Сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии с повышенным числом зарядно-разрядных циклов в энергетической системе газотурбовоза Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии с повышенным числом зарядно-разрядных циклов

ъ/

в энергетической системе газотурбовоза

А. И. ХОЖАИНОВ, докт. техн. наук, профессор, академик РАТ, Г. Е. СЕРЕДА, канд. техн. наук, доцент

В результате исследований, выполненных ранее [2], установлено, что расчет по относительной величине среднего времени тяговых нагрузок газотурбинных двигателей (ГТД) при подключении вспомогательного электрооборудования и сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии (СПИН) позволяет увеличить эксплуатационный к.п.д. газотурбовоза, но при больших пробегах локомотива энергоемкость СПИН получается значительной. В данной статье показано, что в случае перемежаемости тяговых режимов ГТД с режимами холостого хода появляется возможность увеличить число зарядно-разрядных циклов СПИН и уменьшить энергоемкость накопителя.

Преимущества использования газотурбинных двигателей (ГТД) на автономных локомотивах многие годы привлекали внимание специалистов. Сдерживающим фактором широкого внедрения газотурбовозов являлся низкий к.п.д. ГТД.

В последние два десятилетия положение существенно изменилось, так как, с одной стороны, в ГТД четвертого поколения удалось значительно увеличить максимальную температуру цикла и поднять к.п.д. двигателя до 40%, а с другой стороны, назрела необходимость в создании мощных высокоскоростных автономных локомотивов.

ГТД четвертого поколения были разработаны для авиации, но использованные технические решения применили для двигателей морских судов и агрегатов стационарных электростанций. В наши дни весьма своевременно при некоторой модернизации использовать ГТД нового поколения для перспективных автономных локомотивов [1].

Сегодня целесообразно говорить о следующих основных преимуществах ГТД перед дизелем: существенно лучшие мас-согабаритные показатели, высокая ремонтопригодность, больший ресурс и значительно меньший процент вредных выбросов в окружающую среду.

В ряде последних публикаций рассматривалась возможность применения в тяговых электроэнергетических передачах газотурбовозов ГТД совместно с накопителями энергии, в том числе сверхпроводниковыми.

1. Двухвальный ГТД газотурбовоза со свободной тяговой турбиной

В нашей работе [2] были изложены результаты исследований применения СПИН в составе газотурбинной энергетической установки для повышения коэффициента использования мощности в режиме долевых тяговых нагрузок, это позволяет увеличить эксплуатационный к.п.д. пэ газотурбово-

за. Рассматривался способ совместного подключения СПИН (режим заряда) и вспомогательного электрооборудования (ВЭО) к тяговому генератору в нагрузочном режиме; в режиме холостого хода ГТД ВЭО получает питание от СПИН (режим разряда).

Принципиальная схема ГТУ с двухвальным ГТД и свободной тяговой турбиной приведена на рис. 1.

Приняты условные обозначения: К — компрессор, КТ — компрессорная турбина, КС — камера сгорания, ТТ — свободная тяговая турбина, Г — тяговый генератор, ОЭК и ВЭК — основной и вспомогательный энергетические каналы. На схеме показаны температура (Т) и давление (р) на различных участках движения газа.

По основному каналу энергия через преобразователь (ТП) подводится к тяговым электродвигателям, по маломощному каналу через преобразователь (П) — к вспомогательному электрооборудованию (ВЭО) и СПИН (в режиме заряда).

В режиме холостого хода ГТД СПИН, разряжаясь, отдает запасенную энергию (через преобразователь) ВЭО.

Тг,Р2

К

КС

1 Тз,рз

ОЭК

КТ

ТТ

та

Заряд

•кТД Разряд

ВЭК

Ti.Pi

Т4,Р4

спин

ВЭО

ВЭО

Рис. 1

НАУКА •

Установлено, в частности, что при мощности ВЭО, составляющей 5—6% от мощности ГТД, и относительном расходе

топлива в режиме холостого хода <20 = = ОД (где ()0 —

во

расчетный расход топлива в номинальном режиме) увеличение может составлять несколько процентов. Все расчеты проводились при относительном среднем времени холо-

- тх

стого хода Т х =-= 0,35 (где Тп — полное время пробега локомотива).

Исходя из предложенного способа энергоемкость СПИН, определяемая по мощности ВЭО и времени холостого хода, существенно зависит от величины полного времени пробега локомотива и при больших его значениях может быть значительной.

Таким образом, в первом приближении необходимо рассматривать реальные режимы работы ГТД, которые носят неравномерный перемежающийся характер (в процессе движения локомотива режим долевых тяговых нагрузок и холостого хода чередуются).

В основу расчета по средним показателям [2] была положена опытная зависимость безразмерной величины време-— ^

ни холостого хода (Тх = от полного коэффициента

7/т

мощности К

1 тп

— J N-dT

К-1п_А

К

где N0 — номинальная мощность ГТД.

K = kN(l-Tx);

(1)

(2)

1 N

- JN-dr

где

и _ 0 ft N —

Nn

— коэффициент использования мощности в режиме долевых тяговых нагрузок.

Предложенная схема [2] позволяет повысить величину кИ, что приводит к увеличению эксплуатационного к.п.д.

(Г]э) газотурбовоза.

Энергоемкость СПИН равна мощности вспомогательного оборудования, умноженной на время холостого хода

Фсп=Хв-тх. (3)

При сохранении Т х неизменной величиной выражение (3) удобно представить в следующем виде:

Wcn=m-N0-Tx -тп;

где Ш — доля мощности ВЭО от TVg.

(4)

Из (4) следует, что для конкретного газотурбовоза (m = const) энергоемкость СПИН прямо пропорционально зависит от полного времени пробега и при большой его величине может достигать очень больших значений.

Судя по приведенным данным, проблема снижения ]¥сп при больших Та весьма актуальна. Одним из путей ее решения является уменьшение времени цикла заряд-разряд СПИН. В связи с этим рассмотрим нагрузочные диаграммы реальных грузовых локомотивов.

2. Нагрузочные диаграммы главного двигателя автономного грузового локомотива

На рис. 2 представлен фрагмент нагрузочной диаграммы двигателя при движении тепловоза 2ТЭ116 на одном из маршрутов (полное время пробега локомотива Тц составляет 12 ч). Данная нагрузочная диаграмма носит неравномерный перемежающийся характер; времена долевых тяговых нагрузок и холостого хода различны, разными являются и величины средней мощности в периоды нагрузок

Для двигателей других тепловозов отмечается такой же характер нагрузочных диаграмм.

В качестве первого приближения целесообразно для ГТД газотурбовоза нагрузочную диаграмму принять равномерной перемежающейся, с одинаковыми чередующимися циклами; сохранить неизменными соотношения между средними временами нагрузок и холостого хода за период полного пробега и цикла.

При этом удобно по оси ординат откладывать безразмерный коэффициент мощности Км, а по оси абсцисс безраз-

мерное время цикла (рис. 3), где Тщ =

Тхц =

1ХЦ

'NL(

"Ц

Сохранив для Т1Щ и Т ХЦ безразмерные времена, равные их средним значениям за весь пробег, и приняв Тц 1,0, тем самым мы распространяем полученный результат о повышении эксплуатационного Т]э , причем

т„ 0,65

Принимая исходные данные для расчетов: = 6 МВт;

ГП = 0,05 • N о; Тхц — 0,35; Тц = 1 ч для энергоемкости СПИН, получим:

цгспо = 0,05 • 6 • 106 • 0,35 • 3600 = 377 мдж

Как следует из реальных нагрузочных диаграмм главного двигателя, сохранение параметров цикла неизменными заведомо невыполнимо. На первом этапе, полагая время цикла величиной постоянной, можно рассматривать три возможных частных случая, рис. 4 (а, б, в). На приведенных рисунках показаны схемы включения СПИН, ВЭО и Г, соответствующие различным случаям.

Для бесперебойного питания ВЭО при д > , в связи с переходом ГТД в режим холостого хода СПИН переводится в режим разряда, но, поскольку ТУСП < 1УСП0 , в конце режима

холостого хода ВЭО должен быть кратковременно подключен к тяговому генератору вместе со СПИН (режим заряда).

При ^ < СПИН получит расчетное значение энергии до окончания долевых тяговых нагрузок и должен быть переключен в режим хранения полученной энергии, при этом ВЭО будет получать энергию от генератора до окончания нагрузочного режима, а затем перейдет на питание от СПИН, который не сможет полностью разрядиться в связи с переходом ГТД в режим нагрузки, СПИН начнет заряжаться.

С учетом перемежающегося режима работы ГТД и возможности подключения ВЭО и СПИН к генератору при отключенных тяговых двигателях большое значение приобретает приемистость турбогенератора, под которой следует понимать подключение или отключение от него вспомогательной нагрузки.

3. Приемистость двухвального ГТД газотурбовоза

Переходные режимы двухвального ГТД со свободной тяговой турбиной (рис. 1) в общем случае определяются двумя уравнениями движения:

для турбогенератора

¿/а .. ..

(5)

Jir.^ = MlT-Mcr>

dt

для турбокомпрессора

J . d^TK = м _м ° тк ^ 1У1КГ 1Г±СК

(6)

где и — скорости вращения турбогенератора

и турбокомпрессора;

3уг и 3тк — моменты инерции турбогенератора и турбокомпрессора;

М^ — вращающий момент, развиваемый тяговой турбиной;

м.

сг — момент сопротивления, создаваемый генератором;

Мкт — вращающий момент, развиваемый компрессорной турбиной;

Aiск — момент сопротивления, создаваемый компрессором;

Исходя из концепции, разработанной во ВНИКТИ, при любых нагрузках турбогенератор работает с постоянной скоростью (исключая режимы полной остановки турбины и ее пуска). Это означает

= 0; Qrr = const; М^ = Мсг,

dr

что достигается полной синхронизациеи изменения

М^ и Мсг.

Таким образом, для исследования приемистости ГТД остается одно уравнение. Опуская индексы в левой части уравнения (6), перепишем его в виде

J-^ = MKT~MCK

(7)

где

G ■ С™, • Т,

'Мк- О'

(7 —расход газа;

7]кт и 7]к — кпд. компрессорной турбины и компрессора;

Срт — удельная теплоемкость рабочего тела.

Разделяя переменные и интегрируя (7), можно получить следующие выражения для времени приемистости нагрузки:

^пр —

где

J il20 аР dQ.. GO cpt t\ QvAM

(8)

ДМ = £-Q

Лк

о=-£; ~e=!L,

Gn

вп

Оу

а л — относительная скорость вращения турбокомпрессора в течение холостого хода;

— относительная скорость вращения турбокомпрессора при нагрузке.

Е. Т. Бартош [3] приводит исследования интеграла в правой части (8) в виде графических функций в зависимости от

Кко, в0, О и ¡1, где определяет пропускную способность тяговой турбины. Для данного интеграла предлагается следующая аппроксимация:

А М

(9)

где Кк режиме;

отношение давления сжатия в номинальном

вп

- отношение граничных температур цикла.

Подчеркивается, что особенно эффективно повышение значений параметра^ до 1,3-1,4.

Переходя к частоте вращения турбокомпрессора

Q =

2 n-n 60

, с учетом (8) и (9) получим

тп=Пт~-ьо

где Я =

(l000 + 4 -я2ко)- ^н-и,)

1 + 6-^-1 J

(10)

J-ni

имеет размерность времени

90-во-Срт-Т^

и может быть названа термогазомеханической постоянной времени.

Из приведенных формул следует, что высокая приемистость ГТД может быть достигнута уменьшением момента инерции турбокомпрессора и номинальной частоты вращения.

Мер, кВт 900

Зависимость мощности от времени

:

Время, ч

Рис. 2

В связи с отсутствием технических характеристик турбины для газотурбовоза рассматриваемой мощности в качестве исходных для расчета был выбран момент инерции крупного авиационного турбокомпрессора [4], а также приняты во внимание рекомендации, приведенные в [1].

Исходные данные для расчета:

J = \0кгм2, во=20кг/-, 7СК0= 10; 0О=5,12

(7; = 288 К, Тг = 1480 К); па = 6000 об

= 10

Дж кг К

мин

Принято также: Пх — 0,55; // = 1,3 ■

По приведенным формулам получено: Пт = 0,7 с, гл ~ 1 с, что согласуется с выводами [1].

Таким образом, принимая в первом приближении перемежаемость режимов работы ГТД равномерной циклической, расчет энергоемкости СПИН по мощности ВЭО и времени холостого хода цикла при больших пробегах локомотива позволяет значительно уменьшить ее величину по сравнению с расчетом по среднему времени холостого хода за весь пробег. Возможные отклонения параметров цикла приводят к значительному расширению режимов работы СПИН и ТГ, то есть в процессе движения локомотива для бесперебойного питания ВЭО необходимо применять микропроцессорное управление.

Приемистость двухвального ГТД в случае принятых исходных данных высокая.

Литература

1. Косов Е. Е., Перец В. В. Перспективы применения газотурбинных двигателей на тяговом подвижном составе // Вестник ВНИИЖТ, 2000. — № 5. — С. 16-19.

2. Хожаинов А. И., Никитин В. В., Середа Г. Е. Способ применения сверхпроводникового накопителя энергии (СПИН) для повышения экономичности грузовых газотурбовозов // Транспорт Российской Федерации, 2007. — №7. — С. 29-31.

3. Бартош Е. Т. Газотурбовозы и турбопоезда. М: Транспорт, 1978. — 310 с.

Кы

0,6

Рис. 3

ПИНI

-»□□«цИ

| ВЭО I

кЭ7ЖЛ п

г» =— = 0,54

гт=0,65 < ?ко=0,35 ^

<— ->

|слиг| \сшЫ\ 1 А 1 1 СПИН +

Ч Г Н п 1 1 п \

- * *

| ВЭО | \ ВЭО \ \ ВЭО

1

<- Ъи <- ! 1x1

«1>9о

01= —

^ЛП

|а7ж| \спин \спин

Ч г Н п 1

1

I ВЭО | | ВЭО | ВЭО

<- %а —1->

02 < «о 02= —

Рис. 4