Научный журнал
Научное обозрение. Технические науки
ISSN 2500-0799
ПИ №ФС77-57440

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА МАНЕВРОВЫХ ЛОКОМОТИВАХ

Завальный Ф.Г. 1 Ильичев В.Ю. 1 Шевелев Д.В. 1
1 Калужский филиал ФГОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»
Статья посвящена описанию исследований, ставящих своей целью изучение и обоснование перспективности применения газотурбинных установок (ГТУ) для привода маневровых локомотивов на железных дорогах. При этом решаются остро актуальные на данный момент проблемы повышения экологических показателей железнодорожного транспорта и замены дорогого топлива, используемого в дизельных установках, на значительно более дешёвый природных газ. Целью исследований также является разработка методики технико-экономического обоснования замены дизельного железнодорожного транспорта на газотурбинный. При этом учитываются многочисленные особенности работы маневровых локомотивов по сравнению с магистральными. Для демонстрации разработанной методики с помощью электронных таблиц Microsoft Excel произведён расчёт часовой стоимости топлива для дизельного маневрового локомотива с использованием распределения режимов его работы. Для сравнения эффективности ГТУ и дизельного двигателя была спроектирована одновальная газотурбинная установки, обеспечивающая необходимые для локомотива характеристики. Цикл ГТУ рассчитывался с помощью специально разработанной компьютерной программы. Для ГТУ также произведён расчёт часовой стоимости топлива. По результатам расчётов сделаны обоснованные выводы о целесообразности замены дизельных установок на ГТУ и предложены рекомендации для дальнейшего развития исследований по применению газотурбинных двигателей на маневровых локомотивах. Разработанную методику и результаты проведённых исследований можно использовать для изучения перспектив применения других, более сложных схем ГТУ на железнодорожном транспорте.
маневровый локомотив
железнодорожный транспорт
дизельный двигатель
газотурбинная установка
одновальная ГТУ
природный газ
технико-экономическое обоснование
1. Тепловозы промышленного транспорта. Основные технические характеристики тепловозов. [Электронный ресурс]. URL: http://www.matrixplus.ru/index3-001.htm (дата обращения: 13.02.2020).
2. Тяговая характеристика и основные технические данные 2ТЭ10М. [Электронный ресурс]. URL: https://www.dieselloc.ru/2te10m_3te10m/2_3te10m_2.html (дата обращения: 13.02.2020).
3. Силовой модуль на базе ГТД-1250 для газотурбовозов. [Электронный ресурс]. URL: http://kadvi.ru/modul-dlya-gazoturbovozov/ (дата обращения: 13.02.2020).
4. Кузнецова И.А. Об оценке технико-энергетической эффективности работы маневровых тепловозов путем моделирования рабочих процессов оборудования в режимах эксплуатации // Транспорт Азиатско-Тихоокеанского региона. 2016. № 3 (8). С. 6–8.
5. Павлов Ю.Н., Бобров А.Н. Применение газотурбинных установок для объектов транспортной инфраструктуры // Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта. 2019. № 15. С. 27–33.
6. Коссов Е.Е., Кузнецова И.А. К оценке эффективности работы маневрового локомотива путём моделирования режимов работы // Вестник транспорта Поволжья. 2014. № 4 (46). С. 40–49.
7. Стоимость дизельного топлива и природного газа. [Электронный ресурс]. URL: https://www.benzin-price.ru/stat_60days.php?region_id=77 (дата обращения: 13.02.2020).
8. Аникин В.И., Аникина О.В. Моделирование и визуализация информационной структуры алгоритмов в Microsoft Excel // Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах. 2014. № 1 (4). С. 21–28.
9. Демченко Е.Б. Оценка расхода топлива маневровыми тепловозами при расформировании составов на сортировочных горках // Транспортные системы и технологии перевозок. 2013. № 6. С. 39–46.
10. Антипов Ю.А., Шаталов И.К., Ельшин А.А. Анализ параметров одновальных, двухвальных и трехвальных газотурбинных установок при частичных нагрузках // Промышленная энергетика. 2013. № 9. С. 34–36.
11. Щуров Н.И., Гурова Е.Г., Макаров С.В., Стрельникова Д.М. Анализ режимов работы силовых установок маневровых тепловозов // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 3. [Электронный ресурс]. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=13504 (дата обращения: 13.02.2020).

Железнодорожное сообщение отличается высокой пропускной способностью, надёжностью и безопасностью и поэтому является одним из наиболее распространённых видов транспорта в России.

На промежуточных пунктах следования составов – железнодорожных станциях, перегонах производится неотъемлемая часть процесса транспортировки – маневровые работы, при которых осуществляется перемещение на небольшие расстояния. Маневровые работы производятся маневровыми (тяговыми) локомотивами, которые значительно отличаются от магистральных. Основная часть современных тяговых локомотивов – тепловозы с дизельными двигателями. Магистральные локомотивы используются для маневровых работ только в случае крайней необходимости, так как в таком режиме эксплуатации значительно снижается эффективность их работы.

Особенностями тяговых работ являются чередование страгиваний и торможений, частое изменение траектории движения состава. Поэтому основными требованиями к маневровым локомотивам являются высокие развиваемые тяговые усилия и значительный сцепной вес для обеспечения плавности страгивания и снижения нагрузок на вагоны. Самая большая мощность необходима маневрово-вывозным локомотивам, которые выполняют передачу составов на другие транспортные узлы [1].

При использовании дизельных локомотивов для маневровой работы существует ряд проблем [2; 3]:

– быстрый разряд аккумуляторов;

– при быстром переключении дизеля из режима холостого хода на тягу он работает нестабильно;

– длительный период работы на режимах, далёких от номинального – на холостом ходу и в форсированном режиме, из-за чего топливо сгорает не полностью, что снижает экономичность и повышает концентрацию вредных выбросов в продуктах сгорания;

– частые разгоны и торможения, короткие пробеги с длинными простоями между ними (при этом двигатель не выключается в течение всей смены из-за сложности запуска, особенно в зимних условиях).

Перечисленные недостатки дизельных локомотивов приводят к перерасходу топлива, завышенным выбросам вредных продуктов сгорания и к высокому уровню шума [4]. По этим критериям дизельный двигатель уступает газотурбинным установкам, которые отличаются следующими достоинствами [5]:

– на порядок более низкий удельный вес;

– возможность использования более дешёвого топлива – природного газа;

– выбросы вредных веществ ГТУ на природном газе в десятки раз ниже;

– малая трудоёмкость обслуживания;

– отсутствие множества вспомогательных систем, присущих дизелям.

Учитывая тот факт, что маневровые локомотивы всё чаще применяются вблизи жилой застройки, экологические показатели начинают играть большую роль, не менее важную, чем показатели экономические [6].

Так как экологичность ГТУ не вызывает сомнений, то целью данной работы является сравнительный технико-экономический анализ дизельных и газотурбинных силовых установок маневровых локомотивов.

Материалы и методы исследования

Для расчёта и сравнения показателей дизельных и газотурбинных силовых установок маневровых тепловозов вначале необходимо произвести анализ основных режимов их работы, так как от них зависит расход и стоимость топлива.

Особенностями расходования топлива при маневровой работе являются: длительное простаивание тепловозов, частая смена позиций контроллера машиниста (ПКМ), работа на низких позициях контроллера при режимах, далёких от оптимальных.

Маневрово-вывозные тепловозы должны обладать высокой мощностью для передвижения составов на другие станции и узлы, обеспечивать плавное торможение, быстрое реверсирование, высокую надёжность и экономичность. Выбор модели тепловоза осуществляется в результате детального анализа необходимых режимов работы и условий эксплуатации.

Для сравнительного анализа экономической эффективности дизельного и газотурбинного маневрового локомотива необходимо задаться стоимостью дизельного топлива и природного газа, которая равна соответственно 53 р./кг и 26 р./кг [7].

Расчёт расхода топлива производился с использованием электронных таблиц Microsoft Excel [8] по методике, представленной в [9].

Величина расхода топлива, кг, определялась по формуле

Е = gk T1 + gx T2,

где gk и gx – расход топлива при работе под нагрузкой и на холостом ходу, кг/с;

T1 и T2 – время работы под нагрузкой и на холостом ходу, с.

При этом необходимо учитывать, что на разных режимах работы расход топлива будет отличаться, поэтому необходимо суммировать произведение расхода топлива на время работы для каждого режима.

В табл. 1 приведены значения часового расхода топлива gk для локомотива ЧМЭ3 [9] в зависимости от позиции контроллера машиниста (ПКМ). Расход топлива в режимах выбега и торможения представляет собой постоянную величину, равную 0,15 кг/мин (9 кг/час).

В табл. 2 приведены результаты расчёта расхода топлива и стоимости эксплуатации дизельного локомотива за час с учётом процентной продолжительности каждого режима работы.

Таблица 1

Часовой расход топлива ЧМЭ3

Показатель

Показатель контроллера машиниста (ПКМ)

1

2

3

4

5

6

7

8

Расход топлива gk, кг/ч

31

63

96

110

120

160

174

180

 

Таблица 2

Результаты расчета стоимости эксплуатации дизельного локомотива

 

0 (х.х.)

1

2

3

4

5

6

7

Время, %

30,4 (39,8)

10,9

4,7

3,9

4,2

3,7

1,6

0,6

Расход, кг

 

3,38

2,96

3,74

4,62

4,44

2,56

1,04

 

zav1.tif

Рис. 1. Нагрузочная характеристика маневрового локомотива ЧМЭ3

Для сравнения с дизельным двигателем была выбрана одновальная газотурбинная установка такой же мощности, что и дизельный двигатель локомотива ЧМЭ3, оптимизированная с точки зрения КПД. Газотурбинная установка имеет центробежный двухкаскадных компрессор с номинальной степенью сжатия 10. Расчёт параметров цикла ГТУ произведен с помощью специально разработанной компьютерной программы.

Для анализа газотурбинной установки использована нагрузочная характеристика, приведённая на рис. 1 [9].

Результаты исследования и их обсуждение

По нагрузочной характеристике была определена мощность двигателя локомотива ЧМЭ3 на каждом ПКМ. Результаты определения эквивалентной мощности сведены в табл. 3 и отмечены на рис. 1 жирными точками.

Далее был найден необходимый для вышеуказанного распределения использования мощности часовой расход топлива (табл. 4).

Сравнительная гистограмма стоимости топлива для дизельного двигателя и газотурбинной установки для каждого положения контроллера машиниста представлена на рисунке 2. Стоимость дизельного топлива обозначена чёрным цветом, а стоимость природного газа для ГТУ – синим. Ширина каждого столбца гистограммы пропорциональна времени работы локомотива на каждом ПКМ.

Далее было произведено суммирование часовой стоимости топлива по всем ПКМ с учётом процентной продолжительности каждого режима работы.

Анализ экономической эффективности показал, что расход топлива у газотурбинного двигателя больше, чем у дизельного (54,75/26,1 кг/ч), однако, из-за более низкой стоимости топлива – природного газа, расходы на топливо для газотурбинной установки всего на 3,9 % выше, чем у дизельного двигателя (1423 р./ 1369 р.).

При расчете эффективности установки была использована одновальная модель ГТД. Для дальнейшего развития темы исследования использования ГТД на маневровых локомотивах целесообразно рассмотреть более совершенные конструкции, с двух- и трехвальной компоновкой, имеющие более высокие показатели экономической эффективности [10]. ГТД со свободной силовой турбиной, кроме высокой экономичности, также имеют преимущества в виде высокого крутящего момента при переходных режимах.

Возможно также рассмотрение применения регенератора тепла уходящих газов для повышения КПД установки в маневровых локомотивах, однако при этом следует иметь в виду, что в локомотивах имеются жёсткие ограничения по габаритам установки.

Таблица 3

Эквивалентная мощность относительно ПКМ

ПКМ

1

2

3

4

5

6

7

8

Мощность, кВт

225

300

450

500

550

725

800

825

 

Таблица 4

Результаты расчета стоимости топлива для ГТД

ПКМ

0 (х.х.)

1

2

3

4

5

6

7

8

Время, %

30,4 (39,8)

10,9

4,7

3,9

4,2

3,7

1,6

0,6

0,2

Удельный расход, кг/ч

 

95,76

144,0

223,2

266,4

302,4

403,2

457,2

475,2

Расход за час работы ГТД, кг

 

10,44

6,77

8,7

11,19

11,2

6,45

0,6

0,2

Итого, кг

54,75

Цена, р./кг

26

Стоимость, р.

1423

 

zav2.tif

Рис. 2. Гистограмма стоимости 1 часа работы локомотива для каждого положения контроллера машиниста

Заключение

В рамках описанной работы выполнен анализ достоинств и недостатков использования дизельных маневровых локомотивов, выявлены проблемы, связанные с эксплуатацией дизельных установок: их низкая удельная мощность, высокая концентрация вредных выбросов в продуктах сгорания, шумовое загрязнение.

С учётом проведённого анализа можно сделать вывод, что ГТД имеют ряд эксплуатационных преимуществ, к которым относятся быстрый запуск, низкая трудоемкость обслуживания, малые выбросы загрязняющих веществ и др.

Рассмотрены экономические перспективы замены дизельных установок на газотурбинные, для чего разработана методика технико-экономического обоснования и с помощью электронных таблиц Microsoft Excel произведён сравнительный анализ экономической эффективности работы дизельного двигателя и ГТД, специально спроектированного для использования на локомотиве ЧМЭ3. В методике учтена структура процентной продолжительности работы локомотива при каждом положении контроллера машиниста.

В результате исследования установлено, что применение газотурбинных установок на маневровых локомотивах оправдано не только с эксплуатационной, но и с экономической точки зрения, особенно если применить более сложные и эффективные ГТД, чем рассмотренная в данной работе. Однако, к сожалению, сложившаяся ситуация на рынке транспорта несколько снижает динамику введения рассмотренных инноваций [11].


Библиографическая ссылка

Завальный Ф.Г., Ильичев В.Ю., Шевелев Д.В. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА МАНЕВРОВЫХ ЛОКОМОТИВАХ // Научное обозрение. Технические науки. – 2020. – № 2. – С. 10-14;
URL: https://science-engineering.ru/ru/article/view?id=1280 (дата обращения: 18.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074