ЭНЕРГЕТИКА ТЯГИ ПОЕЗДОВ И РАСХОД ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ

Преобразование энергии движущегося поезда. Как указывалось в гл. 1, вождение поездов локомотивами связано с преобразованием энергии и выполнением локомотивом механической работы по перемещению поезда по рельсам. Преобразование энергии связано с ее потерями на различных уровнях в зависимости от конструкции тягового подвижного состава. Потери в преобразовательных установках свойственны ЭПС переменного тока и тепловозам с передачей переменно-постоянного и переменно-переменного тока, потери в пусковых резисторах - ЭПС постоянного тока. Всем современным локомотивам сэлектроприводом присущи потери энергии в тяговых двигателях и тяговых передачах, а тепловозам, кроме того, - потери в дизеле и главном генераторе.



Основная часть топливно-энергетических ресурсов расходуется на выполнение механической работы по перемещению поезда. В тяговом режиме механическая работа затрачивается на преодоление сил сопротивления движению, изменение потенциальной и кинетической энергии. В тормозном режиме ранее накопленные кинетическая и потенциальная энергия движущегося поезда преобразуются в тепловую в процессе механического и реостатного торможения и в электрическую при рекуперативном торможении, и, кроме того, энергия расходуется на преодоление значительно меньшей силы сопротивления движению.

Потенциальная энергия поезда определяется профилем пути. При движении поезда по подъему она увеличивается, по спуску - уменьшается. Если поезд движется по подъему ускоренно или с постоянной скоростью, потенциальная энергия увеличивается только за счет механической работы локомотива, если же - замедленно, то еще и за счет уменьшения кинетической энергии. При движении по спуску возможен переход потенциальной энергии в кинетическую при ускоренном движении либо в тепловую при механическом и реостатном торможении и электрическую при рекуперативном.

Кинетическая энергия поезда пропорциональна квадрату скорости движения и его приведенной массе. На приобретение поездом требуемой кинетической энергии для поддержания заданной скорости и выполнение установленного графиком движения времени хода по перегону затрачивается значительная часть механической работы, выполняемой тяговым подвижным составом. Если поезд движется с ускорением на любых элементах профиля, его кинетическая энергия возрастает за счет механической работы, совершаемой локомотивом, а при движении, по спуску - еще и за счет перехода потенциальной энергии в кинетическую. В том случае, когда поезд движется замедленно, его кинетическая энергия расходуется на преодоление сил сопротивления движению; при движении по подъему она частично может переходить в потенциальную энергию. При механическом и электрическом торможениях часть накопленной кинетической энергии гасится. На что же затрачивается электрическая энергия или топливо при движении поезда?

Механическая работа, совершаемая тяговым электроприводом локомотива на определенном участке пути, может быть представлена в виде суммы составляющих, затрачиваемых на следующее: изменение потенциальной энергии поезда; преодоление сил сопротивления от кривых; преодоление сил основного сопротивления движению поезда; восполнение механической энергии, потерянной при регулировочных торможениях на вредных спусках, а также при торможении поезда, для снижения скорости и остановки.

3 Зэк 531

Анализ показывает, что составляющие механической работы, связанные с преодолением сил основного сопротивления поезда, а также восполнением потерь энергии при торможениях, зависят от скорости движения и времени хода по участку, а следовательно, режима ведения поезда.

Связь режима ведения поезда и расхода электроэнергии обусловлена зависимостью полезной механической работы от режима ведения поезда, а также зависимостью КПД электровоза от режима его работы, задаваемого контроллером машиниста, и скорости движения поезда. Для тепловозов связь режима ведения поезда и расхода топлива обусловлена, кроме того, зависимостью эффективной мощности дизеля и удельного эффективного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала, т.е. от положения рукоятки контроллера.

Расход электрической энергии и дизельного топлива на тягу поездов определяется, кроме механической работы по перемещению поезда, еще и потерями энергии при преобразовании ее из одного вида в другой.

Как видим, затраты топливно-энергетических ресурсов на механическую работу по перемещению поезда в значительной степени определяются режимом ведения поезда и управления локомотивом. Это во многом зависит от локомотивной бригады, которая играет важную роль в реализации рациональных режимов.

Рациональным называют режим, который в заданных эксплуатационных условиях и при строгом соблюдении всех требований эксплуатации обеспечивает наименьший расход электроэнергии или топлива.

Рассмотрим способы определения расхода топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов.

Определение расхода и рекуперации электрической энергии. Расход А электрической энергии электроподвижным составом, отнесенный к токоприемнику, включает в себя расход электроэнергии Av затраченной на движение с поездом или резервом по участку как при расчетной, так и при частичных характеристиках, на собственные нужды Асю отопление вагонов Аот, маневровую работу и движение по деповским путям ^ Движение по перегону может сопровождаться также возвратом энергии в сеть при рекуперации. Расход электроэнергии на движение в режиме тяги для электровоза постоянного тока определяют на основе построенных ранее кривых скорости v(s), времени f(s) и диаграммы тока ^(s), потребляемого его тяговыми двигателями. Диаграмму тока разбивают по отдельным элементам пути, в пределах которых значения тока принимают постоянными и равными среднему 4 Ср- Для каждого такого элемента пути по кривой времени находят соответствующий интервал времени Д? (мин). Суммируя расход энергии по отдельным элементам, получают его значение как при номинальном, так и при пониженном напряжении для перегона в целом:

ZlV3CpAt 60-1000

где f/э— напряжение на токоприемнике в интервале At.

Если при движении поезда используется рекуперативное торможение, то возвращенная в контактную сеть электроэнергия определяется аналогичным способом по токовым характеристикам тягового двигателя при рекуперативном торможении. При расчетах напряжение в контактной сети постоянного тока принимают равным 3000 В, переменного тока - 25 000 В. Возвращенная в контактную сеть при рекуперации электроэнергия вычитается из общего расхода электроэнергии на перемещение поезда.

Для электровозов переменного тока расчет расхода электроэнергии на перемещение поезда ведется по аналогичной формуле, но вместо среднего тока 4 ср вводится действующее значение активного тока, среднее за время At Кроме того, значение фактического напряжения на токоприемнике умножается на кц - коэффициент формы кривой напряжения. Зависимость коэффициента кц от среднего значения напряжения за полупериод на токоприемнике приводится в ПТР; значение его меняется от 1,11 до 1,23. Если при расчете не требуется учитывать колебания напряжения на токоприемнике, то произведение и3ки принимают равным 25 000 В.

Расход электроэнергии на собственные нужды электровозов Асн (сюда входят питание вспомогательных машин, отопление и освещение) определяют исходя из средней потребляемой для этих целей электроэнергии и полного времени работы электровозов, за которое принимают суммарное время движения и стоянок под напряжением на участке.

Среднее значение электрической энергии, потребляемой вспомогательными машинами и цепями одного электровоза разных серий, составляет от 0,83 кВт-ч/мин для электровозов ВЛ22М, ЧСЗ до 5,83 кВт-ч/мин для электровозов ВЛ80Р.

Расход электроэнергии на отопление электровоза рассчитывают исходя из полного времени работы электровозов в отопительном сезоне и среднего значения расходуемой для этой цели электроэнергии на один электровоз, которое составляет 0,07-0,14 кВт-ч/мин.

Расход электроэнергии на отопление вагонов 40х считают независящим от напряжения на токоприемнике. Его определяют исходя из среднего значения электроэнергии, потребляемой для отопления, составляющего 0,8 кВт-ч/мин для пассажирских вагонов и 0,4 кВт-ч/мин для почтово-багажных. Правилами тяговых расчетов установлены также нормы расхода электроэнергии для отопления вагонов электросекций. Отметим, что в группу расхода электроэнергии на отопление вагонов применительно к электросекциям включен также расход на вспомогательные машины и отопление.

Расход электроэнергии на маневровую работу и передвижение по деповским путям учитывают независимо от уровня напряжения на

токоприемнике по ориентировочным нормативам исходя из местных условий. При работе с вагонами на станциях расход энергии определяют, принимая затраты ее на 1 ч маневровой работы для электровозов постоянного тока равными 100 кВт-ч, переменного тока - 200 кВт-ч в сутки на каждый инвентарный грузовой электровоз постоянного тока, а также на электровоз ЧС4, ЧС4 и одну секцию С всех индексов, по 15-30 кВт-ч на грузовой электровоз переменного тока, электровоз двойного питания и электропоезда ЭР всех индексов.

Расход электроэнергии на движение электроподвижного состава по станционным путям определяют по числу электровозов и электропоездов, выдаваемых из депо в течение суток, и принимают следующие его значения: 10-15 кВт-ч на каждый электровоз BJI22 , BJI23. ЧСЗ, трехвагонную секцию электропоездов всех индексов; 30-50 кВт-ч на электропоезд ЭР всех индексов; 20-30 кВт-ч на один электровоз BJ18, ЧС2, ЧС2* ВЛ10, ВЛ10У; 30-45 кВт-ч на электровоз BJI60 всех индексов, ЧС4, ЧС41, ВЛ11 (две секции); 45-60 кВт-ч на электровоз ВЛ80 всех индексов и электровоз двойного питания.

Суммируя приведенные ранее составляющие, определяют общий расход электрической энергии электроподвижным составом на участке. Для того чтобы получить удельный расход электроэнергии, относят полученное значение к выполненной работе в тонно-километрах брутто, которая представляет собой произведение массы поезда, включая массу локомотива, на пробег.

Определение расхода топлива тепловозами. Полный расход топлива Е тепловозом на перемещение поезда по участку определяют, суммируя расходы топлива Ет, затрачиваемого непосредственно на движение поезда и на стоянках, на перемещение тепловозов по станционным и деповским путям Еи.

Расход топлива непосредственно на движение поезда, в свою очередь, мож.ет быть представлен в виде суммы двух слагаемых -расхода топлива в тяговом режиме и на холостом ходу. Каждое из этих слагаемых определяют на основе расходных характеристик, представляющих собой зависимость расхода топлива от скорости движения тепловоза в режиме тяги и от частоты вращения вала дизеля в режиме холостого хода. Указанные характеристики приведены в ПТР.

Рассмотрим в качестве примера характеристики тепловозов 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, ЗТЭ10М (рис. 18 и 19). Расход топлива подсчитывают, используя ранее построенные кривые 4s) и t(s). Кривую ф) разбивают на ряд элементов, на которых скорость принимают постоянной и равной ее среднему значению. По расходной характеристике определяют расход топлива, соответствующий значению принятой средней скорости. Умножив его на время работы дизеля, в пределах которого скорость движения поезда принята постоянной, определяют расход топлива на данном элементе в тяговом режиме. Суммируя результаты подсчета по всем элементам участка, получают расход

топлива в тяговом режиме. Расход топлива на холостом ходу представляет собой произведение удельного расхода топлива на холостом ходу на время движения поезда в этом режиме.

Для определения расхода топлива тепловозами на стоянках пользуются также кривыми расхода его на холостом ходу в зависимости от частоты вращения вала дизеля. Если отсутствуют специальные распоряжения о режиме работы дизелей на стоянках, учитывающие специфику местных условий, расход топлива принимают по данным, рекомендованным ПТР для тепловозов различных серий. Для определения расхода топлива одиночными тепловозами в режиме тяги при движении их по станционным и деповским путям удельный расход топлива умножают на время этого движения. Удельный расход топлива на один дизель при движении на 1-й ездовой позиции контроллера машиниста и скорости движения 10-15 км/ч принимают равным: 0,5 кг/мин для тепловозов ТЭ10, 2ТЭ10 всех индексов и ЗТЭ10М; 0,6 кг/мин для тепловозов ТЭЗ, ТЭ7; 1,0 кг/мин для тепловозов ТЭП60, ТЭП70, 2ТЭ116 и 0,3 кг/мин для тепловозов и дизель-поездов остальных серий.

Суммируя расходы топлива на перемещение поезда, на стоянке и в процессе перемещения тепловоза по станционным и деповским путям, получают общий расход за поездку. Если отнести его к выполненной перевозочной работе, представляющей собой произведение массы поезда на длину участка, получим удельный расход топлива в килограммах на Ю4 т-км. Для того чтобы привести удельный расход к условному топливу, его надо умножить на эквивалент дизельного топлива, равный 1,45, который представляет собой отношение теплоты сгорания дизельного топлива к теплоте сгорания условного топлива.

Практически нормы расхода топливно-энергетических ресурсов устанавливают для локомотивных бригад в соответствии с утвержденной МПС Инструкцией по техническому нормированию расхода электрической энергии и топлива тепловозами на тягу поездов. Нормирование основывается на данных тягово-энергетических паспортов локомотивов, а также формулах и положениях тяговых расчетов. Нормы расхода топлива и электроэнергии устанавливаются для тягового подвижного состава каждой серии, обращающегося на нормируемом участке, в зависимости от профиля пути, планируемых нормативов и способов использования подвижного состава,рода поездов и вагонов, а также метеорологических условий в нормируемый период.

Технические нормы расхода топлива локомотивом устанавливают для локомотивных бригад ежемесячно на 104 т-км брутто для тепловозов в килограммах натурного топлива, а для электроподвижного состава в киловатт-часах.

Устанавливаются технические нормы расхода топлива и электроэнергии на следующие виды работы тягового подвижного состава:

на 104 т-км брутто при следовании во главе поезда, кратной тягой и при подталкивании; масса локомотива в расчет выполненной работы

не включается; для моторвагонной тяги работу определяют по расчетной массе поезда;

на 100 локомотиво-км для одиночно следующих локомотивов или при возвращении толкачей;

на 1 ч маневровой работы;

на 1 ч простоя в депо или на станционных путях в ожидании работы.

Нормы расхода топлива и электроэнергии устанавливают для каждого участка обращения локомотивов по видам поездов, предусмотренных графиком движения (транзитные, местные, груженые, порожние, пассажирские, скорые и т.д.). Для маневровых локомотивов нормы устанавливают по станциям и паркам станций с учетом специфики их работы.

В норму расхода топлива и электроэнергии на поездную работу включаются все затраты, связанные с передвижением состава, локомотива и его обслуживанием в процессе работы с поездом; она представляет собой сумму расходов топливно-энергетических ресурсов на работу по перемещению поезда, восполнение потерь кинетической энергии поезда, связанных с остановками, и затрат на разгон состава, а также на работу дизеля и вспомогательных машин локомотива на холостому ходу.

Расчет ведется по исходным значениям расхода электроэнергии и топлива, определяемым по энергетическим паспортам локомотивов для движения состава из четырехосных вагонов на площадке и скорректированным путем введения в расчетную формулу различных коэффициентов, учитывающих конкретные условия работы. К ним относятся коэффициенты, учитывающие следующее: изменение основного сопротивления движению состава из-за наличия в нем порожних вагонов; изменение массы, приходящейся на ось груженого вагона; дополнительное сопротивление движению от профиля пути; температуру наружного воздуха в нормируемом периоде; удельный вес времени холостого хода по отношению к общему времени хода; затраты электроэнергии и топлива на восполнение кинетической энергии, потерянной при торможении; потери в пусковых резисторах электроподвижного состава постоянного тока и др.

Аналогично подсчитывается норма расхода топлива и электроэнергии на вспомогательные виды работы локомотива (одиночное следование).

Норму расхода топлива и электроэнергии на маневровую работу устанавливают опытным путем с учетом выполнения заданий по переработке вагонов.

Потребление топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов -важный показатель деятельности железнодорожного транспорта в целом и каждой локомотивной бригады в отдельности. Железные дороги являются одним из крупнейших потребителей электроэнергии и топлива в стране, поэтому очень важно правильно нормировать и экономно расходовать топливно-энергетические ресурсы. Как из-

вестно, расход их на тягу поездов может значительно изменяться в зависимости от различных факторов. Для того чтобы можно было сравнивать результаты расхода, обычно пользуются удельными нормами и удельными расходами, которые представляют собой отношение нормируемого или фактического расхода к перевозочной работе, измеряемой в тонно-километрах брутто.

Практически нормы расхода топливно-энергетических ресурсов для локомотивных бригад разрабатываются в локомотивных депо инженером-теплотехником либо машинистом-инструктором по теплотехнике в соответствии с Инструкцией по нормированию расхода электрической энергии и топлива тепловозами на тягу поездов [23]. Определенная в зависимости от массы поезда и его средней скорости норма расхода топлива и электроэнергии на 10 т-км брутто при следовании поезда по горизонтальному пути корректируется в зависимости от нагрузки на ось вагонов, средней температуры воздуха нормируемого периода, влияния сложности профиля пути, числа остановок поезда и расходов на служебные нужды путем введения поправочных коэффициентов.

Определенная таким образом норма расхода может также подвергаться корректировке с учетом статистики расхода топливно-энергетических ресурсов за предыдущие годы по сериям локомотивов, а также по видам движения и группам поездов. Такие аналитические данные, используемые для корректировки норм расхода, получают из статистического отчета.

Аналогично определяют нормы расхода топливно-энергетических ресурсов при моторвагонной тяге. Для электропоездов удельную норму расхода рассчитываю'1' по формуле

е=е0к,кт + есл + е1орм + ео1)

где во - исходная норма расхода электроэнергии при движении поезда на площадке в зависимости от реализуемой скорости [5, табл. 20]; к, — коэффициент трудности профиля пути нормируемого участка; кт — температурный коэффициент для нормируемого периода [5, табп. 16]; есп — удельный расход электроэнергии на служебные нужды [5, табл. 13]; еторм ~ удельный расход электроэнергии на возмещение ее потерь на одно торможение поезда, зависящее от скорости начала торможения [5]; е01 — удельная норма расхода электроэнергии на отопление поезда [5, табл. 6].

Коэффициент трудности профиля пути нормируемого участка к,= 1 +

где а - коэффициент, зависящий от скорости движения [5, табл. 5]; i - эквивалентный подъем, т.е. условный на всем протяжении участка, определяемый по спрямленному профилю пути [5].

Для того чтобы перейти от удельной нормы расхода электроэнергии к норме на поездку, достаточно умножить ее на отношение работы, выполненной за поездку, к 10 4 т-км брутто.

В качестве примера определим норму расхода электроэнергии электропоездом ЭР2 (10 вагонов) массой 578 т на участке длиной 26,2 км. Средняя техническая скорость движения 60 км/ч, скорость в начале торможения 90 км/ч, температура наружного воздуха минус 5 °С, коэффициент трудности профиля пути 1,1. По расписанию на обслуживаемом участке предусмотрено 11 остановок поезда.

Поскольку удельные нормы определяют расход электрической энергии на 10 4 т-км брутто, то число остановок также надо отнести к этой величине. Выполненная за поездку работа (произведение массы поезда на длину участка) составила 15143,6 т-км брутто, следовательно, число приходящихся на 10 4 т-км брутто остановок равно 7,25.

Определив из таблиц инструкции f5] и приложения к ней ^ = = 111,4 кВт-ч, а = 0,236, /э =.1,1, кт = 1,086, есл = 8,42 кВт-ч, е1орм = = 9,8 кВт-ч, еот = 2,63 кВт-ч, находим удельную норму расхода:

е= 111,4(1 + 0,236-1,1) + 8,42 + 7,25 • 9,8 + 2,63-10 = 257,8 кВт-ч.

Следовательно, в данном случае локомотивная бригада может израсходовать за поездку количество энергии, равное 257-1,514 = = 389 кВт-ч.