Целесообразность создания маневровых тепловозов в России подтверждается результатами, полученными в ходе подконтрольной эксплуатации отечественных газомоторных локомотивов, работающих на сжиженном природном газе, проведенной в 2013 — 2021 гг. на полигоне Свердловской дороги. Кроме того, в нашей стране имеются все предпосылки и большой опыт создания подобного тягового подвижного состава, необходимые для реализации данного проекта.
Еще в начале 1980-х годов специалистами ВНИИЖТ была создана лаборатория теплосиловых установок и альтернативных топлив. Для отработки основных технических решений по созданию маневровых газомоторных локомотивов стал проект перевода на газодизельный цикл с применением КПГ серийного маневрового тепловоза ТЭМ2У-8496, реализованный в лаборатории на базе локомотивного депо Москва III в 1987 г. Штатный дизель-генератор ДГ50 был переведен в газодизельный режим. Для хранения КПГ была установлена батарея из 10 серийных стальных баллонов объемом 800 нм3 (нормальных кубических метров), хранящихся под давлением 20 МПа. Запас был рассчитан на работу локомотива без дозаправки в течение трех суток. В 1989 г. были проведены испытания тепловоза, во время которых была подтверждена возможность снижения уровня эксплуатационных затрат.
В 1998 г. был реализован совместный проект ВНИИЖТ и Брянского машиностроительного завода. На базе серийно выпускавшегося маневрового тепловоза ТЭМ18 были спроектированы и построены два опытных маневровых газодизельных тепловоза ТЭМ18Г № 001, 002, работающие на КПГ. Основные технические характеристики газоте-пловозовТЭМ18Г приведены в табл. 1.
В ходе опытной эксплуатации тепловозов ТЭМ18Г на Московской, Октябрьской и Свердловской дорогах был подготовлен эксплуатационный и ремонтный персонал, создана материально-техническая база для заправки КПГ, отработаны вопросы технического обслуживания и ремонта. Заправка баллонов КПГ производилась от передвижного автогазозаправщика (рис. 14).
При этом был отмечен целый ряд системных замечаний. Основным аргументом, не позволившим руководству ОАО «РЖД» принять положительное решение о передаче газотепловозов ТЭМ18Г в постоянную эксплуатацию и массовом их тиражировании, был все тот же недостаточный бортовой запас КПГ для работы в нормальном цикле работы маневрового локомотива с заходом на экипировку и ТО-2 (1 раз в 7 суток). Учитывался еще и тот факт, что двигатели могли работать в газодизельном режиме в узком диапазоне (с 4-й позиции контроллера машиниста из восьми имеющихся) и, соответственно, имели малый процент замещения дизельного топлива КПГ (не более 25 ... 36 %). При максимальных нагрузках, которые не характерны для режима работы маневрового локомотива, уровень замещения не превышал 50 %.
Перед коллективом ВНИИЖТ впоследствии была поставлена задача значительно повысить продолжительность работы га-зотепловоза без дозаправки сжатым природным газом и долю замещения дизельного топлива природным газом. Данные работы были продолжены на тепловозе ЧМЭЗ, который получил обозначение ЧМЭЗГ (рис. 15,16). Основные технические характеристики газотепловоза ЧМЭЗГ-1994 приведены в табл. 2.
На тепловозе ЧМЭЗГ-1994 удалось реализовать работу в газодизельном режиме в диапазоне с 3-й по 8-ю позиции контроллера машиниста и увеличить бортовой запас КПГ по сравнению с тепловозом ТЭМ18Г в 1,4 раза. На данной модели впервые была применена микропроцессорная система управления газоподготовкой, которая обеспечивала регулирование подачи топлива и газа, отключение подачи газа в нештатных ситуациях.
В 2011 г. тепловоз ЧМЭЗГ-1994 прошел опытную эксплуатацию на станциях Силикатная, Лихоборы и Люблино Московской дороги. Однако на данном экспериментальном образце поставленные задачи были решены лишь частично — удалось решить проблемы, характерные для локомотивов ТЭМ18Г. Дальнейшие работы по доводке данного тепловоза были прекращены.
В 2012 г. конструкторским коллективом ОАО «ВНИКТИ» (г. Коломна) началась разработка маневрового газопоршневого тепловоза, работающего на сжиженном природном газе по газовому циклу. Проект
был осуществлен совместными усилиями ОАО «РЖД», ЗАО «Трансмашхолдинг», ОАО «Брянский машиностроительный завод», ОАО «Волжский дизель им. Маминых» и ООО «Балашихинский завод криогенного машиностроения».
Газопоршневой двигатель-генератор ГДГ800Т был построен на базе двигателя 8ГЧН21/26 производства ОАО «Волжский дизель им. Маминых» с системой искрового зажигания, работающего на природном газе по циклу Отто. Бортовая криогенная емкость (БКЕ), предназначенная для хранения СПГ в количестве 3500 кг, была впервые выполнена в виде съемного блока и оборудована креплениями стандартного контейнера (рис. 17). Такое конструктивное исполнение дало возможность быстрой дегазации локомотива перед постановкой в ремонтные цеха и замены опорожненной емкости на заполненную при реализации технологии заправки сменными модулями.
30 мая 2014 г. газотепловоз ТЭМ19-001 поступил в эксплуатационное локомотивное депо Егоршино (ТЧЭ-13) Свердловской дирекции тяги для проведения эксплуатационных испытаний. 1 сентября 2015 г. по завершению полного цикла приемочных и эксплуатационных испытаний АО «УК"БМЗ"» был получен сертификат соответствия на газотепловоз ТЭМ19-001. К 1 ноября 2021 г. ТЭМ19-001 отработал уже 1650 смен на станции Егоршино Свердловской дороги. Наработка силовой установки составила более 19 тыс. ч.
За время эксплуатации данного локомотива было подтверждено, что уровень замещения дизельного топлива составил 500 т, что на порядок выше всех предыдущих экспериментальных отечественных образцов. Несмотря на то, что в период испытаний и эксплуатации тепловоз выдержал ряд модернизаций, он получился вполне работоспособным и неприхотливым в обслуживании.
Еще одним обстоятельством, позволяющим успешно реализовать проект, стало начало серийного производства в России типовых модульных автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) для заправки различных газобаллонных транспортных средств, которые можно применять в том числе для заправки локомотивов (рис. 18). Основные технические характеристики АГНКС приведены в табл. 3.
При данных параметрах АГНКС может обеспечивать ежесуточно полную заправку шести маневровых локомотивов (с бортовой системой газоподготовки емкостью 3500 м3) или частичную дозаправку 10 маневровых тепловозов.
Станция получает газ из магистрального трубопровода, сжимает его до номинального давления (согласно паспорту транспортного средства) и обеспечивает заправку его КПГ (время заправки — до 40 мин).
В состав станции входят (рис. 19) компрессорный агрегат, газовый аккумулятор высокого давления (баллоны высокого давления, рассчитанные на хранение запаса КПГ, необходимого для заправки бортовых баллонов транспортного средства), распределительная панель, система управления получением и распределением КПГ, газозаправочные колонки.
Газозаправочные колонки могут быть установлены в непосредственной близости от железнодорожного (деповского или станционного) пути, на который заходит локомотив для заправки газовым и (или) дизельным топливом.
Таким образом, имеющиеся предпосылки и полученный отечественный и зарубежный опыт создания и эксплуатации газомоторных локомотивов (ГМЛ) подтверждают целесообразность пересмотра концепции разработки отечественных маневровых ГМЛ и объектов газозаправочного инфраструктурного комплекса в отличном от традиционного ракурсе.
Для увеличения ожидаемого экономического эффекта и сокращения сроков окупаемости при переводе на природный газ значительной части отечественного маневрового парка целесообразно рассматривать приоритетное применение газопоршневых двигателей с искровым зажиганием в комплексе с системами газоподготовки не только СПГ, но и КПГ.
При подготовке технико-экономического обоснования следует учитывать ценовые параметры СПГ и КПГ (с соблюдением требований ГОСТ к качеству газа), а также уровень дополнительных расходов на доставку СПГ от мест его производства до мест экипировки ГМЛ и иной газомоторной техники.
Исходя из этих принципов, а также с учетом модульной конструкции блока БКЕ, установленного на газотепловозе ТЭМ19-001, предлагается рассмотреть возможность создания второй версии данного маневрового тепловоза с возможностью его работы на КПГ.
Перевод тепловоза на КПГ возможен путем создания топливного КПГ-модуля (рис. 20), в идеальном варианте взаимозаменяемого с существующим СПГ-модулем (рис. 21). При этом целесообразно сохранить без изменений базовую конструкцию ходовой части, кузова и всех бортовых систем локомотива.
Предварительный расчет, выполненный специалистами АО «ВНИКТИ», показал, что КПГ-модуль кассетного типа можно создать в кратчайшие сроки на базе серийных металлополимерных баллонов с рабочим давлением 250 ... 300 атм., выпускаемых МГХ «Мобигаз. Русские цилиндры» (г. Санкт-Петербург).
Проработаны два варианта компоновки: с применением баллонов объемом 400 л (рис. 22) и 420 л (рис. 23). Основные технические характеристики КПГ-модуля при обоих вариантах приведены в табл. 4.
Для расчетов принимались следующие исходные данные:
О средний расход газа у базового варианта тепловоза ТЭМ19-001 на СПГ (по данным статистики за 2014 — 2020 гг.) — 290 кг за смену;
запас СПГ—на 12 смен.
Снижение бортового запаса топлива от базового варианта ТЭМ19-001 на СПГ (3480 кг) составило:
- по первому варианту: 3480 - 2448 = 1032 кг (8 смен);
- по второму варианту: 3480 - 2772 = 708 кг (9 смен).
При наличии АГНКС непосредственно на железнодорожной станции недостаток можно компенсировать двумя дозаправками объемом до 1000 кг (рис. 24) в периоды ежесуточной смены локомотивных бригад (норматив приемки-сдачи локомотива — в пределах 34 мин).
При этом продолжительность полной заправки 2448 кг составит 1 ч, а продолжи
тельность дозаправки в размере 1000 кг — всего 20 мин, что позволит регулярно выполнять цикл дозаправки в период регулярной смены локомотивных бригад на станции без увеличения накладных времен и, соответственно, возмещения расходов на данные операции.
Для реализации пилотного проекта подобной технологии в настоящее время на железнодорожной станции Егоршино Свердловской дороги имеются все необходимые составляющие:
- в 2018 г. в непосредственной близости от путей отстоя ГМЛ запущена в эксплуатацию новая автоматизированная газовая котельная, к которой подведен газопровод (давлением 3 атм.);
- имеются условия для установки модульной АГНКС и заправочной колонки.
Для реализации пилотного проекта необходимо (рис. 25):
- на площадке рядом с путями отстоя ГМЛ установить модульную АГНКС и заправочную колонку;
- АГНКС подключить к магистральному газопроводу котельной;
- обеспечить заправку ГМЛ (с периодичностью 1 раз в двое суток).
Для возможности получения синергетического эффекта от газификации крупных железнодорожных узлов следует предусмотреть перевод на газовое топливо (рис. 26):
- самоходного подвижного состава (в настоящее время специалистами АО «ВНИКТИ» ведется разработка проекта перевода дрезин типа МПТ на газовое топливо);
- автомобильного транспорта, находящегося на балансе данных подразделений;
- стационарных теплоэнергетических установок (котельных, комбинированных систем отопления с применением инфракрасных и газовоздушных обогревателей, парогенераторов) комплекса структурных подразделений железнодорожного транспорта, расположенных в непосредственной близости от вновь создаваемых объектов инфраструктуры газоснабжения.
Это позволит снизить сроки окупаемости затраченных инвестиционных ресурсов на создание инфраструктуры газоснабжения и в значительной степени улучшить экологическую обстановку в регионах эксплуатации автономного тягового подвижного состава.
В случае получения положительных результатов проведенных испытаний с целью получения комплексного эффекта при газификации узловых станций полигонов газомоторной тяги и снижения сроков окупаемости проектов целесообразно на крупных узловых станциях проектировать газозаправочную инфраструктуру и перевод на газ в двух возможных агрегатных состояниях (КПГ+СПГ) (рис. 27):
- ♦ маневровых и магистральных ГМЛ;
- ♦ самоходного подвижного состава и автомобильного транспорта, находящегося на балансе данных подразделений;
- ♦ теплоэнергетических установок, расположенных рядом с ПЭ СПГ ГМЛ.
При данном техническом решении применение СПГ оправдано для магистральных локомотивов, дальнобойного автотранспорта и маневровых локомотивов и СПС, работающих на удаленных станциях. Для транспортных средств, подвижного состава, работающего в маневровом и передаточно-вывозном движении, а также хозяйственного автотранспорта и СПС наиболее выгодно применение КПГ (по предложенной технологии), который позволит снизить стоимость топлива почти в 10 раз по сравнению с дизельным.
