Страсти по энергоэффективности
Безусловное достоинство статьи — попытка выработки критериев энергоэффективности, в особенности, на стадии проектирования локомотивов, когда данные по удельному расходу топливно-энергетиче- — ских ресурсов (ТЭР) еще не получены. Насколько решена эта задача автором статьи, попробуем разобраться.
Для качественной оценки энергоэффективности локомотивов предлагается ввести новый параметр — — зависимость расхода ТЭР от объема выполненной перевозочной работы. В обоснование предлагаемого метода приводятся гистограммы, отражающие отмеченные параметры в процентах от сетевого объема.
Однако эту зависимость вполне реально отражает и существующий показатель — удельный расход ТЭР на измеритель (кВт-ч или кгут на 104 т-км бр.). __ Согласно приведенной в опубликованной статье методике, наиболее эффективными из вновь приобретаемых электровозов грузовых серий являются ЗЭС4К, 2ЭС6 и 2ЭС10, опережая ЗЭС5К. Но это подтверждают — и данные удельного расхода ТЭР, для получения которых не нужно выполнять никаких расчетов и строить гистограммы, а достаточно обратиться к статистике.
Целесообразность и новизна предлагаемой методики — вызывает сомнение. Не в ее пользу говорит и необходимость оперирования данными объема работы и расхода ТЭР в процентах от сетевого объема. Так, для электровоза ЗЭС5К в таблицах и гистограммах приведены следующие данные: объем работы 0,22 %, расход электроэнергии 0,16 % от сетевых значений.
Практическое применение параметров величиной в десятые и сотые __доли процента крайне затруднительно и может привести к недопустимым погрешностям при расчетах, особенно при округлении тысячных долей одного параметра в большую сторону, а другого — в меньшую. На гистограмме, приведенной в журнале «Локомотив» №8,2016 г., эти параметры вообще не видны.
Другой вопрос: справедлив ли приведенный в статье вывод о более высокой энергоэффективности новых грузовых электровозов постоянного тока в сравнении с ЗЭС5К переменного? Само сравнение этого показателя электровозов разного рода тока некорректно по следующим причинам. На электровозах постоянного тока нет потерь энергии в тяговых трансформаторах, выпрямительноинверторных преобразователях и сглаживающих реакторах. Соответственно, нет расхода энергии и на охлаждение силовых аппаратов и установок, а также на привод мотор-насоса трансформатора.
Тот факт, что приведенные преимущества электровозов постоянного тока теряются в масштабе потерь энергии в контактной сети — тема другого разговора. Но рассматриваемую в опубликованной статье разницу в удельном расходе между локомотивами ЗЭС4К (68,1 кВт-ч/изм) и ЗЭС5К (106,3 кВт-ч/изм) нельзя объяснить только отмеченными выше факторами. Необходимо сравнить и условия их эксплуатации, прежде всего крутизну и протяженность подъемов на обслуживаемых участках.
Как пример, электровозы ЗЭС4К эксплуатируются на участке Белореченская — Туапсе Северо-Кавказской дороги. В нечетном направлении от Белореченской до Туапсе (а это направление груженого вагонопотока) крутизна лимитирующих подъемов составляет 8,7 %о, в четном направлении крутизна подъема существенно выше — 16,1 %о, но в этом направлении следует только порожняк. А вот электровозы ЗЭС5К эксплуатируются на дорогах Восточного полигона, где крутизна подъемов достигает 26,4 %о и повсеместно применяется подталкивание поездов. Естественно, что удельный расход ТЭР для ЗЭС5К будет значительно выше.
Также в публикации приводятся данные о низком удельном расходе дизельного топлива на участке Тюмень — Сургут, обслуживаемом тепловозами ТЭП70 и 2ТЭ116. Напрашивается вывод: тепловозы постройки 80-х годов прошлого века энергоэффективнее выпускаемых в настоящее время? Однако стоит обратиться к данным о профиле пути, и картина проясняется. Крутизна лимитирующих подъемов этого участка не превышает 6,5 %о. Весовая норма 6000 т на тепловоз 2ТЭ116 в обоих направлениях говорит сама за себя. Это не единственный случай оценки энергоэффективности локомотива только • по данным удельного расхода ТЭР.
В ранее опубликованной статье В.Н. Игина «Концепция развития энергетической стратегии» (см. «Локомотив» № 5 и 6, 2016 г.) приводятся данные о низком удельном расходе дизельного топлива Свердловской и Приволжской дирекциями тяги. Результаты действительно впечатляют: удельный расход дизельного топлива по Приволжской дирекции на 28,7 %, а по Свердловской на 31,7 % ниже среднесетевого (данные за январь 2015 г.). Приводится рекомендация: «Распространение достигнутых результатов энергоэффективности при эксплуатации серийных тепловозов 2ТЭ116К, 2ТЭ116У, ТЭП70БС и ТЭМ18ДМ Свердловской и Приволжской дирекций тяги среди остальных дирекций должно стать одним из основных ориентиров Энергетической стратегии».
Достижения в этих дирекциях тяги, безусловно, есть, и распространять их надо, но только чудес не бывает. На большинстве участков тепловозных ходов Приволжской дороги крутизна лимитирующих подъемов составляет 3,4 — 5,5 %о и весовая норма даже для «старичков» 2ТЭ10 _ (всех индексов) составляет 8000 т на оба направления (участки Астрахань — Аксарайская — Верхний Баскунчак — Волжский и др.). Можно ли сравнивать условия работы локомотивов на этих участках и на участках тепловозных ходов БАМа с их 19 %о подъемами? Соответственно, некор- — ректно сравнивать и данные по удельному расходу ТЭР с участками, которые имеют легкий и тяжелый профили пути.
Автор статьи «Энергоэффективность локомотивов в зеркале статистики» утверждает, что большая часть локомотивов используется не — по назначению, в частности, грузовые массово используются в пассажирском, хозяйственном или маневровом движении. В подтверждение этому приводятся данные о распределении серий локомотивов по роду выполненной работы в 2015 г. Так, в грузовом движении использовались 69 % серий грузовых и 31 % серий пассажирских электровозов, в пассажирском движении — 60,5 % грузовых и 39,5 % пассажирских.
Казалось бы, вывод о полной хаотичности подвязки локомотивов под _ поезда блестяще подтверждается. Однако ключевыми словами в приведенных данных являются «количество серий», а не количество самих локомотивов. Согласно методике В.Н. Игина, если хотя бы один электровоз ВЛ80С (или другой серии) в течение года был поставлен под пассажир- — ский поезд, даже для оказания помощи, то вся серия ВЛ80С будет учтена как работавшая в пассажирском движении. Корректна ли эта методика?
Объективными для реальной оценки работы электровозов могут быть только данные о распределении по видам движения времени нахожде-— ния локомотивов в рабочем парке. Приведу данные по сети ОАО «РЖД» за 2015 г.
Время занятости парка грузовых электровозов по видам движения распределяется следующим образом. Работа в пассажирском движении — составляет 0,36 % от общего времени эксплуатации, грузовом — 94,43 %, хозяйственном — 2,98 %, маневровом (в том числе маневры при депо) — 2,17 %, прочее — 0,06 %. Грузовой для данной серии вид движения, безусловно, доминирует над случаями отвлечения на остальные виды работ. В реальности доля времени на обслуживание графиковых пассажирских поездов еще ниже, так как воинские перевозки также учитываются в пассажирском движении, а выполнять их могут только грузовые локомотивы.
Также следует учесть, что на ряде участков сети из-за сложного профиля пути пассажирские поезда могут обслуживать только локомотивы грузовых серий. Пример: в эксплуатационном локомотивном депо Туапсе все пассажирские поезда обслуживаются только электровозами 2ЭС4К. Причина — наличие подъемов крутизной 16 — 22,6 %о на участках Туапсе — Белореченская, Туапсе — Горячий Ключ. Но этот случай не является примером энергетически неэффективного использования локомотивов, так как на приведенном профиле пути тяговые двигатели электровозов работают при токе, близком к значению длительного режима и, соответственно, при высоких значениях КПД.
Распределение времени эксплуатации электровозов пассажирского типа по видам движения следующее. Занятость в пассажирском движении составляет 86,02 %, грузовом — 0,23 %, хозяйственном — 11,73 %, маневровом— 1,88 %, другой работой — 0,14%. Тенденция безусловного доминирования преимущественного вида движения (пассажирского) очевидна и в этом случае.
Более высокая в сравнении с грузовыми электровозами доля хозяйственного движения объясняется работой со служебно-техническими вагонами пассажирского типа (путеизмерителями, дефектоскопами, вагонами-лабораториями), обслуживание которых пассажирскими электровозами является наименее энергозатратным вариантом. Кроме того, в зимний период пассажирские электровозы привлекаются к работе с вибропантографами, также учитываемой в хозяйственном движении.
Диаграммы распределения рабочего парка электровозов грузовых и пассажирских серий по видам движения приводятся на рис. 1 и 2.
Секторы, отражающие занятость локомотивов в непрофильных видах движения, кроме хозяйственного и маневрового, на диаграммах практически неразличимы. Таким образом, нет никаких оснований утверждать о массовом характере непрофильного и энергетически неэффективного использования локомотивов.
Проанализируем затраты времени работы парка грузовых тепловозов на различные виды движения. В пассажирском движении они составляют 3,97 % от общего времени эксплуатации, в грузовом — 66,91 % и в хозяйственном — 22,6 %. Маневровыми работами (в том числе при депо) они заняты 6,45 % от общего времени, прочими — 0,07 %.
Пассажирские тепловозы работают в пассажирском движении 93,7% от общего времени эксплуатации, грузовом — 0,24 %, хозяйственном — 5,5 %, маневровом — 0,51 %, прочих видах — 0,05 %. Как видно, доминирование преимущественного вида движения просматривается и в работе грузовых, и в работе пассажирских тепловозов.
Диаграммы распределения рабочего парка тепловозов грузовых и пассажирских серий по видам движения представлены на рис. 3 и 4.
Высокий (в сравнении с электровозами) процент использования грузовых тепловозов в хозяйственном движении вполне объясним, так^ак только эти локомотивы способны обслуживать хоппер-дозаторные, думпкарные и рельсовозные поезда при выполнении ремонтно-путевых работ со снятием напряжения в контактной сети.
В связи с этим д-р техн, наук В.Н. Игин делает вывод, что «универсальный» локомотив, создаваемый для работы и в грузовом, и в хозяйственном видах движения, никогда не будет энергоэффективным. Что же делать? Вкладывать гигантские средства в проектирование и строительство специализированных локомотивов хозяйственного движения? Но и хозяйственная работа отличается многообразием — локомотивы при обслуживании хоппер-дозаторной вертушки на лимитирующем подъеме и щебнеочистительной машины на станционных путях работают в разных режимах. ля грузового движения также невозможно определить преимущественный по времени режим работы локомотива. Сырьевой и экспортно-ориентированный характер нашей экономики определяет и специфику основного вагонопотока: в направлении к портам и пограничным переходам — груженый, обратно — преимущественно порожний. Но большая часть расхода ТЭР, безусловно, приходится на груженые поезда, поэтому существующая и критикуемая В.Н. Игиным концепция оценки и сравнения энергоэффективности по данным часового режима
для электровозов и длительного для тепловозов не такая уж и плохая. В пользу этой концепции говорит и практика отключения секций на трехсекционных локомотивах при обслуживании легких поездов, позволяющая реализовать на оставшихся в работе секциях режим, близкий к часовому или хотя бы к длительному.
Что же предлагает д-р техн, наук В.Н. Игин взамен оценки энергоэффективности по данным часового и длительного режимов? Он рекомендует ввести два новых метода. Первый — оценивать энергоэффективность локомотива через удельные энергозатраты ТЭР на создание силы тяги в продолжительном режиме, выраженные в кВт/кН. Согласно предлагаемой методике, среди электровозов наиболее энергоэффективными являются грузовые с расходом 15,2 — 17,9 кВт/кН, существенно опережающие пассажирские с расходом 24,5 — 29,7 кВт/кН.
Второй метод — оценивать экономичность локомотива через затраты ТЭР на его перемещение (с поездом) на 1 км также в длительном режиме работы (кВт-ч/км или кг/км). Здесь картина диаметрально противоположная — наиболее экономичными выглядят пассажирские электровозы с затратами 48,2 — 54,6 кВт-ч/км, серьезно опережая грузовые (102,7 — 211,8 кВт-ч/км). Чему же верить? Расшифровку кажущихся парадоксальными результатов отчасти дает сам автор рекомендаций: основная проблема состоит в том, что параметр скорости длительного режима грузовых и пассажирских локомотивов может отличаться в разы.
Однако не дано объяснения другой проблеме — значительному разбросу затрат ТЭР на 1 км перемещения в длительном режиме для грузовых электровозов: от 102,7 кВт-ч/км у ВЛ10 до 211,8 кВт-ч/км у ЗЭС5К.
Верхние пиковые значения расхода на километр принадлежат двенадцатиосным ВЛ 15,1,5ВЛ80С и ЗЭС5К, нижние — восьмиосным ВЛ 10 и 2ЭС4К.
Электровозы 2ЭС6 и 2ЭС10, имеющие более мощные в сравнении с ВЛ 10 тяговые двигатели, занимают в градации расхода промежуточное положение. Объяснение этому: расход ТЭР на 1 км следования в длительном режиме прямо пропорционален значению силы тяги локомотива, реализуемой в этом режиме, которое у двенадцатиосных локомотивов выше, чему восьмиосных.
Выводы о возможности применения предложенных В.Н. Игиным методов таковы. Метод оценки энергоэффективности локомотива через удельные энергозатраты ТЭР на создание силы тяги можно применять только для сравнения параметров единиц эксплуатируемого парка с одинаковыми или предельно близкими значениями скорости длительного режима. Метод оценки экономичности локомотива через затраты ТЭР на его перемещение на 1 км допустимо применять только для сравнения локомотивов с одинаковыми или предельно близкими значениями силы тяги в длительном режиме работы.
Перечисленные недостатки рекомендуемой методики вынуждают сделать следующий вывод: концепцию оценки энергоэффективности локомотивов, пригодную к практическому применению, пока разработать не удалось. Выражаю надежду, что работы по решению этой проблемы будут продолжены, в том числе и с участием д-ра техн, наук В.Н. Игина.
Его утверждение о более высокой энергоэффективности давно используемых локомотивов в сравнении с вновь приобретаемыми заслуживает более детального изучения. Для этого необходимо получить данные об удельном расходе ТЭР для сравниваемых серий локомотивов в одинаковых условиях, т.е. на одном участке эксплуатации. Приведенные В.Н. Игиным данные удельного расхода ТЭР являются аргументом в пользу продления срока службы давно работающих локомотивов.
Нельзя обойти стороной критические замечания на обсуждаемую статью, содержащиеся в публикации д-ра техн, наук Б.Д. Никифорова «Энергоэффективность локомотивов в зеркале кривой статистики», напечатанные журнале «Локомотив» № 10,2016 г. Автор статьи утверждает, что использование В.Н. Игиным статистических данных за 2015 г. неправомерно из-за того, что именно в этом году США и Евросоюз развернули санкции против России.
Ввод экономических санкций, вне всякого сомнения, оказал негативное влияние на макроэкономическую ситуацию в нашей стране, но данных о влиянии санкций на снижение КПД тяговых двигателей или дизель-генераторных установок локомотивов пока не обнародовано. В статье «Энергоэффективность локомотивов в зеркале статистики» рассматриваются чисто технические проблемы работы локомотивного парка сети и критика методики автора не должна выходить за рамки технической области.
