[09-2019] Гибридный привод: условия применения

[Admin]

Гибридный привод: условия применения

Ученые о новых требованиях локомотивной тяги

С.П. КАЛУГИН, канд. техн, наук, доцент кафедры «Электропоезда и локомотивы» РУТ (МИИТ),

А.С. БЕЛЯЕВ, заместитель директора научного центра

«Цифровые модели перевозок и технологии энергосбережения» АО «ВНИИЖТ»
В настоящее время на железных дорогах мира основным видом эксплуатируемых локомотивов являются тепловозы — только по данным Всемирного Банка их свыше 86 тыс. ед. (учтенный инвентарь). Количество тепловозов за рубежом составляет почти 85 % от общего парка локомотивов.

В нашей стране весьма остро стоит проблема повышения эффективности автономной тяги. Это связано с целым комплексом факторов, среди них важнейшими являются рост цен на дизельное топливо и худшие, в сравнении с электрической тягой, эксплуатационные показатели (пропускная и провозная способность участков с автономной тягой, время доставки грузов и пассажиров).

Ситуация на российских железных дорогах такова, что провозная способность участков при тепловозной тяге на 10 — 20 %, а на отдельных перегонах с преобладанием руководящих подъемов значительной крутизны, на 40 — 50 % меньше, чем при электрической. Средние ходовые и технические скорости при электрической тяге на 10 — 12 % выше, чем при тепловозной, а увеличение скоростей, помимо повышения провозной способности, сокращает потребности в подвижном составе и локомотивных бригадах [1,2,3].

У нас автономная тяга применяется, в основном, на сравнительно малодеятельных участках железных дорог, ответвлениях от крупных магистралей. Формально к малодеятельным участкам относят такие, на которых интенсивность движения составляет менее 8 пар поездов в сутки или приведенная грузонапряженность менее 5,0 млн. т-км брутто на км. На сегодня, малодеятельных участков в России 15,3 тыс. км, или приблизительно 18 % от протяженности всей сети линий ОАО «РЖД», в том числе 0,56% линий 3-го класса, 5,7 % линий 4-го класса и 11,85% линий 5-го класса [4]. Несмотря на достаточно высокий показатель, это должно считаться нормальным из-за низкой плотности населения на большей части России, что особенно актуально для Сибири и Дальнего Востока (табл. 1).

Но сравнительно низкая эффективность российских тепловозов вредит работе не только малодеятельных линий. Не секрет, что на железных дорогах нашей страны основная доля грузооборота приходится на электрическую тягу. Протяженность электрифицированных путей составляет 43,7 тыс. км — диаграмма, представленная на рис. 1, наглядно показывает, что это около 1/3 общей протяженности железнодорожных путей в России.

Как известно, почти все главные магистральные линии (I категории — по СНиП 32-01), «основные ходы» или электрифицированы или, согласно имеющимся стратегиям развития, готовятся к электрификации. На этих ходах доживают свой век старые «советские» магистральные тепловозы или их рестайлинговые модификации — всего около 5 % тепловозного парка. Из-за отсутствия в нашей стране тепловозов, соответствующих современным требованиям тяги, при массовых перевозках с годовой грузонапряженностью свыше 80 млн. т-км брутто высокую производительность и эффективность, на сегодняшний день, обеспечивает именно электрификация.

Однако почти каждый полученный или отправленный вагон обслуживается автономной тягой (в основном, тепловозами) — вагоны, чтобы дойти до конечного потребителя, почти всегда должны отцепляться от электровозов и следовать с тепловозами по железнодорожным веткам, т.е. линиям рокадного, межрайонного (II), районного (III), местного (IV) или локального соединительно-подъезного (V категория) значения, ответвлениям от главных ходов, «неглавным» путям, «неглавным» ходам, протяженность которых значительно превосходит протяженность главных магистральных линий (см. рис. 1).

Всего в нашей стране 80,3 тыс. км таких путей, из них 41,8 тыс. км путей общего пользования и, как минимум, 38,5 тыс. км путей необщего пользования (официальной статистикой учитываются только пути, эксплуатируемые по договорам с контрагентами, например, с ОАО «РЖД»). Таким образом, почти все вагоны проводят именно тепловозы, которых также, соответственно, намного больше, чем электровозов.

Как отечественный, так и мировой опыт показывает, что доход от эксплуатации таких ответвлений сравнительно мал. Это позволяет закрывать их одно за другим без ущерба для деятельности магистралей, но с закрытием значительного числа малодеятельных участков снижается грузопоток на магистралях. Он может снизиться настолько, что окажется невыгодно поддерживать контактную сеть, и магистраль сама станет малодеятельной линией, а грузопотоки возьмет автомобильный транспорт, который всегда наготове и издержки которого от величины грузопотоков зависят весьма слабо. Что, собственно, сейчас и происходит, несмотря на то, что действующие нормы расхода топлива указывают на многократное превышение удельных энергозатрат (удельных затрат дизельного топлива) автомобильного транспорта над железнодорожным. Например, если сравнить автотягач МАЗ-6422 и тепловоз 2ТЭ116 — получается семикратная разница; сравнение других пар близкого технического уровня дает похожие результаты.

В итоге останется лишь та часть магистралей, которая обслуживает массовые сырьевые перевозки преимущественно экспортного характера. Более того, в ряде стран железные дороги стагнировали, стали анахронизмом или исчезли вовсе. Остановить такую деградацию железных дорог можно лишь благодаря повышению эффективности малодеятельных линий, в частности, эффективности автономной тяги. Возникает необходимость принципиального улучшения характеристик автономных локомотивов.

Один из наиболее перспективных способов повышения эффективности автономных локомотивов — это применение локомотивов с силовыми установками, имеющими накопители энергии. Такие локомотивы, получившие название гибридных, получают в настоящее время распространение за рубежом, в эксплуатации находятся уже сотни таких локомотивов. Под гибридной силовой установкой понимают сочетание двух принципиально различных источников энергии — первичного теплового и вторичного, как правило, нетеплового, в отличие от комбинированных энергетических установок, представляющих собой комбинацию двух различных тепловых двигателей — поршневого и газотурбинного.

Опытные образцы гибридных локомотивов построены и в России. Сопоставление их характеристик по данным из открытых источников приведено в табл. 2.

Экономическая эффективность гибридных локомотивов, характеризующаяся среднеэксплуатационной экономией дизельного топлива, указана в табл. 3. Сравнение обычно производится с локомотивами, ранее эксплуатировавшимися на объекте, либо с локомотивом-прото-типом, имеющим традиционную схему силового оборудования.

Энергетические установки с накопителями энергии обладают перегрузочной способностью, т.е. способностью относительно кратковременно и ценой некоторого снижения ресурса и энергоэффективности отдавать в нагрузку мощность выше номинальной. Использование перегрузочной способности теоретически позволяет организовать движение поездов с постоянной скоростью по перегону, вне зависимости от уклонов и других переменных факторов и повысить пропускную способность участков. Применение накопителя энергии, кроме того, позволяет осуществлять электродинамическое торможение с возвратом энергии в накопитель.

На практике профиль пути может быть настолько сложным, что постоянство скорости окажется нереализуемым из-за ограничений. Их два: ограничение по емкости накопителя и ограничение по мощности тягового двигателя. Анализ профиля пути с целью выявления этих ограничений, по-видимому, не предпринимал

ся ранее, и методик такого анализа не существует.

В настоящее время широко применяется классификация профилей пути по методике АО «ВНИИЖТ» (табл. 4), согласно которой в зависимости от трудности профиля, учитывающей долю уклонов и их крутизну, выделяются четыре классификационные группы [5]. Недостатками этой классификации являются подразумевающаяся корреляция между долей площадок и крутизной расчетных подъемов и отсутствие учета важнейшего обстоятельства, влияющего на энергозатраты локомотива, — характера сочетаний элементов профиля, группировки уклонов и площадок по отдельности или их чередования.

Но условия эксплуатации локомотива не исчерпываются профилем пути. К ним следует относить все встречающиеся массы составов, особенности графика работы либо графика движения, т.е. периоды холостого хода и стоянок, и другие особенности работы. Их всесторонний учет (особенно для целей автономной тяги), по-видимому, является совершенно новой задачей, поскольку ранее не существовало серийных либо перспективных образцов тягового подвижного состава с накопителями энергии в силовой цепи. Не предпринимались и попытки поэлементной оценки профилей пути по энергетическим критериям, за исключением некоторых идей, изложенных в гл. 10 «Тяговые качества профиля пути» известного учебника по теории тяги поездов [6] и в более новых учебниках [7,8, 9,10] развития не получивших.

Один из предлагаемых подходов к выбору экономически обусловленного сочетания локомотива со своим полигоном эксплуатации заключается в анализе зависимости энергозатрат от пробега. Рост зависимости энергозатрат от пробега (рис. 2) обусловлен не только ростом сопротивления движению подвижного состава с ростом скорости, но и ростом массы составов. На рис. 2 можно выделить три области (они обозначены римскими цифрами). Так, в области I имеет место преимущественно маневровая работа (особым случаем является горочная работа, анализ энергозатрат для нее еще предстоит выполнить). В области II к маневровой начинает добавляться вывозная и хозяйственная работа, а в области III имеет место магистральная работа с резким переходом от случайных (иногда очень коротких) составов к составам расчетной массы.

В области I при среднесуточных пробегах 100 — 150 км энергозатраты составляют 250 — 450 кВт-ч, и при имеющихся на сегодняшний день характеристиках аккумуляторов (включая их стоимость) наиболее экономически эффективным является аккумуляторный локомотив. По некоторым оценкам, его применение сократит денежные затраты на энергоресурсы от 3 до 15 раз. Однако расход энергии на отопление кабины машиниста и термостатирование аккумуляторной батареи, доходящий до 25 — 30 % энергозатрат на тягу, делает целесообразной в зимнее время гибридную схему, при которой тепло для обогрева берется из системы охлаждения подзарядной дизель-генераторной установки. Мощность последней выбирается из расчета обогрева кабины, т.е. выработка электроэнергии ею будет заведомо недостаточна, и локомотив будет иметь комбинированное энергоснабжение (электроэнергией и дизельным топливом).

Так, для переоборудования тепловоза ТЭМ2 на аккумуляторную тягу расчеты дают следующие показатели:

- среднесуточный пробег 85 км;

- среднесуточные энергозатраты на тягу 340 кВТ'Ч;

среднесуточные энергозатраты на обогрев кабины при температуре -36 °C (г. Череповец Вологодской обл., температура наиболее холодных суток обеспеченностью 0,92 по СНиП 2.01.01—82 «Строительная климатология и геофизика») — 41 кВт-ч (с учетом ГОСТ 31428—2011 «Тепловозы маневровые» и ГОСТ 12.2.056—81);

- энергозатраты на термостатирование аккумуляторной батареи (литий-железо-фосфат-ной системы) — 35 кВт-ч;

- энергозатраты среднесуточные общие — 550 кВт-ч.

В области II с пробегами до 350 — 450 км целесообразна классическая гибридная схема, в которой емкость аккумуляторной батареи определяется по известной методике [11], составляя в среднем 200 кВт-ч, а емкость суперконденсаторов (СК) выбирается исходя из следующих соображений: при достаточной емкости аккумуляторов рекуперативное торможение и пуск дизеля производятся аккумуляторами, при меньшей емкости АБ — емкость СК выбирается методом «ломаного коридора». При этом выявляются элементы профиля, являющиеся определяющими для параметров силового оборудования локомотива.

В области III целесообразна классическая тепловозная схема, которая может снабжаться суперконденсаторным накопителем для обеспечения пуска дизеля и рекуперативного торможения, если позволяют лимиты веса и объема для оборудования. Важнейшей же величиной является мощность дизеля, определяемая по той же методике [11], хотя для пассажирских тепловозов разрабатывается специальная методика определения оптимальных параметров силового оборудования. Аналогично тепловозной схеме можно рассчитывать накопитель для газотурбовоза.

Наряду с изучением условий эксплуатации, важным условием эффективного применения накопителей энергии является изучение факторов, влияющих на их ресурс. Это в настоящее время также малоизученная область энергетики. Известно, что ресурс аккумуляторов определяется числом циклов заряд/раз-ряд и их глубиной, скоростью заряда и разряда, а также температурным режимом. Ресурс суперконденсаторов практически не зависит от числа циклов заряд/разряд, но существенно зависит от рабочей температуры и особенно от сочетания степени заряда и температуры хранения.

Так, для некоторых типов отечественных суперконденсаторов, по информации изготовителя, ресурс при температуре не выше +25 °C и любой степени заряда заявлен не менее 10 лет. Столько же составляет срок хранения полностью разряженного суперконденсатора, а для полностью заряженного суперконденсатора при температуре выше +65 °C — всего 1000 ч. Кроме того, ресурс накопителей обоих типов сокращают случаи перезаряда. Разработка общей формулы ресурса накопителей является насущной потребностью энергетики и экономики транспорта.

Постоянное совершенствование накопителей, повышение их энергоемкости, ресурса и снижение цены приводят к смещению обозначенных границ по пробегу между областями I — III в сторону больших значений. В [12] сообщается о появлении аккумуляторного магистрального грузового локомотива, по-видимому, первого в мире, с накопителем беспрецедентной энергоемкости 2400 кВт-ч. Экономическая эффективность его применения вызывает серьезные сомнения, притом что целесообразно получить опыт его эксплуатации. Однако само его появление говорит о замечательных перспективах применения накопителей энергии.

Как видно, сбор и обработка данных по условиям эксплуатации современных локомотивов являются совершенно новой и непростой задачей. Они необходимы для достижения максимального экономического эффекта. Как показано в публикациях (например, [13]), эксплуатация гибридного локомотива в условиях, наиболее выгодных для его конкретных конструктивных параметров, по сравнению с эксплуатацией в среднесетевых (и тем более в невыгодных) условиях может приводить к дополнительному экономическому эффекту порядка десятков тысяч долларов в год. И эта оценка, в общем, согласуется с оценкой, сделанной автором настоящей статьи.

Таким образом, при проектировании или закупке новых локомотивов учет особенностей профиля пути на основании специальной классификации, наряду с учетом других условий эксплуатации, позволяет заметно повысить экономическую эффективность автономной тяги.

Следует особо отметить, что получение низкого экономического эффекта при неудачном выборе места опытной эксплуатации нового локомотива может дискредитировать саму идею гибридных силовых установок. А этого не следует допускать, поскольку широкое применение накопителей энергии на тяговом подвижном составе не только снижает расход топливно-энергетических ресурсов и уровень вредных выбросов, не только способствует развитию высокотехнологичных отраслей отечественной промышленности, но и повышает устойчивость экономики в сложных ситуациях.

Библиография

1. Подвижной состав и тяговое хозяйство железной дороги : Учеб, пособие / В.Т. Углов, А.И. Купоров.

— М.:МИИТ, 1982.-63 с.: ил.

2. Экономика железнодорожного транспорта: [Учеб, для вузов ж.-д. трансп.] / М.Н. Беленький, В.А. Дмитриев, А.И. Журавель и др. ; Под ред. доц. Ф.П. Мулюкина. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1975,415 с.

3. Экономика железнодорожного транспорта: Учеб, для вузов ж.-д. трансп. Под ред. Е.Д. Ханукова.— М.: Транспорт, 1979 — 544 с.

4. Сводная ведомость классов и специализации железнодорожных линий ОАО «РЖД». 2015 г.

5. Бородулин И.П. и др. Тепловозы. Конструкция, теория и расчет / Под ред. Н.И. Панова. М., «Машиностроение», 1976,544 с., ил.

6. Бабичков А.М., Гурский П.А., Новиков А.П. Тяга поездов и тяговые расчеты: Учеб, для вузов ж.-д. трансп. — М.: Транспорт, 1971. — 280 с.

7. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги: Учебник для вузов ж.-д. трансп. — М.: Транспорт, 1983. — 328 с.

8. Кузьмич В.Д., Руднев В.С., Френкель С.Я. Теория локомотивной тяги: Учебник для вузов ж.-д. транспорта / Под ред. В.Д. Кузьмича. — М.: Издательство «Маршрут», 2005. — 448 с.

9. Постол Б.Г. Теория локомотивной тяги: Учеб, пособие. — Хабаровск: ДВГУПС, 2009 — 100 с.

10. Деев В.В., Ильин Г.А., Афонин Г.С. Тяга поездов.

— М.: «Транспорт», 1987, — 264 с.

11. Калугин С.П. Экономический выбор параметров силовой установки гибридных локомотивов. — Мир транспорта, 2015; 13(4): 126 — 137.

12. Железная дорога BNSF и GE Transportation проведут испытания грузового локомотива с питанием от аккумуляторных батарей/ Железные дороги мира, 2018. № 11 — с. 8.

13. Amine Jaafar, Bruno Sareni, and Xavier Roboam. A Systemic Approach Integrating Driving Cycles for the Design of Hybrid Locomotives. IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 62 (2013), Iss. 8, pp. 3541 — 3550.