатов
с прошлым развитием реальных систем и сегодняшними тенден­
циями. При долгосрочном прогнозировании возникают дополнитель­
ные сложности. Чтобы узнать, окажутся ли полезными наши про­
гнозы через 30—40 лет (об угадывании будущего, конечно, не мо­
жет быть и речи), надо, как минимум, дожить до этого расчетного
периода.
Для проверки эффективности методик прогнозирования имеют­
ся два подхода. Первый заключается в проверке полезности мето­
дов, уж е примененных ранее и аналогичных нашему. Второй под­
ход связан с постановкой мысленного эксперимента. Нуж но пред­
ставить себя в прошлом, например в обстановке 20—30-х годов
XX в., спрогнозировать развитие какой-либо технологии до 60 —
70-х и оценить, оказались бы полезными рекомендации на основе
такого прогноза для нашего времени.
Начнем проверку действенности излагаемой методики с пер­
вого подхода.
Самым ярким примером плодотворности идеи прогнозирования
перспектив развития технологий исходя из их физического анали­
за является книга С. Карно [60]. После нее эта идея стала достоя­
нием прикладной науки. До настоящего времени возможную эф­
фективность любой новой теплоэнергетической установки начина­
ют оценивать с анализа ее термодинамического цикла и в первом
приближении с определения КПД цикла Карно. Счастливо оправ­
дался и конкретный прогноз автора «Размышлений», о чем уж е
упоминалось выше.
Стала реальностью высказанная в 1916 г. Н. А. Умовым до­
гадка о перспективности не связанных с применением традицион­
ных паросиловых установок способов использования солнечной
энергии [144], т. е. о ее прямом преобразовании во вторичные

энергоносители. Умов исходил из того, что ресурсы органического
топлива истощаются и в энергетический баланс необходимо вовле­
кать возобновляемые энергоисточники, в том числе солнечную
энергию. Однако низкая, но его мнению, термодинамическая эф­
фективность ее использования с помощью промежуточного полу­
чения водяного пара требовала новых физических способов ути­
лизации теплоты солнца.
Конечно, технология прямого преобразования солнечной энер­
гии в электрическую еще не получила крупномасштабного разви­
тия. Но необходимость в более или менее отдаленном будущем
резкого увеличения доли солнечного излучения в выработке элек­
троэнергии становится все вероятнее, и исследования в этом на­
правлении ведутся широким фронтом. Следовательно, рекоменда­
ции Н. А. Умова о целесообразности проведения поисковых работ
в области создания новых солнечных технологий оказались абсо­
лютно правильными.
В значительной мере оправдались и остаются актуальными до
настоящего времени прогнозы выдающегося советского энергетика
Л. К. Рамзина в отношении развития конкретных технологий и
энергетики страны в целом. Еще в тридцатые годы он предсказал
неизбежность перехода к крупномасштабному применению на ТЭС
прямоточных котлов в связи с тенденцией повышения параметров
рабочего тела. Им было обосновано использование местных низко­
качественных углей и торфа как основного топлива для электро­
станций, что составляло основу нашей энергетической политики до
середины пятидесятых годов. В связи с развитием КАТЭКа мы
снова возвращаемся к этому предложению Л. К . Рамзина. Анали­
зируя перспективы использования основных энергетических и при­
родных ресурсов, он доказывал нецелесообразность их экспорта
в непреобразованном виде и обосновывал эффективность их комп­
лексной комбинированной переработки. В частности, им предлага­
лось комбинирование деревообработки и производства химических
продуктов или деревообработки и производства электрической
энергии. Все эти системные идеи Л. К. Рамзина нашли отражение
в плане ГОЭЛРО [107], который в отличие от современных был не
планом-директивой, а планом-прогнозом.
Комбинирование стало одним из основных направлений науч­
но-технического прогресса в советской энергетике. Широкое рас­
пространение получило комбинированное (комплексное) использо­
вание гидроресурсов для н у ж д энергетики, сельского хозяйства,
судоходства. СССР сейчас занимает первое место в мире по мас­
штабам производства электроэнергии на базе теплового потребле­
ния (теплофикации).
Однако жизнь выявила и непредвиденные в прогнозах недо­
статки комбинированных технологий. Так, оказалось, что совмест­
ное производство тепловой и электрической энергий обусловливает
увеличение вредных выбросов в атмосферу непосредственно в мес­
тах проживания людей но сравнению с раздельной схемой энерго­
снабжения. Связанный с комбинированием рост масштабов тепло­

снабжающих систем привел к снижению надежности обеспечения
потребителей.
Наряду с положительными можно привести примеры и не­
удачных, несбывшихся прогнозов.
В упоминавшейся статье Н. Л. Умова [144] неоправдавшимся
оказалось предположение об эффективности ртутно-водяных би­
нарных циклов энергетических установок. Правильно оценив их
термодинамические показатели, он недостаточно учел технические
трудности, связанные с использованием такого энергоносителя,
как ртуть.
Ни в одном из энергетических прогпозов, выполнявшихся в
СССР в тридцатые годы, не было предусмотрено даж е на самую
отдаленную перспективу широкое развитие ядерной энергетики
[76]. Известно, что в то время даже делались попытки приостано­
вить в учреждениях Академии наук исследования атомного ядра,
как не имеющие практического значения. Этот пример, бесспорно,
иллюстрирует возможные отрицательные последствия недостаточно
всестороннего физического анализа при прогнозировании перспек­
тив развития техники.
Насколько знают авторы, в 30-е годы не прогнозировалось
быстрое вытеснение через несколько десятилетий угля нефтью и
газом из топливного баланса и, следовательно, сильное изменение
структуры топливных технологий. Здесь неполным оказался уж е
экономический анализ условий технического прогресса.
В шестидесятые годы пе был предугадан энергетический кри­
зис семидесятых и необходимость быстрого перехода на новые
энергосберегающие и экологически чистые технологии. Д а ж е пос­
ле постановки этих вопросов Римским клубом [145, 207, 211] уг­
роза истощения природных ресурсов многим специалистам пред­
ставлялась призрачной.
Какие же выводы можно сделать из этих удачных и неудач­
ных прогнозов?
Прежде всего, что при прогнозировании необходимо рассмат­
ривать большое число благоприятных и неблагоприятных для раз­
вития изучаемой технологии ситуаций. Некоторые из них сегодня
могут представляться маловероятными. Но если последствия от их
возникновения при нашей неподготовленности могут оказаться
весьма тяжелыми или тем более катастрофическими, их требуется
детально проанализировать. Например, маловероятной казалась
серьезная авария на атомной электростанции, но сейчас всем ясно,
что без учета возможности таких аварий нельзя прогнозировать
развитие атомной энергетики. Надо стараться предвидеть как все
трудности, которые могут возникнуть при внедрении технологии,
так и появление пока не существующих способов их преодоления.
По рекомендации [76] в связи с ускорением темпов научно-техни­
ческого прогресса н уж н о учитывать не только то, что у ж е прове­
рено физиками и химиками, но и возможные результаты новых
применений их сегодняшних идей.

Пользуясь словами Маяковского, выразим мнение, что прогно­
зист но может быть «из тех, кто глазом упирается в свое корыто»,
он должен обладать даром видеть «то, что временем сокрыто».
Добавим еще, что обладать таким даром чрезвычайно сложно, по­
тому что сегодняшние представления о сложности реализации
тон или пион идеи всегда господствуют над людьми и абстрагиро­
вание от этих представлений требует большого мужества.
Теперь попробуем очень кратко обсудить возможности про­
верки предлагаемой методики прогнозирования с помощью мыс­
ленного зксперимента. Представим себя в обстановке начала трид­
цатых годов и попробуем сделать прогноз развития технологии
косвенного ожижения угля, последовательных газификации и син­
теза из СО, Нг смеси. Термодинамический анализ с использовани­
ем МОПР показал бы, что в будущем можно ожидать сильного
увеличения КПД (с 20—30 до 60 —70 %) и соответствующего со­
кращения удельного расхода исходного топлива на производство
ИЖТ (см. табл. 1 .1).
Оценка по МОТУС и МОСТ дала бы сравнительные технико-
экономические характеристики косвенного ож иж ения относитель­
но гидрогенизации и пиролиза угля. Анализ с использованием
модели технологической структуры, очевидно, выявил бы эффек­
тивность комбинирования рассматриваемого процесса с производ­
ством электрической пли тепловой энергии и вероятность включе­
ния последовательных газификации и синтеза в оптимальную
структуру угольных технологий 70—80 -х годов.
Не зная в 30-е годы действительной будущей траектории раз­
вития энергетики, мы бы, наверно, не предусмотрели вытеснения
угля из топливного баланса нефтью, газом и ядерным горючим и
многократно завысили бы сегодняшние масштабы переработки
твердого топлива в целом и технологии косвенного ожижения,
в частности. Однако наш вывод о необходимости развития в то
время НИОКР по этому процессу оказался бы правильным.
На пути от 30-х к 80-м годам потребность в использовании
технологий ожижения угля в промышленных масштабах возника­
ла и реализовывалась как в СССР (получение метанола и других
химических продуктов), так и в зарубежных странах (например,
производство бензина из угля во время второй мировой войны в
Германии). Сегодня вопрос о создании па основе угля промыш­
ленности искусственного жидкого топлива является дискуссион­
ным. Здесь не ясно многое, в том числе и предстоящий дефицит
нефти и газа. Но необходимость в наличии соответствующего тех­
нического задела на случай критических ситуаций совершенно
очевидна. Без развертывания НИОКР в 30-е годы сделать его к
настоящему времени было бы невозможно.
Исследования но оценке адекватности изучаемым объектам и
эффективности МОПР, МОТУС и МОСТ долж ны проводиться па­
раллельно с развитием и совершенствованием этих моделей. Про­
верка МОПР в определенной мере поддается теоретическому ана­
лизу и физическому эксперименту. Теоретически могут исследо­

ваться такие вопросы, как правомочность применения при термо­
динамическом анализе моделей идеальных газов и растворов, поло­
гость термодинамических функционалов, чувствительность реш е­
нии к задаваемому списку веществ, точность вычислительных алго­
ритмов и др. С помощью физического эксперимента для у ж е реа­
лизованных технологий можно сопоставлять решения, получаемые
на МОПР. с результатами действительных процессов в реакторах.
Для МОТУС п МОСТ предполагаются возможными лишь ана­
лиз логической непротиворечивости, «разумности» получаемых с
пх помощью результатов и сопоставление решений с выдаваемыми
другими .моделями применительно к аналогичным ситуациям.
Приводимые в настоящей главе примеры прогнозирования
технологий (углехпмпческих и плазмохпмпческпх процессов, ката­
литического сж игания угля, технологической структуры ИЭС) име­
ют целью не только предложение конкретных рекомендаций по
развитию НИОКР, но и иллюстрацию эффективности развиваемой
в монографии .методики и используемых в ней моделей.
Конечно, эта иллюстрация не смогла получиться достаточно
четкой, поскольку п методика прогнозирования в целом, п модели
МОПР, МОТУС п МОСТ находятся еще в стадии разработки. Мы
надеемся, что после завершения работы над прогнозными моделя­
ми и объединяющей их системой ГРУНТ рассматриваемые здесь
вопросы будут изложены более убедительно и всесторонне в по­
следующих публикациях.
3.2. РАЗВИТИЕ УГЛЕХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
Экскурс в историю
В крупномасштабном использовании угля человеком можно
выделить три периода (рис. 3 .1 )* . Первый (со второй половины
XVIII до начала X X в .) — это период стремительного завоевания
топливного рынка и последующего безраздельного господства на
нем. Второй (с 10—20-х годов нашего столетия до энергетическо­
го кризиса 70-х) — период угасания, утраты позиций, перехода на
второстепенную по сравнению с нефтью и газом роль. Третий, на­
чинающийся в настоящее время, должен стать периодом возрож­
дения угля, его второй молодости.
Для выявления закономерностей развития техники использо­
вания твердого топлива в предстоящий третий период полезно про­
анализировать историю угольных
технологий,
их
эволюцию
в прошлом.
Уголь явился тем энергетическим ресурсом, который обеспе­
чил успешное осуществление промышленной революции XVIII в.
Потребляющая его энергию паровая машина Уатта вытеснила гос­
подствовавший до тех пор гидравлический двигатель и более чем
на сто лет стала основным источником механпческой энергии в
* Рисунок основан на данных, подготовленных Г. Б. Славиным.

Рис. 3.1. Динамика изменения
доли угля в мировом балансе
органического топлива.
I—III
— характерные
периоды
крупномасштабного
использова­
ния угля.
промышленности
и
на
транспорте. Причина по­
беды угл я заключалась в
том, что он представляет
несравненно более кон­
центрированный (на три —
пять порядков) источник
энергии, чем движущаяся под действием силы тяжести вода. При
сгорании за один час одного килограмма каменного угля можно полу­
чить мощность около 7 кВт (прп КПД преобразователя энергии поряд­
ка 85 %) •Для создания такой ж е гидравлической мощности нужно
иметь поток с расходом 25 т/ч, падающий с высоты 100 м, илп 250 т/ч —
с высоты 10 м. Отсюда ясно, что заменить паровые двигатели мож­
но лишь с помощью дорогих гидросооружений на крупных реках.
Наличие энергоемкого топлива позволило освободиться от при­
вязанности промышленных предприятий к источникам энергии
(рекам) и оптимальным образом решать вопросы пх размещения
с учетом расположения ресурсов сырья и рынков сбыта. Необхо­
димость перевозки угля на большие расстояния стимулировала
строительство железны х дорог, что требовало увеличения произ­
водства черных металлов, а это, в свою очередь, вызывало даль­
нейший рост добычи топлива. Такпм образом, именно уголь в зна­
чительной мере обеспечил прогресс промышленного производства.
За 200 лет развития угольных технологий ученые и инженеры
научплпсь извлекать из черного горящего камня примерно в 50—
60 раз больше энергии, чем это делал Уатт. КПД установок по
преобразованию теплоты в работу увеличился с 0,6 у двигателей
Уатта [32] до 35—40 % на современных ТЭС. Значительный про­
гресс был достигнут в решении проблемы сокращения вредных
выбросов при сжигании угля. Современная организация процессов
горения на крупных установках практически полностью исключает
наличие в дымовых газах монооксида углерода (угарного газа).
Очистные устройства (циклоны, фильтры), устанавливаемые на
тепловых электростанциях, улавливают до 95—99 % золы. Все
большее распространение получает очистка от оксидов серы, бла­
годаря совершенствованию режимов эксплуатации оборудования
сокращаются выбросы соединений азота.
В течение первого периода значительно расширилась п сфера
применения угля в экономике п быту. В 1975 г. английский инж е­
нер-металлург Кольбрукдель Авраам Дерби-сы н разрешил пробле­
му замены в доменном производстве древесного топлива, использо­
вав для этого не просто каменный уголь, а получаемый прп его

- VJ->c
О-'ысь
иглерода,
водород
'а
Ahu.iuzjcz в^о^ь e
£&1•
^V ~ «*ТчЖ»r*
L.‘0
_
Мь ло
iggfip
e eeojLecrnea ^
P®5S«o- «о.дмта-
<росител<.
ригели дегид
Рис. 3.2. Продукты, получаемые пз угля.
переработке кокс [53]. Поворотным моментом в развитии способов
освещения помещении и улиц явилось применение горючих газов,
выделяемых при перегонке угля.
Основой органического синтеза в X IX в. становится каменно­
угольная смола, являющаяся продуктом коксования углей. В пер­
вой половине XX столетия широкое применение находит производ­
ство химических продуктов пз смесп газов: оксида углерода и во­
дорода, выделяемой при переработке угля. Представление об ас­
сортименте продуктов углехпмпп конца первого периода дает
рис. 3 .2, заимствованный пз [53].
В начале XX в. была решена крупнейшая проблема химиче­
ской технологии — получение искусственного жидкого
топлива.
Впервые процесс гпдрогенпзацпп в промышленных масштабах был
осуществлен в Германии. Там ж е в 1922— 1926 гг. в результате
работ Ф. Фишера и Г. Тропша нашел промышленное применение
и другой технологический процесс, заключающийся в газпфпкацпп
угля с получением смеси СО и Нг п дальнейшем спнтезе из нее
жидких углеводородов. Особенно большое развитие производство
ИЖТ получило во время второй мировой войны. В 1941 — 1943 п .
Германия еж егодно производила около 4 млн. т искусственного
моторного топлива.
В СССР в промышленных масштабах были освоены методы
получения как ж идких, так и газообразных искусственных топлив.
Нашла практическое осуществление идея Д. И. Менделеева о под­
земной газификации угля.

Рис. 3.3. Мировые запасы угля, нефти и природного газа (пригодные к про­
мышленному освоению), 109 т. у. т.
1 — уголь; 2 — нефть, 3 — природный газ.
Однако успехи в развитии техники использования грязного,
трудно добываемого, трудно перерабатываемого и транспортируе­
мого угля не смогли обеспечить его конкурентоспособность с жид»
кпм и газообразным топливами, получаемыми из начавших осваи­
ваться в середине нашего века богатейших месторождении Ближ­
него Востока и некоторых других. Нефть и особенно газ по срав­
нению с углем улучшают условия труда, снижают его затраты,
уменьшают загрязнение природы. По выражению, принятому в не­
мецкой технической литературе, они «добрее, ласковее» к окружа­
ющей среде (um weltfreimdlicher). Другими важными преимущест­
вами жидкого топлива перед твердым является большая энергоем­
кость и соответственно лучшая транспортабельность. В течение
второго периода уголь постепенно вытесняется нефтью и газом из
железнодорожного и водного транспорта, химической промышлен­
ности, промышленного печного хозяйства, теплоснабжения, элект­
роэнергетики.
Однако несколько десятилетий расточительного использования
качественных топлив привели к истощению месторождений с наи­
лучшими условиями добычи и существенному оскудению запасов
в целом. По оценкам экономистов [143, 183, 185], мировая добыча
нефти уж е приблизилась к своему максимуму, где-то на рубеже
XXI в. начнет снижаться. Подобный вид с некоторым запаздыва­
нием по фазе должна иметь и кривая добычи природного газа.

Рис. 3.4. Структура запасов и потреб­
ления органического топлива в миро­
вом топливно-энергетическом балансе.
Энергией, извлекаемой из угля,
даже при условии дву- или трех­
кратного увеличения его добычи
по сравнению с современным
уровнем, мы см ожем спокойно
пользоваться, по крайней мере,
до конца XX I в., когда человече­
ство сум еет в широких масшта­
бах освоить новые источники
энергии (быстрых нейтронов, сол­
нечную, возможно, термоядерно­
го синтеза). Представление о се­
годняшних уровнях запасов и потребления органического топлива
дают рис. 3 .3 и 3.4, заимствованные из [185].
Правда, достигнутые в годы после энергетического кризиса у с ­
пехи в энергосбережении и снижении темпов роста общего энерго­
потребления сделали проблему повторного увеличения доли угля в
мировом и национальных топливных балансах несколько менее
острой, чем это представлялось в прошлом десятилетии. Однако и
при незначительных масштабах этого увеличения или даже сохра­
нении сегодняшнего уровня потребления твердого топлива н еобхо­
димо решить сложные проблемы, обусловленные обеспечением его
конкурентоспособности по сравнению с нефтью и газом.
Надеж ды на повышение сравнительной эффективности исполь­
зования угля в будущем можно связывать с тем, что он при своих
худших, чем у углеводородных топлив, энергетических и экологи­
ческих качествах является значительно более богатым источником
химических веществ, в том числе и минеральных (в зо л е). И го­
раздо шире оказывается потенциальный спектр применения конеч­
ных продуктов его переработки, который м ож ет охватить и энерге­
тику, и транспорт, и химическую промышленность, и черную ме­
таллургию, и строительство, и сельское хозяйство. Следовательно,
конкурентоспособность угля должна резко возрасти при увеличе­
нии комплексности его использования.
Для замены углем нефти и газа в отдельных областях необ­
ходимо добиться того, чтобы потребители ее не почувствовали, не
усилилось в недопустимых размерах отрицательное воздействие на
природу, связанные с этой заменой затраты оказались посильными
для народного хозяйства. Указанными обстоятельствами и опреде­
ляются требования к угольным технологиям на третий период их
развития.
Достигнутые показатели техники использования угля при
ожидаемом увеличении потребления и уж есточении экологических
стандартов оказываются у ж е неудовлетворительными. Одним из

наиболее существенных сегодняш них недостатков энергогенериру-
ющпх установок является их высокая чувствительность к качеству
сжигаемого топлива и его изменениям во времени. Поставки не­
кондиционного горючего часто приводят к сни ж ен ию мощности
ТЭС или даже их остановке. При существующей ж е и перспектив­
ной напряженности топливного баланса и необходимости добычи
угля в неблагоприятных условиях будет все труднее предотвра­
щать такие ситуации.
Глобальные масштабы приобретает проблем а выбросов окси­
дов азота (NOx) и серы (SO*), которые часто выпадают в виде
кислотных дождей за сотни и тысячи километров от мест образо­
вания и могут накапливаться в атмосфере в количествах, много­
кратно превышающих их часовое производство источниками. Есть
опасение, что к существенным изменениям климата может приве­
сти выделение углекислоты (СОг), которой при сжигании угля об­
разуется примерно в два раза больше, чем при сжигании нефти
или природного газа в расчете на единицу получаемой энергии.
По-прежнему еще низкими остаются показатели энергетиче­
ской эффективности, расходования трудовых ресурсов и чистоты
использования твердого топлива д л я м елких источников теплоты
(квартальных котельных, промышленных и бытовых печей).
Их обслуживанием у нас в стране занято более 1 млн чел.
Технико-экономические характеристики разработанных к на­
стоящему времени процессов получения из угля жидких и газооб­
разных топлив не позволяют пока в сколько-нибудь значительных
размерах вытеснять природные углеводородные топлива из хими­
ческой промышленности и транспорта. Вы ход моторного горючего
на существующих опытах и промышленных установках (заводы в
ЮАР) не превышает 0,5 т у. т. на условную тонну исходного угля,
а затраты на его получение в четыре-пять раз превышают затраты
на получение моторных топлив из нефти.
На основе анализа возникающих проблем можно сформулиро­
вать задачи дальнейшего развития техники переработки и сж ига­
ния угля. Угольные технологии должны совершенствоваться в на­
правлениях:
—
увеличения КПД, выхода конечных продуктов п снижения
затрат на производство вторичных энергоносителей;
—
комплексного использования всего спектра химических ве­
ществ, содержащихся в угле;
—
сокращения выбросов вещества и энергии в окружающую
среду;
—
снижения чувствительности установок к качеству исполь­
зуемого топлива и его изменениям во времени;
—
улучшения транспортных и потребительских свойств полу­
чаемых искусственных топлив.
Возможности достижения сформулированных целей, видимо,
и должны в первую очередь учитываться при оценке целесообраз­
ности развития НИОКР по той или иной технологии.

Физико-химическая классификация
углехимических технологий
Как уж е упоминалось в разд. 1.1, для составления списка
технологии, сравниваемых при прогнозировании техники перера­
ботки и сжигания угля, была составлена их классификация, пред­
ставленная на рпс. 1.2. При ее разработке авторы предполагали,
что она должна не только систематизировать все существующее
многообразпе типов технологических установок, но и позволять
предвидеть возможности появления принципиально новых процес­
сов. Кроме того, мы старались, чтобы были соблюдены следующие
условия:
—
охвачено все возможное поле технических решений в рас­
сматриваемой области;
—
каждая из представленных в классификации групп техно­
логий характеризуется такими отличительными свойствами, кото­
рые позволяют изучать особенности входящих в нее элементов с
единых физико-химических (термодинамических) позиций;
—
классификационные признаки не являются настолько
жесткими (например, связанными с особенностямп аппаратурного
оформления процессов), чтобы не допускать учета принципиаль­
ные возможностей радикального совершенствования технологий;
—
составленная классификация легко преобразуется в дру­
гую, удобную при решении экономических задач, напрпмер с груп­
пировкой процессов по конечным продуктам (ИЖТ, ЗПГ, ОТТ,
электрическая и тепловая энергии).
Выполнение отмеченных условий становится возможным толь­
ко в случае, если в основу классификации положен такой признак,
который наиболее полно отражает фпзико-хпмпческие особенности
технологических процессов. Этому требованию отвечает стехиомет­
рическое уравнение результирующей химической реакции превра­
щения вещества угля.
Именно результирующая реакция в значительной мере опре­
деляет выход конечных продуктов, термодинамическую эффектив­
ность и требуемые параметры процесса, возможности использова­
ния сбросной теплоты для производства электрической п тепловой
энергии.
Поскольку каждому из наиболее общих результирующих урав­
нений реакций, включающих все интересующие нас исходные п
конечные вещества, соответствуют более частные, включающие
лишь некоторые из этих веществ, полная система уравнений имеет
иерархическую структуру. Поэтому классификацию оказалось
удобным выполнить в форме графа (см. рис. 1 .2).
В качестве четырех основных классов процессов выбраны: гид­
рирование, двухстадийные процессы газификации и синтеза (для
отдельных групп без второй стадии), пиролиз и сжигание.
Гидрирование представляет процесс присоединения к ор­
ганической массе угля (ОМУ) такого количества водорода, чтобы
в итоге соотношение Н : С стало таким же, как у жидких пли га-

зообразиых топлив. Общее уравнение процессов этого класса
VcHjcCH* + vh2H 2 -► ^ст н„Стп1 In,
(3.1)
где v — стехиометрический коэффициент; СИ* — условная форму­
ла угля; т и п —числа атомов угл ерода и водорода соответственно.
Процессы газификации и синтеза (косвенного ожижения уг­
ля) сводятся к превращению ОМУ в условиях недостатка окисли­
теля в простейшие молекулы (газификация), образующие синтез-
газ, который в пределе может состоять только из оксида углерода
и водорода, и последующего синтеза из этого газа жидких и газо­
образных топлив и химических продуктов.
Уравнение первой стадии
'vchxCH3C-f vo20 2-> vCoCO + vh2H2.
(3 2)
Уравнение реакции синтеза
vcoCO + vh2H 2 v cmHnCmHn + vh2oH20 + vco2C 02.
(3.3)
Под пиролизом здесь понимаются процессы термического (без
доступа окислителя) расщепления сложных молекул угля, сопро­
вождающиеся вторичными реакциями м еж ду образующимися ос­
колками. Имеющийся в исходном топливе водород перераспределя­
ется таким образом, что в итоге получаются продукты, подобные
по соотношению Н : С и молекулярной массе углеводородным топ­
ливам, и твердый продукт (кокс, п олукокс) с повышенным содер­
жанием углерода. При такой расширенной трактовке к этому
классу технологий причисляются и коксование, и термические про­
цессы получения ОТТ в автоклавах или вихревых камерах
[18, 62, 72].
Уравнение процессов пиролиза
'vCHa.CHx - > vcmHn (СтпНп)ж + Vctoh „ (CmH„)r + vcC,
(3.4)
где индексы «ж» и «г» относятся соответственно к жидким п газо­
образным углеводородам.
Процессы сжигания угля
СИ* + vo20 2 vco2C02+ vh2oH20.
(3.5)
Каждый из трех основных классов технологий переработки
угля разделен на группы дифференцированных и интегрированных
процессов. Под интегрированными понимаются процессы, для осу­
ществления которых использую тся другие источники энергии, кро­
ме угля.
С точки зрения принятого признака классификации техноло­
гий дифференцированные процессы отличаются тем, что в их опи­
сании наряду с уравнениями основных химических реакций при­
сутствуют уравнения вида (3 .5 ).
Группы дифференцированных и интегрированных процессов
первых двух классов разбиты на несколько типов каж дая. Уравне­

ния химических реакций выделенных технологий в целях просто­
ты и ясности изложения даны ниже только для углерода угля.
В классе гидрирования выделены два типа процессов; гидрогени­
зация и гндрогазификация, которые отличаются друг от друга
формулами и фазовыми состояниями конечных продуктов.
Гидрогенизация
vcC + vh2H 2 vCrnHn (СщНп)ж.
(3.6>
Гидрогазиф икация
С+ 2Н2-(СН 4)г.
(3.7)
В классификации не были выделены в качестве самостоятель­
ных типов такие разновидности процессов гидрогенизации, как
гпдроожижение (взаимодействие углерода со связанным водородом
растворителя) и гпдропиролиз (термическое разложение угля в
среде водорода с гидрированием получаемых осколков), поскольку
все они на достаточно высоком уровне идеализации описываются
уравнением (3 .6 ).
Выбранным отличительным признаком представленных в к лас­
сификации типов процессов газификации является состав прим е­
няемого дутья (газифицирующего агента).
Газификация на воздушном или паровоздушном дутье
С + vo20 2 + vh2oH20 + vn2N2-»-CO + vh2H2 + vn2N2. (3.8)
В связи с большим содержанием в реагентах инертной состав­
ляющей (N2) в результате этого процесса образуется низкокало­
рийный газ (Н КГ), который не пригоден для дальнейшего синтеза
п может использоваться только для сжигания на электростанциях
или в котельных.
Металлопаровые процессы п о л у ч е н и я водорода
С4-МеО- Me+СО,
(3.9)
Me+ Н20- МеО4-Н2,
(3.10)
где Me — металл.
К начальной стадии косвенного ож иж ения угля относятся
процессы газиф икации на парокислородном, паровом и углекислот­
ном дутье:
С 4- vo20 2 -}- vh2oH20 vCoCO 4- vh2H2 4~ vco2C02,
(3.11)
C4-H20- CO4-H2,
(3.12)
0 4- ^со2С 0 2 4- vh2oM20 -*■ vCoCO + vh2H2.
(3.13)
Состав синтез-газа доводится до требуемого соотношения
СО : Н2 либо посредством пароводяной конверсии оксида углерода
СО 4- Н20 *-»
- С02+ Н2
(3.14)
при недостатке П2 в СО-водородной смеси, либо увеличением кон­
центрации реагирующего углерода в случае избытка Н2. П л азм ен-
10 Б. М. Каганович, С. П. Филиппов, Е. Г. Анциферов
145

пая газификация нс включена в классиф икацию в виде отдельного
тина, так как ее описание может быть сведено к (3.11) или в пре­
деле при нулевом расходе кислорода к (3.12).
Вторая стадия процессов второго класса разбита на три
тина:
производство И Ж Т
СО-f vh2Н2->-л’стнпСтНп + vco2C02+ vh2oH20,
(3.15)
производство З П Г
СО+ ЗН2- СН4+ Н20,
(3.16)
производство метанола
СО+ 2Н2 СНзОН.
(3.17)
Отдельным пунктом в классификацию включен «мобпл-про-
цесс» получения бензина из метанола
СНзОН СН2+ Н20.
(3.18)
В классе процессов горения выделены два предельных типа:
сжигание в воздушной среде
С+ 02+ vn2N2->C02+ vn2N2
(3.19)
и сжигание в среде чистого кислорода (3.5).
Для всех представленных групп процессов в классификации
указаны их конечные продукты и возможности производства элек­
трической и тепловой энергии за счет утилизации теплоты.
Вероятно, в будущем открытие принципиально новых спосо­
бов переработки угля приведет к необходимости включения в
классификацию дополнительных ветвей, что легко сделать при вы­
бранной форме ее представления в виде графа. В любом случае
рассматриваемая схема возможных физико-хпмпческпх процессов
преобразования вещества твердого топлива м ож ет использоваться
в качестве «прогнозирующей», по терминологии Г. Н . Алексеева
[2], классификации. Представленный в ней набор конкурирующих
процессов вполне достаточен для поиска достижимых показателей
производства из угля важнейших вторичных энергоносителей и хи­
мических продуктов и для анализа возможности комбинирования
технологических и энергетических установок.
Современное состояние и перспективы НИОКР
по энергетическим технологиям
НИОКР по совершенствованию существующих и созданию но­
вых технологий использования угля сконцентрированы главным
образом в двух областях: получении на основе угля электрической
и тепловой энергии, преобразовании угля в более качественные
энергоносители.
Однако сейчас наблюдается тенденция к более тесной взаим­
ной увязке исследований в этих двух областях. В результате по-

а
Уголь
Электроэнергия
Теплота
Синтетические топливо
Химические продукты
Конструки,ионнь>е
материалы
Уголь
—
б
Природный_
газ
Синтетическое
моторное
топливо
Электроэнергия
Теплота
Синтетические топлива
Химические продукт ы
Конструкционнь /е
материаль /
Рис. 3.5. Угольные технологии: а) комбинированная,
б) интегрированная, в) интегрированно-комбинированная.
Уголь
ядерное
горючее
являются предложения по созданию комбинированных энергохн-
мпческих технологий [8, 55, 64]. Отличительной чертой установок
такого типа является производство наряду с электроэнергией и
теплотой разнообразной продукции из угля (рис. 3 .5, а).
В ряде случаев, видимо, эффективным может оказаться сов­
местное использование угля и некоторых других энергоресурсов
пли энергоносителей (природного газа, нефти, ядерной энергии
и т. д .) . Технологии, реализующие этот принцип (рис. 3.5, б), мы
назвали интегрированными. Очевидно, что они могут быть и ком­
бинированными (рис. 3 .5, в ).
Рассмотрим подробнее развитие НИОКР в каждой из указан­
ных областей. Начнем с технологий генерирования электрической
и тепловой энергии. Здесь можно выделить три главных направле­
ния (рис. 3 .6):
—
совершенствование существующих и освоение новых спосо­
бов сжигания твердых топлив;
—
модернизация традиционных и переход на принципиально
новые циклы и схемы энергетических установок;
—
комбинирование процессов производства электроэнергии п
теплоты с выработкой искусственных топлив и другой ценной
продукции.
Содержание НИОКР первого направления заключается в по­
вышении КПД котельных агрегатов, сокращении габаритов топок,
подавлении образования оксидов азота и канцерогенов при горе­
нии, обеспечении эффективного сжигания топлива при существен­
ном колебании его качества во времени, повышении надежности
работы теплогенераторов, особенно в условиях нестабильности
свойств поступающего угля. Проблема надежности особенно акту­
альна для котельных установок на КАУ в связи с большим содер­
жанием в золе углей оксида кальция и большой изменчивостью их

•
H
i
r
.
i
X
»
:
i
t
i
i
i
u
d
.
i
n
c
и
о
м
э
о
ы
н
Т
х
и
.
и
г
с
и
и
о
н
о
ш
ю
х
H
i
i
i
M
h
X
i
f
o
n
m
i
.
i
o
i
r
o
n
x
.
u
h
i
i
x
i
i
h
c
i
m
I
i
m
u
.
i
i
r
m
’
d
i
i
i
M
i
o
n
u
u
o
i
i
o
o
0
'
£
'
a
r
?
j
Г)
<
X
Z3
"I
о
о
2"I
u>
X
<c
3
I3
$Cb
?
I
I
Ъ
I
i
$
1Q>
*
C\>
c:
*
Cb
Бинарные с 0Ц Р , триарные
Н
И
О
К
Р
n
o
т
е
х
н
о
л
о
г
и
я
м
и
с
п
о
л
ь
з
о
в
а
н
и
я
у
г
л
я

состава п физико-химических свойств (часто даже в пределах од­
ного разреза), а также вследствие прогнозируемого базисного ре­
жима работы ТЭС на KAY и особенностей природно-климатиче­
ских условии Сибири.
Для некоторых углей указанные проблемы в той или иной
степени удается решить путем улучшения организации процесса
горения в существующих котлах. Для этого изменяют конструк­
ции и схемы размещения горелок, организуют двухступенчатое
сжигание топлива и рециркуляцию дымовых газов в различные
зоны топки и т. д. В результате можно уменьшить, а иногда и во­
обще исключить шлакование поверхностей нагрева, на 20—40 %
снизить выбросы оксидов азота, сократить потери теплоты с хими­
ческим и механическим недожогом н т. д. [33, 73].
Однако для успешного сжигания ряда важнейших, вновь осва­
иваемых углей страны, в частности канско-ачпнских, таких отно­
сительно простых мер оказывается недостаточно. Нужно перехо­
дить на новые конструкции топочных устройств и осваивать новые
методы сжигания.
Сейчас в стране усиленно разрабатываются несколько новых
типов котельных агрегатов с факельным сжиганием: с высокотем­
пературной вихревой НПО ЦКТИ, с низкотемпературной вихревой
топкой ЛПИ, с кольцевой топкой Спбтехэнерго и некоторые другие
[17, 50, 130]. Проведенные расчетные исследования и натурные
эксперименты пока не позволяют отдать предпочтение какому-ли­
бо из них. Каждый теплогенератор наряду с важными достоинства­
ми имеет и существенные недостатки. Так, в высокотемпературной
вихревой топке остается опасность шлакования и даже усугубля­
ется проблема уменьшения образования оксидов азота. В низко­
температурной вихревой топке достигается существенное сокраще­
ние выбросов оксидов азота, отсутствует шлакование, но отмеча­
ются повышенные потери энергии с механическим недожогом н
эрозия поверхности нагрева.
Большие надежды на успешное решение многих проблем
энергетического использования низкокачественных твердых топлив
связываются с освоением метода сжигания их в кипящем слое
инертного наполнителя (шлака, песка п т. д .) при невысокой тем­
пературе (около 1100— 1200 К) [123, 174, 177, 194]. Наиболее
привлекательными свойствами этого метода являются сл едующ ие.
1. Возможность надежного п экономичного сжигания углей
самого низкого качества, вплоть до отходов добычи и обогащ ения,
которые в настоящее время никакими иными методаАШ утилизиро­
вать в теплоэнергетике не удается.
2. Извлечение нз дымовых газов непосредственно в топке до
80—90 % образующихся при горении вредных соединений серы (пу­
тем связывания их с активными компонентами слоя — оксидами
кальция и магния).
3. Сокращение в несколько раз по сравнению с факельным
сжиганием выбросов токсичных оксидов азота.

За рубежом НИОКР по созданию топочных устройств с кипя­
щим слоем (КС) ведутся очень широким фронтом. В опытной и
промышленной эксплуатации помимо множества мелких находится
ряд довольно крупных установок: водогрейные котлы тепловой
мощностью 15 МВт в Финляндии [224] и 25 МВт в США [174];
промышленные парогенераторы производительностью 17 МВт(т) в
Шотлапдии, 40 МВт(т) в США [174] и 137 МВт(т) (160 т пара в
час) на Филиппинах [194]; котлоагрегаты на ТЭС в г. Ревесвилле
(США) и Кениг Людвиг (ФРГ) для энергоблоков мощностью 30
и 35 МВт(э) соответственно [174, 205].
Во Франции уж е более 30 лет серийно выпускаются неболь­
шие котлы с высокотемпературным КС на цепной решетке. Они
обладают хорошей экономической эффективностью, но из-за высо­
кой температуры горения (1400— 1470 К) характеризуются повы­
шенными выбросами оксидов азота (до 735 ppm) и относительно
небольшой величиной улавливания в слое оксидов серы. Так, при
сжигании углей с 2 % серы концентрация SO2 в дымовых газах
достигает 425 ppm [123].
Наличие достаточного количества экспериментальных и опыт­
но-промышленных установок позволяет зарубежным фирмам по­
степенно преодолевать многочисленные технические трудности,
выявленные на первых этапах разработки этой технологии, и ре­
ально приступить к конструированию котлоагрегатов с КС для
энергоблоков мощностью 100 МВт (т) и более [174, 177, 198, 205].
Предполагаемые сроки технической готовности их к промышленно­
му применению: 1990 г. — для топок с атмосферным КС (в соста­
ве паротурбинных установок — П ТУ) и 1995 г. — для устройств с
КС под давлением (в составе парогазовых установок — ПГУ)
[174, 177, 198, 234].
В СССР также ведутся теоретические и экспериментальные
работы по освоению данного способа сжигания низкокачественных
твердых топлив. На ТЭЦ НПО ЦКТИ с 1977 г. эксплуатируется
теплогенератор с КС мощностью 2 М Вт(т) [102]; в Барнауле и
Бийске готовятся к пуску котлы на 8 и 20 МВт(т) [23]. Имеются
проекты котлоагрегатов с КС на у гл е дл я энергоблоков на 100 и
800 МВт(э) [23, 198]. На ТЭЦ Ахтме (Эстонглавэнерго) с 1981 г.
успешно работает котел с КС на сланцах паропропзводптельностью
75 т/ч (70 МВт(т)) [1651.
Большой опыт промышленной эксплуатации теплогенераторов
с КС накоплен на предприятиях угольной промышленности Укра­
ины. Начиная с 1977 г. там было реконструировано более 50 кот­
лов паропроизводительностью от 6,5 до 20 т/ч (5—17 МВт(т)) с
установкой на них топок с высокотемпературным КС на цепной
решетке. Цель реконструкции — обеспечение сжигания высокозоль­
ных энергетических углей — марок Т, АШР, АШ и шламов, не
находящих сбыта и накапливающихся на складах шахт.
При сжигании этих топлив в традпцпонпых котлах типа
ДКВР КПД последних составлял 6 0 —65 % вместо проектных
78—83 %, а паропроизводительность падала до 50 % от поминаль-

пой, что приводило к дефициту теплоты на шахтах. Реконструиро­
ванные котлы устойчиво обеспечивали производительность 110—
125 % номинальной и КПД 78—81 %, т. е. значения, близкие к
расчетным.
В то же вре.мя у топочных устройств с высокотемпературным
КС был выявлен ряд недостатков: наличие движущейся решетки
снижало надежность котла, предельная зольность
подаваемого
угля ограничивалась 40 %, отмечались сложности использования
углей при значительном изменении их зольности и некоторые дру­
гие. Поэтому с 1982 г. на реконструируемые котлы стали устанав­
ливать тонки с низкотемпературным кипящим слоем. Сейчас экс­
плуатируется несколько десятков таких котлов паропроизводптель-
ностью до 16 т/с («13 МВт(т)). В них надежно сгорают угли
зольностью до 60—70 %; КПД котлоагрегатов составляет 8 0 —85% ,
при этом потери теплоты от химического и механического недожо-
гов не превышают соответственно дз = 0,2—1,5%, д4 = 2,6—14 ,4% .
Проводились успеш ные опыты по сжиганию массы терриконов с
зольностью до 76 %• Выбросы оксидов серы находились в пределах
360—370 мг/м3 (при сжигании угля марки Г с содержанием серы
по справочнику 4,3% от горючей массы), а оксидов азота — 9 0 —
480 мг/м3 (в зависимости от режимов работы; при избытке возду­
ха 1,4) [24].
Основными проблемами создания мощных энергетических то­
пок с КС являются: 1) большой унос частиц топлива из слоя и
соответственно повышенные потери энергии с механическим недо­
жогом; 2) коррозия и эрозия погруженных в слой поверхностей
нагрева; 3) сооружение теплогенераторов большой единичной мощ­
ности; 4) возможность забивания и шлакования газораспредели­
тельных решеток; 5) неравномерность распределения топлива по
сечению КС; 6) экономичное регулирование нагрузки котла в ши­
роком диапазоне. С целью решения этих проблем разрабатываются
новые варианты топок с КС: с двухступенчатым [122, 174], вра­
щающимся (турбулентным) [223], фонтанирующим (пульсирую­
щим) [201], циркулирующим кипящим слоем [177, 224] и некото­
рые другие.
Особенно интенсивные НИОКР ведутся по топкам с циркуля­
ционным КС. Именно это направление считается наиболее пер­
спективным для крупной теплоэнергетики. Такие устройства ун и­
версальны по топливу, обеспечивают высокую эффективность сго­
рания — до 98 —99 %, удовлетворяют перспективным экономиче­
ским требованиям (степень связывания серы в них достигает
90—98 %, выбросы оксидов азота находятся на уровне 100—
250 ppm), не имеют условий для шлакования. На их основе мож­
но
создавать
котлоагрегаты
большой
единичной
ающности
[123, 177, 224].
В различных странах мира функционируют десятки котлов с
циркуляционным КС. Только в Финляндии по состоянию па 1983 г.
их насчитывалось 14. Производительность самого большого из них
равна 90 т пара в час [200]. Крупные установки действуют в США

паропропзводтттельпостью 66 т/ч (55 МВт(т)) и ФРГ — на 150 т/ч
(109 МВт(т))н с октября 1985 г.—на 270 т/ч (208 МВт(т)) [218].
В Институте катализа СО АН СССР предложен и опробован
на лабораторных установках принципиально новый способ сжига-
ння топлив — в кипящем слое катализатора [21, 22]. Проведенный
нами анализ показал, что в случае успешного решения проблемы
производства приемлемых по стоимости и устойчивых к механиче­
скому износу и отравлению катализаторов теплогенераторы с ката­
литическим КС во многих отношениях (по выбросам моноокспда
углерода, оксидов серы и азота, эксплуатационным и ряду других
характеристик) могут оказаться более привлекательными, чем кот­
лы с инертным КС [55]. Оценивая потенциальные возможности
этой технологии, мы пришли к выводу, что она весьма перспектив­
на. Вообще массовое внедрение катализаторов в энергетику, види­
мо, нужно считать одним из эффективных направлений ее разви­
тия. Более подробно перспективы применения каталитических ге­
нераторов теплоты в энергетике страны обсуждаются в разд. 3.5.
Главными целями НИОКР второго направления — модерниза­
ции существующих и создании новых технологий генерирования
электроэнергии на основе низкокачественных твердых топлив — яв­
ляются: во-первых, улучш ение технико-экономических показателей
угольных ТЭС для повышения их конкурентоспособности относи­
тельно энергоустановок на альтернативных источниках энергии: во-
вторых, снижепне выбросов вредных веществ до регламентируемых
уровней и, в-третьих, исключение влияния качества поступающего
топлива на работоспособность ТЭС.
Совершенствование сущ ествующ их типов теплоэнергетических
установок (ТЭУ) идет по пути повышения начальных параметров
рабочих тел. Для ПТУ предлагается повысить давление пара перед
турбиной до 48 МПа, а температуру — до 1030 К с соответствую­
щим ростом КПД до 42—44 % [193, 227].
С целью уменьшения выбросов оксидов серы ТЭУ оборудуются
или устройствами по очистке дымовых газов (см. рис. 3 .6), что,
однако, ведет к снижению КПД электростанций на 3—5 % и уве­
личению капиталовложений в них на 15—30 % [25, 73. 126]. или
топками с кипящим слоем, о которых говорилось выше. Сокращение
выбросов оксидов азота осуществляется либо путем воздействия
на топочный процесс (рециркуляция дымовых газов, двухступенча­
тое сжигание и т. д .) , либо путем их химического или физического
разложения в газовом тракте парагенератора [73. 126].
Для повышения устойчивости ТЭС к изменениям качества по­
требляемого угля предлагается ввести в их систему топливоподго-
товки дополнительные элементы — пиролнзеры пли газогенераторы
(при этом может потребоваться также некоторая реконструкция
котельных агрегатов) [55, 223]. Основная идея этого предложения
состоит в следующем. Уголь перед сжиганием преобразуется в низ­
кокалорийный газ— НКГ (в процессе газификации) пли в смесь
НКГ, смолы и полукокса (при пиролизе). Продукты переработки
без очистки и охлаждения направляются на сжигание. Таким об­

разом, исключаются: а) дорогостоящие и громоздкие теплообмеп-
ные аппараты и система очистки газов, б) потери вещества и энергии,
связанные с их функционированием, и в) загрязнение окружающей
среды па стадии переработки угля. Кроме того, при такой схеме
можно не стремиться вести процессы газификации или пиролиза
«до конца», что очень важно в плане упрощения и удешевления
конструкций соответствующих аппаратов, повышения их надеж н о­
сти и маневренности, улучшения других эксплуатационных качеств,
В результате предварительной переработки в топку будет пода­
ваться горючая смесь, содержащ ая значительное количество высо­
кореакционных компонентов — водорода, оксида углерода и т. д. Д а
и твердые частицы некоторое время после термического воздействия
обладают повышенной реакционной способностью. Это позволит
улучшить условия зажигания смеси, повысить устойчивость про­
цесса горения, увеличить скорость и глубину выгорания топлива
и, возможно, исключить шлакование поверхностей нагрева.
Предполагается, что при такой организации использования н из­
кокачественных углей может существенно решаться и проблема
сокращения выбросов оксидов азота. Ведь здесь в явном виде реа­
лизуется идея двухступенчатого сжиганпя топлива. При переработ­
ке связанный в угле азот переходит в нейтральные молекулы N 2.
В результате при горении в котле исключается выход так называе­
мых «топливных» оксидов азота, которые составляют значительную
часть (70—80 % при факельном сжигании бурых углей [131]) от
суммарного количества образующихся в топке NOx.
Что касается оксидов серы, то путем предварительной газиф и­
кации или пиролиза угля при отсутствии очистки продуктов умень­
шить их количество в дымовых газах за котлом не удастся (конеч­
но, если не применять при этом аппараты с кипящим слоем).
Поэтому рассматриваемый метод целесообразно внедрять на ТЭС,
потребляющих низкосернистые топлива, например канско-ачинские
угли.
Возможности использования в системе топливоподготовки
электростанций и крупных котельных плазменных газогенераторов
и каталитических пиролизеров обсуждаются в разд. 3 .3 и 3.5 .
В направлении новых циклов и схем энергоустановок исследо­
вания в основном сконцентрированы на развитии П ГУ с внутрп-
цикловон газификацией угля (ВПГУ), ПГУ с теплогенераторами
с КС под давлением и энергоустановок с магнитогидродинамически­
ми генераторами (МГДУ). ВПГУ за рубежом получили прак­
тическую реализацию. На ТЭЦ Келлерман в ФРГ с 1972 г. успешно
эксплуатируется опытно-промышленная установка (ОПУ) электри­
ческой мощностью 165 МВт [203]. В СИТА заканчивается с о о руж е­
ние двух ОПУ: на 50 и 100 МВт [179, 180]. Ввод новых промыш­
ленных ВИГУ мощностью 250—350 МВт намечен к 1990 г., а более
крупных (до 8 0 0 — 1000 МВт) — после 1995 г. [176, 189, 231].
В СССР начаты работы по сооруж ению головной опытно-про­
мышленной ВП ГУ на 250 МВт, ведется проектирование промыш­
ленных установок мощностью 6 0 0 —700 МВт. В перспективе наме-

а
Уголь
Воздух
Рис. 3.7. Схемы: а — ВПГУ с низкоиапорным парогенератором; б — ВПГУ с вы­
соконапорным парогенератором; в — ВПГУ с котлом-утилизатором; г — ВПГУ
со смешением рабочих тел; 0 — МГДУ с предварительной газификацией угля;
е — ТЭС с топливными элементами (ЭХГ с расплавом карбоналов).
1 — топливоподготовка; 2 — пылеочистка; з — сероочистка; 4 — паровая турбина; 5 —
электрогенератор; в — конденсатор; 7 — подогреватели низкого давления, 8 — питатель­
ный насос; 9 — подогреватели высокого давления; 10 — газогенератор; И — газовая
турбина; 12 — компрессор; 1 3 — низконапорный парогенератор; 14 — высоконапорный
парогенератор; 15 — теплообменник; 16 — камера сгорания; 17 — котел-утилизатор;
1 8 — МГД-генератор; 1 9 — установка разделения воздуха; £0 — инвертор; 21 — установка
улавливания присадки; 2 2 — топливные элементы (электрохимический генератор); 2 3 —
камера дожигания.

Электро -
энергия

чается создание парогазовых блоков на угле единичной мощностью
1000— 1500 МВт [44,105]. При освоении угольных ИГУ полезным
будет уже накопленный в пашей стране опыт сооружения и эк­
сплуатации установок такого типа на жидком и газообразном топ­
ливе мощностью от 50 до 200 МВт.
Основными проблемами широкого применения ВГТГУ являют­
ся: а) создание падежных, высокоэффективных газогенераторов па
давление 2 —3 МПа приемлемой производительности; б) освоение
высокотемпературной очистки генераторного газа и в) разработка
высокотемпературных газовых турбин (ГТ).
Технико-экономические показатели ВИГУ сильно зависят от
ее схемы, типа используемого газогенератора и особенно от темпе­
ратуры газа на входе в ГТ. Прорабатываются ГТ на уровни темпе­
ратур 1500 К (воздушное охлаждение рабочих лопаток), 1700 К
(водяное охлаждение рабочих лопаток) и 1900 К (изготовление
высокотемпературных элементов из керамики). Предполагаемый
рост КПД ВПГУ при этом — до 45 % [175, 189, 206]. Исследуются
четыре принципиально различные схемы ВПГУ: с низко- и высо­
конапорным парогенераторами (рис. 3.7, а, б), с котлом-утилизато­
ром (рнс. 3.7, в) и со смешением рабочих тел (рис. 3.7. г).
В [105, 206] предпочтение отдается двум последним схемам.
ПГУ с КС под давлением еще не прошли опытной проверки. Вво­
дятся в строй первые ОПУ электрической мощностью 13 МВТ в США
п 24 МВт в ФРГ [23, 197]. Основные проблемы здесь — отсутствие
отработанных технологий сжигания угля в КС под давлением и вы­
сокотемпературной очистки дымовых газов от пыли, а также ГТ
на запыленном рабочем теле.
В качестве альтернативы П ГУ с КС под давлением предлага­
ются ПГУ с атмосферным КС: с ГТ на воздухе (открытый цикл)
или на гелии (замкнутый цикл), а также газотурбинные установки
(ГТУ) замкнутого цикла на гелии или углекислом газе с топкой
КС при атмосферном давлении — рис. 3 .23 [23, 188, 189, 198]. Про­
гнозируемый КПД ПГУ с К С —40—40,5 % [188, 198], дальней­
шее повышение его ограничено температурой в КС.
С внедрением в энергетику МГД-генераторов — устройств пря­
мого преобразования тепловой энергии в электрическую — можно
надеяться на повышение КПД ТЭС на 50—55 % с пропорциональ­
ным сокращением выбросов в атмосферу твердых частиц и тепло­
вого загрязнения водоемов. В М ГДУ есть условия для практически
полного связывания оксидов серы ионизирующей присадкой — кар­
бонатом калия. Проблема выбросов оксидов азота в значительной
мере может быть решена организацией двухступенчатого сжигания
топлива в камере сгорания.
Исследуется два варианта использования угля в МГДУ:
а) прямое сжигание в камере сгорания и б) переработка (газифи­
кация, пиролиз) с последующим сжиганием в камере сгорания
низкокалорийного газа (рис. 3.7.6), предварительно очищенного ог
пыли и соединений серы. По экономическим соображениям предпо­

чтение отдается первому варианту, который потому и развивается
более интенсивно [103, 173, 196].
За рубежом (в США) завершается сооружение первой крупной
МГДУ с прямым сжиганием угля мощностью 50 МВт (т), вслед
за которой намечается строительство ОМУ на 125—250 МВт (т)
[135. 196]. Первые промышленные М ГДУ предполагается создать
в начале 90-х годов; в начале следующего века их единичная мощ­
ность должна достичь 1500—2000 МВт. При этом КПД составит
46-47 % [225, 230].
В СССР сооружается головная МГДУ электрической мощ­
ностью 50 МВт на природном газе. На нескольких небольших опыт­
ных установках ведутся исследования по использованию в МГДУ
угля. Первую крупную ОПУ такого типа намечается создать в
1995 г. [135].
Основные проблемы создания М ГДУ на твердом топливе со­
стоят в разработке камеры сгорания на угле, МГД-канала с рабо­
чим телом, содержащим пары золы, эффективной системы улавли­
вания и регенерации ионизирующей присадки, высокотемператур­
ных воздухоподогревателей и системы предотвращения образования
оксидов азота или пх полного извлечения из дымовых газов.
Исследуются М ГДУ открытого и замкнутого циклов. Наиболее
подготовленной к промышленному внедрению в СССР, впрочем,
как и во всем мире, является схема МГДУ открытого цикла с ав­
тономным подогревом окислителя и паровой турбиной в нижнем
цикле.
В нашей стране ведутся исследования, теоретические и на ла­
бораторных установках, МГД-генераторов с 7-слоем (температур­
ным слоем) [133, 134]. 7 -слой представляет собой возникающую в
результате периодического электрического импульса ударную волну
с температурой около 10000 К, распространяющуюся в МГД-ка-
нале со скоростью 5 км/с. Средняя ж е температура плазмы оказы­
вается меньшей, чем в обычных МГД-генераторах.
Благодаря высокой электропроводности 7-слоя появляется воз­
можность работы на продуктах сгорания без ионизирующей присад­
ки. Другие потенциальные достоинства этой технологии заклю­
чаются в возможности а) непосредственного получения переменного
тока и б) снижения требований к конструкционным материалам в
связи с уменьшением температуры в канале. Идея 7-слоя успешно
реализована в небольших лабораторных каналах. Однако при
переходе на установки больших размеров возникла проблема удер­
жания 7-слоев от разрушения при их движении вдоль канала.
С целью повышения КПД генерирования электроэнергии за ру­
бежом ведутся довольно интенсивные НИОКР но созданию другого
класса устройств прямого преобразования тепловой энергии в
электрическую — терм оэмиссионны х генераторов (ТЭГ)— высоко­
температурных надстроек к ИТУ и ИГУ, а также устройств пря­
мого преобразования химической энергии топлива в электриче­
скую— электрохимических генераторов (ЭХГ).

В США монтируется и у ж е действует около 20 опытных ТЭГ
первого поколения единичной мощностью до 10 МВт и с удельной
мощностью N v — 20—50 кВт/м2; КПД генератора 10 % [15, 210].
К 1995—2000 гг. предполагается создание ТЭГ второго поколе­
ния—с Л„= 100 кВт/м2 и КПД до 20 % [186, 210, 226], а в на­
чале следующего века — третьего (с N v до 200 кВт/м2 и КПД до
80 —35 % [186, 213, 228]. При использовании последних суммарный
КПД ИТУ с ТЭГ оценивается в 44—45 %, а ПГУ с ТЭГ-
в 46—47 % [43, 181, 186]. Однако при этом не решается проблема
снижения вредных выбросов (в некоторых случаях она даже усу­
губляется), усложняются условия работы теплогенератора, снижа­
ются его надежность и маневренность. Имеется много трудностей
и в разработке самих термоэмиссионных генераторов: нужно вы­
брать материалы и конструкцию, способные длительно и надежно
работать в условиях высоких температур, больших электрических
и тепловых потоков.
Первая электростанция с ЭХГ мощностью 4,8 МВт на углево­
дородном топливе у ж е несколько лет довольно успешно эксплуа­
тируется в Нью-Йорке, ее КПД — около 37 % [190, 219]. Первые
ОПУ с ЭХУ на продуктах газификации угля мощностью 50 —
150 МВт должны появиться к 2000 г., а первые промышленные на
300—600 МВт — к 2010 г. [175, 199]. Однако прежде предстоит
решить немало сложных проблем: коррозии реактора, большого
расхода дефицитных материалов, высокой стоимости оборудования
и ряд других. В то же время ЭХГ обладают уникальными достоин­
ствами: потенциально высоким КПД, недостижимым ни в какой
другой энергетической технологии, превосходными маневренными
качествами, высочайшей степенью автоматизации и модульности,
экологической чистотой и т. д ., чем и привлекают многочисленных
исследователей.
Разрабатываются ЭХГ трех типов: низкотемпературные (с фос­
форно-кислым и щелочным электролитами), среднетемпературные
(с расплавом карбонатов) и высокотемпературные (с твердым
электролитом). Наиболее перспективными считаются два послед­
них. На рис. 3. 7, е приведена схема ТЭС с ЭХГ с расплавом кар­
бонатов [55]. Однако применение средне- и высокотемпературных
топливных элементов влечет за собой существенное усложнение
тепловой схемы ТЭС. Д л я утилизации энергии высокотемператур­
ных потоков после ЭХГ приходится устанавливать дополнительное
энергетическое оборудование (газовые и паровые турбины, котлы-
утилизаторы и т. д.). В результате теряются многие достоин­
ства ЭХГ.
В Советском Союзе работы по термоэмиссиоиным и электрохи­
мическим генераторам ведутся в довольно широких масштабах.
В 1970 г. пущен в эксплуатацию ТЭГ «Топаз» электрической мощ­
ностью 10 кВт, где в качестве источника энергии используется
ядерлый реактор [138]. В Институте электрохимии Уральского от­
деления АП СССР разработаны и испытаны высокотемпературные
топливные элементы с твердым электролитом. По расчетам ТЭС на

их основе, использующая природный газ, обеспечит КПД производ­
ства электроэнергии 55—60 %. При утилизации теплоты для целей
теплоснабжения суммарный КПД ТЭС повышается до 80 %. Соз­
данные ЭХГ могут работать и на генераторном газе из угля [19].
Тем не менее перспективы широкого применения в энергетике
страны ТЭГ и ЭХГ пока не ясны. Поэтому в настоящее время ещ е
нет принятых к реализации проектов опробования этих технологий
(энергетического назначения) в промышленном масштабе — на
угольных ТЭС.
За рубежом ведутся работы по созданию бинарных установок
с низкотемпературным органическим циклом Генкина (ОЦР). на­
пример ПТУ с ОЦР, ГТУ с ОЦР и др. [204, 209, 235], а также
трпарных: ПТУ на парах калия + ПТУ на водяном паре + ОЦР,
ГТУ на дымовых газах + ИТУ на водяном паре + ОЦР и т. д.
[66. 189, 227]. Получаемый при этом выигрыш (часто небольшой)
в КПД. по всей видимости, не компенсирует экономических потерь,
связанных с высокими капиталовложениями, сложностью тепловой
схемы, а потому низкой надежностью, плохими маневренными каче­
ствами технологий такого типа.
В последние годы все более усиливается интерес к разработке
комбинированных (многопродуктовых) энергоустановок, что, но
нашему мненпю, является отражением объективных тенденций раз­
вития техники: ресурсосбережения и увеличения комплексности ис­
пользования сырья. Вообще, сама природа ископаемых органиче­
ских топлив, подавляющее большинство которых является смесью
многих химических элементов и соединений, предопределяет воз­
можность их комплексного использования.
Особенно богаты «побочными компонентами» бурые угли, го­
рючие сланцы и тяжелые нефти, т. е. те ресурсы, которые мы сей­
час квалифицируем как низкокачественные! Из них можно извле­
кать металлы (в том числе очень дефицитные, например редкозе­
мельные), получать различные неорганические и органические
вещества (соединения серы и азота, бензол, фенолы и т. д.). Зола
уже потребляется во многих отраслях народного хозяйства.
В связи с истощением концентрированных запасов многих хи­
мических элементов и соединений органические топлива могут
стать важным дополнительным источником их получения. В каче­
стве примера в табл. 3. 1 приведены содержания некоторых хими­
ческих элементов в канско-ачинских углях и годовые объемы вы­
бросов их в окружающую среду от ГРЭС мощностью 4800 МВт
[51, 95].
Из табл. 3. 1 видно, что абсолютные размеры выбросов многих
химических элементов огромны. Основная их доля в виде шлака и
уловленной золы концентрируется в золоотвалах. Оставшаяся часть
в конденсированном (летучая зола) и газообразном состояниях
вместе с потоком дымовых газов поступает в атмосферу и распре­
деляется по большой территории. Из золоотвалов осуществляю тся
вторичные выбросы (с пылением, выщелачиванием и т. д.). Все
это ведет к накоплению в почве микроэлементов. Избыток иекото-

Таблица 3.1. Содержание некоторых химических элементов в КАУ (51,
DoJ и годовые выбросы их * в окружающую среду от ГРЭС мощностью 4800 МВт
(расход угля 25 млн т в год)
Содержание элемента п у г л е /зо л е , к г /'j■Годовые выбросы элемента, т/год
Элемент
Прша-Боро-
дпнскпй
Березонекий
Пазаров-
CKIlft
Прша-Бо-
родпнекнй
Березов­
ский
Назаров-
ский
1
о
3
4
5
6
7
Кремнии
13,5
0,30
10,6
337,0-103 160,0-103 266,0 -10»
220,0
141,0
145Д)
Кальции
11,4
13,7
16,7
284,0-103 341,0-103 418,0-103
180,0
300,0
229,0
Алюминии
4,21
2,65
5,04
105,3-103 66,3-103 126,0-103
08,8
58,2
68,8
Железо
3.48
2,87
9,22
85,8-103 71,8-103 231,0-103
50,0
03,0
126,0
Сера
2,04
1,74
3,76
51,0 -103 43,5-103 94,0-103
Магнии
1,86
1,66
0,88
46,5-103 41,5-103 22,0-103
30,4
36,5
12,0
Калий
0,255
0,379
0,304
6,38-103 9,48-103 7,60-103
4,10
8,32
4,16"
Натрии
0,227
0,338
0,272
5,68-103 8,45-ю3 6,75-103
'3,71
7,42
3,71"
Титан
0,184
0,228
--- .
4,60-Ю -з 5,7010-3
—
3,00
5,00
Марганец
0,184
0,137
0,160
4,60-103 3,43-Ю3 4,00-10»
3,00
3,00
2,17'
Барий
—
—
0,072
—.
1,80-Ю3
бдГ
Цирконий
12.2-10"3 13,7-10“3
__
_
305,0
343,0
—
200-10-3
300- Ю"3
Бор
12,2-10"3 3,64-10~3 16,0-Ю-з
305,0
91,0
400,0
200-10"3 80,0-Ю_3 220-10~7~
Фгор
6,12-10'3 4,55-10-3
153,0
114,0
—
100. Ю"3
100-to-3
Ванадий
3,06-10~3 3.19-to-3 3,07-Ю-з
76,5
79,8
76,8
50,0-10_3 70,0-10-3 42,0-10-3“
141,0
Никель
1,84-Ю -3 2.87.10-3 5,64- Ю-з
46,0
71,8
30,0-10-*
63,0-Ю-з 77,0 -10-^~
X ром
1,84-10-3 1,37-Ю -3 1,76-Ю-з
46,0
34,3
44,0
~зо,о-ю-3
ЗО.О-Ю-з 24,0-10-^'
Цинк
1,84-1О"3 1.37 . К)"3
46,0
34,3
—
30,0-10а
30,0 -Ю -з

1
2
з
4
5
6
7
Молпбден
1.84-10“3 0,091 Ю-з
.
46,0
2,28
30,0 -10~3 2,00-10-з
Литий
1.84-10-з
—
—
46,0
30,0 -10-3
Кобальт
0,61-Ю -з
2,28-10-з
—
15,3
57,0
__
10,0 Ю-з
50-Ю-з
Медь
0,61-Ю-з
0,68-10-з 4,76-Ю -з
15,3
17,0
119,0
10,0-10-з
15,0-Ю-з 65,0-10-з
Иттрий
0,61-Ю-з
—
—
15,3
-
-
__
10,0 Ю-з
Свинец
0.49-Ю -з
' 8,010-з
0,46-10-з
10,0-10-з
1,61-10-з
22,0-10-з
12,3
11,5
40,3
Галлий
—
—
0,66-10-з
9,0 -Ю-з
—
—
16,5
Бериллий
0,24 -10-з
0,046-10-з 0,44-10-з
6,00
1,15
11,0
4,0 -10-з
1 ,0-Ю-з
6,0 .10"3
Олово
0,18-10-з
'3,0-ю -з
0,091-10-з
2,0-10-з
—
4,50
2,28
—
Мышьяк
0,025-Ю -з
0,4-10-з
0.182-Ю -з
4,0-10-з
—
6,25
4,55
—
Кадмий
6,12 -10-«
10010-6
13,7 10-е
300-Ю-з
—
0,153
0,343
—
Серебро
1,84-10-6
зо,о-ю -«
1,8210-6
40,0-Ю-з
—
0,046
0,046
—
Ртуть
1,53*10-6 3,64-Ю -з
—
0,038
0,091
—
25,0 -10-6 80,0-10-6
* В чистом виде и в составе различных соединений (в конденсированном и газообраз­
ном состояниях).
рых из них отрицательно сказывается на ее плодородии, а также
па здоровье людей, употребляющих в пищу продукты питания,
полученные на таких (загрязненных, отравленных) землях.
Работы по созданию многопродуктовых энергетических пред­
приятий развиваются в двух направлениях:
1) повышение комплексности использования вещества угля на
ТЭС;
2) комбинирование энергоустановок с технологиями переработ­
ки угля.
Потенциальные возм ож ности многопродуктовой ТЭС иллюст­
рируются рис. 3.8. Из дымовых газов извлекаются соединения
серы и азота, которые затем перерабатываются в товарные продук­
ты [223]. Особенно благоприятные условия для производства в боль-
11 Б. М. Каганович, С. П. Филиппов, Е. Г. Анциферов
161

Чистые
дымовьге газы
е атмосфере/
Сера
Серная кислота
Сернокислый натрий
Сернокислый аммоний
Гипс
Азотная кислотаитд.
Очистка
Дымовые
газы
Строительные материалы
Рис. 3.8. Потенциальные возможности комплексного исполь­
зования угля.
шпх масштабах соединений азота имеются в перспективных типах
ТЭУ: высокотемпературных ГТУ и МГДУ. Зола и шлак направ­
ляются либо непосредственно потребителям, либо на переработ­
ку — неглубокую или глубокую.
Наиболее крупными потребителями золошлаковых отходов мо­
гут быть:
—
строительная индустрия (для производства цемента, кирпи­
ча, шлакоблоков, аглопоритового гравия, газозолобетона. шлакозо-
логранулята и т. д .);
—
дорож ное строительство (как компонепт основы автодорог):
—
гидротехническое строительство (для обвалования дамб).
В 1983 г. в стране на эти цели было утилизировано 10.8 млн. т
твердых отходов ТЭС, что составляет 10.8 % их суммарного годо­
вого выхода [7]. Состав потребителей золы и шлака ТЭС и схемы
их переработки определяется элементным составом и свойствами
минеральной части угля, а также условиями его сжигания. По дан­
ным ВТИ уж е в настоящее время 50—70 % ежегодного выхода
твердого остатка ТЭС м ож ет быть рекомендовано для потребления
в различных отраслях народного хозяйства [7].

Рис. 3.9. Схема глубокой переработ­
ки канско-ачпнского угля на глино­
зем. ферросилиций и цемент.
1 — шихтовка; 2 — ТЭС с жидким шла-
коудалением: 3 — охлаждение, рассыпа­
ние и грохочение шлака; 4 — содовое вы­
щелачивание; 5 — фильтрация и промыв­
ка шлама; в — выпарка; 7 — обескремни-
ванне; 8 — производство строительных
материалов; 9 — карбонизация; 10 —
кальцинация.
1 —• жидкий ишак; II — алюмокальцие-
вый шлак; III — пульпа; IV — промывоч­
ная вода; V — алюминатный раствор;
VI — шлам; VII — гидроокись алюми­
ния; VIII — водяной пар; IX — оборот­
ный раствор.
В ряде организаций страны
ведутся работы по глубокой
переработке золы и ш лака.
Сотрудниками Казахского НИИ
энергетики и Казахского поли­
технического института на ос­
нове проведенных лаборатор­
ных исследований и опытно-
заводских испытаний доказа­
Электроэнергия
Глиндзем
ны принципиальная возможность и техническая осуществимость
глубокой переработки минеральной части экибастузских и канско-
ачппских углей на глинозем, ферросилиций и цемент [142]. Соот­
ветствующая технологическая схема приведена на рис. 3 . 9 .
Перед сжиганием в циклонной топке КАУ дошихтуется алю­
мосиликатами (вскрышные породы, глины, золы и т. п .) в количе­
стве 1—4 % от веса угля с целью связывания избытка СаО в сое­
динения 2СаО • Si02 и 12СаО • 7А1гОз. В результате уменьшается
вязкость жидкого шлака, содержание глинозема в нем увеличи­
вается до 15—25 %. Кроме того, резко уменьшается шлакование
поверхностей нагрева (из-за сокращения кальциевых отложений)
и снижается способность КАУ к самовозгоранию.
После охлаждения и рассыпания шлак проходит стадию гро­
хочения. Выделенный ферросилиций (фракции 1—3 мм) в качестве
товарного продукта отправляется на производство чугуна и стали.
Оставшийся материал (размером менее 1—3 мм) — саморассыпаю-
щиеся алюмокальциевые шлаки — подвергается гидрометаллургиче­
ской переработке. Сначала осуществляется содовое выщелачивание.
Основной продукт этого процесса — алюминиевый раствор далее
перерабатывается в глинозем по известной технологии. Образую­
щийся при выщелачивании шлам является сырьем для производства
белого цемента.
Источниками жидкого шлака помимо указанной на рис. 3 .9
циклонной топки могут быть камеры сгорания М ГД-геператоров и
высокотемпературные газогенераторы (плазменный, с расплавом
ж елеза). Экономическая целесообразность глубокой переработки

Моторнь/е
топливо
АГБТ
угол*
7~ “Г
Воздух Шуусг^
СеРа
Д,ь*лювь*е
гсгзь/
Серо
Моторные
топлива
/С5Т
Уголь
Воэду*
Дь/моеь/е
г °3ь/
Моторные^
топлива
КБТ
т
А
ЛСЛ
—
'
/ 7сГ
Серег HNQ
М
1~1Г/22
ПТУ с пиролизом угля; б — ПГУ с пн-
Воздух
Электроэнергия
Рис. 3.10. Комбинированные схем ы: a
ролизом угля; в — МГДУ с пиролизом угля.
J — пиролизер; 2— циклон; 3 — парогенератор; 4 — пылеочпетка; 5 — сероочистка ды­
мовых газов; 6—паровая турбина; 7— электрогенератор; 8 — конденсатор; 9 — пита­
тельный насос; 10—блок конденсации и разделения смолы; и — сероочистка пнро-
шзного газа; 12—отделение переработки легкой смолы; 13 — отделение брнкетирова-
ия; 14—компрессор пиролизного газа; 15 — электродвигатель; 16 — воздушный иомп-
iccop; 17—газовая турбина; 18 — камера сгорания; 19— МГД-генератор; 20— высо-
'температурный воздухоподогреватель; 21 — котел-утилизатор; 22 — отделение полу­
чения серы и азотной кислоты.
f —полукокс; ГЛ —газ пиролиза; ЛС— легкая смола; ТС — тяжелая смола- г ’ ~
присадка в МГД-генератор.

шлаков еще нуждается в обосновании, тем более что при высоко­
температурном сжигании углей, как правило, усугубляется пробле­
ма обеспечения экологической чистоты газовых выбросов в атмо­
сферу.
Что касается комбинирования энергоустановок с технологиями
переработки угля, то здесь наиболее активно исследуется несколько
вариантов. На рис. 3 .1 0 . а, б показаны схемы ТЭУ разного типа,
комбинированные с процессами пиролиза [8, 64, 223].
В результате пиролиза получают искусственные жидкие топ­
лива — моторное и котельное (из легких и средних фракций смолы)
п твердое коммунально-бытовое топливо — КБТ (путем брикетиро­
вания полукокса с тяжелой смолой). Для производства электро­
энергии используются пиролизный газ и оставшаяся часть полукок­
са. В схеме с Г1ТУ (см. рис. 3 .10, а) они совместно сжигаются в
котлоагрегате. В случае применения ПГУ (см. рис. 3. 10, б) пиро­
лизный газ направляется в камеру сгорания ГТУ. Продукты сго­
рания после газовой турбины сбрасываются в топку котла паро­
турбинного блока, основным топливом которого служ ит полукокс.
Комбинирование пиролиза с ПГУ увеличивает КПД преобразо­
вания угля. При этом снижаются капитальные затраты в энерго-
генерирующую часть, так как около 20 % электроэнергии вырабаты­
вается на более дешевой газотурбинной установке.
Газ пиролиза перед сжиганием очищается от соединений серы.
Несмотря на это, обе схемы не имеют решающих экологических
преимуществ относительно традиционных ПТУ, поскольку около
80 % серы и 85 % азота исходного угля остается в полукоксе [72].
При комбинировании пиролиза с МГДУ (рис. 3. 10, в) полу­
кокс сжигается в камере сгорания МГД-генератора, а пиролизный
газ — в автономном воздухоподогревателе, нагревая воздух до
2000—2250 К [223]. Одновременно с электроэнергией, ИЖТ и КБТ
здесь вырабатываются азотная кислота и сера. Сырьем для двух
последних продуктов служ ат оксиды азота и серы, извлекаемые из
дымовых газов. Данная схема по сравнению с предыдущими обес­
печивает следующие преимущества:
—
повышение коэффициента полезного использования топлива
благодаря высокому КПД энергоблока;
—
резкое сокращение выбросов в атмосферу токсичных соеди­
нений серы и азота в результате очистки дымовых газов;
—
увеличение выхода неэнергетических продуктов на единицу
потребляемого угля; производство в больших масштабах азотной
кислоты за счет фиксации атмосферного азота при высокотемпера­
турном сжигании;
—
существенное уменьшение теплового загрязнения водоемов.
В разделах 3. 4 и 3. 5 обсуждаются другие возможные схемы
комбинирования ТЭУ с технологиями углепереработкн: основанные
на процессах «последовательная газификация плюс синтез ИЖТ»
(разд. 3 .4 ) и каталитического пиролиза (разд. 3 .5 ).
В целом внедрение комбинированных технологий, на наш
взгляд, должно не только улучшить экономические, энергетические

п экологические показатели производства электроэнергии, сделать
ТЭС нечувствительными к качеству сж игаемого топлива, но и в
значительной мере способствовать созданию промышленности син­
тетических ж идких топлив.
Развитие технологий переработки угля
Рассмотрим кратко состояние п перспективы НИОКР по раз­
витию способов н техники переработки угля в более качественные
энергоносителя. Для этого обратимся к классификации (см. рис. 1 .2).
Начнем с техпологий гидрирования. Разрабатываются две
группы процессов этого класса: гидрогенизация — с целью полу­
чения ИЖТ и гидрогазнфикация — для производства заменителя
природного газа (ЗП Г ).
Процессы гидрогенизации в свое время получили довольно ши­
рокое промышленное внедрение: к 1940 г. в мире функционировало
около 20 заводов. Мощность самого крупного составляла 600 тыс. т
ИЖТ в год. Однако КПД их был очень низок — не более 25—30 %
[82. 152]. В итоге стоимость получаемого ИЖТ в несколько раз пре­
вышала стоимость аналогичных продуктов из пефти.
Исследования последних 10— 15 лет позволили существенно
улучшить многие показатели технологий гидрогенизации: упростить
технологическую схему, снизить давление с 30—70 до 7— 14 МПа,
в несколько раз уменьшить расход водорода, существенно интен­
сифицировать процесс и т. д. За рубежом осуществляется широкая
программа апробации предложенных технологий (Н-Coal, Synthoil,
SRC, Concol, SGE и др.) на укрупненных установках (мощностью
в несколько десятков тонн угля в ч а с ). Выполнены проекты про­
мышленных заводов на 5—10 млн т ИЖТ в год; КПД их — 50—
65 % в зависимости от ассортимента получаемых продуктов
[152, 172].
В СССР исследуются несколько альтернативных способов гид­
рогенизации. Наиболее продвинуты работы в Институте горючих
ископаемых, разработан процесс, характеризующийся высокой глу­
биной превращения органической массы угля, достигающей 90 %
при выходе ж и д к и х продуктов до 85—90 %, небольшим давлением
(около 10 МПа), низким расходом водорода [121]. Однако в укруп­
ненном масштабе он пока не проверен. Сооружаются две установки:
на5и75туглявчас.
Основные технические проблемы технологий гидрогенизации:
уменьшение коррозии и износа оборудования, создание мощных и
надежных установок но разделению гидрогенпзата, дальнейшая ин­
тенсификация процесса, сокращение расхода водорода и потерь де­
фицитных металлов с
катализатором
и
некоторые другие
1152, 184].
Процессы гидрогазифнкацпи, предназначенные для производ­
ства высококалорийного газа, в СССР практически не разрабатыва­
ются ввиду обеспеченности страны природным газом. За рубеж ом
же в этом направлении ведутся интенсивные НИОКР. К промыщ-

ленной реализации подготовлено несколько технологий (Ilygas, Ilyd-
rane, Exxon) [83, 185]. На наш взгляд, в Советском Союзе тоже име­
ются условия для эффективного применения высококалорийного
искусственного газа, например в районах, удаленных от крупных
месторождений природного газа, но богатых низкокачественным
углем. Следовательно, работы по гпдрогазифнкацпп следует разви­
вать и в СССР.
Среди способов переработки угля наибольшим разнообразием
характеризуются технологии газификации, что нашло отражение в
нашей классификации. Работы ведутся в двух направлениях:
—
по производству синтез-газа (СО + Нг), для чего обязатель­
но применение безбалластного дутья (парокнслородной смеси, дио­
ксида углерода, водяного пара);
—
по превращению угля в низкокалорийный газ (тогда можно
использовать несравненно более дешевое паровоздушное дутье).
В Советском Союзе в свое время был накоплен богатый опыт
эксплуатации газогенераторов. В середине 50-х годов в стране на­
ходилось в эксплуатации свыше 350 газогенераторных станций, на
которых было установлено около 2500 газогенераторов различных
систем. В основном это были мелкие газогенераторы со стационар­
ным и псевдоожиженными слоями угля, работавшие при атмосфер­
ном давлении. Годовая выработка искусственного газа достигла в
1958 г. 37 млрд нм3 [5]. После 1960 г. связи с открытием круп­
ных месторождений дешевого природного газа его производство из
угля стало экономически невыгодным, и потому большинство дей­
ствующих генераторов было демонтировано. В 1978 г. выработка
искусственного газа в СССР составила лишь 1,5 млрд н м 3. Подав­
ляющая его часть была получена методом подземной газпфпкацпп.
В последние 10— 15 лет интерес к газификации угля в стране
возобновился. Сооружено несколько опытных установок. Однако пх
количество явно недостаточно для осуществления крупномасштаб­
ных и комплексных исследований. Кроме того, имеется настоятель­
ная потребность в крупных ОПУ.
За рубежом несколько процессов газификации первого поколе­
ния (при атмосферном давлении) освоены в промышленности. Дей­
ствует около 200 газогенераторов производительностью до 100—
150 тыс. н м 3 газа в час [139], но их технико-экономические показа­
тели современным требованиям не удовлетворяют. Поэтому и там
тоже ведутся соответствующие НИОКР, цель которых — повыше­
ние интенсивности процессов и единичной производительности ус­
тановок, снижение пх габаритов, применение повышенного давле­
ния, увеличение КПД, уменьшение стоимости и улучшение качест­
ва вырабатываемого газа, сокращение вредных выбросов.
Наряду с совершенствованием известных способов газификации
(в стационарном и псевдоожиженном слоях и в пылеугольном пото­
ке) создаются принципиально новые (в расплаве железа и соли, с
использованием катализаторов и т. п .) [6]. Очень многообещающей
представляется технология плазменной газификации, обеспечиваю­
щая чрезвычайно высокую интенсивность процесса, что позволит

резко сократить габариты газогенератора и его стоимость и создать
установки большой единичной мощности [74, 75]. В последние годы
в ряде стран, прежде всего в СССР, Японии и США, в этом направ­
лении развернуты интенсивные НИОКР. В связи с этим мы поста­
вили перед собой задачу изучить перспективы данного способа пре­
образования угля. Результаты обсуждаются в разд. 3.3.
Низкокалорийный газ производится, как правило, с целью
снабжения близлежащих потребителей более качественным и чис­
тым топливом, чем исходный уголь. Что касается синтез-газа (СГ),
то после очистки он направляется на синтез или перерабатывается
в водород (путем полной пароводяной конверсии оксида углерода).
Продуктами синтеза могут быть жидкие или газообразные углеводо­
роды (т. е. ШКТ и ЗПГ) или спирты (например, метанол).
Промышленное внедрение получил синтез ИЖТ методом Фи­
шера — Тропша. В ЮАР действует завод мощностью 230 тыс т/год
по ИЖТ. Коэффициент превращения угля в жидкие продукты со­
ставляет примерно 35 %• Сооружается вторая очередь завода на
2.2 млн т ИЖТ в год с усовершенствованной технологией; КПД —
40-42 %[152, 221].
Синтез метанола также освоен в промышленных масштабах.
Однако сырьем действующих установок является в основном при­
родный газ. Для перехода на уголь необходимо создать мощные
газогенераторы и отработать систему очистки СГ [116].
Общими задачами совершенствования технологий синтеза ИЖТ
и метанола являются увелпченпе селективности процесса, степени
конверсии сырья за проход н объемной скорости подачи его в
реактор.
С целью повышения селективности превращения СГ в моторные
топлива фирма «Мобил» предложила технологию, в которой сначала
синтезируется метанол, который далее превращается в бензин. Но
при этом усложняется схема установки и уменьшается ее КПД.
Интересным представляется способ Института катализа СО АН СССР,
где разработаны катализаторы, позволяющие совместить процессы
синтеза метанола и его превращения в моторные топлива в одном
реакторе. При этом повышены степень конверсии СГ на проход и
объемная скорость его подачи [48].
Синтез ЗПГ в СССР по названным выше причинам развития
ие получил. За рубежом ведутся довольно интенсивные НИОКР,
разрабатывается большое число технологий (Lurqi-SNG, Synt-liane,
Bigas и др.) [83, 152, 185].
Важнейшей особенностью технологий производства ИЖТ или
ЗПГ методом последовательных газификации и синтеза (ПГС) яв­
ляется большое тепловыделение, что делает пх перспективными для
комбинирования с энергоустановками. Подробнее эти проблемы об­
суждаются в разд. 3.4.
Достоинствами технологий пиролиза являются, как правило,
невысокие давление и температура, простота технологической схе­
мы, нечувствительность к качеству поступающего угля, возможность
комплексного использования сырья и т. д . Главные недостатки —

малый выход п низкое качество жидких продуктов. С целью их
устранения процесс пиролиза разрабатывается во многих модифи­
кациях: скоростной, каталитический, окислительный и т. д. а также
в комбинации с другими процессами: гидропиролиз, экстрактивный
пиролиз и др.[ 106, 185].
Технологии пиролиза первого поколения (медленный пиролиз)
используются в промышленности. Современные технологии прове­
ряются на многочисленных небольших установках. В СССР соору­
жена ОПУ по переработке 175 т угля в час. Имеются проекты более
мощных установок [72].
Выше рассматривались в основном дифференцированные про­
цессы. НИОКР по интегрированным технологиям ведутся пока в
весьма ограниченных масштабах (серьезно прорабатывается лишь
газификация с подводом теплоты от ядерного реактора [41]).
Прогноз технико-экономических показателей
С целью подготовки прогнозной технико-экономической инфор­
мации по перспективным угольным технологиям, необходимой для
проведения исследований с помощью системной модели МОСТ, на­
ми были выполнены соответствующие расчеты. С использованием
изложенных выше классификационных построений составлен спи­
сок конкурирующих установок. Расчеты проводились на основе ук­
рупненных технико-экономических характеристик отдельных эле­
ментов технологических схем. Необходимая для этого информация
была частично получена из соответствующих опубликованных ма­
териалов различных отечественных организаций и зарубежных
фирм, а частично — расчетным путем с применением разработан­
ных нами математических моделей. Результаты расчетов приведены
в табл. 3.2. При оценке показателей ПГУ и МГДУ использовались
данные, полученные ранее совместно с В. Л . Ш теренбергом (Ин­
ститут высоких температур АН СССР) [223].
3.3. ПЛАЗМЕННАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ
Прежде всего кратко рассмотрим возможный спектр примене­
ния плазменной технологии в энергетике (рис. 3 .11).
Из рис. 3 .11 видно, что обширной областью использования плаз­
менных процесосв может стать переработка угля. Здесь выделим
два больших направления в интенсивно ведущихся НИОКР: по плаз­
менному пиролизу и плазменной газификации.
Плазменный пиролиз (а он разрабатывается в несколькпх ва­
риантах, например гидропиролиз) по сравнению с традиционными
процессами, видимо, будет обладать рядом достоинств: меньшими
техническими трудностями достиж ения большей скорости пагрева
частиц угля, что, как известпо [157, 166], благоприятствует увели­
чению удельного выхода и повышению качества смолы, большей
скоростью реагирования исходных веществ и т. д.

Таблица 3.2 . Оценки перспективных технико-экономических показателен
конкурирующих технологии использования угля *
Относительные экономические показлт»-
ли**
Технология, ее характе- Полный КПД
ристпки и параметры
(нетто)
Капитало­
приведенные затраты при
стоимости топлива
с
вложения
S?
260 руб/ТДж 850 руб ТДж
1
2
3
4
5
6
I. Энергетические >ста-
новкп
1
ПТУ с традиционным
НА без СО (эталонная
технология); ПТ: N =
= 500 МВт; Т=818/
818К;Р= 23.5МПа
37,0
1
1
1
2
Тоже.сСО***50°о
1,11—1,15
дымовых газов
36.2 -36,4 1,14-1.17
1,07-1,11
3
То же. с СО100°о
1.20—1,27
дымовых газов
35,4—35,8 1,28-1,33
1,14-1 .21
4
ПТУ с малогабарит­
нымКАис50°6дымо­
вых газов; ПТ: X =
= 500-г800 МВт; Т=
= 818/818 К;
Р=
= 23.5 МПа
36.2 -36,4 1,13-1 .16 1.09 -1 .14 1,07-1,11
5
То же, с СО100?о
1.18-1,26 1,14-1,21
дымовых газов
35,4—35,8 1.26—1.30
6
ПТУ с КА факельным
сжиганием и с СО 50 ?о
дымовых газов; ПТ:
-V = 5004-800 МВт; Т =
= 923873/873 К; Р=
= 38.0 МПа; 7\. =
= 373К
38,3-42 .5 1,41-1,46 1.26-1 .33 1,10-1,17
7
Тоже, сСО100?0
дымовых газов
37.5 —39.7 1.55—1,61 1.41 —1.46 1.21 -1 .26
8
ПТУ с КА с факель­
ным сжиганием и с СО
50 % дымовых газов;
ПТ: Л' = 5004-800 МВт;
Т = 1033.1033/873 К,
Р=48.0МПа;7\. =
= 373К
39,2-43,3 1,52—1.65 1,33-1 .45 1 .13-1 .24
9
Тоже,сСО100%
дымовых газов
38,3-42,4 1,66-1,79 1,47—1,59 1,22-1 .33
0
ПТУ с КА с инерт­
ным КС; ПТ: .V=
= 5004-800 МВт; Т =
= 818/818 К; Р=
= 23,5 МВт
36,5—36.8 0,98-1,05 0,99-1,05 0.99 -1,04
1
ПГУ с камерой сго­
рания с инертным КС;
iV = 6004-900 МВт
39,3—40.3 0 ,96 -1 ,04 0,96 -1 ,05 0,95-1,0-'*
2
ВПГУ с ВПГ и НТО;
х = 6004-1000 МВт,
ГТ:Т= 1600К
39,7—40,5 1 ,22-1,30 1,14-1,20 1,05—1,09

<1
2
3
4
5
6
13
ВИГУ с IIПГ II НТО;
Лт = 600-г-1000 МВт,
ГТ:Т= 1220К
38,3-39 ,3 1,26-1,35 1,18-1,25 1,08-1,13
14
ВИГУсКУиНТО;
Лг = 600-М000 МВт,
ГТ:Т=1600К
40,8—41,5 1,19-1 ,24 1,11-1,15 1,02-1,05
15
ВИГУсКУиНТО;
N = 600-М000 МВт,
ГТ:Т= 1900К
44,0 -45 ,0 1,18—1,14 1,08-1,14 0,98—1,02
16
ВИГУсКУиВТО;
N = 600М1000 МВт,
ГТ:Т= 1600К
41,5 -42 ,2 1,12—1,17 1,06-1,10 0,98-1,01
17
ВИГУсКУиВТО;
N = 6004-1000 МВт,
ГТ:Т= 1900К
44,7 -45 ,8 1,11-1,17 1,02-1,08 0,94-0,97
18
ВГТГУ с СРТ и НТО;
N = 600-М000 МВт.
ГТ:Т= 1600К
40,8 -41 ,5 1,12—1,17 1,06-1,10 0,98—1,02
19
ВПГУ с СРТ и ВТО;
N = 600-М000 МВт,
ГТ:Т= 1600К
41,5-42 ,2 1,05—1,11 1,01-1,06 0.95-0,99
20
МГДЭС ОЦ с прямым
сжиганием 1 поколения;
N = 8004-1000 МВт
46,0 -47,0 1,26-1,34 1,12—1,18 0,98—1,02
21
То же, 2-го поколе­
ния,
N = 10004-
4-1500 MBi
50,0-53,0 1,24—1,36 1,07-1,17 0,92-0,99
22
То же, 3-го поколе­
ния,
N = 10004-
4-2000 МВт
53,0-57,0 1,22-1,38 1,05-1,16 0,88-0,97
23
МГДЭС ОЦ с ннутри-
цикловон газификацией
1-го поколения, N =
= 7004-1000 МВт
44,0-45,0 1,48-1,58 1,29—1,36 1,10—1,15
24
МГДЭС ЗЦ с прямым
сжиганием 1-го поколе­
ния; N — 5004-600 МВт 44,0 -46,0 1,44—1,72 1,26—1,39 1,07-1,16
25
То же, 2-го поколе­
ния; N 6004-1000 МВт 4 7 ,0 -5 0 ,0 1,36—1,80 1,18—1,38 1,00—1,15
26
То же, 3-го поколе­
ния;
N — 10004-
4-1500 МВт
50,0 -55 ,0 1,31—1,82 1,12-1,40 0,94—1,13
27
ИТУ с ТЭГ 1-го по­
коления и с СО50%
дымовых газов; N
= 6004-800 МВт, ЛТ :
:Т=818/818К,Р=
= 23,5 МПа
38,2—40,1 1,21—1,37 1,14—1,26 1 ,0 5 -1 ,1 4
28
ИТУ с ТЭГ 2-го по­
коления и с СО50 %ды­
мовых газов; N = 6004-
4-1000 МВт
41,1—43,1 1,19—1,35 1,10—1,21 1 ,0 0 -1 ,0 9
29
ИТУ с ТЭГ 3-го поко­
ленияисСО50%ды­
мовых газов; N — 6004-
4-1000 МВт
45,0—48,0 1,16-1,29 1,06—1,16 0,94-1 ,03

30
31
32
33
34
1
2
3
4
5
6
8
9
10
11
12
о
3
4
511в
ЭХ Г 1-го поколения;
.V = 50-f-300 МВт
37.0 —42.0 1 .2 6 -1 ,4 8 1.15—1,33 1,04—1.26
ЭХ Г 2-го поколения;
Л* = 3004-800 МВт
44,0 —50.0 1.30 —1,50 1.13—1,30 0,97—1.21
ЭХ Г 3-го поколения;
.V = 3004-800 МВт
50,0 —55.0 1,30—1,52 1,11—1.28 0,93—1.20
ГТУЗЦсНАсКСп
ОЦР; Л* = 5004-800 MBi 40,0—40,5 1 .43-1 ,60 1,29-1 .41 1,13—1,21
1 Трпарныи цикл: ГТУ
с камерон сгорания с
КС — калиевый цикл —
—
ПТУ: .V = 5004-
4-S00 МВт
42,5 -44,5 1,45—1,65 1,28-1,43 1,10-1,20
II. Технологии перера­
ботки угля
А. Производство И Ж Т
Гидрогенизация с по­
лучением
«угольной
нефти»
62.0 —68.0 0 ,96—1,10 0.79—0.90 0,69—0,77
Гидрогенизация с по­
лучением моторных топ­
лив
51.0 —56.0 1.29—1.48 1 ,0 4 -1 ,1 8 0,8S—0,99
Газификация — ФТ-
спнтез. без риформинга
метана; выходы: ИЖТ—
0,334-0 .38,
ЗПГ —
0,254-0 .30
56.0—65,0 0 ,72-0 ,89 0,65—0,79 0,61-0 ,74
То же, с риформин­
гом метана
45,0—54,0 1,32-1,63 1.08 -1,27 0,93 -1 ,10
Газификация — «мо-
бпл-процесс», без ри­
форминга метана; вы­
ходы:
ИЖТ — 0,35^-
4-0,40, ЗПГ — 0,2о~
У0.32
59,0 -62.0 0,70—0,85 0,64—0,75 0,62-0 ,70
То же, с риформин­
гом метана
45,0—51,0 1.30 -1,60 1,06—1,25 0,92-1 ,09
Б . Производство ЗП Г
Гидрогазификация
65,0—76,0 0 ,62-0 ,77 0,55—0,68 0,53—0.63
Газификация — син­
тез
63.0 —68,0 0 ,6 4 -0 ,79 0,58—0,69 0,57—0,65
В . Производство мета­
нола
Газифнкация — син­
тез, без риформинга ме­
тана
57,0 -62,0 0,70—0,81 0,64—0,73 0,62-0 ,70
То же, с риформин­
гом метана
47,0—53,0 1,28-1,50 1,04-1,22 0,90 -1 ,04
Г. Водород
Газификация -р кон­
версия оксида углерода 52,0-60,0 1,17-1,33 0,95-1,08 0,81-0,93
Металлоиаровой про­
цесс
58,0-68,0 0,93-1,10 0,77-0,91 0,68-0,80

1
2
3
4
5
6
13
Д . Производство НЕТ
Термообработка
в
вихревых камерах +
+ термобрнкетирование 88,0-90,0 0 ,13-0 ,15 0,21 -0,23 0,30-0,31
14
Автоклавная
обра­
ботка + прокаливание
88,0-90,0 0 ,11-0 ,14 0,20-0,22 0,29-0,30
15
Е . Пиролиз (многопро­
дуктовые технологии)
Пиролиз с переработ­
кой смолы и брикетиро­
ванием; продукты: МТ,
КТ, КБТ
75,0-0,81 0,20-0,25 0,27-0,32 0,35-0 ,39
16
Пиролиз с переработ­
кой смолы п сжиганием
полукокса (с СО); про­
дукты: МТ, КТ, ЭЭ
43,0-46,0 0 ,87-0 ,96 0,82-0,89 0,81—0,88
* Сырьем и топливом является канско-ачинский уголь; место сооружения — район
Канско-Ачинского бассейна; все технологии, за исключением эталонной ПТУ, удовлетворяют
перспективным требованиям по охране окружающей среды.
** Отношения удельных капиталовложений и приведенных затрат на отпускаемую
энергию в рассматриваемую и эталонную технологии.
*** СО-сероочистка; при чистке удаляется 85—90 % соединений серы; кроме того,
в технологии проводится комплекс мероприятий по подавлению образования оксидов азота.
Плазменная газификация может найти применение в техноло­
гиях переработки угля: а) методом гидрогенизации — для произ­
водства водорода, в том числе путем утилизации шлама, и б) ме­
тодом ПГС — для получения синтез-газа. Есть надежды, что ис­
пользование плазменного процесса для утилизации шлама позво­
лит решить одну из очень актуальных проблем технологии гидро­
генизации по способу Института горючих ископаемых — извлече­
ние из шлама дорогостоящего молибденового катализатора с при­
емлемыми технико-экономическими показателями. Достоинства п
недостатки применения процесса плазменной газификации в соста­
ве технологии ПГС и возможные при этом схемы установок обсуж­
даются ниже.
Плазменная газификация угля может выступать в качестве
альтернативного способа аккумулирования электроэнергии (в ви­
де химической энергии синтетических продуктов: синтез-газа, во­
дорода, ЗПГ и других). Тогда в целом углехимнческое предприя­
тие будет служить потребителем-регулятором, заполняющим про­
валы суточного и недельного графиков электрических нагрузок.
При этом аккумулированные продукты могут либо использоваться
в качестве топлива в пиковых энергоустановках (в этом случае уг­
леперерабатывающий завод косвенным образом будет участвовать
еще и в покрытии пиков графиков электрических нагрузок), либо
(это относится к СГ и водороду) возвращаться на предприятие с
целью дальнейшей переработки в ИЖТ или ЗПГ. Основной проб-

1}ис. 3.//. Спектр возможного применения плазменной технологии в энергетике.

лемой реализации изложенных предложений является хранение
больших количеств водорода или СГ.
Плазменная технология предположительно может найти при­
менение в системе топлнвоподготовки электростанций для газифи­
кации (паровоздушным дутьем) части угля с последующей пода­
чей полученного НКГ в смеси с остальным углем в топку пароге­
нератора. Идеей данного предложения, как указывалось в разд. 3 .2,
является повышение устойчивости (стабилизации) процесса горе­
ния низкокачественных углей и снижение чувствительности паро­
генератора к изменению качества поступающего топлива. Заметим,
что благодаря малым размерам плазмотронов их можно совмещать
с горелочными устройствами и таким образом осуществлять процесс
частичной газификации непосредственно в горелках.
Применение плазменной газификации может помочь (в связи
с небольшими габаритами плазменных газогенераторов) переводу
промышленных печей в стекольной, цементной, машиностроитель­
ной и других отраслях промышленности с газообразного и жидкого
на твердое топливо. Это может оказаться экономически выгодным
для некоторых регионов страны уж е сейчас, а в будущем, вероят­
но. станет актуальным в широких масштабах.
Из рис. 3 .11 видно многообразие возможных схем использова­
ния внутрицикловой плазменной газификации угля. Преимущества
этих схем перед традиционными видятся прежде всего в области
экономической (поскольку уменьшаются удельные капиталовложе­
ния в газогенератор); энергетически, видимо, они будут проигрывать
традиционным.
Из представленных на рис. 3.11 технологий прошла опытную
проверку и в принципе технически готова к широкому промышлен­
ному внедрению лишь плазменная подсветка пылеугольного факе­
ла в топках котлоагрегатов, позволяющая стабилизировать процесс
горения низкокачественных твердых топлив. Плазменная подсветка
позволяет резко сократить либо вообще исключить потребление на
эти цели мазута.
Отметим, что плазма находит все более широкое применение
во многих других отраслях народного хозяйства страны (производ­
ство разнообразных материалов, нанесение защитных покрытий и
т. д .) , что способствует созданию научного и технического задела
для внедрения плазменной технологии и в энергетику.
Особенности, основные достоинства
и недостатки плазменной газификации
Плазменная газификация является одним из привлекательных
новых способов получения синтез-газа из угля. С ее промышленной
реализацией связывают большие надежды на улучшение технико-
экономических показателей технологий переработки угля в высоко­
качественные жидкие и газообразные топлива [74]. Основанием для
этого служ ит высокая экономическая эффективность использования

плазмохимпческпх процессов в различных областях химической
технологии органических и неорганических соединений [119].
Суть плазмохимического метода получения СГ состоит в том,
что тепловая энергия, необходимая для осуществления процесса
газпфпкацнп, подводится с низкотемпературной плазмой окислите­
ля — водяного пара, диоксида углерода, кислорода. Прп этом за
счет электроэнергии может покрываться либо вся потребность про­
цесса в энергии, либо какая-то ее часть (недостающ ая теплота про­
изводится в самом процессе за счет сжигания соответствующего
количества угл я ). В первом случае в качестве окислителя могут
использоваться водяной пар, диоксид углерода или их смесь, а во
втором — смесь кислорода с водяным паром пли диоксидом угле­
рода, а также чистый кислород — прп газификации влажного угля.
Разрабатываются два основных варианта конструкции плазмо-
хпмпческого газогенератора: с подачей угольной пыли в струю
плазмообразующего газа (реактор с пространственным разнесением
зон тепловыделения п теплопоглощенпя) и с вводом угля непо­
средственно в зону электрического разряда (реактор совмещенного
типа) [74].
На основе обработки результатов опытов и теоретических ис­
следований [61, 74, 75, 119] мож но заключить, что по сравнению с
традиционными автотермпческпми
(на парокпслородном дутье)
процессами газификации плазмохимпческпй метод получения СГ
должен обладать рядом достоинств. Некоторые из них обусловле­
ны особенностями механизма процесса газификации и спецификой
электроэнергии как энергоносителя. Действительно, согласно совре­
менным представлениям [140] процессы горения и газификации
твердого топлива являются цепными. Поэтому можно предполо­
жить, что ввод в реакционный объем плазмообразующпм газом до­
полнительного количества ионов и свободных радикалов приведет
к увеличению скорости химических реакций. Результаты опытов
подтверждают это [61, 119]. Наличие в плазменном реакторе высо­
котемпературной струп дает основание для предположения о воз­
можном улучшении условий тепло- и массообмена. В результате
в плазменных процессах могут существенно улучшаться такие важ­
нейшие характеристики химических превращений, как степень кон­
версии исходных веществ, объемная скорость подачи сырья, селек­
тивность. В конечном счете все это должно привести к увеличению
производительности технологических аппаратов, уменьшению их
габаритов и снижению матерпало- и капиталоемкости.
Применение в качестве энергоносителя электроэнергии долж­
но обеспечить хорошие эксплуатационные качества плазмохимиче­
ских реакторов: простоту запуска и регулирования нагрузки, вы­
сокую маневренность [74].
Важным достоинством плазменной газификации является со­
кращение расхода энергии на процесс вследствие уменьшения по­
терь теплоты через стенки реактора и с потоком выходящих газов
[75]. Это объясняется уменьшением образования балластных газов,
малой долей в продуктах реакции трехатомных газов, которые об­

ладают большой излучательной способностью; увеличением объем­
ного теплонапряження. Кроме того, выпуклость зависимости II =
—
f(T) обусловитнвает более медленный рост температуры по срав­
нению с ростом энтальпии потока.
В отлпчпе от аллотермической газификации с подводом энер­
гии от ядерного реактора плазменный процесс можно вести прп
более высоких температурах с вытекающими отсюда благоприятны­
ми последствиями (увеличением скорости химических реакций и сте­
пени превращения сырья и т. д .) . Кроме того, в высокотемператур­
ном процессе можно надеяться на получение в приемлемых
количествах ценных продуктов из минеральной части угля (техни­
ческого кремния, карбидов кремния, ж елеза и др.) .
Основным недостатком рассматриваемой технологии является
большой расход электроэнергии на проведение химического про­
цесса. Поэтому всемерное его сокращение при неухудшенпн основ­
ных показателей процесса должно явиться одной из главных за­
дач проводимых по технологии НИОКР.
С использованием плазмотронов связан ряд проблем: заж ига­
ние и поддержание устойчивого горения электрической дуги в про­
мышленных аппаратах больших размеров, увеличение ресурсов
работы электродов, создание плазмотронов большой единичной мощ­
ности, организация эффективного контактирования плазмообразую­
щего газа с газифицируемым углем, применение плазмотронов на
переменном токе (обеспечение устойчивости горения дуги) п др.
Прп использовании плазмотронов на постоянном токе необходима
громоздкая п дорогостоящая выпрямительная аппаратура, что не­
избеж но ухудшит техннко-экономпческпе показатели технологии.
Следует отметить, что большинство из рассмотренных плазмен­
ных технологий еще не получили достаточной опытной проверки.
Многие из названных их достоинств нуждаются в эксперименталь­
ном подтверждении. В то же время некоторые из отмеченных про­
блем, возможно, в будущем будут относительно легко устранены.
Пределы совершенствования процессов
плазменной газификации
Для многих классов химических процессов, в том числе гази­
фикации (в частности, плазменной), справедливо утверждение, что
максимальный выход целевых продуктов происходит прп установ­
лении в реагирующей системе состояния термодинамического рав­
новесия. Эксперименты подтверждают это [61, 75, 119]. С целью по­
иска теоретически достижимых показателей процесса плазменной
газификации КАУ, а также для определения рациональных усло­
вий его осуществления термодинамический апалпз этого процесса
проведен с использованием модели конечных равновесии.
Исследованы две разновидности процесса плазменной газифи­
кации:
1) смешанный (или частично плазменный) — газифпкацпя уг­
ля парокислородной смесью с частичным покрытием отрпцательпо-
12 б . м. Каганович, С. П. Филиппов, Б. Г. Анциферов
177

Рис. 3.12. Зависимость температуры газа
Тт от расхода кислорода i гп0 ) при
различных значениях энергии плазмы
(Л„л, МДж/кг с. у .) .
Расход водяного пара ш д q =0,114 иг нг г. у.
го теплового эффекта эндотерми­
ческих реакции за счет энергии
плазмы (электроэнергии).
2) аллотермический (или пол­
ностью
плазменный)— газифика­
ция угля водяным паром с полным покрытием отрицательного теп­
лового эффекта эндотермических реакции за счет энергии плазмы.
Основным конкурентом плазменного процесса газпфикацпи яв­
ляется традиционный автотермнчеекпй (дифференцированный) про­
цесс — газификация угля парокислородным дутьем. Д л я теоретиче­
ского сопоставления этих методов получения синтез-газа проведен
термодинамический анализ автотермического процесса.
Исследования выполнены при следующих исходных предпосыл­
ках. Сырьем является КАУ Ирша — Бородинского месторождения.
о
б
Рис. 3.13. Зависимость удельных выхо­
дов оксида углерода хсо (я)» водорода
*н
(б), диоксида углерода хс 0 (в),
2
2
водяного пара х
(г) и конденспро-
ванного углерода
(б) от расхода
кислорода т 0 при различных значе-
ниях энергии плазмы ЛПл, МДж/кг с. у .
(тн.о = 0,114 кг/кг с. у.^.

Рис. 3.14. Зависимость КПД процесса ц Пр (а) и полного КПД отделения гази­
фикации по производству синтез-газа цг (б) от расхода кислорода т0 при раз­
личных значениях энергии плазмы ЛПл, МДж/кг с. у. ( т н .о = 0,114 кг. кг с. у ) ,
Технпческпе характеристики угля: 1 ^ = 3 3% , Лр = 6,7%. Ср=
= 43,11%,Н*=3,02%, S*=0,18%,N*=0,60%,О =13,39%,
Qb — 16,98 МДж/кг, (?н = 15,47 МДж/кг.
Перед подачей в газо­
генератор исходный уголь подсушивается до остаточной влажности
12 %. Давление процесса 2 МПа. Температура подаваемого угля
340 К, водяного пара — 620 К, кислорода — 475 К. Потери тепло­
ты от наружного охлаждения газогенератора отсутствуют. Расходы
электроэнергии на получение кислорода (путем разделения возду­
ха) и его компремированпе равны 1,8 и 0,41 МДж/кг соответствен­
но. КПД плазмотрона принят равным 0,95. КПД производства
электроэнергии на угольной КЭС — 0,38, КПД котельной — 0 .92.
Весь расходуемый на процесс водяной пар производится в автоном­
ной котельной. Подогрев остальных реагентов до указанных выше
температур осуществляется за счет физической теплоты производи­
мого синтез-газа.
В расчетах в широких диапазонах варьировались величины
удельных (на 1 кг сухого угля — с. у .) расходов водяного пара,
кислорода и энергии плазмы. В результате были получены зависи­
мости равновесных значений температуры процесса и удельных
выходов продуктов (СО, Нг. СОг, НгО и др.), а также КПД про­
цесса и полного КПД отделения газификации по производству
СО-водородной смеси от названных выше варьируемых величин.
На рис. 3 .12 —3 .14 показаны результаты расчетов для случая не­
большого расхода водяного пара в газогенераторе (0,114 кг/кг с. у .) .
КПД процесса т|пр и полный КПД отделения газификации г|г
по производству СГ подсчитывались по формулам:
Лир = (<?а>*со 4- Qh2x h2)/(Qy 4- Лпл)»
(3.20)
т)г —
- (QcoTco 4- (?н2гн2)/((?у 4- hy 4- \ тог(Эо24- Эо2) +
4" ^пл/Цпл] •Цэ 4“ ^гн 2о ^ н 2о/Цк),
(3.21)
где Q, о.
Q> — теплоты сгорания (высшие) оксида углерода,

водорода и угля соответственно, МДж/кг; х с0 и * н 2 — удельные вы­
ходы оксида углерода и водорода, кг/кг с. у .; Эо2 и Эо2 — удельные
расходы электроэнергии на получение и компремирование кисло­
рода, МДж/кг; /гпл — удельный расход энергии плазмы в газогене­
раторе, МДж/кг с. у .; цпл — КПД плазмотрона; цэ — КПД произ­
водства электроэнергии, получаемой извне; пго2 и т н 2о— удельные
расходы кислорода и водяного пара на процесс, кг/кг с. у .; hy,
й-о, и йн2о — энтальпии угля, кислорода и водяного пара, МДж/кг;
цк — К ПД котельной.
Анализ результатов выполненных термодинамических расчетов
позволил сделать следующие выводы.
1. Практически все исследуемы е величины (температура про­
цесса. удельные выходы продуктов, КПД) сильно зависят от аб­
солютных величин удельных расходов на процесс водяного пара,
кислорода и энергии плазмы, а также от их соотношения между
собой. Удельные выходы продуктов и КПД в большинстве случаев
имеют ярко выраженные максимумы.
2. Максимальное значение КПД процесса газификации (до
95 %) достигается в аллотермическом газогенераторе ( при ган2о =
= 0.9 +1.1) и Апл » 13 МДж/кг с. у .) . В автотермическом процессе
“Пор1«90 % (при /яо2= 0,68 + 0,71 кг/кг с. у .). В смешанном про­
цессе в зависимости от соотношения п*н2о • М о ^ п л для оптималь­
ных условий значение г)пРах находится в диапазоне 90—95 %.
3. Из рассмотренных процессов наибольший полный КПД (до
75% ) имеет автотермический (когда
то2= 0,69 + 0,70 кг/кг с. у.
11 т н2о = 0)- При аллотермической газификации
= 57 % (когда
тно=0,9+1,1кг/кгс.у.13МДж/кг с.у.).В смешанном про­
цессе для оптимальных условий в зависимости от соотношения
тн„о • то9- йпд значение цTMах находится в диапазоне 57 + 75 %•
4. С термодинамической точки зрения напвыгоднейшпм явля­
ется проведение всех трех типов процессов газификации при тем­
пературе 1200 + 1400 К, т. е. при минимальной температуре, обес­
печивающей полное превращение органического вещества угля в
газ. Однако снижение Т приводит к уменьшению скорости реак­
ций. С учетом этого температуру процесса, видимо, не стоит опу­
скать ниже 1500— 1700 К.
При организации извлечения из продуктов газификации цен­
ных мнкрокомпонентов золы и других веществ возможно сущест­
венное изменение (преимущественно в большую сторону) требова­
ний к температурному уровню осуществления процесса газифи­
кации.
5. При оптимальных условиях максимальный выход активных
компонентов синтез-газа (СО и Н г)— яTMах достигается в аллотер­
мическом процессе (# л ах =
кг/кгс.у.), в
автотермическом

процессе яTM** = 1,39 кг/кг с. у . При частичной плазменной гази­
фикации величина £ л ах находится в указанных пределах.
6. Минимальное количество балластных примесей (СОг и
НгО)— * Г в СГ после автотермического газогенератора равно
0,3 кг/кг с. у . В аллотермическом и смешанном процессах при оп-
min
г\
тимальных условиях х Б = I).
7. Массовое соотношение в синтез-газе Нг : СО — w в оптималь­
ных условиях среди рассмотренных процессов газификации мини­
мально в автотермнческом и равно 0,0351. Повышение w ведет к
резкому снижению КПД и уменьшению выхода синтез-газа. В ал­
лотермическом процессе w наибольшее и равно 0,117 при высо­
ком значении xTMax. Заметим, что требуемая минимальная величина
w в СГ при синтезе моторных топлив по технологии Института ка­
тализа СО АН СССР равна 0,144.
При смешанной газификации, находясь в области оптималь­
ных условий осуществления химических превращений, имеются
возможности изменения величины w в широком диапазоне значе­
ний (путем варьирования соотношения т щ о : тог • ^пл) без за­
метного снижения КПД.
8. Смешанный процесс газификации наиболее рационально про­
водить с небольшим подводом энергии с плазмой (от 2 - ^ 3 до
5- ^ 6 МДж/кг с. у .) . Прп этом в случае больших значений Лпл из
указанного диапазона (5—б МДж/кг с. у .) расход кислорода мини­
мален — 0 ,25 —0,35 кг/кг с. у. При малых значениях Лпл (0,2—
0,3 МДж/кг с. у .) потребление кислорода возрастает до 0,5—
0,6 кг/кг с. у . Оптимальный расход водяного пара во всех случаях
находится в пределах 0 —0,2 кг/кг с. у .
9. На основе полученных теоретических показателей нп одно­
м у из трех исследованных способов газификации нельзя бесспорно
отдать предпочтение. Каждый процесс имеет определенные досто­
инства и недостатки. Поэтому целесообразно сопоставить эти ме­
тоды производства СГ с учетом возможностей приближения к тео­
ретическим показателям.
Основными плазмообразующнмп газами в технологиях пере­
работки и сж игания органических топлив, использующих плазмен­
ную газификацию, могут служить НгО, СОг и Ог (в некоторых
случаях — Н г). С помощью модели конечных равновесии исследо­
ваны их способности к ионизации в
интервале рабочих температур плаз­
мотронов (2500—8000 К). Резуль­
таты расчетов приведены на рис.
3.15, откуда видно, что наиболее лег-*1
Рис. 3.15. Зависимость доли активиых ча­
стиц ха (атомов, ионов и т. д.) в плазмо­
образующем газе от его температуры ГПл.
1—СО.;2—Н*0;3—Н2или03.

ко ионизируется СОг, существенно хуж е Н2О и наиболее трудно Ог
п Нг. При Т = 3500 К количество активных частиц в плазме СОг
на47%больше,чемвплазмеН2О,ина88%—чемвплазмеОг
пли Н2; для Т = 4500 К эти соотношения соответственно равны 14
и 59 %. Следовательно, в качестве плазмообразующнх газов наибо­
лее целесообразно применять СОг и Н2О.
Сопоставление плазменной газификации
с конкурирующими технологиями получения синтез-газа
Сопоставим на основе перспективных показателей пять про­
цессов газификации КАУ. Из них три — автотермические. пред­
ставляющие основные способы организации процесса: в плотном
слое, в кипящем слое и в потоке, и два — плазменные: смешанный
и аллотермпческий.
Перспективные показатели автотермическпх методов газифика­
ции приняты по [71, 116] и приведены в табл. 3 .3 . Сопоставление
их с полученными с помощью термодинамических моделей теоре­
тическими показателями показывает, что КПД процесса газифи­
кации в потоке оказывается ниже теоретического на 14 %, а в ки­
пящем слое — на 36 %. КПД газификации в плотном слое близок
к теоретическому значению, но это результат не термодинамиче­
ского совершенства процесса (достижения состояния равновесия),
а организации внутри газогенератора утилизации физической теп­
лоты СГ путем противоточной подачи реагентов.
Как отмечалось выше, в плазменном аллотермпческом процес­
се газификации выходы продуктов близки к равновесным значе­
ниям. Правда, пока нет четкого представления о минимально не­
обходимом удельном расходе энергии плазмы в смешанном процес­
се, обеспечивающем такой эффект. Д л я ответа на этот вопрос
необходимы экспериментальные исследования.
Перспективные показатели обеих технологий плазменной гази­
фикации, представленные в табл. 3 .3, приняты на основе резуль­
татов термодинамических расчетов равновесных состояний. В каче­
стве аллотермического выбран процесс, обеспечивающий высокий
т|пР при полном реагировании конденсированного углерода и не­
большом образовании балластных примесей, а в качестве смешан­
ного — процесс с максимальным ц пр при минимально необходимом
(для обеспечения основных преимуществ плазменной газификации)
расходе электроэнергии на плазмотроны, ориентировочно приня­
тым в 6—7 % от суммарного расхода энергии (химической — с уг­
лем и физической — с реагентами) на процесс. Таким образом, для
исследований выбраны процессы с хорошими, но, видимо, еще не
оптимальными показателями.
Приведенные в табл. 3 .3 КПД процесса газификации %р и
полный КПД отделения газификации ц г рассчитывались по фор­
мулам:
Лпр — 2 GjQj/(Gy (Qy + hy) + ЭПл11пл + GqJ iq^ + ^ h2o^h2o) i (3.22)
jaJ

Таблица 3.3 . Показатели различных процессов газификации КАУ йрша-
Бородннского месторождения (на 1 кг/с газифицируемого угля)
Газификация
Показатели
Автотермическая
Плазменная
в плотном
слое
в кипящем
слое
в потоке
смешан­
ная
полная
1
2
3
4
5
6
I. Характеристика подаваемо­
го угля и получаемых про­
дуктов
Влажность угля, %
Крупность угля (класс), мм
Теплота сгорания угля, МДж/кг
высшая
низшая
Теплота сгорания сухого не­
очищенного
синтез-газа,
МДж/кг
высшая
низшая
27
5-25
18,50
17,08
13,86
12,43
и
0,63 -1,0
22.50
21,37
8.50
7,63
10
0,1
22,81
21,64
9,72
9,21
12
0,2
22,30
21,11
13,74
13,03
12
0,2
22,30
21,11
23,72
21,69
I I. Параметры материальных
потоков
Температура угля, К
Температура водяного пара, К
Давление водяного пара, МПа
Температура кислорода, К
Температура синтез газа, К
Давление синтез-газа, МПа
340
620
2,5
475
650
2,0
340
620
2,5
475
1300
2,0
340
620
2,5
475
1800
2,0
340
620
2,5
475
1500
2,0
340
620
2,5
475
1500
2,0
I I I . Материальный баланс,
кг/с
Вход
Уголь
Кислорода (100 %)
Водяной пар
1,000 0
0,174 2
1,024 0
1,000 0
0,746 7
2,092 9
1,000 0
0,711 2
0,068 2
1,000 0
0,550 0
0
1,000 0
0
0,600 0
Итого...
2,198 2 3,839 6 1,779 4 1,550 0 1,600 0
Выход
Синтез-газа (сухой, неочищен­
ный, всего)
В том числе СО
н2
H2S и прочие соединения
серы
N2 и прочие соединения
азота
со2
СН4
0?
спнт
Водяной пар (в составе синтез-
газа)
Зола и унос топлива
1,358 4
0,208 6
0,056 1
0,001 1
0,006 5
0,910 3
0,010 3
0,008 2
0,066 3
0,765 8
0,074 0
1,869 9
0,238 8
0,068 1
0,001 1
0,008 0
1,319 9
0,003 3
0,001 0
0,000 0
1,879 2
0,090 5
1,536 0
1,120 5
0,042 1
0,002 0
0,008 0
0,363 4
0,000 0
0,000 0
0,000 0
1,152 8
0,090 6
1,409 4
1,259 0
0,047 3
0,001 6
0,007 9
0,093 6
0,000 0
0,000 0
0,000 0
0,052 0
0,088 6
1,453 9
1,281 2
0,112 3
0,001 6
0,007 9
0,045 3
0,005 6
0,000 0
0,000 0
0,075 5
0,088 6
Итого...
2,19821 3,8396| 1,7794| 1,5500| 1,6000
183

1
2
3
4
5
6
IV. Энергетический баланс
(по высшей теплоте сгорания),
МВт
Вход
Химически связанная энергия
УГЛЯ
18,50
22,55
22,81
22,30
22,30
Энтальпия угля
0,14
0,11
0,10
0,11
0,11
Энтальпия кислорода
0,03
0,014
0,13
0,10
0
Энтальпия водяного пара
3,17
6,49
0,21
0
1,86
Электроэнергия на плазмотро­
ны
0
0
0
1,58
11,67
Электроэнергия на собственные
нужды
0,09
0,12
0,07
0,07
0,07
Итого . . . 21,93
29,39
23,32
24,16
36,01
Выход
Химически связанная энергия
неочищенного синтез-газа
18,82
15,91
17,27
19,37
29,19
В том числе химическая энер­
гия СО-водородной смеси
10,03
14,05
17,23
19,35
26,38
Энтальпия сырого синтез-газа
2,75
12,98
5,53
4,45
6,48
Теплота охлаждения газогене­
ратора и потери
0,36
0,50
0,52
0,34
0,34
Итого . . . 21,93
29,39
23,32
24,16
36,01
V. Итоговые характеристики
Удельный выход СО-водород­
ной смеси ГДж, ГДж угля
0,542
0,623
0,755
0,868
1,251
КПД процесса — Цдр (3.22), % 86,17
54,32
74,28
80,67
92,56
КПД технологии — т|г (3.23), % 80,63
46,29
62,89
64,67
52,76
Иг= 2 GjQj/{Gy(Qy+hy)+ [60,05, + Эо2)+
j=J
+ Эпл + Эсн]/Лэ + ^н^н^/Лк)»
(3.23)
где Qy п Qj — теплоты сгорания (высшие) угля и /-го продукта,
МДж/кг; Gj — выход /-го продукта, кг/с; / — множество получае­
мых продуктов; Gy, Go, и (?н о — расходы угля, кислорода и водя-
ного пара соответственно, кг/с; hy, /*о2>^ н 2о — энтальпии этпх реаген­
тов, МДж/кг; Эо0 и Эо„ — удельные расходы электроэнергии па по-
лучение и компремирование кислорода, приняты равными соответ­
ственно 1,8 и 0,41 МДж/кг; Эпл и Эсн — расходы электроэнергии
на плазмотроны и на собственные нужды отделения газифика­
ции, МВт.
Данные табл. 3 .3 показывают, что плазменные процессы ха­
рактеризуются более высокими выходами СО и Нг и более низки­
ми — балластных примесей. При этом наибольший удельный выход

СО-водородной смеси наблюдается в аллотермическом процессе, где
он (по энергии) на 40—60 % выше, чем в автотермическпх, и на
30 % — чем в смешанном. Следствием указанных фактов является
то, что плазменные процессы имеют более высокие значения г)пр —
на 10—30 % выше, чем при газификации в КС и потоке (причины
высокого КПД газификации в плотном слое объяснены выше).
Из плазменных технологий наибольший полный КПД отмечается
в смешанном процессе, где он на 28 % выше, чем при газификации
в КС, на 18 % — чем в аллотермическом процессе и на 3 % — чем
при газификации в потоке.
Сделаем общие выводы из исследования плазменной газифи­
кации угля.
1. Несмотря на высокий КПД самого плазмохпмического про­
цесса с учетом расхода топлива на выработку электроэнергии, он
оказывается энергетически менее эффективным, чем альтернатив­
ные технологии. Его конкурентоспособность может быть обеспече­
на только при невысоких долях расхода энергии плазмы от общего
энергопотребления (т. е. при смешанной газификации).
2. Надежды на перспективное крупномасштабное внедрение
плазменной газификации угля связываются с такими ее привлека­
тельными характеристиками, как малые габариты оборудования,
возможность получения из минеральной части топлива широкого
спектра полезных продуктов, высокая маневренность и т. д.
3. Необходимость дальнейшего развития НИОКР по плазмохп-
мической технологии бесспорна, причем применительно ко всему
спектру ее возможного использования в энергетике (газпфпкацип,
подсветке факела на ТЭС и т. д .) . Специального изучения требует
вопрос предельного сокращения доли плазмы в энергетическом ба­
лансе процесса. В дальнейшие расчетно-теоретические исследова­
ния следует включить сопоставление плазменных технологий с но­
выми методами газификации (в расплавах железа, шлаках п др.) .
Перспективы применения плазменной технологии в установках
косвенного ожижения угля детально рассматриваются в следующем
разделе.
3.4. ПЕРСПЕКТИВЫ КОСВЕННОГО ОЖИЖЕНИЯ УГЛЯ
По технологии косвенного ожижения уголь сначала путем га­
зификации превращается в газ с высоким содержанием СО и Нг.
из которых затем на катализаторах синтезируются углеводороды.
Принципиальная схема этого метода показана на рис. 3.16.
Термодинамические параметры процесса синтеза жидких уг­
леводородов зависят от используемого катализатора и обычно
находятся в пределах: давление — 0 ,03—3,0 МПа, температура —
450—800 К. В качестве катализаторов применяются кобальт, ни­
кель, ж ел езо и некоторые другие металлы. Большинство катализа­
торов очень чувствительны к отравлению серой, поэтому генера­
торный газ перед подачей на синтез должен быть тщательно
очищен от сернистых соединений.

Уга >
ЗзЗа
Зсздух
Рис.
Схема получения IIЖГ путем кос­
венного ожижения угля.
1 — подготовка угля; 2 — производство лпн.тро-
анергин н водяного пара; 3 — газификация угля;
4 — очистка генераторного гааа; 3 — синтез угле­
водородов; б — разделение продуктов синтеза; ; —
конверсия метана; 8 — разделение воздуха
Преимуществами процесса косвен­
ного ожижения по сравнению с гидро­
генизацией являются: меньшая слож­
ность технологической схемы, значи­
тельно более низкое давление, иечув-
ствительноть к виду исходного топлива
(СГ можно вырабатывать из любых ор­
ганических топлив), однородность со­
става получаемых жидких продуктов н
практически полное отсутствие в них
соединений серы и азота, гибкость схе­
мы (изменяя только термодинамиче­
ские параметры н катализатор, можно
в широких пределах варьировать ас­
сортимент и свойства синтезируемых продуктов).
Однако по итоговым показателям технологии синтеза НЖТ
были так же малоэффективны, как и методы гидрогенизации, тер­
мический КПД пх находился на уровне 20—30 %. Производитель­
ность 1 м3 катализатора составляла всего 8 — 10 кг жидких угле­
водородов в час. Следовательно, при максимальном реакционном
объеме 10 м3 единичная производительность реактора всего 600—
800 т/год [82]. Применяемые процессы обладали низкой селектив­
ностью по отношению к синтезу жидких углеводородов бензиновых
и дизтоплпвных фракций. Получаемые продукты представляли со­
бой широкую гамму углеводородов (бензин был очень низкого ка­
чества, он имел октановое число около 5 0 ).
Развернувшиеся в послевоенный период обширные фундамен­
тальные п технологические исследования позволили значительно
усовершенствовать процесс ФТ-сннтеза. В 1955 г. в Сасолбурге
(ЮАР) был введен в строй завод синтеза мощностью 230 тыс. т
IIЖТ в год, до сих пор являющийся самым большим в мир».
На нем установлены высокопроизводительные реакторы многотруо-
ного типа со стационарным слоем катализатора. Производитель­
ность катализатора по ИЖТ достигает 52 к г/(м3 ч). При реакци­
онном объеме 40 м3 мощность реактора составляет 16 500 т
ИЖТ в год.
В то же время в штате Техас (США) был сооружен еще более
мощный завод ФТ-синтеза производительностью 360 тыс. т НЖТ
в год. На нем имелось всего два реактора мощностью 180 тыс. т
ИЖТ в год каждый. Синтез углеводородов осуществлялся в кипя­
щем слое порошкообразного железного катализатора. Реакторы
имели внушительные размеры: диаметр 5 м н высоту 18 м. Реак-
ЗПГИЖТ

Таблица 3.4 . Материальный баланс заводов но производству ИЖТ из угля
по технологии «Лурги — Фишер — Тролш» , т на 1 т перерабатываемого угля*
Составляющие баланса
Г>оз переработки
<:о4
С переработкой
СН4
Вход
1. Сырье, в с о г о ................
4,205
4,387
В том числе уголь
1,000
1,000
воздух
2,980
3,080
вода ***
0,285
0,307
2. Вспомогательные материалы
0,010
0,013
Итого...
4,275
4,400
Выход
1. Продукты, всего . . .
0,232
0,208
В том числе ЗГ1Г
0,113
0,014
сжиженные газы
0,005
0,008
моторные топлива
0,078
0,138
котельное топливо
0,012
0,013
химические продукты
0,024
0,035
(спирты, парафины, соедине­
ния серы и т. д.)
2. Отходы производства, всего . . .
4,043
4,192
В том числе твердые и жидкие
0,095
0,100
газообразные (паровоздушная
смесь в агомосферу)
3,948
4,092
Итого...|
4,275
J
4,400
* Рассчитано для канско-ачинского угля на основе данных из [106, 152].
** На технологические процессы (в виде водяного пара).
цпонный объем превышал 100 м3. Производительность катализато­
ра достигала 230 кг/ (м3 • ч) ИЖТ [82]. Описываемый завод про­
работал всего несколько лет и затем по экономическим прнчипам
(началась «нефтяная эра» в энергетике!) был закрыт.
После длительного периода почти полного забвения интерес к
процессу ФТ-сиитеза вновь возродился в последние полтора деся­
тилетия — после «нефтяного кризиса» 1973 г. Сейчас фундамен­
тальные и экспериментальные исследования в этом направлении
ведутся широким фронтом во многих странах мира. Основные их
задачи: повышение селективности процесса в отношении бензино­
вых и дизтопливных фракций ИЖТ, увеличение объемпой скоро­
сти подачи сырья в реактор и степени превращения СО-водород-
ной смеси за проход, улучшение качества получаемых продуктов,
разработка новых, более эффективных методов утилизации боль­
ших объемов образующихся вторичных эпергоресурсов и в итоге
обеспечение конкурентоспособности ИЖТ с традиционными неф­
тепродуктами.

Таблица 3.5. Структура капиталовложений в завод по переработке угля
в ИЖГ по технологии «Лурги — Фишер — Троит» (с конверсией метана),
% [152]
Статья затрат
Величина
1 Производство синтеза-газа, всего . . .
44,7
В том числе газификация
15,5
разделение воздуха для получения кислорода
12.2
производство водяного пара
6.7
очистка синтеза-газа («Ректизол»)
10,3
2 ФТ-синтез, всего . . .
25,3
В том числе реактор синтеза
14.3
приготовление катализаторов
1.7
циркуляционные компрессоры
6.7
конверсия остаточного газа (метана)
2.6
3 Переработка продуктов, всего . . .
9,4
В том числе полимеризация, алкилирование, изо­
меризация
1.7
переработка кислородсодержащих соединений
2Д
очистка получаемого бензина
1,3
дистилляция газогенераторной смолы
0,5
установка фенолсольванной экстракции
2.6
получение сульфата аммония
1.2
4 Вспомогательные установки, всего . . .
6,7
В том числе электростанция
3.4
система оборотного водоснабжения
2.4
водоподготовка
0.9
5 Внепропзводственные
общезаводские
установки
п сооружения
13,9
Итого...
100,0
Выполненные исследования послужили основой для проектиро­
вания установок ФТ-спнтеза мощностью 2 —4 млн т НЖТ в год.
Одна из таких установок мощностью 2,2 млн т ИЖТ/год, выпол­
ненная по схеме «Лурги — Фишер — Тропш», уж е сооружена на
заводе в Сасолбурге (Ю АР). КПД проектируемых заводов дости­
гает 44—50 % при осуществлении переработки получаемого метана
в жидкие углеводороды и 55—65 % в случае отпуска образующе­
гося метана (ЗПГ) внешним потребителям (см. табл. 3 .2).
Материальный баланс завода синтеза НЖТ по технологии
«Лурги — Фишер — Тропш» приведен в табл. 3 .4; в табл. 3 .5 пред­
ставлена структура капиталовложений в такой завод.
Как уже отмечалось в разд. 3 .2, стремление улучшить пока­
затели косвенного ожижения угля, в частности повысить выход мо­
торных топлив, привело фирму «Мобил» к созданию принципиаль­
но новой технологии — получение бензина из метанола. Последний
производится из СГ известными и достаточно отработанными в про­
мышленности методами.
Превращение метанола в бензин осуществляется следующим
образом (рис. 3 .17): метанол-сырец поступает в реактор дегидри­
рования, где в присутствии катализатора (активного оксида алю­
миния) частично дегидрируется с образованием равновесной смеси

Метанол
Рис. 3.17. Схема превращения метанола в
бензин.
1 — реактор дегидрирования; 2 — реактор полу­
чения бензина; 3 — теплообменник; 4 — конден­
сатор; 5 — компрессор; 6 — сепаратор.
Уголь
Залог
H2S
С0г
Рис. 3.18. Схема получения НЖТ методом ФТ-синтеза с интегрированием угля
и ядерного горючего.
1 — подготовка угля; 2 — производство электроэнергии и водяного пара; 3 — газифика­
ция угля; 4 — очистка генераторного газа; 5 — синтез углеводородов; 6 — разделение
продуктов синтеза; 7 — конверсия метана; 8 — высокотемпературный ядерный реактор.
метанола, днметнлового эфира и воды:
2СН3ОН ** СНзОСНз + Н20 .
(3.24)
Затем полученная смесь направляется во второй реактор, где
на высоконзбнрательных цеолнтовых катализаторах конвертируется
с образованием бензина:
СН3ОСН3— 2СН2+ Н20 .
(3.25)
Основное достоинство новой технологии — большой выход бен­
зина, причем бензина высокооктанового (табл. 3 .6). По массе он
составляет 79 % от всех образующихся углеводородов (остальные
19,6 % приходится на сжиженные газы и 1,4 % — на ЗПГ) [80].
Интересен процесс синтеза жидких углеводородов из оксида
углерода и водяного пара, открытый Кельбелом и Энгельгардом в
1948 г. [152]. Его суммарное уравнение:
ЗСО+Н20= СН2+ 2С02.
(3.26)
Этот процесс характеризуется очень высоким выходом НЖТ п
большой гибкостью. Он может оказаться эффективным при комби­
нировании с некоторыми новыми типами высокотемпературных
энергоустановок.
В Советском Союзе исследования по сиптезу НЖТ из СО п
Н2 начались в J934 г. и проводились на небольших лабораторных
стендах. В короткий срок был выполнен огромный объем теоретп-

Таблица З.г> Материальный баланс блока каталитической конверсии не*
танола. т |>0|
Вых«]
Наименование
В-.“ 'чина
1
Налмеаованве
j
1
1. Метанат — сырец, всего
1.000
В том числе метана! 100 %
0.830
вода
0.770
И т о г о ................
1.000
1. Углеводороды, всего. . .
0.362
В том чпсле ЗПГ
0.005
сжиженные газы 0.071
бензин
0.2г*>
2. Низкокалорийный
газ
0,003
(СО — COs>
3. Вода
0,633
4. Кокс н прочие вещества
0.002
И т о г о ................ I 1,000
ческпх п экспериментальных работ. что позволило у ж е в 1937 г.
соорудить две полупромышленные установки: одну — на ленинград­
ском заводе «Салолин» производительностью по исходном у газу
150 м3 ч. а другую — на Чернореченском химкомбинате мощностью
50 м3 СГ в час [82]. В 1952 г. в Новочеркасске была введена в строп
промышленная установка по ФТ-спнтезу жпдкпх углеводородов,
функционирующая до настоящего времени. Первоначально СГ по­
лучали газификацией антрацита. В последующем перешли на кон­
версию природного газа. Сейчас на установке вырабатываются
дизельное топлпво н химические продукты.
В конце 50-х
— начале 60-х годов целенаправленные НИОКР
по синтезу ИЖТ в СССР были свернуты п возобновились лишь в
последнее десятилетне, тем не менее уж е имеются определенные
результаты.
Так. в Институте катализа СО АН СССР разрабатывается ва­
риант технологии «мобпла-процесс прямого синтеза жпдкпх угле­
водородов. главным образом бензиновых фракций пз СО-водород-
ной смесп [48]. На созданных в этом институте цеолптовых ката­
лизаторах одновременно протекают реакцпп образования метанола
п превращения его в бензин, что позволяет совместить обе стадпп
«мобпл-процесса* и. следовательно, упростить технологическую
схему. Параметры процесса: давление 8,0 МПа, температура 600 —
650 К. В лабораторных условиях была достигнута очень высокая
степень превращения СО-водородной смеси за один проход через
реактор. 80 —90 % против 10—20 % на стадии синтеза метанола
в технологии «газификация + синтез метанола + Мобил-процесс*.
В результате уменьшилась кратность рециркуляции пепрореагпро-
вавшего СГ и сократился расход энергии на рециркуляционный
компрессор. Вероятно, можно вообще отказаться от рециркуляции.
Технологии производства жидких топлив методом последова­
тельных газификации и синтеза (ПГС) чрезвычайно экзотермич-
ны: на 1 кг получаемого ИЖТ выделяется до 12—14 МДж тепло-

вон энергии. Параметры современных процессов синтеза (Т = 550—
800 К) вполне приемлемы для эффективного комбинирования об­
суждаемых технологий с энергоустановками, учитывая, что в схеме
еще имеются такие высокотемпературные элементы, как газогене­
раторы (7 = 1 1 0 0 —2000 К ), где тоже выделяется большое количе­
ство теплоты, требующее утилизации. Как показали термодинами­
ческие расчеты (см. табл. 1 .1), эффективным может быть также
интегрирование угля и ядерной энергии при получении ИЖТ ме­
тодом синтеза (рис. 3 .18).
Совершенствование технологии ПГС
Рассмотрим следующ ие возможности совершенствования техно­
логии ПГС: а) использование процесса плазменной газификации
и б) комбинирование с энергоустановкой.
Объединение технологии ПГС с ТЭУ с энергетической точки
зрения безусловно целесообразно, если выполняются следующие
условия: a) Qp > Qa, где Qp — суммарный объем имеющихся в тех­
нологии вторичных энергоресурсов, Qn — ее потребность в тепловой
энергии на собственные нужды; б) параметры утилизируемых теп­
ловых потоков достаточны (с учетом сжигания вторичных горючих
эпергоресурсов) для того, чтобы довести температуры заданных
количеств всех нагреваемых теплоносителей до требуемых уровней.
В то же время условие Qp < QB не является достаточным для
утверждения, что данную технологию комбинировать энергетически
нецелесообразно. Другими словами, бытующее мнение о том, что
образующиеся при углехпмпческой переработке вторичные энерго­
ресурсы следует направлять, прежде всего, па удовлетворение соб­
ственных нужд предприятия в тепловой энергии, а уж е остатки
утилизировать в цикле энергоустановки [152, 184], не всегда ока­
зывается бесспорным. Если имеется возможность применить энерго­
установку с КПД большим, чем КПД раздельного производства
электроэнергии на исходном угле, то комбинирование .может ока­
заться целесообразным и при условии Qp < QB.
В качестве иллюстрации этого тезиса приведем следующие при­
меры [223]:
—
если в схеме есть требующие охлаждения материальные по­
токи с очень высокой температурой, то в нее можно ввести энерго­
установку (например, МГДУ) с КПД, превышающим КПД раз­
дельного производства электроэнергии на псходном угле;
— е сли имеются сбросные горючие газы, богатые водородом и
оксидом углерода, то можно использовать ЭХГ, КПД которого су­
щественно выше, чем в раздельном варпапте на том ж е угле.
Рассмотрим кратко принципиальные схемы комбинированных
установок ПГС с плазменной газификацией, представляющие боль­
шой методический и практический интерес.
На рис. ЗЛО представлепа папболее легко реализуемая схема
установки ПГС с П ТУ [55, 223]. Здесь практически все основпые
собственные н ужд ы технологии в водяном паре (как технологиче-

Рис. 3.19. Комбинированная схема технологии ПГС с ПТУ. Обозначения к
рис. 3.19—3.21.
7 — газогенератор; 2 — теплообменные апараты; 3 — пылеочистка; 4 — реактор час­
тичной конверсии оксида углерода; 5 — сероочистка: в — электродвигатель; 7 — комп­
рессор; 8 — реактор синтеза И Ж Т; 9 — паровая турбина; 10 — электрогенератор; 77 —
конденсатор; 12 — конденсатный насос; 13 — блок конденсации продуктов синтеза; 14 —■
установка разделения воздуха; 15 — МГД-генератор.
•ском сырье) п тепловой энергии покрываются из отборов паровой
турбпны.
В зависимости от степени конверсии исходной смеси за проход
через реактор синтеза R возможны два варианта исполнения узла
синтеза: 1) при высоком значении R (ориентировочно более 30% )
синтез целесообразно проводить в нескольких последовательно рас­
положенных реакторах, т. е. в несколько ступеней (рис. 3 .20,а);
число ступеней при этом выбирается исходя из обеспечения тре­
буемой суммарной степени превращения СГ; 2) при невысоком
значении R целесообразнее организовать рециркуляцию сырья
после отделения от него целевых продуктов (рис. 3 .20,6).
Возможны несколько вариантов дальнейшего использования ос­
таточного (продувочного) газа, содержащего водород, оксид угле­
рода, метан и другие компоненты, после узла синтеза [55]: 1) на­
правлять на метанирование и после осушки отпускать потребите­
лям в качестве ЗПГ; 2) сжигать в камере сгорания газовой тур­
бины; 3) использовать в ЭХГ; 4) возвращать в газогенератор:
5) использовать (сжигать в технологических топках) для производ­
ства тепловой энергии на собственные нужды , возможно, предва­
рительно сработав давление в расширительной турбине.
Для реализации первого варианта благоприятствует наличие в
районе расположения углеперерабатывающего предприятия доста­
точного количества потребителей ЗП Г . Варианты 2 и 3 по произ­
водственному эффекту близки друг к другу. Если в остаточном
газе не содержится метай, то его целесообразно направлять в ЭХГ,
в протпвпом случае — в камеру сгорания газовой турбпны. Вари­
ант 4 имеет смысл лишь при условии, что остаточный газ не со­
держит инертных кохмпонентов (азота). 11о поскольку в СГ, полу-

а
б
Рис. 3.20. Варианты исполнения узла синтеза:
а — многоступенчатый, б — с рециркуляцией сырья.
чаемом пз угля, азот в каком-то количестве неизбеж но присутству­
ет, то при реализации варианта 4 все равно потребуется продувка.
Пятый вариант может иметь смысл в случае недостатка в техно­
логии вторичных энергоресурсов пли и х низкого качества.
В случае применения высокотемпературного (2900—3000 К)
процесса плазменной газификации технологию ПГС целесообразно
комбинировать с МГДУ (рис. 3 .2 1 ,а) [55, 223]. Благодаря этому,
по-видимому, можно решить две весьма актуальные задачи: во-пер­
вых. повысить К П Д генерирования электроэнергии и таким обра­
зом компенсировать часть ее расхода на плазмотроны и, во-вторых,
«заморозить» образовавшиеся ценные соединения вследствие бы­
строго охлаждения потока газа в канале МГД-генератора и увели­
чить выход целевых продуктов. Кроме того, если возникнут труд­
ности с внедрением плазмотронов на переменном токе, то в данной
схеме м ож но использовать традиционные плазмотроны на постоян­
ном токе, организовав их энергоснабжение от МГД-генератора. При
этом нет нужды в громоздкой п дорогой выпрямительной аппа­
ратуре.
При больших единичных мощностях углеперерабатывающпх
установок эффективным м ож ет оказаться другой вариант схемы
технологии ПГС с МГД-генератором, приведенный на рис. 3 .21 ,6
[55. 134]. Здесь в отличие от предложения [134] комбинируются
два способа газификации: углекислотный (газификация угля отхо­
дящими газами МГД-генератора) и плазменный. Можно предпо­
ложить, что благодаря этому, во-первых, интенсифицируется про­
цесс газификации (по сравнению с чисто углекислотным) за счет
ввода с плазмообразующпм газом (в данном случае диоксидом уг-
13 Б. М Каганович, С. П. Филиппов, Е. Г. Анциферов
1^3

Рис. 3.21. Комбинированные схемы технологии ПГС с МГДУ.
а — с автотермнческой, б — с аллотерм «ческой газификацией.
лерода или водяным паром) дополнительного количества активных
частиц и, во-вторых, увеличится гибкость схемы относительно со­
отношения между вырабатываемыми электроэнергией и 11/КТ.
В отходящих газах МГД-генератора содержится присадка — соеди­
нения калия, которые являются катализатором для реакций гази­
фикации [104, 212]. При этом существенно увеличивается скорость
процесса, возрастает выход метана, появляется уникальная воз­
можность снизить температуру в газогенераторе до 825—075 К.
Помимо рассмотренных, возможны и другие комбинированные
схемы технологии Г1ГС, в частности с применением ТЭГ (при ис­
пользовании процесса газификации с температурой 1500—2300 К ),
с отпуском теплоты внешним потребителям и т. д .

Прп расчетах технико-экономической эффективности техноло­
гии ПГС с ПТУ (см. рис. 3 .19) были приняты следующие предпо­
сылки. Очистка СГ от твердых частиц осуществляется высокотем­
пературным сухим способом, а от соединений серы — низкотемпе­
ратурным методом «Ректпзол». Выделепные сернистые соедине­
ния перерабатываются в элементарную серу в установке «Клаус».
Процесс частичной конверсии СО (сдвига соотношения Н г : СО)
в синтез-газе производится на перспективных высокотемпературных
катализаторах (Т = 700 К) н идет до установления в конверторе
химического равновесия.
ПЖТ из СО-водородпой смеси производится методом прямого
синтеза. Параметры процесса: Р —8 ,0 МПа, Т = 625 К. Продукта­
ми синтеза являются жидкие углеводороды бепзиповых и дизтоп-
лнвных фракций (т. е. моторные топлива) с эквивалентной хими­
ческой формулой СНг и газ-метан. Перспективные показатели про­
цесса: степень конверсии исходной СО-водородной смеси за про­
ход — 0,8, селективность процесса (степепь перехода углерода из
прореагировавшего СО в ИЖТ) — 0,7. Уравнение реакции сиптеза
ПЖТ:
vcoCO + vhJI2 vch2CH24- v<7,h4CH4+ vh2oH20 + vcoCO -f- vh2H2.
(3.27)
Поскольку степень конверсии исходных реагентов в выбранной
технологии синтеза очень высокая и в продуктах реакции содер­
жится довольно значительное количество трудноотделпмого от пе-
прореагировавшей СО-водородной смеси ипертного компонента —
метана, процесс синтеза целесообразно организовать по открытой
схеме, т. е. в несколько ступеней (см. рис. 3 .20, а) с выводом про­
дуктов реакции — ИЖТ и воды (путем их копдепсацпп) после каж­
дой ступени.
Непрореагировавшая СО-водородная смесь из последнего реак­
тора синтеза (после отделения ИЖТ и воды) направляется па ме-
танпровапие. Температура процесса 600 К. Выходы продуктов ре­
акции метапирования соответствуют их равновесным значениям.
Теплота, выделяющаяся в различных элементах технологиче­
ской схемы, если достаточны ее количество и параметры, утилизи­
руется в цикле ПТУ. Параметры пара на входе в паровую турби­
ну: Р = 13 МПа, Т —820 К. Регенеративный подогрев питательной
воды отсутствует. Все собственные нужды технологической уста­
новки в теплоте покрываются из отборов турбины. Минимальная
температура охлаждения материальных потоков в теплообменных
аппаратах с целью полезного использования теплоты равна 400 К.
Кислород производится путем разделения воздуха. Удельный
расход электроэнергии — 1,8 МДж па 1 кг кислорода. Сырье (уголь,
воздух, вода) вводится в технологию прп температуре окружающей
среды, равной 280 К. Если вторичных энергоресурсов окажется не­
достаточно для покрытия всех собственных нужд в тепловой энер­
гии, то вводится котельная соответствующей мощпостп, потребляю­
щая исходный уголь.

Расчеты проводились последовательно для отдельных блоков
установки в соответствии со схемой на рис. 3 .19. Детально с уче­
том конструкционных особенностей и расхода материалов рассчи­
тывались капиталовложения в газогенератор, теплообмеппые аппа­
раты и реакторы конверсии СО, синтеза ИЖТ и метапирования.
Для остальных элементов технологической схемы (топливоподго-
товкп, получения кислорода, очистки СГ от твердых частиц и кис­
лых газов, разделения продуктов синтеза и т. д .) использовались
ориентировочные зависимости вида
где К — капиталовложение; а, b и а — коэффициенты; х — произ­
водительность.
Выходы продуктов при плазменной газификации, конверсии
СО п метанировашш определялись с помощью моделей МОПР. По­
казатели автотермических процессов газификации принимались по
табл. 3.3.
Результаты технико-экономических расчетов представлены в
табл. 3.7. Приведенные КПД установок вычислялись по следую­
щим формулам:
а) без учета КПД производства подводимой извне электро­
энергии
где Эотп. и Эп — количество электроэнергии, соответственно отпус­
каемое внешним потребителям и подводимое извне, МВт (в кон­
кретных установках либо Эотп, либо Эп отсутствуют); / т — множе­
ство товарных продуктов;
б) с учетом КПД производства подводимой извне электроэнер­
гии — т]э, принятого равным 0,38,
Анализ табл. 3 .7 позволяет сделать следующие выводы.
1. Варианты технологии ПГС с плазмохимическим производ­
ством СГ характеризуются высокими выходами (по энергии) ШКТ
из единицы вводимого угля, высокими т|к, но низкими г|к:>, наимень­
шими удельными капиталовложениями.
2. Комбинирование с ПТУ позволяет повысить КПД устано­
вок ПГС с плазменными процессами газификации: смешанным —
на 3,6% , аллотермическимн — на 7 ,6% , а с автотермнческими:
впотоке—на7,5ивКС—на16,2%.
3. Па основе полученных технико-экономических оценок не­
возможно сделать окончательное заключение о сравнительной эф­
фективности рассматриваемых технологий ввиду существенного
К=а+Ьха,
(3.28)
Анализ результатов исследований
(3.29)
(3.30)

Таблица 3.7 . Технико-экономические показатели сравниваемых технологий
переработки угля в ИЖТ методом 11ГС (мощность предприятия 5060 МВт по
ИЖТ)
Производство синтез-газа п газогенераторах
Показатели
а »тот«*рмическ их
плазменных
в плотном в кипящем
в потоке
аллотерми-
слое
слое
смешанном
ческом
1
2
3
4
5
6
I. Теплота сгорания
сырья и получаемых
продуктов, МДж/кг
Сырой уголь:
16,98
16,98
16,98
16,98
высшая
16,98
низшая
15,47
15,47
15,47
15,47
15,47
ИЖТ (моторные топлива):
47,02
47,02
47,02
47,02
высшая
47,02
низшая
43,79
43,79
43,79
43,79
43,79
ЗПГ:
52,80
высшая
55,03
46,27
51,57
52,02
низшая
50,07
41,83
46,62
47,02
47,72
9,26
Сера
9,26
9,26
9,26
9,26
II. Материальный ба-
лапе, кг/с
Вход
Уголь
1219,0
1131,0
930,6
811,6
520,7
Воздух
2156,0
2984,0
2324,0
1666,0
182,1
Вода добавочная (на про­
155,0
179,0
83,4
68,4
54,2
цесс)
Итого...
3530,0
4294,0
3338,0
2546,0
757,0
Выход
ИЖТ
114,2
114,2
114,2
114,2
144.2
ЗПГ
160,6
107,7
79,0
73,7
58,2
Сера
1,0
0,6
0,6
0,6
0,4
Диоксид углерода (из
блока очистки СГ)
846,0
1091,0
870,5
686,2
281,6
Азот (из блока разделе­
ния воздуха)
528,0
1993,0
1556,0
1072,0
0
Дымовые газы и прочие
газообразные отходы
Твердые отходы
1797,4
82,8
909,6
77,9
653,4
64,3
542,2
55,1
267,2
35,4
Итого...
3489,0
4254,0
3338,0
2546,0
757,0
I I I . Баланс производ­
ства и потребления
электроэнергии, МВт
Вход
Вы работано в установке
Получено со стороны
0
1 244
2 379
0
1 115
465
526
1,626
915
3911
I 1244|2379|1580|2152

Выход
Подготовка
топлива
(транспорт, дробле­
ние. размол п т . д.)
Газификация угля (на
питание плазмотро­
нов и прочие собст­
венные нужды отде­
ления газификации)
Производство кислорода
Компремироваипе кисло­
рода
Очистка синтез-газа
Компремироваипе син­
тез-газа
Прочие
собственные
нужды установки
62
63
66
58
37
85
81
47
970
4 424
292
1 071
847
583
0
66
246
193
132
0
93
98
87
81
72
230
287
261
260
250
416
111
79
68
43
IIтого
(собственные
н у ж д ы ) ................
Отпуск электроэнергии
внешним потребителям
1 244
О
1 957
422
1 580
0
2 152
0
4 825
0
Итого...
IV. Энергетический ба­
ланс (по низшей тепло­
те сгорания), МВт
Вход
Уголь
Электроэнергия
1 244
18 860
1 244
Итого...
Выход
ИЖТ (моторные топлива)
ЗПГ
Сера
Электроэнергия (отпуск
внешним потребите­
лям)
Потери
20 104
5 000
8 041
9
0
7 054
2 379
17 500
0
1 580
14 400
465
2 152
12 560
1 626
17 500
5 000
4 505
6
422
7 567
14 865
5 000
3 683
6
0
6 176
14 186
5 000
3 465
6
0
5 715
4 826
8 055
3 911
11 966
5 000
2 777
4
0
4 185
Итого...
V. Итоговые энергети­
ческие характеристики
Удельный выход ИЖТ,
МДж
ИЖТ/МДж
КАУ
м
20 104
0,265
17 500
0,286
14 865
0,347
14 186
0,398
И 966
0,621

1
2
3
4
5
6
Удельный выход ЗПГ,
мдж
зпг мДж­
илу
0.426
0.257
0,256
0.276
0,345
Удельный выход эле­
ктроэнергии,
МДж
ЭЭ МДж КАУ
0
0
0,029
0
0
КПД (по низшей тепло­
те сгорания), %:
1. Комбинированная
технология
а) без учета т|э
♦
56,8
58,5
59,7
65,0
б) с учетом г)э
*
56,8
55,6
50,3
42.4
2. При
отсутствии
комбинирования
а) без учета цэ
64.0
48,9
54.4
57,6
60.4
б) с учетом Т1э
59,0
42,0
46,8
46,5
37,5
VI. Относительные
удельные капитало­
вложения
H a l кВт установленной
мощности по углю
1
1,00-1 .08 0,96-1,03 0,87-0,94 0.76—0.83
Тоже,поИЖТ*
1
0,93 -1 ,0 0 0,73—0,79 0,58—0,63 0.33—0,35
* В технологии нет условий з л я комбинирования с ПТУ.
различия в них соотношений между отпускаемыми продуктами и
удельных величин подводимой извне электроэнергии.
Как указывалось в разд. 1.6 и 2.3, корректно сопоставить мно­
гопродуктовые установки можно только с помощью системной мо­
дели. Обсуждаемые технологии были подвергнуты таким исследо­
ваниям. При этом использовалась модель МОСТ, описанная в
разд. 2 .3 . В качестве топлива выбран канско-ачпнскпй уголь, а ме­
сто
сооружения
углеперерабатывающпх
предприятий — район
КАТЭКа. При заданных внешних условиях в широких диапазонах
варьировалась стоимость топлива (ст): от 0,26 до 0,85 руб/ГДж
(7,5 —25 руб/т у. т .) . Результаты расчетов представлены в табл. 3.8.
На их основе можно заключить следующее.
1.
Вариант технологии ПГС с аллотермпческой плазменной
газификацией
характеризуется
большим
перерасходом
угля:
в среднем па 0,15—0,3 ГДж КАУ/ГДж ИЖТ по сравнению со
смешанным плазмеппым процессом и газификацией в плотном слое
и на 0,4—0,6 ГДж КАУ/ГДж ИЖТ по сравнению с производством
СГ в газогенераторах с КС и потоком при отнесении всего систем­
ного эффекта на отпускаемое ИЖТ. Основная причина этого —
большой расход электроэнергпи на плазменный процесс, КПД вы-

Таблица 3.8. Сравнительная системная эффективность производства ИЖТ
из КЛУ методом ПГС с различными способами получении синтез-газа (относи*
тельно варианта с газификацией в плотном слое)
Газификация
Показатели
Автотермическая
Плазменные
в кипящем
слое
в потоке смешанная
полная
1. Экономия
топлива *,
МДж КЛУ МДж ШКТ
Тоже.%
2. Экономия капиталовло­
жении **, руб, кВт ЛЖТ
Тоже.%
3. Экономия приведенных
затрат *
а)при <*т=0,26 руб/
0.23—0,39
5-9
50—80
9-14
0,33-0 .49
7—11
81-110
14—20
0,17
0-4
76-105
13-19
(—0,15)—(—0,34)
(—4)—(—8)
49-79
9-14
/ГДж КАУ:
руб/ГДж ИЖТ
тоже,%
б) при ст= 0,52 руб/
0,48-0,74
8-12
0,83—1,07
14-18
0,81-1 ,04
13—17
0,53-0,78
9—13
/ГДж КАУ:
руб/ГДж ИЖТ
тоже,%
в) при ст= 0,85 руб/
0,57—0,63
8-12
0,95-1,18
13-16
0,82-1 ,06
И —15
0,46-0,71
6-10
/ГДж КАУ:
руб/ГДж ИЖТ
тоже,%
0,68-0,94
9—11
1,09-1,33
9-13
0,86 -1 ,10
10-13
0,26—0,53
5—7
* Весь системный эффект отнесен на отпускаемое ИЖТ; ( + ) — экономия, ( —) —пе­
рерасход; ст— стоимость топлива.
** Весь системный эффект отнесен на установленную мощность по ИЖТ.
работки которой в целом ниже, чем КПД углехимических произ­
водств и котельных.
Установка ПГС со смешанной плазменной газификацией обес­
печивает существенную (0,2 —0,3 ГДж КАУ/ГДж ИЖТ) экономию
угля по сравнению с аллотермпческим процессом и небольшую
(в среднем 0,05—0,1 ГДж КАУ/ГДж ИЖТ) — по сравнению с га­
зификацией в плотном слое. Однако относительно установок ПГС
с газогенераторами с КС и потоком имеет место значительный пе­
рерасход топлива (0,2—0,3 ГДж КАУ/ГДж ИЖТ).
2.
Наименьшие удельные капиталовложения среди сравнивае­
мых технологий имеет установка ПГС с аллотермпческой газифи­
кацией, однако при рассмотрении всей системы оказалось, что она
обеспечивает экономию капиталовложений (в размере 49—79 руб/
/кВт ИЖТ при отнесении всего системного эффекта на установлен­
ную мощность по ИЖТ) только относительно варианта ПГС с гази­
фикацией в плотном слое и практически равноэкономпчна с тех­
нологией, в которой СГ производится в газогенераторе с КС. Для
вариантов ПГС с газификацией смешанной и в потоке наблюдает-

Рис. 3.22. Зависимость системной эффективности АЗС применения технологии
ПГС с частично плазменной газификацией от соотношения ^Ижт и £,<:
о —при cj> = 0,26 руб/ГДж; б — при су =0,86 руб/ГДж; 1, 2, з — при значениях параме­
тров Ph>kT соответственно равных 0,5, 0,75 и 1,0.
ся существенный перерасход капиталовложений — до 40 руб/кВт
ИЖТ. Причина кроется в больших требуемых капитальных затра­
тах на производство потребляемой плазменным процессом элект­
роэнергии.
Установки ПГС со смешанной газификацией и газификацией в
потоке практически равноэкономичны по расходу капиталовложе­
ний и обеспечивают существенную их экономию по сравнению с
другими вариантами: около 30 руб/кВт, если СГ производится в
аллотермическом процессе или в газогенераторе с КС, и 76—
110 руб/кВт — относительно газификации в плотном слое.
3.
По приведенным затратам в системе наиболее экономичным
из рассмотренных оказался вариант ПГС с газификацией в потоке.
При невысокой стоимости угля (ст = 0,26 руб/ГДж) практически
равноэкономичен ему вариант со смешанной газификацией. Однако
если уголь дорогой (ст = 0,85 руб/ГДж), то последний оказывается
менее экономичным и разница между ними достигает 0,2 руб/ГДж
ИЖТ (6 руб/т у. т. ИЖТ) при отнесении всего системного эффекта
на отпускаемое ИЖТ. Причина все та же — большой расход элект­
роэнергии на плазменную газификацию и, как следствие, перерас­
ход топлива в системе.
Технология ПГС с полностью плазмепным процессом газифи­
кации обеспечивает экономию приведенных затрат во всем иссле­
дованном диапазоне стоимости угля (0,26—0,85 руб/ГДж) только
относительно варианта с газификацией в плотном слое. Прп де­
шевом угле обсуждаемый процесс равноэкономичен с ПГС с гази­
фикацией в КС, но при дорогом — существенно уступает ему п
перерасход затрат достигает 0,4 руб/ГДж ИЖТ (12 руб/т у. т.
ИЖТ).
По результатам системного сопоставления (см. табл. 3 .8) вид­
но, что смешанный процесс плазменной газификации конкуренто­
способен с автотермическими методами получения синтез-газа,
а полностью плазменный им существенно уступает. Исходя из этих

фактов, можно сделать следующие выводы, касающиеся плазмен­
ной газификации. Во-первых, в газогенератор целесообразно по­
давать минимальное количество плазмы — только для улучшения
характеристик процесса (увеличения скорости реагирования, се­
лективности превращения и т. п .) . Неэффективным является ее
использование для нагрева материальных потоков. Во-вторых, нуж­
но исследовать и другие схемы (из названных выше) комбиниро­
ванной технологии IIГС, в том числе с высокотемпературными
элементами (высокотемпературным плазменным газогенератором,
МГД-генератором), где у плазменной газификации есть много
достоинств. В -третьпх, необходимо продолжить НИОКР по плаз­
менной газификации, принимая во внимание ее потенциальные до­
стоинства (производство неэнергетпческой продукции широкого ас­
сортимента и т. д .) . изложенные в разд. 3 .3 п которые в данных
исследованиях не учитывались.
Выполненные системные исследования показали, что в произ­
водстве ИЖТ основным конкурентом технологий ПГС является
гидрогенизация угля. С помощью модели МОСТ проведено сопо­
ставление этих технологий с целью определения тех соотношений
между их прогнозными технико-экономическими показателями
(удельными выходами ИЖТ и удельными капиталовложениями),
при достижении которых установка ПГС становится более эконо-
Для исследований выбран вариант ПГС с частичной плазмен­
ной газификацией. В расчетах варьировались:
— с о отношение удельных выходов ИЖТ в технологиях ПГС —
апгс и гидрогенизации — аг
— с о отношение удельных (на 1 кВт установленной мощности
по ИЖТ) капиталовложений в установки ПГС — К пгс п гидроге­
низации — К г
— стоимость топлива — ст от 0,26 до 0,85 руб/ГДж (7.5 —
25 руб/т у. т.).
По результатам расчетов построены зависимости величины по­
лучаемого при внедренпп технологии ПГС системного эффекта —
экономии или перерасхода приведенных затрат в системе ЛЗе
(руб/ГДж ИЖТ. при отнесении всего системного эффекта на от­
пускаемое ИЖТ) от параметров
и (5„ (рис. 3 .22).
Если исходить из результатов технико-экономических исследо­
ваний технологии ПГС со смешанной газификацией (см. табл. 3.7)
и прогнозных данных по гидрогенизации угля (см. табл. 3 .2), то
для этих устаповок значения коэффициентов (5Яжт п
равны со­
ответственно 0,89 —0,98 и 0 ,75—0,8. Сопоставив эти данные с гра­
фиками рис. 3 .22, можно заключить, что обсуждаемые технологии
являются практически равноэкономичнымп.
мичнои.
(3.31)
(3.32)’

1. Приведенные исследования перспективной эффективности
ПГС показывают, что совместное использование моделей МОПР,
МОТУС и МОСТ и алгоритма, изложенного в разд. 1.1, позволяет
получить разносторонние прогнозные оценки для обоснования раз­
вития соответствующих НИОКР.
2. Выявлены возможности экономического применения плаз­
менной газификации в схемах ПГС, что подтверждает вывод о це­
лесообразности продолжения НИОКР в области плазмохимическпх
технологий.
3. Несмотря на примерно равную экономичность технология
ПГС и гидрогенизации, такие преимущества первой, как возмож­
ность получения широкого ассортимента высококачественных, эко­
логически чпстых продуктов и нечувствительность к свойствам
исходного угля, обусловливают приоритетность ее дальнейших ис­
следований.
Перспективы дальнейших исследовании этой технологии в ИЭС
обсуждаются в разд. 3.6.
3.5. КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРЫ
Сжигание топлива в кипящем слое (КС) катализатора явля­
ется одним из средств, с которым можно связывать надежды на
решение сложной проблемы создания надежных, экономичных и
экологически чпстых теплогенераторов для канско-ачпнскпх и дру­
гих низкокачественных углей, а также содержащих горючпе веще­
ства промышленных и бытовых отходов. Успешное промышленное
освоение каталитических генераторов теплоты (КГТ), разработан­
ных в Институте катализа (ИК) СО АН СССР [21, 22, 124. 147],
сулит достиж ение ряда привлекательных результатов: возможности
использования самых низкокачественных энергоресурсов, устойчи­
вости теплогенераторов к резким изменениям качества этих ресур­
сов во времени, решения проблем шлакования.
По сравнению со сжиганием топлива в инертном кипящем
слое (ИКС) использование КГТ предположительно может обеспе­
чить следующие преимущества:
—
уменьшение поверхностей нагрева, поскольку в непзотермп-
ческом КГТ при высоком значении коэффициента теплоотдачи не­
посредственно в слое можно воспринять значительно большую
часть тепла топлива;
—
снижение величины уноса топлива из аппарата qy благодаря
увеличению минимальной скорости псевдоожижения в верхних зо­
нах иеизотермпческого слоя и торможению газовых пузырей на­
садками;
—
уменьшение избытка воздуха ав;
—
повышение маневренности в связи с меньшей температурой
воспламенения и более широким диапазоном температур устойчи­
вого горения;

—
сокращение выбросом в окружающую среду оксидом серы и
азота, значительное уменьшение испарения вредных компонентов
минеральной части топлива из-за низкой температуры в слое и
сорбции их золой, отсутствие в дымовых газах продуктов неполного
сгорания, практическое устранение загрязнения атмосферы части­
цами наполнителя.
В то же время трудности, которые обнаружились при исследо­
вании сжигания угля в инертном кипящем слое на лабораторных,
опытно-промышленных и сравнительно небольших промышленных
установках, например в отношении решения проблем создания до­
статочно крупных топочных модулей, потерь топлива с уносом и
других, вызывают у многих специалистов серьезные сомнения в воз­
можности крупномасштабного внедрения этой технологии в электро­
энергетику. Использование каталитического кипящего слоя (ККС)
порождает новые сложные проблемы и, прежде всего, проблемы
производства катализаторов, приемлемых по стоимости и устойчи­
вости к отравлению и механическому износу. Требует дальнейшей
проверки возможность увеличения скорости выгорания твердой
фазы по сравнению с инертным слоем. И это, естественно, вызы­
вает дополнительные сомнения в перспективах эффективного при­
менения КГТ.
Поэтому в ходе прогнозного анализа с учетом потенциальных
достоинств и недостатков каталитических теплогенераторов был
намечен спектр их возможных применений, с помощью МОТУС и
МОСТ проведены расчетные исследования и после взвешивания всех
вероятных плюсов и минусов сделаны оценки перспектив крупно­
масштабного внедрения.
Особенности процесса каталитического окисления
в кипящем слое
В отличие от генераторов с КС инертного наполнителя (доло­
мита, известняка и т. и .) в КГТ топливо сжигается в кипящем слое
катализатора, который обычно представляет собой механически
прочные сферические гранулы диаметром от 0,5 до нескольких
миллиметров, состоящие из активного компонента (оксидов хрома,
кобальта, меди, марганца и других металлов) на пористом окпсно-
алюмиииевом, железном или каком-либо другом носителе [21, 22,
124, 147].
Замена инертного наполнителя на каталитический принципи­
ально меняет механизм процесса горения топлива. Летучие и об­
разующийся при окислении углерода монооксид взаимодействуют
главным образом не с молекулярным Ог, а с атомарным кислородом
катализатора. Происходит процесс «выжигания» О. Восстановлен­
ный катализатор незамедлительно регенерируется кислородом из
газовой среды [21, 22]. Эти реакции применительно к летучим мож­
но представить в следующ ем виде:
СПНЮ+(2п+ 0,5т)КО=С02+0,5тН20+(2п+ 0,5т)К

(3.33)
(2гс 0,5m) К 4-0,5 (2п •+■0,5m)02= (2п —0 .5т) КО
СпНт -г 0,5(2п-г-0,5т)02= пС02—0,5т Н20 ’
где СпНт — летучие вещества топлива; К — катализатор.
По сравнению с факельным пли слоевым сжиганием угля в
традиционных топочных устройствах пли сжиганием в ИКС ката­
литическое окисление характеризуется рядом важных с энергети­
ческой точки зрения особенностей.
Скорость сгорания газовой фазы на катализаторе на порядки
превосходит скорость прямого взаимодействия кислорода с органи­
ческим веществом. Ускорение выгорания твердой фазы может объ­
ясняться обуглероживанием поверхности катализатора пли его
«натиранием» на поверхность угля при трении частиц в слое [147],
а также увеличением скорости отвода газовой пленки от поверхно­
сти твердого углерода.
Диапазон возможных температур горения (Тг) определяется
неравенствами
700н-750К^Тг<1000- 1100К,
где ориентировочные верхние границы обусловливаются термиче­
ской стабильностью катализатора, а нижние — условиями устойчи­
вого горения топлива. Интенсивное окисление угля начинается у ж е
при температурах около 550 К. Благодаря высокой скорости и пол­
ноте реакций каталитического горения, в дымовых газах отсут­
ствуют продукты неполного сгорания [21, 22. 124]. Поэтому в КГТ
топливо можно сжигать при значениях а в. близких к единице.
Отличия в протекании гидродинамических и теплообменных
процессов в каталитическом кипящем слое по сравнению с ИКС
обусловливаются меньшей температурой слоя п регулярной (сфе­
рической) формой частиц. Снижение температуры приводит к
уменьшению кинетической вязкости и теплопроводности ожижаю­
щего агента и увеличению минимальной скорости псевдоожижения.
Следствием этого является изменение численных значений коэффи­
циента теплоотдачи ai от слоя к поверхностям нагрева, величины
уноса топлива и других характеристик.
Большие скорость и полнота реакций каталитического горения
позволяют реализовать идею непзотермпческого КС [21. 22] (см.
рис. 2 .5). ККС с помощью насадок, проницаемых как для газа,
так и для катализатора, разделяется по вертикали на несколько
зон. Сжигание топлива осуществляется в нижней зоне. Поверхности
нагрева могут располагаться либо во всех зонах, лпбо только в
верхних. Насадки тормозят движение частиц и газовых пузырей
и таким образом снижают интенсивность теплообмена между зона­
ми. В результате в зонах поддерживаются температуры, отличаю­
щиеся друг от друга на сотни градусов. При этом перепады темпе­
ратур приходятся исключительно на насадки. Слой в каждой из
зон. благодаря очень высоким коэффициентам теплопроводности
КС в вертикальном направлении, является изотермическим.

Определение термодинамических пределов совершенствования
процессов горения в каталитических теплогенераторах не требует
применения МОПР, поскольку процессы являю тся по своей приро­
де идеальными, описываются стехиометрическими соотношениями
и характеризуются отсутствием выбросов вредных продуктов не­
полного сгорания. Потенциальные достоинства и недостатки КГТ
можно выявить на основе особенностей, отмеченных выше.
По сравнению с традиционными топками на низкокачественных
топливах при каталитическом сжигании имеется возможность зна­
чительного повышения теплонапряженпя в топочном объеме (для
угля до 1—5 МВт/м3 и более), что ведет к уменьшению габаритов
котлоагрегатов. Потенциальными экономическими преимуществами
КГТ по сравнению с установками с ИКС являются:
— уменьшение поверхности нагрева КГТ с непзотермпческим
ККС. поскольку здесь при высоком значении коэффициента тепло­
передачи от греющего теплоносителя к нагреваемым можно вос­
принять непосредственно в слое значительно большую часть теп­
лоты топлива;
— снпженпе qy (соответственно увеличение КПД котлоагрега­
та) в непзотермпческом ККС из-за увеличения минимальной ско­
рости псевдоожижения в верхних зонах и торможения газовых пу­
зырей насадками; уменьшение выноса наполнителя из слоя в свя­
зи с высокой степенью однородности по фракционному составу
каталитического кипящ его слоя;
— увелпченпе КПД благодаря более нпзкпм значениям а в;
— получение прп сжпганпп угля высокодпсперсноп активной
золы, которую гораздо легче, чем золу обычных ТЭС пли теплоге­
нераторов с ИКС, использовать в строительстве, сельском хозяйстве
п некоторых промышленных технологических процессах, что спо­
собствует созданию безотходных энергетических производств.
С позиций эксплуатации КГТ, так же как и топки с ИКС,
обладают по сравнению с традиционными топочными устройствами
важнейшими препмуществамп — способностью работать на низко­
качественных (многозольных, высоковлажных, содержащ их вред­
ные вещества) энергоресурсах, нечувствительностью к резкпм из­
менениям их качества во времени, отсутствием проблемы ш лако­
вания. Эти особенности КС позволяют решить едва ли не основные
проблемы обеспечения надежной работы современных угольных
электростанций и котельных.
Применение установок с КС позволяет расширить ресурсную
базу энергетики благодаря возможности использования в них обед­
ненного горючими веществами сырья (окисленных углей, промыш­
ленных и коммунальных отходов), которое прп традиционной тех­
нике сжигания пришлось бы просто выбрасывать. В свою очередь,
расширение этой базы обеспечивает значительную экономию энерго­
ресурсов. Кроме того, применение КС дает возможность унифици­
ровать котельные агрегаты по топливу.

В сравнении с ИКС ожидаемыми эксплуатационными преиму­
ществами КГТ являются:
—
легкость пуска, обусловленная меньшей температурой вос­
пламенения;
—
большие возможности регулирования нагрузки в связи с
более широким диапазоном температур устойчивого горения;
—
предположительно меньшая эрозия поверхности нагрева,
связанная со сферической формой частиц, свойствами образующей­
ся золы и более низкой температурой в слое.
Экологические преимущества КГТ по сравнению с традицион­
ными топками и ИКС:
—
практически полная ликвидация выбросов оксидов серы и
продуктов неполного сгорания [21, 22, 124];
—
значительное сокращение выбросов оксидов азота (в опытах
по сжиганию КАУ на экспериментальных установках концентра­
ция их в дымовых газах не превышала 80—140 мг/нм3) вследствие
существенной селективности используемых в КГТ катализаторов
в окислении азота топлива до элементарного [124, 147];
—
предполагаемое значительное уменьшение испарения мышь­
яка, ртути, щелочных металлов и других вредных компонентов
минеральной части топлива в связи с низкой температурой в слое
и абсорбцией их золой *>;
—
в случае улавливания катализатора решение проблем скла­
дирования наполнителя и загрязнения им окружающей среды.
Принципиальными недостатками КГТ являются следующие:
1. Низкая температура процесса горения, что накладывает оп­
ределенное ограничение на перечень энергетических установок,
в которых в качестве теплогенераторов можно использовать КГТ.
2. Меньшие, чем у факельных топок, температурные напоры
между греющими и нагреваемыми теплоносителями при сопостави­
мых коэффициентах теплопередачи в зоне горения, что может при­
вести к некоторому увеличению испарительных и пароперегрева-
тельных поверхностей ТЭС.
3. Существенное увеличение расхода электроэнергии па соб­
ственные нужды (преж де всего, на преодоление гидравлического
сопротивления слоя) по сравнению с традиционными теплогенера­
торами. Это имеет место и для котлоагрегатов с ИКС.
4. Значительный унос мелких частиц, хотя для пепзотермпче-
скпх генераторов, возможно, и несколько меньший, чем в ипертпом
КС. Это приводит либо к снижению КПД котлоагрегата, либо к
существенному усложнению его конструкции (ограппзацпп возвра­
та уноса, устройству камер дожигаипя).
5. Обязательная организация систем топлпвопрпготовлеппя,
что связано с ограничениями па минимальные (по условию уноса)
и максимальные (для предотвращения зависания) размеры частиц,
усложняющая использование КГТ в мелких котельпых.
*) Ото предположение намечено проверить с помощью экспериментов
на МОПР.

Практически все отмеченные недостатки каталитических теп­
логенераторов в той плп иной мере присущи топкам с ИКС.
Возможно, что проблему уноса и необходимости организации
довольно сложной системы топлпвоприготовления удастся в буду­
щем решить, используя новые принципы организации КС (двух­
ступенчатого, циркуляционного, фонтанирующего и др.) [122, 195].
Общими для всех топочных устройств с КС являются пробле­
мы: а) освоения крупных модулей; б) эрозии и локальных пере­
гревов размещенных в КС поверхностей нагрева; в) регулирования
нагрузки; г) обеспечения равномерности распределения топлива
и воздуха по сечению КС; зашлаковывания воздухораспределитель­
ной решетки и ряд других. Специфична для КГТ проблема созда­
ния достаточно дешевых, стойких к отравлению и механическому
износу катализаторов. Однако указанные сложности не носят прин­
ципиального характера и могут устраняться конструктивными и
технологическими мероприятиями.
Реализация преимуществ и смягчение недостатков КГТ будут
зависеть от схем энергоустановок, в которых они используются;
прогресса в создании катализаторов; успехов в освоении новых
принципов организации кипящего слоя, совершенствовании кон­
струкций и технологии изготовления самих каталитических тепло­
генераторов.
Возможные схемы использования КГТ в энергетике
Прежде всего, каталитическое сжигание топлива может найти
применение в относительно небольших коммунальных и промыш­
ленных теплоисточниках. КГТ в функции теплогенератора водо­
грейной котельной — один из наиболее простых по устройству (см.
рис. 2 .5) [55]. Главной особенностью водогрейного непзотермпче-
ского КГТ является то, что вся выделившаяся при сгорании топ­
лива теплота может быть отведена в слое.
Каталитические теплогенераторы
могут использоваться и
в крупной энергетике на КЭС и ТЭЦ. Непременное условие это­
го — создание достаточно больших модулей КГТ, из которых можно
компоновать теплогенераторы мощностью в сотнп мегаватт. Н адеж ­
ды на положительное решение данной задачи вселяют успехи,
достигнутые в создании крупных модулей котельных агрегатов
с ИКС [195]. Однако известно, что на пути полного решения про­
блемы еще есть немало серьезных технических трудностей.
На КЭС КГТ могут использоваться либо в качестве пиролпзе-
ра [52, 159] в системе топлпвоприготовления, либо в функции ос­
новного источника теплоты. Приведенные в данном разделе техно­
логические схемы энергоустановок (рис. 3 .23—3 .26) заимствованы
из [55].
Принципиальная технологическая схема П ТУ с КГТ-ппролп-
зером приведена на рис. 3 .23, а. Продуктами термической обработки
угля являются пылевидный полукокс и газ пиролиза, которые далее
направляются в парогенератор. Основная идея схемы пспользова-

ния каталитических генераторов теплоты заключается в обеснсче-
шш надежной работы ТЭС при плохом или резко изменяющемся
во времени качестве поступающего угля. Она может быть реали­
зована на уж е действующих электростанциях с целью повышения
эффективности их эксплуатации (понятно, что это потребует не­
которых дополнительных капиталовложении).
Если в КГТ-ииролизер будет подаваться больше воздуха, чем
это необходимо для обеспечения теплотой процесса полукоксования,
то в генераторе образуется избыток теплоты, которую можно пе­
редавать питательной воде. При этом будут вытесняться либо ре­
генеративные отборы турбин, либо экономайзерные поверхности
парогенераторов.
11а рис. 3 .23, б представлена схема ПТУ, где парогенератором
служ ит КГТ. Но сравнению с традиционными котлоагрегатами
каталитические могут обеспечить значительное повышение экологи­
ческой чистоты ТЭС и некоторое сниж ение затрат в главный кор­
пус. Однако технологическая схема КГТ ИТУ существенно услож­
няется по сравнению со схемой теплогенератора котельной. Это
связано, главным образом, с высокой температурой питательной
воды, вследствие чего для снижения температуры уходящих газов
необходима установка воздухоподогревателя. Если в ПТУ предус­
мотрен промежуточный перегрев рабочего тела, то схема КГТ ста­
новится еще сложнее: добавляется третий нагреваемый теплоноси­
тель — пар промперегрева.
Сниж ение температуры питательной воды ПТУ за счет сокра­
щения размеров регенеративного подогрева приводит к уменьшению
термического КПД цикла теплосиловой установки и потому чаще
всего нецелесообразно.
При неудачах в поисках удовлетворительных решений пробле­
мы уноса может возникнуть необходимость в оборудовании КГТ
камерами дожигания, которые также должны представлять собой
каталитические теплогенераторы. По нагреваемому теплоносителю
эти камеры целесообразно включать параллельно основному потоку
рабочего тела. Катализатор, если это окажется экономически вы­
годным, можно извлекать из золы.
КГТ могут быть использованы в качестве высоконапорного ге­
нератора ПГУ (рис. 3 .23, в). При этом, в связи с повышенным
давлением (порядка 0,5 МПа) ожижающего агента, можно на­
деяться на улучшение условий эксплуатации ККС. Рост давления,
как показывают многочисленные исследования, ведет к увеличению
интенсивности теплообмена и уменьшению уноса. Реализуемость
такой схемы при работе на угле в значительной мере будет опре­
деляться прогрессом в создании оборудования, обеспечивающего
приемлемую степень очистки рабочего тела от твердых частиц и
коррозионных примесей перед газовой турбиной.
Другой вариант схемы П ГУ и КГТ представлен на рис. 3 .23, г.
Здесь каталитический генератор теплоты используется в качестве
высоконапорной камеры сгорания. Основное достоинство данной
схемы — нежесткие требования к степени очистки дымовых газов
14 в. м. Каганович, С. П. Филиппов, Е. Г. Анциферов
209

а
10
Рис. 3.23. Схемы: а — ПТУ с использованием КГТ в системе топлнвопрнготов-
ления; б — ИТУ с использованием КГТ в качестве основного парогенератора;
в — ИГУ с КГТ в роли высокоиаиорного парогенератора; г — ПГУ с КГТ в ро­
ли высоконапорпоп камеры сгорания и котлом-утилизатором; д — ГТУ откры­
того цикла с КГТ в роли высоконапорнон камеры сгорания; е — ГТУ замкну­
того цикла (теплоноситель — гелии) с КГТ в роли пизкоиапорнон камеры сго-
рапия.

Воздух
газы
1 — парогенератор с факельным сжиганием; 2 — пылеочистка; з — сероочистка; 4 —
паровая турбина; 5 — электрогенератор; 6 — конденсатор; 7 — подогреватели низкого
давления; 8 — питательный насос; 9 — подогреватели высокого давления; ю — возду­
ходувка; и — КГТ
—
пиролизер; 12 — циклон; 13 — блок извлечения катализатора из зо­
лы; 14 — парогенератор с каталитическим КС; 15 — высокотемпературная камера сго­
рания с каталитическим КС; 16 — газовая турбина; 17 — компрессор; 1 8 — теплообмен­
ник; 19 — низконапорная камера сгорания с каталитическим КС; 2 0 — высоконапорный
парогенератор с каталитическим КС; 21 — котел-утилизатор; 22 — блок конденсации ш
разделения смолы; 23 — блок переработки смолы; 24 — установка брикетирования.

от твердых частиц (поскольку дымовые газы перед подачей в га­
зовую турбину разбавляются горячим воздухом ). Однако по срав­
нению со схемой, изображенной на рис. 3 .23, б, предположительно
она будет характеризоваться несколько большими металлоемкостью
и удельными капиталовложениями.
В принципе возможно осуществление схемы ПГУ с низкона-
иорным парогенератором КГТ и ГТУ замкнутого цикла. Но ее не­
достатки, в связи с низким КПД паросилового цикла, очевидны.
Каталитические теплогенераторы могут служ ить камерами сго­
рания для ГТУ как открытого,
так
и
замкнутого цикла
(рис. 3 .23, д, е). Эффективными в этом случае они смогут оказаться
только при увеличении температуры рабочего тела перед газовой
турбиной выше 1000— 1100 К.
Поскольку ТЭЦ, так ж е как и КЭС, могут быть паротурбин­
ными, парогазовыми и газотурбинными, схемы использования КГТ
для них аналогичны рассмотренным выше. Д ля каждого типа ус­
тановок здесь имеются два варианта: а) каталитическое сжигание
угля в КС осуществляется как в энергетических, так и в пиковых
теплогенераторах; б) КГТ служ ат только источником пиковой теп­
ловой мощности, а основные котлоагрегаты оборудуются традици­
онными топочными устройствами. Второй вариант будет эффекти­
вен при реконструкции действующих ТЭЦ и в случае задержки
с созданием модулей КС большой мощности.
Обширной областью применения КГТ может стать переработка
угля. Так. они могут использоваться в качестве основпого элемента
технологической схемы процесса пиролиза твердого топлива [52,
159]. Возможны два принципиальных варианта конструкции КГТ-
пиролнза: с неизотермическпм и с изотермическим КС.
В первом случае кипящий слой разделяется насадкой на две
зоны: горения топлива и пиролиза. Перерабатываемый уголь по­
дается в верхнюю (низкотемпературную) зону. С целью обеспече­
ния технологического процесса теплотой часть угля сжигается под
насадкой (в нижней зоне). Продуктами переработки являются пы­
левидный полукокс п смесь газов, из которой при охлаждении
конденсируются тяжелые углеводороды (см ола). Оставшийся после
выделения смолы низкокалорийный газ (НКГ) может сжигаться
в нижней зоне КГТ взамен угля.
Во втором варианте весь перерабатываемый уголь вводится
в слой. Часть его летучих окисляется кислородом ожижающего
агента. За счет выделившейся при этом теплоты происходит про­
цесс термической деструкции. Продуктами разложения являются
ОТТ, смола и ПКГ. Первая из рассмотренных схем КГТ-пнролп-
зера позволяет проводить низкотемпературную термическую пере­
работку угля. Область применения второй схемы ограничена высо­
котемпературными процессами.
Если в реакторе топлива будет сжигаться больше, чем это не­
обходимо для покрытия теплового эффекта процесса пиролиза, то
в КС необходимо разместить поверхности нагрева для отвода избы-

а
Моторные
а котельные
/г>оплива
КБТ
Дымовые
газы
Воздух
Рис. 3.24. Схемы комбинированных установок на основе процесса пиролиза
угля в КГТ.
а— с брикетированием полукокса; б — с его сжиганием ПК — полукокс; ГП — газ пи­
ролиза; ЛС — легкая смола; ТС — тяжелая смола.
точного количества теплоты, что существенно усложняет техноло­
гическую схему аппарата.
Можно предположить, что использование КГТ позволит зна­
чительно упростить технологические схемы пиролиза по сравнению
с известными установками (ЭТХ, ТККУ и другими [72. 157]) бла­
годаря исключению нз них устройств по получению или нагреву
теплоносителя (технологической топки, реторты нагрева, коксона-
гревателя), многочисленных трубопроводов для его транспорта (га­
зопроводов, коксопроводов), а также большого количества теплооб­
менного и циклонного оборудования. Теплоносителем в КГТ-пнро-
лнзере является сам ККС: процессы нагрева теплоносителя и тер­
мической деструкции угля совмещены в одном аппарате. Правда,
вследствие этого получаемый НК Г разбавляется продуктами сгора-

пня. что несколько сниж ает его ценность. Больший (для некоторых
типов катализаторов) коэффициент теплопередачи от Г»КС к пере-
рабатываемому углю, чем от ИКС (с наполнителем-полукоксом)
и тем более от газового теплоносителя, позволит увеличить скорость
нагрева, что, как известно, ведет к увеличению выхода жидких
углеводородов и благоприятно сказывается на их качестве [157].
Важными положительными моментами в использовании КГТ для
пиролиза угля могут стать их хорошие регулировочные характери­
стики (возможности быстрого изменения температуры КС и на­
грузки) и легкость его автоматизации.
Рассмотренные технологии пиролиза твердого топлива в ката­
литических теплогенераторах можно комбинировать с выработкой
электроэнергии. Схемы двух таких комбинированных установок
приведены на рис. 3 .24 . По схеме 3.24, а производятся моторные и
котельные жидкие топлива, ОТТ и электроэнергии. Выработка
электроэнергии осуществляется за счет сжигания НКГ. Схемой
3.24, б для получения электрической энергии предусмотрено исполь­
зование НКГ и полукокса. Товарными продуктами здесь также яв­
ляются жидкие топлива. В обоих вариантах энергетическая часть
схемы включает ПТУ с КГТ.
Методика прогнозирования
При прогнозировании перспектив развития технологии катали­
тического сжигания топлив рассматривался широкий спектр ее
применений, представленный применительно к углю на рпс. 3 .25 .
В качестве конкурирующих установок исследовались: ПТУ, обору­
дованные традиционными топочными устройствами, без и с нали­
чием систем сероочистки; ПТУ и ПГУ с ИКС; ПГУ и МГДУ
с внутрицикловой газификацией; котельные с факельными и слое­
выми топками, укомплектованные установками пыле- и сероочист­
ки и без них; производство ОТТ в вихревых камерах пли авто­
клавах; процессы гидрирования, косвенного ожиж ения и пироли­
за угля.
Процесс прогнозирования осуществлялся в соответствии со
схемой рис. 1.1 и использованием моделей МОГ1Р, МОТУС п МОСТ.
МОПР применялась при оценке предельных характеристик конку­
рирующих с каталитическими теплогенераторами установок. В ходе
исследований на МОТУС возможностей совершенствования самих
КГТ в широких пределах варьировались стоимость с„, расход гк,
химический состав, плотность рк и диаметр частиц dKкатализатора,
он, </у, ав, объемное теплонапряжение в зоне горения qv и другие
показатели. При расчетах с помощью МОСТ основными варьиру­
емыми факторами являлись общий объем годовой добычи КЛУ,
потребность в ИЖТ и доля Сибири в энергопотреблении страны.
На заключительном этапе исследований при оценке сравнительной
конкурентоспособности КГТ наряду с результатами расчетов на
моделях учитывались экологическая чистота, надежность и каче­
ство энергоснабжения, трудности внедрения и другие факторы.

Рис. 3.25. Спектр применения КГТ в энергетике.
Здесь мы из исех методических «опросов прогнозирования тех­
нологии каталитического сжигания рассмотрим особенности приме­
нения МОТУС КГТ.
С целью сокращения объема вычислений при оптимизации ка­
талитических генераторов теплоты энергоблоков с промежуточными
пароперегревателями было сделано допущение, что воздухоподогре­
ватель не может располагаться в высокотемпературной части КГТ,
а нромперегреватель — в низкотемпературной. Это позволило исклю­
чить из рассмотрения варианты с одновременным размещением в
одной зоне КС поверхностей нагрева воздуха и пара нромперегрева
и ограничиться на каждом шаге оптимизации выбором площадей
не более чем двух нагревателей.
Сделанное допущение имеет логическое обоснование. В самом
деле, поскольку КГТ могут работать на холодном или слегка по­
догретом воздухе, то воздухоподогреватель в них нужен лишь для
утилизации теплоты греющего теплоносителя, которую невозможно
снять в водяном экономайзере вследствие высокой температуры
питательной воды (Т„п). Поэтому оптимальная температура подо­
грева воздуха должна определяться из условия охлаждения грею­
щего теплоносителя от температуры, близкой к Тп„, до темпера­
туры уходящих газов.
При расчете приведенных затрат в КГТ раздельно учитывались
их составляющие, идущие на поверхности нагрева, корпус тепло­
генератора, строительную часть котельной, тягу и дутье, топливо,
катализатор. Эксплуатационные издержки, связанные с расходом

катализатора, определялись но формуле
цк
cHrKi ^ Л/у} -Ти, / 1,
У,
где ся и гк— соответственно удельная стоимость и часовой расход
катализатора; Мп — масса катализатора в /-и зоне; т« — годовое
число часов работы КГТ; / — число зон в КС.
Наряду' с поиском числа зон КС и распределения между ними
поверхностей нагрева в ходе оптимизации находились и коэффи­
циенты эффективной теплопроводности насадок л» [118], связанные
со степенью заторможенности КС:
где q — тепловой поток через насадку, определяемый потоком ката­
лизатора; чт — температурный градиент в насадке; с — теплоем­
кость частиц катализатора; е я — порочность КС в насадке.
При заданном температурном перепаде ЛТЯ на насадке /„ мо­
жет изменяться от нуля до некоторого максимального значения а *.
В случае /.9 = О КС в ней является полностью заторможенным, т. е.
насадка непроницаема для твердых частиц, и теплота через н ее
в вышерасположенные зоны КГТ передается только с потоком га­
зов. При этом из рассматриваемой зоны КС и зон, размешенных
ниже к нагреваемому теплоносителю, отводится максимально воз­
можное количество теплоты.
Если л, = ).ь. насадка обладает максимальной проницаемостью
для частиц КС, при которой еще поддерживается заданный перепад
температур, отвод теплоты из нижерасположенных зон КС отсут­
ствует, и вся энергия Q. выделившаяся при сгорании топлива в
этих зонах, передается в находящуюся выше часть КГТ. Отсюда
следует, что
где Fк? — плошадь поперечного_ сечения КС; I — высота насадки.
В расчетах отношение
= /.° варьировалось в пределах от
нуля до единицы.
Проведенный прогнозный анализ показал, что наибольш его
эффекта следует ожидать от применения КГТ в системах тепло­
снабжения. Здесь их использование вместо разрабатываемых во­
догрейных котлов, оборудованных сероочисткой, м ож ет обеспечить
экономию удельных капиталовложений в теплоисточники до 3 4 —
38 % (рис. 3.26, а) и снижение удельных приведенных затрат на
отпускаемую тепловую энергию до 21—25% (рис. 3 .26.6). Одно­
временно будет улучшено состояние воздушного бассейна в насе­
ленных пужктах (табл. 3 .9) и повышена н адеж ность производства
тепловой энергии.
A,= -g/vT=/>«срв(1- ея),
/ , = (?г/(А7нГ|К),
(3.36)
Результаты исследований

«ГКу,%
30
20
Ю
О
-ю
Рис. 3.26. Экономия (-|-) или перерасход ( —) удельных капиталовложений
бКу (а) п удельных приведенных затрат на отпускаемую энергию 63у (б) при
использовании КГТ в различных технологиях (при
= 2%).
1— в сравнении с традиционными технологиями без сероочистки; 2— то же, с серо­
очисткой 50 % дымовых газов.
Определенных положительных результатов можно ожидать от
применения КГТ в качестве парогенераторов КЭС и ТЭЦ, а так­
ж е — в функции ииролнзера на энергохимических комбинатах —
ЭХ К (рис. 3 .20). Исследовались два варианта ЭХК: ЭХК-1 и
ЭХК-2, выполненные по схемам 3.24, а и 3.24, б соответственно.
Организации на КЭС топлнвоподготовки в КГТ-пнролпзере
(КЭС-П) на рис. 3 .20 соответствуют отрицательные значения 6КУ
и 63У. Однако надо иметь в виду, что в расчетах не учитывался
достигаемый при облагораживании топлива положительный эконо­
мический эффект от повышения надеж ности работы котлоагрегатов
и сокращения затрат на их ремонт. Предположительно, такое на­
правление использования каталитических теплогенераторов может
оказаться весьма эффективным.
Пож алуй, основным моментом, заставляющим с осторожностью
относиться к возможности крупномасштабного применения КГТ в
энергетике страны, является использование в них дорогостоящих
катализаторов. Исследования показали (рис. 3 .27), что водогрейная
котельная (ВК ) с каталитическими теплогенераторами становится
равноэкономичнон с традиционной ВК с сероочисткой 50 % дымо­
вых газов при значениях коэффициента
(отношения издержек
на катализатор к топливной составляющей эксплуатационных рас­
ходов). равных 70—00 % для дешевого топлива (ст = 0,26 руб/ГДж)
и 40—55 % для дорогого (ст = 0,85 руб/ГДж). Соответствующие
этим значениям
стоимость ск и расход гк катализатора представ­
лены на рис. 3.28. При гк<0,5% /сут ск в обоих случаях может
быть более 10 000 руб/т; при гк— 1,0 %/с\гт ск не должна превышать
2000-3000 руб/т.
Пз рис. 3 .27 видно, что уменьшение
ниже 5 % практически
не дает дополнительного экономического эффекта, поэтому ^К= Ъ%
может быть принято для ВК с КГТ как предел, до которого це­
лесообразно снижение издержек на катализатор и, следовательно,
уменьшение величин ск и гк.
Результаты аналогичных исследований для КЭС с каталитиче­
скими теплогенераторами представлены на рис. 3 .29. Из анализа

Таблица 3.9 . Оцепки выбросов вредных веществ в окружающую среду при
различных способах сжигания КАУ — Ирта-бородинского месторождения
Выбросы, кг
п/п
на 1 ТДж сжигаемого угля
На 1 ТДж отпускаемой
Технология
энергии
so*
no*
so*
NO*
Факельное сжигание *
А. Существующие уста-
новки:
1 Водогрейная котель­
ная без сероочпсткн
180—200
270-340
210—240
320-400
9ш КЭС (с ИТУ) без серо-
очистки
180—200
500-800
490—540 1350-2160
Б . Перспективные уста-
HOfKu:
3 Водогрейная котель­
ная без сероочистки
170—190
100-160
190—210
110-180
4 То же, с сероочисткой 100-110
100-160
110-120
110—180
5 КЭС с твердым шла-
коудалением без серо­
170-190
270—510
очистки
100-190
460-510
6 То же, с сероочисткой 100-110
100-190
280-300
280-530
7 КЭС с жидким шлако-
удалением без серо­
860-1000
очистки
180-200
320-370
490—550
8 То же, с сероочисткой ЮО—110
320-370
280—300 880—1020
Сжигание в инертном
кипящем слое **
9 Водогрейная котель­
ная с ИКС
25-45
60-120
30-55
70-140
10 КЭСсИКС
25-45
60-120
70-130
170-330
Сжигание в каталитиче­
ском кипящем слое ***
11 Водогрейная котель­
ная с КГТ
0
25-55
0
30-60
12 КЭСсКГТ
0
25—55
0
70—150
* По данным [68, 202]; сероочистке подвергается 50 % дымовых газов; в перспектив­
ных установках также осуществляется комплекс мероприятий по подавлению образования
оксидов азота.
** По данным [122, 174, 177, 194].
-
*** Рассчитано по данным [22, 124, 147 ]; в экспериментах по сжиганию КАУ на лабо­
раторных установках выбросы SOx в дымовых газах обнаружены не были 1147 J.
рис. 3.28 и 3.29 видно, что для обеспечения равной экономичности
КЭС с КГТ и традиционной КЭС требования к стоимости н расходу
катализатора существенно жестче, чем для водогрейной котельной.
Предел, до которого на электростанции с каталитическим сж ига-

Рис. 3.27. Экономия ( + ) , перерасход (—) удельных приведенных затрат 63у
на тепловую энергию, отпускаемую от ВК с КГТ, по сравнению с ее произ­
водством в традиционной ВК в зависимости от величины
при оптимистиче­
ской (а) и пессимистической (б) оценках удельных капиталовложений в КГТ.
1 — традиционная ВК без сероочистки; 2— то же, с сероочисткой 50% дымовых газов;
сг = 0,26 руб/ГДж; б - ст = 0,51 руб/ГДж, в - су = 0,85 руб/ГДж.
нпем угля целесоооразпо снижать издержки на катализатор, дости­
гается при ^к = 2% . Такому значению *ук при гк= 0,1% в сутки
соответствует ск= 1000 руб/т при ст = 0,26 руб/ГДж и
ск—
— 2 500 руб/т при ст= 0,85 руб/ГДж.
Поясним, что рис. 3 .26 выполнен при Yk = 2 % п степени
выгорания топлива 09 % (т. е. qy = 1 %) и, следовательно, иллюст­
рирует потенциальные возможности совершенствования исследуе­
мых технологий с КГТ. Приводимые здесь абсолютные численные
значения стоимостных характеристик, как и другие содержащиеся
в данной книге обсуждения эффективности технических решений,
служат исключительно для выявления их сравнительных по­
казателей.
Как у ж е отмечалось, одним из основных потенциальных пре­
имуществ каталитических теплогенераторов относительно топочных
устройств с ИКС является возможность организации в них сжига­
ния топлива в неизотермическом КС (рис. 3 .30). Реализация ре­
жима нензотермического отвода теплоты от кипящего слоя позво­
ляет сэкономить до 5 % удельных приведенных затрат на отпус­
каемую водогрейной котельной тепловую энергию п до 5,5 % удель­
ных капиталовложений. На рис. 3 .30 также видно, что оптималь­
ное число насадок N в непзотер-
мнческом КС КГТ водогрейной
котельной равно трем. Увеличе­
ние N выше этого значения не
приводит к существенному выиг­
рышу
в
поверхности
нагрева
(рис. 3 .31). В то же время растут
высота КС и соответственно поте-
Рис. 3.28. Зависимость коэффициента
•у., от стоимости катализатора.
1 . 2 . з и 4 — соответственно расход катали­
затора 0,01, 0,1. 1,0 н 5,0 %/сут от первона­
чальной загрузки; и — су = 0,20 руб/ГДж,
---------- су = 0,85 руб/ГДж,

Рис. 3.29. Экономия ( + ) , перерасход (—) удельных приведенных затрат 63У
на электроэнергию, отпускаемую от КЭС с КГТ, по сравнению с ее производ­
ством на традиционной КЭС в зависимости от величины ун при оптимистиче­
ской (я) и пессимистической (б) оценках удельных капиталовложений в КГТ.
1 —традиционная КЭС без сероочистки; 2 — то же, с сероочисткой 50 % дымовых
газов, су = 0,26 руб/ГДж;--------- cj’ = 0,85 руб/ГДж.
ри давления в газовом тракте, требуемая мощпость тягодутьевых
устройств и расход электроэнергии па собственные нужды. Кроме
того, с увеличением N возрастает объем кипящего слоя и масса
загрузки катализатора, а следовательно, увеличиваются капитало­
вложения в установку и гк. В итоге рост числа насадок сверх оп­
тимального уменьшает эффективность КГТ, что видно из рис. 3 .30.
Исследования, выполненные на примере каталитического водо­
грейного котла, показали, что физико-техническими характеристи­
ками катализатора, наиболее сильно влияющими на экономическую
эффективность применения КГТ, являются его плотность рк и диа­
метр частиц dK. С увеличением рк существенно растет коэффициент
теплоотдачи от греющего теплоносителя к поверхности нагрева он,
а значит, сокращается ее площадь (рис. 3 .32). Однако при этом
сильно возрастают потери давления в газовом тракте (рис. 3 .33),
что ведет к увеличению расхода электроэнергии на собственные
нужды и уменьшению КПД котельной. При построении графиков
aja\ и АРг/АРг, представленных на рис. 3 .32 и 3.33, для каж­
дого сочетания рк и dKопределялись оптимальные схемы и парамет-
Рис. 3.30. Зависимость экономии ( + ) , перерасхода (—) удельных капиталовло­
жений 6КУ (а) и приведенных затрат (б) на отпускаемую тепловую энер­
гию 63Уот числа насадок N в КС КГТ.
1, 2, 3 — коэффициент ук,соотиетственно равный 2; 10 и 20%.

Рис. 3.31. Зависимость эконо­
мии площади поверхности на­
грева бF в водогрейном КГТ
от числа N насадок в КС.
Рис. 3.32. Изменение отношения с^/ос® в зави­
симости от плотности катализатора рк.
1, 2, з, 4, 5 — диаметр частиц катализатора, соот­
ветственно равный 0,5; 0,7; 1,0; 2,0 и 5,0.
ры КГТ, аЧ и АРг — соответственно коэффициент теплоотдачи и
потери давления в газовом тракте КГТ при рк= 1200 кг/м3 и dK=
= 2 мм. В конечном счете с увеличением рк сравнительная экономи­
ческая эффективность КГТ падает (рис. 3 .34).
В противоположность влиянию плотности катализатора с уве­
личением его диаметра существенно снижается а\ (см. рис. 3 .32)
и растет площадь поверхности нагрева. Однако экономическая эф­
фективность КГТ в целом, как и при росте рк, падает. Таким
образом, в каталитических теплогенераторах энергетического на­
значения целесообразно использовать возможно более мелкий и
менее плотный катализатор.
Рис. 3 .35, 3 36 показывают зависимости экономичности КГТ (на
примере водогрейных котлов) от температуры в зоне горения Тг и
объемного теплонапряжения в ней qv. При снижении Тт от 1125
до 875 К проигрыш в удельных затратах на отпускаемую тепловую
энергию получается небольшим — около 0,4 %. Объясняется это
следующим образом. С уменьшением Тт до указанного предела
падает скорость газов в зоне горения, приближаясь к своему опти­
мальному значению, обеспечивающему максимум оц. Поэтому, не-
Рис. 3.33. Изменение отношения
ДРГ/ДР® в зависимости от плот­
ности катализатора рк.
1,2,3 — диаметр частиц катализато­
ра, соответственно равный 0,5; 2,0 и
5,0 мм.
Рис. 3.34. Экономия (+), перерасход (—)
удельных приведенных затрат 63У на от­
пускаемую тепловую энергию относитель­
но варианта водогрейного КГТ с рк =
=
1200 кг/м3 и с?,. =
2,0 мм в зависимости
от плотности катализатора рк.
1, 2, 3 — dK, соответственно равный 0,5; 2,0 и
5,0 мм.

Рис. 3.35. Экономия ( + ) , перерасход (—) удельных приведенных затрат на
отпускаемую тепловую энергию 63У (а) и величины поверхности пагрева в во­
догрейном КГТ бF (б) в зависимости от температуры в зоне горения Тзг (от­
носительно варианта КГТ с Тзт = 1125 К ).
смотря на снижение в этой зоне температурного напора, общая
площадь поверхностей нагрева КГТ увеличивается незначительно
(см. рис. 3 .35, б).
При уменьшении Тг ниже 875 К наблюдаются резкий рост пло­
щади поверхности нагрева и быстрое падение относительной эконо­
мичности теплогенератора. Следовательно, в каталитическом водо­
грейном котле без заметного сниж ения эффективности Тг можно
уменьшать до 875—925 К, что предположительно позволит ослабить
требования к качеству применяемых конструкционных материалов,
сократить выбросы вредных веществ в окружающую среду, повы­
сить надежность работы КГТ, упростить его эксплуатацию. Конеч­
но, эти предположения нуждаются в экспериментальной проверке.
Если же по каким-то причинам окажется невозможным создать
каталитический теплогенератор на угле с Тт— 875—925 К (напри­
мер, из-за низких устойчивости и полноты каталитического горе­
ния), то изложенные выше результаты исследований могут служить
обоснованием разработки водогрейных КГТ с более высокой Тг и
отсутствием в зоне горения поверхностей нагрева (последнее может
оказаться целесообразным по условиям работы металла труб пли
по конструкционным соображениям).
С увеличением qv уменьшаются объем теплогенератора, масса
загрузки катализатора и его расход. В итоге экономическая эффек­
тивность КГТ повышается (см. рис. 3 .35). Но, как можно увидеть,
из рис. 3 .36, увеличение qv выше 1,5—2,0 МВт/м3 нецелесообразно,
Рис. 3.36. Зависимость экономии удель­
ных приведенных затрат 63У на произ­
водство тепловой энергпи от теплона-
пряження в зоне горения КГТ qVt зг (от­
носительно варианта КГТ с qVi зг =
= 0,5 МВт/м3).

Рис. 3.37. Изменения удельных ка­
питаловложений в ВК с КГТ 6К, (1)
и приведенных затрат на производ­
ство тепловой энергии 63у (2) в за­
висимости от относительной эффек­
тивной теплопроводности насадок
> отн
Лг>ф. н*
поскольку при этом для отвода теплоты из зоны горения неооходп-
мо переходить на более плотные компоновки поверхностей нагрева,
что ведет к снижению а\ и увеличению площади поверхностей.
В результате экономический выигрыш от сокращения объема почти
полностью компенсируется. Переход на qv> 1,5—2,0 МВт/м3 может
иметь смысл только при отсутствии в зоне горения поверхностей
нагрева.
Графики, приведенные на рис. 3 .37, показывают, что для по­
вышения экономичности КГТ желательно применять насадки с воз­
можно мепыней величиной
В пределе X® должно быть равно
нулю, что соответствует варианту полностью заторможенного КС.
Объяснение такого результата исследований заключается в том,
что при отсутствии массообмепа частицами и передаче теплоты
меж ду отдельными зонами исключительно потоком газа наибольший
теплосъем осуществляется в нижней части теплогенератора, где
бывают наивысшие температурные напоры, что и обусловливает
экономию поверхностей нагрева. Однако необходимо эксперимен­
тальное подтверждение возможности успешной эксплуатации КГТ
на твердом топливе с полностью заторможенным или близким
к этому состоянию кипящим слоем.
Исследования, выполненные с помощью МОСТ, позволили ори­
ентировочно оценить потенциальные экономический и экологиче­
ский эффекты от использования каталитических генераторов тепло­
ты в энергетике Сибири при представляющихся вероятными (в слу­
чае успешного решения проблемы работы на угле) масштабах
первого этапа их внедрения (табл. 3 .10).
На масштабы внедрения КГТ существенное влияние могут ока­
зать ограничения на используемые дефицитные материалы — ком­
поненты катализатора.
Рис. 3 .38 иллюстрирует потенциальную сравнительную эффек­
тивность ИТУ с КГТ (Yk= 2%) с конкурирующими ТЭУ на КАУ
(относительно показателей эталонной технологии — традиционной
ИТУ без сероочистки).
Общими выводами из анализа перспектив каталитического сж и­
гания топлив, видимо, могут быть следующие.
1.
Несмотря па все сложные проблемы, связанные с промыш­
ленным внедрением этой технологии, и серьезные сомнения в их
успешном решении, эффект в случае удачи (при достижении оптп-

Таблица 3.10. Потенциально возможные масш табы экономии топлива
(ДВТ), капиталовложении (ЛК) и нрн неденных затрат (АЗ), а также сокращении
выбросов оксидов серы (ABSOx) и азота (AHN03e) от внедрения КГТ в энергетику
Сибири*
Направления
внедрения
Масштабы
внедрения
(суммарная
мощность
установок),
МВт
ДВ-р,
тыс. ТДж
дК,
млн руб.
п
о
ю
>*
си
-я
СОП2
A
B
s
<
V
т
ы
с
.
т
/
г
о
д
д
в
TM
,
т
ы
с
.
т
/
г
о
д
Децентрализован­
ное теплоснабжение
(с
теплоагрегатамп
мощностью
менее
10 МВт)
5800**
10-25
1
13-25 8-15 16-21 8-13
Централизованное
теплоснабжение
(с
теплогенераторами
мощностью
более
10 МВт)
11 000 **
9-17 130-160 27—33 17—20 13-20
ТЭЦ
3 200 *** 4,0 -5 ,5 110—150 20—30 24-27 22-33
КЭС
6 400 *** 4,6—6,5 130-200 30-45 40-44 30—55
ЭХК-2
30 400 **** 7,0 -8 ,0 200-300 40—70 50-55 37-67
* При оптимистическом прогнозе технико-экономических показателей КГТ. Д ля
установок с традиционными теплогенераторами предполагалось, что КЭС, ТЭЦ, ЭХК и круп­
ные котельные оборудованы сероочисткой.
** Суммарная установленная тепловая мощность.
*** То же, электрическая.
**** то же, по углю.
мистических оценок) представляется столь значительным, что оп­
равдывает дальнейшее продолжение и развитие НИОКР.
2. Направления развития НИОКР должны быть достаточно
широкими и включать исследования физико-химических основ про­
цесса возможных конструкторских и технологических решений,
а также различных конкурирующих катализаторов. Выполнение
этих исследований потребует привлечения ряда институтов, энерге­
тических и промышленных предприятий.
3. Обеспечению промышленного внедрения КГТ в энергетику
в перспективе, вполне вероятно, будут способствовать успехи в раз­
витии каталитических процессов в см еж ны х отраслях производства
и в создании теплогенераторов с инертным кипящим слоем.
4. Создание опытных установок и промышленное внедрение
следует начинать с систем теплоснабжения, где экономическая и
экологическая эффективность каталитических теплогенераторов
представляется наибольшей.
Изложенные прогнозные исследования КГТ не только дают
материал для разработки рекомендаций по развитию НИОКР, но
и иллюстрируют возможности предлагаемой методики прогнозиро­
вания и конкретных математических моделей. В ходе выполнения

Рис. 3.3S. Сравнительная экономическая ^ п / З э
эффективность конкурирующих тепло­
энергетических установок на КЛУ
(Зп/Зз — соотношение удельных приве- 1,3
денных затрат на отпускаемую электро­
энергию в w-й и эталонной установках;
Кп/Кз — соотношение удельных капита­
ловложений для тех ж е установок).
1—ПТУ е КГТ; 2—ВПГУ со смешением
рабочих тел: 3 — ВПГУ с котлом-утилизато­
ром; 4 — ПТУ с сероочисткой 50% дымовых
газов; 5 — ВПГУ с высоконапорным паро­
генератором; б — МГДУ с прямым сжигани­
ем угля; 7 — ВПГУ с ннзконапорным па- п о
регенератором; 8 — ПТУ с сероочисткой О,У
100 °о дымовых газов; 9 — МГДУ с предва-
0,9 1,0
1,2
1,4 Лп/^э
рительной газификацией угля.
прогнозов была получена информация о рациональных схемах и
параметрах КГТ, режимах пх эксплуатации, требования к конст­
рукциям, желательных свойствах катализаторов.
3.6. ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Сейчас есть все основания предполагать, что поставленная за­
дача всемерной интенсификации экономики страны будет решаться
в условиях увеличения объемов добычи и использования топливно-
энергетических ресурсов все более низкого качества и ужесточения
экологических ограничений. Вследствие этого, возможно, потребу­
ются не только коренное совершенствование технологий получения,
преобразования, транспорта и потребления топлива и энергии, но и
существенная перестройка структуры энергетических систем (ЭС).
Впрочем, для некоторых районов страны эти проблемы актуальны
уж е сегодня (например, по условиям охраны окружающей среды).
Какие же технологические изменения будут необходимы? На­
сколько велики могут оказаться масштабы перестройки энергоси­
стем и какие пути такой перестройки возможны? Чтобы ответить
на эти вопросы, запишем основные требования к перспективным ЭС.
Энергетические системы
будущего
долж ны обеспечивать:
1) гибкость энергоснабжения потребителей (потребители не долж­
ны ощущать изменений в структуре и качестве первичных энерго­
ресурсов); 2) безусловное соблюдение всех экологических ограни­
чений; 3) снабжение потребителей качественными энергоносите­
лями, в том числе новых видов, например метанолом, водородом;
4) комплексное и безотходное использование первичных ресурсов,
проведение активной ресурсосберегающей политики; 5) высокие
надежность и безопасность обеспечения потребителей энергией;
экономическую (народнохозяйственную) эффективность использо­
вания всех первичных ресурсов района.
Смогут ли существующие ЭС удовлетворить приведенным тре­
бованиям? Рассмотрим эти системы.
15 Б. М. Каганович. С. П. Филиппов, Е. Г. Анцнфероз
225

Принципиальная схема технологической структуры существу­
ющих ЭС представлена на рнс. 3 .39. Из рисунка видно, что ны­
нешние ЭС представляют собой системы дифференциального тина.
Здесь потоки первичных энергоресурсов — нефти, природного газа,
угля и ядерной энергии — от источников до потребителей парал­
лельны н горизонтально разделены. Каждый вид топлива имеет
свою систему добычи, транспорта, преобразования п распределения,
а также потребителей.
Причина этого кроется в применении в современных ЭС боль­
шого количества энергоносителей (разных марок углей, нефтепро­
дуктов и т. д .) . Многообразие их обусловлено стремлением умень­
шить затраты на преобразование первичных энергоресурсов. В та­
кой ситуации для обеспечения высокой эффективности производства
энергии потребители вынуждены специализировать свои энергоус­
тановки, «настраивая» их на определенное топливо. В результате
подавляющее большинство сегодняшних энергетических технологий
относится к дифференцированному типу, т. е. они позволяют ис­
пользовать практически только один энергоноситель. Переход на
другой либо вообще технически недопустим, либо требует реконст­
рукции установки, часто значительной. Технологий, способных
относительно легко переключаться с одного горючего па другое,
Первичные I Преобразование
I pwb
—
—
------ — - I ---------- -
нт
—
|S0x,N 0x,C0.
ЮС,ТЭЦ, К
Природный ^____
газ
fNQx,C02
ЮС,ТЭЦ,К
Уголь
fSOxflOx,C02J 4
IОблагора-
'Гхживание
{S0x ,N0x >C02J 4
и- кэс,тэц,к
fРИ
тГ
УР<ПН
J____ _ АКЭС,АТЭЦ,АК ^
j Транспорт
Жидкие
|углеводороды
Природный газ
Ч
Потребление
4N0..C0 ,
кп
*М0Х,С02
ч ЛУ7
*SCX,NOX>CO? ,T4
-4-
~
h
I
_
J_
I
"Г
КВТ
Уголь
LJ !$ox,nox,co2J4
■чч Л77
ЭЭ
ТЭ
-
Ч
I
"Г
КП
кп
Рис. 3.39. Принципиальная технологическая структура существующих энерге­
тических систем.
Обозначении к рис. 3.39—3.41. ППЗ — нефтеперерабатывающий завод; К — котельная;
АН — атомная котельная; АКЭС — атомная конденсационная электростанция; ЛТЭЦ —
атомная теплоэлектроцентраль; КП — конечные потребители; КБТ — твердое комму­
нально-бытовое топливо; ЭЭ — электроэнергия; ТЭ — тепловая энергия; ТЧ — твердые
частицы; ГИ — радиоактивные изотопы.

в современных ЭС немного. Причем, как правило, это потребители
качественных видов топлива, например газомазутные котельные
агрегаты и промышленные печи.
Такая технологическая структура ограничивает возможности
оперативного взаимозамещения первичных энергоресурсов в нынеш­
них ЭС. Ведь замещение в значительной степени должно осуществ­
ляться у конечных потребителей. Только при производстве элект­
рической и отчасти тепловой энергии (в случае централизованного
теплоснабжения) взаимозамещение возможно на стадии преобразо­
вания, что обычно экономически более целесообразно, поскольку
установок преобразования много меньше, чем установок конечного
потребления, а их единичная мощность, как правило, много больше.
Таким образом, экономия затрат в секторе преобразования обер­
нулась потерей гибкости системы энергоснабжения, а также соот­
ветствующими экономическими издержками. Отмеченный недоста­
ток — низкая гибкость ЭС — носит принципиальный характер и
устранить его непросто. Действительно, сокращение или прекраще­
ние выделения на энергетические нужды, например, нефтепродук­
тов и природного газа приведет к необходимости вовлечения в ТЭБ
больших объемов ядерной энергии п угля. Дополнительное вовле­
чение ядерной энергии, по сути дела, означает сооружение новых
энергетических объектов. Перевод действующих ТЭС и промыш­
ленных печей с мазута на уголь требует их реконструкции, также
часто приближающейся по капиталовложениям к новому строи­
тельству.
Анализ технологической структуры существующих ЭС показал,
что эти системы до определенного уровня экологических ограниче­
ний в принципе способны им удовлетворять. Для технического осу­
ществления нужно оборудовать теплоэнергетические установки и
промышленные печи на органическом топливе газоочистнымп
сооружениям и, автотранспортные средства — каталитическими до­
жигателями дымовых газов и т. д. Однако дальнейшее ужесточение
норм на вредные выбросы приводит к экспоненциальному росту
затрат на очистные мероприятия [182]. В этом случае современные
ЭС оказываются неспособными удовлетворить экологическим огра­
ничениям из-за наличия ограничений экономических.
В настоящее время комплексность и тем более безотходиость
использования первичных энергоресурсов очень низки, но техноло­
гическая структура ЭС современного типа позволяет ее существен­
но повысить (извлечение тяжелых металлов из нефти на НПЗ,
улавливание соединений серы и азота из дымовых газов, производ­
ство строительных материалов из золы углей п т. д .) . Правда, это
связано с определенными техническими и экономическими трудно­
стями, являющимися следствием непосредственного использования
значительной доли первичных энергоресурсов у многочисленных
мелких потребителей.
Параллельность и раздельность потоков первичных энергоре­
сурсов во всей цепочке движения от источников до потребителей
не только обусловливают неудовлетворительную гибкость существу-

ющпх ЭС, но н являются существенным препятствием в повыше­
нии их надежности и живучести. Для улучшения этих показателей
на основе традиционных технологий требуются значительные затра­
ты (на резервирование каждого типа транспортных коммуникаций
и оборудования, создание запасов каждого вида топлива и сырья
и т. д .) . Следовательно, н уж н о искать новые способы повышения
надежности и живучести ЭС.
Подводя итоги рассмотрения существующих ЭС, можно кон­
статировать следующее. Если строить будущие энергосистемы по
принципу современных: дифференцирование по первичным энерго­
ресурсам, использование большого количества энергоносителей и
дифференцированных технологии преобразования и потребления
веществ и энергии, то в пределах приемлемых затрат очень сложно
в достаточном объеме удовлетворить приведенным выше тре­
бованиям.
Рассмотрим с позиции упомянутых требований новые предло­
жения по технологической структуре будущ их ЭС.
Новые интегрированные энергетические системы
В начале 80-х годов В. Хейфеле сформулировал принципиаль­
но новое предложение по развитию энергетики — так называемую
концепцию горизонтально интегрированных энергетических систем
(ИЭС) [178]. При этом Хейфеле исходил из выводов, полученных
им на основе анализа перспективных (мирового и национальных)
топливно-энергетических балансов [183], что в обозримом будущем
(40—50 лет) основным ограничением на развитие энергетики мира
и .многих крупных регионов будет не недостаток первичных энер­
горесурсов, а ограниченная способность природы противостоять
вредному воздействию человечества [178].
Основная идея заключается в следующем. Все первичные энер­
горесурсы района конвертируются в оксид углерода и водород, очи­
щаются от вредных примесей (твердых частиц, соединений серы и
азота, диоксида углерода, воды и других веществ) и в стехиомет­
рических количествах подаются потребителям. Кроме того, в си­
стеме в крупных масштабах осуществляются разделение воздуха и
электролиз воды. Полученный кислород используется в теплоэнер­
гетических установках для сжигания оксида углерода, что позво­
ляет исключить образование оксидов азота и успеш но утилизиро­
вать диоксид углерода (например, для закачки в нефтяные н га­
зовые пласты с целью увеличения их отдачи). Электролиз воды
проводится для увеличения соотношения Н г: СО в системе.
Получаемая в конверсионных центрах СО-водородная смесь но
трубам транспортируется в крупные узлы потребления, где из нее
синтезируется метанол. Он является топливом для автотранспорта,
котельных, промышленных печей н прочих потребителей, а также
сырьем для химической и других отраслей промышленности.
В ИЭС на стадии преобразования могут использоваться техно­
логии как дифференцированного типа (например, риформинг мета-

ПервичныеI Преобразование
ресурсе/ |
I
*Ы7
воздух
,
|4г-" ---------
-------- 2
Разделение
1 С09
S K3CtT3U,K —
Вода
Несрть
“|—
-
Злектрализ [
^Конверсия
I
Природный
газ
Уголь
Уран
Торий Г
Рисрорминг
fC02____
L ^^Газификация
СО* И9
Л?
СО
/17
iCO,
Синтез
I fPH
-
АКЭС>АТЭЦАК
сЯ?
71?
Метанол
ЗЭ
‘1
|со2,н2:..^1
КП
/СП
'1
—
/СП
Рис. 3.40. Принципиальная технологическая структура интегрированной энер­
госистемы.
н а), так п интегрированные (например, газификация угля с ис­
пользованием тепла ядерного реактора, совместная переработка угля
и природного газа).
Таким образом, в ИЭС все первичные энергоресурсы объединя­
ются (интегрируются) в самом начале технологической цепочки их
использования в небольшое количество высококачественных вто­
ричных энергоносителей, которые очищаются, прежде чем будут на­
правлены на сжигание или другим потребителям. Благодаря такой
организации энергетического производства, в ИЭС обеспечиваются
минимальные выбросы вредных веществ в окружающую среду (толь­
ко СОг и в очень небольших количествах оксида азота — при сжига­
нии метанола или СО-водородной смеси в воздушной среде), чрезвы­
чайно высокая гибкость системы энергоснабжения, а также доста­
точно высокие уровни ее надежности и живучести.
Принципиальная технологическая схема ИЭС изображена на
рпс. 3 .40 [178]. Рисунок иллюстрирует идею горизонтального инте­
грирования первичных энергоресурсов. Перерыв в снабжении одно­
го из них достаточно легко устраняется переключением на другие.
При этом технологическая структура энергосистемы не требует ни­
какой перестройки, а потребитель ничего не ощутит.
Поскольку в ИЭС практически все потребление исходных топ­
лив сосредоточено на небольшом количестве мощных предприятий
по их переработке, здесь легче, чем в существующих ЭС, решаются
вопросы извлечения и утилизации вредных веществ, полезного ис­
пользования минеральной части угля и т. д. В целом имеются бо­
лее реальные возможности организации комплексных и безотходных
производств на базе первичных эиергоресурсов.
В качестве еще одного важного достоинства ИЭС (способству­
ющего повышению их надежности и живучести) следует назвать
возможность унификации многих конечных потребителей по топли­
ву. Ведь конечных энергоносителей всего несколько — Иг, СО н
метанол, и все они высококачественные.

Предварительные исследования показали, что в СССР в рас­
сматриваемой перспективе ИЭС обсуждаемого типа могут созда­
ваться лишь в качестве локальных ЭС. При этом они могут охва­
тывать как большие экономические районы (например, район
КЛТЭКа), так и крупные промышленные узлы (например, Крас­
ноярск). Главной причиной, ограничивающей масштабы таких
энергосистем, является невысокая транспортабельность СО-водород-
ной смеси (относительно природного газа), см. табл. 1.6.
Существенным недостатком ИЭС следует считать довольно вы­
сокую токсичность ее основных энергоносителей — метанола и ок­
сида углерода.
Анализ технологической структуры ИЭС показал, что такие си­
стемы способны удовлетворить практически всем изложенным выше
требованиям. Открытым остается, пожалуй, лишь один, но, может
быть, самый главный вопрос — об экономической целесообразности
создания ИЭС в рассматриваемый период, т. е. в ближайшие 40—
50 лет. Чрезвычайно важна проблема внедрения ИЭС в существу­
ющие ЭС и параллельное функционирование этих систем в течение
длительного времени. Необходимо знать, с какими дополнительны­
ми затратами это будет связано.
Возможными местами
применения
рассматриваемых ИЭС
в СССР можно считать районы с интенсивным новым строитель­
ством, большими масштабами реконструкции пли чрезвычайно вы­
соким уровнем загрязнения окружающей среды, удаленные от круп­
ных месторождений нефти и природного газа. Создаваться ИЭС
могут на базе крупных месторождений низкокачественных углей
(КАТЭК) и горючих сланцев (Среднее Поволжье), а также ядер-
ной и солнечной энергии (крупные промышленные узлы в отдален­
ных северных и других районах).
Смысл интегрирования при использовании только угля состоит
в том, что свойства многих углей (в том числе КАУ) даже в пре­
делах одного месторождения по различным пластам могут настоль­
ко различаться, что для эффективного потребления их требуются
различные технологии. В ИЭС на ядерной энергии источником во­
дорода является вода, а углерода — угли, сланцы, карбонаты.
Водородные энергосистемы
В 70-х годах нашего века рядом специалистов из различных
стран была выдвинута концепция «водородной энергетики» (см.,
например, [220]). Согласно этому предложению, все первичные
энергоресурсы района конвертируются в водород, который затем
направляется конечным потребителям (рис. 3 .41). На наш взгляд,
указанное предложение, хотя оно и появилось раньше, можно счи­
тать дальнейшим развитием концепции ИЭС.
Наиболее целесообразно создавать водородные ЭС, видимо, на
основе ядерной и солнечной энергии. Эти системы могут быть двух
типов: 1) с двумя энергоносителями — водородом и электроэнергией,
получаемой путем непосредственного использования первичных

Первичные I
ресурсы
Зоба
Несрть
I
_ а. Электролиз
Конверсия
Природный ц _
газ
Уголь
Риформинг
Ц~г
СО,
Уран
Торий
\
Газификация -1
СО
Н2
со+н,
со,
Конверсия СС
3й-!-
СО
н,
iРИ
АЭС
33
* Н20, NQX
КП
-I—С
КП
Рис. 3.41. Принципиальная технологическая структура водородной энергоси­
стемы.
энергоресурсов, и 2) с одним энергоносителем — Нг. В последнем
случае в ЭС будут существовать практически только «водородные»
транспортные коммуникации. Электроэнергия производится в топ­
ливных элементах прямо у конечных потребителей.
Водородные ЭС обладают идеальной гибкостью, имеют высокую
надежность и живучесть, обеспечивают практически нулевые вы­
бросы вредных веществ в окружающую среду. В то же время за­
траты на их создание, вероятно, будут много выше, чем в ПЭС.
Дл я водородных ЭС проблема внедрения в существующие энерго­
системы является еще более острой.
В отдаленном будущем, когда будут освоены термоядерная и
солнечная энергии, появится возможность обеспечить почти все
энергетические потребности народного хозяйства за счет единствен­
ного энергоносителя — электроэнергии, наиболее квалифицирован­
ного и удобного в применении. В таком случае можно говорить
о концепции «электрического мира», рассматривая ее в качестве
логического заверш ения идеи ИЭС. В электрическом мире достига­
ются: наибольшая экологическая чистота и гибкость энергоснабже­
ния, высокие безопасность, надежность и живучесть системы, уни­
кальная возможность унификации технологий конечного потребле­
ния энергии.
Исследование ИЭС
В настоящее время исследования по ИЭС ведутся во многих
странах: ФРГ, США, Швеции и других. К ним подключаются меж­
дународные организации. Аналогичные работы разворачиваются и
в Советском Сою зе, в частности в Сибирском энергетическом ин­
ституте (СЭИ) СО АН СССР. Ниж е излагаются основные исходные

положения (постановки задач, предлагаемые методы решения и
т. п.) исследовании ПЭС, которые начаты в Группе новых техноло­
гий СЭИ [236, 237].
Сразу отметим, что новые интегрированные энергетические си­
стемы мы рассматриваем, прежде всего, как концепцию научно-тех­
нического прогресса в энергетике. Имеется в виду прогресс ие толь­
ко в отдельных средствах преобразования, транспорта и конечного
потребления вещества и энергии, но и в технологической структуре
системы энергоснабжения района или узла в целом. Поэтому об­
суждается широкий спектр энергоносителей. В число конкурирую­
щих включены все традиционные и новые: СО-водородная смесь,
метанол, водород, ЗПГ, ШКТ. Для выбора лучших их нужно сопо­
ставить между собой с помощью системной модели. Ряд суждений
о перспективах применения в ЭС некоторых энергоносителей можно
высказать у ж е сейчас, после изучения их потенциальных достоинств
и недостатков.
Например, результаты сравнительного технико-экономического
анализа транспорта различных горючих веществ (см. табл. 1.6) по­
казали, что СО-водородная смесь вряд ли может претендовать на
роль основного энергоносителя в системе. Причины тому: низкая
объемная теплота сгорания СГ, в 3 раза меньшая, чем у природ­
ного газа, н соответственно в 2 —3 раза большие денежны е затраты
на транспорт эквивалентного количества энергии.
Этот вывод еще более усиливается, если принять во внимание
требование безопасности функционирования системы. Известно, что
СО — чрезвычайно токсичное вещество. Мы попытались оценить
потенциальные последствия аварии на трубопроводе синтез-газа.
В качестве примера взяли известную хемотермическую систему
дальнего теплоснабжения крупного города от ядерного реактора
(схема «Адам — Ева»), Расчеты показали, что в случае разрыва
подводящего трубопровода к установке метанирования тепловой
мощностью 200—300 МВт, находящейся в черте города или вблизи
его, в течение короткого промежутка времени, не успев эвакуиро­
ваться, может погибнуть от отравления несколько десятков тысяч
человек. При особенно неблагоприятных метеорологических услови­
ях число жертв может многократно возрасти.
Если первичные энергоресурсы превращаются в синтез-газ, то
он должен использоваться на месте получения, например для кон­
версии в иные, более качественные энергоносители: жидкие угле­
водороды, электроэнергию, ЗПГ. Видимо, только в некоторых слу­
чаях относительно дальний (на 100—300 км) транспорт СГ может
оказаться целесообразным, например на металлургические заводы,
для прямого восстановления ж елеза.
Весьма проблематично применение в качестве основного энер­
гоносителя в системе и метанола (главным образом, по экономиче­
ским причинам и соображениям безопасности). Теплота сгорания
метапола в 2 раза н и ж е, чем моторного топлива, а стоимость тран­
спорта в 1,5 —2 раза выше (см. табл. 1 .6). Это обусловлено содер­
жанием в молекуле метанола балластного атома кислорода, состав-

ляющпм 50 % ее веса. Теплоэнергетическое использование метапола
у конечных потребителей также не дает сколько-нибудь существен­
ных экономического и экологического эффектов по сравнению с
потреблением на эти нужды жидких углеводородов. Наоборот,
зачастую имеются экономические потери [65]. Метанол очень
токсичен.
На наш взгляд, роль основных энергоносителей в перспектив­
ных ЭС могли бы выполнять электроэнергия и жидкие углеводороды
(VB) легких и средних фракции, а в некоторых районах — и при­
родный газ (который в более отдаленной перспективе может заме­
няться водородом). Сейчас не видно лучших энергоносителей для
ЭС, чем жидкие углеводороды моторных фракций, с точки зрения
как экономичности транспорта (см. табл. 1.6) п потребления, так
и безопасности. Кроме того, эти вещества хорошо освоены в про­
мышленности; их удобно хранить и транспортировать.
ИЖТ, получаемое методами синтеза из СО-водородной смеси,
не содержит соединений серы, азота, тяжелых металлов. Произ­
водство чистых углеводородов из нефти уж е давно освоено на НПЗ.
Следовательно, при сж игании ИЖТ экологическую опасность будут
представлять лишь образующиеся при горении термические оксиды
азота и канцерогены. Относительно недорогой ценой, улучшая
организацию процесса горения и применяя катализаторы (что
практически в полном объеме реализуется в КГТ), можно свести
выбросы этих веществ в окружающую среду до нуля. ИЭС, основан­
ные на электроэнергии и жидких углеводородах, могут носить
глобальный характер; кроме того, снижается проблема внедрения
их в существующие ЭС. Вообще, в этом случае правильнее говорить
не о внедрении, а о трансформации нынешних систем в ИЭС. Дей­
ствительно, по мере наращивания производства углеводородных
топлив можно реконструировать для их использования установки
конечных потребителей.
Понятно, что ИЭС с небольшим количеством энергоносителей —
это идеал, к которому нуж но стремиться. Ясно и то, что перестрой­
ка нынешних ЭС в ИЭС требует больших затрат, особенно в сектор
преобразования первичных энергоресурсов. Поскольку имеется
много конкурирующих технологий преобразования, транспорта и
потребления энергии, могут существовать и много вариантов тех­
нологической структуры ИЭС. Поиск оптимального (для данно­
го района) варианта представляется актуальной задачей. Таким
образом, стержнем исследований ИЭС является технологический
аспект.
По нашему мнению, для реализации идеи ИЭС совсем не обя­
зательно все первичные энергоресурсы предварительно превращать
в СО-водородную смесь. Имеются технологии, позволяющие интегри­
ровать разнообразные по качеству топлива иными способами. На­
пример, в теплоэнергетических установках, оборудованных топками
с кипящим слоем (инертным или каталитическим), можно без су­
щественных переделок использовать практически любые горючие
вещества.

Интегрированные технологии целесообразно объединить в две
группы:
J) установки, позволяющие без реконструкции использовать
широкие диапазоны топлив: котельные агрегаты, газогенераторы
и пнролнзеры с кипящим слоем, в том числе КГТ, газогенераторы
с расплавом железа н т. п.;
2) технологии, одновременно потребляющие несколько энерго­
ресурсов: газификация угля и риформинг метана теплотой ядерного
реактора, совместная переработка угля и природного газа, угля и
нефти, плазменная газификация и т. д .
Из интегрированных угольных технологии наиболее привлека­
тельны для применения в ИЭС установки получения ИЖТ методом
ПГС. Они отличаются (см. разд. 3 .4) нечувствительностью к свой­
ствам перерабатываемого угля, гибкостью по ассортименту получае­
мых продуктов, высокой пх чистотой и качеством. Главный недо­
статок технологии ПГС — работа с большими объемами токсичной
СО-водородной смеси. Правда, здесь эта проблема, видимо, не так
актуальна, как в случае реализации схемы «Адам — Ева», посколь­
ку, во-первых, аккумулированные в реакторах и заводских комму­
никациях объемы СГ значительно меньше, чем в трубопроводах
системы дальнего теплоснабжения; во-вторых, опасные элементы
схемы сконцентрированы на небольшой территории; и, в-третьих,
углеперерабатывающие предприятия будут располагаться вдали
от жилой застройки. Однако о потенциальной опасности технологии
ПГС забывать нельзя.
Перспективы использования в ИЭС технологий гидрогенизации
н пиролиза твердых горючих искомаемых менее ясны. Главная
причина в том, что в них переход на другое топливо, существенно
отличающееся от проектного, либо вообще невозможен, либо ведет
к такому сильному изменению ассортимента и качества образую­
щихся продуктов (гидрогенизата и смолы), что для пх последующей
переработки требуется иная технология.
В случае успешного завершения НИОКР по каталитическим
генераторам теплоты установки этого типа могут получить широкое
внедрение в ИЭС, что будет существенно влиять на структуру
системы как по номенклатуре энергоносителей, так и по составу
технологий. Дело в том, что КГТ позволяют с успехом (экономиче­
ским и экологическим) использовать практически любые горючие
вещества без предварительной переработки их в качественные про­
дукты (см. разд. 3 .5). Следовательно, на основе таких аппаратов
можно осуществлять интегрирование первичных энергоресурсов не
только в секторе преобразования (для получения электроэнергии),
но н у конечных потребителей (для производства тепловой энергии).
Это важный вывод. Из него следует, что если в системе ощущается
дефицит топлива и КПД превращения его во вторичные энергоно­
сители невысокий, то получение тепловой энергии у конечных по­
требителей в КГТ, использующем «сырые» первичные эпергоресур-
сы, может оказаться существенно дешевле, чем применение для
этих целей теплогенераторов на качественных горючих — жидких

углеводородах пли ЗПГ. Следовательно, КГТ могут получить ши­
рокое распространение уж е в существующих ЭС, постепенно, по
мере ввода, увеличивая степень интегрирования этих систем и,
таким образом, способствуя трансформации их в ИЭС.
Как уж е отмечалось, важное, а возможно, п ведущее место
КГТ могут занимать и в полностью интегрированной энергосистеме,
т. е . в которой имеются лишь несколько качественных энергоноси­
телей, в том числе, например, жпдкие углеводороды. Основным
назначением пх в такпх ЭС, скорее всего, будет производство тепло­
вой энергии.
Большого экономического эффекта можно ожидать от примене­
ния интегрированных технологий второго типа — в которых одно­
временно потребляется несколько энергоресурсов. Для ближайшей
перспективы наиболее интересным представляется предположение
об пспользованпн угля и ядерной энергии на НПЗ, причем не толь­
ко для обеспечения всех энергетических нужд предприятия, но п
с целью пропзводства водорода, необходимого для переработки
тяжелых нефтяных остатков. В результате такого интегрирования
будет экономиться нефть п появится возможность существенно
увеличить глубину ее переработки. Внедрение такпх установок,
видимо, способно существенно отодвинуть сроки создания промыш­
ленности НЖТ на основе угля. Для более отдаленного будущего
привлекают внимание интегрированные технологии, основанные на
ядерной, термоядерной и солнечной энергии. Концентрированными
источниками углерода для них будут уголь и карбонаты.
Таким образом, объектами наших прогнозных системно-техно­
логических исследований ИЭС в общем случае являются:
—
новые технологии добычи, преобразования, транспорта, хра­
нения и конечного потребления вещества п энергии ископаемых
органических тоилпв. а также некоторых других энергоресурсов
(ядерного горючего) и видов сырья (например, карбонатов);
—
новые энергоносители;
—
созданные с использованием этих технологий и энергоноси­
телей новые системы энергоснабжения отдельных районов п круп­
ных промышленных узлов.
Задача исследований ИЭС заключается в обосновании пх воз­
можных рациональных технологических структур и выборе направ­
лений соответствующих НИОКР. При этом в процессе решения
задачг должны быть получены ответы на многие вопросы. Напри­
мер. что и в какие сроки в принципе может дать широкое промыш­
ленное внедрение изучаемых объектов в рассматриваемых районах
(в экономической, социальной и экологической сф ерах)? С какими
затратами ресурсов это связано? Какие могут быть побочные, в том
числе отрицательные, эффекты? Применение каких технологий,
энергоносителей п технологических структур (ансамблей техноло­
гий) предпочтительнее при тех или иных сочетаниях прогнозируе­
мых: «внешних» (общеэкономических, общеэкологическпх) условии
развития ИЭС и «внутренних» показателей (технико-экономиче­
ских. экологических и т. д .) конкурирующих процессов?

Для исследования 11ЭС разрабатывается системная математи­
ческая модель МОСТ — ИЭС. описание котором дано в разд. 2.3.
Здесь отметим лишь некоторые ее исходные предпосылки. Напом­
ним, что модель создается, прежде всего, для изучения перспектив
организации ИЭС в районе КЛТЭКа на канско-ачинских углях.
Однако предусматривается возможность применения ее для других
районов с иной энергетической базой. Она позволяет исследовать
ИЭС любого типа, а также существующие энергосистемы.
Структура модели соответствует схеме движения вещества и
энергии в энергетической системе (рис. 3 .42). Ее ядро образует
три больших блока:
—
добычи, хранения и транспорта (магистрального и распре­
делительного) первичных энергетических ресурсов;
—
производства, хранения и транспорта (магистрального и рас­
пределительного) вторичных энергоносителей;
—
конечного потребления первичных энергоресурсов и вторич­
ных энергоносителей (или, другими словами, производства конечных
продуктов и услуг).
Каждый блок характеризуется сво и м и технологиями, а также
своими материальными и энергетическими потоками. В качестве
первичных энергоресурсов выступают уголь, нефть, природный газ
и ядерное горючее, дифференцированные по свойствам. Первичные
энергоресурсы либо преобразуются во вторичные энергоносители,
либо направляются непосредственно конечным потребителям.
Вторичные энергоносители — жидкие углеводороды моторных
и котельных фракций, метанол, водород, ЗПГ, КБТ и т. д . — полу­
чаются при переработке ископаемых органических топлив или иных
энергоносителей (например, бензин из метанола). Цепочка таких
преобразовании может иметь несколько звеньев, причем разделен­
ных не только технологически, но и территориально, например:
уголь — синтез-газ — метанол —►бензин.
На рис. 3 .42 эта возможность показана в виде цикла во втором
секторе.
Понятие «конечные продукты и услуга» (см. рис. 3 .42) в ис­
следованиях ИЭС, вообще говоря, является довольно условным.
Все зависит от детальности описания технологий конечного потреб­
ления. Так, конечным продуктом может быть и готовый металл, и
расход энергии на металлургическое производство, причем как
«полезной», т. е. за вычетом потерь, так и подведенной, и т. д .
Дезагрегирование математического описания сектора конечного
потребления в модели ИЭС представляется чрезвычайно важным.
Часто именно здесь следует ожидать наибольшего эффекта от внед­
рения новой техники. II только таким образом можно корректно
сопоставить различные энергоносители. Недостаточный, равно как п
неквалифицированный, учет технологий конечных потребителей
может явиться причиной существенного искажения получаемых
результатов и даже привести к принципиально неверным выводам.
С другой стороны, слишком подробное их описание может оказать-

IДоДобыча, т ранспорт (магистрапьньш и
распределительный) и хранение первичных
энергоресурсов
Производство, транспорт (магистральный
и распределительный) и хранение вторич
ных энергоносителей
г
Конечное потребление
J
Отходы
Рис. 3.42. Принципиальная схема материальных и энергетических потоков и энергетической системе (ПЭР — неэнергстн-
ческне ресурсы).

ся бесполезным, а то и вредным. Таким образом, стоит проблема
выбора рационального уровня агрегирования сектора конечного
потребления. Мы включаем в модель только тех конкурентов из
этого сектора, которые оказывают наиболее сильное влияние на
получаемые решения. Как правило, это технологии, существенно
различающиеся:
—
потребляемыми эиегроресурсами (энергоносителями);
—
технико-экономическими показателями;
—
экономическими характеристиками;
—
используемыми неэнергетическнми ресурсами;
—
режимами функционирования;
—
условиями территориального размещения п т. д .
В общем случае каждая из представленных в модели ИЭС тех­
нологических установок характеризуется:
а) потреблением: первичных энергоресурсов; вторичных энерго­
носителей; неэнергетическпх ресурсов — воды, земли, рабочей силы
н материалов (сырьевых, эксплуатационных, конструкционных);
б) выходом: целевых продуктов — первичных энергоресурсов
(технологии добычи), вторичных энергоносителей (процессы пре­
образования вещества и энергии) , конечных продуктов (сектор
потребления); побочных продуктов; загрязнителей окружающей
среды (отходов функционирования);
в) денежными затратами на ее создание п функционирование
(т. е. капиталовложениями п эксплуатационными издержками).
Побочными продуктами являются улавливаемые при очистке
материальных потоков соединения серы, азота п других веществ,
производимые пз золы металлы, строительные материалы и т. д.
Из загрязнителей атмосферы принимаются во внимание оксиды
серы п азота, СО, летучая зола, тяжелые металлы п канцерогены.
Энергоносители могут образовываться (в виде вторичных энерго­
ресурсов) п в технологиях конечного потребления, что на рис. 3 .42
показано рециклом из третьего сектора во второй п сответствующпм
образом учтено в модели. В зависимости от постановки задачи мож­
но ограничиться учетом лишь некоторых пз отмеченных выше ха­
рактеристик технологий.
В заключение отметим, что важнейшими областями использова­
ния результатов системно-технологических исследований НЭС могут
стать:
—
работы по формированию направлений НИОКР в соответ­
ствующих отраслях науки и техники;
—
исследования энергетического комплекса и электроэнергети­
ческой системы рассматриваемого региона н страны в целом;
—
экологические исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изложенные исследования представляют лишь первые шаги
в развитии методики прогнозирования энергетических и энергохп-
мическнх технологий, основанной на пх физико-экономическом ана­
лизе. Во многом работа еще носит поисковый характер и связана
с получением ответа на вопрос: куда и как двигаться дальше?
Однако на этих первых шагах, по мнению авторов, уж е получены
некоторые конкретные результаты, которые могут использоваться
при составлении долгосрочных программ научно-технического про­
гресса н в других технико-экономических исследованиях в энер­
гетике.
Из методпческпх результатов отметим, прежде всего, построе­
ние прогнозных термодинамических моделей промежуточных со­
стояний фпзпко-химпческпх систем. Конечно, эти модели еще тре­
буют анализа пх возможностей и ограниченности, областей наиболее
эффективного использования. Но то, что они расширяют сферу
действия термодинамики применительно к реакциям, в которых
целевые продукты образую тся на пути к равновесию, уж е очевидно.
С их помощью оказывается возможным находить оценки пре­
дельных энергетических п экологических показателей гидрирования
и пиролиза угля, синтеза из СО-водородной смесп н других про­
цессов.
Предложенная методика определения предельных характери­
стик гидродинамических процессов позволяет сопоставлять при
прогнозировании структур технологий эффективности транспорта
различных энергоносителей. Она развивает положения теории гид­
равлических цепей об универсальных завпспмостях между эконо­
мическими п гидродинамическими характеристиками трубопровод­
ных систем [94, 148]. Новым является установление факта измене­
ния вида зависимости (с вогнутого на линейный) меж ду затратами
и расходом перемещае.мого вещества при возрастании масштабов
транспорта.
В целом описанная система математических моделей процессов,
установок п технологических систем дает возможность проводить
всесторонний нрогпозный анализ технологий переработки п сжнга-

ни я топлив с учетом физико-химических ограничении на пределы
их совершенствования, вероятных условии развития энергетики г
всего народного хозяйства, экологической ситуации.
Полученными прикладными результатами выполненных иссле­
дований являются обоснования дальнейш его развития научно-иссле-
довательскпх н опы тно-конструкторских работ по косвенному ож и­
жению н плазменной газификации угля, каталитическому сжиганию
топлив, интегрированным энергетическим системам.
Для технологии косвенного ож иж ения показаны такие ее до­
стоинства. как малая чувствительность к к ачеству исходного угля,
легкость управления ассортиментом продукции, возможность полу­
чения высококачественного моторного топлива, реальность повыше­
ния энергетической эффективности благодаря комбинированному
производству искусственных топлив и электроэнергии. Получены
оценки ее предельных КПД и прогнозные технико-экономические
характеристики.
Для плазменной газификации намечен спектр возможных при­
менении в энергетике. Выявлены условия конкурентоспособности
с другими перспективными процессами производства синтез-газа.
Показана возможность получения значительно экономического
и экологического эффекта от широкомасштабного внедрения ката­
литического сжигания угля при условии успешного преодоления
всех связанных с развитием этой технологии трудностей. В качестве
первоочередной области применения каталитических теплогенерато­
ров определены системы теплоснабжения.
Из анализа интегрированных энергетических систем сделаны
выводы, что, хотя сегодня эти системы представляются экзотически­
ми, в будущем с повышением требовании к качеству жизни и уж е­
сточением экологических стандартов их развитие может стати
неизбежным. Намечен предварительный список претендующих на
включение в интегрированные системы технологий и энергоносите­
лей, предложена методика их детального исследования. Высказаны
соображения о постепенном развитии интегрированных производств
в отдельных регионах СССР.
Развитие изложенных в книге исследований предполагается в
направлениях дальнейшего изучения физико-химических и эконо­
мических моделей прогнозируемых технологий и систем, совершен­
ствования вычислительных алгоритмов и их проверки при решении
реальных прогнозных задач. При этом, конечно, предстоит еще
решение ряда сложных проблем. В развитии термодинамического
анализа надо выявить особенности математического описания не­
идеальных систем, изучить влияние на искомые предельные оценки
технологий задаваемого списка исходных веществ и точности опре­
деления их стандартных свободных энергий.
В оценке гидродинамических пределов представляется интерес­
ным создание методик расчета предельных характеристик двухфаз­
ных потоков и определения максимально достижимых производи­
тельностей реакторов с кипящим слоем.

При построении оптимизационных молелен технологических
установок желательно установить вид зависимостей м еж ду эконо­
мическими и основными физико-химическими характеристиками дли
отдельных элементов схем , подобно тому, как это было сделано для
трубопроводных систем.
Существенное облегчение применения обсуждаемы х методов
прогнозирования будет достигнуто после завершения работ над
вычислительной системой, объединяющей основные прогнозные мо­
дели и сервисные блоки, обеспечивающие автоматизацию их ис­
пользования. Возмож ио, что предлагаемая методика будет исполь­
зована для оценки перспектив развития неэнергетических техноло­
гий: металлургических, химических, нефтепереработки, производств
строительных материалов.
Б. М. Каганович. С. П. Филиппов, Е. Г. Анциферов

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аврех Г. Л., Цыркин Е. Б., Щукин Е. П. Экономика па уровне молекул.—
М.: Химия. 1986.— И З с.
2. Алексеев Г. II. Прогнозное ориентирование развития энергоустановок.—
М.: Наука. 1978.— 200 с.
3. Алексеев Г. II. Общая теплотехника.— М.: Наука, 1980.— 562 с.
4. Алексеев Г. Н. Эпергоэнтропнка.— М.: Знание, 1983.— 192 с.
5. Альтшулер В. С. Вопросы газификации углей Восточной Сибири.— М.:
АН СССР, 1958.— 66 с.
<5. Альтшулер В. С. Новые процессы газификации твердого топлива.— М.:
Недра, 1976.— 280 с.
7. Ананьев Г. Д .. Ярошенко Д. Г., Мигапев В. Ф. Перспективы использования
золы и шлака тепловых электростанций в народном хозяйстве Ц Мало-
и безотходные технологии в энергетике как средства защиты окружающей
среды н повышения эффективности топливопспользовапия.— М.: ЭНПН
им. Г. М. Кржнжаповского, 1985.— Ч. 1.— С. 11—20. — (Материалы Всесо-
юз. совещания. М.. окт. 1981).
8. Андрющенко А. И., Попов А. И. Основы проектирования эиерготехноло-
гнческпх установок электростанций.— М.: Высш. шк., 1980.— 240 с.
9. Анциферов Е. Г.. Булатов В. П. Алгоритм симплексных погружений в вы­
пуклом программировании Ц Жури, вычнсл. математики н мат. физики.—
1987.— Т. 27. No З.- С . 377—384/
10. Анциферов Е. Г.. Даниленко Ю. Я. Решение задачи выпуклого програм­
мирования модифицированным методом опорного конуса Ц Методы опти­
мизации п их приложения.— Новосибирск: Наука. Снб. отд-нне, 1962.—
С. 35—52.
11. Ахмедов Р. Б.. Покровская Л. С., Кудрявцев II. В. Экологическая эффек­
тивность переработки канско-ачпнекого угля на энерготехпологнческой ус­
тановке Ц Мало- н безотходные технологии в энергетике как средства
защиты окружающей среды и повышения эффективности топлнвонсполь-
зовапня.— М.: ЭНПН нм. Г. М. Кржижановского, 1985.— Ч. 1.— С. 62.—
(Материалы Всесоюз. совещания. М., окт. 1984).
12. Ашманов С. А. Введение в математическую экономику.— М.: Наука, 1984.—
296 с.
13. Багрнновскин К. А.. Лемешев М. Я. О планировании экономического раз­
вития с учетом требований экологии Ц Экономика н мат. методы.—
1976.— Т. 12, вып. 4 . — С. 681—691.
14. Беллман Р. Динамическое программирование.— М.: Изд-во нностр. лит.,
I960 — 400 с.
15. Беризенец П. А., Каретников Д. В. Основные направления работ по тер-
моэмнсснопным надстройкам тепловых электростанций в США Ц Энерго­
хозяйство за рубежом.— 1980.— No 1.— С. 6 — 12.
1C. Берталанфи Л. Общая теория систем — критический обзор Ц Исследова­
ния по общей теории систем.— М.: Прогресс, 1969.— С. 23—82.
17. Бестулин Ю. С., Гусев В. II. Котельное оборудование для ГРЭС КАТЭК Ц
Проектирование Экнбастузского и Канско-Ачннского топливно-энергети­
ческих комплексов.— М.: Энергонздат, 1981.— С. 67—70.

18. Благов И. С., Гаинцев II. II. Автоклавная обработка бурых углей If
Уголь.— 1974.— No 9 — С. 71—73.
19. Блохин А. Электростанция без турбин Ц Известия.— 1987.— 22 февр.
20. Больцман Л. Избранные труды.— М.: Наука, 1984.— 590 с.
21. Боресков Г. К. Каталитические реакторы для промышленных химических
процессов и сжигания топлива Ц Вести. АН СССР.— 1980.— Д» 12.— С. 46—
54.
22. Боресков Г. К., Левицкий Э. А., Немагилов 3. Р. Сжигание топлив и ката­
литические генераторы тепла Ц Жури. Всесоюз. хнм. о-ва нм. Д. И. Мен­
делеева.— 1984.— Т. 29, No 4.— С. 19—25.
23. Бородуля В. А., Виноградов Л. М. Сжигание твердого топлива в псевдо­
ожиженном слое.— Минск: Наука и техника, 1980.— 192 с.
24. Бочаров А. А., Мацнев В. В. Сжигание углей в кипящем слое Ц Уголь.—
1985.— No 10,— С. 26-29.
25. Бродский Ю. Н., Майорова В. А. Экономика очистки от сернистого ангид­
рида Ц Промышленная и санитарная очистка газов.— 1975.— Д» 6.—
С. 34-36 .
26. Бродянский В. М. Эксергетнческнй метод термодинамического анализа.—
М.: Энергия, 1973.— 296 с.
27. Бродянский В. М., Сорин М. В. Принципы определения КПД технических
систем преобразования энергии и вещества Ц Изв. вузов. Энергетика.—
1985.— No 1.— С. 60 —65.
28. Булатов В. П. Методы погружения в задачах оптимизации.— Новосибирск:
Наука. Сиб. отд-нне, 1977.— 158 с.
29. Бурматова О. П. Оптимизация пространственной структуры ТПК: Эколо­
гический аспект.— Новосибирск: Наука. Сиб. отд-нне, 1983.— 226 с.
30. Введение в теорию и методологию системы оптимального функциониро­
вания социалистической экономнкн/Под ред. Н. П. Федоренко, Ю. В. Ов­
сеенко, Н. Я. Петракова.— М.: Наука, 1983.— 367 с.
31. Вентцель Е. С. Исследование операций.— М.: Сов. радио, 1971.— 552 с.
32. Веселовский О. П., Шнейберг Я. А. Энергетическая техника и ее разви­
тие.— М.: Высш. шк., 1976.— 304 с.
33. Внуков А. К., Кальтман И. И., Шпорта И. П. Оценка затрат па снижение
токсичности дымовых газов ТЭС при очистке их от сернистого ангидри­
да Ц Теплоэнергетика.— 1983.— No 3.— С. 44 —47.
34. Гамильтон У. Об общем методе в динамике Ц Вариационные принципы
мехапики/Под ред. Л. С. Полака.— М.: Физматгпз, 1959.— С. 175—233.
35. Гельмгольц Г. О физическом значении принципа наименьшего действия /
Там же.— С. 430—459.
36. Гиббс Д. В. Термодинамика. Статистическая механика.— М.: Наука, 1982.—
584 с.
37. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, ус­
тойчивости н флуктуаций: Пер. с англ./Под ред. Ю. А. Чизмаджева.— М.:
Мир, 1973 — 280 с.
38. Горбань А. Н. Обход равновесия: уравнения химической кинетики п их
термодинамический анализ.— Новосибирск: Наука. Сиб. отд-нне, 1984.—
226 с.
39. Горбань А. И., Быков В. И., Яблонский Г. С. Метод последовательного и зу­
чения динамики сложной каталитической реакцнн/Гетерогенный катализ Ц
Тр. IV Междунар. епмпоз. по гетерогенному катализу. 2 —5 окт. 1979.—
Варна: Изд. Болгарской АН, 1980.— Т. 2.— С. 157— 162.
40. Горбань А. 11., Быков В. И., Яблонский Г. С. Очерки о химической ре­
лаксации.— Новосибирск: Наука. Сиб. отд-нне, 198G.— 320 с.
41. Давыдов В. И., Лебедев В. В. Применение тепла атомного реактора для
получения синтетических жидких и газообразных топлив из угля Ц По­
лучение синтетических топлив из углей.— М.: ИГН, 1980.— С. 45 —54.—
(Тр./Ин-т горючих ископаемых).
42. Дикин И. И. Итеративное решение задач линейного и квадратичного про­
граммирования )/ Докл. АН СССР.— 1967.— Т. 174. No 4 . — С. 747—748.
43. Доброхотов В. И., Каретников Д. В., Марагинский Р. II. Термоэмнссион-

Теплоэнергетика.-— 1979.— ЛЬ 9.—
пые пале тройки к электростанциям
О 2—7.
4'i Дробот В. П.. Прутковекмй Е. Н.. Бачнло Л. Л. Выбор профили ПГУ
мощностью 1C".«ОМВт с виутрицнкловой газификацией твердого топлива /
•Энергетические парогазовые установки для электростанций Под ред.
Е. Н. Прутковекого п Л. Л. Бачнло.— Л.: НПО ЦКТП.— 1078.— С. 63 —
69.— (Тр. НПО ЦКТИ: вып. 163).
45. Зайцев А. И - Левин Л. А. Оптимизация числа промежуточных охладите­
лен воздуха центробежного компрессора по эксергин — нетто и приведен­
ным затратам I f Пром. энергетика.— 1985.— ЛЬ 1.— С. 3S—40.
46. Зельдович Я. Б. Доказательство единственности решения уравнений за­
кона действующих масс if Жури. фнз. химии.— 1938.— Т. 11, ЛЬ 5.—
С. 685—687.
47. Золотарев Т. Л. Гидроэнергетика.— ЛГ: Госэнергопздат. 1950.— 3 8 0 с.
48. Ионе К. Г. Цеолпты-каталпзаторы синтеза углеводородных моторных топ­
лив " Вести. АН СССР.— 1983.— ЛЬ 6. — С. 75—88.
49. Ириков В. А.. Лившиц И. М. Методические вопросы разработки комплекса
программ научно-технического прогресса в энергетике Ц Системы энерге­
тики — тенденцпп — развития и методы управления. Системные исследо­
вания развития энергетики.— Иркутск: СЭН СО АН СССР. 1980.— Т. 2.—
С.68-98.
56. Исследование кольцевых топок п разработка профиля котла для мощных
энергоблоков // Ф. А. Серант. В. Н. Змейков. Б. П. Устименко н др. /'
Теплоэнергетика.— 1982.— ЛЬ 10.— С. 33—36.
51. Исследование неорганических составляющих углей Канско-Ачинского бас­
сейна jf Крюкова В. Н.. Латышев В. П., Белоногова Л. Н. н др. Ц Ис­
следование состава п свойств углей Восточной Сибири п продуктов их
переработки.— Иркутск: Изд-во Иркут, ун-та. 1986.— С. 33—43.
52. Исследование процесса термообработки пылевидного угля в аппарате с
псевдоожиженным слоем катализатора полного окисления'Щипко М. Л.,
Ажпшев Н. А.. Грицко С. Л.. Кузнецов Б. Н. Ц Химия твердого топлива.—
1986- ЛЬ4.-С . 119-123.
53. История техники'Зворыкин А. А.. Осьмова Н. И.. Чернышов В. II.. Шуха-
рпн С. В.— М.: Изд-во соц.экон. лит.. 1962.— 720 с.
54. Каганович Б. М. Дискретная оптимизация тепловых сетей. — Новосибирск:
Наука. Спб. отд-нне. 1978.— 88 с.
55. Каганович Б. М.. Филиппов С. П.. Кавелин II. Я. Прогнозные исследования
технологий использования угля. — Иркутск: СЭН СО АН СССР. 1984.—
219 с.
56. Канторович Л. В. Математические методы в организации ц планировании
производства Ц Применение математики в экономических исследованиях/
Под ред. В. С. Немчинова,— М.: Изд-во соц.- экон. лит.. 1959.— С. 251 —309.
57. Канторович Л. В.. Горстко А. В. Оптимальные решения в экономике.— М.:
Наука. 1972.— 231 с.
58. Канторович Л. В. Экономический расчет наилучшей) использования ре­
сурсов.— М.: Изд-во АН СССР. 1959.— 344 с.
59. Капица П. Л. Энергия и физика Ц Наука и человечество.— М.: Знание,
1976,— С. 262—264.
60. Карно С. Размышления о движущей силе огня п машинах, способных
развивать эту силу Ц Второе начало термодннамнкн/Под ред. и с пре-
дисл. А. К. Тимирязева.— М.; Л.: Гостехнздат, 1934.— С. 17—62.
61. Кинетика и термодинамика химических реакций в низкотемпературной
плазме f f Под ред. Л. С. Полака,— М.: Наука, 1965.— 180 с.
62. Кирсанов В. И.. Смирнова Т. С.. Крапчин II. П. Получение высококало­
рийного энергетического топлива — термоугля из бурых углей КАбасса Ц
Химия твердого топлива.— 1977.— Л® 8.— С. 139— 143.
63. Клаузиус Р. О механической теории теплоты Ц Второе начало термоди­
намики.— М.: Л.: Гостехнздат, 1934.— С. 63 —99.
64. Комплексные методы использования топлив на тепловых электростан-
циях/Масленннков В. М.. Выскубенко Ю. А., Штеренберг В. Я. и др. Ц
Системы энергетики — тенденции развития и методы управления. Т. 3.

Водные ресурсы н экология.— И ркутск: СЭИ СО АН СССР. 1980.— С. 77 —
87.
65. Кондаков Д. И .. Тюков В. М., Терентьев Г. А. Альтернативные моторные
топлива, перспективы их производства н применения Ц Жури. Всесоюз.
хнм. о-ва нм. Д. И. Менделеева.—
1981.— Т. 29. Лг 4.— С. 399 —406.
66. Норман Д. К .. Фокс Дж. Р. Рабочие и экономические характеристики но­
вых энергетических установок, работающих иа угле и продуктах пере­
работки угля Ц Тр. американского о-ва ннженеров-ме.ханнков. Энергети­
ческие машины и установки.—
1978.— Т. 100, Л» 2.— С. 61—72.
67. Корн Г.. Кори Т. Справочник по математике для научных работников и
инженеров: Пер. с англ./Под ред. И. Г. Арамановпча.— М.: Наука. 1978.—
832 с.
68. Котельные и турбинные установки энергоблоков мощностью 500 и
800 МВт: Создание и освоенне/Под ред. В. Е. Дорощука и В. Б. Рубина.—
М.: Энергия, 1979.— 6 8 0 с.
69. Котлер В. Р . Экономический аспект защиты окружающей среды от вред­
ного воздействия ТЭС в США Ц Энергохозяйство за рубежом.—
1962. —
Лг5—С.9—12.
70. Крапчнн И. П . Экономика комплексного использования твердого топли­
ва.— М.: Наука. 1969.—
159 с.
71. Крапчин II. П .. Королькова О. М.. Арабян М. С. Экономические показате­
ли производства технологического газа из ирша-бородинских углей Ц Пе­
реработка угля в жидкое и газообразное топливо.— М., 1981.— С. 132—
136. —
(Тр./Ин-т горючих ископаемых).
72. Кричко А. А .. Крапчнн II. П .. Смирнова Т. С. Проблемы переработки уг­
лей Канско-Ачинского бассейна.— М.: Изд. ЦНИЭИуголь, 1978.— 41 с.
73. Кромм Л. II. Пути сокращения вредных выбросов ТЭС Ц Теплоэнергети­
ка,- 1978.- No11.-
С.2-8.
74. Кружилин Г. II. Плазменная газификация углей Ц Вести. АН СССР.—
1980.— Лг 12,— С. 69 —79.
75. Круковекий В. К ., Колобова Е. А . Газификация угля в плазме водяного
пара Ц Теория и технология получения жидких, газообразных и твер­
дых синтетических топлив и сырьевая база для их производства.— М.:
ИГИ. 1981.— С. 71—78.—
(Тр./Ин-т горючих ископаемых).
76. Кузнецов Б. Г. Физика и экономика.— М.: Наука. 1967.— 86 с.
77. Лавров С. С. Представление и использование знаний в автоматизирован­
ных системах // Микропроцессорные средства п системы.—
1986.— «\> 3.—
С. 14—19.
78. Лагранж Ж. Л. Сб. статей/Под ред. А. Н. Крылова.— М.: Л.: Изд. АН
СССР, 1937,- 140 с.
79. Лагранж Ж. Аналитическая механика: Пер. с франц.— М.: Л.: ГОНТИ,
1938.— Т. 1.— 348 с.
80.ЛеБланк Дж. Р..МурД.О..КаверА.Е.Бензин из угля ЦНефть, газ и
нефтехимия за рубежом.—
1981.— Лг 6.— С. 82—87.
81. Ленин В. II. Поли. собр. соч.— Т. 36.— 741 с.
82. Локтев С. М. Искусственное жидкое топливо: прошлое, пастоящее. буду­
щее // Вести. АН СССР,— 1982.— Лг 1,— С. 123— 133.
83. Лом У. Л .. Уильямс А. Ф . Заменители природного газа: производство и
свойство: Пер. с англ./Под ред. А. А. Федорова.— М.: Недра. 1975.— 247 с.
84. Макаров А. А .. Вигдорчик А. Г. Топливно-энергетический комплекс: Ме­
тоды исследования оптимальных направлений развития.— М.: Наука,
1979.— 279 с.
85. Максименко В. II.. Эртель Д. Прогнозирование в науке и технике.— М.:
Финансы и статистика. 1962.— 238 с.
86. Маркс К.. Энгельс Ф. Соч.— 2-е над.— Т. 20.— 827 с.
87. Маркс К..Энгельс Ф.Соч.— 2-е пзд.— Т. 46. ч. 1.— 559 с.
88. Мартинс Дж. Технологическое прогнозирование: Пер. с англ./Под ред.
В. И. Максименко.— М.: Прогресс. 1977.— 591 с.
89. Матрос Ю. III. Нестационарные процессы в каталитических реакторах.—
Новосибирск: Наука. Снб. отд-ние. 1982.— 3 0 0 с.

90. Мейтис Л. Введение в курс химического равновесия и кинетики: Пер.
с англ.— М.: Мир, 198-1.— 181 с.
91. Мслоньтен Л. Л. Теплофикация.— М.; Л.: И.чд. ЛИ СССР, 1911.— Ч. 1.—
218 с.; 1918,— Ч. 2.— 276 с.
92. Методика определения экологической эффективности капитальных вло­
жении Ц Окои. га.ч.— 1981.— 2 —3 ян».
93. Методические вопросы долгосрочного прогнозирования новых энергети­
ческих тех пологи й/Ка келии И. Я., Каганович Б. М., Крутов Л. И., Филип­
пов С. 1Г. Ц Системы энергетики: управление развитием и функциониро­
ванием: Т. 1. Методические вопросы системных исследований в энерге­
тике.— Иркутск: СОИ СО ЛИ СССР, 1985.— С. 81—91.
91. Морсиков Л. И., Хасилев В. Я. Теория гидравлических цепей.— М.: Нау­
ка, 1983.— 278 с.
95. Микроэлементы углей при их крупномасштабном нспользовании/Его-
ров А. II., Лактионова Л. В., Белявцева И. В. и др. Ц Мало- и безотходные
технологии в энергетике как средства защиты окружающей среды и по­
вышения
эффективности
топливопспользоваиия.— М.:
ЭНИН им.
Г. М. Кржижановского.— 1985.— Ч. 1.— С. 151—158.— (Материалы Все-
союз. совещания. М., окт. 1981).
96. Моделирование долгосрочных программ развития энергетики/ Мака­
ров А. А., Гершензон М. Л., Макарова Л. С., Папин Л. Л. Ц Использова­
ние межотраслевых моделей для долгосрочного прогнозирования энерге­
тики.— Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1979 — С. 6 —23.
97. Нейман Дж., Моргенштерн О. Теория игр и экономическое поведение:
Нер. с англ./Под ред. II. II. Воробьева.— М.: Наука, 1970.— 707 с.
98. Нетер Э. Инвариантные вариационные задачи Ц Вариационные принципы
механпкп/Под ред. Л. С. Полака.— М.: Фнзматгиз, 1959.— С. 611—630.
99. Николис Г., При гожи и И. Самоорганизация в неравновесных системах:
Пер. с англ./Под ред. К). А. Чн.чмаджева.— М.: Мир, 1979.— 5 12 с.
100. Ньютон И. Математические начала натуральной философии: Пер. с лат.
А. II. Крылова Ц Собр. трудов А. II. Крылова.— Т. 7.— М.; Л.: Изд. АН
СССР, 1936.
101. Ньютон И. Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибани­
ях и цветах света: Пер. с англ. С. И. Вавилова.— М.: Гостехнздат, 1951.—
366 с.
102. Опытно-промышленный котлоагрегат КВП-КС-5, 7-11-180 с топкой кипя­
щего слоя/Расс удов II. С., Мецнев В. В., Павлов В. А. и др. Ц Энергома­
шиностроение.— 1978.— No 12.— С. 1—3.
103. Осипов М. И. Перспективы развития энергетических установок с МГД-
геиератором: Обзор Ц Энергетическое машиностроение. НИПЭннформэнер-
гомаш.— 1979.— No 1.— 37 с.
101. Осташкова И. В., Косинец И. И. Каталитическая газификация Ц Жури.
Всесоюз. хим. о-ва им. Д. И. Менделеева.— 1981.— Т. 29, No 4.— С. 74—76.
105. Парогазовые установки с впутрнцпкловоп газификацией топлива и эколо­
гические проблемы энергетнкн/Масленников В. М., Выскубенко Ю. А.,
Штернберг В. Я. и др.; Под ред. С. А. Хрнстнаиовнча и Т. К. Джейнса.—
М.: Наука, 1983.— 264 с.
106. Перспективы использования угля в качестве сырья и источника энергии
в химической промышленности капиталистических стран/Мерсова Н. А.,
Афанасьева Г. Г., Ермнкова И. II. и др. Ц Хим. нром-сть за рубежом.—
1980.— No 1.— С. 1—49.
107. План электрификации РСФСР: Доклад VIII съезду Советов.— М.: Госпо-
лптиздат, 1955.— 680 с.
108. Поиск промежуточных термодинамических состояний физико-химиче­
ских снстем/Анцнферов Е. I’., Каганович Б. М., Такайшвплн М. К., Семе-
ней II. Т. Ц Численные методы анализа и их приложения. — Иркутск:
СЭИ СО АП СССР, 1987.— No 17,— С. 151 — 172.
109. Ноллк Л. С. Вариационные принципы механики.— М.: Фнзматгиз, 1960.—
599 с.
110. Нолак Л. С., Михайлов А. С. Самоорганизация в неравновесных физико­
химических системах.— М.: Наука, 1983.— 285 с.

111. Получение синтез-газа с пониженным отношением Нг/СО/Диоберн X. С.,
Олесен П„ Рострап-Нильсен Дж. Р. и др. Ц Нефть, газ и нефтехимия за
рубежом.— М.: Недра, 1986.— Л* 1.— С. 93—96.
112. Пригожи и И. От существующего к возникающему. Время и сложность
в физических науках: Пер. с апгл./Под ред. 10. Л. Климентовича.— М.: На­
ука, 1985.— 327 с.
113. Пригожим И.. Дефей Р. Химическая термоднпамика: Пер. с англ.— Ново­
сибирск: Наука. Снб. отд-ние. 1966.— 509 с.
114. Пригожнн II.. Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с
природой: Пер. с англ.— М.: Прогресс. 1986.— 431 с.
115. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических про-
цессов/Синярев Г. Б., Ватолин И. А., Трусов Б. Г., Моисеев Г. К.— М.:
Наука. 1982,- 263 с.
116. Производство метанола из угля/Крапчнн И. П., Королькова О. М.. Лебе­
дев В. В.. Никанорова А. П. Ц Химия твердого топлива.— 1979.— «У» 1.—
С. 137-142 .
117. Проценко А. II. Энергетический анализ нетто топливных циклов ядерпои
энергетики Ц Атом, техника за рубежом,— 1985.— Л® 4.— С. 3—13.
118. Процессы тепло- и массообмена в кипящем слое Ц Баскаков А. П.,
Берг Б. В., Рыжков А. Ф., Фнлнпповскнй Н. Ф.— М.: Металлургия, 1978.—
248 с.
119. Процессы н аппараты плазмохнмнческой технологпн/Пархоменко В. Д.,
Полак Л. С., Сорока П. II. и др.— Киев: Вища шк., 1979.— 256 с.
120. Прузнер С. II., Златопольский А. II., Некрасов А. М. Экономика энерге­
тики СССР.— М.: Высш. шк., 1984.— 424 с.
121. Развитие углехнмнн за 50 лет.— М.: Недра, 1984.— 295 с.— (Тр./Ин-т го­
рючих ископаемых).
122. Рассудив II. С., Мочан С. И. Совершенствование способа сжигания топ­
лива в кипящем слое в топках паровых котлов Ц Теплоэнергетика.—
1982.- Д® 11.-С . 72-75.
123. Расчеты аппаратов кипящего слоя/Под ред. И. П. Мухленова, Б. С. Са-
жина, В. Ф. Фролова.— Л.: Химия, 1986,— 351 с.
124. Решение экологических проблем эпергетики при сжигании топлив в ка­
талитических генераторах тепла/Исмагнлов 3. Р., Симонов А. Д., Кер­
женцев М. А. п др. Ц Проблемы тепло- и массообмена в современной тех­
нологии сжигания и газификации твердого топлива.— Минск: ИТМО нм.
А. В. Лыкова АН БССР, 1984.— С. 131—142.
125. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Пер. с
англ. Изд. З-е/Под ред. Б. И. Соколова.— Л.: Химия. 1982.— 591 с.
126. Рихтер Л. А., Волков Э. П.. Покровский В. II. Охрана воздушного и вод­
ного бассейнов от выбросов тепловых электростанций.— М.: Энергоиздат,
1981.— 296 с.
127. Розоноэр Л. II. Обмен и распределение ресурсов (обобщенный термодина­
мический подход). 1—3 Ц Автоматика и телемеханика.— 1973.— No S.-
С. 115—132; Д®6. - С . 65-79; No 8.— С. 82—103.
128. Розоноэр Л. И., Цирлин А. М. Оптимальное управление термодинамиче­
скими процессами. 1—3 Ц Автоматика и телемеханика.— 1983,—
1.—
С. 70—79; Д®2.— С.88—101;Д*З.-С . 50—64.
129. Саркисов С. А., Ахундов В. М.. Минаев Э. С. Анализ и прогноз развития
больших технических систем.— М.: Наука, 1982.— 280 с.
130. Сжигание немолотых азейскнх бурых углей в низкотемпературной вих­
ревой топке по схеме ЛПИ — ИТЭЦ-10/Серапт Ф. А., Шостаков С. М., По­
меранцев В. В. н др. Ц Теплоэнергетика.— 1983.— Д® 7.— С. 36—41.
131. Сигал И. Я. Защита атмосферного воздуха от загрязнений окислами азо­
та Ц Проблемы тепло- и массообмена в современной технологии сжига­
ния и газификации твердого топлива.— Минск: ИТМО нм. А. В. Лыкова
АН БССР, 1984.- Ч. 1 .-С . 153-165.
132. Системы энергетики — тенденции развития и методы управлеппя: Т. 3.
Водные ресурсы и экология.— Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1980.— 138 с.
133. Славин В. С., Соколов В. С., Деревянко В. А. Высокоэффективный МГД-
гелератор, использующий газоплазменные потоки с крупномасштабными

неоднородностями Ц Теилофпзнческие вопросы прямого преобразовании
энергии.— Киев: Паук, думка, 197!).— С. 54 —57.
131. Славиц И. С., Соколов И. С., Деревянко В. А. Магиитогидродинамический
генератор электроэнергии на продуктах газификации бурых углей Ц
Прикл, математика и теор. физика.— 1980.— No 5. — С. 125 —138.
135. Современное состояние проблемы создания электростанций с МГД-гене-
раторамн/Шейпдлин А. Е., Шумяцкпй В. Я., Шпильрапи Г). Э. и др. Ц
Теплоэнергетика.— 1980.— Л» 3.— С. 2 —5.
136. Соколов Е. Я., Мартынов В. А. Эксергетнческпй метод расчета показате­
лей тепловой экономичности ТЭЦ Ц Теплоэнергетика.— 1985.— No 1.—
С. 49—52.
137. Стратонович Р. JI. Нелинейная неравновесная термодинамика.— М.: Нау­
ка. 1985.— 180 с.
138. Стырикович М. А., Шпнльрайн Э. Э. Энергетика: Проблемы и перспекти­
вы.— -М
.: Энергия, 1901.— 192 с.
139. Тагор С. А. Международный симпозиум по газификации и ожижению уг­
ля Ц Теплоэнергетика.— 1980.— No 1.— С. 76—78.
МО. Теория горения и взрыва.— М.: Наука, 1981.— 412 с.
141. Термодинамические свойства индивидуальных веществ/Гурвич Л. В., Берг­
ман Г. А., Вейц И. В. и др.; Под ред. акад. В. П. Глушко.— М.: Наука,
1978— 1982.
142. Технология комплексной переработки минеральной части энергетических
углей на глинозем, цемент и ферросплпцпй/Ромапов Л. Г., Нуркеев С. С.,
Коспанов М. М. и др. Ц Мало- и безотходные технологии в энергетике как
средства защиты окружающей среды и повышения эффективности топ-
ливоиспользования.— М.: ЭНИН им. Г. М. Кржижановского, 1985.— Ч. 1.—
С. 115—121.— (Материалы Всесоюз. совещания. М., окт. 1984).
143. Уилсон К. Л. Уголь — мост в будущее: Пер. с англ.— М.: Недра, 1985.—
262 с.
144. Умов Н. А. Задачи техники в связи с истощением запасов энергии па
Земле Ц Собр. соч., т. 3.— М., 1916.— С. 448—460.
145. Форрестер Дж. Мировая динамика.— М.: Наука, 1978.— 167 с.
146. Хакен Г. Синергетика.— М.: Мир, 1980.— 404 с.
147. Хандрсз Л. Б., Волкова Г. Г., Хайниева И. /К. Особенности окислеппя
твердых топлив в псевдоожиженном слое катализатора Ц Проблемы теп­
ло- н массообмена в современной технологии сжигания и газификации
твердого топлива.— Минск: ИТМО им. А. В. Лыкова АН БССР, 1984.—
С. 60 -70.
148. Хасилев В. Я. Вопросы технико-экономического расчета тепловых сетей ff
Проектирование городских тепловых сетей.— М.; Л.: Госэпергоиздат,
1957.— С. 52 —56.^
149. Хасилев В. Я. Обобщенные зависимости для технико-экономических рас­
четов тепловых и других сетей Ц Теплоэнергетика.— 1957.— No 1.— С. 28—
32.
150. Хасилев В. Я. Элементы теории гидравлических цепей Ц Изв. АН СССР.
Энергетика и трансп.— 1964.— No 1.— С. 69 —88.
151. Хедли Дж. Нелинейное и динамическое программирование: Пер. с апгл./
Под ред. Г. П. Акилова.— М.: Мир, 1967.— 508 с.
152. Химические вещества из угля/Под ред. Ю. Фальбе.— М.: Химия. 1980.—
616 с.
153. Химическое равновесие в неидеальных снстемах/Байбуз В. Ф„ Зпцер-
ман В. 10., Голубушкин Л. М., Чернов Ю. Г.— М.: ИВТАН, 1985.— 227 с.
154. Цыркни Е. Б. Применение концепции предельно эффективной техноло­
гии в технологическом прогнозировании Ц Хнм. пром-сть.— 1976.— К* 6.—
С.6-9.
155. Цыркин Е. Б., Лазарев Е. В., Сидоров В. А. Технологическое прогнозиро­
вание в нефтехимии.— Л.: Химия, 1978.— 152 с.
156. Чуханов 3. Ф. Некоторые ключевые научно-технические проблемы разви­
тия топливно-энергетического комплекса страны в XX веке Ц Энерготех-
нологнческое использование топлива.— М.: ЭНИН нм. Г. М. Кржижанов­
ского, 1978.— Вып. 59.— С. 8 —40.

157. Чуханов 3. Ф.. Тер-Оганссян Г. К., Старостина Н. Г. Производство «уголь­
ной нефти»: Процесс термического реагирования угля // Докл. АН СССР.—
1983.— Т. 272. Дг 5.— С. 1186—1189.
158. Шаргут И., Петела Р. Эксергпя: Иер. с лольск./Под ред. В. М. Бродянско-
го.— М.: Энергия. 1968.— 279 с.
159. Щипко М. Л.. Сугак Е. И., Кузнецов Б. II. Свойства твердых продуктов
автотермпческого полукоксовании каиско-ачинскнх углей Ц Химия твер­
дого топлива.— 1986.— No 2.— С. 40—44.
160. Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромо­
лекул: Иер. с англ./Под ред. М. В. Волькепштейпа.— М.: Мир. 1973.— 216 с.
161. Эйлер Л. Диссертация о принципе наименьшего действия с разбором воз­
ражений славнейшего проф. Кенига, выдвинутых против этого принци­
па Ц Вариационные принципы механики/Под ред. Л. С. Полака.— М.: Фпз-
матгнз. 1959.— С. 96 —108.
102. Эйнштейн А. Принцип Гамильтона и общая теория относительности Ц
Там же.— С. 599—603.
163. Эйнштейн А. Творческая автобиография Ц Физика и реальность.— М.:
Наука. 1985.— С. 131-166.
164. Энергетический комплекс СССР/Под ред. Л. А. Мелеитьева и А. А. Мака­
рова.— М.: Экономика, 1983.— 263 с.
165. Энергетический котел с топкой кипящего слоя на прибалтийском слаи-
це/Яхилевнч Ф. М.. Семенов А. Н.. Глебов В. П. н др Ц Теплоэнергети­
ка.— 1984.— No 5,— С. 8 —9.
166. Энерготехнологическое использование топлив Ц Под ред. 3. Ф. Чухано-
ва,— М.: Изд. АН СССР, 1956,— 326 с.
167. Яблонский Г. С., Быков В. И., Горбань А. II. Кинетические модели ката­
литических реакций.— Новосибирск: Наука. Снб. отд-ине, 1983.— 253 с.
168. Ямпольский А. Л. Экономика комплексного использования торфяных ре­
сурсов СССР.— М.: Недра, 1979.— 319 с.
169. Янтовский Е. II. Метод расчета термодинамической эффективности по сум­
ме удельных затрат эксергнп Ц Достижения и перспективы.— М.: Между-
нар. центр научной и техн. информации, 1984.— Вып. 32.— С. 82—94.—
(Энергетика. Топливо, No 6).
170. Янтовский Е. И. Эксергпя — нетто Ц Пром. энергетика.— 1985.— No 1.—
С. 33 -37.
171. Янч Э. Прогнозирование научно-технического прогресса: Пер. с англ./Под
ред. Д. М. Гвишиани.— М.: Прогресс, 1974.— 586 с.
172. Andrew S. R. S. The economic of fuel and chemicals from coal in the futu­
re Ц Chem. Eng.. 1979.— N 345.— P. 414—421.
173. Assessment of MHD power plants with coal gasification Ц Delallo M. R.,
Weinstein R. E., Cutting J. C., Owens W. R. Ц AIAA Pap.— 1981.— N 2574.—
P. 1—5.
174. Berman I. M. Fluidized bed combustion systems: progress and outlook //
Power Eng.— 1977.— N 11.— P. 46—56.
175. Borys S. Ackerman I. P. Molten carbonate fuel cell systems development
program Ц Proc. 14-th 1ECE Conf. (Boston, Aug. 5 —10, 1979). Wash., D. C.—
1979.— V. 1.— P. 563—567.
176. Combined-cycle using gas from coal holds promise for electric generation Ц
Power.— 1979.— V. 123, N 6 — P. 99—102.
177. Coinparado I. R. FBC industrial and utility applications Ц Mod. Power Sys­
tems.— 1981.— V. 1, N 6.— P. 41—45.
178. The concept of Novel Horizontally Integrated Energy Systems: The Case of
Zero Emissions/Andcrer J., Ilafele W., Barnert 11., Mcssnor S., Strubeg-
ger M. Ц Kernforschungsanlage, Jiilich GmbH.— February, 1984.— 32 p.
179. Construction starts of Kilngas Ц Mod. Power Systems.— 1981.— V. 1, N 1.—
P. 11.
180. Coolwatcr gasifier to have GE turbine Ц Ibid.— P. 5.
181. Dick R. S., Banda B. N., Starr J. W. Design study of a eoalfired thermionic
(TIIX)— topped power plant Ц Proc. 15-th 1ECE Conf. (Seattle, Wash.,
1980).— N. V., 1980.— V. 3 — P. 1775—1782.

182. During К. Flue gas desulphurization: Report 2/STE.— Jiilich: KFA.—
1983.— 13 p.
183. Energy in a Finite World: a Global System s Analysis: Report by the Energy
systems Program Group of the IIASA/Program Leader W. Ilafele.— Camb­
r id ge — Massac-husets; Ballinger Publishing Co.— 1981.— V. 2.— 880 p.
184. Energy technology handbook/Douglas M., Considine P. E.— Los Angeles:
McGraw-Hill Book Company.— 1977.— 1885 p.
185. Falbe J. Stand der Entwicklung von Chcmierohstoffen aus Kolile Ц Brenn-
stoff Warme-Kraft.— 1983.— Bd 35, N 9.— S. 384—390.
186. Fitzpatrick G. O., Britt E. J. Termoionic power plant design point selection:
The economic impact Ц Proc. 13-th IECE Conf. (Son Diego, Calif., Aug. 20—
25, 1978), Warrendale, Pa, SAE — 1978.— V. 3.— P. 1887—1892.
187. Forrester J. W. World dynam ics. — Cambridge — Massachusets: Write-Alien
Press, 1971.— 142 p.
188. Foster-Pegy R. W. Circulating fluidized bed coal fired air turbine cogenera­
tion Ц Mod. Power System s.— 1981.— Y. 1, N 10.— P. 29—36.
189. Fox C. R. Advanced power cycles and their potential for electrical energy
generation Ц Proc. Amer. Power Conf.— Chicago, 1978.— V. 40.— P. 464—
478.
190. Fuel cell power station nears completion in New York Ц Electrical Rev. In­
tern.— 1980.— V. 205, N 22.— P. 40-41 .
191. Gorban A. N., Jablonsky G. S., Bykov V. I. The path to eqilibrium Ц Intern.
Chem. Engineering.— 1982.— V. 22, N 2.— P. 368—375.
192. Hafele W., Nakicenovic N. The Contribution of Oil and Gas for the Transition
to Long Range Novel Energy Systems.— Paper presented 11-th World Pet­
roleum Congress.— March, 1983.— 28 p.
193. Heat rate improvements in pulverized coal power plants Ц S. B. Bennett,
R. L. Bannister, R. R. Leyendecker et al. / Power Engineering.— 1980.—
V. 84, N 5.— P. 78—82.
194. Hildebrandt R. Wirbelschichtfeuerung fur die Strom- und Warmeerzeugung:
derseitiger Entwicklungsstand Ц BWK.— 1984.— Bd 36, N 5.— S. 193—199.
195. Hill G. R. Coal liquefaction Ц Energy J.— 1980.— N 1.— P. 87—104.
196. Hollis J. R. Parametric study of potential early commercial MHD power
plants Ц J. Energy Syst.— 1981.— N 1.— P. 64—68.
197. Hoy H. R., Roberts A. G., Jack A. R. Pressurized fluidized bed combustion
of coal for combined cycle systems Ц Mod. Power Systems.— 1981.— V. 1,
N4.- P.25-30.
198. Huber D. A., Costello R. M. Conceptual design and cost estimate 600 MWe
coal fired fluidized-bed cycle power plant Ц Combustion.— 1979.— V. 50,
N 12.— P. 22 —29.
199. Jahnke H. Stand und Entwicklungsrictungen der Brennstoffzellenfor-
schung Ц Chemie.— 1980.— Bd 34, N 1.— S. 58—71.
200. Jankola A. Research work and comm ercial applications of fluidized-bed boi­
lers for lowcalorific fuels in Finland. Rep. of Economic Commission for
Europe.— N. Y.: United Nations, 1983 — 22 p.
201. Khushnoodi R., Weinberg M. Combustion in sponted beds Ц Combustion and
Flame.— 1978.— V. 33, N 1.— P. 11—21.
202. Romanoff C. Pollution control improvements in coal — fired electric genera­
ting plants: What they accomplish, what they cost Ц J. Air Pollution Cont­
rol Ass. — 1980.— V. 30, N 9.— P. 1051—1057.
203. Krieb К. H. Operation experience of the KDV-plant Lunen.— Tokyo, 1977.—
8 p.— (Preprint/CYMAC-12 Congr.; N 27).
204. Lacoy D., Prasad A. Five organic Rankine cycle system s installed at field
test sites Ц Mod. Power Systems.— 1981.— V. 1, N 9.— P. 32—35.
205. Langhoft I., Krischke H. G. Die Wirbelschichtanlage Flingern und Konig
Ludwig: Aufbau und erste Betriebserfahrungen Ц BWK.— 1981.— Bd 33,
N 11.— S. 441—443.
206. Larson I. W. Comparison of coal gasification combined cycle developments
in the USA Ц Mod. Power Systems.— 1981.— V. 1, N 1.— P. 39—45.
207. The limits to growth: A report for the Club of Rome’s project on the predi-

cament of Mankind/Medows D. H., Medows D. N., Renders J., Behrens W. W.—
N. Y.: Universal Books., 1972.— 105 p.
208. MARKAL: Description of the model: Report/Brookhaven National Lab., Kern-
forschungsanlage, Jiilich GmbH.— N. Y., Jtilich, 1978.— 46 p.
209. Meacher J. S. Organic Rankine cycle systems for waste heat recovery in
refineries and chemical process plants Ц Mod. Power Systems.— 1981.—
V. 1, N 8.— P. 51—59.
210. Merrill 0 . S. The changing emphasis of the DOE thermionic program Ц
Proc. 15-th 1ECE Conf. (Seattle, Wash., 1980).— N. Y .— 1980.— V. 3.—
P. 1773—1774.
211. Mesarovich M., Pestel E. Mankind at the turning point: 2-nd rep. to the Club
of Rome.— N. Y.: Dutton-Readers Digest Press, 1974.— 210 p.
212. Mills Alex G. Alternate fuels from coal Ц Chem. Technol.— 1977.— N 7.—
P. 418—423.
213. Miskolesy G., Margulies A. E. Design study of a coal-fired thermionic top­
ped power plant using an advanced boiler Ц Proc. 14-th IECE Conf. (Boston,
Mass., 1979).— Wash., D. C., 1979.— V. 2.— P. 1875—1879.
214. Modeling of large-scale energy systems/Ed. W. Hafele.— Oxford; N. Y.: Per-
gamon Press, 1981.— 461 p.
215. Mullownev J. S. Sasol I, II, III: Coal liquefaction now Ц Proc. 7-th Energy
Technol. Conf. March 24—26, 1980.— Wash., D. C.— G. I., 1980.— P. 651—660.
216. Muramatsu A., Funabashi M., Shingai S. A CAD system for the evaluation
of new energy conversion technologies Ц Proc. 8-th Trienni World Congr.
Int. Ped. Autom. Contr. (Kyoto, 24—28 Aug., 1981).— Oxford e. a., 1982.—
V. 3 .— P. 1629—1635.
217. Nene R. G. Which rout to coal liquefaction? Ц Hydrocarbon Processing.—
1981.— N 1.— P. 287—290.
218. New coal based alumina plant energy concept/Beisswenger H., Schmidt H.-W.,
Kaempt F., Wargalla G. Ц AI ME Meeting. Los Angeles.— 1984.
219. New York fuel cell to operate in 1984 Ц Mod.— Power Systems.— 1981.—
V.1,N2.— P.13.
220. Patterson G. H. The future role of hydrogen fuel in an electrical society. —
Toronto: UTIHS, 1979.— 21 p.
221. Perry H. Clean fuel from coal Ц Advances in energy systems and techno­
logy. — N. Y.: Acad. Press, 1978.— V. 1.— P. 224—326.
222. Peterka V. Macrodynamics of technological change: market penetration by
n ew techn ologies. — Laxenburg, 1977.— 128 p. (Preprint/IIASA; RR 77—22).
223. Prospects for developing the coal-based technologies of electricity and heat
production/Maslennikov V. M., Shterenberg B. J., Belyaev L. S.. Kagano-
wich В. M., Filippov S. P. Ц Proc. 5-th USSR-Japan Energy Symposium.—
October 8—12.— Tbilissi: Metsniereba, 1984.— P. 59—74.
224. Reardon J. O. Pyroflow-commercial recirculating fluidized bed combustion /
Mod. Power Systems.— 1981.— V. 1, N 10.— P. 37—41.
225. Rietjens L. H. Th. The future for MHD power generation Ц P lu s . Technol.—
1979 — V. 10, N 5.— P. 216—221.
226. Thermionic topping of combined cycle power plants and cogeneration appli-
cations/Miskolesv G. et al. Ц Proc. 15-th IECE Conf. (Seatle, Wash.—
1980).— N. Y.— 1980.— V. 3.— P. 1783—1787.
227. Seikel G. R., Harris L. P. A summary of the ECAS MHD power plant re­
sults Ц Третий советско-американский коллоквиум по МГД-преооразова-
нию энергии. (М., 20—22 окт. 1976).— М., 1978.— С. 54 —74.
228. Shimada К. Prospects of thermionic power system Ц Proc. 13-th IECE Conf.
(Son Diego. Calif., Aug. 20—25, 1978), Warrendale, Pa, SAE.— 1978.— V. 3.—
P. 1929—1935.
229. Shinnar R., Cheng A. Feng. Structure of complex catalytic reactions: Ther­
modynamic constraints in kinetic modeling and catalyst evaluation Ц Indust­
rial and engineering chemistry fundamentals.— 1985.— Y. 24. N 2.— P. 153—
170.
230. Sillivan A. M. MHD coal power goes on the grid Ц Coal Age.— 1979.— V. 84,
N 9.— P. 147—148.

231. Sponsor 1). F„ Gluckinan M. J., Alport B. Coal gasificalion for electric power
generator ./ Science.— 1382.— 213, N 4340.— P. 1371 — 1376.
232. Spinrad B. J. Market sul»stitulion models and economic parameters.— Laxen-
burg, 1980.— 13 p. (Preprint/I IASA; RR — 80 —28).
233. Subswari M. P.. Swillienbank J. Progress in rotating fluidized bed combus­
tion research.— London, 1380.— 11 p.— Preprint/lnst. of Energy: Symp. Scr.
N 4, Fluidized Red Comb.: Syst. and Applic.) .
23». The use of fluidized beds in industrial energy scheme Ц Mod. Power Sys­
tems- 1381.-V. I,N6.— P.47—49.
233 Warminger V. S. PURPA makes free organic Rankine cycle systems econo­
mic ij Mod. Power Systems.— 1381.— V. 1, N 9.— P. 28—30.
236. Ways of transition to clean energy use: Two methodological approaches/
Belyaev L. S., Kaganovich В. M., Krutov A. N., Filippov S. P., Martinsen D.,
Muller M., Wagner II. J., W albeck M. Ц Working paper of International
institute for applied system s analysis, A-2361.— Laxenburg; Austria. — Janua­
ry. 1987.-WP-87-13.-2 5 p.
237. Wege zu einer umweltfreundlicheren Energieversorgung — zwei methodische
Losungsansatze/Belyaev L. S., Kaganovich В. M., Krutov A. N., Filippov S. P.,
Martinson D., Miiller M., Wagner II. J., W albeck M. Ц Brennstoff Warme-
Kraft.- 1987.- N 3, Miirz.— S. 80—85.
238. Wojciechowski B. W. The economics of carbon processing Ц Hydrocarbon
processing.— 1979.— N 7.— P. 105—110.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АК
—
атомная котельная
АКЭС — атомная конденсационная электростанция
АТЭЦ — атомная теплоэлектроцентраль
АЭС — атомная электрическая станция
ВК
—
водогрейная котельная
ВПГ
—
высоконапорный парогенератор
ВИГУ — парогазовая установка с внутрпцикловой газификацией
ВТИ — Всесоюзный теплотехнический институт
ВТО — высокотемпературная очистка
ГП
—
газ пиролиза
ГТ
—
газовая турбина
ГТУ — газотурбинная установка
ЗПГ
—
заменитель природного газа
ЗЦ
-— з амкнутый цикл
ИЖТ — искусственное жидкое топливо
НК
—
Институт катализа
ИКС — инертный кипящий слой
ИЭС — интегрированная энергетическая система
К
—
котельная
НА
—
котельный агрегат
КАУ — канско-ачннскнй уголь
КАТЭК — Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс
КБТ — коммунально-бытовое топливо
КГТ — каталитический генератор теплоты
ККС — каталитический кипящий слой
КС
—
кипящий слой
КТ
—
котельное топливо
КУ
—
котел-утплнзатор
КЭС — конденсационная электростанция
Л ПИ — Ленинградский политехнический институт
ЛС
—
легкая смола
МГД — магнптогидродинамнческпй
МГДУ — магннтогндродипамическая установка
МГДЭС — магннтогндродипамическая электростанция
МОПР — модели процессов
МОСТ — модели структуры технологий
МОТУС — модели технологических установок

МТ
—
моторные топлива
НИОКР — научно-исследовательские и опытно-конструкторские ра­
боты
ИКГ — низкокалорийный газ
ИНГ — низконапорный парогенератор
НПЗ — нефтеперерабатывающий завод
НТО — низкотемпературная очистка
НТП — научно-технический прогресс
НЭР — незнергетические ресурсы
ОМУ — органическая масса угля
ОПУ — опытно-промышленнаяустановка
ОТТ — облагороженное твердое топливо
ОЦ
—
открытый цикл
ОЦР — органический цикл Ренкина
IIВК — программно-вычислительный комплекс
II ГС — последовательные газификация и синтез
ИГУ — парогазовая установка
ПК
—
полукокс
н.п.д.
—
принцип наименьшего действия
IIP
—
присадка
ПТ
—
паровая турбина
ИТУ — паротурбинная установка
РИ
—
радиоактивные изотоны
СГ
—
синтез-газ
СО
— сероочистка
СРТ — смешение рабочих тел
СЭИ
—
Сибирский энергетический институт
ТДТ
—
термодинамически допустимая траектория
ТУ
— т вердые частицы
ТС
—
тяжелая смола
ТЭ
—
тепловая энергия
ТЭБ — топливно-энергетический баланс
ТЭГ
—
термоэмиссионный генератор
ТЭС
—
тепловая электрическая станция
ТЭУ — теплоэнергетическая установка
ТЭЦ — теплоэлектроцентраль
ЦКТИ — Центральный котлотурбинный институт
ОС
—
энергетическая система
ОХГ — электрохимический генератор
ОХК — энергохимический комплекс
ОЭ
—
электрическая энергия
ОЭС — электроэнергетическая система
ЯЭ
—
ядерная энергия

ОГЛАВЛЕНИЕ
П ре д и с л о в и е ........................................................................
Глава 1. Принципы сопоставления технологий
1.1. Исходные п о л о ж е н и я ...........................................
1.2. Ф изика и э к о н о м и к а ...........................................
1.3. Предельные показатели технологий. Термодина
д е л ы ..............................................................................
1.4. Гидродинамические пределы ....
1.5. Энергетическое совершенство технологий
1.6. Эффективность комбинирования .
Глава 2. Прогнозные математические модели .
2.1 . Модели физико-химических процессов .
2.2 . Модели технологических установок .
2.3 . Модели структуры технологий
2.4. Проблемы создания системы моделей .
Глава 3. Примеры прогнозирования технологий
3.1. Прогнозирование сегодняшних технологий
3.2. Развитие углехимических технологий
3.3. Плазменная га з и ф и к а ц и я ..................................
3.4. Перспективы косвенного ожижения угля
3.5. Каталитические теплогенераторы
3.6. Интегрированные энергетические системы
З а к л ю ч е н и е .......................................................................................
мические пре
•
•
прошлого
Список литературы .
Список сокращений .
3
8
14
28
48
60
66
83
107
118
130
133
137
169
185
203
225
239
242

Каганович Борис Моисеевич
Филиппов Сергей Петрович
Анциферов Евгений Георгиевич
ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
ТЕХНОЛОГИИ:
термодинамика,
экономика, прогнозы
Редакторы издательства В. Н . Дятлов, М . Б . Успенская
Художник В. А. Мишура
Технический редактор Н. М . Бурлаченко
Корректоры Т. Ф . Погиблова, В. К . Жихарева
ИВ N9 34475
Сдано в набор 26.08 .88 . Подписано к печати 01.03 .89 .
МН-01211. Формат 60Х907|б. Бумага офсетная No 2.
Обыкновенная гарнитура. Высокая печать. Усл. печ.
л. 16. Усл. кр.- отт. 16. Уч.- изд. л . 20. Тираж 1000 экз.
ЗаказNo320.Цена3р.90к.
Ордена
Трудового
Красного Знамени
издательство
«Наука»,
Сибирское отделение. 630099 Новосибирск,
ул. Советская, 18.
4-я типография издательства «Наука».
630077 Ново­
сибирск, ул. Станиславского, 25.

Welcome to site
www.twirpx.com

Сканирование:
Аноним

Обработка:
Сергей Васильевич