CC BY
77
Использование природного газа на автономных локомотивах
А.В. ЗАРУЧЕЙСКИЙ, канд. техн. наук, заместитель заведующего отделением «Тяговый подвижной состав» ОАО «ВНИИЖТ»
В целях снижения энергоемкости перевозочного процесса и улучшения экологических показателей ОАО «Российские железные дороги» ведут активные исследования в области применения альтернативных видов топлива. Наиболее доступным и емким по разведанным запасам альтернативным видом топлива является природный газ. Работы по применению природного газа были начаты в СССР еще в конце 1980-х годов.
Требования, которые были сформулированы железными дорогами, заключались в следующем:
• использование газодизельного цикла с сохранением возможности работы на дизельном топливе;
• минимальные изменения конструкции тепловоза;
• обеспечение топливной экономичности при работе тепловоза только на дизельном топливе не хуже, чем у базового дизеля;
• обеспечение требований пожаро-и взрывобезопасности.
На первом этапе были созданы опытные образцы маневровых и магистральных тепловозов. В результате развала СССР часть магистральных тепловозов, оставшихся на Украине, была утрачена. В России сохранился созданный во ВНИИЖТе макетный образец маневрового газотепловоза ТЭМ2У-8496.
На основе накопленного институтом и промышленностью опыта в 1996 году
были построены два опытных тепловоза ТЭМ18Г (рис. 1). После наладки, произведенной с участием специалистов ВНИИЖТа, тепловозы были направлены для эксплуатации сначала на Октябрьскую, потом на Московскую и Свердловскую железные дороги. Испытания тепловозов показали, что при выполнении требований заказчика обеспечивается устойчивая работа с подачей газа с 4-й позиции контроллера, что соответствует ориентировочно 35% номинальной мощности дизеля. При этом удалось обеспечить требуемый уровень топливной экономичности дизеля при работе на дизельном топливе.
Длительные эксплуатационные испытания газотепловозов ТЭМ18Г подтвердили эффективность и работоспособность предложенных технических решений. Максимальное замещение дизельного топлива газом достигло 50%. В среднем процент замещения дизельного топлива газом находился на уровне 42%, что позволило обеспечить
экономию средств на топливо от 21 до 25%. Получены положительные результаты по снижению выбросов вредных веществ в 1,5-2 раза. Технические характеристики отечественных газотепловозов приведены в таблице 1.
Достигнутые результаты дали основание для включения этого направления в Энергетическую стратегию ОАО «РЖД», что соответствует целям и приоритетам Энергетической стратегии России на период до 2020 года.
Вместе с тем в эксплуатации были выявлены некоторые недостатки конструкции первых опытных газотепловозов:
• низкая надежность инвертора для питания вентиляторов кузова, изготовленных ЗАО «УК БМЗ», и механических газовых клапанов, изготовленных ОАО «Пензадизельмаш»;
• низкий запас газа;
• работа с подачей газа только с 4-й позиции КМ.
Имелись также организационные недостатки:
• отсутствие обученного персонала, и, как следствие, невозможность правильной эксплуатации тепловозов;
• отсутствие специализированного автогазозаправщика для заправки тепловозов сжатым газом с длительной заправкой.
Полученные результаты явились основой для проведения дальнейших ис-
I _■ Ггф-U
г W
- 9
3
1-7
i
S i : 1 О
I 1 4 5 В 7 В
Пихнмын
Рис. 1. Тепловоз ТЭМ18Г-001.
^Н й- > ■!■-■! i-|h№f нр=41 71Ш1М III! IITIII "J4 Mil- pHLI'-p* "1ЖЗ 14 И KJ." II
I I [1Ш1 rj H flV,4Kr ТГП T»7l.l IIO И П'-НП.Н ru
Рис. 2. Работа дизеля газотепловоза.
Таблица 1. Технические характеристики отечественных маневровых газотепловозов
следовании по применению природного газа на тепловозах. Цель следующего этапа исследовании — получение новых качественных результатов, а именно повышение степени замещения дизельного топлива природным газом и обеспечение работы дизеля с подачеИ природного газа на мощностях менее 35% от номинальной мощности дизеля, повышение запаса природного газа.
В результате анализа были выбраны следующие основные направления совершенствования газотепловозов:
• применение систем электронной подачи газа и топливной аппаратуры, обеспечивающей высокое качество распыла на малых нагрузках. Такая система создана институтом в прошлом году;
• повышение давления природного газа в баллонах, применение газовых баллонов на основе новых конструкционных материалов.
На сегодняшний день институтом проведен цикл испытаний электронно-управляемой системы газоподачи на
дизеле тепловоза ТЭМ2У-8496, которые показали возможность устойчивой работы с подачей газа начиная с 25% номинальной мощности дизеля, что, по расчетам, обеспечивает замещение 65% дизельного топлива газом (рис. 2). В следующем году планируется оборудовать этой системой тепловозы ТЭМ18Г-001 и 002.
Одной из проблем, препятствующих массовому внедрению газотепловозов, является запас газа. На тепловозах природный газ может храниться как в сжиженном, так и в сжатом состоянии. Обе системы обладают достоинствами и недостатками. К преимуществам сжиженного газа относится большой запас газа. Однако для подачи его в цилиндры необходимо наличие системы регази-фикации, которая обладает значительной инерционностью. Кроме того, качество сжиженного газа зависит от производителя и оказывает существенное влияние на технико-экономические характеристики газотепловозов. С этой проблемой столкнулись специалисты
ВНИКТИ. Размещение необходимого запаса сжатого газа требует применения высокотехнологичных баллонов с высоким давлением. В 2004 году был создан опытный образец маневрового газотепловоза ЧМЭ3Г, в конструкции которого применены баллоны из композитных материалов, позволившие увеличить запас газа на 30%.
По оценке ВНИИЖТа, для маневровой работы наиболее предпочтительным является применение сжатого природного газа вследствие меньшей инерционности системы регазифика-ции. Расчеты показывают, что применение современных баллонов позволяет обеспечить требуемый запас газа для эксплуатации между экипировками в течение 7 суток (таблица 2).
Результаты, полученные в ходе подконтрольной эксплуатации тепловозов ТЭМ18Г с электронной системой подачи газа и тепловоза ЧМЭ3Г с новыми баллонами, станут основой для создания перспективных газотепловозов, которые будут строиться
Таблица 2. Зависимость запаса природного газа на маневровом тепловозе от объема баллонов и рабочего давления
* ¡г
3 я _ □
<с
А
4
150
т ми
320 400
Суммарный объем блл-к лонов, м'н
* 8 111
& и К а
91
а У
0,7
о*
0,85
1
Зяпяс ГЫЯ О. Л я '
им
129
кг
510 2,1
Суммарный >, объем бал- | лашя, м'н £
Зяцяг пав £ &
3
Суммарный объем блл левов.
Сучмарнй
бал- # , объем бяллоисв, г ® объем бал
4 м ® I м ЬЯН м
а
им
421
£1' М5
8 3 1
£ & Г Зяияс ги'ла &
ТОО 2,9 84« 3,6
Н5И 1000 1209 1360 952 4,0
2,7
1075 753 ЗД
1529 1070 4,5 1720 1204 5,1
им КГ
1071 750
Л
за
1250 К75 3,7 1471 1029 1778 1244 5Д 2000 1400 5.9
Е* 2 Зяияе гам Я &
1286 1500 17145 2133 2400
900
1050
1235
1493
1680
3 I а я р Сь н
ь н
ъ г И £
9 Я Е 9
Суммарный I баллонов,
3,Н
4,4 5 а V 7Д
114
1500 1750 2Л59 2489 2800
7,0
Эмияс 1'ЯЗЯ кг 1050
1225 1441 1742 Ш
Время между запряякамв, сут ш!п
4у4
5,1
М
и
щщннивТЭШЗГ гвваоимЧМЭЗГ
и])СЫ£ работы чсж,ту зжялнзювквмн, гтреитлчаютпсс 5 суР0¥
Рис. 3. Газотурбинный двигатель ГТД-1000.
ЗАО «УК «БМЗ» на базе тепловозов типа ТЭМ10. По нашему мнению, к созданию газотепловозов подключатся и другие российские производители тепловозов.
Анализ перспектив развития силовых установок показал, что одним из перспективных направлений развития автономной тяги является применение газотурбинных силовых установок. Исследования, проведенные совместно с ФГУП «ЦИАМ», показали возможность создания транспортного газотурбинного двигателя, обладающего более высоким КПД, чем дизель. Разработанные для этих двигателей законы регулирования позволяют существенно повысить топливную экономичность на частичных нагрузках, что практически недостижимо для тепловозных дизелей. Преимуществом газотурбинного двигателя является возможность работы на различных видах топлива, в частности на природном газе. При этом не требуется подача запальной порции дизельного топлива.
Основные требования, сформулированные для транспортного газотурбинного двигателя, заключаются в обеспечении 100% работы на природном газе и КПД не менее 40% в диапазоне нагрузок 0,2...1,0 от номинальной мощности.
Первый двигатель, который разработан в соответствии с нашими требованиями, изготовлен ФГУП «ММПП «Салют» (рис. 3) и будет установлен на опытном образце маневрового газотурбовоза ТГЭМ10 (рис. 4). Запас газа хранится на газотурбовозе в сжатом виде в баллонах, расположенных в бус-терной секции.
В перспективе возможно создание локомотива на топливных элементах, где необходимый для работы водород будет получаться из природного газа.
Рис. 4.
Маневровый газотурбовоз ТГЭМ10.
КУПОН НА ПОДПИСКУ
УВАЖАЕМЫЕ ЧИТАТЕЛИ! Для оформления подписки на журнал просим заполнить настоящий бланк и выслать по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9.
После получения купона мы отправим Вам счет. Опплатив его, отправьте в редакцию копию платежного поручения по факсу (812) 310-40-97. Поля, обязательные для заполнения, отмечены звездочкой (*).
Наименование предприятия *
Адрес доставки (фактический) *
Тел. Факс * Е-таП *
Фамилия, имя, отчество *
должность
Юридический адрес *
ИНН *
Название банка *
Расчетный счет *
Корреспондентский счет *
2009 г. *
№1 №2 №3 №4 №5 №6
Количество экземпляров * ^В
СТОИМОСТЬ ОДНОГО ЭКЗЕМПЛЯРА (БЕЗ УЧЕТА СТОИМОСТИ ДОСТАВКИ) — 300 Р., ВКЛЮЧАЯ НДС
По этому купону у Вас 2008 г. * Ц Ц Ц Ц Ц ■
есть возможность №1 №2 №3 №4 №5 №6
заказать не только новые, но и предыдущие Количество экземпляров * ^^
номера издания. СТОИМОСТЬ ОДНОГО ЭКЗЕМПЛЯРА (БЕЗ УЧЕТА СТОИМОСТИ ДОСТАВКИ) — 230 Р., ВКЛЮЧАЯ НДС
