Выбор и обоснование параметров автоматизированной, адаптируемой к условиям эксплуатации системы учета и анализа расхода топлива маневровыми тепловозами

Снижение удельного расхода дизельного топлива — один из приоритетов энергетической стратегии ОАО «РЖД». Техническая политика и организационные меры по снижению расхода топлива направлены, в основном, на снижение потерь и повышение энергетической эффективности автономной тяги. В 2010 г. потребление топливно-энергетических ресурсов в ОАО «РЖД» составило около 22,4 млн. тонн в условном исчислении стоимостью 146,65 млрд руб. [38]. При этом на тягу поездов в целом по сети израсходовано около 16,5 млн. тонн условного топлива стоимостью 116,76 млрд руб., что составляет 73,7% от общего потребления. Потребление дизельного топлива железными дорогами составило 2,75 млн. тонн, при расходе на тягу поездов 2,48 млн. тонн, что составляет более 90%.

При рассмотрении данных [37,38] об удельном расходе дизельного топлива на маневровую работу (рис. 1) видно, что максимальное и минимальное значения этой величины по дорогам в 2008 г. отличались в 1,61 раза (минимум — 357 кг условного топлива (кгут) /100 локомотиво-км (лок-км), максимум — 575,2 кгут/100 лок-км), в 2009 г. — в 1,74 раза (минимум — 326,3 кгут / 100 лок-км, максимум — 566,8 кгут / 100 лок-км), а за 6 мес. 2010 г. — в 1,53 раза (минимум -322 кгут / 100 лок-км, максимум — 493,4 кгут / 100 лок-км). Средние значения удельных расходов по годам по всем дорогам составили соответственно 448,9, 421,8 и 416,1 кгут /100 лок-км. Снижение удельного расхода свидетельствует об эффективности проводимых ОАО «РЖД» мероприятий, связанных с экономией топлива по программе Ресурсосбережения, таких как системы прогрева дизелей тепловозов, системы регистрации параметров работы тепловозов и учёта дизельного топлива. Тем не менее, отличие более чем в 1,5 раза максимального и минимального значений удельного расхода по дорогам свидетельствует об имеющихся резервах экономии топлива. Отметим, что по данным Департамента безопасности за 6 месяцев 2009 г. в целом по сети железных дорог было выявлено или пресечено 152 попытки хищения (с участием работников железнодорожного транспорта) 90 тонн дизельного топлива на сумму 1,4 млн руб.

100 I 1 I У I 1 1.

ВСиб Горьк Двост Заб ЗСиб Крас Кбш Моек Окт Прив Сах Сверд Сев СКав ЮВост ЮУр 2008 365 419,9 467,4 402,4 357 389,7 465,4 444,6 495,7 575,2 446,8 445 463,4 479,1 489,6 476,4.

Н 2009 349,1 380,4 452,6 391,7 326,3 369,2 432 412,1 455,1 566,8 431,2 427,6 431,9 427,9 449,7 445,3 бмес 2010 358 375,1 492,5 413,8 322 369,3 414,6 408 437,1 493,4 450 412,1 433 410,9 432,7 435,2.

Рис. 1. Удельный расход дизельного топлива на маневровую работу по железным дорогам ОАО «РЖД».

Действующая в локомотивных депо система учета расхода топлива маневровыми тепловозами имеет ряд недостатков, а принятая система нормирования на маневровую и хозяйственную работу в связи с недостаточной привязкой к фактически выполненной работе, а также отсутствием объективного измерителя, не исключает использование топлива не по назначению, в т. ч. за счёт необоснованно завышенных норм.

В настоящее время в локомотивных депо железных дорог расход топлива маневровым тепловозом за смену работы машинистом определяется визуально по топливомерам бака локомотива, по разности объёма топлива в начале и конце рабочей смены. Замеры выполняются с использованием проградуированных в литрах двух щупов, или линеек, установленных возле мерных стёкол топливомеров. Штатные топливомеры тепловозов одной из наиболее массовых серии — ЧМЭЗ имеют две неконтролируемые зоны по 250 л из-за перемычек между стёклами, что в ряде случаев затрудняет замеры по одному или обоим топливомерам. На большинстве тепловозов штатные топливомеры размещены по диагонали топливного бака, однако имеются конструкции баков (тепловозы ЧМЭЗТ), где уровнемеры расположены симметрично относительно продольной оси тепловоза, что вносит дополнительную погрешность при замерах. Часто в условиях эксплуатации (плохая видимость уровня, наличие мениска, ограниченный доступ к баку) замер топлива затруднен. Бывают случаи, когда линейка может не штатно вертикально перемещаться относительно топливомера, при этом возможно искажение результатов замера количества топлива машинистами.

Принятая в Инструкции о порядке и методах измерения при учётных операциях с нефтепродуктами [32] точность считывания показаний по топливомерной рейке при определении объёма топлива составляет 25 л. При этом заводская разметка линеек уровнемеров одной из наиболее массовых серий маневровых тепловозов ЧМЭЗ имеет цену деления шкалы — 250 л. Проводимая в отдельных локомотивных депо разметка промежуточных значений не всегда соответствует градуировочной характеристике бака. При изготовлении в локомотивных депо линеек или щупов, взамен поврежденных или вышедших из строя, разница в разметке делений на тепловозах одной серии может достигать 6 мм, что при переводе в объём составляет величину до 45 л.

Все перечисленное, а также встречающиеся грубые нарушения установленных правил, приводят к ещё большим ошибкам в замере объёмов топлива в баках.

Замеренные объёмы принятого в начале смены и сданного в конце смены топлива машинист вписывает в маршрут машиниста (ф. ТУ-3) и бортовой локомотивный журнал (ф. ТУ-152), на основании этих данных определяется объёмный расход. В связи с тем, что учет топлива должен производиться в единицах массы [32], не менее важным вопросом является определения массового расхода топлива. Для этого требуются данные о плотности топлива. Эта величина для дизельного топлива, применяемого на российских железных дорогах, изменяется в широких пределах [11,72], так как зависит от качества перерабатываемой нефти и технологии получения из нее топлива.

Машинист при определении массового расхода за смену использует значение плотности топлива, измеряемой на складе топлива работниками химической лаборатории два раза в сутки. При этом в период до следующей экипировки используется значение плотности по данным на дату последней экипировки. Межэкипировочный период в зависимости от местных условий эксплуатации тепловоза может составлять от 5 до 10 и более суток. При этом в связи с суточными колебаниями температуры, а также из-за влияния подогрева топлива, значение его плотности, принятое для расчётов, может отличаться от фактического в баке тепловоза, что приводит к дополнительной погрешности в определении массы израсходованного топлива.

Первичный учёт расхода топлива тепловозами выполняется в группе учёта локомотивного депо, осуществляющей перевод данных маршрутов машиниста в электронный вид для последующей их обработки в системе ЦОММ. То есть до перевода данных в электронный вид, как минимум дважды на учет топлива, влияет «человеческий фактор».

Отметим, что при наборе топлива во время экипировки тепловоза, регистрируемого по счетчикам типа ШЖУ, СВШ5 или ППО высокого класса точности, объём топлива может отличаться от замеров по штатным уровнемерам бака, что нередко является причиной конфликта между работниками складов и машинистами. Это отличие может быть связано также с возможной разностью температуры топлива, проходящего через счетчик, и температуры топлива в баке, получившейся при смешении поступившего топлива с топливом, оставшимся в баке.

Эффективный контроль за расходованием топлива невозможен без его нормирования. В настоящее время измерители, используемые при нормировании расхода топлива маневровыми тепловозами довольно разнообразные. Это расход топлива на 100 локомотиво-км, за 1 час маневровой работы, на 104 ткм брутто, за 1 час горячего простоя [33]. Известен подход, выполненный на основе специального исследования Е. М. Поздняковой, когда норма расхода топлива была связана с числом вагонов, перерабатываемых в единицу времени [46]. Выбор типа измерителя зависит от использования маневрового тепловоза на маневровой, горочной, хозяйственной, вывозной работе, с пригородными поездами, в одиночном следовании и др. Основными измерителями по утверждённой методике являются расход топлива на 100 лок-км и на 1 час работы [33]. Норма за смену определяется умножением измерителя на время работы локомотива. Время работы при существующей неравномерности загрузки по различным сменам и в течение смены не отражает фактических энергетических затрат на выполнение того или иного вида работы. Определение норм и их корректировка для разных видов работы носят во многом приближённый характер. Нормы устанавливаются на месяц, в течение которого из-за неравномерности грузопотока, наличия заявок от смежных организаций, объемы и характер выполняемой маневровой и хозяйственной работы могут существенно изменяться.

В связи с этим, вопросы достоверного контроля, учета, и анализа расхода топлива маневровыми тепловозами являются достаточно актуальными, и одним из решений проблемы учета топлива маневровыми тепловозами является его автоматизация.

Большой вклад в изучение вопросов контроля, учёта и анализа расхода топлива тепловозами на разных этапах развития систем внесли ученые кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» МИИТа профессор, д.т.н. Третьяков А. П., д.т.н. Балабин В. Н., доцент, к.т.н. Какоткин В. З., ВНИИЖТа профессор, д.т.н. Мугинштейн Л. А., профессор, д.т.н. Коссов Е. Е., к.т.н. Фофанов Г. А., к.т.н., доцент Молчанов А. И., к.т.н. Поварков И. Л., ПГУПСа профессор, д.т.н. Грищенко A.B., доцент, к.т.н. Грачев В. В., к.т.н. Базилевский Ф. Ю., ОАО «АВП-Технология» инж. Донской А. Л., инж. Назаров И. В., ОАО НИИТКД к.т.н. Головаш А. Н., к.т.н. Бочаров В. М., к.т.н. Кузнецов С. М., УО ВНИИИЖТ к.т.н. Назаров Л. С., к.т.н. Ежевская Л. А., кафедры ЭЖТ СамГАПС к.т.н. Гордеев И. П., РГОТУПСа к.т.н., доцент Ермаков А. Е., к.ф.-м.н., доцент Карелин Б. В., к.т.н. Ермакова О. П., РГУПСа к.т.н. Черников В. В и другие.

В связи с интенсивным развитием электроники, элементной базы, снижением стоимости на аппаратуру транспортного исполнения, в последние годы запущены в серийное производство системы РПРТ [26,27], БОРТ [14−16],.

АСК ВИС [23,24], которыми оснащаются маневровые тепловозы, эксплуатирующиеся в системе ОАО «РЖД».

Отметим, что наличие бортовой системы на тепловозе не обеспечивает полной автоматизации учета топлива и не исключает влияние «человеческого фактора». С учётом этого данные измерений на борту целесообразно не только визуализировать в кабине машиниста, но также зарегистрировать и передать для последующей автоматической расшифровки в стационарную систему обработки данных с последующим использованием их при анализе, нормировании и контроле за расходованием топлива, а также для разработки предложений по экономии топлива.

Обозначим основные положения, выносимые на защиту диссертационной работы.

Целью работы является обоснование и разработка автоматизированной системы учёта и анализа расхода топлива для обеспечения снижения удельного расхода топлива маневровыми тепловозами и исследование её работы и эффективности в эксплуатации.

Актуальность диссертационного исследования подтверждена технической политикой ОАО «РЖД» в плане активной разработки и, начиная с 2004 г. и по настоящее время, внедрения на эксплуатируемом парке маневровых тепловозов бортовых и стационарных систем учета топлива и выполняемой работы.

В соответствии с целью в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проанализированы известные системы и технические решения по контролю и учёту расхода топлива маневровыми тепловозами.

2. Определена структура комплексной информационно-аналитической системы — КИАС для измерения, учёта, анализа и контроля за расходованием дизельного топлива маневровыми тепловозами в эксплуатации и сформулированы требования к трём основным структурным составляющим КИАС: подсистеме измерения количества топлива в баке тепловоза — СИТ, бортовой подсистеме регистрации параметров топлива и работы тепловоза — БСР и стационарной подсистеме обработки данных — СПОД.

3. Оценены достаточные точность и периодичность измерения количества топлива в баке тепловоза.

4. Выбран метод измерения количества топлива в баке тепловоза, разработан блок датчиков топливомера и конструктивные решения по его установке на маневровом тепловозе.

5. Определён набор параметров работы тепловоза и его дизель-генераторной установки, замер которых обеспечивает количественное и качественное описание выполняемой маневровым тепловозом работы.

6. Разработана стационарная подсистема, устанавливаемая в депо и обеспечивающая в автоматизированном режиме считывание данных регистрации измеренного расхода топлива маневровыми тепловозами данного депо, анализ и контроль за потреблением топлива на основе разработанных алгоритмов и программного обеспечения.

Объектом исследования является комплексная информационно-аналитическая система учёта расхода топлива маневровыми тепловозами.

Предметами исследования являются основные составляющие комплексной информационно-аналитической системы (КИАС) учёта расхода топлива маневровыми тепловозами.

Методы исследования. Анализ известных технических решений проблемы автоматизации измерения расхода топлива маневровыми тепловозами выполнялся с использованием метода экспертных оценок с учётом современных требований и новых технических возможностей. Обработка и выбор основных параметров КИАС основывались на вариантном конструировании и изготовлении вариантов узлов системы и сравнении их показателей на лабораторном стенде и на маневровых тепловозах в эксплуатации. Количественные оценки, настройка и тестирование алгоритмов проведены с помощью современных методов автоматизации измерений и обработки данных. При обработке и анализе экспериментальных данных использовались методы теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы:

Определен комплекс необходимых контрольных параметров работы маневрового тепловоза и выбран способ расчета расхода топлива в эксплуатации на основе этих параметров;

Разработаны алгоритмы и соответствующее программное обеспечение стационарной подсистемы обработки данных регистрации параметров топлива и работы маневрового тепловоза, обеспечивающие автоматизированный учёт и контроль расхода топлива, а также выработку рекомендаций по его сокращению;

Показана значимость зависимости точности учёта расхода топлива тепловозами в эксплуатации от плотности топлива в баке тепловоза.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена расчётами, статистическим анализом и положительным опытом эксплуатации разработанной системы в 30 локомотивных депо ОАО «РЖД» и Белорусской ж.д.

Практическая ценность работы. Основные результаты, полученные в настоящей работе, реализованы во внедряемой с 2004 г. в системе ОАО «РЖД» автоматизированной системе учёта и контроля расхода топлива маневровыми тепловозами РПРТ. По состоянию на 2009 г. система РПРТ установлена и эксплуатируется более чем на 900 тепловозах ЧМЭЗ всех индексов в локомотивных депо Московской, Горьковской, Северной, Юго-Восточной, Северо-Кавказской и Белорусской железных дорог. Эксплуатация локомотивов, оборудованных такими системами, обеспечила реальную возможность экономии удельного расхода дизельного топлива благодаря эффективному контролю его расхода.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научно-технических советах отделения «Тяга поездов, экономия топливно-энергетических ресурсов и компьютерная оптимизация перевозочной деятельности железных дорог» ОАО ВНИИЖТ, на технических совещаниях в Управлении, планирования и нормирования материально-технических ресурсов ОАО «РЖД», ЗАО ОЦВ, «АВП-Технология» в период 2004;2011 гг.

Структура диссертационной работы.

В первой главе произведён критический анализ развития и совершенствования систем и технических средств учёта расхода топлива тепловозами.

Во второй главе сформулированы основные требования к автоматизированной системе учёта расхода топлива маневровыми тепловозами, а также требования к подсистемам контроля количества топлива в баке, «бортовой регистратор», стационарной обработки данных, произведён выбор минимального набора параметров, характеризующих объём работы маневрового тепловоза.

В третьей главе рассмотрены методы измерения количества топлива в резервуаре, приведены результаты испытаний на разработанном лабораторном стенде датчиков количества топлива, основанных на гидростатическом и ёмкостном принципах измерения, приведено описание лабораторного стенда, предложено изменение конструкции и результаты доработки испытанных датчиков с целью возможности их установки на топливный бак маневрового тепловоза, обоснован способ установки датчиков на бак, рабочая длина датчиков.

В четвёртой главе описана система сбора и обработки данных о расходе топлива тепловозом. Приведена блок-схема регистратора, особенности организации и общий алгоритм его работы, перечислены поступающие и регистрируемые параметры работы тепловоза, приведены алгоритмы работы стационарной подсистемы обработки данных регистрации, программная реализация стационарной подсистемы обработки данных.

В пятой главе приведены данные о работе системы в эксплуатации, о проверке чувствительности системы измерения количества топлива на тепловозе, регистрации данных при экипировке тепловоза, во время рабочей смены машиниста, рассмотрено влияние автоматического измерения плотности топлива в баке тепловоза на точность его учёта, приведены примеры регистрации расходов не по назначению, объём внедрения системы.

В шестой главе определён технический эффект применения системы. Приведены основные технико-экономические составляющие эффективности системы, методический подход к оценке фактической эффективности системы на маневровых тепловозов ЧМЭЗ по снижению расхода дизельного топлива на основе данных Московской и Горьковской железных дорог.

Заключение

.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Проанализированы существующие системы учёта расхода топлива и технические средства контроля количества топлива в баке маневрового тепловоза, установлена возможность их совершенствования и обоснована необходимость разработки автоматизированной системы учёта и анализа расхода топлива.

2. Определены общие технические требования к автоматизированной системе учета и анализа расхода топлива маневровыми тепловозами, а также требования к входящим в неё подсистемам измерения количества топлива в баке, бортовому регистратору, стационарной подсистеме обработки данных.

3. Выбран и обоснован набор параметров, характеризующий объём работы маневрового тепловоза. Данные параметры необходимы для определения расчётного расхода топлива, на основе которого осуществляется контроль расхода топлива маневровым тепловозом в каждой рабочей смене машиниста. Основой данного контроля является перерасход или экономия топлива.

4. Выбраны и обоснованы методы измерения количества топлива в баке тепловоза, на основе прототипа, применяемого в авиации, разработаны датчики для установки на бак тепловоза и технические решения по их установке.

5. Разработана блок-схема и алгоритмы работы бортового регистратора в составе Автоматизированной системы учёта расхода топлива тепловозом.

6. Разработаны алгоритмы организации работы стационарной подсистемы обработки данных, алгоритмы расшифровки данных регистрации и использования результатов расшифровки для анализа расхода топлива маневровыми тепловозами.

7. Установлена необходимость учёта влияния изменений плотности топлива в эксплуатации для повышения точности определения расхода топлива и разработаны технические решения для измерения плотности топлива на тепловозе.

8. Рассмотрены основные технико-экономические составляющие оценки эффективности бортовых систем учёта расхода топлива и предложен методический подход к оценке фактической эффективности систем РПРТ на тепловозах.