Экономика стационарной части при использовании тепла выхлопного пара паровозов Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 69. _ ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1952 г.

ЭКОНОМИКА СТАЦИОНАРНОЙ ЧАСТИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТЕПЛА ВЫХЛОПНОГО ПАРА ПАРОВОЗОВ ')

Инж. В. П. ЛЕБЕДЕВ

Как известно, в существующих паровозах около 5О°/0 тепла сожженного топлива в топках теряется с отработанным паром, который выбрасывается через конус в атмосферу, и приблизительно 43°/0 тепла составляют остальные потери: с уходящими газами, механический недожог и другие потери, и только около 7°/0 превращается в полезную работу. Потери тепла в переводе на топливо составляют, приблизительно, 59 млн. т высокосортного топлива в год по всему паровозному парку страны из 250 млн. т добываемого в стране топлива.

Отсюда выявляется необходимость добиваться повышения экономичности паровоза всеми средствами, в то же время не слишком усложняя и без того сложную конструкцию паровоза.

Работы по повышению экономичности паровоза ведутся различными путями и способами; в различных направлениях. Одно из возможных решений повышения экономичности паровоза предложено заслуженным деятелем науки и техники профессором-доктором Томского политехнического института И. Н. Бутаковым в его работе „К проблеме использования тепла выхлопного пара паровозов". Решение проблемы коротко сво--дится к следующему. ^

Выхлопной пар после паровых машин паровоза направляется в газо-сосную турбинку и после нее—в тендер, превращенный в тепловой аккумулятор. Таким тендером на экспериментальном этапе может служить тендер паровоза ФД объемом воды в 44 мъ, чтобы в последующем перейти на тендеры объемом в 90—100 л*3. Отработавший пар в тендере-аккумуляторе нагревает воду до -95°. По прибытии паровоза в депо, в период экипировки, горячая вода спускается в подземный резервуар. Из подземного резервуара (фиг. 1) горячая вода в зимнее время направляется для целей теплофикации, а также на выработку электроэнергии в вакуумных турбинах, и после этого при температуре 45° может быть направлена в специальные теплицы для почвенного обогрева для выращивания овощей в течение круглого года. Такова схема использования тепла отработавшего пара паровозов, предложенная И. Н. Бутаковым.

Мы считаем, что та^ое решение не вносит значительного усложнения паровоза и в то же время повышает экономичность паровоза до 15°/о, что сближает паровоз с электровозом.

При внедрении в жизнь данной проблемы мы будем иметь, с одной стороны, экономию топлива, а с другой стороны,—неизбежные расходы, связанные с переделкой, дооборудованием, приобретением оборудования и т. д. Выгодность устройства установки по использованию тепла вы-

г) Работа выполняется под руководством заслуженного деятеля науки и техники профессора-доктора технических наук И. Н. Бутакова

хлопного пара паровозов, очевидно, будет иметь место в том случае,, если:

Разрешение этого вопроса будет зависеть от многих условий и в первую очередь от напряженности движения на данном участке железной дороги, от размеров теплового потребления на данном ж.-д. узле и т.д.

Экономия топлива

При применении утилизационной установки на том или ином железнодорожном узле должно высвободиться определенное количество топлива, которое неизбежно расходовалось до применения утилизационной установки.

Рассмотрим отдельные составляющие экономии топлива в результате использования отработавшего тепла пара паровозов.

Как было указано выше, часть горячей воды, особенно в зимний период, должна пойти на покрытие потребности тепловых абонентов. Это прежде всего отопление зданий. -До применения утилизационной установки эти тепловые абоненты потребляли какое-то количество тепла— ккал/год, а, значит, и какое-то количество условного топлива—Вот т/год.

Зная тепловое потребление района или поселка а также среднее значение к.п.д. котельных у\от, можно достаточно точно определить и количество топлива—50т, которое будет:

Вот = —т.--= -*-: гп/год. (1 )

Яр-Пот 7000. рот. 103

С применением утилизационной установки это количество топлива —Вот. уже не нужно будет потреблять в данном районе, следовательно, оно будет являться определенной экономией.

Кроме того, на другой части горячей воды будет выработано некоторое количество электрической энергии в течение года. Таким образом, существующую электрическую станцию можно будет освободить от выработки такого же количества электроэнергии—Эг0д> а, значит, не нужно будет сжигать и топливо на электростанции в соответствующем количестве—^ т\год.

Поэтому можно записать:

' = ^_860_ = Э^ 860—

7000.т^Ш3

Количество электрической энергии, которое может быть выработано утилизационной установкой, зависит от количества привозимой горячей воды и от количества тепла, идущего на теплофикацию. Если мы обозначим количество привозимой воды каждым паровозом через Р2 (от/паровоз) и через л—число паровозов, ежечасно прибывающих, то годовое количество электрической энергии, которое может дать утилизационная установка, выражается следующим образом:

Эгод = 23770Яп — 0,0000766 ^ ^^ • (3)

год

Поэтому количество топлива, которое не потребуется сжигать на" электрической станции, и, следовательно, достигаемая экономия топлива:

= (23770Р2л-0ДЮ0766^).860 7000-Чс„108

Третья составляющая экономии топлива будет на самом паровозе. Эта экономия получится в результате того, что питание парового котла будет происходить подогретой в тендере-аккумуляторе водой. Для нашего случая, учитывая указания практики, мы оценили эту возможную экономию топлива в 6°/0. По каждому депо всегда бывает известен годовой расход условного топлива на каждый паровоз, поэтому, если через Вх обозначим средний годовой расход условного топлива на паровоз до переоборудования и через т—количество переоборудованных паровозов, находящихся в пути по направлению к депо с двух сторон при проходном депо и с одной стороны при тупиковом депо, то возможная экономия топлива на паровозах от изменения питания котлов нагретой воДой запишется:

Впл = 0,06.Вгт т\год. (5)

Четвертая составляющая экономии топлива должна получиться на промежуточных железнодорожных водокачках ввиду того, что отпадает необходимость в наборе воды паровозами на промежуточных станциях. Экономия топлива на водокачках определится как

„ N«.632,3.8760 12 п 632,3.8760 66500.10* п , .

Ввод —-—-= —-—-----т год. (6)

7000.Ъоб Ю8 7000.^.103 7000. Ю^оа

Вода после утилизационной установки с температурой ;45° может быть также использована для агротехнических целей, что может иметь большое значение в условиях сурового климата Сибири.

Применение агротеплофикации дало бы возможность обеспечить свежими овощами не только население данного ж.-д. узла, но и население других пунктов. Если считать, что при отсутствии тепла воды подобные теплицы пришлось бы все же отапливать, то мы должны были бы затратить определенное количество топлива — Ва.т> но используя теплую воду после утилизационной установки, мы должны это количество топлива—Ва.т принять как экономию, которую нетрудно подсчитать. Зная количество тепла, необходимое для обогрева теплиц— мы можем записать:

ва.т = —-^-т\год. (7)

7000.Щот

Таким образом, мы имеем общую экономию топлива от использования тепла выхлопного пара паровозов в количестве:

В = Вот + В9 + Впл + В60д + Ва.т ш\юд (8)

Помимо указанной экономии топлива, будет еще экономия, которую мы здесь не учитываем: это, во-первых/ от того, что должна возрасти участковая скорость, благодаря устранению остановок для набора воды, во-вторых, благодаря применению химоочищенной воды будет меньше отложения накипи в паровозных котлах, а это дает лучшее использование топлива и сократит расходы на ремонт; кроме того, должно увеличиться число километров пробега от промывки до промывки, что принесет большую экономию в денежных расходах.

Эти дополнительные статьи экономии не принимаем во внимание, считая, что они пойдут на покрытие расходов, связанных с перевозкой дополнительного количества воды в тендере в случае увеличения его емкости до 90—100 мг} хотя надо сказать, что мощность паровоза, как правило, не используется полностью, так что дополнительный вес перевозимой воды будет способствовать только уменьшению удельного расхода топлива.

Развертывая вышенаписанное уравнение (8), будем иметь:

в = 1Уг (23770Р2п - 0,00007661^)860

7000.103, ^от 7000 104т

. , 0 ЛЛЛ , 66500.103.я

-----\-Вхт. 0,06 + - --------- -с (9)

7000.103.у]кот 7000.10®.!^

Если для упрощения задачи принять значения коэфициентов, исходя из практических соображений, равными:

ч\от = 0,4; У1ст = ОД; г[кот —0,5; г\вод = 0,07

и подставляя Wi и Ш2 в мегакалориях в год, то выражение (9) примет вид:

В = 0$5Ш1+0,28№2 + п(29$.Р2+№)-\-В1т0№т1год. (10)

При данной цене условного топлива можно определить получаемую экономию в денежном выражении

Эт=В.Цт РУб\гО$. (11)

Таким образом, мы определили экономию топлива, которая получается в течение года вследствие применения утилизационной установки.

Годовые расходы

С другой стороны, мы будем иметь целый ряд годовых расходов, которые должны погашаться за счет получаемой экономии на топливе. Такими годовыми расходами можно считать:

1) амортизационные отчисления, текущий ремонт и налоги;

2) стоимость рабочей силы по обслуживанию утилизационной установки;

3) стоимость перекачки воды в тепловой сети;

4) стоимость охлаждающей воды для конденсаторов утилизационной установки.

Как известно, для определения амортизационных отчислений необходимо знать размер основных фондов, которые в данном случае будут складываться из следующих статей:

1) стоимость подземного резервуара;

2) стоимость оборудования утилизационной установки;

3) стоимость здания установки;

4) стоимость переоборудования паровоза и тендера;

5) стоимость теплофикационной сети. Разберем каждую из составляющих в отдельности.

Стоимость подземного резервуара

Предполагается, что в период экипировки паровоза нагретая вода должна быть спущена в особый резервуар, находящийся под землей. Это представляет определенные удобства в смысле места, изоляции, удобства спуска нагретой воды и т. д. Стоимость резервуара будет зависеть от размеров, которые зависят от количества привозимой воды, от материала, который пойдет на его сооружение. Мыслится, что изготовлять такой резервуар лучше всего железобетонным, с последующим железнением стенок во избежание утечек воды, а объем его принять равным часовому запасу воды. Тогда его стоимость определится

УЦр=ъР2пЦр = 0,96Р3пЦр руб. (12)

Если принять строительную стоимость 1 мъ объема резервуара — 100 руб., то будем иметь:

= 96.Ргп руб. (13)

Стоимость оборудования и здания утилизационной

установки

Установить с достаточной точностью стоимость оборудования утилизационной установки довольно трудно. Сложность решения этой задачи заключается в том, что в настоящее время подобное оборудование не изготовляется, а поэтому нет и цен на такое оборудование. Кроме того, нет технического проекта, поскольку задача носит поисковый характер. Но нам кажется, что можно будет попытаться установить условно стоимость оборудования и здания утилизационной установки через стоимость установленного киловатта.

Установленная мощность вакуумных турбин будет отвечать максимальной часовой выработке электроэнергии, которая будет падать на летний период и будет зависеть от количества привозимой горячей воды.

Определим максимальную часовую выработку электроэнергии или, что то же, мощность вакуумных турбин

N V с т '—

103АЙ =

= 103Я„я

г2860 ^860 \ г 9

= 2,68.Р3я кет. (14)

0,6.53 _ . 0,6.28 -Е/ - 35

Зо-|-----15 1

563.860 571.860 V 563

Здесь у}оэ — электрический относительный к.п.д. вакуумных турби|1;

г, и г2 — скрытая теплота парообразования; 1г'т и Н'т — адиабатический тепловой перепад в турбинах;

^—температура воды, поступающей из резервуара 95°С; ¿2 — температура воды после испарителя первой ступени—60°С, ¿3 — температура воды после испарителя второй ступени—45°С.

Тогда стоимость оборудования и здания утилизационной установки

= ЫустЦуст — 2,68\РгП. ЦуСт руб. (15)

Согласно данным Рыжкина, в статье „Станции малой мощности" в журнале „Теплосиловое хозяйство" № 5 за 1941 г. стоимость установленного киловатта для станций малой мощности можно принять равной 5030 рубает.

Поскольку в нашем случае котельная отсутствует, то стоимость установленного к/ловатта будет ниже. Если принять, что удельный вес котельной составляет 0,46, то тогда стоимость установленного киловатта определится:

Цусп = 5030.054 = 2420 руб., поэтому примем Цуст — 2750 руб. Таким образом, стоимость оборудования и здания утилизационной установки выразится, согласно уравнению (15):

8УУ = 7370.7*2 п руб., (16)

здесь Р2 — в тоннах.

Стоимость переоборудования паровоза и тендера

Для возможности использования тепла выхлопного пара паровозов последние должны быть подвергнуты некоторому переоборудованию. Как было указано выше, ход пара после паровых машин должен быть изменен. После паровых машин пар должен быть направлен не в конус, а в турбину мятого пара дымососа и дальше в тендер-аккумулятор для аккумулирования и нагревания воды. Точно так же паровой инжектор должен быть заменен насосом, так как придется в котел подавать воду с температурой 95°. Из сказанного следует, что переоборудование паровоза заключается в следующем: установка дымососа с турбинкой мятого пара, насоса, паропроводов и превращение тендера в аккумулятор с постановкой аппаратуры зарядки.

Стоимость дымососной установки определяется в 6000 руб., стоимость насоса—2000 руб., стоимость паропроводов—2000 руб. Таким образом, новое оборудование паровоза составит 10000 руб. Полная стоимость переоборудования самого паровоза, включая и монтаж, обойдется

10000.100 около -= 25000 руб.

40

Если считать, что стоимость сооружения- 1 мг объема парового аккумулятора определяется примерно 500 руб. (Грановский „Паровые котлы)", то переоборудование тендера емкостью 44 мъ составит:

500*44 = 22000 руб.

Общая стоимость переоборудования паровоза и тендера составит 47000 руб. или округленно можно принять 50000 руб. Если переоборудованию подвергнуто ппар паровозов, то общие затраты составят:

Бпер = 50000 Ппар руб. (17)

Стоимость теплофикационной сети

Стоимость теплофикационной сети можно было бы и не включать в статью расходов, связанных с утилизационной установкой, так как себестоимость квтч и мгк определяется франко ТЭЦ. Кроме того, теплофикационную сеть приходится сооружать при любом способе теплоснабжения: она не является спецификой, присущей только утилизационной установке. В целях, однако, полноты картины вводится и сетевая составляющая себестоимости мгк у потребителя.

Стоимость сети будет зависеть от диаметра трубопроводов и длины их.. Согласно данным (Копьев „Теплофикация") стоимость сети выражается следующей зависимостью:

Бс — э^к руб, (18>>

где /" — длина трубопровода в км,

(1 — диаметр трубопровода в мм,

к — количество труб данного диаметра, в нашем случае мы будем иметь к -= 2.

5 — коэфициент, который можно принять равным 800. Тогда имеем

= 800.2.¿// = 1600/6? руб. (19)

Общие затраты по основным фондам, связанным с утилизационной установкой, выразятся следующим уравнением:

5 = + + Бпер =7ШР2п + 16Ш1 + 50000 ппар руб. (20)-

Если принять амортизационные отчисления в 10% годовых, то это составит:

//в.о = 746Р2й + 160Л+-5000лЛяр руб\год . (21)

Здесь нужно иметь в виду, что если переоборудованию подверглись паровозы лишь одного депо, то половину расходов по переоборудованию паровозов следует отнести на оборотное депо, имея в виду, что и там также должна быть утилизационная установка. Тогда ппар нужно брать в два раза меньше.

Что касается остальных частей годовых расходов, как, например, расходы по перекачке воды, зарплата и т. д., то их можно в сумме принять в пределах 100000 500000 руб., во всяком случае в каждом конкретном случае их придется определить особо. Здесь следует оговориться о расходах по зарплате. Дело в том, что эти расходы можно было бы и не ставить на счет утилизационной установки при определении выгодности применения данной установки в том или ином районе, так как сейчас эти расходы также существуют. Имеются истопники и кочегары при многочисленных отопительных приборах в разных зданиях района. Количество же персонала утилизационной установки будет меньше. Нам кажется, что этот вопрос в каждом конкретном случае придется решать особо.

Таким образом, общее выражение по статье годовых расходов, связанных с применением утилизационной установки, будет:

= 746 Р2п -Ъ 160(И + 5000ппар + (100000 5(30000) руб\год. (22)

В итоге мы получили, что с применением утилизационной установки, с одной стороны, мы будем получать вполне определенную экономию на топливо, согласно уравнению (11), а с другой стороны, будут и годовые расходы по уравнению (22). Тогда

Эк — Эт — Эгод руб ¡год (2 3)

составит абсолютную экономию в течение года при применении утилизационной установки. Если то можно говорить о целесообразности данной установки. Если же < 0, то это показывает, что применение утилизационной установки в данном районе нецелесообразно.

Следует заметить, что мы ничего не говорили о расходах, связанных с устройством агротеплофикации, но это было сделано потому, что расходы по агротеплофикации должны быть окупаемы за счет своей продукции, т. е. овощей.

Для определения абсолютной экономии Эк выстроена номограмма фиг.2, которая и дает наглядное представление о получаемой экономии в зависимости от влияющих переменных факторов. Для частного примера дано: в час прибывает п = 5 паровозов и каждый привозит по Р2 = 40 т нагретой воды (при условии тендера емкостью 90 мъ)у и тепло этой воды расходуется на теплофикацию =40000 мгк\год, на агротеплофикацию = 40000 мгк/огд, а остальное количество тепла идет на выработку элек-

Осноёнои срон$

О 20

ЧбОсИ<*(ЮО + (/ООО 00 ~ Аооооо)

¿Эк ~Эт ^-«у

Фиг. 2

троэнергии. Далее дано, что в среднем на паровоз расходуется в течение года Вт =2000 т!год условного топлива по цене Цт =60 руб\1. Количество переоборудованных паровозов ппар ~ 20. Кроме этого, мы имеем теплосеть с длиной труб 1 = 4 км и диаметром ¿ = 250 мм; прочие расходы принимаем равными 300000 руб!год.

Решая этот пример по левой стороне номограммы, на вертикальной ординате, делящей номограмму на две части, находим получаемую при ЭТОМ ЭКОНОМИЮ С/щ 7=~ 1850000 руб/год.

На правой стороне номограммы находим общие годовые расходы, которые мы отсчитываем на той же вертикальной ординате, и для нашего примера это выразится суммой 5гоа~710000 руб\год.

Таким образом, абсолютная годовая экономия составит

Эи = 1850000 — 710000 = 1140000 руб/год.

Кроме того, на ординате, делящей правую часть номограмы на две половины,- мы попутно можем усмотреть и размер вложений в основные фонды и стоимость теплосети. Так, для нашего примера основные фонды составят 2500000 руб. и стоимость теплосети 1620000 руб. Нужно сказать, что здесь мы исходим из того предположения, что за нагретую на паровозе воду мы не платим, поскольку это тепло все равно было бы поте-

ряно; но если считать, что с тех пор, как мы стали использовать отброс ное тепло, оно приобрело потребительную стоимость, то тогда утилизационная установка должна нести расходы по оплате топлива, что в нашем случае составит в год:

= 200000 руб ¡год.

7000.0,6

Тогда абсолютная экономия сократится до 940000 руб\год. Из этих цифр ясно виден получаемый эффект от использования выхлопного тепла паровозов.

Любопытно привести еще некоторые цифры.

Перевод на электрическую тягу существующей железной дороги обходится, примерно, в 250000 руб. за 1 км и, следовательно, при длине плеча в 120 км постройка дороги обойдется в 30 млн рублей, тогда как в нашем примере пришлось бы затратить всего лишь немногим больше 4 млн рублей при значительном накоплении. В то же время к.п.д. паровоза при частичном использовании отбросного тепла приблизится к к.п.д. электровоза.

Определение стоимости киловаттчаса и мегакалории

Не менее важным показателем в экономике теплосиловой установки является стоимость 1 квтч и 1 мгк.

Тепло привозимой горячей воды частично идет на теплофикацию, частично—на выработку электроэнергии.

Прежде всего определим общие затраты, в которых участвуют и электрическое и тепловое потребления. Для нашей утилизационной установки такими затратами будут стоимость подземного резервуара стоимость переоборудования парка паровозов стоимость насосов, перекачивающих воду от резервуара до установки, электромоторов к ним, монтажа и т.д. Знас, что можно записать:

^ = + + руб. (24)

Из этой суммы определим ту часть расходов, которая падает на тепловое потребление:

Е.

= руб., (25)

где т.е. тепло на теплофикацию и агротеплофикацию,,

а —общее количество тепла.

Теперь можно определить общие годовые расходы, связанные с теплофикацией и агротеплофикацией, которые должны быть покрыты тепловыми потребителями

руб год

■"=^ + ^¿ + 0,1(5,1+5») (26)

Здесь — расходы, связанные с перекачкой воды в тепловую сеть;

сюда входит электроэнергия, затрачиваемая на перекачку теплоносителя. $перс ~~ расходы на персонал по обслуживанию теплофикации. Поскольку величина теплового потребления известна, то можем теперь определить стоимость отпущенной мегакалории, что составит

_ 5"*10с руб

Гт ~-—--, (¿()--

\У мгк

где Ш подставляется в калориях в год. Определив ранее, по уравнению (22), общие годовые расходы 8год, можно будет определить ту часть .расходов которая будет связана с выработкой электроэнергии и должна «быть погашена потребителями электроэнергии. Эти расходы выразятся:

= -5« руб;год (28)

Теперь легко определить стоимость 1 к$тч:

100 — . (29)

Эгод квтч

Для определения стоимости киловаттчаса и мегакалории можно воспользоваться номограммой, представленной на фиг. 3.

Для определения годовой выработки электроэнергии утилизационной установки можно воспользоваться графиком на фиг, 4.

Если мы продолжим решение нашего частного примера и определим стоимость киловаттчаса и мегакалории, то мы получим, что стоимость

КОТЬ *

1 квтч. составит 23- и стоимость 1 мгкл—7,5 руб.

квтч

ЗАМЕЧЕННЫЕ ОПЕЧАТКИ

Стр. Строка | Напечатано Следует

24 2 снизу 1Г = S Р Tr=S Pr

41 4 сверху цитированая цитированная

57 5 сверху термо-игидродинамические термо- и гидродинамические

69 11 снизу топлоносителя теплоносителя

85 10 снизу dV „ л dV 0ass ¿а =

da

102 17 снизу бессейнов бассейнов

178 фиг. 1 в процесс в процессе

185 14,15,17 снизу э е

204 7 сверху огд год

210 6 снизу где 860 NzMk = 8(Nik — №k) где 860 Ыэмк = 860 (Nik — N9k)

211 9 сверху Nz = Nzk + Nzno Na =» Nafc + N3no

211 18 свсрху 860 N-k Dk— ■ — — </0 — Ik) f[M 860 Nah Dk — ' . .v ' Ä (i0 — ik) *]г