Тема диссертации: Энергетическая эффективность электровоза двойного питания

Эффективное использование топливно-энергетических ресурсов
– это одна из важнейших задач, стоящих перед экономикой России. Федеральный закон
«Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений
в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и Энергетическая стратегия
России на период до 2030 г. определяют энергетическую эффективность экономики,
как один из главных стратегических ориентиров долгосрочной государственной энергетической
политики.

Заметным потребителем энергоресурсов в стране является
железнодорожный транспорт и, прежде всего, тяговый подвижной состав. Более 4%
вырабатываемой в России электроэнергии и более 10% дизельного топлива
расходуется локомотивным хозяйством ОАО «РЖД». 

Стратегической задачей транспорта на ближайшую
перспективу является вывод его на лидирующие позиции по экономической
эффективности, качеству услуг и экологической безопасности при транспортировке
грузов и перевозке пассажиров.

На тягу поездов в локомотивном комплексе приходится
основная доля затрат топливно-энергетических ресурсов (86% от общего объема
потребления электроэнергии и 90% - дизельного топлива). На электрической тяге в
настоящее время осуществляется 85 % общего объёма перевозок на железнодорожном транспорте.

Исходя из этого, основной ресурс экономии ТЭР в
локомотивном хозяйстве ОАО «РЖД» находится в сфере перевозочного процесса и
заключается, прежде всего, в рациональном энергоэкономном использовании
подвижного состава.

В настоящее время процесс повышения энергетической
экономичности достигается путем создания экономичного ТПС: разработки ТПС нового
поколения с применением микропроцессорных систем управления движения поезда,
автоматизированной системы ведения поезда, что позволяет осуществлять ведение
поездов повышенного веса при снижении удельных энергозатрат на перевозки, и
сделать режим ведения энергооптимальным.

Особого внимания на сегодняшний день заслуживает ЭП20:
инновационный двусистемный пассажирский электровоз, ‑ он представляет собой
головной проект масштабной программы разработки широкого ряда российских
электровозов нового поколения с асинхронным тяговым приводом. На его основе
разрабатывается широкая линейка пассажирских и грузовых электровозов различной
составности, рода тока и мощности.

Введение в эксплуатацию новых локомотивов не всегда
энергетически эффективно, несмотря на новые технологические решения снижения
расхода энергетических ресурсов. В последние годы рядом специалистов активно продвигается
идея о необходимости массового внедрения ТПС с асинхронным тяговыми машинами,
при этом без необходимых доказательств утверждается, что ТПС с АТМ имеет
огромное преимущество перед ТПС с коллекторными тяговыми машинами. Наибольшее
сомнение вызывает тезис о возможности резкого снижения расхода электроэнергии
при разработке новых серий локомотивов с АТМ. Поэтому необходим углубленный
анализ энергетических показателей ТПС с АТМ, что определяет актуальность
работы.

Цель магистерской диссертации - проведение анализа
результатов эксплуатации пассажирского электровоза  двойного питания ЭП20 по отношению к
электровозам, эксплуатирующимся на аналогичных полигонах обращения, и дать
заключение о уровне его энергетической эффективности.

Объект исследования: 
пассажирский электровоз ЭП20.

Предмет исследования: основные показатели
энергетической эффективности и факторы, влияющие на них.

В соответствии с целью определены задачи диссертации:

1. Оценка факторов, влияющих на расход электрической
энергии на тягу поездов;

2. Проведение теоретического анализа показателей
энергетической эффективности как для всего электровозного парка в целом, так и
для отдельных полигонов обращения;

3. Выявление основных недостатков электровозов ЭП20,
оказывающих влияние на энергоэкономичность локомотива;

4. Определение причин возникновения этих недостатков;

5. Разработка рекомендации для будущих разработок российских
электровозов.

Для достижения поставленных задач и проверки полученных
заключений были использованы следующие методы: метод экспертных оценок, методы
количественной (статистический анализ) и качественной обработки материала.

Факторы, влияющие на расход электрической энергии в
перевозочном процессе оценивались на основе накопленного локомотивным
хозяйством опыта вождения поездов за последние десятилетия. Анализировались данные,
предоставляемые локомотивными бригадами и топливно-энергетическими центрами,
результаты эксплуатационных и тяговых испытания на полигонах обращения.
Проводился расчет необходимых параметров по правилам тяговых расчетов для
поездной работы.

Достоверность результатов исследования обеспечивалась
теоретической обоснованностью его исходных позиций, применением комплекса
исследовательских методов, адекватных объекту, предмету, целям и задачам
исследования, использованием статистических методов обработки полученных данных
в сочетании с качественным анализом результатов.

Несмотря на то, что пока не разработана методическая
база, издан ряд научных трудов, многие из которых достаточно обобщенно
описывают проблему энергосбережения на подвижном составе:

- «Энергосбережение на железнодорожном транспорте» под
редакцией старшего вице-президента ОАО «РЖД» В.А. Гапановича,
М.: «Транспорт», 2014 г.;

- «Экономия электроэнергии на электроподвижном
составе» под редакцией П.В. Цукало, М.: «Транспорт», 1983 г.

Возможность ошибок в выборе перспективного типа
локомотива и его энергоэффективности была рассмотрена впервые более 30 лет
назад в научных трудах Тулупова В.Д.. В настоящее время над вопросами
энергосбережения на ТПС работают многие аспиранты и профессора Омского
государственного университета путей и сообщения. Особого внимания заслуживают
такие научные труды, как «Факторы, влияющие на расход электрической энергии на
тягу поездов» и «Повышение эффективности системы анализа и нормирования
энергопотребления на тягу поездов».

По результатам изучения вышеизложенных трудов, а также
Правил тяговых расчетов для поездной работы, Методики расчета надежности
локомотива и Методики определения показателя энергоэффективности локомотива для
оценки качества ремонта сделан вывод, что равновесие между ранее упомянутыми
критериями определяется путем оценки показателей энергетической эффективности и
надежности локомотива в целом.

Научная новизна этой диссертации заключается в том,
что ранее работы по анализу энергетической эффективности в локомотивном
комплексе на локомотивах новых серий не проводились, и действующих документов
по определению энергетической эффективности локомотива в целом нет, что
является необходимым при разработке нового ТПС, для исключения ошибок
допущенных ранее.

Теоретическая значимость. Результаты исследования
дополняют имеющиеся требования по энергетической эффективности вновь
разрабатываемого ТСП. Закладывается база для разработки методик по оценке
энергетической эффективности электровозов двойного питания.

Практическая значимость исследования состоит в том,
что предлагаемые рекомендации по разработке нового ТПС на основе опыта
эксплуатации электровозов ЭП20 позволят повысить рациональность использования
ТПС и снизить эксплуатационные расходы локомотивного хозяйства ОАО «РЖД».

Энергоэкономное использование локомотива заключается:
– в максимальном соответствии весовых норм поездов номинальным мощностям электровозной и тепловозной тяги в отдельности, при которых реализуется их работа с наилучшим для каждого типа локомотивов КПД;
– в оптимальном соответствии эксплуатируемого локомотивного парка объёмам перевозочного процесса; при избыточности локомотивного парка нарушается условие оптимальной загруженности локомотивов и возникает повышение удельного расхода ТЭР на тягу поездов, а при его недостатке возникают сложности в обеспечении перевозочного процесса;
– в снижении доли порожнего пробега локомотивов и их «горячего» простоя в ожидании поездной работы в общем объеме выполненных работ;
– в исключении грузовых локомотивов из пассажирских перевозок и др.
Наиболее существенное влияние на энергосбережение в перевозочном процессе оказывают факторы, приведенные на рисунке №1.
Полный расход электрической энергии и топлива, потребляемые подвижным составом, состоят из ТЭР, расходуемых на движение поезда, собственные нужды локомотива, отопление пассажирских и почтово-багажных вагонов, на маневровые передвижения по деповским и станционным путям.
В процессе движения поезда на него оказывают воздействие силы, направленные обратно направлению его движения. Действие этих сил заменяется эквивалентной силой — силой сопротивления движению, которую подразделяют на основное и дополнительное сопротивление движению поезда и которая определяется не только характеристиками локомотива и вагонов, но и состоянием пути и метеорологическими условиями.

Рисунок 1 Факторы, влияющие на расход ТЭР на тягу поездов

К силам основного сопротивления движению относятся:
- взаимодействие колесных пар с рельсами;
- трение в подшипниках подвижного состава;
- сопротивление от воздействия воздушной среды при отсутствии ветра.
Возникновение сил дополнительного сопротивления движению обусловлено:
- уклонами и кривизной пути;
- троганием с места;
- низкими температурами наружного воздуха;
- действием встречного и бокового ветра.
- неэффективной работой диспетчерского аппарата при пропуске подвижного состава.
Температура наружного воздуха определяет степень вязкости смазки. С понижением температуры возрастает воздушное сопротивление, а зимой возникают силы дополнительного сопротивления: это сопротивление гребней бандажей колесных пар при движении по снежному покрову, сопротивление самого снежного покрова, лежащего на рельсах, и т.д.
Ветер может оказывать прямое тормозящее сопротивление или попутное воздействие. При встречном ветре возрастают силы сопротивления движению воздушной среды, в то время, как попутный ветер уменьшает эти силы. Наиболее отрицательно сказывается влияние бокового ветра, так как под его воздействием подвижной состав смещается в сторону, возникает трение гребней колесных пар о боковую поверхность рельса и возникают силы, направленные в сторону, противоположную движению поезда.
На сопротивление движению оказывают влияние профиль и план участка пути, по которому проходит подвижной состав (равнинные участки, участки, имеющие холмистый профиль, гористые участки, наличие кривых, в особенности малого радиуса и т.д.). При движении поезда по уклонам и кривым расход электрической энергии и топлива зависит от их крутизны, протяженности, длины и радиуса кривой. С увеличением крутизны подъема расход ТЭР возрастает, также как при уменьшении радиуса кривой.
Большое влияние на расход электрической энергии и дизельного топлива оказывает неудовлетворительное состояние пути, повышенный износ которого приводит к ухудшению условий движения подвижного состава, а, следовательно, к увеличению расхода энергоресурсов.
Расходуемая подвижным составом энергия идет на запас кинетической и потенциальной энергии, используемые для движения поезда без энергетических затрат. Запасенная потенциальная энергия может быть использована для совершения механической работы при дальнейшем движении поезда по равнинным участкам и спускам. Кинетическая энергия затрачивается на преодоление сил сопротивления движению при замедленном движении поезда. При торможении большая часть ее теряется в тормозах, превращаясь в энергию тепла, нагревающую тормозные колодки, колеса и окружающий воздух. Некоторая ее часть теряется в связи с ударами колес о рельсы при набегании в стыках и расходуется на упругие колебания верхнего строения пути, вызванные взаимодействием движущегося поезда с рельсами, шпалами и балластом.
Влияние на расход энергии оказывают тип и техническое состояние локомотива. Локомотивы классифицируются:
- по типам энергетических установок;
- по виду выполняемой работы;
- по назначению.
Основные параметры, характеризующие различные типы локомотивов:
- номинальная мощность;
- сила тяги;
- коэффициент полезного действия;
- сцепная масса;
- часовой расход энергии и др.
Важной характеристикой подвижного состава является его масса и степень использования грузоподъемности вагонов. Перевозка грузов в неполновесных составах или в не полностью загруженных вагонах приводит к увеличению удельного сопротивления движению, а следовательно и к перерасходу энергоресурсов на тягу поездов. С увеличением массы состава и загрузки вагонов уменьшается расход энергии на единицу выполненной работы.
На общий расход электроэнергии и топлива большое влияние оказывает характер груза. Сыпучие и жидкие грузы раскачивают вагон во время движения, создавая тем самым дополнительное сопротивление.
Снижению расхода ТЭР в большой мере способствует исправное техническое состояние локомотива и вагонов. Износ деталей приводят к ухудшению динамики, плавности движения поезда и повышенному расходу ТЭР.
Род тока и напряжение в контактной сети воздействуют на расход электроэнергии. Недостаток системы электроснабжения постоянного тока заключается в том, что такой ток достаточно трудно трансформировать: повышать или понижать напряжение без значительных потерь. Чем выше мощность электровоза, тем больше потери. Большие величины потребляемых токов создают значительные потери электроэнергии. На переменном токе: большие объемы движения на участке создают большие затраты электроэнергии на перемещение единицы груза.
Кроме того, в контактной сети имеют место определенные потери части электрической энергии, затрачиваемой на преодоление сопротивления цепей электроснабжения. При анализе электропотребления следует учитывать:
- сечение контактных проводов;
- форму и тип контактной подвески;
- критическую скорость;
- балльную оценку состояния контактной сети;
- коэффициент трения скольжения токоприемника по контактному проводу.
Эксплуатационные показатели качества дизельного топлива: воспламеняемость и фракционный состав, - также влияют на расход ТЭР локомотивом на тягу поездов. Некачественное топливо приводит к увеличению износа трущихся деталей, прорыву газов в картер дизеля, нагарообразованию и закоксовыванию форсунок, пригоранию поршневых колец, но главное способствует увеличению расхода топлива.
Расход ТЭР на собственные нужды локомотива:
- энергия, необходимая для работы вспомогательных машин;
- питание цепей управления;
- освещение и обогрев электроподвижного состава.
Существенное влияние на расход ТЭР за поездку оказывают все факторы, связанные с отклонением скорости от расчетной при движении состава по пути следования. Непредусмотренные графиком движения торможения и разгоны, простой на остановках приводят к потерям электрической энергии.
Использование локомотивной бригадой рациональных режимов управления электровозом при широком внедрении систем автоведения позволит добиться значительного снижения энергопотребления.
Объективная, технически обоснованная система нормирования позволяет:
- планировать расход электрической энергии;
- улучшить организацию эксплуатации;
- создать предпосылки к материальной заинтересованности работников железнодорожного транспорта в снижении расхода ТЭР.
Приведенные выше факторы можно разделить на постоянные (тип тягового электроснабжения, расстояние между тяговыми подстанциями) и изменяющиеся во времени (вес поезда, величина межпоездного интервала, грузонапряженность электрифицированного участка), фиксируемые в установленные моменты времени.
- Основными факторами являются масса и скорость движения поезда, грузооборот линии и другие.
- Дополнительными являются износ (прокат) бандажей колесных пар подвижного состава, схема формирования состава вагонов поезда.
- Косвенными являются факторы, которые непосредственно влияют на прямые факторы и опосредовано на расход электроэнергии. Это, прежде всего, техническое состояние подвижного состава, пути, устройств электроснабжения, сигнализации и связи, квалификация машинистов и другие факторы.
Параметры поезда и участка пути, допускаемые скорости движения на станциях и перегонах и относятся к детерминированным (ранее определенным и установленным) факторам. Случайными факторами являются факторы, значение которых могут измениться по случайному закону в заданном интервале. К ним можно отнести условия движения (поездная ситуация), климатические факторы. Зависящими от производственного персонала факторами можно считать режим ведения поезда, квалификацию локомотивных бригад и работников подразделений других служб, поездную ситуацию и т.д. Не зависящими от персонала являются климатические факторы, а также параметры и техническое состояние состава вагонов, пути, устройств электроснабжения, сигнализации и связи.
Необходимо отметить, что некоторые факторы в зависимости от решаемой задачи могут быть отнесены либо к одному, либо к другому классу, т.е. занимать промежуточное положение по отношению к рассмотренным выше классам. Например, скорость движения поезда, с одной стороны, определяется параметрами локомотива, состава вагонов и других технических устройств, а с другой стороны, зависит от организации движения поездов на данном участке, поэтому в определенных задачах она может быть либо техническим, либо организационным фактором. Одни и те же факторы могут быть отнесены к разным классам в зависимости от уровня планирования и управления железнодорожным транспортом, на котором они рассматриваются.