science-review.ru
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 |
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 |
||||||||
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: 24.11.2024).