Экономические выгоды использования газотепловозной тяги
Применение природного газа в качестве моторного топлива имеет для ОАО "РЖД" весьма актуальное значение. Затраты на дизельное топливо для тепловозов составляют около 20% общих эксплуатационных расходов в локомотивном хозяйстве компании. В условиях жёсткого тарифного регулирования ОАО "РЖД" вынуждены искать пути снижения себестоимости перевозок с целью повышения конкурентоспособности на рынке транспортных услуг. Применение природного газа в качестве моторного топлива при определённых условиях может дать значительную экономию средств направляемых на энергоносители.
Это преследует несколько целей: экономию средств на приобретение топлива, поскольку цена эквивалентного количества газа значительно (до 50 %) ниже, чем дизельного топлива; снижение вредных выбросов в атмосферу с выпускными газами дизелей, так как при работе на природном газе их токсичность значительно ниже, чем при работе на дизельном топливе, а дымность (сажа) меньше на порядок; обеспечение устойчивого топливоснабжения тепловозов в перспективе с учетом динамики изменения добычи нефти и газа, их сравнительных запасов и прогнозов истощения месторождений.
Актуальность этой проблемы определена правительственными документами: федеральной целевой программой «Топливо и энергия» и Концепцией энергетической политики России в новых экономических условиях [1].
Расчёты показывают, что суммарное замещение дизельного топлива природным газом на железнодорожном транспорте может составить около 1 млн. т/год, а потребность в природном газе - 1,2 млрд. м3/год.
|
|
|
Недостатки дизелей
За последние 20 лет промышленностью достигнуто значительное улучшение технико-экономических показателей дизельных силовых установок.
Так, у современных дизелей максимальное давление сгорания достигает 18,0...25,0 МПа, что позволяет реализовать индикаторный КПД на уровне 0,55. Это соответствует удельному индикаторному расходу топлива 154 г/(кВт·ч). С учетом максимально возможного механического КПД дизеля 0,9 минимальный удельный расход топлива составляет 170 г/(кВт-ч). Кроме механических потерь, существуют затраты энергии на охлаждение (4...6 %). Реально на локомотивах может быть реализован максимальный эффективный КПД ηе=0,47(179г/(кВт·ч)).
Дальнейшее увеличение параметров цикла нецелесообразно из-за значительных потерь, связанных со свойствами реальных газов и ростом влияния вредного пространства камеры сгорания на показатели работы двигателя. Кроме того, возрастают трудности смесеобразования и токсичность выпускных газов. На фоне возрастающих требований к снижению токсичности выпуска, последнее обстоятельство является достаточно существенным. Появляется необходимость снижения экономичности и установки систем очистки выпуска с подогревом выпускных газов на режимах частичных нагрузок. Это приведет к потере экономичности двигателя еще на 2...3 %. Таким образом, можно считать, что в перспективе экономичность дизельных двигателей не будет лучше 175 г/(кВт·ч). Удельный вес дизелей может снизиться в 1,5...2 раза за счет увеличения быстроходности, однако всегда останется необходимость смены форсунок и поршневых колец. Затраты на обслуживание и ремонт дизелей составляют более 50 % всех затрат на обслуживание и ремонт тепловозов. Затраты связаны не только с приобретением запасных частей, но и с тяжелым физическим трудом, не поддающимся механизации и автоматизации.
|
|
|
Преимущества газотурбинных двигателей
Названные недостатки дизелей заставляли конструкторов и ученых искать альтернативные варианты силовых установок для автономного подвижного состава.
Анализ показывает, что в настоящее время наиболее готовыми к применению на железнодорожном транспорте являются газотурбинные двигатели четвертого поколения, специально переработанные для нужд наземного транспорта. Не случайно в США в 2000 г. был выпущен на испытания пассажирский локомотив с газотурбинным двигателем.
|
|
|
Привлекают низкие весовые и габаритные показатели ГТД, конвертируемость на природный газ, пропанобутановые смеси и жидкие топлива, получаемые из природного газа, высокая экологическая эффективность (выбросы вредных веществ при работе ГТУ в 15-20 раз ниже, чем при работе дизелей), малая трудоемкость текущего обслуживания, отсутствие ряда вспомогательных систем, присущих дизельным установкам, возможность повышения эффективного К.П.Д. до 50% и более при применении регенерации тепла, возможность использования твердых топлив при переводе на цикл с внешним подводом тепла и др.
Конечно, сдерживающим фактором является высокая цена таких двигателей. Однако по нашим расчетам стоимость жизненного цикла локомотива с ГТУ при применении природного газа или пропанобутановых смесей в 1,5-2,0 раза ниже: чем стоимость жизненного цикла тепловоза, работающего на дизельном топливе. При расчетах не учитывался дополнительный эффект, связанный со снижением выбросов вредных веществ и платой за нарушение экологических требований [22].
Достигнутый в настоящее время КПД тепловоза не превышает 32 % (обычно 27 — 30 %) и ограничивается, главным образом, величиной КПД первичного двигателя, т.е. дизеля. Возможности его совершенствования в настоящее время исчерпаны. Об этом свидетельствует тенденция изменения характеристик дизелей: за последние 30 лет среднеэксплуатационный КПД увеличился менее чем на 3 %.
|
|
|
Дизель (а также газодизель) — это тепловой двигатель, и его КПД ограничен величиной КПД цикла Карно. Поэтому повышения КПД увеличением максимальной рабочей температуры цикла добиться не удается, так как начинается термическая диссоциация молекул. Кроме того, снижается прочность деталей и их ресурс, что также накладывает ограничение. Температура выхлопных газов определяется степенью последующего расширения, которая, в свою очередь, ограничена габаритами дизеля и рядом других параметров, не позволяющих эту температуру существенно понизить.
Таким образом, единственная возможность значительно улучшить характеристики тепловоза - это отказ от теплового двигателя в пользу химических источников тока - топливных элементов (ТЭ), непосредственных преобразователей химической энергии топлива в электрическую. В сущности, ТЭ отличаются от обычных гальванических элементов лишь непрерывным подводом веществ, вступающих в токообразующую реакцию, и таким же непрерывным их отводом.
Следует отметить, что топливные элементы не являются тепловым двигателем, и их КПД не ограничен циклом Карно, т.е. он теоретически может достигать 100 % (практически достигнутые значения — 60 - 80%). Более того, специфика токообразующих реакций такова, что электрическая работа может быть больше теплового эффекта реакции.
Построены и испытываются опытные образцы новой техники. Известны проекты применения ТЭ на городском транспорте. Существуют разработки стационарных теплоэлектростанций, в которых использование твердого топлива обеспечивается путем его газификации в газогенераторах, совмещенных с высокотемпературными ТЭ. Этот же путь (предварительная газификация) может быть использован и на передвижных энергетических установках [3].
Таким образом, перспективой на ближайшие 5-10 лет могут стать газотепловозы, а повсеместный переход на газотурбинную тягу в мире произойдет в 20-30-е годы, которую потом заменят тепловозы на ТЭ.
Газотурбовозы
Газотурбинный двигатель
Газотурбинный двигатель – тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Рабочий процесс газотурбинного двигателя может осуществляться с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объеме [4].
По своему предназначению газотурбинный двигатель (ГТД) — машина транспортная, поэтому при выборе типа силовой установки для первых типов локомотивов ему было уделено достаточно много внимания. Начало использования газотурбинных двигателей на железнодорожном транспорте практически совпало с внедрением их в самолетостроении. Если высокая удельная мощность такого типа двигателей обеспечивала им преимущество перед поршневыми в авиации, то в локомотивостроении они в то время не могли конкурировать с высокоэкономичными тепловозными дизелями.
В последние годы тепловая экономичность газотурбинных двигателей значительно повысилась и уже вплотную приблизились к поршневым. Поэтому, естественно, снова возрастает интерес к использованию газотурбинной тяги на железнодорожном транспорте.
Впервые в мире локомотив с ГТД (газотурбовоз) № 1101 мощностью 1618 кВт (2200 л.с.) был построен в 1941 г. в Швейцарии фирмой «Браун-Бовери» для Швейцарских федеральных железных дорог. Газотурбинный двигатель (рис. 2) представлял собой одновальную силовую установку с регенерацией тепла уходящих газов, смонтированный на одной раме с редуктором и генератором постоянного тока. Рама также служила резервуаром для топлива и масла. Технические характеристики первых газотурбовозов и их газотурбинных двигателей (табл. 1).
Рис.2. Газотурбинный двигатель газотурбовоза №1101
Таблица 1
Основные технические данные газотурбовозов, которые были построены первыми в различных странах
 Наименование параметов
| СССР | Швейцария | ЧССР | Англия | США | |||||||
|
| Коломенский тепловозостроительный завод | Фирма «Браун-Бовери» | «Заводы имени Ленина» («Шкода») | Фирма «Метрополи-тен-Виккерс» | Фирма «General Electric» | |||||||
| Г1 | Г | 110 | 180 | ТЛ65900 | 18100 | 4500 | 8500 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |||||||
| Год выпуска | 1959 | 1964 | 1941 | 1949 | 1958 — 1960 | 1952 | 1948— 1954 | 1358—1961 | ||||
| Осевая формула | Зо-Зо | Зо-Зо | 1+ 10+20+10+1 | 1+ 10+20+10+1 | 3+3 | Зо-Зо | 2о+20-20+20 | 2(30-30) | ||||
| Род службы | Грузовой | Пассажирский | Грузопассажирский | Пассажирский | Грузовой
| |||||||
| Число секций | 2 | 1 | 2 | |||||||||
| Общая масса, т | 140 | 129 | 92,1 | 118 | 123 | 132 | 235 | 408 | ||||
| Запас топлива тяжелого (легкого) кг | 9500 (1500) | 11000 (850) | 4200 (1500) | 6580 (1000} | 3420 (162) | 6600 (4060) | 2450 (3400) | 8600 (8500) | ||||
| Нагрузка от оси на рельсы, тс | 23,3 | 21,5 | 16,1 | 20,1 | 20,5 | 21,9 | 29,5 | 31,2 | ||||
| Конструкционная скорость, км/ч | 100 | 160 | 113 | 145 | 85/125 | 145 | 105 | |||||
| Передача мощности на колеса | Электрическая постоянного тока | Механическая, две ступени скорости | Электрическая постоянного тока | |||||||||
| Газотурбинный двигатель, тип | Одновальный | Одновальный с регенератором | Двухвальный с регенератором | Одновальный | ||||||||
| Мощность, кВт/л.с. | 2574/3500 | 1618/2200 | 1838/2500 | 2265/3080 | 2206/3000 | 3309/4500 | 6250/8500 | |||||
| Число оборотов в минуту | 8500 | 5200 | 5800 | 5550 | 7000 | 6900 | 4860 | |||||
| Удельный расход топлива, г/кВт-ч | 327 | 376 | 380 | — | 328 | 380 | _ | |||||
| Компрессор, тип | Осевой | |||||||||||
| Число ступеней | 12 | 21 | 29 - | 17 | 15 | 16 | ||||||
| Расход воздуха, кг/с | 26 | 28,1 | 28 | 29,7 | 22,6 | 41 | 72 | |||||
| Камера сгорания, тип | Прямоточная,секционная | Прямоточная | Прямоточная ,секционная | |||||||||
| Число камер сгорания | 6 | 1 | 6 | 10 | ||||||||
| Ступеней турбины | 4 |
| 2/1 | 5 | 2 | |||||||
| Температура газов перед турбиной, "С | 727 |
| 650 | 700 | 790 | |||||||
| Количество построенных локомотивов | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 25 | 30 | |||||
Современные газотурбовозы
В настоящее время компания-оператор «Amtrak» в рамках реализуемой программы повышения скоростей движения пассажирских поездов осуществляет модернизацию принадлежащих ей семи пятивагонных турбопоездов «RTL-Turboliner». Первый был в опытном порядке модернизирован с установкой на моторных вагонах ГТД типа «Turbomeca TM-1600» компании «Makila Turbines». Усовершенствована также система управления силовым агрегатом, применена новая система подачи топлива, а также изменена компоновка оборудования пассажирских салонов. Эксплуатация этого турбопоезда в течение семи лет на маршруте Нью-Йорк — Олбани дала хорошие результаты.
Однако при последующей модернизации, выполнявшейся заводом компании «Super Steei» в Скенектади (США), устанавливались новые турбины типа «Turbomeca» мощностью 1000 кВт, тяговые гидропередачи компании «Voith»и микропроцессорные системыу правления.
Первый модернизированный турбопоезд по данному проекту ввели в эксплуатацию на том же маршруте в апреле 2003 г. Вместе с тем, специалисты считают, что в дальнейшем целесообразно повысить мощность ГТД турбопоездов до 2940 кВт (использовать две установки) и применить электрическую передачу переменного тока, способную передавать мощность всем колесным парам моторных вагонов. Это позволит не только повысить на 15 — 20 % ускорение поезда, но и включить в поезд дополнительный вагон, увеличив тем самым число сидячих мест.
В настоящее время за рубежом принимают различные меры, чтобы повысить скорости пассажирского движения, поэтому значительно возрос интерес к использованию на железнодорожном транспорте. При увеличении скоростей движения поездов до 200 — 250 км/ч значительно изменяются требования к подвижному составу, особенно когда они осваиваются на существующем верхнем строении пути. В числе решающих факторов оказываются масса и габариты энергетического оборудования.
На международной выставке «Railtex-2000» в Бирмингеме компания «Bombardier Transportation» представила макет газотурбопоезда «Jetrain» с конструкционной скоростью 250 км/ч, двигатель которого должен работать на дизельном топливе. Основой концепции тягового подвижного состава (рис.3) стали конструктивные решения, принимаемые компанией «Aistom» при проектировании моторных вагонов скоростного электропоезда.
Рис. 3. Турбопоезд “Jertain” (США)
В качестве силовой установки применен ГТД компании «Pratt & Whitney» мощностью 3750 кВт с частотой вращения 16000 об/мин, который приводит через редуктор два главных тяговых генератора переменного тока мощностью 1750 кВт. Однако специалисты американских железных дорог и компании «Bombardier» намерены рассмотреть возможность установки на нем одного генератора компании «Allied Signal», имеющего более высокую частоту вращения.
На газотурбовозе «Jetrain» применены четыре асинхронных тяговых двигателя мощностью по 825 кВт с опорно-рамной подвеской тяговых редукторов. Электродвигатели получают питание от инверторов ONIX компании «Aistom» с водяным охлаждением. Мощность для вспомогательных потребителей порядка 500 кВт отбирается от одного из тяговых генераторов. Длительная касательная мощность составляет 3140 кВт, сила тяги при трогании — 220 кН.
В октябре 2002 г. состоялась презентация локомотива. Специалистами было отмечено, что в сравнении с последними моделями тепловозов США новый газотурбовоз имеет более высокую скорость, меньшую на 20 % массу тары. Он обладает в два раза большим ускорением, выделяет на 30 % меньше вредных выбросов.
Недавно специалистами ВНИКТИ подготовлен проект магистрального газотурбовоза ГТ1. В качестве топлива для него предусматривается использовать сжиженный природный газ, а в перспективе — водород [7].
Модель газотурбовоза из двух секций – тяговой и бустерной с кабинами управления. Мощность газотурбинного двигателя 8300-10500 кВт
Альтернативные виды топлива
Один из путей повышения эффективности работы газотурбинных двигателей на железнодорожном транспорте — применение альтернативных топлив. Газотурбинные двигатели идеально подходят для использования в качестве топлива сжиженного или сжатого природного газа, а также метанола. При этом не требуются какие-либо переделки. В то время как для сжигания природного газа в цилиндрах дизеля необходимо добавлять определенное количество дизельного топлива (до 15 %), чтобы смесь могла воспламениться. Но тогда увеличивается выделение вредных выхлопов, усложняется топливная система дизеля.
В США провели исследования по расходу топлива турбопоездами на скоростной линии протяженностью 370 км. Они показали, что при эксплуатации ГТД на сжиженном природном газе затраты его за поездку составляют 0,61 от стоимости расходов в случае работы на дизельном топливе. Пробег на последнем составляет 0,9 при одинаковой емкости топливного бака.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 939; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!