На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2018     2017  |   2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   2008  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Технологии

01.01.2009 Современные электрохимические источники тока на автономном тяговом подвижном составе железных дорог

 

Современные электрохимические источники тока на автономном тяговом подвижном составе железных дорог

 

Одним из эффективных путей снижения потерь в электроэнергетике наряду с внедрением различных энергосберегающих технологий является децентрализация системы электроснабжения, а также использование высокоэнергоемких буферных электрических накопителей.

В настоящее время есть положительный зарубежный опыт эксплуатации мощных (100 кВт и более) стационарных энергоустановок на базе электрохимических генераторов (ЭХГ), работающих на водороде, природном газе и биогазе. Проектируются и уже построены высокоэнергоемкие (до 3 МВт•ч) аккумуляторные батареи. Создаются электроаккумулирующие системы на базе комплекса «электролизер – ЭХГ» [1].

 

Необходимость развития электротранспорта стала стимулом для усовершенствования известных и создания новых типов электрических накопителей во всем мире, а также способствовала их интегрированию в гибридные силовые установки типа «накопитель энергии – тепловой двигатель». Для использования на транспорте были созданы высокоэнергоемкие химические аккумуляторы, допускающие высокие разрядные (3С – 1 °C) и зарядные (1С – 3С) токи, а также имеющие большой ресурс при циклической работе. Используются серно-натриевые, никель-металлогидридные, литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. Интенсивно разрабатываются для использования в качестве накопителя энергии транспортного средства батареи электрохимических конденсаторов [1].

Благодаря высокой эффективности, а также неприхотливости к составу топлива и окислителя одним из перспективных видов ЭХГ для стационарной энергетики считают энергоустановки (ЭУ) на базе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Отличительными их особенностями являются отсутствие драгметаллов в электродах и высокая рабочая температура (600–1 000 °С). Возможна также утилизация части выделяемого тепла окислительно-восстановительной реакции, например, с помощью газовой турбины, что повысит суммарный КПД установки до 80 %. К недостаткам ЭУ на базе ТОТЭ следует отнести, прежде всего, высокие рабочие температуры. По этой причине повышаются требования к используемым материалам, а также затрудняются запуск и останов таких ЭУ. Так, для запуска из холодного состояния ЭУ (габариты – 12×3,2×4 м, масса – 35 т) мощностью 100 кВт требуется внешний электрический источник аналогичной мощности, разогревающий ЭУ до 500 °С, после чего ЭУ переводится на газ. Процесс пуска длится 36 ч с электропотреблением 4 МВт•ч. Охлаждение ЭХГ до 50 °С продолжается 18 ч с потреблением 270 кВт•ч электрической энергии [1]. Отмеченные показатели, а именно: большие масса и габариты, а также чрезвычайно длительный процесс запуска – делают ТОТЭ непригодными для использования в качестве транспортной силовой установки.

Анализ мировых тенденций развития мобильных источников электроэнергии показывает, что в настоящее время при создании бортовых ЭУ первичный источник энергии комбинируется с мощным электрическим накопителем в одном устройстве. Такой подход позволяет, снизив номинальную мощность первичного источника, эксплуатировать его в постоянном режиме, обеспечивая в переходных режимах снятие пиковых нагрузок за счет электрического накопителя, а также рекуперацию кинетической энергии торможения транспортного средства.

Серийные коммерческие электромобили в настоящее время используют комбинированные энергоустановки (КЭУ) типа ДВС: электрический генератор – накопитель энергии. Накопителями энергии служат электрохимические конденсаторы (ЭХК) или мощные аккумуляторные батареи. Электромобили с такими КЭУ имеют низкую эмиссию вредных веществ с отработавшими газами и не требуют существенных изменений в имеющейся инфраструктуре заправки и обслуживания транспортных средств.

Конкуренцию электромобилям с КЭУ на основе тепловой машины в перспективе могут составить энергоустановки с ЭХГ, работающими на газообразном или жидком углеводородном топливе, эффективность которых в два раза выше эффективности тепловых машин [1]. В качестве накопителя электрической энергии можно использовать аккумуляторы, позволяющие реализовать высокие плотности энергии (десятки и даже сотни Вт•ч/кг). Однако их разрядная мощность обычно не превышает несколько сотен Вт/кг, причем возможность использования всей запасенной энергии резко снижается при их разряде большими токами.

Можно использовать ЭХК, у которых способность аккумулировать энергию существенно ниже (0,5–5 Вт/кг), но при этом мощность разряда (заряда) может достигать нескольких тысяч Вт/кг [1].

Согласно нашим исследованиям распределение времени работы дизеля маневрового тепловоза указывает на то, что маневровый режим работы хорошо подходит к характеристикам гибридной силовой установки.

Как видно из таблицы, при выполнении маневров по станции Гомель тепловозом ЧМЭ3 на тягу реализуется мощность, не превышающая 40 % номинальной. Расчет средней мощности за смену показал, что при работе на станции она не превышает 50 кВт, а на сортировочной горке – 40 кВт.

Таблица

Распределение времени работы дизеля маневрового тепловоза ЧМЭ3

Место работы

Мощность, реализуемая на тягу*, кВт

0**

50

100

150

190

300

440

600

800

Станция, %

70,0

3,04

5,86

12,4

8,68

0,0

0,0

0,0

0,0

Сортировочная горка, %

56,8

17,0

18,3

7,38

0,706

0,05

0,0

0,0

0,0

* Средние значения по результатам реостатных испытаний.

** Холостой ход дизеля.

 

Как известно, приписной парк маневровых тепловозов Белорусской железной дороги был сформирован при Советском Союзе и практически полностью состоит из тепловозов серии ЧМЭ3 – 320 секций. В советское время перевозочная и, следовательно, маневровая работа имели тенденцию возрастать, что требовало повышения секционной мощности маневровых тепловозов для расширения возможности их использования в качестве вывозных, а на малодеятельных линиях – как магистральных локомотивов. Известно, что мощность локомотива, реализуемая на тягу, быстро растет с усложнением вертикального профиля железнодорожного пути. Например, при движении на подъем величиной 0,015 % реализуемая на тягу мощность превышает 800 кВт, в то время как при движении на площадке мощность составляет всего 72 кВт. Как правило, станция расположена на площадке, поэтому средняя мощность при маневрах не превышает 50 кВт.

Кроме того, особенность маневровой работы заключается в том, что от локомотива при относительно невысоких скоростях (от 5 до 30 км/ч) требуются высокие тяговые усилия, для чего он должен иметь по возможности большие массу (так называемый сцепной вес) и число осей. Поэтому вместо того, чтобы загружать локомотив балластом, конструкторы устанавливали на него тяжелый и мощный дизель.

В [2, 3] описана схема маневрового локомотива с гибридной силовой установкой. На мощных маневровых тепловозах для передачи крутящего момента от вала дизеля к колесным парам преимущественно используется электрическая передача, т. е. крутящий момент от вала дизеля к колесным парам передается по цепочке: дизель – тяговый генератор – тяговый электродвигатель – колесная пара. Предлагается заменить мощную (около 1 МВт) дизель-генераторную установку маневрового тепловоза гибридной силовой установкой, состоящей из дизель-генератора мощностью от 75 до 150 кВт и тяговой аккумуляторной батареи большой емкости. Дизель-генератор в режиме тяги подключается к тяговым электродвигателям, а в ожидании работы – к тяговой аккумуляторной батарее для ее зарядки. При трогании и разгоне состава для получения большой пиковой мощности тяговые электродвигатели получают питание от дизель-генератора и тяговой аккумуляторной батареи, включенных параллельно. В результате того, что маломощный дизель работает практически в установившемся режиме, близком к номинальному, эта схема дает следующие преимущества:

• снижается средний эксплуатационный удельный расход дизельного топлива;

• снижается эмиссия вредных веществ в атмосферу;

• понижается уровень шума на станции;

• обеспечивается постоянная готовность локомотива принять нагрузку;

• аккумуляторная батарея имеет большую массу, достаточную для создания необходимого сцепного веса локомотива.

Для оценки экономической эффективности предлагаемого дизель-аккумуляторного локомотива мы ориентировались только на эффект, достигаемый от экономии дизельного топлива. Так, например, если для модернизации выбрать дизель-генератор АД-10 °C-Т400 на базе дизеля ЯМЗ-238 с удельным расходом топлива 230 г/кВт•ч, то экономия дизельного топлива составит от 20 до 50 % в зависимости от условий маневровой работы. Один маневровый тепловоз Белорусской железной дороги расходует в среднем около 95 т дизельного топлива в год. Стоимость этого топлива составляет примерно 100 тыс. долл. Таким образом, экономический эффект на один тепловоз может составить от 20 до 50 тыс. долл. ежегодно. Стоимость же модернизации тепловоза гибридной силовой установкой по предварительной оценке составит около 100 тыс. долл., т. е. срок ее окупаемости – от 2 до 5 лет.

Кроме того, если в качестве базовых вариантов рассмотреть приобретение нового маневрового тепловоза или модернизацию тепловоза серии ЧМЭ3 дизелем типа Д49 мощностью около 1 МВт, то модернизация тепловоза дизель-аккумуляторной силовой установкой может оказаться еще более экономически целесообразной. При этом предлагаемый гибридный маневровый тепловоз имеет прямое влияние на снижение негативного воздействия на окружающую среду в районе железнодорожных станций, вблизи которых обычно расположены населенные пункты.

Все приведенные аргументы указывают на целесообразность проведения исследований и разработки проекта модернизации, в ходе которых будут получены обоснованные ответы на ряд вопросов. Будет определено, в частности, при каких условиях маневровой работы экономически целесообразно применение дизель-аккумуляторного тепловоза, и выбрана серия тепловоза, которую следует модернизировать. Будет получен также ответ на вопрос, какими должны быть мощность дизель-генератора, тип и емкость аккумуляторной батареи. Определится компоновка основного и вспомогательного оборудования дизель-аккумуляторного тепловоза, а также схема силовой цепи и принципы совместного управления аккумуляторной батареей и дизель-генератором на различных режимах.

 

Вячеслав ОВЧИННИКОВ, профессор Белорусского государственного университета транспорта, руководитель Центра экологической безопасности и энергосбережения,
Виктор СКРЕЖЕНДЕВСКИЙ, кандидат технических наук, доцент Белорусского государственного университета транспорта

 

Литература

1. Груздев А. И. Состояние и перспективы развития производства высокотехнологичных автономных источников энергии в России // Электрохимическая энергетика. – 2006. – т. 6. – № 1. – С. 3–29.

2. Прототип гибридного (дизель-аккумуляторного) четырехосного маневрового тепловоза // Локомотив. – 2006. – № 11. – 43 с.

3. How it Works [Электронный ресурс] / RailPower Technologies Corp. – http://www.railpower.com/products_gg_howitworks.html.

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком