CC BY
100ш
•'»в
Маневровый тепловоз на сжиженном природном газе
(вариант технического решения)
О.Л. Мишин,
начальник конструкторского отдела Управления Энергогазремонт
ОАО «Газпром трансгаз Екатеринбург»,
С.В.Танкеев,
начальник отдела службы технической политики Свердловской железной дороги, Л.А. Ежевская,
ведущий научный сотрудник Уральского отделения ОАО «ВНИИЖТ», член-корреспондент Российской Академии инженерных наук им. А.М. Прохорова, к.т.н., Н.С. Ежевская,
инженер Уральского отделения ОАО «ВНИИЖТ»
В соответствии с «Программой организации на полигоне Свердловской железной дороги эксплуатации тепловозов на сжиженном и сжатом природном газе», принятой в 2004 г. совместно ОАО «Газпром», ОАО «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») и губернатором Свердловской области, в локомотивном депо Свердловск-Сортировочный проходил эксплуатацию маневровый тепловоз ТЭМ18Г-001. Основной целью опытной эксплуатации было практическое подтверждение экономической целесообразности перевода маневровых тепловозов на газомоторное топливо, определение работоспособности системы газоподачи.
Дизель тепловоза ГДГ-50 размерности ЧН31,8/33 работал по газодизельному циклу с внутренним смесеобразованием на рабочих позициях контроллера управления с четвертой по восьмую. При этом, сжатый до 18 МПа газ из баллонов, размещенных между тележками тепловоза, после трехступенчатого редуцирования поступал в цилиндры дизеля. Воспламенение газовоздушной смеси осуществлялось за счет впрыска запальной дозы дизельного топлива (около 15%).
После периода освоения новой техники в 2006-2007 гг. в эксплуатации было достигнуто более 40% замещения дизельного топлива ком-примированным природным газом (КПГ) при выполнении интенсивной работы в парках формирования поездов станции Свердловск-Сортировочный.
В этот же период был решен целый комплекс вопросов, связанных с повышением надежности и безопасности тепловоза. Был разработан и установлен современный инвертор питания системы взрывозащиты взамен морально устаревшего и ненадежного в эксплуатации штатного, применена бортовая автоматизированная установка порошкового пожаротушения. Тепловоз оснащен бортовыми системами учета топлива и газа.
Основная цель опытной эксплуатации была достигнута - доказана экономическая целесообразность применения газомоторного топлива на локомотивах, прошло испытание временем установленное на борту тепловоза оборудование. Однако часть технических вопросов для маневровых газотепловозов данного типа осталась нерешенной. Это, пре-
жде всего, ограниченный запас газомоторного топлива, размещенный на борту тепловоза, и достаточно большие величины частоты вращения коленчатого вала дизеля (п=490 мин-1), что эквивалентно четвертой позиции контроллера машиниста, при которых происходит переход дизеля в газодизельный режим. Данные недостатки значительно ухудшают эксплуатационные характеристики маневрового газотепловоза. В отличие от серийного тепловоза, заправка которого дизельным топливом осуществляется один раз в неделю, при проведении технического обслуживания газотепловоз необходимо было через каждые двое суток выводить из работы для дозаправки газом. Это в значительной степени усложняет работу станции, требует наличие подменного маневрового тепловоза и нивелирует полученный экономический эффект.
Для увеличения бортового запаса газа Брянским локомотивостроитель-ным заводом (ОАО «УК «БМЗ») был разработан вариант размещения запаса КПГ в баллонах, установленных на дополнительной бустерной секции. Такое техническое решение возможно, но имеет ряд существенных недостатков: локомотив, оснащенный бустером, значительно дороже, снижается надежность и безопасность газовой системы из-за большого количества соединений между баллонами, локомотивом и нежестко сочлененным с ним бустером, ухудшается обзорность пути и вагонов, увеличивается длина маневровых путей и другое.
Существуют ли технические решения, позволяющие разместить необходимый для эффективной эксплуатации бортовой запас газомоторного топлива, не ухудшая при этом эксплуатационные характеристики газотепловоза?
Предпосылки для решения этой задачи уже есть. С созданием в 2008 г. Всероссийским научно-исследовательским конструкторско-техноло-гическим институтом (ВНИКТИ) мощного отечественного магистрального грузового газотурбовоза ГТ1, имеющего на борту 17 т сжиженного природного газа (СПГ), преобладающим направлением в создании локомотивов, использующих природный газ в качестве моторного топлива, является ориентация на применение топливных систем, использующих СПГ.
Ведутся работы в этом направлении и в области создания экипировочных комплексов, способных обеспечить перспективный тяговый подвижной состав сжиженным природным газом в необходимых количествах. В Свердловской области в первом квартале 2009 г. вступит в строй комплекс по производству СПГ производительностью 3 т/ч. Уральским заводом ОАО «Уралкриомаш» серийно выпускаются транспортные контейнеры на автомобильном и железнодорожном ходу по доставке СПГ потребителям. Прорабатывается также вопрос использования модульно-картриджной заправки локомотивов (см. журнал «Транспорт на альтернативном топливе» № 4, 2008 г).
Эти обстоятельства отмечены на совещании, проходившем 5 августа
2008 г. под председательством старшего вице-президента ОАО «РЖД» В.А. Гапановича в г. Екатеринбург. На совещании было принято решение о разработке топливных систем для тягового подвижного состава, позволяющих применять СПГ в качестве газомоторного топлива, а также для специального самоходного подвижного состава (дрезин, самоходных модулей, снегоуборочных машин).
Одно из технических предложений по применению СПГ на маневровом тепловозе приводится ниже.
Рассмотрим вариант использования СПГ на газодизеле ГДГ-50 тепловоза ТЭМ18Г.
Над переводом этого локомотива на СПГ в настоящее время работают несколько организаций: Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), ОАО «УК «БМЗ», завод-изготовитель дизелей ОАО «Пенздизель-маш». В настоящее время достигнутые в 2006-2007 гг. эксплуатационные показатели замещения дизельного топлива газом можно существенно повысить за счет использования электронного регулирования подачи топлива и газа. Для ТЭМ18Г с электронной системой подачи газа расширяется диапазон позиций контроллера, на которых возможна работа в
^ г
Рис. 1. Размещение оборудования на маневровом тепловозе с бортовым запасом СПГ и регазификатором: 1 - секции охлаждения воды и масла дизеля; 2 - вентиляторы охлаждения воды и масла дизеля; 3, 4 - баки для хранения СПГ с сопутствующей арматурой
газодизельном режиме - с третьей по восьмую позицию. Такой локомотив для соблюдения межэкипировочного периода эксплуатации 7 сут. должен иметь на борту не менее 3 т СПГ с периодом бездренажного хранения не менее 6 сут. Эта цифра и была принята в качестве проектной.
Требования к криогенной топливной системе маневрового газотепловоза ТЭМ18Г, кроме упомянутого выше запаса газа, следующие:
■ должен обеспечиваться расход газа 50-60 кг/ч при работе газодизеля на четвертой позиции контроллера машиниста тепловоза; 200 кг/ч - при работе дизеля на полной мощности (восьмая позиция контроллера);
■ наибольшее давление регази-фицированного газа на входе в газодизель должно составлять 0,3 МПа;
■ температура газа на входе в газодизель 5-20°С;
■ температура наружного воздуха может изменяться в пределах от -40°С до +40°С;
■ время увеличения подачи газа от минимальной 60 кг/ч на четвертой позиции контроллера до максимальной 200 кг/ч на восьмой позиции не более 10 с;
■ теплоноситель для регазифика-тора - охлаждающая вода газодизеля;
■ максимальный расход теплоносителя при номинальной частоте вращения коленчатого вала дизеля на восьмой позиции контроллера машиниста - 90 м3/ч;
■ температура теплоносителя на выходе из дизеля - 75-85°С.
Для размещения на борту необходимого запаса газа и создания криогенной топливной системы был использован опыт применения технологий хранения и использования СПГ в бортовых криогенных топливных системах транспортных средств ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург».
Для размещения необходимого запаса газа предлагается использовать криогенные баки с экранно-вакуум-ной изоляцией. Коэффициент использования объема такого бака - 1,2 кг/кг (характеризует отношение массы бака к массе вмещаемого газа). Для сравнения: для стальных баллонов для КПГ
ш
•'»в
этот показатель равен 6,6 кг/кг, а для самых совершенных углепластиковых - 2,2 кг/кг.
Расчеты показывают, что при использовании на тепловозе ТЭМ18Г пространства между тележками, где ранее размещался топливный бак, можно расположить емкость 4,5 м3, что при плотности 0,42 т/м3 составляет 1,89 т СПГ (рис. 1)1.
Вторая емкость объемом 3,6 м3 или массой газа 1,5 т может быть размещена на месте шахты холодильника в нижней ее части. При этом секции холодильника, в качестве которых используются штатные короткие секции тепловоза 2ТЭ116, могут быть расположены в верхней части шахты. Движение воздуха через секции может быть обеспечено тремя вентиляторами с гидростатическим или электрическим приводом.
Необходимый объем для расположения бака освобождается за счет отказа от штатного механического привода вентилятора через карданный вал и редуктор. Для привода вентилятора охлаждения тяговых электродвигателей передней тележки вместо клиноременной передачи предлагается использовать мотор-вентилятор, получающий питание от вспомогательного генератора тепловоза.
Так как применяется система хранения газа низкого давления, становятся ненужными редукторы газа первой и второй ступеней и сопровождающая их арматура.
Для подачи требуемого количества газа на том или ином режиме двигателя предлагается использовать один регазификатор с тепловой мощностью, обеспечивающей работу газодизеля на номинальном режиме (восьмая позиция контроллера) с расходом 200 кг/ч.
Расход газа регулируется в зависимости от режима работы двигателя (на той или иной позиции контроллера) путем изменения расхода охлаждающей воды дизеля.
В качестве регазификатора выбран эффективный кожухотрубный теплообменник с сегментными пере-
1 В качестве примера использована схема раз-
мещения оборудования тепловоза ТЭМ18Д
городками (рис. 2), который серийно производится на предприятиях ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург».
Испарение и подогрев СПГ обеспечиваются за счет тепла охлаждающей жидкости системы охлаждения. Расход газа регулируется в зависимости от режима работы двигателя (на той или иной позиции контроллера) регуляторами криогенной бортовой системы.
Переход с режима холостого хода на режим полной мощности (обеспечение испарения и подогрева необходимого количества криогенной жидкости) обеспечивается за счет тепловой инерционности системы охлаждения двигателя. Термодинамические расчеты показывают, что снижение температуры теплоносителя при этом не превысит 1°С.
На основании расчетов был выбран теплообменник диаметром 0,15 м, длиной 1,4 м. Теплообменник-регазифи-катор располагается между дизелем и баком СПГ в шахте холодильника. Работа такого регазификатора не требует наличия резервной емкости, аккумулирующей запас регазифици-рованного газа. Газ из регазифика-тора поступает непосредственно в газодизель.
Работа криогенной топливной системы поясняется приведенной ниже схемой (рис. 3).
Внутренний сосуд рассчитан на избыточное давление, равное максимальному рабочему давлению в баке (0,5 МПа) плюс 0,1 МПа за счет вакуума, поддерживаемого в изоляционном пространстве между сосудом и
кожухом. Сосуд закреплен в кожухе на двух цилиндрических опорах из стеклопластика. На днище кожуха установлен предохранительный клапан полости вакуумной изоляции.
В арматурном отсеке находятся: скоростной клапан для автоматического отключения сосуда при аварийных повреждениях магистралей, расположенных после клапана; два предохранительных клапана, настроенных на давление открытия 0,55 МПа, осуществляющих сброс газа в дренажный трубопровод через предохранительные клапаны.
Вентиль испарителя самонаддува служит для подъема давления в сосуде при работе двигателя на газе, если давление снизится до 0,15 МПа. При открытии вентиля СПГ начинает испаряться, что ведет к подъему давления во внутреннем сосуде. Для приведения бака в рабочее состояние необходимо поднять давление в сосуде до 0,15 МПа, после чего вентиль закрыть.
Работа баков и сопутствующей аппаратуры заключается в подаче газа в комплект газовой аппаратуры двигателя, а также в хранении СПГ без потерь в течение шести суток при стоянке газотепловоза. Газовая система газодизеля ГДГ-50 при этом не меняется. Исключаются только первая и вторая ступени редуцирования газа. Конструкция баков обеспечивает восприятие динамических нагрузок, соответствующих ускорению 3д в продольном направлении и ускорению 1 д в поперечном направлении.
Топливный бак
ВДУй! и "Т. "Заправочная ! Л А_ горловина
ПК
ч
-лт-
._—---
£
Топливный бак
П
НР
0
'4
-Л—
т~^^—
£п
'ИИ
— Г——лллл—-
£
:
-II
н-
Контур
охлаждающей воды дизеля
___I
Рис. 3. Принципиальная схема газовой системы топливного бака:
1 - скоростной клапан; 2 - подключение двигателя к газовой фазе; 3 - регазификат СПГ за счет тепла охлаждающей воды дизеля; 4 - индикатор давления; 5 - индикатор уровня СПГ; 6 - испаритель самонаддува; 7 - регулятор; 8 - предохранительный клапан внутренней полости бака; 9 - предохранительный клапан вакуумной изоляции; 10 - вентиль слива СПГ; 11 - вентиль расхода газа; 12 - вентиль максимального уровня; 13, 17 - вентили; 14 - вакуумный вентиль; 15 - вентиль испарителя самонаддува; 16 - редуктор
Уровень жидкости в сосуде измеряется модулем измерения дифференциального давления индикатора уровня жидкого метана, контроль ведется по вторичному прибору-индикатору, установленному в кабине машиниста. Кроме того, может быть применено тензометрическое измерение массы сосуда с СПГ, позволяющее избежать погрешности измерения с помощью дифманометра, неизбежной при переходных процессах.
Во время хранения СПГ при неработающем двигателе, когда отбор жидкости и газа из сосуда не ведется, в сосуде повышается давление за счет теплопритоков из окружающей среды к жидкости, приводящих к ее частичному испарению. При длительном хранении без отбора топлива (свыше шести суток) давление
может подняться до величины, при которой откроются предохранительные клапаны, и природный газ будет сбрасываться в окружающую среду через дренажный трубопровод бака, а затем в дренажный коллектор и безопасное дренажное устройство (БДУ).
В системе контроля и управления криогенной топливной системой и системами газодизеля предусматривается использование новой микропроцессорной техники, основными особенностями которой является ее способность обеспечивать переключение с одного вида топлива на другое вручную или автоматически с сохранением частоты вращения коленчатого вала дизеля и его нагрузки. При работе с нагрузкой, выше запрограммированного уровня, двигатель автоматически переключается на
100%-ное дизельное топливо. Система контролирует количество СПГ и состояние газообразной фракции в баках и обеспечивает переключение работы с одного бака на другой по мере необходимости расходования газообразной фазы.
Современная электронная система управления и контроля проверяет критические параметры двигателя и включает или выключает газовый режим в соответствии с заданными пределами.
Арматура и КИПиА, предполагаемая к использованию в криогенной системе тепловозов, изготавливается серийно и опробована на криогенной системе автомобилей КАМАЗ.
Таким образом, предлагаемое в данной статье техническое решение позволяет решить главную задачу - обеспечить экономически эффективную эксплуатацию маневровых газотепловозов без ухудшения эксплуатационных характеристик, а также характеристик надежности и безопасности (за счет перехода от системы хранения высокого давления к системе с низким давлением, а также значительного снижения количества сосудов и соединений между ними). Более того, следует ожидать их некоторого улучшения за счет модернизации систем управления газотепловозов и снижения балластной нагрузки, свойственной газобаллонным системам КПГ.
Такой вариант технического решения потребует переделки узлов передней части подкапотного тепловоза ТЭМ18Г без изменений в конструкции газодизеля ГДГ-50. Но при этом он может оказаться более целесообразным по сравнению с известными ранее техническими решениями.
От редакции
Редакция журнала просит подписчиков журнала своевременно информировать об изменении своего почтового адреса или о неполученных очередных номерах журнала.
В настоящее время журнал выходит в свет сторого по графику.
2
