CC BY
77Локомотивы, работающие на природном газе
В.Ф. Руденко, заслуженный конструктор РФ, к.т.н.
В статье изложены концепции создания магистральных и маневровых локомотивов, использующих природный газ в качестве моторного топлива. Рассмотрены вопросы применения газотурбинных и газопоршневых двигателей на локомотивах и обоснован выбор СПГ для мощных транспортных машин.
Некоторые статьи в СМИ [1-4 и др.] затрагивают проблему разработки газотурбовозов - одного из направлений создания автономного локомотива, работающего на природном газе (ПГ). Несмотря на низкий научно-технический уровень эти публикации не только вводят в заблуждение техническую общественность, но и влияют на принятие управленческих решений. Предлагаемая статья посвящена не столько ответу на упомянутые публикации, сколько рассмотрению концепции создания локомотивов, использующих природный газ в качестве моторного топлива.
__Ключевые слова:
природный газ, КПГ, СПГ, локомотив, газотурбовоз, маневровый газопоршневой
локомотив, газовая турбина, газопоршневой двигатель.
П
еревод значительном части транспортных средств на ПГ - одно из перспективных направлений энергетической стратегии России. ОАО «РЖД» потребляет более 9 % дизельного топлива от общего потребления в стране, и «Стратегия развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года» предусматривает его замещение к 2030 году природным газом (ПГ) на 25...30 %.
Создаваемые для этого автономные локомотивы должны соответствовать перспективным требованиям по экологическим показателям, выполнять ту же поездную работу, что и локомотивы сопоставимой мощности, иметь тот же коэффициент технической готовности, использовать в основном существующую инфраструктуру. При этом стоимость жизненного цикла локомотива должна быть сопоставима со стоимостью жизненного цикла аналога. Они могут быть предназначены для следующих целей:
• вождения поездов с весовой нормой мощных грузовых электровозов (мощность 8,5.9 МВт) на полигонах с автономной тягой;
• замены двух- и трехсекционных магистральных дизельных тепловозов (мощность 2.3 МВт в секции);
• маневровой работы (мощность = 1 МВт).
СПГ или КПГ?
Для интегрирования в существующий перевозочный процесс локомотива на его борту необходимо иметь примерно то же количество газа, что и дизельного топлива на равном по мощности тепловозе. Поэтому на маневровом локомотиве надо иметь примерно 5 т газа, а на магистральном - 2.2,5 т на МВт. Давление в емкостях с КПГ до 20.30 МПа, а с СПГ - не более 1 МПа. Масса существующих стальных баллонов для хранения на борту КПГ примерно в десять раз
больше массы хранимого газа, а масса криогенной емкости для СПГ примерно равна массе газа. При равных массах топлива криогенные емкости с СПГ и арматура занимают на локомотиве в 2-3 раза больший объем, чем баки с дизельным топливом, а системы с КПГ - в 8-12 раз.
При применении в качестве силовой установки газотурбинного двигателя (ГТД) требуется подавать газ под давлением 2 МПа и более, а при использовании перспективных газовых поршневых двигателей (ГПД) с технологией HPDI (непосредственный впрыск топлива под высоким давлением) -под давлением более 30 МПа. Если в первом случае можно пойти на 10... 15 % остатка КПГ, то во втором обязательно создание дожимающего газового компрессора высокого давления. Для СПГ эта задача решается криогенными насосами с полной выработкой топлива. Криопотенциал СПГ можно использовать для охлаждения теплоносителей двигателя.
Цена КПГ и СПГ, общая стоимость бортовых систем хранения и газоподготовки при равной массе газа довольно близки.
Из совокупности особенностей СПГ и КПГ следует, что применение СПГ на локомотивах более рационально, чем КПГ.
Тепловой двигатель, использующий природный газ
Тепловые двигатели, работающие на природном газе, как поршневые, так и газотурбинные применяются в судостроении и стационарной энергетике. Естественно, они имеют своих предшественников в этих и других отраслях. Вообще говоря, во всех направлениях развития науки и техники всегда создавался базовый продукт для наиболее востребованного применения, после чего адаптировался для
широкого использования. На железнодорожном транспорте многие эксплуатируемые дизельные двигатели имеют своих предшественников, изначально созданных для судостроения, стационарной энергетики, авиации, автомобилестроения и т.д. Впоследствии они были адаптированы для нужд железных дорог с сохранением базовых узлов и идеологии машины в целом.
По назначению для применения на газовых локомотивах наиболее близки газовые электрогенераторы стационарной энергетики и судов, а также газовые двигатели газоперекачивающих установок. Газовые электрогенераторы, как правило, предназначены для работы на постоянной частоте вращения, и для повышения топливной эффективности электростанции снабжены котлом-утилизатором, а ГТД часто работают совместно с паровой турбиной и оборудуются теплообменником-регенератором. Утилизатор и паровую турбину на локомотиве использовать сложно и дорого. Регенератор эффективен при постоянной, близкой к номиналу, нагрузке, и его применение тоже проблематично, особенно с учетом его больших габаритов и низкой вибростойкости. Наиболее приемлемый путь - «снижение режима», то есть снижение расхода топлива и воздуха на частичных режимах и холостом ходе.
При этом необходимо принимать во внимание опасность чрезмерного повышения коэффициента избытка воздуха (минимальный удельный расход природного газа ограничен «снизу»). Это свойство может быть компенсировано применением водорода в качестве добавки в природный газ, что позволяет в разы повысить топливную эффективность на частичных режимах и допустимый коэффициент избытка воздуха. Смесь природный газ + водород можно заранее приготовить (газ гайтан) или иметь на борту емкость с водородом,
однако более перспективно получение водорода непосредственно на борту локомотива электролизом дистиллированной воды или производством синтез-газа с помощью парциального окисления природного газа.
Работы в этих направлениях ведутся в России и за рубежом. Экспериментальные образцы для маломощных газовых двигателей существуют, и можно надеяться, что и у мощных тепловых двигателей на частичных режимах при использовании добавки водорода в природный газ КПД будет значительно повышен, однако коммерческого продукта пока нет.
Топливная эффективность автономного локомотива на природном газе
Эффективность использования топлива локомотивом принято оценивать эксплуатационным КПД - отношением полезной работы, выполняемой ведущими колесами локомотива, к количеству теплоты, затраченной на ее получение за наблюдаемый период, например, за поездку, а целесообразнее за календарный год. Эксплуатационный КПД автономного локомотива зависит не только от КПД силовой установки, но и от времени его работы на частичных режимах и холостом ходе при движении поезда, а также от расхода топлива на поддержание локомотива в работоспособном состоянии во время стоянок и горячего отстоя.
Действующая нормативная база и сложившаяся в локомотивном хозяйстве практика предусматривают определение затраченного количества теплоты при фиксированной низшей теплоте сгорания примененного топлива, однако у дизельного топлива низшая теплота сгорания может изменяться в пределах 39,8.44 МДж/кг, а у ПГ эта величина может изменяться от 45 до 50 МДж/кг. Поэтому, несмотря на кажущуюся прозрачность,
эксплуатационный КПД как показатель весьма условен и практически неприменим для сравнения локомотивов, работающих на различных видах топлива. Наверное, следует проводить сравнение по топливной эффективности, учитывающей стоимость единицы энергии при использовании конкретного топлива, как это делают в энергетике.
Эффективные КПД локомотивного дизеля и ГПД на номинальном режиме близки. Однако у дизеля отношение расхода топлива на частоте вращения холостого хода, в три раза ниже номинальной, к расходу на номинальном режиме составляет 1/50.1/30, при этом у ГПД это соотношение равно примерно 1/10.1/4. На номинальном режиме эффективный КПД у ГТД ниже, чем у дизеля, на 10.25 %. У ГТД стационарной энергетики на номинальной частоте вращения турбогенератора отношение расхода газа на холостом ходу к расходу на номинальном режиме находится в пределах 1/6.1/2,5. Вследствие этого основные работы по адаптации газовых двигателей для работы на локомотивах должны быть направлены в первую очередь на снижение расхода газа на холостом ходу и частичных режимах.
Следует обратить особое внимание и на то, что газовые двигатели выполняют самые жесткие перспективные экологические требования для дизелей. Возможно, будет создан дизельный двигатель для локомотивов с подобными экологическими параметрами. Основываясь на опыте автомобилестроителей (обеспечение требований Евро-5), можно полагать, что цены такого дизеля и газового мотора будут близки за счет систем очистки выхлопных газов, а топливная эффективность снизится на 5.10 %.
Приемистость автономного локомотива
Под приемистостью автономного локомотива понимают скорость нарастания
мощности силовой установки. Существует норматив для локомотивных дизель-генераторов - 120 кВт/с. Выполнить его можно, однако, к сожалению, при определении величины этого норматива не было учтено его влияние на усиление боксования локомотива, продольную динамику поезда и обеспечение эргономических требований. При учете этого влияния следовало бы ограничить максимальную скорость нарастания силы тяги локомотива, что, естественно, ограничит скорость нарастания мощности. Поэтому до уточнения требований к приемистости локомотивной силовой установки можно ориентироваться на реализуемую серийными локомотивами приемистость - выход на полную мощность за 30.40 с при максимально допустимом ее нарастании не более 140.160 КВт/с на секцию. Это обусловлено особенностями применяемого на современных локомотивных дизелях свободного турбонаддува и вполне устраивает эксплуатационников.
Такие требования выполнимы и ГПД со свободным турбонаддувом. Известно, что у ГТД типовое время выхода на полную мощность составляет 5.15 с (на керосине), однако такая приемистость снижает их ресурс и на грузовом локомотиве невыгодна. Конечно, у стационарных установок частота вращения постоянна, а на локомотиве на частичных режимах ее желательно снизить. Поэтому, если не удастся решить проблему объединенным регулированием частоты вращения и мощности, нужно искать компромисс между приемистостью, экономичностью и ресурсом.
Газотурбинные силовые установки на природном газе
Низкая цена природного газа по сравнению с нефтяными топливами вызвала рост применения в стационарной энер-
гетике газовых ГТД мощностью от 0,06 до 20 МВт. Несмотря на относительно высокую стоимость самой установки газотурбинные ТЭЦ при мощностях до 2 МВт успешно конкурируют с ТЭЦ с газопоршневыми двигателями вследствие меньших эксплуатационных расходов. При диапазоне мощности от 1 до 8 МВт ТЭЦ часто состоит из нескольких микротурбин малой мощности, что позволяет улучшить топливную эффективность станции при сезонных и суточных колебаниях нагрузки. В некоторых обстоятельствах решающую роль играет существенно меньшее количество вредных выбросов и относительно низкий шум. Мощные ГТД применяют на ТЭЦ городов и газоперекачивающих станциях. Благодаря использованию тепла отработавших газов на ТЭЦ (парогазовый цикл, когенерация, три-генерация, регенерация) эффективность использования топлива достигает 90 % и более.
От своих авиационных предшественников судовые и стационарные ГТД унаследовали идеологию термодинамического цикла, газодинамического тракта, а также конструктивные решения и технологию производства, их отличает высокая удельная мощность, они относительно мало расходуют масло. Однако в той или иной мере к ним перешли и недостатки - низкая топливная эффективность и высокая стоимость (в сравнении с дизелями). При адаптации ГТД для наземного применения в первую очередь стали применять относительно дешевые сорта топлив, изменив камеру сгорания. Для удешевления стационарных ГТД и повышения ресурса значительно снижена температура в камере сгорания. Удельная мощность и эффективный КПД на номинальной мощности несколько снизились, но это позволило обеспечить ресурс микротурбин 30.40 тыс. ч, а мощных ГТД -
100 тыс. ч и более, при этом допускается 300.500 холодных пусков в год без снижения ресурса. Удельная стоимость, к сожалению, относительно велика.
Важнейшей задачей при применении ГТД в транспортном режиме является снижение расхода топлива на частичных нагрузках и холостом ходе главным образом за счет снижения на этих режимах частоты вращения турбогенератора. На холостом ходу турбогенератора это весьма эффективно, и при снижении частоты в 2-3 раза на практике получено соотношение расходов 1/10.1/8. Однако при этом возникли следующие проблемы, которые потребовали решения:
• ГТД как объект управления в широком диапазоне режимов работы существенно изменяет свои параметры, что значительно усложняет алгоритмы регулирования, однако на современных средствах вычислительной техники они корректно реализуются;
• по ряду причин многие турбогенераторы с ГТД при номинальном режиме работают на частотах вращения выше критических (резонансные) и проходить их необходимо с относительно большой скоростью, однако известны конструкции валопроводов и подшипниковых узлов судовых установок, позволяющие работать на критических частотах вращения неограниченное время;
• при снижении частоты вращения расход воздуха относительно мал, что снижает КПД нерегулируемого лопаточного аппарата;
• есть проблемы из-за низкой скорости горения метана.
Следовательно, ГТД для локомотива отличается от стационарного и/или судового главным образом алгоритмами системы управления. Приемлемы простая конструкция вало-провода, подшипников, лопаточного аппарата и камеры сгорания, отсутствие утилизатора и регенератора, а их
совершенствование для локомотивных ГТД возможно при достаточном технико-экономическом о б основ ании. Высокая готовность ГТД к запуску из холодного состояния в любых климатических условиях практически исключает затраты топлива на зимнее содержание локомотива в отстое, что значительно скажется на топливной экономичности при эксплуатации в северных условиях.
Поршневые газовые двигатели
Серийные мощные ГПД созданы на базе дизелей, при этом их удельная мощность в 1,1-1,7 раза ниже, чем у базового дизеля, существенно отличаются фазы газораспределения и тепловой баланс, что обусловлено циклом Отто. Особенности тепломассообмена и неблагоприятный тепловой баланс требуют применения специального дорогостоящего масла, поскольку работа на частичных режимах (ниже 25.50 %) и холстом ходе вызывает его повышенный расход из-за создания разряжения на всасывании при низких частотах вращения турбокомпрессора. Производители ГПД не рекомендуют работу на этих режимах более 20.60 мин из-за роста расхода масла «на угар», его выброса в коллектор и опасности калильного зажигания горючей смеси. Поэтому после таких режимов рекомендуется работа ГПД с 70%-ной нагрузкой в течение 10.20 мин (у мощных дизелей эта проблема не столь выражена и «прожигать» их можно без нагрузки при повышенной частоте вращения). Приведенный к низшей теплоте сгорания расход топлива ГПД на всех режимах ниже, чем у равного по мощности дизеля. Тем не менее ГПД успешно применяются в автономной энергетике при мощностях ТЭЦ до 6.8 МВт.
Приближение технического уровня ГПД к показателям равных по
мощности дизелей некоторые фирмы надеются решить с помощью технологии HPDI. Она применяется на некоторых мощных бензиновых двигателях. Технология HPDI реализует цикл Тринклера -Сабатэ, что позволяет сохранить основные параметры базового дизеля - топливную эффективность, мощность, крутящий момент, газо- и воздухообмен, тепловой баланс и расход масла. В отличие от цикла Дизеля (подвод теплоты при постоянном давлении) теплота в нем подводится вначале при постоянном объеме и затем при постоянном давлении. Цикл предложен и внедрен Тринкле-ром на первых в мире серийных дизелях, выпускавшихся заводом Нобеля (ныне «Русский дизель») после покупки лицензии у Дизеля, и используется на всех дизельных двигателях.
В настоящее время ведутся работы по повышению надежности и ресурса газовой форсунки высокого давления и совершенствованию рабочего процесса ГПД. Опытные образцы этих двигателей ожидаются в 2015 г., а серийное производство - после 2017-2020 гг.
Инфраструктура
Затраты на инфраструктуру и подготовку персонала депо могут быть минимизированы за счет использования экипажей, кабин, тягового и вспомогательного оборудования серийно выпускаемых локомотивов. В идеальном случае эксплуатация газового локомотива должна отличаться от эксплуатации тепловоза только обслуживанием газового двигателя и системы газоподготовки, а также экипировкой СПГ.
Экипировка локомотива СПГ возможна несколькими способами.
1. Собственное производство СПГ в пунктах экипировки, поскольку специфические требования к пожаро-взрывобезопасности и строительство магистрального газопровода для РЖД неприемлемы.
2. Собственные хранилища СПГ. Жесткие строительные нормы по пожа-ровзрывобезопасности и необходимость двух переливов СПГ делают значительно дороже заправочный комплекс.
3. Экипировка на крупном предприятии по сжижению ПГ.
4. Экипировка на предприятиях малотоннажного производства СПГ при ГРС. Производительность этих предприятий составляет примерно 2.3 т/ч, что недостаточно для нужд депо -маневровый локомотив будет тратить примерно 1 т/сут, а магистральный мощностью 8,5.9 МВт - 1 т/ч. Однако здесь себестоимость СПГ минимальна.
5. Съемная специализированная цистерна СПГ в габаритах танк-контейнера, заправляемая по вариантам 3 и 4 с последующей транспортировкой на контейнерные площадки. Бункеровку можно будет проводить с применением грузоподъемного оборудования контейнерной площадки. Кроме того, такой локомотив можно экипировать по вариантам 3 и 4, а также с метановозов на специально оборудованных площадках с требованиями не столь жесткими, как в варианте 2.
Автономный грузовой локомотив мощностью 8,5...9 МВт на СПГ
Из ограничений по силам тяги на автосцепке [5] и нагрузкам на ось 23-25-27 тс следует, что для грузового локомотива коэффициент сцепления колесо - рельс у 12 тяговых осей должен быть на уровне 0,47-0,435-0,4 при разгоне и 0,35-0,325-0,3 при трогании. При 16 осях коэффициент сцепления составит 0,35-0,325-0,3 и 0,25-0,23-0,21 соответственно, а при 18 осях -0,31-0,29-0,27 и 0,23-0,21-0,19.
Следовательно, для реализации предельных сил тяги при реальных коэффициентах сцепления и рациональном расходе песка достаточно иметь 16 тяговых осей, а тяговый
электропривод должен быть способен реализовывать тягу 5,9.8,125 тс на ось. При 12 осях потребуется привод, реализующий тягу 7,9.10,8 тс на ось. Кроме того, при 16 осях можно применить существующие колесно-моторные блоки серийных тепловозов, а при 12 - перспективных локомотивов с асинхронным тяговым приводом.
Пусть нагрузка на ось автономного локомотива равна 25 тс. Для снижения затрат на инфраструктуру и подготовку производства будем ориентироваться на применение отечественных серийных экипажей (тележки с тяговыми двигателями и главная рама с автосцепками) и вспомогательного оборудования. При этом тяговая секция 12-осного локомотива будет весить 150 т, а ее тяговые тележки и главная рама - 95.100 т. Остальное типичное для локомотивов оборудование, включая кабину, кузов, тормозные и другие системы, будет весить 22.25 т. Тогда допустимая масса силовой установки 12-осного локомотива составит 25.37 т. Тяговая секция 16-осного локомотива будет весить 200 т, из них 105.110 т придутся на главные рамы и тяговые тележки. Так как остальные компоненты 16-осного локомотива будут весить столько же, сколько у 12-осного, допустимая масса силовой установки составит 63.73 т.
Криогенная топливная емкость должна иметь минимальную поверхность и согласно условиям размещения минимальную длину, то есть быть цилиндрической. При вписывании в габарит 1-Т длина емкости с 20 т СПГ будет равна длине стандартного 40-футового контейнера. Для исключения попадания газа в кузов локомотива все криогенное и газовое оборудование желательно разместить на открытом воздухе или в специально вентилируемых отсеках, герметично отделенных от кузовного пространства. Это позволит использовать
на локомотиве электрооборудование не во взрывобезопасном исполнении.
Применение газотурбиной силовой установки мощностью 8,5.9 МВт и длиной около 8 м позволяет выполнить локомотив с передачей переменно -постоянного тока в 16-осном исполнении на базе экипажа серийного тепловоза ТЭМ7А. Резерв по массе и габариту обеспечивает возможность установления энергоемкого накопителя, от которого энергию можно направить на вспомогательные нужды при низких напряжениях тягового генератора на малых скоростях, исключив вспомогательный генератор, и более эффективно эксплуатировать локомотив. 12-осного экипажа с асинхронным приводом требуемой мощности в отечественной практике пока нет.
С учетом опыта, полученного при работах на газотурбовозе ГТ1Ь-001, и изложенной концепции специалистами ОАО «ВНИКТИ» разработана конструкторская документация серийного газотурбовоза, по которой на Люди-новском тепловозостроительном заводе изготовлен газотурбовоз ГТ1Ь-002.
Автономный грузовой локомотив мощностью 4...6 МВт на СПГ
Этот локомотив предназначен водить те же поезда, что и дизельные тепловозы эксплуатируемого парка. Поэтому он должен быть реализован в 12-осном экипаже и иметь около 13.14 т СПГ. Длина емкости будет равна примерно 8 м. Если применить на этом локомотиве ГПД, то понадобится так же, как и для рассмотренного выше локомотива, криогенный тендер для запаса топлива (подобный опытный газотепловоз был изготовлен в Луганске в 1987 г.), то есть потребуются еще четыре бегунковые оси, что позволит иметь около 20 т СПГ. Технически возможно создание
газотурбовоза с 12 осями и одной силовой установкой мощностью около 6 МВт, однако существующие ценовые соотношения дизелей, ГТД и ГПД не позволяют получить приемлемые экономические показатели.
Маневровый тепловоз с газовым двигателем
Основными маневровыми локомотивами российского производства являются 6-осные тепловозы ТЭМ2 и ТЭМ18, и их тяговые свойства нужно придать газовому маневровому локомотиву. В габарите капота маневрового тепловоза емкость с 4.5 т СПГ будет весить около 10 т и иметь длину 20 футов.
Система газоподготовки и арматура емкости должны быть максимально приближены к переднему ее концу и располагаться с возможностью естественной вентиляции. Организация безопасного размещения системы предохранительного газосброса из емкости требует максимального расстояния от выхлопа двигателя и кабины машиниста и диктует следующую компоновку: криогенная емкость - система охлаждения газопоршневого двигателя - силовая установка -кабина машиниста.
ГПД благодаря хорошим экологическим свойствам перспективны для использования на маневровых локомотивах несмотря на относительно большой расход топлива на частичных режимах и холостом ходе. Из отечественных ГПД в наибольшей мере отвечает требованиям
работы на локомотиве двигатель ГДГ-800. Масса емкости не лимитирует выбор экипажа, однако ее длина вызывает необходимость коренного пересмотра компоновки всего оборудования локомотива и увеличения длины главной рамы примерно на метр. При этом можно использовать тележки от тепловоза ТЭМ18.
Снижение нагрузки на переднюю тележку по мере расходования СПГ повысит ее склонность к боксо-ванию. Для устранения этого эффекта на таком локомотиве можно применить параллельное соединение тяговых двигателей вместо традиционного для маневровых локомотивов параллельно-последовательного и быстродействующую систему обнаружения боксования.
С учетом изложенной концепции специалистами ОАО «ВНИКТИ» по согласованию с заказчиком разработана конструкторская документация тепловоза ТЭМ19, по которой на Брянском машиностроительном заводе изготовлен локомотив.
Близкие технико-экономические показатели могут быть получены и при использовании многотопливного (природный газ, дизельное топливо, керосин) ГТД-1250. При этом малая длина двигателя и отсутствие системы охлаждения позволяют сохранить длину главной рамы при минимальной перекомпоновке оборудования, что чрезвычайно важно при модернизации существующего парка локомотивов ТЭМ2.
Литература
1. Александров И.К. Модульный состав - экономия энергии // Мир транспорта. -2013. - № 5.
2. Александров И.К. Поезда модульного типа на основе электровозов // Вестник машиностроения. - 2014. - № 4.
3. Ильин Ю. Локомотивы на взлет! // Транспорт. - 2009. - № 1, 2.
4. Ильин Ю. Локомотивы для рекордов? // Транспорт. - 2012. - № 4. - С. 83-86.
5. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М.: Транспорт, 1985. - 270 с.
НП «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)
У///////////////////А
