CC BY
34(В
'"Oow**? I
Опытная эксплуатация газотепловозов на Московской железной дороге
Д.Н. Григорович,
заведующий лабораторией ОАО «ВНИИЖТ», к.т.н.,
А.В.Заручейский,
заведующий отделением ОАО «ВНИИЖТ», к.т.н.
В статье рассмотрены конструкции тепловозов, работающих по газодизельному циклу, приведены технические характеристики маневровых газотепловозов, указаны преимущества и недостатки различных систем газоподачи, приведен анализ причин отсутствия экономической окупаемости опытной эксплуатации газотепловозов в московском регионе.
Ключевые слова: газотепловоз, газодизельный цикл, электронная система управления, электромагнитный клапан, пневмоклапан.
Trial operation of gas-turbine locomotives at the Moscow railroad
D.N. Grigorovich, A.V. Zarucheysky
The article deals with different locomotive constructions running on gas and diesel cycle, contains specifications for shunting gas-turbine locomotives, points out the advantages and disadvantages of different gas feeding systems, and analyzes the reasons for the poor return on investment associated with the pilot operation of gas-turbine locomotives in the Moscow region.
Keywords: gas-turbine locomotives, gas and diesel cycle, electronic control system, electromagnetic valve, pneumatic valve.
Стратегия развития ОАО «РЖД» предусматривает использование альтернативных видов топлива для тягового подвижного состава, среди которых одним из основных является природный газ. Прежде чем создавать новый тепловоз на газовом топливе, было принято решение переоборудовать несколько серий существующих дизельных тепловозов для отработки рабочего процесса и определения способов хранения запаса газа. Ранее специалисты ВНИИЖТ проводили работы по переводу на газодизельный цикл маневровых тепловозов ТЭМ2 и ТЭМ18, а также магистрального тепловоза 2ТЭ116. Газотепловозы ТЭМ18Г (рис. 1) были проверены в опытной эксплуатации, а ТЭМ2Г и 2ТЭ116Г прошли
наладочные испытания на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ
(г. Щербинка), но по ряду причин не были переданы в эксплуатацию.
Маневровые газотепловозы ТЭМ18Г-001 и ТЭМ18Г-002 работают по газодизельному циклу с использованием природного газа и запальной порции дизельного топлива. На газотепловозе ТЭМ18Г-001 установлены механические клапаны подачи газа, приводимые в движение распределительным валом дизеля, а на ТЭМ18Г-002 - электромагнитные клапаны с микроконтроллерной системой управления.
Механические газовые клапаны имеют одно преимущество - достаточно большое проходное сечение, позволяющее обеспечивать шесть цилиндров четырехтактного дизеля часовым расходом газа до 180 кг/ч. При этом имеется и ряд недостатков. Привод механических газовых клапанов осуществляется через рычаг распределительного вала, а расход газа регулируется плунжерными дозаторами, расположенными перед газовыми клапанами. К несовершенствам таких клапанов относятся необходимость периодической проверки крепления ширмы и отсутствие прецизионности пары ширма - направляющая втулка. Последнее вызывает увеличение угла опережения подачи
газа в цилиндр и ухудшает сгорание газовоздушной смеси. Серьезным недостатком механических клапанов является невозможность регулировки углов подачи газа на различных режимах работы тепловоза, что обеспечивает экономичные режимы только на фиксированных позициях контроллера машиниста.
Топливная аппаратура тепловозов позволяет качественно распылять топливо в цилиндрах дизеля в широком диапазоне цикловых подач: от 0,44 г/цикл на холостом ходу до 4,9 г/цикл на номинальном режиме для маневрового тепловоза и до 8,3 г/цикл для магистрального тепловоза. При работе тепловоза по газодизельному циклу цикловая подача дизельного топлива сокращается в 3-4 раза, что невозможно при холостом ходе, поэтому газотепловозы работают по газодизельному циклу только под нагрузкой. При этом механические газовые клапаны,приводи-мые в движение распределительным валом дизеля, продолжают работать и на холостом ходу. С учетом того, что на холостом ходу тепловозы работают до 80 % времени, повышенный износ механических клапанов является еще одним их существенным недостатком.
Таблица 1
Мощностные и частотные характеристики тепловоза ЧМЭ3Г
Позиция контроллера Частота вращения коленчатого вала, мин-1 Мощность главного генератора, кВт
0 350 ± 10 -
1 350 ± 10 20. ..40
2 380 ± 10 75. ..92
3 420 ±10 155. ..171
4 460 ± 10 220. ..250
5 510 ± 10 300. ..330
6 570 ± 10 550. ..580
7 660 ± 10 695. ..720
8 750 ± 5 880...900
На основании опытной эксплуатации газотепловозов с механическими и электромагнитными клапанами подачи газа принято решение отказаться от механических клапанов. Недостаток электромагнитных клапанов - проходное сечение, не обеспечивающее необходимые расходы газа, - был устранен на тепловозе ТЭМ18Г-002 установкой двух электромагнитных клапанов параллельно на каждом цилиндре.
В феврале 2011 г. ВНИИЖТ передал в опытную эксплуатацию на Московскую железную дорогу еще один
переоборудованный на газодизельный цикл тепловоз ЧМЭ3Г (рис. 2). Маневровый газотепловоз ЧМЭ3Г (табл. 1) имеет шестицилиндровый дизель K6S310DR мощностью 993 кВт и электрическую передачу - тяговый генератор постоянного тока мощностью 885 кВт. После ввода в эксплуатацию тепловоз используется на маневровой работе в депо Лихоборы, Люблино и на станции Силикатная.
На газотепловозе ЧМЭЗГ под рамой и в аккумуляторном отсеке установлены газовые баллоны, объединенные в два блока, в которых хранится запас компримированного природного газа (КПГ) под давлением 24,5 МПа. Все баллоны одногорловые, металлокомпозитные (ГОСТ 9731-79). Общий объем баллонов составляет 3755 л. Запас газа при давлении 15 МПа составляет 730 м3 (511 кг), при давлении 20 МПа - 938 м3 (657 кг), при давлении 25 МПа - 1170 м3 (820 кг). Запас дизельного топлива хранится в трех топливных баках, расположенных под рамой тепловоза, и составляет 3000 кг.
К блокам газовых баллонов с двух сторон газотепловоза подводится трубопровод с запорными вентилями, манометрами и заправочными штуцерами, что позволяет заправлять газотепловоз КПГ с обеих сторон.
Часть газового оборудования размещена в баллонном тамбуре за кабиной машиниста, вторая часть смонтирована в одном блоке и размещена на торце переднего капота в отсеке, в котором установлен компрессор (рис. 3). Обе части газового оборудования соединены трубопроводом, проходящим под рамой газотепловоза.
Блок аппаратуры газоподачи соединен с блоком газовых баллонов трубопроводом, который включает редуктор первой ступени понижения давления газа, запорный вентиль и предохранительный клапан. Блок аппаратуры газоподачи соединен с газодизелем трубопроводом, проложенным по капоту над помещением с холодильником и дизельным помещением. Для вентиляции блока аппаратуры газоподачи в крыше отсека переднего кузова, в котором этот блок установлен, смонтирован отсасывающий осевой вентилятор, выбрасывающий воздух из блока наружу через люк в крыше кузова. Поступление свежего воздуха в блок осуществляется через просечки в дверях, установленных на боковой стене отсека.
Для вентиляции аппаратной камеры на дверце заднего капота справа установлен центробежный вентилятор, забирающий воздух снаружи через фильтр и подающий его для наддува отсека кабины машиниста, в котором размещена аппаратная камера. Для вентиляции помещений над газодизелем, генератором
и вспомогательным оборудованием установлены отсасывающие осевые вентиляторы. Все вентиляторы приводятся во вращение электродвигателями взрывозащищенного исполнения.
Для контроля довзрывоопасной концентрации природного газа в воздухе подкапотного пространства газотепловоза в дизельном помещении, в блоке аппаратуры газоподачи, аппаратной камере, помещении вспомогательного оборудования размещены шесть датчиков концентрации природного газа, а в кабине машиниста установлен блок сигнализации, управляющий системой взры-вопредупреждения.
В отличие от электромагнитных клапанов газотепловоза ТЭМ18Г на газотепловозе ЧМЭ3Г для подачи газа в цилиндры дизеля установлены пневмоклапаны совместно с пилотными электромагнитными клапанами (рис. 4). Пилотные клапаны, управляемые электрическими импульсами, открывают при помощи сжатого воздуха пневмоклапаны, через которые газ попадает в цилиндры дизеля. В зависимости от режима
работы тепловоза давление газа на входе в цилиндры дизеля изменяется от 50 до 300 кПа. Необходимое давление устанавливается газовоздушным регулятором, который управляется по заданному алгоритму электронной системой с помощью электромагнитных клапанов. Воздух для управления пневмоклапанами под давлением 600...900 кПа поступает из тормозного ресивера тепловоза. Расчеты показали, что часовой расход воздуха для управления шестью пневмоклапанами тепловоза не превышает 5 % от производительности тормозного компрессора, что практически не влияет на частоту его включений по сравнению со штатной работой тепловоза на дизельном топливе.
Преимуществом пневмоклапа-нов по сравнению с электромагнитными является достаточно большое проходное сечение (Ду 14 мм), позволяющее использовать для каждого цилиндра только один клапан. К недостаткам следует отнести более низкое, чем у электромагнитных клапанов, быстродействие (на 40 %). Скомпенсирован данный недостаток более ранними углами открытия и закрытия клапанов, которые записаны в память системы управления. Предельная расчетная частота вращения коленчатого вала дизеля, при которой такие клапаны можно использовать, составляет около 1000 мин-1, что характерно для большинства тепловозных дизелей.
Дляуправления подачей газа в цилиндры дизеля и газовым оборудованием тепловоза в кабине машиниста установлены два электронных блока на базе микроконтроллеров. Для устойчивой подачи запальной порции топлива на газодизеле установлены охлаждаемые форсунки специальной конструкции. Применение электрон-ноуправляемой системы подачи совместно с охлаждаемыми форсунками обеспечивает устойчивую подачу
газа и запальной порции дизельного топлива при работе газотепловоза, начиная со второй позиции контроллера машиниста.
Для определения положения поршня в первом цилиндре дизеля к блоку управления пилотными клапанами подведен сигнал от индуктивного датчика отметки ВМТ, установленного на распределительном валу газодизеля. В процессе предварительных испытаний были откорректированы углы открытия и закрытия пилотных электромагнитных клапанов, которые записаны в энергонезависимую память электронного блока управления. Импульс ВМТ является началом отсчета цикла длительностью 720° поворота коленчатого вала. Зная момент прохождения предыдущего импульса, микроконтроллер рассчитывает продолжительность одного полного оборота вала и поворота вала на 1°. Таймер микроконтроллера программируется на рассчитанный интервал и инициирует прерывания при каждом прохождении 1°. Если текущий градус совпадает с углом открытия или закрытия одного из клапанов, микроконтроллер устанавливает или снимает напряжение на базе соответствующего управляющего транзистора. На блоке установлены семь светодиодов, которые
показывают импульс ВМТ и импульсы управления каждого из шести пилотных клапанов. В процессе отладки управляющие импульсы и импульс ВМТ передаются на компьютерную измерительную систему через дополнительный разъем, который установлен на блоке управления. При штатной работе тепловоза этот разъем не используется.
Тепловоз обеспечивает мощность дизель-генератора на всех режимах работы по газодизельному циклу. Вследствие неполного смесеобразования при быстротечных процессах в цилиндрах тепловоза удельный эффективный расход топлива при работе на газе несколько хуже чем при работе на дизельном топливе. Однако с учетом стоимости газа и его более высокой калорийности по сравнению с дизельным топливом при работе на газе может быть обеспечена значительная экономия средств на топливо.
Электронный блок управления газовым оборудованием газотепловоза ЧМЭ3Г создан на базе микроконтроллера с энергонезависимой памятью. Каждой входной комбинации сигналов, определяемой по органам управления тепловоза, соответствует своя комбинация выходных сигналов, определяемая программой
Рис. 5. Фрагмент компьютерной программы для записи управляющих импульсов
(В
'"ВВДИ^
Таблица 2
Основные показатели работы газотепловоза ЧМЭ3Г-1994, оборудованного электронной системой подачи газа при реостатных испытаниях
Показатели Значения
Позиция контроллера 2 3 4 5 6 7 8
Частота вращения коленчатого вала, мин-1 379 419 458 491 553 651 747
Ток главного генератора, А 804 1235 1386 1764 2026 2087 2241
Напряжение главного генератора, В 105 155 194 218 258 312 364
Мощность главного генератора, кВт 84 191 269 385 523 651 816
Мощность вспомогательных нагрузок, кВт 18 20 22 26 32 42 56
КПД тягового генератора, % 92,8 93,2 93,4 93,6 93,9 94 93,9
Мощность дизеля, кВт 109 225 310 437 588 735 924
Часовой расход топлива, кг/ч 12,5 15,8 16,3 23,9 33,6 39,3 43,9
Часовой расход газа, кг/ч 20,6 43,2 52,1 69,8 97,4 126,5 165,7
Эквивалентный часовой расход топлива, кг/ч 35,2 63,3 73,6 100,7 140,7 178,5 226,2
Удельный эффективный расход топлива, г/кВтч 323 281 237 230 239 243 245
Доля дизельного топлива, % 35,6 25,0 22,1 23,7 23,9 22,0 19,4
Давление газа в коллекторе, кПа 73 74 90 208 274 345 388
Температура газа в коллекторе, °С 32 28 28 29 28 29 27
Средняя температура отработавших газов на выходе из цилиндров, °С 254 294 338 365 378 401 445
управления, записанной в память микроконтроллера. В ряде случаев в зависимости от предыдущего состояния агрегатов на одну и ту же комбинацию входных сигналов алгоритм управления предусматривает разные комбинации выходных сигналов. Для этого микроконтроллер устанавливает признак текущей операции, позволяющий на следующем шаге определить предыдущее состояние агрегатов.
Опрос состояния всех входных сигналов производится циклически с интервалом в 1 с. Входные комбинации формируются в двоичном коде «1» или «0». После обработки входных сигналов микроконтроллер в соответствии с алгоритмом управления заменяет отдельные биты входного кода третьим состоянием «х», которое означает, что состояние
агрегата не имеет значения для выработки следующей управляющей комбинации.
Микроконтроллер последовательно сравнивает обработанную входную комбинацию сигналов со строками таблицы, хранящейся в памяти. Как только происходит совпадение комбинации входных сигналов со строкой таблицы, микроконтроллер производит соответствующие установки и прекращает цикл опроса.
В период испытаний угол начала подачи изменялся в пределах от -50° до +50° п.к.в. от ВМТ, продолжительность подачи от 160° до 220° п.к.в.
Оптимальным по удельному эквивалентному расходу топлива углом начала подачи газа является угол, соответствующий ВМТ в процессе наполнения цилиндра. Это положение незначительно смещается влево
при увеличении частоты вращения коленчатого вала, когда сокращается время образования рабочей смеси.
Анализ результатов испытаний показал, что более раннее начало подачи вызывает повышенную утечку газа через цилиндр в процессе его продувки, более позднее ухудшает условия смесеобразования, так как с закрытием выпускных клапанов резко падает скорость поступающего в цилиндр воздуха. С увеличением давления газа для сокращения продолжительности подачи растут утечки газа и ухудшается смесеобразование, что сопровождается увеличением удельного расхода топлива.
Открытие и закрытие газовых клапанов происходит с задержкой относительно сигнала на их срабатывание, зависящей от частоты вращения коленчатого вала газодизеля
и давления газа перед клапаном. Изменение давления управляющего воздуха в тормозном ресивере практически не влияет на продолжительность открытия-закрытия пневмоклапана, что обеспечивается его конструкцией и подтверждено предварительными испытаниями на стенде. Запаздывание открытия-закрытия пневмоклапана при давлении газа 100 кПа составляет около 10 мс, а при увеличении давления до 300 кПа - увеличивается до 25 мс. Система позволяет учесть эти задержки путем внесения поправок в программу управления клапанами (рис. 5).
Электронная система обеспечивает заданные генераторной характеристикой мощность и частоту вращения коленчатого вала газодизеля (табл. 2). Значение удельного эффективного расхода газодизельного топлива по позициям контроллера машиниста в среднем на 5 % превышает аналогичные показатели работы тепловоза на дизельном топливе. Объясняется это быстротечностью процессов смесеобразования в относительно
большом объеме цилиндра дизеля, что несколько уменьшает коэффициент полноты сгорания.
Часовой расход газа увеличивается пропорционально частоте вращения коленчатого вала и мощности дизеля, а часовой расход топлива имеет пологий участок характеристики на малых позициях контроллера машиниста (рис. 6). Объясняется это тем, что при низких цикловых подачах запальной порции дизельного топлива топливная аппаратура находится на границе устойчивой работы. При снижении запальной порции дизельного топлива и, соответственно, расхода топлива возможны пропуски вспышек. В процессе испытаний границы устойчивой работы были определены экспериментально.
Охлаждаемые форсунки специальной конструкции работают устойчиво без пропусков подачи запальной порции топлива в диапазоне 300...750 мин-1, обеспечивая минимальную цикловую подачу 15 % от цикловой подачи при работе на дизельном топливе. Неравномерность подачи запальной порции в указанном диапазоне не превышает 2 %.
Опытная эксплуатация газотепловозов на Московской железной дороге, к сожалению, оказывается экономически убыточной по двум причинам. Первая причина - отсутствие инфраструктуры по заправке и обслуживанию газотепловозов. К решению этого вопроса ОАО «РЖД» приступит после создания партии достаточно надежных газовых тепловозов. Сама по себе эта причина объективна, и ее отрицательное влияние на экономическую составляющую эксплуатации газотепловозов могло бы скомпенсироваться за счет более низкой цены газа. Однако вторая причина - существующая в московском регионе цена газа - может свести всю кампанию на нет. Как выяснилось, отпускная цена газа на АГНКС московского региона составляет в среднем 14 руб./м3. При этом только одна организация «Мосавтохолод» имеет ав-тогазозаправщик для доставки газа к месту заправки газотепловозов. Цена газа у «Мосавтохолода» составляет 18 руб./м3, а стоимость одной доставки 1500 м3 - 13 тыс. руб. С учетом того, что автогазозаправщик не оборудован дожимным компрессором, заправить в тепловозы за одну поездку удается только около 1000 м3. Нетрудно подсчитать, что при таких ценах говорить об экономической выгоде применения природного газа не приходится. Поэтому целью опытной эксплуатации является, главным образом, отработка технологий.
Безусловно, такие цены являются следствием нарушения положений Постановления Правительства Российской Федерации от 15.01.1993 г. № 31 «О неотложных мерах по расширению замещения моторных топлив природным газом», которое определяет предельную отпускную цену на сжатый природный газ в размере не более 50 % от цены бензина А-76, включая налог на добавленную стоимость.
