CC BY
35
системы тягового электроснабжения постоянного тока с использованием НЭ зависят от многих факторов, одним из важных является реализация оптимального закона регулирования режимов заряда и разряда НЭ.
Предложенная методика определения оптимальных параметров стационарного НЭ и оптимального закона регулирования его режимов заряда и разряда может быть использована при проектировании и технико-экономическом обосновании эффективности внедрения стационарных накопителей энергии на ТП системы электроснабжения постоянного тока железных дорог.
Список литературы
1. Накопители энергии [Текст] / Д. А. Бут, Б. Л. Алиевский и др. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 400 с.
2. Астахов, Ю. Н. Накопители энергии в электрических системах [Текст] / Ю. Н. Астахов, В. А. Веников, А. Г. Тер-Газарян. - М.: Высшая школа, 1989. - 159 с.
3. Алексеев, Б. А. Применение накопителей энергии в электроэнергетике [Текст] / Б. А. Алексеев // Электро. - 2005. - № 1. - С. 42 - 46.
4. Ruddel, A. Storage Technology Report: WP-ST6 Flywheel /A. Ruddel // CCLRC-Rutherford Appleton Laboratory. - Oxfordshire, 2003. 30 p.
5. Стационарная система аккумулирования энергии рекуперации электроподвижного состава метрополитена на базе емкостных накопителей энергии [Текст] / Ю. А. Бродский, А. И. Подаруев и др. // Электротехника. - 2008. - № 7. - С. 38 - 41.
6. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог [Текст] / К. Г. Марквардт. - М.: Транспорт, 1982. - 528 с.
7. Правила тяговых расчетов для поездной работы [Текст]. - М.: Транспорт, 1985. - 287 с.
УДК 621.436
Е. И. Сковородников, А. С. Анисимов, Ю. Б. Гришина, М. В. Глухова
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СМЕСЕВЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
ТЕПЛОВОЗОВ
В статье представлена методика для оценки эффективности использования смесевых углеводородных видов топлива в энергетических установках тепловозов. Модельные расчеты выполнены с учетом изменения физико-химических и теплофизических характеристик топливных смесей и условий эксплуатации тепловозов
Концепция перехода к дальнейшему устойчивому развитию транспортной системы России в значительной степени зависит от развития энергетики - системообразующей отрасли хозяйства - в соответствии с экологическими и экономическими требованиями. Многогранный эффект от использования альтернативных и смесевых видов топлива включает в себя энергетический, экологический и экономический компоненты.
На фоне возрастающей энергетической потребности мировые запасы топлива истощаются. По результатам различных научных прогнозов предполагается, что запасов угля человечеству хватит приблизительно на 100 лет, запасов газа и нефти - на 40 лет.
Проблемы сбережения природных ресурсов требуют противопоставления существующим технологиям производства энергии технологий, основанных на использовании альтернативных источников экологически чистой энергии. По данным Международного конгресса энергетиков доля нетрадиционных и возобновляемых видов энергии в общем мировом энергетическом балансе к 2010 г. увеличится до 4 - 5 %. В России этот прогноз составляет 1 % [1, 2].
14) 3
06301360
2,0
1,8
1,6
е 1.4
8 с о
Е 1 2
1,0
о
л 0,8
1,85
1,02
По сравнению с традиционными видами топлива альтернативные источники энергии и сме-севые виды топлива сжигаются в теоретическом количестве воздуха, благодаря чему обеспечиваются высокий тепловой КПД рабочего цикла дизеля и высокая температура сгорания топливной смеси.
Использование природного газа и биогаза как составляющих топливной смеси позволяет получить значительный экологический эффект [3, 4]. Известно, что продукты энергетических процессов, связанных с использованием традиционных видов топлива, составляют около 80 - 88 % всех видов загрязнения окружающей среды. На рисунке 1 представлены показатели суммарной экологической опасности различных видов топлива, используемых в тепловых двигателях различного назначения [1 ]. Показатели рассчитаны как отношение предельно допустимой концентрации (ПДК) какого-либо вредного вещества в отработавших газах дизеля к ПДК золы.
По данным, представленным на рисунке 1, можно заключить, что при смешивании дизельного топлива с альтернативными видами горючей смеси в различных пропорциях можно обеспечить требуемый характер протекания рабочего процесса в цилиндре дизеля и наилучшие экологические показатели его работы. Очевидно, что при варьировании составом смесевого топлива возможно достижение его приемлемых физико-химических и теплофизических свойств, необходимой плотности, вязкости, коксуемости, температуры вспышки, температуры замерзания, теплоты сгорания, теплоемкости и других, обеспечивающих заданные мощностные, экономические и экологические характеристики тепловозных дизельных двигателей.
При выполнении теоретических исследований в качестве альтернативной добавки к стандартному дизельному топливу выбран природный газ, запасы которого в РФ довольно значительны, и биотопливо состава 87 % СН4 и 13 % СО2. Применение биотоплива может способствовать улучшению экологических характеристик ДВС и при незначительной его цене (если это возможно) - повышению эффективности эксплуатации ДВС. В настоящей статье не рассматривались какие-либо способы подачи добавки в цилиндр двигателя. Согласно рекомендациям работы [7] для конвертации дизельного двигателя для работы на различных смесевых видах топлива топливные присадки целесообразно подавать в наддувочный коллектор в газообразном виде, используя в качестве запального топлива дизельное, подаваемое через штатную топливную аппаратуру. Такая технология позволяет создавать «всеядный» дизельный двигатель.
Для оценки эффективности использования смесевых видов топлива в тепловозных дизелях целесообразно сформировать для каждого у-го вида топливной смеси обобщенный критерий эффективности R о( у) в виде суммы безразмерных частных критериев эффективности, характеризующих изменение топливной экономичности, количества вредных выбросов и парниковых газов в продуктах сгорания топлива за рабочий цикл дизеля:
0,6
0,4
0,2
0,0
тттпг
0,054
0,048
0,038
0,032
1
Рисунок 1 - Обобщенная оценка загрязнения
окружающей среды продуктами сгорания: 1 - экибастузский уголь; 2 - торф; 3 - мазут; 4 - дизельное топливо; 5 - бензин; 6 - природный газ; 7 - биогаз
1
N
П (7) = ( П (7 ) , П (7 ) , П (7) , П (7 ) , П (7 ) , П (7 ) , )
где N - количество безразмерных частных критериев эффективности.
Очевидно, на первом этапе оценки эффективности использования альтернативных видов
топлива в тепловозных дизелях целесообразно предположить, что если Я^7) = 1, то применение смесевых видов топлива целесообразно при условии, что каждый из используемых частных критериев не превышает значения единицы: Я^7 =1; ЯОх = 1 Яо =1; Я) =1 = 1 ЯсО2 =1-
Учитывая переменный режим работы тепловозной энергетической установки в условиях эксплуатации, в качестве частных критериев эффективности целесообразно выбрать:
отношение часового расхода топлива дизелем тепловоза, работающим на альтернативном (смесевом) топливе, к аналогичным характеристикам дизеля, работающего на стандартном дизельном топливе по ГОСТ 305-82;
отношение количества нормируемых токсичных компонентов в продуктах сгорания смесевых видов топлива за выбранный промежуток времени к аналогичным характеристикам дизеля, работающего на стандартном дизельном топливе по ГОСТ 305-82;
отношение количества парниковых газов в продуктах сгорания альтернативного топлива за выбранный промежуток времени к аналогичным характеристикам дизеля, работающего на стандартном дизельном топливе по ГОСТ 305-82.
Если условие (1) соблюдается, т. е. я (о 77 = 1, то необходимо дополнительно использовать
экономический критерий, который позволит оценить эксплуатационные затраты на топливо с учетом неизбежного изменения цены смесевого топлива.
В общем случае для дизельных двигателей при оценке их экологической безопасности
оценивают количество оксидов азота NOх, монооксида углерода СО, несгоревших углеводородов состава СНт или СпНт, углерода С (сажа), водяных паров и диоксида углерода (углекислого газа) в составе продуктов сгорания различных углеводородных видов топлива [5]. Если учесть, что количество несгоревших углеводородов в отработавших газах дизеля незначительно, а дымность отработавших газов (количество несгоревшего углерода в продуктах сгорания) лимитируется количеством несгоревшего топлива и его элементарным составом, то при оценке эффективности применения смесевых видов топлива используем отношение между расчетными, или замеренными, значениями NOх, СО и С для смесевых видов топлива к расчетным, или замеренным, значениям NOх, СО и С для стандартного дизельного топлива. Таким образом, частные критерии эффективности, входящие в выражение (1), необходимо определять для каждого 7-го вида топлива с учетом г-х эксплуатационных режимов работы дизельных локомотивов из соотношений:
Пк
Я (7) =
I ) N61
(7)
i=0
Пк
(2)
I Г.Ь{Ю Nef
/ 1 г в1 г
д)
=0
Я( 7)
10 т™ Ьв{д)Мд)
£ 7'7)
г=0 Ч"^Охис-г
,.л ^ тО Ье(7) N6 7)
Я 7) = ^ I СОг I I ;
Яо =£ 1тСд)ь Ьеед) ^д);
(3)
(4)
06301360
^ т оьел р)
о(}) г н2°, г г . (5)
^н2о „.(ди^дЬ^дР (5)
й1 ЫиОМд) Ме(д)
(р) ^ т )Ье(') Ме*р) ^ ; (6)
В выражениях (2) - (7) обозначено: П - количество позиций контроллера машиниста; ^ -доля времени работы дизеля на г-й позиции контроллера машиниста тепловоза;
Ье(д), Ьер -
удельный расход топлива дизелем на г-й позиции контроллера машиниста тепловоза, работающего соответственно на дизельном и на р-м смесевом виде топлива, кг/(кВт-ч); агрегатная мощность дизеля на г-й позиции контроллера машиниста тепловоза, работающего соответственно на дизельном и на р-м смесевом виде топлива, кВт; , - соответ-
ственно, удельное количество окислов азота на г-й позиции контроллера машиниста тепловоза, работающего на дизельном и на р-м смесевом виде топлива, кг/(кВт-ч); тСО., тСо- -
удельное количество оксидов углерода на г-й позиции контроллера машиниста тепловоза, работающего соответственно на дизельном и на р-м смесевом виде топлива, кг/(кВт-ч);
т1С), тС,) - удельное количество углерода на г-й позиции контроллера машиниста тепловоза, работающего соответственно на дизельном и на р-м смесевом виде топлива, кг/(кВт-ч); тСо2., тС02. - удельное количество диоксидов углерода на г-й позиции контроллера машиниста тепловоза, работающего соответственно на дизельном и на р-м смесевом виде топлива, кг/(кВт-ч); тНО, т^О - удельное количество водяных паров на г-й позиции контроллера
машиниста тепловоза, работающего соответственно на дизельном и на р-м смесевом виде топлива, кг/(кВт-ч).
Представленная методика оценки эффективности использования альтернативных видов топлива или топливных присадок в тепловозных дизелях может быть использована для практики, если имеется возможность оценить параметры топливной экономичности и параметры экологической безопасности дизелей, работающих на стандартном и нестандартном топливе. Этот вопрос особо важен при конвертации серийных двигателей для работы их как на смесевых видах топлива, так и на дизельном топливе. Чаще всего эти вопросы решались и решаются путем создания экспериментальных стендов и проведения опытных испытаний, в течение которых решаются многие практические задачи. Понятно, что это направление, несомненно, необходимо, но оно должно быть заключительным при решении теоретических и практических задач по разработке рабочих циклов дизелей, работающих на нестандартных видах топлива [6].
Реализацию предложенной выше методики покажем на примере тепловозного дизеля типа 2А-5Д49 с эффективной мощностью Ме = 2940 кВт, частотой вращения п = 1000 мин-1 и удельным расходом Ье = 0,210 кг/(кВт-ч).
Полагаем, что при выполнении теоретических расчетов предварительно решены следующие задачи: выбран вид альтернативной добавки, определен угол опережения подачи в цилиндр дизеля дизельного топлива, разработана система дозирования альтернативной горючей смеси, обеспечивающая требуемое среднее индикаторное давление и минимальный удельный расход топлива за рабочий цикл для всех эксплуатационных режимов работы тепловоза.
В рассматриваемом примере в качестве альтернативной добавки к дизельному топливу выбраны
биогаз состава 87 % СН4 и 13 % С02 и природный газ состава 100 % СН4, для которых разработаны математические модели, позволяющие определить элементарный состав и теплофизиче-ские характеристики горючих смесей в зависимости от количества добавки.
При оценке технико-экономической эффективности применения в тепловозных дизелях смесевых видов топлива авторы использовали математические модели, разработанные на кафедре «Локомотивы» ОмГУПСа, предусматривающие
моделирование индикаторной диаграммы рабочего цикла дизеля, расчет индикаторных и эффективных показателей цикла с учетом степени нагружения дизеля (позиции контроллера машиниста) по результатам контрольных испытаний;
расчет эксплуатационных экологических характеристик дизеля по позициям контроллера машиниста с учетом закона и характеристик выгорания различных топливных смесей в камере сгорания.
При выполнении теоретических расчетов для серийных двигателей во всем диапазоне нагрузочных режимов, а именно для дизеля типа 2А-5Д49, целесообразно представить мощ-ностные, скоростные и экономические характеристики в относительных значениях, рассчитанных по паспортным данным:
Ые, Ые.
п„
п„
Шв = 0,00155П 2 + 0,042885П + 0,018576
= 5пд. = -0,001682Пк2 + 0,063584Пк + 0,388 ;
дн
Ьв
Ье,
= ЬЬе[ = 0.002351Пк2 - 0,063047Пк +1,425:
(8)
(9)
(10)
где Ые ■, п., Ье ■ - соответственно эффективная мощность, частота вращения и удельный расход топлива дизелем на . - й позиции контроллера машиниста; Ые н, п Ье н - соответственно эффективная мощность, частота вращения и удельный расход топлива дизелем на номинальном режиме работы. Индексы корреляции для выражений (8) - (10) составляют соответственно 0,987; 1,000 и 0,996.
На основании выражений (8) - (10) при заданных значениях Ые н, Пдн и Ье н определяются эффективная мощность, частота вращения коленчатого вала и величина удельного расхода топлива дизелем для частичных режимов работы тепловоза (позиции контроллера машиниста от нулевой до 15-й включительно). Выполненные расчеты позволяют, используя конструктивные параметры дизеля 2А-5Д49 (16 ЧН26/26), определить величину среднего эффективного давления для каждой -й позиции контроллера машиниста тепловоза по выражению, МПа,
Ые,
(11)
Ре. = 0,565-
и соответствующий этому давлению удельный расход топлива в дизельном тепловом эквиваленте, кг/(кВт-ч),
Ье. = 0,15138Ре2 - 0,5212Ре . + 0,6463. (12)
Для наиболее объективной оценки необходимо оценить величину среднего эффективного давления цикла дизеля, работающего как на дизельном, так и на смесевых видах топлива при одинаковом значении номинальной эффективной мощности энергетической установки, т. е. необходимо определить количество альтернативной добавки к дизельному топливу, если величина его цикловой подачи будет уменьшена на 20 %. Для номинального режима работы при Ые = 2940 кВт, п = 1000 мин-1, Ье = 0,210 кг/(кВт-ч) величина цикловой подачи топлива
Ьц составит 0,00136 кг/цикл.
06301360
Уменьшение цикловой подачи дизельного топлива на 20 % , т. е. на 0,000257 кг/цикл, приведет к уменьшению общего количества тепла, полученного при сгорании дизельного топлива, на 10,96 кДж/цикл, к снижению эффективной работы цикла и к уменьшению эффективной мощности дизеля. Это снижение необходимо компенсировать добавлением к дизельному топливу какой-либо альтернативной присадки, причем количество этой присадки будет зависеть от теплоты ее сгорания.
По результатам моделирования рабочего цикла дизеля построены аналитические зависимости изменения среднего эффективного давления цикла и удельного расхода топлива дизелем от количества альтернативной добавки. Расчеты выполнены для номинального режима работы дизеля и теплоты сгорания топливной смеси, соответствующей теплоте сгорания дизельного топлива (Ни "42609кДк/кг) (рисунок 2).
Так, для природного газа состава 100 % СН4 имеем
Ре " 3,189-10-3 d2 -7,9371-10-2 d+1,335229,
,-2
для биогаза состава 87% СН4 и 13 % СО2 -
Ре " 3,186 10-3 d2 -8,3894-10-2d+1,335
-2
(13)
(14)
Выражения (13), (14) позволили установить, что при изменении цикловой подачи дизельного топлива на 20 % для достижения нормативных значений агрегатной мощности дизеля 2А-5Д49 при его работе на смесевых видах топлива необходимо дополнительно использовать либо 25,4 % природного газа, теплота сгорания которого Ни"35615 кДж/кг, либо 27,05 %
биогаза состава 87 % СН4 и 13 % СО2 с теплотой сгорания Ни"23260 кДж/кг.
035
кг/(кВт ч
Л
0,27
023
0,19
0,15
10
20
30
с)
а б
Рисунок 2 - Зависимость среднего эффективного давления рабочего цикла и удельного расхода топлива дизелем на номинальном режиме работы от изменения доли альтернативной добавки
к стандартному дизельному топливу
При снижении величины цикловой подачи дизельного топлива на 0,000257 кг/цикл для реализации паспортного значения мощности дизеля для номинального режима работы потребуется дополнительный расход природного газа в количестве 0,000308 кг/цикл или дополнительный расход биогаза в количестве 0,000471 кг/цикл.
Аналогичные расчеты, выполненные для промежуточных, частичных, режимов нагрузки дизеля, позволили построить следующие аналитические зависимости для различных топлив-
ных смесей.
Для смеси дизельного топлива и природного газа:
для 1-й позиции - Ре=8,29-Ю-4 й2 -1,649Н0-2 й+0,352; (15)
для 6-й позиции - Ре=1,526-10-3й2 -3,6674-10-2й+0,784; (16)
для 10-й позиции - Ре=2,31110-3й2-5,7169 102й+1,062; (17)
Для смеси дизельного топлива и биогаза:
для 1-й позиции - Ре=8,89-Ю-4 й2-1,9751-10-2й+0,352; (18)
для 6-й позиции - Ре=1,497-10-3й2 -3,9423-10-2й+0,783; (19)
для 10-й позиции - Ре=2,24-10-3 й2 -6,008 102й+1,064. (20)
Выражения (13) - (20) позволили установить количество альтернативной добавки к дизельному топливу в случае, если его цикловая подача будет уменьшена на 20 % для всех позиций контроллера машиниста, что стало основой для предложения закона регулирования количества альтернативной добавки по режимам работы дизеля или по позициям контроллера машиниста.
Так, для топливной смеси состава ДТ+СН4
й=-4,289-10-2П,2 +0,989Пк +20,147, (21)
а для топливной смеси состава ДТ+БИО -
й=4,8333-10-2Пк2+1,036Пк +22,291. (22)
На рисунке 3 представлены качественные зависимости, характеризующие величину циклового расхода дизельного топлива и теплоты сгорания по позициям контроллера машиниста при изменении цикловой подачи дизельного топлива на 20 %. Величина дополнительной добавки альтернативной присадки по позициям контроллера машиниста, предназначенной для компенсации потери мощности при уменьшении подачи дизельного топлива, принята соответственно 25,4 % для природного газа и 27,05 % для биогаза принятого элементарного состава.
Зависимости, представленные на рисунке 3, позволяют рассчитать стоимость единицы работы, полученной при сгорании различных видов углеводородного топлива в цилиндре дизеля 2А-5Д49. При использовании дизельного топлива среднего элементарного состава по ГОСТ 305-82 с теплотой сгорания Ни = 42609 кДж/кг и стоимостью Цт = 28200 р./т стоимость единицы работы составит 0,000662 р./кДж.
При использовании топливной смеси, состоящей из дизельного топлива и природного
газа с теплотой сгорания Ни = 35615 кДж/кг, плотностью рпр.газ= 0,88 кг/м , стоимостью
3
ЦСн4 = 3302 р./1000 м стоимость единицы работы составит 0,000571 р./кДж.
Оценить эффективность использования смеси дизельного топлива с биогазом в экономическом отношении довольно сложно, так как определяющим в этом случае является стоимость биогаза. В настоящее время понятие «стоимость биогаза» - это ноу хау фирм производителей, поэтому расчеты подготовлены по осредненным данным различных иностранных источников. Известно, что стоимость биогаза ориентировочно может быть определена в размере от 0,4 до 0,5 евро за 1 л в бензиновом тепловом эквиваленте, или (1 евро = 40,2713 р.)
18,122 р./л. Тогда стоимость единицы работы с учетом теплоты сгорания биогаза Ни =
3
= 23260 кДж/кг, плотности р = 1,16 - 1,27 кг/м составит 0,000684 р./кДж.
14) 3
06301360
80 кДж/цикл
О
40
20
-20
ш
— ш
9 12 Пк 15
СЕЬ-
а б
Рисунок 3 - Зависимость циклового расхода и теплоты сгорания топлива при работе дизеля 2А-5Д49 на смесевых углеводородных видах топлива
Экологические характеристики, т. е. количество вредных выбросов и количество парниковых газов в отработавших газах дизельных двигателей, работающих на различных смесевых углеводородных видах топлива, определены по условию равновесного состава. По условиям равновесного состава рассчитывается 36 различных элементов в продуктах сгорания углеводородных видов топлива. Расчет выполняется для каждого момента выгорания топлива с учетом состава горючей смеси, вида и параметров закона выгорания топлива, текущего объема, температуры и давления рабочего тела [7]. Изменение в продуктах сгорания количества парниковых газов для каждого режима работы дизеля может быть вызвано изменением элементарного состава горючей смеси, которая, несомненно, будет отлична от состава горючей смеси при использовании топлива среднего элементарного состава по ГОСТ 305-82.
Так, для дизеля 2А-5Д49 с учетом у-го вида смесевого топлива и позиции контроллера машиниста некоторые экологические характеристики могут быть определены по соответствующим выражениям.
Для дизельного топлива, г/(кВт-ч):
удельное количество оксидов азота - тт = -0,012Пк2 + 0,349Пк + 0,370;
удельное количество оксида углерода - тсо = (415,874ехр(0,297Гд -10—;
удельное количество углерода (сажи), кг/ч, - тс = 0,002Пк2 — 0,058Пк + 0,572;
удельное количество паров воды - тно = 0,0874Пк2 — 2,719Пк + 36,38;
удельное количество диоксида углерода - тсо^ = 0,232Пк2 — 6,927Пк + 92,694;
для смеси дизельного топлива и биогаза, г/(кВт-ч):
удельное количество оксидов азота - тш = —0,000876Пк2 + 0,008871Пк + 0,830;
удельное количество паров воды - тн 0 = 0,937Пк2
удельное количество оксида углерода - тС0 = (70,219ехр(0,323Пк)-10—9 , кг/ч;
удельное количество углерода (сажи), кг/ч, - тС = 0,00149Пк2 — 0,042бП^ + 0,433;
17,783Пк +111,902;
удельное количество диоксида углерода - тС0г = 0,199Пк2 — б,ббП^ +124,09;
для смеси дизельного топлива и природного газа, г/(кВт-ч):
удельное количество оксидов азота - шт = 0,00289Пк2 — 0,0671Пк +1,204;
удельное количество оксида углерода, кг/ч, - тС0 = (17,437ехр(0,293Пк) -10 8;
удельное количество углерода (сажи), кг/ч, - тС = 0,00194Пк2 — 0,0545Пк + 0,525;
удельное количество паров воды - тн0 = —0,155Пк2 + 5,56Пк + 3,537;
удельное количество диоксида углерода - = 0,476Пк2 — 11,959Пк +108,39.
Согласно действующим нормативам локомотивное депо обязано выполнять отчисления на охрану окружающей среды по фактическим выбросам: 52 р. за 1 т выбросов оксидов азота; 0,6 р. за 1 т выбросов окиси углерода и 41 р. за 1 т сажи. Если фактическая величина вредных выбросов в отработавших газах дизеля неизвестна, то пользуются обобщенным показателем, равным 2,5 р. на 1 т сожженного дизельного топлива.
Очевидно, что для решения задачи оценки технико-экономической эффективности применения смесе-вых видов топлива в транспортных двигателях большой мощности с переменным эксплуатационным режимом работы целесообразно использовать метод комплексной оценки эффективности на основе критерия, учитывающего эксплуатационный расход и финансовые затраты на топливо и суммарное количество выбросов нормируемых токсичных компонентов в отработавших газах и финансовые затраты на охрану окружающей среды [8].
Величина этого критерия для тепловозных энергетических установок должна быть определена с учетом среднеэксплуата-ционных режимов работы локомотива. Предположим, что тепловоз серии ТЭ70 с поездом расчетной массы на выбранном участке эксплуатации работает 14,2 ч в условиях одной поездки в четном или нечетном направлении. Время работы тепловоза по позициям контроллера машиниста распределилось в соответствии с диаграммой, приведенной на рисунке 4. С учетом сформированных режимов нагрузки среднеэксплуатационный удельный расход топлива дизелем тепловоза при использовании различных углеводородных видов топлива может быть определен с использованием зависимости:
« « (23)
ЬесР =1 ^тК)/1 МвК ,
Рисунок 4 - Режимы работы тепловоза ТЭ70 на выбранном участке обращения
i=0
i=0
06301360
где п - количество позиций контроллера машиниста;
Ыег, Gтi, Щ - соответственно, эффективная мощность, часовой расход топлива и время работы энергетической установки на г-й позиции контроллера машиниста
Экономические и экологические параметры работы дизеля тепловоза ТЭ70 на различных смесевых углеводородных видах топлива в условиях поездной работы представлены в таблице. Полагаем, что предложенную в настоящей работе методику можно использовать и при оценке эффективности применения топливных присадок, совершенствования конструкции узлов и вспомогательных систем дизеля и тепловоза.
Анализ данных, представленных в таблице, позволяет однозначно заключить, что использование смесевых углеводородных видов топлива позволит
снизить себестоимость перевозочного процесса за счет уменьшения стоимости топливной смеси. В приведенном примере показано, что использование в качестве альтернативной добавки природного газа уменьшит расходы на топливо примерно на 16 %, а применение биогаза может увеличить затраты на 3 % при заданной его себестоимости;
значительно улучшить эксплуатационные экологические характеристики тепловозного дизеля за счет уменьшения количества вредных выбросов в отработавших газах. Так, применение природного газа снижает количество NOx в 3,4, СО в 5,8 и С в 1,6 раза. Применение биогаза снижает количество NOx в 3,6, СО в 8,9 и С в 2,3 раза;
уменьшить суммарное количество парниковых газов (СО2 + Н2О) в продуктах сгорания смесевых видов топлива. Так применение смеси ДТ и природного газа снижает количество парниковых газов в 1,4 раза и смеси ДТ и биогаза в 1,6 раза.
Обобщенные сравнительные характеристики результатов эксплуатации тепловозов на различных смесевых углеводородных видах топлива
Значения параметра
Наименование параметра для топливной смеси
ДТ ДТ+СН4 ДТ+БИО
Время работы тепловоза, ч 14,2 14,2 14,2
Суммарный расход топлива за поездку, кг 4052,76 3728,61 3650,62
Суммарная работа ДГУ за поездку, кВтч 18397,27 18397,27 18397,27
Суммарные расходы за поездку, р. 43844 37817 45301
Количество паров Н20 в отработавших газах, кг 310,27 217,41 196,74
Количество диоксида углерода С02 в отработавших газах, кг 790,84 554,12 501,48
Количество оксида углерода СО в отработавших газах, кг 7,93Е-4 1,36Е-04 8,97Е-05
Суммарные расходы за выбросы СО за поездку, р. 4,810-7 8,2^0-8 5,410-8
Количество оксидов азота N0X в отработавших газах, кг 18,043 5,289 5,061
Суммарные расходы за выбросы за поездку, р. 0,938 0,275 0,263
Количество углерода С в отработавших газах, кг 3,410 2,145 1,656
Суммарные расходы за выбросы С за поездку, р. 0,140 0,088 0,068
Всего расходов, р. 43845,1 37817,4 45301,3
Список литературы
1. Охрана окружающей среды: Модели социально-экономического прогноза [Текст] / Д. П. Аниашвили, Л. А. Барский и др. - М.: Экономика, 1982. - 224 с.
2. Сковородников, Е. И. Анализ качества функционирования системы экологического мониторинга дизельного подвижного состава в условиях эксплуатации [Текст] / Е. И. Сковородников, М. В. Тарута, Ю. Б. Гришина // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - № 2 (2). - С. 42 - 48.
3. Балясников, И. А. Экологически эффективный способ переработки органических отходов [Текст] //Актуальные проблемы экологии на рубеже третьего тысячелетия и пути их
решения: Междунар. науч.-практ. конф. / И. А. Балясников, М. Ю. Мишланов, А. Н. Шлема / Брянская гос. с.-х. акад. - Брянск, 1999. - С.112 - 115.
4. Фофанов, Г. А. Альтернативные виды топлива на подвижном составе железнодорожного транспорта [Текст] / Г. А. Фофанов, Д. Н. Григорович, А. С. Нестрахов // Труды ВНИИЖТа. - М.: Интекст, 2008. - 144 с.
5. Сковородников, Е. И. Методика определения физико-химических характеристик топливных смесей различного элементарного состава [Текст] / Е. И. Сковородников, А. С. Ани-симов, Ю. Б. Гришина // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск,
2011. - № 4 (8). - С. 33 - 41.
6. Сковородников, Е. И. Оценка влияния снижения давления наддува на выходные параметры работы тепловозного дизеля [Текст] / Е. И. Сковородников, А. С. Ани-симов, Ю. Б. Гришина // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск,
2012. - № 1 (9). - С. 39 - 42.
7. Работа дизелей на нетрадиционных топливах [Текст] / В. А. Марков, А. И. Гайворон-ский и др. - М.: Легион-Автодата, 2008. - 464 с.
8. Методы оценки технического состояния, эксплуатационной экономичности и экологической безопасности дизельных локомотивов: Монография [Текст] / Под ред. А. И. Володина. - М.: Желдориздат, 2007. - 264 с.
УДК 621.31
Е. А. Третьяков, А. В. Краузе, В. А. Ткач
ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗБЫТОЧНОЙ ЗАРЯДНОЙ МОЩНОСТИ В ПРОТЯЖЕННЫХ МАЛОНАГРУЖЕННЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ 110 кВ
В данной работе рассмотрена возможность применения управляемых шунтирующих реакторов (УШР) для поглощения избыточной зарядной мощности в протяженных малонагруженныи линиях электропередач 110 кВ северный электрических сетей филиала ОАО «МРСК Сибири» - «Омскэнерго». Возникновение избытков реактивной мощности приводит к возрастанию напряжения в узлах энергосистемы и появлению значительных потерь мощности. Обосновано применение УШР, выполнен расчет их необходимой мощности, определено место установки, произведена предварительная технико-экономическая оценка.
Регулирование уровней напряжения и реактивной мощности в электрических сетях представляет собой одну из важнейших задач. Режим напряжения электрических сетей во многом определяет надежность работы как самого энергообъединения, так и электроснабжения отдельных потребителей. Кроме того, поддержание оптимальных уровней напряжения на шинах подстанций обеспечивает минимизацию потерь активной мощности в электрических сетях и тем самым повышает эффективность функционирования электрических сетей [1].
Расчет установившегося режима 110 кВ филиала ОАО «МРСК Сибири» - «Омскэнерго» (рисунок 1, таблица 1) свидетельствует о том, что режим не может быть реализован за счет повышенного уровня напряжения из-за значительных перетоков емкостной мощности.
Таблица 1 - Результаты расчета и анализа электрических режимов электрических сетей (Rastr)
№ п/п Линия Мощность, минимум, МВ-А (лето 300) Напряжение, кВ Отклонение, %
1 2 3 4 5
1 2 Тевриз -Бакшеево 2,4-j4,7 131,61 131,42 131,02 -13,86 -13,51 -13,04
3 4 5 Бакшеево -Шухово Шухово - 2.7-j6,4 2.8-j7,4
14) 3
06301360
