CC BY
19
Kazanskii G.A., Spivakovsky A.L., Devyatkov V.F. Vagony (Cars). Moscow: Transport Publ., 1980 439 p. (In Russian).
10. Railway applications. Wheelsets and bogies. Method of specifying the structural requirements of bogie frames; DIN EN 13749-2011. German version EN 13749:2011, 57 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Гаджиметов Гаджимет Исамединович
АО «Научно-исследовательский и конструктор-ско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»).
Октябрьской революции ул., д. 410, г. Коломна, 140402, Российская Федерация.
Руководитель Испытательного центра подвижного состава.
Тел.: +7 (496) 618-82-48, доб. 11-27.
Е-тай: gajimetov-gi@vnikti.com
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Гаджиметов, Г. И. О влиянии кососимметричной остаточной деформации рамы тележки вагона на безопасность движения / Г. И. Гаджиметов. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2022. -№ 1 (49). - С. 22 - 32.
INFORMATIONS ABOUT THE AUTHOR
Gadzhimetov Gadzhimet Isamedinovich
JSC «Scientific-Research and Design-Technology Institute of Rolling Stock» (JSC «VNIKTI»).
410, Oktyabrskoy Revolutsii st., Kolomna, 140402, Russian Federation.
Head of Rolling Stock Test Center
Phone: +7 (496) 618-82-48, ext. 11-27.
E-mail: gajimetov-gi@vnikti.com
BIBLIOGRAFIC DESCRIPTION
Gadzhimetov G.I. About the influence of antisymmetric permanent strain of the wagon bogie frame on traffic safety. Journal Of Transsib Railway Studies, 2022, no. 1 (49), pp. 22-32 (In Russian).
УДК 625.111:629.4.016.3:621.337.522
М. Ю. Кейно
Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС), г. Хабаровск, Российская Федерация
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ КАК КРИТЕРИЙ ВЫБОРА ВИДА ТЯГИ ДЛЯ НОВЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Аннотация. Статья посвящена оценке возможности эффективного использования рекуперируемой энергии как ключевого фактора при выборе типа тягового подвижного состава для вождения поездов на проектируемой железнодорожной линии Дальнего Востока России. Проектируемая линия будет использоваться для перевозки угля и генеральных грузов, отправляемых в порты Охотского моря и на экспорт. Строительство новой линии даст толчок развитию северных районов Хабаровского края и северо-востока Амурской области. С учетом уникального профиля линии, имеющей протяженный спуск к морскому побережью, основная идея работы состоит в том, чтобы использовать огромное количество потенциальной энергии для выработки достаточного количества электричества для покрытия потребностей поездов встречного направления, идущих на подъем. Выполнены тягово-энергетические расчеты, которые позволили определить расчетный диапазон скоростей движения поездов и объемы потребляемой энергии. Показана возможность существенного энергетического самообеспечения рассматриваемого участка для тяги поездов при условии организации эффективного энергообмена между электровозами, находящимися на одной межподстанционной зоне, что возможно только при движении грузовых поездов по фиксированному расписанию. Оценка объемов рекуперируемой энергии показала, что рассматриваемые объемы энергии не могут быть сохранены в бортовых накопителях автономных локомотивов при существующем уровне технологий, что подтверждает необходимость электрификации. Использование электровозов с асинхронным тяговым приводом и энергоэффективными четырехквадрантными тяговыми преобразователями может обеспечить повышение уровня использования рекуперативной энергии по сравнению с электровозами с зонно-фазным регулированием напряжения на тяговых двигателях. Предлагаемое решение позволяет значительно снизить углеродный след железнодорожного транспорта на рассматриваемой линии. Возможность эффективного использования рекуперативной энергии позволяет применять этот критерий в качестве ключевого фактора при выборе вида тяги на вновь проектируемых железнодорожных линиях.
Ключевые слова: железная дорога, проектирование, уголь, электрическая тяга, рекуперация, энергия.
Maxim Yu. Keyno
Far Eastern State Transport University (FESTU), Khabarovsk, the Russian Federation
RECUPERATION EFFICIENCY AS A KEY FACTOR IN CHOOSING THE TYPE OF TRACTION FOR NEW RAILWAYS
Abstract. The paper is devoted to the evaluation of the possibility of effective use of recuperation as a key factor for the traction selection on a prospective railroad in the Russian Far East. The planned line will carry coal and general cargoes, shipping to Sea of Okhotsk ports and overseas. The construction of a new railroad will push development in the north of the Khabarovsk Territory and the northeast of the Amur Region. Due to the line will have a long descent to the seacoast, the main idea is to use the potential energy to generate electricity that covers power needed for oncoming trains going uphill. Performed traction-energy calculations allowed determining the available speed and energy consumption for uphill trains. Shown the ability ofpower self-sufficient train operations that provided under the condition of ensuring efficient energy exchange between electric locomotives located on the common feeding zone, which is possible only when freight trains operate on a fixed schedule. Given volumes of recuperated energy considered in the research cannot be stored onboard at autonomous locomotives using the existing level of technology, which confirms the need for electrification. The implementation of electric locomotives with an asynchronous traction drive and energy-efficient four-quadrant traction converters can provide an increase in the level of regenerative energy use compared to electric locomotives with zone-phase voltage regulation on traction motors. The proposed solution can significantly reduce the carbon footprint of railroad transportation on the line in question. The possibility of effective use of recuperative energy can use as a key selection factor for the type of traction on prospective railway lines.
Keywords: railroad, design, coal, electric traction, recuperation, energy.
Необходимость развития пропускной способности железных дорог на Дальнем Востоке России требует строительства в ближайшем будущем новой железнодорожной ветки, которая соединит Байкало-Амурскую магистраль (БАМ) с побережьем Охотского моря. В настоящее время, и это признано российским правительством, и БАМ, и Транссибирская магистраль загружены почти на 100 % от их номинальной мощности [1], но растущий транзит угля нуждается в альтернативном маршруте к морским портам для сокращения пути к потребителям. Одним из перспективных способов сокращения времени доставки грузов является строительство принципиально новой железнодорожной ветки от БАМа до ближайшего побережья. Рассматривая карту северо-восточной части БАМа в районе станции Улак (рисунок 1), можно обнаружить, что ближайшее морское побережье лежит всего в 400 км, тогда как существующий путь по БАМу до порта Ванино на берегу Татарского пролива составляет около 1500 км.
Рисунок 1 - Карта Байкало-Амурской магистрали (БАМа) (источник: А. Светлов - openstreetmap.org, лицензия СС BY-SA 2.0)
За последнее десятилетие небольшой разъезд Улак превратился в одну из самых загруженных развязок на БАМе - после успешной разработки одного из самых богатых на Востоке России Эльгинского угольного месторождения, начиная с 2022 г., и горнякам, и ОАО «Российские железные дороги» (РЖД) необходим эффективный способ вывозки 30 млн т высококачественного коксующегося угля в год [2].
В течение последних 15 лет РЖД последовательно игнорировали открытую информацию от горнодобывающих компаний об инвестициях в разработку новых угольных месторождений. Сегодня, находясь в условиях нехватки рабочей силы, времени и финансирования, РЖД не могут предоставить эффективных решений, обеспечивающих освоение требующихся грузопотоков в краткосрочной перспективе. Отказавшись от внедрения современных технологий тяжеловесного движения, РЖД тратят государственные инвестиции в масштабных проектах, таких как строительство вторых путей на всем протяжении БАМа, полная электрификация линий и масштабное обновление инфраструктуры. Сроки реализации выполняемых и запланированных мероприятий уходят далеко за сроки завершения проектов развития добывающих мощностей и портовой перевалочной инфраструктуры. Согласно прогнозу международного энергетического агентства EIA, несмотря на снижение потребления угля в ряде стран, в ближайшие десятилетия общая тенденция роста потребления угля в мире сохранится на уровне 0,5 % в год, в то время как в Индии и на других азиатских рынках, за исключением Китая, вырастет на 3,1% [3]. Таким образом, очевидно, что несмотря на экологические тренды и развертывание в Европе и по всему миру программы энергоперехода, потребность в увеличении провозной способности железных дорог Восточного полигона в текущем десятилетии будет сохраняться.
Одной из ближайших перспектив переброски угольного потока с БАМа на ближайшее морское побережье является строительство новой железнодорожной ветки от станции Улак до Охотского моря в районе поселка Чумикан [4]. Предлагаемая железнодорожная линия может сократить время и стоимость доставки не только угля, но и генеральных грузов в населенные пункты Охотского побережья: в Аян, в Охотск и даже в Магадан, порты Камчатки и на ряд островов Курильской гряды. Несмотря на то, что текущие грузообороты портов Охотского моря остаются на уровне менее миллиона тонн в год, согласно статистическим данным Администрации морских портов Охотского моря и Татарского пролива [5], обсуждаемые сегодня новые проекты развития могут потребовать существенного увеличения в грузоперевозках в ближайшие годы.
В 2020 - 2021 гг. в Дальневосточном государственном университете путей сообщения был разработан проект по оценке строительства новой железнодорожной линии и сравнению нескольких вариантов возможных трасс с использованием благоприятного рельефа Верхне-Зей-ской равнины и Удского прогиба. Как и большая часть сырьевых, угольных и рудных, месторождений, Эльгинский угольный разрез лежит на возвышенности в глубине материка на высоте 1000 м от уровня моря. Профиль кратчайшего пути от Улака до побережья моря на начальном участке имеет подъем протяженностью около 100 км, а затем - преимущественный спуск длиной около 350 км (рисунок 2). Как видно из сравнения, приведенного на рисунке 2, предлагаемая новая линия не только на 1200 км сокращает расстояние доставки грузов до порта, но и обеспечивает существенный энергетический выигрыш за счет меньшей разницы высот начальной и максимальной точек участка.
Профиль проектируемой линии очень похож на некоторые рудовозные и углевозные линии в Австралии, Бразилии, Китае и Южной Африке (рисунок 3). Как было показано в работе Dave van der Meulen, 2013, эти линии с движением тяжеловесных поездов массой до 20 -41 тыс. т обладают высокой способностью возврата энергии, если будут использовать электрическую или гибридную тягу [6].
Основная идея довольно проста: использовать рекуперативную энергию, вырабатываемую при движении под гору тяжелого, груженого поезда, для питания локомотива, тянущего
в гору легкий порожний поезд. Если суммарный объем возвращаемой энергии при такой технологии будет покрывать сколько-нибудь значительную часть энергии, необходимой для тяги порожних поездов, то необходимо оценить целесообразность электрификации линии, а также оценить возможность разработки графика движения поездов на однопутной линии, согласованного таким образом, чтобы возвращаемая энергия вовремя находила своего потребителя. Подобный прием уже используется в городском рельсовом транспорте и некоторых транспортных системах [7, 8]. Однако в контексте магистральных железных дорог с грузовых движением подобная задача отечественными исследователями еще не решалась в силу уникальности профиля рассматриваемой в работе линии.
Длина линии, км -
Рисунок 2 - Сравнение профиля пути предлагаемой линии с профилем перевального участка существующей линии от станции Комсомольск-на-Амуре до станции Токи (источник: автор)
Рисунок 3 - Продольные профили нескольких линий с движением тяжеловесных поездов. По вертикали - высота над уровнем моря в метрах, по горизонтали - длина линии в километрах
(источник: Dave van der Meulen, 2013)
Исторически возможность повторного использования рекуперируемой энергии представляла интерес для поездов метро. Поскольку расписание поездов метро фиксируется в секундах, а процедуры отправления-прибытия постоянно повторяются, многие исследователи ищут
№ 1(49) 2022
возможность использовать преимущества такой оптимизации расписания, при которой поезда, идущие к станциям, питают отправляющиеся поезда.
В работе [9] подчеркивается, что основной мерой эффективного использования рекуперативного торможения является оптимизация графиков движения для максимального энергообмена между транспортными средствами, поездами. Gupta, Tobin и Pavel, 2016 [10], основываясь на модели линейного программирования, представили метод оптимизации для быстрого расчета энергоэффективных расписаний в сетях метрополитена, который дал значительное снижение эффективного энергопотребления - в худшем случае на 19,27 %.
Так как на Восточном полигоне ОАО «РЖД» применяется электрическая тяга на переменном токе, представляется целесообразным рассматривать три основных варианта тягового обеспечения: тепловозы с дизельным или газодизельным циклом, аккумуляторные локомотивы и электровозы переменного тока. Для выбора вида тяги предлагается использовать «энергетический» подход: основным критерием для выбора типа тяги предполагается возможность максимального использования потенциальной энергии поездов, идущих по длинному спуску. За первые 100 км пути от верхней точки участка поезд спускается примерно на 270 м, что соответствует изменению потенциальной энергии на 5,22 МВт-ч при массе поезда 7100 т. Исследуем основные физические параметры потребления энергии электровозами в режимах тяги и рекуперации. В тяговом режиме для питания тяговых двигателей постоянного тока, которые широко используются на электровозах 3ЭС5К, работающих на Восточном полигоне, переменное напряжение 25 кВ от контактной сети преобразуется в напряжение ниже 1 кВ. Согласно техническому описанию 3ЭС5К на первом этапе тяговый трансформатор номинальной мощностью 4350 кВ-А снижает напряжение переменного тока примерно в 20 раз - до 1260 В (для режимов высокой скорости/мощности) или в 40 раз - до 630 В (для режимов малой скорости и малой мощности). На втором этапе пара тиристорных выпрямительно-инвертор-ных преобразователей (ВИПов) преобразует переменное напряжение в постоянное для питания четырех тяговых двигателей. Два двигателя по 820 кВт питаются от одного ВИПа номинальной мощностью 4000 кВт. В зависимости от установленного машинистом локомотива тока в режиме ручного регулирования или скорости в режиме автоматического регулирования тяговый преобразователь может регулировать уровень выпрямленного напряжения за счет изменения углов открытия тиристоров и использования секций вторичной обмотки тягового трансформатора.
При работе локомотива в режиме рекуперативного торможения мощность постоянного тока от тяговых двигателей, работающих в генераторном режиме, преобразуется в мощность переменного тока выпрямительно-инверторным преобразователем, работающим в этом случае в режиме инвертора. Напряжение переменного тока от ВИПа повышается до уровня напряжения контактной сети тяговым трансформатором. В режиме рекуперативного торможения на скоростях 50 - 70 км/ч все 12 тяговых электродвигателей вместе могут выдавать мощность постоянного тока около 9,6 МВт, но из-за ограничения максимального тормозного усилия на уровне 500 кН по соображениям безопасности трехсекционный электровоз может генерировать только 6,94 МВт мощности постоянного тока. Эффективная мощность, которая может быть возвращена в электросеть после инвертирования и преобразования, за вычетом энергии, затрачиваемой на собственные нужды локомотива и на возбуждение тяговых двигателей, составит около 4,5 МВт.
Максимальная величина уклонов проектируемой линии составляет 9 %о. Используя формулу (1) из Правил тяговых расчетов для поездной работы, можно определить основное удельное сопротивление движению грузового поезда при расчетных скоростях 50 и 67 км/ч: 10,89 и 13,57 Н/т соответственно. Таким образом, при движении по уклону величиной 9 %о груженому поезду массой брутто 7100 т для поддержания постоянной скорости около 50 км/ч потребуется тормозное усилие 549,6 кН (таблица), а при скорости 67 км/ч - 530,5 кН. Для реализации такого тормозного усилия в пересчете на электроэнергию постоянного тока локомотив должен
генерировать около 6,9 - 9,3 МВт. Но из-за ограничений тормозной характеристики электровоз будет генерировать только 6,6 - 8,0 МВт - дефицит тормозного усилия будет покрываться за счет применения пневматических тормозов поезда в сочетании с электродинамическим тормозом локомотива:
35,4 + 0,785р + 0.027Р2 w0 — 5,2 +--, Н/т
Чо
(1)
Расчеты для груженого поезда, идущего на спуск, выполнены в таблице с учетом затрат энергии на преодоление сопротивления движению поезда, что позволяет определить потребное тормозное усилие для поддержания установившейся скорости движения:
Вт —
1000
, кН.
(2)
На уклонах малых величин (до 9 %о) потребное тормозное усилие не будет попадать под ограничение 500 кН, установленное по соображениям безопасности движения, выше - вне зависимости от требуемого усилия локомотив сможет обеспечить тормозное усилие только 500 кН. Исходя из определения работы в механических системах можно определить для каждой величины уклона мгновенную мощность, реализуемую электродвигателями. После учета электрических потерь в тяговых двигателях, преобразователях и в трансформаторе, можно определить суммарный объем электрической энергии, возвращаемой при следовании поезда по участку с нормированным перепадом высот 100 м. Расчет для тяги порожнего поезда имеет аналогичную структуру:
N — Вт •у, кВт.
Энергетический расчет для груженых и порожних поездов при скорости 50 км/ч
(3)
Величина уклона, % Потреб-ное тормозное усилие, кН Реализуемое тормозное усилие, кН Мгновенная мощность торможения, кВт Мгновенная мощность, возвращаемая в сеть, кВт Возврат энергии на 100 м спуска, кВт • ч Реализуемое тяговое усилие, кН Потребление порожнего поезда на каждые 100 м подъема, кВт • ч Энер-гети-ческий баланс, кВт • ч Общая экономия на 100 м спуска, млн руб.
Груженый поезд: масса - 7100 т; удельное сопротивление - 10,89 Н/т Порожний поезд: масса -удельное соп 1562 т; ротивление - 31,05 Н/т
0,5 -42,5 -47,5 -659,8 -428,9 -1715,5 61,2 3999,6 -5715,1 -102,8
1 -7,6 -12,7 -176,1 -114,5 -228,9 68,9 2250,2 -2479,1 -44,6
2 62,0 57,0 791,3 751,7 751,7 84,2 1375,5 -623,8 -11,2
3 131,7 126,6 1758,6 1670,7 1113,8 99,5 1083,9 29,9 0,5
4 201,3 196,3 2726,0 2589,7 1294,9 114,8 938,1 356,7 6,4
6 340,6 335,6 4660,8 4427,7 1475,9 145,5 792,3 683,6 12,3
9 549,6 500,0 6944,4 6597,2 1466,0 191,4 695,1 770,9 13,9
Как видно из данных таблицы, для ведения по подъему величиной 9 %о порожнего поезда из 71 вагонов массой 22 т каждый с постоянной скоростью 50 км/ч требуется тяговое усилие около 191,4 кН. Мощность, потребляемая трехсекционным электровозом из энергосистемы в таком режиме движения, составит около 2,87 МВт. Таким образом, при скорости 50 км/ч пара груженых и порожних поездов имеет избыток энергии в любом случае при движении груженого поезда под уклон более 3 %о (рисунок 4).
Таким образом, для рассматриваемой линии существует принципиальная возможность практически полностью покрыть затраты на тягу порожних поездов, идущих на подъем, за счет энергии, возвращаемой от локомотивов, движущихся под уклон с гружеными поездами. Для уточнения режимов движения поездов и определения скоростей их движения были выполнены энергетические расчеты для тяговых и тормозных режимов движения груженых и порожних поездов на проектируемой линии.
2000
--возврат энергии на 100 м спуска, кВт • ч;
-#— - потребление порожнего поезда на каждые 100 м подъема, кВт • ч; -•— - энергетический баланс, кВт • ч
-400
2 3 4
Величина уклона i,
Рисунок 4 - Баланс потребляемой и рекуперируемой энергии в зависимости от величины уклона
(источник: автор)
С учетом технических характеристик электровоза 3ЭС5К часовая скорость составляет 49,9 км/ч, а скорость длительного режима - не менее 51 км/ч. Результаты тягового расчета подтвердили, что порожний поезд массой брутто 1562 т может поддерживать постоянную скорость около 70 км/ч на максимальном подъеме, используя лишь 50 % номинальной мощности электровоза 3ЭС5К. Таким образом, с технической точки зрения на первом этапе проектирования за расчетный диапазон скоростей на рассматриваемом участке можно принять скорости 50 - 67 км/ч.
Рекуперация на переменном токе с помощью преобразователей с зонно-фазовым алгоритмом управления приводит к тому, что значительная часть рекуперированной энергии возвращается в питающую сеть в моменты, когда лишь незначительная ее часть может расходоваться на тяговую мощность. Поэтому эффективность рекуперации на переменном токе с зонно-фа-зовым управлением очень далека от 100 % даже при движении одного поезда в тяговом режиме рядом с другим поездом в режиме рекуперативного торможения. Некоторые разработчики пытаются повысить эффективность системы тягового обеспечения путем внедрения различных корректоров коэффициента мощности [11] или путем изменения топологии питающей сети [12]. Однако при современном уровне техники наилучшая энергоэффективность может быть достигнута с использованием преобразователей 4q-S, которые обеспечивают практически синусоидальный ток в режимах потребления и рекуперации [13, 14]. При этом наилучшим способом использования рекуперируемой энергии является обеспечение постоянного нахождения на одной и той же фазовой зоне не менее двух поездов, одного - движущегося под уклон, а другого - движущегося в подъем.
В связи с предполагаемой пропускной способностью линии около 30 - 45 млн т в год представляется целесообразным проектировать основную часть линии как однопутную для пропуска 16 - 23 груженых поездов в сутки. Электрифицированные однопутные железные дороги не редкость в России. По данным UIC Statistic общая протяженность электрифицированных путей в Российской Федерации на конец 2020 г. составила 44,255 км, из них 10,282 км -однопутные. Поскольку основная часть линии будет проходить по незаселенным районам, в настоящее время нет необходимости планировать множество станций или разъездов. Для обеспечения безопасности движения и для сокращения потерь времени и мощности при скрещении поездов наилучшим способом представляется строительство коротких, по 8 - 10 км, двухпутных вставок, обеспечивающих безостановочное скрещение поездов (рисунки 5 и 6).
160
Тяговая " подстанция 4
км
14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
н-I-I-I-
Двухпутная вставка 4
Двухпутная вставка 5
Нейтральная вставка — •
Двухпутная вставка 6 Двухпутная вставка 7
Рисунок 5 - Фрагмент графика движения при расчетной скорости 50 км/ч и межпоездном интервале 1 ч
(источник: автор)
160 км Тяговая "" подстанция 4
50 км
Тяговая подстанция 5
Тяговая подстанция 6
21
+
22
+
23 +
24
н
Двухпутная вставка 4
Нейтральная вставка —
Двухпутная вставка 5
Рисунок 6 - Фрагмент графика движения при расчетной скорости 67 км/ч и межпоездном интервале 1,5 ч
(источник: автор)
Проведенные расчеты наглядно показывают возможный эффект от использования рекуперативной энергии на проектируемой железнодорожной линии. Окупаемость инвестиций можно оценить, рассчитав потребность в энергии для подъема порожних поездов на высоту около 500 м над уровнем моря при движении на расстояние около 350 км. При использовании
электрической тяги для подъема одного порожнего вагона потребуется 160,4 МДж, что с учетом КПД электрической тяги 0,85 и стоимости электроэнергии 3,08 руб./кВт • ч дает общие годовые затраты около 66,95 млн руб. при пропуске 16 поездов в сутки. Этот относительно небольшой эффект можно соотнести с затратами на вождение поездов с применением дизельной тяги: учитывая теплотворную способность дизельного топлива 43,12 МДж/л, КПД дизельной тяги 0,27 и стоимость дизельного топлива 50 руб. за литр, для выполнения той же работы потребуется 285,67 млн руб. Это внушительная сумма для такой небольшой линии. При правильном проектировании системы электроснабжения участка с учетом необходимости передачи электроэнергии для питания груженых поездов, идущих на подъем (в среднем 120 м на 100 км пути), общий эффект от электрификации может быть значительно увеличен. Все приведенные выше расчеты учитывают только энергетические затраты и не включают в себя общую стоимость владения активами: инфраструктурой, вагонами и локомотивами. Объективно полное сравнение вариантов требует детальной оценки затрат на электрификацию линии и затрат на содержание инфраструктуры электроснабжения, пути и систем сигнализации. Однако и текущие результаты исследований раскрывают техническую и экономическую основу для последующих углубленных расчетов.
Оценивая возможные риски и значение потенциального экономического выигрыша при использовании электрической тяги, необходимо учитывать, что восточная часть БАМа в настоящее время использует тепловозную тягу, поэтому электрификация отдельного, относительно небольшого и изолированного участка железной дороги неизбежно вызовет определенные трудности в организации эксплуатационной работы, технического обслуживания и ремонта электровозов.
Заменить электротягу на автономные локомотивы с накопителями энергии при текущем уровне технологии непросто: несмотря на достаточно успешную гибридную энергетику с бортовыми накопителями для маневровых локомотивов и электропоездов, в настоящее время объемы запасаемой энергии на борту тягового подвижного состава еще весьма далеки от тех объемов энергии, которые могут быть рекуперированы при движении груженого поезда по уклону в течение нескольких часов. Так, например, один из наиболее успешных современных магистральных аккумуляторных локомотивов, FLXdrive производства компании Wabtec, США, может накопить в бортовых батареях около 2,4 МВт • ч электроэнергии, в то время как на рассматриваемом участке за первые 100 км спуска объем рекуперируемой энергии составит 7,8 МВт • ч. Возможно, что дальнейшее развитие гибридных локомотивов с бортовыми накопителями энергии позволит сохранять в бортовых накопителях десятки мегаватт-часов для повторного использования, но пока эффективность и ресурс таких батарей остаются достаточно низкими, и поэтому в настоящее время сложно предложить реальную альтернативу электрификации проектируемого участка.
Выбор вида тяги кроме очевидного энергетического выигрыша может оказать существенное влияние на развитие транспортной инфраструктуры региона, в котором будет строиться новая линия, а также повлиять на достижение требующихся от отрасли уровней снижения углеродного следа в ближайшем будущем. Рассматривая риски проектов электрификации БАМа и смежных линий с использованием действующего габарита подвижного состава магистральных железных дорог России, можно отметить один из неочевидных недостатков: электрификация фактически закрывает потенциальную возможность двухъярусных контейнерных перевозок, которая имеется на линиях с тепловозной тягой так, как это реализовано на североамериканских железных дорогах и в ряде других стран. Стандартная в России высота подвески контактного провода на участках переменного тока напряжением 25 кВ не может обеспечить достаточный зазор для безопасной двухъярусной перевозки контейнеров даже с использованием низкоуровневых платформ («платформа-колодец»), таких как платформа модели 13-3124 Брянского машиностроительного завода. С учетом заметного роста контейнеризации грузопотоков появление такого ограничения представляется весьма существенным и должно учитываться при отказе от тепловозной тяги.
Следуя мировым тенденциям, РЖД проводят реформы, предполагающие разделение собственника инфраструктуры, перевозчиков и операторов подвижного состава. В такой ситуации задачу электрификации участков железных дорог следует оценивать, как и в ряде стран Восточной Европы [15], как комплексный экономический проект с четкими для всех участников правилами, устанавливаемыми на длительный срок, сопоставимый со сроком возврата инвестиций в инфраструктуру и подвижной состав линии.
Как подтверждают проведенные расчеты, существует принципиальная возможность организации перевозок по проектируемому участку железной дороги с минимальным использованием энергии от внешних источников. Более того, используя электровозы новой постройки с асинхронным тяговым приводом и современными тяговыми преобразователями 4q-S, обеспечивающими возврат в сеть практически чистых синусоидальных напряжения и тока с высоким значением коэффициента мощности около 0,999, становится возможным резко повысить эффективность использования рекуперируемой энергии. Приведенные в статье аргументы показывают технико-экономическую целесообразность строительства электрифицированной однопутной железной дороги с двухпутными вставками для пропуска 16 - 24 пар поездов в сутки с общей провозной способностью в груженом направлении до 30 - 45 млн т в год.
Эффективное использование рекуперативной энергии позволяет реализовать практически энергонезависимую транспортировку угля и генеральных грузов, что подтверждает важность этого фактора при выборе типа тяги для новых или реконструируемых линий.
Список литературы
1. Совещание с членами Правительства РФ 7 июля 2021 года - Президент России // krem-lin.ru: сайт. - Текст : электронный. - URL: http://kremlin.ru/events/president/news/66160 (дата обращения: 20.09.2021).
2. Малышев, Ю. Н. Обращение главного редактора / Ю. Н. Малышев. - Текст : непосредственный // Горная промышленность. - 2021. - № 4. - С. 6-7. - URL: http://dx.doi.org/ 10.30686/1609-9192-2021-4.
3. International Energy Outlook 2021. Release date: October 6, 2021 / U.S. Energy Information Administration (EIA). // eia.gov: сайт. - Текст : электронный. - URL: https://www.eia.gov/out-looks/ieo/ (дата обращения: 10.10.2021).
4. К вопросу транспортного развития Дальнего Востока России / М. Ю. Кейно, А. Р. Едига-рян, Н. С. Нестерова, П. А. Оненко. - Текст : непосредственный // Проектирование развития региональной сети железных дорог. - 2021. - № 9. - C. 5-17.
5. Статистика АМП, Охотского моря и Татарского пролива // ampvanino.ru: сайт. - Текст : электронный. - URL: http://ampvanino.ru/wp-content/uploads/2021/07/dinamika-gruzooborota-za-1-polugodie-2021-goda.docx (дата обращения: 09.08.2021).
6. Van Der Meulen D., Möller F. Sustainable heavy haul traction energy: A review of systemic issues. Journal of Rail and Rapid Transit, 2014, vol. 228, no. 6, pp. 687-694, https://doi.org/ 10.1177/0954409714532793.
7. Pei L., Lixing Y., Ziyou G., Yeran H., Shukai L., Yuan G. Energy-Efficient Train Timetable Optimization in the Subway System with Energy Storage Devices. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2018, vol. 19, no. 12, pp. 1-17, https://doi.org/10.1109/TITS.2018.2789910.
8. Dingjun C., Sihan L., Junjie L., Shaoquan N., Xiaolong L. Optimal High-Speed Railway Timetable by Stop Schedule Adjustment for Energy-Saving. Journal of Advanced Transportation, vol. 2019, Article ID 4213095, 9 pages, https://doi.org/10.1155/2019/4213095.
9. Douglas H., Roberts C., Hillmansen S., Schmid F. An assessment of available measures to reduce traction energy use in railway networks. Energy Conversion and Management, 2015, vol. 106, pp. 1149-1165, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.10.053.
10. Gupta S.D., Tobin J.K., Pavel L. A two-step linear programming model for energy-efficient timetables in metro railway networks. Transportation Research Part B: Methodological, 2016, vol. 93, pp. 57-74, https://doi.org/10.1016/j.trb.2016.07.003.
11. Monjo L., Sainz L., Rull J. Statistical study of resonance in AC traction systems equipped with Steinmetz circuit. Electric Power Systems Research, 2013, vol. 103, pp. 223-232, https://doi.org/ 10.1016/j.epsr.2013.05.014.
12. Fathima F., Karthikeyan S.P. Harmonic analysis on various traction transformers in co-phase traction system. Ain Shams Engineering Journal, 2016, vol. 7, no. 2, pp. 627-638, https://doi.org/ 10.1016/j.asej.2015.06.004.
13. Brenna M., Foiadelli F., Roscia M., Zaninelli D. Current Distortion Evaluation in Traction 4Q Constant Switching Frequency Converters. Journal Electromagnetic Analysis & Applications, 2009, vol. 1, no. 3, pp. 129-137, https://doi.org/10.4236/jemaa.2009.13021.
14. Glyzin I.I., In'kov Y.M., Kuchumov V.A., Litovchenko V.V. Improving the Energy Efficiency of a Traction Network and Electric Rolling Stock of Alternating Current with a 4qS-Converter. Russian Electrical Engineering, 2019, vol. 90, no. 9, pp. 641-646, https://doi.org/10.3103/S10683712 19090050.
15. Massel A. Operational criteria in the justification of electrification of railway lines. MATEC Web of Conferences, 2018, vol. 180, 06005, https://doi.org/10.1051/matecconf/201818006005.
References
1. Soveshchanie s chlenami Pravitel'stva RF 7 iiulia 2021 goda - Prezident Rossii (Meeting with Government members July, 7 2021 - President of Russia). Available at: http://kremlin.ru/events/ president/news/66160 (accessed 20.09.2021).
2. Malyshev Yu. N. From the Editor. Gornaiapromyshlennost' - Mining Industry Journal, 2021, no. 4, pp. 6-7. Available at: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2021-4 (In Russian).
3. International Energy Outlook 2021. Release date: October 6, 2021 / U.S. Energy Information Administration (EIA). Available at: https://www.eia.gov/outlooks/ieo/ (accessed 10.10.2021).
4. Keyno M.Yu., Edigarian A.R., Nesterova N.S., Onenko P.A. On the Issue of Transport Development of the Russian Far East. Proektirovanie razvitiia regional'noi seti zheleznykh dorog - Designing the development of regional railroad networks, 2021, no. 9, pp. 5-17 (In Russian).
5. Statistika AMP, Okhotskogo moria i Tatarskogo proliva (Statistic - Sea of Okhotsk and Tatar Strait). Available at: http://ampvanino.ru/wp-content/uploads/2021/07/dinamika-gruzooborota-za-1-polugodie-2021-goda.docx (accessed 09.08.2021).
6. Van Der Meulen D., Möller F. Sustainable heavy haul traction energy: A review of systemic issues. Journal of Rail and Rapid Transit, 2014, vol. 228, no. 6, pp. 687-694, https://doi.org/ 10.1177/0954409714532793.
7. Pei L., Lixing Y., Ziyou G., Yeran H., Shukai L., Yuan G. Energy-Efficient Train Timetable Optimization in the Subway System with Energy Storage Devices. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2018, vol. 19, no. 12, pp. 1-17, https://doi.org/10.1109/TITS.2018.2789910.
8. Dingjun C., Sihan L., Junjie L., Shaoquan N., Xiaolong L. Optimal High-Speed Railway Timetable by Stop Schedule Adjustment for Energy-Saving. Journal of Advanced Transportation, vol. 2019, Article ID 4213095, 9 pages, https://doi.org/10.1155/2019/4213095.
9. Douglas H., Roberts C., Hillmansen S., Schmid F. An assessment of available measures to reduce traction energy use in railway networks. Energy Conversion and Management, 2015, vol. 106, pp. 1149-1165, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.10.053.
10. Gupta S.D., Tobin J.K., Pavel L. A two-step linear programming model for energy-efficient timetables in metro railway networks. Transportation Research Part B: Methodological, 2016, vol. 93, pp. 57-74, https://doi.org/10.1016Zj.trb.2016.07.003.
11. Monjo L., Sainz L., Rull J. Statistical study of resonance in AC traction systems equipped with Steinmetz circuit. Electric Power Systems Research, 2013, vol. 103, pp. 223-232, https://doi.org/ 10.1016/j.epsr.2013.05.014.
12. Fathima F., Karthikeyan S.P. Harmonic analysis on various traction transformers in co-phase traction system. Ain Shams Engineering Journal, 2016, vol. 7, no. 2, pp. 627-638, https://doi.org/ 10.1016/j.asej.2015.06.004.
Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на транспорт!
13. Brenna M., Foiadelli F., Roscia M., Zaninelli D. Current Distortion Evaluation in Traction 4Q Constant Switching Frequency Converters. Journal Electromagnetic Analysis & Applications, 2009, vol. 1, no. 3, pp. 129-137, https://doi.org/10.4236/jemaa.2009.13021.
14. Glyzin I.I., In'kov Y.M., Kuchumov V.A., Litovchenko V.V. Improving the Energy Efficiency of a Traction Network and Electric Rolling Stock of Alternating Current with a 4qS-Converter. Russian Electrical Engineering, 2019, vol. 90, no. 9, pp. 641-646, https://doi.org/10.3103/S10683712 19090050.
15. Massel A. Operational criteria in the justification of electrification of railway lines. MATEC Web of Conferences, 2018, vol. 180, 06005, https://doi.org/10.1051/matecconf/201818006005.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Кейно Максим Юрьевич
Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС).
Серышева ул., д. 47, г. Хабаровск, 680021, Российская Федерация.
Старший преподаватель кафедры «Транспорт железных дорог», ДВГУПС.
Тел.: +7 (421-2) 407-076.
E-mail: max@festu.khv.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Кейно, М. Ю. Эффективность рекуперативного торможения как критерий выбора вида тяги для новых железных дорог / М. Ю. Кейно. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2022. -№ 1 (49). - С. 32 - 43.
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Keyno Maxim Yurievich
Far Eastern State Transport University (FESTU).
47, Seryshev st., Khabarovsk, 680021, the Russian Federation.
Senior lecturer of the department «Railroads Rolling Stock», FESTU.
Phone: +7 (421-2) 407-076.
E-mail: max@festu.khv.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Keyno M.Yu. Recuperation efficiency as a key factor in choosing the type of traction for new railways. Journal of Transsib Railway Studies, 2022, no. 1 (49), pp. 32-43 (In Russian).
УДК 656.073(510):656.136
Р. Г. Король
Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС), г. Хабаровск, Российская Федерация
ФОРМИРОВАНИЕ ПРИГРАНИЧНОЙ ТЕРМИНАЛЬНО-ЛОГИСТИЧЕСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ КОНТРЕЙЛЕРНЫХ ПЕРЕВОЗОК НА НАПРАВЛЕНИИ СУЙФЭНЬХЭ (КНР) - ГРОДЕКОВО (РФ)
Аннотация. В январе 2022 г. на российско-китайской границе образовалась очередь из двух тысяч автомобилей в ожидании пропуска через государственную границу [1]. Основными причинами скопления большого числа транспортных средств на пограничных пунктах пропуска являются ограничения по перемещению транспорта и груза в связи со сложной эпидемиологической обстановкой, отсутствие оперативного информационного взаимодействия транспортных организаций и контролирующих органов, недостаточная пропускная способность транспортной и терминально-логистической инфраструктуры. Грузоотправители переходят на отправку контейнеров железнодорожным транспортом, в том числе рассматривается вопрос контрейлерных перевозок. Холдинг ОАО «РЖД» в последние годы активно развивает логистический сервис по перевозке полуприцепов железнодорожным транспортом, в том числе в международном сообщении. Транспортировка грузов в контрейлерах из приграничных провинций Китайской Народной Республики в направлении северо-восточных регионов России, где слабо развита транспортная инфраструктура, сложные климатические условия и неритмичное транспортное сообщение, является эффективным способом доставки товаров для обеспечения бесперебойного снабжения населения региона. В рамках стратегии нового Шёлкового пути «Один пояс - один путь» можно организовать контрейлерные маршруты на направлении Суйфэньхэ - Гродеково - Нижний Бестях с формированием необходимой трансграничной терминально-логистической и транспортной инфраструктуры. Предметом данного исследования является анализ инфраструктуры железнодорожного пункта пропуска
