Информационный портал
13.9. Способы уменьшения расхода электрической энергии и топлива
Общие положения. Железнодорожный транспорт — крупный потребитель электрической энергии и топлива. Поэтому их экономному расходованию уделяется большое внимание.
Основные пути экономии электроэнергии на тягу поездов можно найти из анализа составляющих расхода электрической энергии
(см. раздел 13.4). Аналогичный анализ, проведенный для тепловозов, позволяет выявить пути снижения расхода топлива.
Чтобы уменьшить расход электроэнергии и топлива, необходимо снизить основное сопротивление движению, как указано в главе 6. Расход топливно-энергетических ресурсов при увеличении скорости движения возрастает в большей степени, чем скорость. Потому при одной и той же средней скорости движения расход электроэнергии или топлива меньше в том случае, когда фактическая скорость близка к средней.
В случае нагона опоздания расход топливно-энергетических ресурсов возрастает. Он также возрастает с увеличением средних скоростей движения. Однако следует учитывать, что при этом достигается дополнительный эффект от ускорения доставки пассажиров и грузов, от ускорения оборота подвижного состава железных дорог и т. п. Поэтому дальнейшее повышение скоростей движения является важной задачей.
Большое значение для снижения расхода топливо — энергетических ресурсов имеет техническое содержание подвижного состава. Повышенные износы в ходовых частях приводят к ухудшению плавности движения локомотивов и вагонов, появлению повышенных колебаний их частей и более высокому расходу электроэнергии или топлива.
Чтобы уменьшить время хода по перегону, необходимо при движении по спуску развивать наибольшую допустимую скорость для последующего прохода подъема за счет накопленной кинетической энергии. Правильное использование кинетической энергии поезда позволяет значительно снизить расход электрической энергии или топлива. В этом случае большое значение имеют навыки машинистов по рациональному вождению поездов на участке и контроль за расходованием каждой бригадой электроэнергии и топлива.
Перевозка грузов в неполновесных составах или в не полностью загруженных вагонах увеличивает удельное сопротивление движению, а следовательно, перерасход электроэнергии или топлива на тягу поездов. С увеличением массы поезда и загрузки вагонов снижается расход электрической энергии и топлива на единицу перевезенного груза. Однако масса состава не должна превышать критической нормы, так как при этом увеличится боксование колесных пар локомотива или будут перегреваться обмотки тяговых электрических машин.
Расход электрической энергии или топлива при движении поезда по уклонам и кривым зависит от их крутизны и протяженности, радиуса и длины кривой, режима ведения поезда, а на электроподвижном составе — и степени использования рекуперативного торможения на вредных спусках. Расход топливно-энергетических ресурсов возрастает с увеличением крутизны подъема и времени движения поезда по нему, а на кривых участках пути увеличивается с уменьшением радиуса кривой. Следовательно, на участках, имеющих большое число кривых малого радиуса, электроэнергии или топлива при прочих равных условиях будет израсходовано больше.
Часть запасенной кинетической или потенциальной энергии поезда теряется в тормозах при торможении. Ее количество зависит от квадрата начальной скорости торможения, массы поезда и числа остановок или снижений скорости с применением тормозов, а при следовании по спуску — от его крутизны и протяженности. Для уменьшения расхода электрической энергии или топлива на покрытие потерь в тормозах необходимо уменьшить число остановок и мест ограничения скорости движения поездов.
Особенно велики потери из-за остановок поездов перед закрытыми сигналами или из-за порч подвижного состава. Так, остановка одного поезда массой 4000 т перед закрытым сигналом на прямолинейном горизонтальном пути со скорости 60 км/ч и последующий разгон до этой, же скорости вызывают лишний расход энергии электровозом ВЛ80С в 190 кВт-ч (по сравнению с движением на этом участке с постоянной скоростью 60 км/ч). Одна такая остановка при интенсивном движении поездов выбивает из графика до 10. 15 поездов. При этом перерасходуется до 1,5 т топлива или 2,5 тыс. кВт-ч электроэнергии. Поэтому четкая организация движения поездов и отличное содержание подвижного состава обеспечивают экономичную работу локомотивов.
При трогании и разгоне поезда локомотив работает с пониженным КПД. Поэтому время разгона необходимо снижать за счет использования возможно больших сил тяги и ускорений. Повышение ускорения при сохранении одинакового перегонного времени дает возможность дольше следовать на выбеге и начать торможение при меньшей скорости движения. Для снижения расхода электроэнергии и топлива необходимо, чтобы локомотив работал в зоне высоких значений КПД.
В некоторой степени топливно-энергетические ресурсы можно сэкономить за счет снижения их расхода на собственные нужды локомотивов и на работу вспомогательных механизмов и машин. Например, уменьшение утечек воздуха на локомотиве и особенно в составе приведет к меньшему времени работы компрессора, а следовательно, к снижению затрат энергии или топлива. Рассмотрим некоторые резервы снижения расхода электроэнергии и топлива на электроподвижном составе и тепловозах.
На электроподвижном составе очень большую экономию электрической энергии наряду с повышением безопасности движения дает использование рекуперативного торможения. За счет рекуперации ежегодно в контактную сеть возвращается около 3 % от потребляемой электроэнергии. Дальнейшее расширение сети электрифицированных железных дорог, на которых применяется рекуперативное торможение, позволит повысить экономичность использования электрической энергии.
При разгоне электроподвижного состава постоянного тока часть потребляемой энергии теряется в пусковом реостате. Потери энергии зависят от пускового тока, времени разгона, числа остановок и участков, где необходимо снижать скорость с последующим разгоном, а также от коэффициента пусковых потерь электроподвижного состава. Эти потери энергии при торможении и пуске особенно велики на пригородных электропоездах из-за частых остановок и коротких перегонов. Потери энергии при торможении пригородного электропоезда достигают 50 %, при пуске — 10. 15 % общего расхода электроэнергии. Эти потери возрастают с увеличением скоростей движения и сокращением расстояний между остановочными пунктами.
Потери при пуске уменьшают за счет выхода на безреостатную характеристику при меньшей скорости. Это возможно при разгоне с большими токами. При разгоне с током /д1 (рис. 13.11) реостат будет выведен при скорости Pj. Если же разгон будет происходить с током /д2 , реостат будет выведен при меньшей скорости V2 . Кроме того, повышение ускорения дает возможность быстрее разогнаться, увеличить время следования на выбеге и начать торможение при меньшей скорости движения (ит2 вместо ит1 на рис. 13.12). Вследствие этого снижаются потери в тормозах, пропорциональные квадрату скорости начала торможения (площади, ограниченные кривыми V(t) и осью абсцисс, одинаковы, что соответствует одинаковой длине перегона).
Расход электроэнергии, пропорциональный площади, ограниченный кривой I3(t) и осью абсцисс, при меньшем ускорении становится больше, чем при более интенсивном ускорении, и площадь фигуры больше площади фигуры 0а2^2с2^2е2^2- Необходимо отметить, что повышение ускорения дает наибольший эффект при малых ускорениях электропоезда — 0,2. 0,5 м/с2; при ускорениях же 0,7. 1 м/с2 эффект на перегонах длиной 1,5. 2 км значительно меньше. Экономия электроэнергии за счет повышения ускорения движения возрастает при уменьшении длины перегона. При редких остановках-, характерных для электровозной тяги, снижение расхода электроэнергии за счет больших ускорений при пуске в общем расходе электроэнергии незначительно.
Электроэнергия на пригородном электропоезде с автоматическим пуском экономится при правильной регулировке реле ускорения. Использовать кнопку пониженного ускорения следует только в случае
Крайней необходимости, обычно после ухудшения условий сцепления. На электровозах машинист может изменять пусковой ток и, следовательно, влиять на значение потерь электроэнергии.
В большинстве случаев при трогании грузовых поездов потери электроэнергии уменьшаются с повышением ускорения. И только в случае трогания легковесного состава на легком профиле расход электроэнергии теоретически снижается при уменьшении ускорения. Однако для сокращения перегонных времен хода и повышения пропускной способности участков поезда на электровозной тяге обычно разгоняют с наибольшими ускорениями.
Интенсивность замедления поезда при торможении также влияет на расход электроэнергии. На рис.
13.13 показаны кривые V(t) и I3(t) При равных временах хода по одному и тому же перегону, но с различным замедлением при торможении.
За счет большего замедления при торможении (кривая t>j) снижается скорость начала торможения, увеличивается время движения на выбеге и уменьшается время хода под током.
Экономия электрической энергии при этом соответствует площади фигуры Abed.
Ослабление возбуждения после выхода на характеристики полного или нормального возбуждения также снижает расход электроэнергии за счет более интенсивного увеличения скорости (кривая V2 на рис. 13.14) и снижения скорости начала торможения V. Ток при движении на позиции ослабленного возбуждения больше, чем при полном возбуждении, но время езды под током значительно меньше.
Потери в пусковом реостате электроподвижного состава постоянного тока можно уменьшить, применяя ослабление возбуждения тяговых электродвигателей на промежуточных ходовых позициях (на С и СП). Дело в том, что разгон в зоне характеристик ослабленного возбуждения происходит при выключенном реостате.
Потери энергии при ее преобразовании на электроподвижном составе — в тяговых электродвигателях, преобразователях, вспомогательных машинах, зубчатой передаче и резисторах — также влияют на расход энергии.
Экономичность работы электродвигателей определяется КПД, который имеет большее значение в зоне номинальных нагрузок. Поэтому желательно, чтобы электродвигатели работали в зоне таких нагрузок. Потери электроэнергии можно снизить за счет режима ослабленного возбуждения, при котором в широкой зоне больших нагрузок КПД имеет более высокое значение, чем при полном возбуждении. КПД уменьшается при понижении напряжения на электродвигателях.
Расход электроэнергии на собственные нужды электроподвижного состава можно снизить, используя низкую скорость вентиляторов на электровозах постоянного тока. Однако это допустимо только в тех случаях, когда нагрузки тяговых электродвигателей невелики, и исключается их перегрев.
Работа двигателей компрессоров будет экономичной, если утечки сжатого воздуха, прежде всего, в тормозной магистрали будут минимальными.
Значительное количество электроэнергии в зимнее время расходуется на отопление вагонов электропоездов, и для ее экономии необходимо использовать и правильно регулировать терморегуляторы.
Опыт лучших машинистов по экономичному вождению поездов показывает, что при правильном управлении электровозом можно добиваться значительного снижения расхода энергии. Для распространения такого опыта на каждом участке составляют режимные карты, в которых рекомендованы рациональные режимы вождения поездов на протяжении всего участка. Использование режимных карт, правильная их корректировка в случаях отклонения условий движения данного поезда от обычных условий способствуют снижению энергии на тягу поездов.
На тепловозах расход топлива определяется выполненной механической работой по преодолению сил сопротивления движению поезда и экономичностью работы дизеля, которая оказывает наибольшее влияние на КПД тепловоза. На рис. 13.15 для примера показана зависимость КПД тепловоза ТЭ10 от скорости. Из него видно, что при разгоне поезда КПД имеет низкие значения, а в зоне ходовых скоростей — значительно выше. В зоне высоких скоростей наблюдается некоторое снижение КПД. Кроме того, экономичность работы тепловоза зависит от положения рукоятки контроллера. Из рис. 13.15 видно: наиболее экономичными являются положения 7. 11 рукоятки, когда тепловоз ТЭ10 работает при наибольшем КПД.
Работа дизеля на локомотиве имеет свою специфику, связанную с большим временем работы на холостом ходу и частичных нагрузках. На отдельных дорогах тепловозы в номинальном режиме задействованы только 20. 30 % времени, в режиме холостого хода — 25. 30 %. Остальное время они работают с частичной мощностью. В среднем тепловозы работают при мощности, составляющей 40. 60 % от номинальной. Средний эксплуатационный КПД локомотива с учетом холостого хода и частичной нагрузки оказывается значительно меньшим, чем указано на рис. 13.15, и составляет в среднем 20. 21 %. Своевременная установка рукоятки контроллера машиниста в соответствующее положение при изменяющихся режимах позволяет опытному машинисту находить наиболее экономичные режимы работы тепловоза и обеспечивать меньший расход топлива.
Иногда для некоторого повышения экономичности двухсекционного тепловоза на сравнительно легких участках пути выключают одну секцию. При этом дизель и тяговые электродвигатели другой секции работают в зоне более высокого КПД. Такой режим можно рекомендовать только после проверки его эффективности с учетом работы дизеля, аккумуляторной батареи и тяговых машин. В зимнее время эффективность выключения одной секции снижается, так как остановленный дизель приходится часто запускать, чтобы не допустить чрезмерного понижения температуры воды и масла, а также для предотвращения попадания снега и пыли в тяговые электродвигатели неработающей секции.
Для экономии топлива на тягу поездов нужно умело использовать кинетическую энергию движущегося поезда, зависящую от массы поезда и квадрата скорости движения. Так, при движении по спуску необходимо тормозами поезда управлять с таким расчетом, чтобы к концу его достигалась наибольшая допустимая скорость движения. Накопленный запас энергии в дальнейшем будет использован для следования поезда по горизонтальному пути или подъему с меньшими затратами топлива. Если же машинист нерасчетливо применит тормоза, и к концу спуска поезд подойдет с меньшей скоростью, то в тормозах будет потеряно больше энергии, и для дальнейшего движения придется затратить больше топлива.
Наиболее экономичным является движение поезда с минимальным использованием тормозов. Каждая остановка грузового поезда с составом массой 3000 т увеличивает расход топлива примерно на 30 кг (на трогание с места и разгон). Кроме того, топливо расходуется на холостой ход дизеля во время остановок. При простое неработающего тепловоза в течение 1 ч расходуется около 40 кг дизельного топлива. Каждое ограничение скорости движения вызывает дополнительный расход топлива. Так, при снижении скорости с 50 до 20 км/ч перерасход топлива составит до 20 кг. Нагон опоздания также приводит к повышенному расходу топлива. Одна минута опоздания пассажирского поезда при нагоне увеличивает его на 15 кг.
Большое влияние на расход топлива оказывают теплотехническое и техническое состояния тепловоза. Необходимо, чтобы были правильно отрегулированы мощность дизель-генераторной установки, частота вращения вала, угол опережения впрыска топлива, равномерность подачи топлива по цилиндрам. При занижении мощности ухудшается экономичность работы дизелей 1 ОД 100, 2Д100 на режимах малых и средних нагрузок. Кроме того, тепловоз может не обеспечить выдерживание заданных скоростей.
Изменение мощности за счет увеличения частоты вращения вала дизеля приводит к увеличению расхода топлива и ускорению износа деталей дизеля. Недопустима также меньшая частота вращения вала при реализации номинальной мощности, так как экономичность дизеля снижается, а сам дизель работает в более напряженных условиях. Отклонение угла опережения от оптимального, неодинаковое количество впрыскиваемого топлива по отдельным цилиндрам дизеля резко снижают экономичность его работы, а кроме того, приводят к неравномерной загрузке цилиндров и повышенным износам поршневой группы и шатунно-кривошипного механизма перегруженных цилиндров.
Неудовлетворительное техническое состояние дизеля и его вспомогательного оборудования также снижает экономичность работы тепловоза. Заниженное наполнение цилиндров воздухом, например, из-за загрязнения воздушных фильтров или при чрезмерном износе поршневых колец, приводит к неполному сгоранию топлива, снижая экономичность работы дизеля. При этом дизель дымит, образуется нагар, загрязняется система смазки и выпускная система, что требует преждевременной очистки от нагара выпускных окон цилиндров, коллекторов и глушителей.
Таким образом, экономного расходования топлива можно достичь только отличным содержанием тепловоза и умением машиниста выбирать наивыгоднейшие режимы движения поезда. С этой целью в депо проводится техническая учеба машинистов, разрабатывают режимные карты и памятки. Правильное сочетание рекомендаций, указанных в режимных картах, с конкретными условиями и особенностями движения каждого поезда позволяет уменьшить расход топлива.
ОПТИМИЗАЦИЯ ВЕСА И СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ГРУЗОВЫХ ПОЕЗДОВ
При совершенствовании технологии перевозочного процесса с учетом существующего технического оснащения, в том числе длины станционных приемо-отправочных путей и типа локомотивов, целесообразно определять оптимальный вес поездов, обеспечивающий максимальную провозную способность участка:
где пгр — наличная пропускная способность участка, поездов в сутки; (0с б р — средний вес брутто поезда, т; ф — соотношение веса поезда нетто и брутто (в современных условиях ф = 0,76).
Как следует из приведенной формулы, провозную способность участка определяют максимальная интенсивность потока поездов и их средний вес. В свою очередь, обе эти переменные являются функциями многих влияющих на них аргументов (профиля пути, длины станционных приемо-отправочных путей, мощности локомотивов, ходовой скорости грузовых поездов).
Профиль пути — неизменный параметр существующих линий. При проектировании новых участков выбирают расчетные уклоны, причем этот выбор не всегда учитывает условия последующей эксплуатации участка в течение очень длительного времени. Экономия капитальных вложений при строительстве линий за счет более крутых уклонов приводит к значительно большим эксплуатационным затратам в перевозочной работе. Влияние расчетного подъема на среднеходовую скорость движения поезда и его вес для электровоза ВЛ10 приведено на рис. 1.5 (расчетный подъем 4%о соответствует I, 6,5%с — II, 9%о — III и 1 \%о — IVтипу профиля пути по классификации ВНИИЖТ).
Зависимость профиля пути от весовой нормы поездов (см. рис. 1.6) соответствует среднеходовой скорости движения поезда 60 км/ч. Профиль пути, как правило, не подлежит последующему изменению, поэтому при его проектировании необходимо учитывать, что крутые уклоны — это дополнительные размеры движения и расход топливно-энергетических ресурсов, замедление движения потоков поездов и грузов, увеличение себестоимости железнодорожных перевозок.
Проблема оптимизации длины станционных приемо-отправочных путей решается при проектировании новых линий и в расчетах по освоению объемов перевозок в перспективе. В расчетах на текущие условия длина станционных приемо-отправочных путей принимается неизменной.
Выбор параметров перспективных локомотивов зависит от коэффициента их надежности, расчетного веса поездов и ходовых скоростей грузового движения. При сезонных изменениях структуры и размеров грузопотоков и среднего веса поездов на многих направлениях целесообразно оптимизировать участки обращения различных типов локомотивов. Но сложность их передислокации и приспособленность депо к обслуживанию определенных типов локомотивов в настоящее время не позволяет реализовать это мероприятие. Поэтому в расчетах на текущие условия для каждого участка принимают определенный тип локомотива. В результате для каждого конкретного участка в текущих условиях эксплуатации переменными параметрами, определяющими использование провозной способности, являются средний вес брутто, интенсивность и скорость движения потока поездов.
Необходимость повышения веса поездов особенно остро встает, когда полностью исчерпана наличная пропускная способность участка и дальнейший рост интенсивности потока поездов не обеспечивает увеличения размеров движения. В этой ситуации следует обратить внимание на то, что при достижении максимальной интенсивности потока поездов скорость его движения значительно меньше расчетной. В соответствии с Правилами тяговых расчетов для поездной работы вес состава и скорость движения поезда определяют исходя из условий полного использования мощности и тяговых качеств локомотивов в зависимости от характера профиля пути участка. В результате неизбежного снижения скорости движения с увеличением интенсивности потока высвобождаемая мощность локомотивов может быть использована на повышение веса составов. Например, на электрифицированных линиях с III типом профиля пути снижение скорости движения на 5 км/ч позволяет повысить вес поездов в среднем на 1000 т брутто.
Повышение веса поездов при достижении максимальной интенсивности движения потока позволяет увеличивать провозную способность участка. При этом: Q^ (QH), QH > (vx), vx (игр), где QH — весовая норма поездов. Зависимость скорости и интенсивности движения на каждом конкретном участке описывает диаграмма потока поездов (рис. 3.2). Согласно графикам, представленным на рис. 3.3, снижению среднеходовой скорости соответствует возможность повышения весовой нормы поездов. В ряде случаев удобнее пользоваться аналитическим выражением зависимости между среднеходовой скоростью и нормой веса поездов. Проверка показала наличие между ними прямолинейной корреляционной связи:
где а и b — параметры, характеризующие типы локомотивов и профиля пути (табл. 3.1).
Рис. 3.2. Диаграмма потока поездов:
X — плотность потока поездов; 7 — п(А); 2 — v(X)
Рис. 3.3. Зависимость среднеходовой скорости движения поезда от его веса, профиля пути и типа локомотива
Значения параметров a, bin коэффициента их корреляции с для использования в вышестоящей формуле