[04-2014] Как оценить энергетическую эффективность отремонтированных тепловозов

[poster333]

Как оценить энергетическую эффективность отремонтированных тепловозов

Вопросы экономного расходования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) всегда были и остаются в центре внимания при оценке деятельности локомотивного комплекса. Самое энергоемкое подразделение ОАО «РЖД» — Дирекция тяги. На тягу поездов тратится около 76 % всех потребляемых энергетических ресурсов сети. Расход ТЭР тяговым подвижным составом в эксплуатации в значительной степени зависит и от качества его технического обслуживания и ремонта.

Повышение эффективности использования энергоресурсов является одной из целей ремонта локомотивов. Оценка их энергоэффективности при завершении ремонта может свидетельствовать о его качестве.

Применительно к тепловозам качество ремонта определяет то или иное теплотехническое состояние, отражением которого в высокой степени является их эксплуатационная экономичность. Ее оценивают величиной удельного потребления дизельного топлива на выполнение единицы перевозочной тонно-километровой работы брутто. Размерность этого показателя — т*км брутто. Данный показатель является скорее интегральной экономической категорией организации движения поездов на участке, чем характеристикой теплотехнического состояния тепловоза.

Большое влияние на значение этого показателя оказывают профиль пути, нагрузка на ось вагона, скорость движения, климатические факторы и ряд других. Поэтому оценка собственно теплотехнического состояния тепловоза по данному показателю весьма затруднена, а порой и невозможна.

Значительно более информативным показателем, непосредственно характеризующим энергоэффективность функционирования силовой установки тепловоза в эксплуатации, является удельное потребление дизельного топлива на выполнение единицы работы, произведенной его силовой установкой. Размерность этого показателя — кг/кВт-ч.

Об информативности показателя в этой размерности свидетельствуют, например, результаты эксплуатации тепловозов 2ТЭ25А в эксплуатационном локомотивном депо Тында в 2012 г. Так, при средней массе поезда 4900 т для четного и 1700 т для нечетного направлений участка Тында — Хани средние значения удельного расхода топлива этими тепловозами в размерности «т*км брутто» различаются в 1,6 раза, в то время как в размерности «кг/кВт*ч» лишь на 8 %. Последнее может быть обусловлено, в том числе различием паспортных характеристик однотипных дизелей этих тепловозов по удельному расходу топлива.

Следует отметить, что приведенные результаты получены в ходе специально организованного ОАО «ВНИКТИ» эксперимента, при котором благодаря модернизации штатного прикладного программного обеспечения микропроцессорной системы управления тепловозов 2ТЭ25А была решена задача текущей оценки и накопления за поездку работы их силовых установок.

Получение показателя энергоэффективности локомотивов, находящихся в эксплуатируемом парке, в размерности «кг/кВт ч» относительно «просто» реализуется на тепловозах 2ТЭ116У и ТЭП70БС с микропроцессорными системами управления. Применительно к большинству парка тепловозов с традиционной системой управления и регулирования получение показателя энергоэффективности в этой размерности невозможно без доос-нащения их специальным оборудованием.

Таким оборудованием могут быть известные автоматизированные системы контроля параметров работы силовой установки тепловозов АСК ВНИКТИ, БОРТ и др. Тем не менее, получаемые с их помощью значения показателя энергоэффективности тепловоза неизбежно будут иметь случайные отклонения от поездки к поездке. Для их учета потребуется применение специальных методов обработки результатов поездок, например, метода кумулятивных (накопленных) сумм.

Показатель энергоэффективности в размерности «кг/кВт-ч» может быть использован и при послеремонтных реостатных испытаниях тепловозов для оценки качества капитального, среднего и подъемочного ремонтов. Определение показателя энергоэффективности тепловозов при таких испытаниях необходимо проводить в условиях загрузки их силовых установок, наиболее близко соответствующих реальным условиям эксплуатации. Отмеченное может быть реализовано при нагружении силовой установки тепловоза на водяной реостат по тому или иному типовому режиму его работы в эксплуатации.

Типовые режимы работы магистральных грузовых и пассажирских тепловозов разработаны ОАО «ВНИКТИ». Они представлены, соответственно, в отраслевых стандартах 32.198—2002 и 32.201 — 2002. Режимы маневровых тепловозов опубликованы в исследованиях Уральского отделения ОАО «ВНИИЖТ».

Для грузовых тепловозов в указанных стандартах приведены типовые режимы работы при легкой, средней и тяжелой их загрузке, а для пассажирских — при работе с пассажирскими и скорыми поездами. С использованием типовых режимов работы возможно построение для тепловоза конкретного типа часовой тест-циклограммы нагружения его силовой установки на реостат по позициям контроллера машиниста.

Такой способ оценки энергоэффективности тепловозов основан на прямом измерении расхода дизельного топлива за час работы (или более короткий период времени) его силовой установки при автоматическом нагружении ее на реостат по тест-циклограмме и расчете работы, совершенной ею за этот час. При этом работа силовой установки тепловоза должна рассчитываться по эффективной мощности на фланце отбора мощности коленчатого вала дизеля.

В общем случае указанная мощность будет складываться из тяговой мощности и затрат мощности на привод различного вспомогательного оборудования тепловоза (например, применительно к тепловозу 2ТЭ116У мотор-вентиляторов охлаждающего устройства дизеля, тормозного компрессора, стартер-генератора и др.). Текущие значения этих мощностей должны корректироваться при отличии условий испытаний и ряда параметров работы от известных значений для нормальных условий и приводиться к коленчатому валу дизеля с учетом КПД оборудования и приводов.

Для измерения расхода топлива может использоваться известный весовой способ, при реализации которого нужны электронные весы с размещенным на них мерным топливным баком (или просто бак с датчиком гидростатического давления топлива) и гибкие топливопроводы с трехходовыми кранами. Это оборудование размещается вне тепловоза, а внутри него — задатчик позиций контроллера машиниста (для тепловозов с традиционной системой управления и регулирования) и ряд измерительных преобразователей. Они необходимы для расчета тяговой мощности, а также и мощностей, затрачиваемых на привод вспомогательного оборудования тепловоза.

В помещении реостатной станции размещается персональный компьютер, автоматически задающий в течение часа ту или иную позицию контроллера машиниста в соответствии с тест-циклограммой. Он регистрирует в начале часового цикла и по его окончании показания электронных весов или датчика гидростатического давления топлива в баке. Кроме того, компьютер рассчитывает накопленную за цикл работу силовой установки секции тепловоза и израсходованное при этом топливо с выводом в протокол испытаний значений показателя энергоэффективности в размерности «кг/кВт*ч» и основных параметров, при которых этот показатель получен.

В целом аппаратно-программные средства, необходимые для реализации такого способа оценки показателя энергоэффективности тепловозов, представляют собой автоматизированное рабочее место (АРМ). Из неавтоматизированных операций присутствуют только действия оператора АРМ по переводу в нужное положение трехходовых кранов на питающей и сливных топливных магистралях.

Вышеприведенный показатель энергоэффективности априорно ориентирован на однофакторную модель энергоэффективности тепловоза. Он отражает приоритеты влияния на его энергоэффективность главных постоянно действующих в поездках (послеремонтное техническое состояние дизель-генераторной установки) и продолжительно действующих второстепенных факторов (послеремонтное техническое состояние вспомогательного оборудования).

Тем не менее, на энергоэффективность тепловоза в эксплуатации, наряду с упомянутыми выше, могут влиять еще более второстепенные и кратковременно действующие факторы. К ним относятся несоблюдение установленных послеремонтных норм для таких показателей, как разность частот вращения тяговых электродвигателей (ТЭД) при часовом режиме, диаметров бандажей комплекта колесных пар одной секции (тепловоза), характеристик колесно-моторных блоков (произведение диаметра бандажа по кругу катания колесной пары на частоту вращения якоря ТЭД при часовом режиме), нагрузок по колесам колесной пары, по осям и сторонам одной секции тепловоза.

Вид модели показателя энергоэффективности (однофакторная, многофакторная) может быть установлен по результатам тяговых расчетов, проведение которых запланировано ОАО «ВНИКТИ» в рамках выполнения соответствующего распоряжения ОАО «РЖД» от 20.12.2013 № 2821р. Очевидно, что послеремонтная энергоэффективность тепловоза в решающей степени будет определяться качеством ремонта его дизель-генераторной установки.

По предварительной оценке расход топлива каждой испытуемой секцией магистрального тепловоза, прошедшего ремонт, при реализации такого способа проверки энергоэффективности составит не более 0,2 т. Расход топлива, например, тепловозом 2ТЭ25А за оборот на участке Тында — Хани составляет 6,7 т.

За время между текущими ремонтами вида ТР75 (75 тыс. км пробега) этот тепловоз расходует около 500 т дизельного топлива. Если допустить, что из-за изменения технического состояния любого оборудования в худшую сторону расход топлива этим тепловозом в эксплуатации увеличится на 1 %, то за период между ТР75 «пережог» топлива составит порядка 5 т. На оценку показателя энергоэффективности тепловоза будет затрачено всего 0,4 т. Действия, направленные на улучшение его технического состояния, позволят вернуть исходную энергоэффективность локомотива и сэкономить 4,6 т топлива на один тепловоз.

Первые шаги перед практической реализацией такого способа оценки энергоэффективности в условиях ремонтного локомотивного депо или локомотиворемонтного завода должны быть направлены на получение исходных (базовых) значений показателя энергоэффективности тепловозов. Для этого необходимо опытным путем в требуемых условиях и компетентной организацией реализовать предлагаемый способ на ряде секций тепловозов серийного производства новой постройки, таких как 2ТЭ116У, ТЭП70БС и ТЭМ18ДМ.

Такое решение вопроса, во-первых, покажет неизбежный технологический разброс исходной энергоэффективности тепловозов, который сейчас неизвестен. Во-вторых, позволит, при необходимости, сформировать требования к изготовителям локомотивов по минимизации этого разброса. В-третьих, даст возможность сформировать методику и основы технологии такой проверки показателя энергоэффективности в составе послеремонтных реостатных испытаний тепловозов, результаты которых будут заноситься в их энергетические паспорта. Проведение перечисленных работ также запланировано ОАО «ВНИКТИ» в рамках выполнения вышеуказанного распоряжения ОАО «РЖД».

Тем не менее, в деле практической оперативной реализации в тепловозоремонтном комплексе способа оценки показателя энергоэффективности, в основу которого положен метод прямого измерения расхода топлива, могут возникнуть определенные, хотя и вполне преодолимые, трудности. Их основными причинами являются неконтролепригодность топливных систем тепловозов, ограничение применения (без принятия дополнительных мер) весового способа измерения расхода топлива внешним по отношению к тепловозу устройством в условиях низких отрицательных температур наружного воздуха.

Следует отметить, что при обнаружении факта несоответствия значения показателя энергоэффективности тепловоза, прошедшего ремонт, установленной норме оперативного ответа на вопрос «техническое состояние какого оборудования дизель-генератора является причиной установленного несоответствия?» — не получить.

Вполне очевидно, что оценка послеремонтной энергоэффективности тепловоза как таковая в общем случае не может быть самоцелью. При зафиксированной относительно низкой энергоэффективности тепловоза важно оперативно выяснить возможные причины ее снижения и устранить их. Для этих целей могут использоваться разрабатываемые ОАО «ВНИКТИ» методы оценки технического состояния оборудования тепловозов, в том числе их дизель-генераторов с использованием комплекса «Магистраль», адаптированного под задачу оценки энергоэффективности дизеля.

Интегрированный в технологию оценки энергоэффективности тепловозов, данный комплекс способен проводить глубокое диагностирование дизеля благодаря одновременному индициро-ванию всех его цилиндров с помощью специальных высокотемпературных датчиков динамического давления и сложного математического анализа индикаторных диаграмм в реальном времени.

Прикладное программное обеспечение комплекса обеспечивает разворачивание быстротекущих процессов в цилиндрах дизеля по углу поворота коленчатого вала с дискретностью 0,7°. Оно реализует алгоритм диагностирования топливной аппаратуры, органов газораспределения, цилиндро-поршневой группы путем подробного анализа форм индикаторных кривых сжатия заряда, впрыска, воспламенения, горения топлива и выпуска уходящих в атмосферу газов.

Число автоматически распознаваемых одиночных внутри-цилиндровых неисправностей составляет около двух десятков. Осуществляется также распознавание комбинационных неисправностей из двух, а в некоторых случаях из трех одновременно существующих отклонений технического состояния. Комплекс распознает:

• общие неисправности для всего дизеля — уменьшение (увеличение) угла опережения подачи топлива, ухудшение качества газообмена;

• неисправности отдельных цилиндров — уменьшение (увеличение) угла опережения подачи топлива, недогрузка (перегрузка) цилиндра по цикловой подаче топлива, ухудшение качества распыливания топлива, зависание иглы форсунки, потеря плотности плунжерной пары топливного насоса высокого давления, дефекты нагнетательного клапана этого насоса, некачественная продувка цилиндра, утечка заряда из надпоршневого пространства;

• отклонения в работе системы воздухоснабжения — загрязнение воздушных фильтров, ухудшение технического состояния проточных частей компрессора и турбины турбокомпрессора, органов газораспределения, закоксованность выпускных элементов.

О влиянии некоторых дефектов оборудования дизеля на потребление им топлива свидетельствует следующее. Установлено, что разрегулировка угла опережения топлива на 3 — 4° поворота коленчатого вала или неисправность форсунок и топливных насосов высокого давления увеличивает расход топлива дизелем в среднем на 3 — 3,5 %.

Износ пары «поршень — втулка» цилиндропоршневой группы, приводящий к утечке заряда из надпоршневого пространства, а также такие неисправности механизма газораспределения, как нарушение фаз, утечка заряда через неплотности клапанов и другие увеличивают расход топлива в неисправном цилиндре на 3 — 4%.

Неправильная сборка привода топливных насосов высокого давления в среднем приводит к перерасходу топлива дизелем на 4 — 5 %, а закоксовывание выпускной системы дизеля и глушителей — на 3 — 5 %. Засорение воздушных фильтров дизеля на 25 — 30 % увеличивает эксплуатационный расход топлива на 5 — 6 %, снижение КПД турбокомпрессора на 10 — 20 % повышает расход топлива на 3 — 4 %.

Сочетание нескольких неисправностей может привести к суммарному перерасходу топлива дизелем в эксплуатации на 3 — 7 %, а это уже очень существенные непроизводительные его потери в абсолютных единицах расхода.

Таким образом, применение комплекса в первую очередь направлено на реализацию мероприятий, способных обеспечить качественное протекание рабочего процесса в цилиндрах дизеля.

Такое решение задачи — залог высокой послеремонтной энергоэффективности тепловоза в эксплуатации с точки зрения теплотехнического состояния его дизель-генераторной установки.

Данные, получаемые с помощью разрабатываемой ОАО «ВНИКТИ» технологии оценки послеремонтной энергоэффективности тепловозов, имеют все предпосылки для формирования оценочного критерия энергоэффективности тепловозного дизеля. Так, в результате синхронного индицирования одновременно всех цилиндров дизеля с заданным числом осреднений единичных циклов под нагрузкой на номинальном режиме автоматически может быть определена индикаторная мощность отдельных цилиндров и дизеля в целом (выходной параметр оценки энергоэффективности).

Специальные математические методы обработки индикаторной кривой давления в цилиндре позволяют выделить на ней момент начала впрыска топлива. Безусловная возможность выделения начала этого процесса связана с обязательным физическим процессом испарения топлива во время впрыска, что сопровождается отбором тепла от сжимаемого в цилиндре на такте сжатия заряда.

Момент окончания впрыска происходит на фазе активного горения топлива и сопровождается окончанием процессов испарения его частиц и теплоотвода от горячей смеси газов и заряда в цилиндре. Следует, однако, заметить, что фаза окончания впрыска топлива зачастую маскируется особенностями динамики процесса активного горения топлива, и для ее уверенного распознавания требуется проведение ряда исследований.

Заметим, тем не менее, что продолжительность впрыска топлива, определяемая как разность фаз окончания и начала топливопо-дачи, однозначно соответствует цикловой подаче топлива осред-ненного цикла каждого цилиндра, суммарное значение которой может быть использовано в качестве входного параметра оценки энергоэффективности.

Изменение отношения индикаторной мощности к цикловой подаче топлива от эталонного, ранее полученного для нового и исправного дизеля на аналогичном режиме его работы, будет отражать соответствующее изменение индикаторного КПД дизеля и характеризовать оценку потери его энергетической эффективности при тех или иных отступлениях, допущенных при ремонте.

В оперативной реализации такой технологии оценки энергоэффективности тепловозов, несмотря на ее кажущуюся внешнюю простоту, все же есть определенные трудности. В первую очередь это касается обеспечения адекватности текущего мощностного режима работы дизеля тому его режиму, при котором получено эталонное значение отношения индикаторной работы к цикловой подаче. Указанное и другие всякого рода возможные ограничения вполне преодолимы, но требуют организации достаточно трудоемких, длительных по времени, организационно сложных и дорогостоящих натурных испытаний, что вряд ли осуществимо в настоящее время по известным причинам.

Более оперативной представляется разрабатываемая ОАО «ВНИКТИ» технология оценки энергоэффективности тепловозов, основанная на поцилиндровой оценке технического состояния в допустимом поле уровня мощности дизель-генератора на номинальном режиме. Причем, обнаруживаемые отклонения в техническом состоянии того или иного цилиндра дизеля могут быть представлены в относительном виде.

Например, КПД1 = 0,71 — будет означать, что индикаторный (i) КПД процесса исследуемого цилиндра составляет лишь 0,71 от значения индикаторного КПД процесса исправного цилиндра. Эта оценка показывает относительный вклад этого цилиндра в общую энергоэффективность дизель-генератора. Таким образом, для исследуемого цилиндра имеется готовая ранговая оценка качества рабочего процесса в этом цилиндре дизеля в виде относительного значения индикаторного КПД.

Такие же оценки автоматически могут быть сделаны и по всем другим цилиндрам дизеля. На основе цилиндровых ранговых оценок может быть построена, например, мультипликативная (или другого вида) общая ранговая модель показателя энергоэффективности дизель-генератора, а, значит, и тепловоза в целом. При этом затраты труда, времени и средств как на получение такой модели показателя энергоэффективности тепловозов, так и на оценку его значения при послеремонтных реостатных испытаниях локомотивов будут минимальными. Проведение такой работы по доведению этой технологии до уровня практического применения предусмотрено ОАО «ВНИКТИ» также в рамках выполнения вышеуказанного распоряжения ОАО «РЖД».

Целесообразность использования разрабатываемой ОАО «ВНИКТИ» такой новой технологии очевидна. Она по оценке показателя энергоэффективности тепловоза по ранговой модели обеспечивает автоматическую оценку показателя без трудоемких операций по организации прямого измерения расхода топлива. Кроме того, непосредственно в процессе получения значения показателя энергоэффективности тут же автоматически по результатам диагностирования дизеля по параметрам рабочего процесса будет определен и весь спектр возможных дефектов его топливной аппаратуры, деталей цилиндропоршневой группы, органов продувки и системы наддува, которые могли как раз и быть причиной снижения энергоэффективности тепловоза.

Как и в первом способе, практическому применению данного метода и технологии оценки энергоэффективности тепловозов должен предшествовать комплекс экспериментальных исследований по установлению базовых значений их показателя энергоэффективности и допустимых зон его рассеивания.

В целом намеченный ОАО «ВНИКТИ» комплекс теоретических, расчетных и экспериментальных исследований направлен на выбор и разработку нормативных значений показателей энергоэффективности тепловозов для оценки качества их ремонта, на создание методик и технологии определения показателя энергоэффективности тепловозов при их послеремонтных испытаниях. Разрабатываемые средства и методы оценки энергоэффективности тепловозов могут в случае необходимости использоваться при подготовке локомотивов к сезонной эксплуатации и появлении признаков «пережога» топлива тепловозами эксплуатируемого парка.

Кандидаты технических наук
Ю.В. БАБКОВ
первый заместитель генерального директора ОАО «ВНИКТИ»,
Ю.И. КЛИМЕНКО,
заведующий научно-исследовательским конструкторским бюро,
В.А. ПЕРМИНОВ.
заведующий отделом,
И.Э.НЕСТЕРОВ,
заведующий сектором

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела xx1.

Перенес: Admin