CC BY
166
Контейнерный мост Санкт-Петербург - Москва на основе магнитной левитации
А. А. Зайцев,
докт. экон. наук, профессор кафедры «Экономика транспорта» Петербургского государственного университета путей сообщения
Действующие системы железнодорожного и автомобильного транспорта в России, по прогнозам экспертов, скоро не смогут справляться с грузовыми потоками, рост которых отмечается ежегодно. Проблему может решить развитие инновационного вида транспорта на основе магнитной левитации. Первый испытательный участок грузовой транспортной платформы такого типа будет построен в 2014 г. на территории одного из ведущих отечественных научно-исследовательских институтов.
Рис. 1. Данные Центра коммерческого развития транспортных технологий (ССРоТТ), США (по курсу 1 долл. США = 35 руб.)
Преимущества
магнитолевитационного транспорта
Магнитолевитационный транспорт (МАГЛЕВ) - это инновационный вид транспорта [1], отличительными чертами которого являются высокая скорость, большой жизненный цикл, безопасность, энергоэффективность, комфортабельность и экологичность. Сокращенное наименование «МАГЛЕВ» происходит от слов «магнитная» и «левитация». Магнитолевитационные транспортные средства подвешиваются (левитируют) над активной путевой структурой и движутся вдоль нее за счет электромагнитных сил, без использования механического и электрического контактов [2].
Оценки американских специалистов свидетельствуют о том, что эксплуатационные затраты магнитоле-витационного транспорта составляют 66 коп. /(пасс. км), для авиатранспорта они равны 3,3 руб. /(пасс. км) [3, 4]. При перевозке грузов на дальние расстояния автомобильным транспортом удельные затраты составляют 19 руб. / 10(т. км), на железной дороге - 28 руб. / 10(т. км), с использованием магнитной левитации - 10 руб. /10(т. км) (рис. 1). Здесь следует учесть структуру транспорта в США, где доля грузоперевозок автомобилями превалирует над всеми остальными видами транспорта.
В табл. 1 приведены удельные энергозатраты и стоимость грузовых перевозок на российских железных дорогах в 2013 г.
Жизненный цикл магнитолевитаци-онного транспорта составляет не менее 50 лет, что вдвое превышает аналогичный показатель для автомобилей. Столь
большой срок службы объясняется отсутствием механического контакта с активной путевой структурой и равномерным распределением весовой нагрузки на путевую структуру практически по всей длине транспортного средства МАГЛЕВ в отличие от ее концентрации на колесах автомобиля.
Высокая энергоэффективность маг-нитолевитационного транспорта достигается благодаря высокому коэффициенту полезного действия тягового линейного синхронного двигателя -~80 %. При скорости 500 и 250 км/ч маг-нитолевитационное транспортное средство соответственно потребляет 250 и 60 кДж /(пасс. км). Удельное энергопотребление автомобиля, движущегося с оптимальной по энергозатратам скоростью 100 км/ч, на порядок выше.
В вакуумной трубе с разрежением порядка 10-2 мм рт. ст. скорость магни-толевитационного транспорта может достигать 1000-1200 км/ч, т. е. приближаться к скорости самолета.
Электрическая тяга исключает появление выхлопных газов, а высокий коэффициент полезного действия снижает общий объем выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, характерных для тепловых электростанций. Вредные для экологии пылевые образования отсутствуют, поскольку нет механического контакта с активной путевой структурой. Такой транспорт отличают низкие шумы и малые вихревые потоки в непосредственной близости от пути.
Магнитолевитационный транспорт является преимущественно эстакадным. Опоры эстакад занимают меньше
Таблица 1. Удельные показатели грузоперевозок на железнодорожном транспорте
Наименование показателя Единицы Отчет 2013 г. % %
измерения 2012 г. План Факт к плану к 2012 г.
Себестоимость перевозок всего коп./10 (т. км) 538,423 545,024 544,799 100 101,2
Удельный расход электроэнергии на тягу поездов кВт-ч/104 т. км брутто 117,9 116,9 114,9 98,3 97,5
Удельный расход дизельного топлива на тягу поездов кг усл.т/104 т. км брутто 58,7 56,4 55,5 98,5 94,6
Цена электроэнергии на тягу поездов руб./кВт-ч 2,051 2,285 2,424 106,1 118,2
Цена топлива на тягу поездов руб./кг усл.т 17,407 19,415 19,175 98,8 110,2
площади, чем автострады, аэропорты и железнодорожные пути. Подэстакадная зона отчуждения может быть предназначена для разных нужд, в том числе предусматривающих строительство. Двухпутная магнитолевитационная магистраль обладает перевозочной способностью, сравнимой с 10-полосной автострадой. При этом зона отчуждения автодороги может достигать 300 м. Несмотря на это, жилищное строительство рядом с автомобильной трассой проблематично по требованиям экологично-сти и санитарной безопасности.
При эстакадном исполнении нет перекрестной связи с другими видами транспорта и, как следствие, столкновения с ними. Высокий градиент пути, достигающий более 10 %, упрощает его трассировку. Режимы движения магнитолевитационного транспортного средства определяются автоматической посекционной подачей электрической энергии на стационарную трехфазную обмотку линейного синхронного двигателя и регулированием частоты питающего тока. Вследствие этого обеспечивается безопасное (конвейерное) движение транспортных средств с любым заданным интервалом движения.
Грузовой
магнитолевитационный транспорт
Магнитолевитационный транспорт обычно позиционируют как пассажирский. Однако анализ грузовых автоперевозок, например по маршруту Санкт-Петербург - Москва, показывает, что такой вид транспорта может быть востребован на рынке междугородных грузовых, прежде всего контейнерных, перевозок.
Объем грузопотоков в данном направлении характеризуется следующими показателями. Из морских портов Санкт-Петербурга и Ленинградской
области в Москву перевозится 1,8 млн контейнеров в год, из них более 90 % -автотранспортом. Через пять лет количество перевозимых контейнеров достигнет 4,5 млн. Сегодня потери дохода ОАО «РЖД» в данном сегменте грузовых перевозок оцениваются в 140 млрд руб. Без принятия кардинальных мер по перераспределению грузоперевозок в пользу ОАО «РЖД» через пять лет потери доходной части утроятся.
Эксперты установили, что существующие системы железнодорожного и автомобильного транспорта в ближайшее время с этими грузовыми потоками не будут справляться. Кроме того, транспортные проблемы весьма ощутимы в социальном плане. Затраты на перевозку товара существенно сказываются на его конечной стоимости. Она может вдвое превысить оптовые закупочные цены, установленные производителем.
Параметры
грузовой магнитолевитационной магистрали «Усть-Луга - Москва»
На рис. 2 представлена возможная схема контейнерного моста, связывающего морской порт Усть-Луга с так называемым сухим портом Москва. Ниже следуют ее состав, пропускная способность (мощность) и энергетические параметры.
Доставка контейнеров брутто 40 т за сутки (ежесуточная пропускная способность линии): в одном направлении N = 2500, в двух направлениях -2N = 5000 ед.
Режим работы линии: Т = 24 ч (круглосуточно).
Время, затрачиваемое на погрузку/ разгрузку контейнера: Дt = (24-3600) : 2500 = 34,65 * 35 с.
Средняя скорость грузовой платформы: V = 250 км/ч = 69,4 м/с.
Время в пути одной платформы: t = (/V = 829/250 = 3,32 ч = 3 ч 19 мин = 11952 с.
Расстояние, которое проходит грузовая платформа за 35 с: Д5 = vДt = 69,4-35 = 2429 м = 2,429 км.
Расстояние между грузовыми платформами на линии: Д5 = 2,429 км.
Количество грузовых платформ, одновременно находящихся на 1 линии: п = ^ = 829/2,429 = 341 ед., на 2 линиях - 682 ед.
2
Динамика: а = 2 м/с '
Время разгона (торможения) до (от) скорости 250 км/ч: t -т = 34,7 с * 35 с.
Длина участка разгона (торможения): 5 = 1204 м.
' р-т
Тяговое усилие на участке разгона: ДТр = та = 40 000-2 = 80 кН.
Мощность линейного синхронного двигателя на участке разгона: Рр = ^^ = 80 000-69,4 = 5 552 000 Вт * 5,6 МВт.
Мощность линейного синхронного двигателя на крейсерской скорости (основной участок пути): Рк * 560 кВт = 0,56 МВт.
Экономический эффект от применения магнитолевитационной технологии на сети железных дорог ОАО «РЖД» и срок окупаемости определяются следующими показателями.
Пункт гмгрузкн
Н—-—-* к
Пункт разгрузки
и.-ф
»»р>л Пункт разгрузки |
, 1 ъХ 1-1
—Чт" -1—* гИ1 Г
-1*14»«
Пункт погрузки |
Промежуточный пункт | Рис. 2. Грузовая магнитолевитационная магистраль морской порт Усть-Луга - «сухой порт» Москва
Рис. 4. Схема развития магнитолевитационного транспорта в мире
Рис. 5. Экспериментальный полигон грузового магнитолевитационного транспорта. General Atomics, USA
Исходные параметры Грузовая магнитолевитационная магистраль морской порт Усть-Лу-га - сухой порт Москва имеет длину 829 км (рис. 2).
Средняя скорость движения грузовой магнитолевитационной платформы - 250 км/ч (без обтекателя) и 500 км/ч (с обтекателем). Время в пути, соответственно, 3 ч 20 мин. и 1 ч 40 мин.
Стоимость строительства 1 км 2-путной линии с инфраструктурой -824 млн руб. Стоимость строительства 2-путной магистрали ~ 683 млрд руб. Стоимость грузовой платформы - ~25 млн руб. Стоимость 682 грузовых платформ (в режиме движения на крейсерской скорости 250 км/ч) на 2 пути - ~17 млрд руб.
Общие капитальные затраты с подвижным составом - ~ 700 млрд руб. Сдача «под ключ» - в течение 5 лет. Ежесуточная потребляемая электроэнергия (24 ч): = 2^24 = 764-24 = 18336 МВт-ч - 18,4-106 кВт-ч.
Ежесуточная стоимость потребляемой электроэнергии: 2с = 2^3,4 (р./кВт-ч) = 18,4406 ^3,4 = 62,342 млн руб.
Эксплуатационные расходы за год (затраты на электроэнергию):
2 = 365 • 2с = 365^62,342 = 22,75 млрд руб.
Стоимость доставки 1 контейнера по маршруту (исходя из потребляемой электроэнергии): 21 = 2с : 5000 = 62 342 000:5000 - 12,5 тыс. руб.
Рыночная стоимость доставки 1 контейнера по маршруту - 60 тыс. руб.
Количество контейнеров, обработанных за 1 год:
М = 365-5000 = 1,825 млн.
год >
Общая рыночная стоимость доставки контейнеров за год:
2М = М -60 000 = 1 825 000-60 000 =
год год
109,5 млрд руб.
Ежегодная прибыль: ДМ = 109,5 - 22,75 = 86,74 млрд руб. Срок окупаемости магнитолевита-ционной магистрали: ДГ = 700: 86,74 - 8 лет.
Рис. 3. Грузовой магнитолевитационный конвейер между морским и «сухим» тыловым терминалами
Помимо перечисленных качеств конвейерный магнитолевитационный транспорт перемещает контейнеры между морским и сухим тыловым терминалами экологичным и эффективным способом (рис. 3).
Современное состояние грузового магнитолевитационного транспорта
Как показано на ретроспективной схеме развития магнитолевитационного транспорта (рис. 4), его коммерческие линии являются исключительно пассажирскими. Высоких достиже-
ний в разработке грузовых систем добились Ливерморская национальная лаборатория им. Э. Лоуренса и компания «Дженерал Атомикс» в США. Их совместными усилиями в Калифорнии построен полигон длиной 1,5 км, где испытываются грузовые платформы для перевозки 40-футовых морских контейнеров (рис. 5) [5].
Основные узлы и компоненты грузовой магнитолевитационной транспортной платформы, базируемой на четырех модулях, представлены на рис. 6.
Отечественные разработки
длинный полюс рис. 6. Макет грузовой магнитолевитационной транспортной платформы
Для создания научно-технического задела в области транспортных систем на основе магнитной левитации Научно-образовательный центр инновационного развития пассажирских железнодорожных перевозок Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС) провел цикл фундаментальных исследований по разработке отечественной магнитолевитаци-онной транспортной технологии «Маг-ТранСити». Работы проходили преимущественно за счет грантов Российского фонда фундаментальных исследований с участием ОАО «РЖД» в софинансиро-вании.
Между ОАО «РЖД» и ПГУПС заключен договор о разработке и испытани-
ях грузовой транспортной платформы на основе магнитной левитации. В этом проекте принимают участие ОАО «НИИЭФА им. Д. В. Ефремова», ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО», ОАО «НВЦ "Вагоны"», ОАО «Национальные скоростные дороги». В текущем году планируется изготовить полномасштабный макет грузовой транспортной платформы и построить испытательный участок на территории ОАО «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова».
Проектируемая грузовая транспортная платформа будет состоять из двух несущих тележек-модулей (рис. 7). Принятая конструкция позволяет транспортировать контейнеры серий 1ААА, 1АА или 1 А.
Внедрение магнитолевитационной технологии на транспорте станет стимулом для создания высокоинтеллектуального научно-производственного потенциала. Этого можно достичь при развитии национальной фундаментальной, прикладной науки и профессионально-образовательной высшей школы, формировании отечественных проектных организаций и создании наукоемких производств для выпу-скановейших образцов транспортного оборудования мирового уровня.
Эксплуатация магнитолевитаци-онного транспорта предусматривает широкое внедрение спутниковой навигационной технологии для обеспечения диагностики, связи, наземного и бортового автоматического управления по Международному стандарту IRIS, который подлежит соответствующей корректировке.
Относительно короткие сроки окупаемости гарантируют реализацию проекта путем привлечения частного капитала, а не бюджетных средств.
Научный задел, технические и производственные возможности организаций, привлеченные к созданию грузового магнитолевитационного транспорта, достаточны для решения поставленной задачи. Q
Литература
1. Антонов Ю. Ф., Зайцев А. А. Магнитоле-витационная транспортная технология. М.: Физматлит, 2014. 476 с.
2. Антонов Ю. Ф., Зайцев А. А. Особенности магнитолевитационной технологии для общественного транспорта // Известия ПГУПС. 2012. Вып. 3. С. 11-18.
Powell J., Danby G. Maglev: Transport Mode For the 21st Centure // EIR Science & Technology. 2007. P. 47- 60. (This article was submitted as a discussion document for the Schiller Institute's Sept. 15-16, 2007 conference in Kiedrich, Germany, on the Eurasian Land-Bridge).
3. m a g l e v. i r > e n g / d o c u m e n t s/ presentations/IMT_P_8.pdf. (Suspension (EMS) Technology TransRapid's HighSpeed Freight Design CCDoTT Suthern California Freight initiative: Transrapid RCM System CCDoTT Southern California Freight Initiative... )
4. General Atomics Low Speed Maglev Technology Development Program (Supplemental #3). Final Report. FTA-CA-26-7025. 2005. May 2005.
МагТранСити
МА11П*ЭаП» шлю
Блок магнитов
1^ама плвгтформы 4 Пгпим nnieMWiytM
рис. 7. Компоновка и габариты проектируемой грузовой магнитолевитационной транспортной платформы
