CC BY
38
УДК 622.621.311.1
© В.П. Стспанснко, Л.Н. Сорин, 2015
В.П. Степаненко, Л.Н. Сорин
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОДЗЕМНОЙ ЛОКОМОТИВНОЙ ОТКАТКИ С ГИБРИДНЫМИ НАКОПИТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ
Рассмотрены способы повышения энергоэффективности и экологической безопасности подземной локомотивной откатки с использованием комбинированных накопителей энергии. Применение гибридных накопителей энергии на электровозах позволит уменьшить расход энергии на 15-30%, на дизельных локомотива уменьшить расход топлива на 40-60%, выбросы в рудничную атмосферу концерогенных веществ, сажи, окислов азота, продуктов неполного сгорания топлива и масла не менее, чем в три раза. При пиковой нагрузке, превышающей среднюю в 2-3 раза, рекомендуется использовать электрохимические накопители энергии ЭХН, при превышении в 5-7 раз - гибридные накопители энергии, состоящие из суперконденсаторов КДЭС и электрохимических накопителей энергии ЭХН. Ключевые слова: энергоэффективность, локомотивная отката, гибридные накопители энергии, суперконденсатор, расход топлива.
Знергоэффективность и экологическая безопасность отечественного подземного транспорта значительно отстает от современных требований. Особенно низкой энергоэффективностью отличается локомотивная откатка, использующая аккумуляторные электровозы и дизелевозы. На перевозке полезного ископаемого и породы из очистных и подготовительных забоев обычно задействовано около 50% парка, локомотивы сцепной массой 8 и более тонн. Вторая половина парка, состоящая из локомотивов сцепной массой от 2 до 8 т, занята на вспомогательном транспорте - перевозке оборудования, людей и материалов [1, 2, 4, 7, 12].
Расход энергии за один рейс на крюке рудничного электровоза Е [кВт-ч] определяется как сумма энергии, затраченной на транспортирование груженого Ег и порожнего Еп, составов, по формуле:
Е = Ег + Еп = 2,72-10-2 [(Рэ + Qг) • • (шг - 1) + П(Рэ + Qп) К + Я Ьа, (1) где Рэ - сцепная масса электровоза т; Qr, Qп - масса груженого и порожнего
составов; юг, юп - основное удельное сопротивление движению груженых и порожних вагонеток, даН/т; 1 - уклон рельсового пути, %о; L - длина откатки, км; а - коэффициент, учитывающий потери энергии при разгоне, торможении и маневрах.
Из формулы (1) следует, что для обеспечения высокой энергоэффективности локомотивной откатки необходимо проходить горизонтальные откаточные выработки с уклоном равного сопротивления движению, электровозы выбирать с системами плавного пуска и рекуперативного торможения, для которых коэффициент а = 1,05 - 1,15, выбирать вагонетки с минимальным удельным сопротивлению движению ю [1, 4].
Энергоэффективность локомотивной откатки в значительной степени зависит от значений кпд оборудования подвижного состава и устройств электроснабжения. В табл. 1 приведены значения кпд тяговых электродвигателей постоянного тока, редукторов, систем управления, аккумуляторных батарей и устройств для их заряда, тяговых сетей и преобразовательных подстанций.
Таблица 1
Коэффициенты полезного действия
№№ пп Коэффициенты полезного действия оборудования Тип электровоза
аккумуляторный контактный
1 Тяговых электродвигателей постоянного тока 82-85% 85-90%
2 Редуктора электровоза 94% 95%
3 Реостатной системы управления 85-95% 70-85%
4 Безреостатной системы управления 93-95% 90-92%
5 Устройств для заряда аккумуляторных батарей 92-97% -
6 Тяговой подстанции (с учетом питающего трансформатора) - 92-97%
7 Тяговой сети - 80-95%
8 Потери энергии на собственные нужды 3% 4%
9 Потери энергии на буксование 10-20% 5-10%
Потери энергии на буксование электровозов, которые особенно велики в обводненных шахтах, добывающих коксующиеся угли, можно уменьшить не менее, чем вдвое, если последовательное возбуждение тяговых двигателей постоянного тока заменить на смешанное. Мощность тяговых двигателей рудничных электровозов не превышает 30-45 кВт, что позволяет вместо обмотки независимого возбуждения использовать постоянные (предпочтительно самарий-кобальтовые) магниты.
В табл. 2 приведены сравнительные характеристики тяговых свинцово-кислотных панцирных аккумуляторных батарей и щелочных никель-железных в пятичасовом режиме разряда. Сравниваемые аккумуляторные батареи взаимозаменяемые. Анализ табл. 2 показывает, что в пятичасовом режиме разряда энергия, отдаваемая кислотными аккумуляторами, в 1,9-3,27 раза выше, чем щелочными. С учетом всех потерь приведенный к шинам переменного тока зарядных устройств кпд
Таблица 2
Характеристики тяговых свинцово-кислотных и щелочных никель-железных аккумуляторных батарей
Тип аккумуляторной батареи Среднее разрядное напряжение, В Энергоемкость батарей, кВтч
Свинцово-кислотная 50х7РгБЬ560 101 63
Никель-железная 50 ТНЖШ-550 60 33
Свинцово-кислотная 60х7РгБЬ-805 120 108,6
Никель-железная 60 ТНЖШ-550 72 39,6
Свинцово-кислотная 72х7РгБЦ430-805) 144 130,32
Никель-железная 72 ТНЖШ-550 86,4 47,5
Свинцово-кислотная 120х7РгБЬ-805 240 217,2
Никель-железная 120 ТНЖШ-550 144 79,2
Свинцово-кислотная 144х7РгБЬ-805 288 260,64
Никель-железная 144 ТНЖШ-550 172,8 95,4
Таблица 3
Характеристики электрохимических накопителей энергии ЭХН
Время разряда, ч Отношение токов I /I р рн Отдаваемая емкость, % Отдаваемая энергия, % КПД процесса разряда, %
5,0 1,0 100 100 42,00
4,0 1,25 0,85 83,6 35,1
3,0 1,66 70 67,1 28,11
2,0 2,50 55 49,5 20,7
1,5 3,33 47,5 40,375 17,1
1,0 5,0 40 28,13 12,3
аккумуляторной откатки с использованием свинцово-кислотных батарей не превышает 15-17% и никель-железных - 13,5%. Для уменьшения расхода энергии на зарядку аккумуляторных батарей не менее чем 1,5-2 раза в локомотивных депо необходимо отработавшие свой срок службы никель-железные аккумуляторные батареи заменить свинцово-кислотными.
В табл. 3. представлены характеристики электрохимических накопителей энергии ЭХН в относительных единицах. В качестве номинального режима был выбран пятичасовый разрядный режим ЭХН.
В тяговых расчетах средний удельный расход энергии контактной откатки принимается равным 120 Вт-ч/т-км, аккумуляторной - 240 Вт-ч/т-км. При использовании контактно-аккумуляторных электровозов удельный расход энергии снижается до 130-180 Вт-ч/т-км, срок службы аккумуляторных батарей повышается в 2 раза [1, 2, 4, 13]. Удельный расход топлива подземных дизелевозов находится в пределах 200-400 г/т-км. Использование комбинированных дизель-аккумуляторных локомотивов с накопителями энергии снижает мощность дизельного двигателя, расход топлива и выбросы канцерогенов, сажи, окислов азота, продуктов неполного сгорания топлива в рудничную атмосферу на 40-60% [1, 3, 14].
Указанные в табл. 2 и 3 значения отдаваемой при разряде энергии справедливы при температурах окружающего воздуха от 15 °С до 35 °С. Ниже температуры 15 °С отдаваемая энергия ЭХН резко падает. Например, при температуре ниже минус 25 °С кпд разряда аккумуляторных батарей не превышает 5-10%. При температуре выше плюс 55 °С аккумуляторные батареи не принимают заряд. При пиковом увеличении разрядного тока кпд и отдаваемая энергия ЭХН резко падает. При разрядном токе, в пять раз превышающем номинальное значение, кпд разряда снижается до 12,3%, а отдаваемая энергия до 28,13%. Для локомотивов, предназначенных для эксплуатации в условиях частой пиковой нагрузки, превышающей среднюю в 5-7 раз, предлагается использовать комбинированный накопитель, состоящий из аккумуляторной батареи ЭХН и конденсатора с двойным электрическим слоем КДЭС (см. табл. 4).
Электрические схемы накопителей на базе КДЭС будут проще, а кпд выше, чем в случае использования инерционных и других накопителей энергии. Гибридный накопитель, состоящий из аккумуляторной батареи ЭХН и КДЭС, можно устанавливать на контактных, аккумуляторных, контактно-аккумуляторных электровозах и дизелевозах. Величину энергоемкости КДЭС для установки на электро-
Таблица 4
Технические характеристики суперконденсаторного накопительного модуля 20х10ЭК303
Параметр Величина
Тип 20х10ЭК303
Рабочее напряжение, В 275
Запасаемая энергия, МДж 7,5
Отдаваемая энергия, МДж 6,2
Максимальная мощность, МВт 0,56
Масса, кг 660
Объем, м3 0,46
Время разряда, с 64
Время заряда, мин 15 - 40
Величина саморазряда не выше 0,3% в сутки
Интервал рабочих температур - 50...+70 °С
Срок службы Свыше 15 лет
Изготовитель ЗАО «Элтон», Россия, г. Троицк
возе можно выбрать порядка 2% от общей энергоемкости гибридного накопителя [1, 2, 3, 4]. Суперконденсаторы КДЭС можно использовать не только для сглаживания пиковых токов, но и для поддержания на удаленных участках контактных сетей постоянного напряжения, уменьшения скачков напряжения, снижения износа контактных проводов и искрения на токоприемниках электровозов.
В зависимости от схемы тягового электроснабжения для аккумулирования энергии торможения следует размещать КДЭС на электровозах, пунктах секционирования контактных сетей и на тяговых подстанциях. Расчеты показали, что на электровозе энергоемкость КДЭС достаточно иметь на уровне 1 МДж, на постах секционирования контактной сети - 5 МДж, на тяговой подстанции - 10 МДж.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Выводы
1. На электровозной откатке применение гибридных накопителей позволит уменьшить расход электроэнергии на 15-30%, на дизелевозной откатке - сократить расход топлива на 40-60%, выбросы канцерогенов, сажи, окислов азота, продуктов неполного сгорания топлива в рудничную атмосферу не менее, чем в 3 раза.
2. При пиковой нагрузке, превышающей среднюю в 2-3 раза, рекомендуется использовать ЭХН, в 57 раз - гибридный накопитель ЭХН и КДЭС.
3. Для установки на электровозе энергоемкость КДЭС можно выбрать не более 2% от энергоемкости гибридного накопителя, на постах секционирования контактной сети - 5 МДж, на тяговой подстанции - 10 МДж.
Степаненко Валерий Павлович - кандидат технических наук, доцент, НИТУ «МИСиС», e-mail: valestepanenko@yandex.ru,
Сорин Леонид Наумович - доктор технических наук, ООО «АВП Технология», e-mail: ocv@mail.ru.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Степаненко В. П. Применение комбинированных (гибридных) энергосиловых установок в горной промышленности // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2014. - № 11. - С. 322-328.
2. Белозеров В.И., Степаненко В.П. Актуальность создания карьерных локомотивов с накопителем энергии // Горная промышленность. - 2014. - № 4. - С. 76.
3. Варакин И.Н., Менухов В.В., Сами-тин В.В. Перспективы применения электрохимических конденсаторов в составе комбинированных энергосиловых установок на автосамосвалах // Горная промышленность. - 2008. - № 3. - С. 79-86.
4. Степаненко В.П., Венцлафф В., Ан-дреес Ф. Метод расчета локомотивной откатки с помощью номограмм // Бюллетень научно-технической информации СГАО Висмут. - 1982. - № 10. - С. 19-31.
5. Степаненко В.П., Венцлафф В., Ан-дреес Ф., Кунерт Л., Василенко В.И. Переоборудование шахтных аккумуляторных электровозов в комбинированные. Бюллетень научно-технической информации СГАО Висмут. - 1984. - № 12. - 1984. - С. 14-22.
6. Степаненко В.П., Венцлафф В., Ан-дреес Ф., Кунерт Л., Василенко В.И. Исследование принудительного воздушного охлаждения тяговых электродвигателей БМ-360 // Бюллетень научно-технической информации СГАО Висмут. - 1985. - № 5. - С. 6-11.
7. Степаненко В.П., Венцлафф В., Дей-неке Р., Василенко В.И. Разработка и испытание контактно-аккумуляторных электровозов У-860 // Уголь. - 1986. - № 12. -С. 32-33.
8. Степаненко В.П. Результаты разработки и внедрения шахтных комбинированных электровозов Фау-860 / Научные сообщения ИГД им. Скочинского. Актуальные вопросы электрификации горных предприятий. - М., 1977. - С. 103-108.
9. Степаненко В.П., Венцлафф В., Ан-дреес Ф. Схема дистанционного управления электровозом, питающегося от аккумуляторной батареи. Патент ФРГ, класс В60Ь, 15/00, № 207523.
10. Степаненко В.П., Венцлафф В., Ан-дреес Ф., Кунерт Л., Василенко В.И. Схема управления тяговыми двигателями комбинированного локомотива. Патент ФРГ, класс В60Ь 15/32, № 224280А1.
11. Степаненко В.П., Венцлафф В., Ан-дреес Ф. Шахтный локомотив, питающийся от аккумуляторной батареи и контактной сети. Патент ФРГ, класс Р61, № 2547983 от 21.10.1983.
12. Степаненко В.П., Синчук О.Н., Гу-зов Э.С. Шахтный контактно-аккумуляторный электровоз // Горный журнал. - 1988. -№ 6. - С. 55-57.
13. Степаненко В.П. Особенности организации локомотивной откатки с использованием комбинированных электровозов / Научные сообщения ИГД им. Скочинского. Горная механика, рудничный транспорт, техническое обслуживание и ремонт ГШО. - М., 1988. - С. 123-130.
14. Степаненко В.П. Дизель-аккумуляторные подвесные монорельсовые локомотивы / Научные сообщения ИГД им. А.А. Скочинского. Выпуск 150. - М., 1975. - С. 80-83. КЗ
UDC 622.621.311.1
THE EFFICIENCY OF UNDERGROUND LOCOMOTIVE HAULAGE WITH HYBRID ENERGY STORAGE
Stepanenko V.P., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: valestepanenko@yandex.ru,
National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia, Sorin L.N., Doctor of Technical Sciences, AVP Technology, Moscow, Russia, e-mail: ocv@mail.ru.
Methods for increasing energy efficiency and ecological safety of underground locomotive haulage using a combination of energy storages. The use of hybrid energy storage on the electric locomotives will reduce energy consumption by 15-30%, for diesel locomotive to reduce fuel consumption by 40-60%, emissions in the mine atmosphere cancerogenic substances, soot, nitrogen oxides, products of incomplete combustion of fuel and oil not less than three times. At peak load, exceeding the average by 2-3 times, it is recommended to use electrochemical energy storage AHN, exceeding 5-7 times and hybrid energy storage devices, consisting of supercapacitors CDEL and electrochemical energy storage ECHES.
Key words: energy efficiency, locomotive rollback, hybrid energy storage devices, supercapacitor, fuel consumption.
REFERENCES
1. Stepanenko V.P. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. 2014, no 11, pp. 322-328.
2. Belozerov V.I., Stepanenko V.P. Gornaya promyshlennost'. 2014, no 4, pp. 76.
3. Varakin I.N., Menukhov V.V., Samitin V.V. Gornaya promyshlennost'. 2008, no 3, pp. 79-86.
4. Stepanenko V.P., Ventslaff V., Andrees F. Byulleten' nauchno-tekhnicheskoi informatsii SGAO Vismut. 1982, no 10, pp. 19-31.
5. Stepanenko V.P., Ventslaff V., Andrees F., Kunert L., Vasilenko V.I. Byulleten' nauchno-tekhnicheskoi informatsii SGAO Vismut. 1984, no 12. 1984, pp. 14-22.
6. Stepanenko V.P., Ventslaff V., Andrees F., Kunert L., Vasilenko V.I. Byulleten' nauchno-tekhnicheskoi informatsii SGAO Vismut. 1985, no 5, pp. 6-11.
7. Stepanenko V.P., Ventslaff V., Deineke R., Vasilenko V.I. Ugol'. 1986, no 12, pp. 32-33.
8. Stepanenko V.P. Nauchnye soobshcheniya IGD im. Skochinskogo. Aktual'nye voprosy elektrifikatsii gornykh predpriyatii (Transactions of the Skochinsky Institute of Mining. Urgent issues of mine electrification), Moscow, 1977, pp. 103-108.
9. Stepanenko V.P., Ventslaff V., Andrees F. Patent Germany, class B60L, 15/00, no 207523.
10. Stepanenko V.P., Ventslaff V., Andrees F., Kunert L., Vasilenko V.I. Patent Germany, class B60L 15/32, no 224280AI.
11. Stepanenko V.P., Ventslaff V., Andrees F. Patent Germany, class P61, no 2547983, 21.10.1983.
12. Stepanenko V.P., Sinchuk O.N., Guzov E.S. Gornyi zhurnal. 1988, no 6, pp. 55-57.
13. Stepanenko V.P. Nauchnye soobshcheniya IGD im. Skochinskogo. Gornaya mekhanika, rudnichnyi transport, tekhnicheskoe obsluzhivanie i remont GShO (Transactions of the Skochinsky Institute of Mining. Rock mechanics, mine transport, mine equipment repair and maintenance), Moscow, 1988, pp. 123-130.
14. Stepanenko V.P. Nauchnye soobshcheniya IGD im. A.A. Skochinskogo (Transactions of the Skochinsky Institute of Mining), issue 150, Moscow, 1975, pp. 80-83.
Нетерпеливые последователи эффективных технологий хотят побыстрее разгадать секреты качественного книгоиздания, но не знают, с чего начать. Многим кажется, что хорошие книги получаются с помощью каких-то чудо-машин, и они готовы вкладывать любые средства в их приобретение. Разочарование таких начинающих издателей бывает написано на лице: что же это такое, никакого оборудования нет, а книги получаются хорошие. Действительно, редактор с карандашом и техред с простеньким компьютером не вызывают эмоций, но именно они своим мастерством добиваются чудесных результатов.
Наблюдая со стороны за последовательностью операций по превращению рукописи в оригинал-макет, а затем в тираж книги, многого не увидишь даже при очень большом внимании. Все работы выполняются в неявном виде, малопонятном для непосвященных. Тем не менее, интенсивная и квалифицированная работа ведется в творческих поисках, дискуссиях между авторами, редакторами, дизайнерами и другими специалистами. К тому же большая часть издательских специалистов работает на дому.
Для того чтобы не огорчать гостей, издатели устраивают посещения второстепенных инфраструктурных подразделений, участков оперативной полиграфии, выставок книг и дизайнерских проектов, книгохранилищ и т.д. Конечно, эти структуры не определяют успех издательского дела, но имеют зрелищную привлекательность. А для того чтобы передать технологии качественного книгоиздания, нужны годы интенсивной работы и специальные школы индивидуального мастерства.
УМНАЯ КНИГА - ПРЕДМЕТ ПЕРВОЙ НЕОБХОДИМОСТИ _
УСТРОЙТЕ НАМ ЭКСКУРСИЮ ПО ВАШЕМУ ИЗДАТЕЛЬСТВУ
Лучшими экспонатами издательского музея будут выпушенные им книги.
Продолжение на с. 181
