Экономичность и экологическая безопасность тепловозов при добавке пропана к дизельному топливу

Железнодорожный транспорт России, выполняя технологические функции перемещения большого объема грузов на значительные расстояния, является энергоемкой сферой промышленного производства. В тоже время развитие и нормальное функционирование экономики нашей страны невозможно без железнодорожного транспорта, основной задачей которого является удовлетворение народного хозяйства и населения в перевозках, повышение эффективности работы транспортной системы.

Осуществляя основные для государства объемы перевозок, железнодорожный транспорт России, естественно, является одним из крупных и стабильных транспортных потребителей энергоресурсов, ежегодно расходуя 5−6% вырабатываемой в стране электроэнергии и до 6% дизельного топлива, или в натуральных показателях: свыше 40 млрд. кВт-ч электроэнергии, 3 млн. т дизельного топлива, 4,5 млн. т угля, до 1 млн. т мазута, почти 1 млн. м сжатого газа и 170 тыс. тонн бензина [35,71,115].

Превалирующим энергоносителем для тяги и эксплуатационных нужд в энергобалансе отрасли является электроэнергия (более 50%), дизельное топливо составляет — 18%, уголь и мазут — 20% (соответственно — 14,6 и 5,3%).

Затраты на приобретение топливно-энергетических ресурсов составляют в целом по сети ~ 11,2% от общесетевых эксплуатационных расходов или около 60,0 млрд руб., из них непосредственно на тягу поездов расходуется -72,2% и 27,8% на нетяговые нужды.

На осуществление тяги поездов тепловозами расходуется примерно 3 млн. т дизельного топлива в год.

Снабжение тепловозов дизельным топливом осуществляется с все возрастающим напряжением в связи с постоянно увеличивающимся его дефицитом и ростом стоимости. Так, цена дизельного топлива для тепловозов с конца 2000 г. возросла с 5 тыс. до 18−20 тыс. руб. за тонну на данный момент. В связи с этим возникает необходимость в обеспечении устойчивого снабжения тепловозов моторным топливом в настоящее время и в перспективе, а также в снижении расходов на его приобретение [21,22,107].

Необходимое условие существенных сдвигов в области экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) — это применение более дешевого и менее дефицитного альтернативного топлива на тепловозах в качестве моторного топлива.

Это мероприятие преследует несколько целей: экономию средств на приобретение топлива, поскольку цена эквивалентного количества газа значительно до (50%) ниже, чем дизельного топливаснижение вредных выбросов в атмосферу с выпускными газами дизелей, так как при работе на природном газе их токсичность значительно ниже, чем при работе на дизельном топливе, а дымность (сажа) меньше на порядокобеспечение устойчивого топливоснабжения тепловозов в перспективе с учетом динамики изменения добычи нефти и газа, их сравнительных запасов и прогнозов истощения месторождений.

Эту и другие задачи призвана решать отраслевая Программа ресурсосбережения. В период экономических реформ разработанные федеральные и отраслевые целевые программы развития всех видов транспорта, реализация которых должна была обеспечить эффективное удовлетворение потребностей экономики и населения в перевозках грузов и пассажиров в рыночных условиях, на практике в должной мере не улучшили ситуацию, а напротив, перевод транспортной отрасли на коммерческую основу и сокращение выделяемых ей государственных инвестиций, существенно обострили проблемы развития отрасли [81].

В декабре 2001 г. постановлением № 848 Правительство РФ утвердило Федеральную целевую программу «Модернизация транспортной системы России (2001;2010гг.)». Одна из подпрограмм этой программы -«Железнодорожный транспорт». Данная подпрограмма содержит ряд проектов — отраслевых программ по развитию конкретных хозяйств железнодорожного транспорта. В их числе программа «Реорганизация и развитие отечественного локомотивои вагоностроения, организация ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава на период 2001;2010гг.», включающая: реорганизацию системы эксплуатации и ремонта подвижного состава и др. [84].

Проблема энергосбережения приобрела в настоящее время стратегическое значение. Это подтверждается принятым в последние годы Правительством РФ рядом постановлений, в том числе от 17 ноября 2001 г. № 796, которым утверждена федеральная программа «Энергоэффективная экономика на 2002;2005годы и на перспективу до 2010 года». Цель программыснижение энергоемкости всех отраслей экономики.

Для железнодорожного транспорта снижение энергоемкости перевозок — один из главных факторов конкуренции на рынке транспортных услуг. С учетом этого, а также в соответствии с «Основными положениями энергетической стратегии России на период до 2020 г.» указанием МПС России от 26, ноября 2002 г. № 187у предусмотрена разработка энергетической стратегии железнодорожного транспорта, ориентированная на всесторонне ресурсосбережение.

Анализ технических средств и технологий железнодорожной энергетики, к которым относятся все устройства, потребляющие или генерирующие энергию в технологических процессах работы железнодорожного транспорта, показал, что их исходное состояние в большинстве своем в настоящее время характеризуется высокой степенью физического и морального износа, высокой энергоемкостью и малой энергоэффективностью. Пассажирские и грузовые локомотивы, эксплуатируемые на сети железных дорог России, построены по техническим требованиям 1960;70-х годов. Значительная часть инвентарного парка локомотивов полностью выработала свой ресурс и требует обновления. Так, в целом по сети на 1 января 2003 г. выработали установленный срок службы 37% грузовых тепловозов, 17% пассажирских тепловозов. Применение морально устаревших энергоустановок первого и второго поколения с низкими конструктивными и эксплуатационными КПД влечет за собой не только повышение расхода энергии в рабочих режимах, но и дополнительное повышение энергозатрат на эксплуатацию и ремонт технических средств. В связи с недостаточностью мощностей предприятий по выпуску новых локомотивов предусматривается модернизация существующего подвижного состава с продлением его срока службы до 40−45 лет. Всего в 2004;2010гг. планируется модернизировать 4,5 тыс. секций магистральных и маневровых тепловозов [56,80].

Многие мероприятия в разной мере уже находят применение на сети дорог в рамках реализации ежегодных программ энергосбережения, одно из таких мероприятий является создание газотепловозов.

Работы по созданию газотепловозов были начаты в конце 80-х годов. На Луганском тепловозостроительном заводе были построены три опытных газодизельных тепловоза: два 2ТЭ10Г и один 2ТЭ116Г. Каждый газотепловоз состоит из двух тяговых секций и одного тендера с двумя криогенными емкостями для размещения сжиженного природного газа. На тепловозах 2ТЭ10Г в качестве силового агрегата применен двухтактный газодизель типа 1 ОД 100 постройки Харьковского завода, на тепловозе 2ТЭ116Гчетырехтактный дизель типа Д49 постройки Коломенского завода. Испытания этих газотепловозов показали необходимость доводки газодизелей обеих серий. Выявлен ряд недостатков в конструкции криогенного тендера. В последующие годы газотепловозы 2ТЭ10Г оказались в собственности Украины, и их доводка не производилась. Работы по газодизелю 1ГДГ тепловоза 2ТЭ116Г велись при ограниченном финансировании, однако позволили найти технические решения, обеспечивающие модернизированную доводку. В настоящее время во ВНИИЖТе ведутся испытания газодизеля. При выделении необходимых средств создание опытного газотепловоза может быть завершено в кратчайшие сроки [104,105].

В 2003 г. по указанию Министерства путей сообщения был разработан проект комплексной программы, включающий мероприятия по переоборудованию тепловозов для работы на сжатом и сжиженном газе, газоснабжению и развитию деповского хозяйства.

На основании анализа полигонов тепловозной тяги, парка тепловозов и расположения сети газопроводов выбраны участки на 12 железных дорогах, определены 73 депо с эксплуатационным парком 1504 магистральных тепловозов (типа 2ТЭ116, 2ТЭ10) и 2089 маневровых тепловозов (серий ЧМЭЗ, ТЭМ2), которые с учетом имеющихся технических решений могут быть переведены на газомоторное топливо.

Помимо научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ и переоборудования тепловозов, предусматривается реконструкция локомотивных депо и строительство газонаполнительных компрессорных станций. Для эксплуатации магистральных и маневровых тепловозов должно быть оборудовано 38 локомотивных депо и 29 депо только для обслуживания маневровых газотепловозов [103,107].

В соответствии с Совместным протоколом ОАО 1 «РЖД» и Администрации Свердловской области от 3 марта 2004 г. разработана программа опытной эксплуатации тепловозов Свердловской железной дороги на КПГ (компримированном природном газе) и СПГ (сжиженном природном газе). От ОАО «Газпром» в программе принимает участие ООО «Уралтрансгаз». Программа предусматривает газификацию тепловозов ЧМЭ-3, ТЭМ-2, ТЭМ-7, 2ТЭ-116. в частности будет осуществлен перевод двух тепловозов ЧМЭ-3 на КПГ, а также тепловозов ТЭМ2, 2ТЭ-16 и ТЭМ7 на СПГ (по две единицы) [84].

Программа организации на полигоне Свердловской железной дороги опытной эксплуатации тепловоза на сжиженном и сжатом природном газе" была принята в октябре 2004 года. В рамках программы задействовано свыше 18 российских машиностроительных компаний. Отраслевых научно-исследовательских институтов, опытно-конструкторских бюро.

Программа создания и освоения производства новых локомотивов в 2004;2010 гг." ОАО «Российские железные дороги РЖД» предусматривает разработку и серийное производство новых серий локомотивов, работающих с использованием газа ТЭМ-18Г, ТГЭ-40, ТГЭМ-10, строительство комплекса сжижения природного газа на газораспределительной станции в городе Верхняя Салда, создание кустовой базы хранения (резервирования) СПГ «Медведево» на основе хранилища жидкого водорода криогенной испытательной базы НИИ машиностроения, города Нижняя Салда, строительство пунктов заправки газотепловозов в депо Свердловск — сортировочный и депо Егоршино, приобретение средств заправки СПГ [115].

В результате выполнения программы также будет создана база для обучения и ознакомления широкого круга специалистов с технологией работы газотепловозов в условиях эксплуатации.

Проведенная предварительная технико-экономическая оценка окупаемости проекта газификации тепловозов показала, что затраты ОАО «РЖД» по переоборудованию локомотивов и приспособлению деповского хозяйства окупятся для магистральных газотепловозов через 7 лет. Для маневровых тепловозов через 5−9 лет. На отдельных участках железных дорог срок окупаемости может быть существенно меньшим.

Стоимость работ по внедрению маневровых и магистральных газотепловозов на сети ОАО «РЖД» составляет 26 684,2 млн руб. [107].

Всё это предполагает проведение всесторонних научных исследований, направленных на повышение экономичности и эффективности работы газотепловозов в эксплуатации.

Двухлетняя опытная эксплуатация маневрового газотепловоза ТЭМ18Г, работающего на компримированном природном газе, показала не только его работоспособность, но и надежность, безопасность, а также высокую экономичность и экологичность.

Запуск, работа на холостом ходу и первых трех позициях данного тепловоза осуществляется на дизельном топливе, а, начиная с 4-й позиции контроллера, двигатель тепловоза переходит в газодизельный режим. Запас газа хранится в стандартных баллонах, расположенных под рамой тепловоза на месте топливного бака и обеспечивает работу тепловоза в зависимости от рода выполняемой работы в течение 2,5 — 3 суток. Дизельное топливо в количестве 3,2 т размещается в 4-х топливных баках, крепящихся к раме тепловоза.

Учитывая, что в парке дорог имеется большое количество маневровых тепловозов ЧМЭЗ, на Брянском машиностроительном заводе опытно переоборудуют локомотив этой серии для работы на природном газе. Затраты на модернизацию почти в 2 раза ниже стоимости нового газотепловоза.

Замещение дизельного топлива газом до 50% позволяет снизить затраты в эксплуатационных расходах на топливо до 25%. Токсичность выхлопных газов при этом уменьшается в 1,5 — 2,2 раза, а дымность практически отсутствует, что крайне важно для работы маневровых локомотивов в местах компактного проживания людей.

Потенциальные возможности перевода тепловозов на природный газ оцениваются следующим образомв 12 отделениях железных дорог, прилегающих к газопроводам, на КПГ/СПГ могут работать 1,5 тыс. магистральных и 2 тыс. маневровых тепловозовобщее годовое замещение дизельного топлива может составить около миллиона тоннрасход природного газа оценивается в 1,2 млрд. м в год.

Таким образом, газификация тепловозов позволяет обеспечить их устойчивое снабжение моторным топливом при значительной экономии средств на его приобретение, а также улучшает экологическую обстановку в районах эксплуатации газотепловозов [16,56,103,104, ].

Программа освоения и производства новых локомотивов в 2004 — 2010 гг." ОАО «Российские железные дороги», а также «Белая книга» ОАО «Российские железные дроги» стратегические направления научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 г. предусматривают разработку и серийное производство новых серий локомотивов, работающих с использованием природного газа табл. 1. 1 [1,115].

Таблица 1. 1.

Программа локомотивостроения.

Типы газовых локомотивов ГОДЫ.

2005 2006 2007 2008 2009 2010 всего.

Маневровый тепловоз ТЭМ18Г наКПГ 2 3 10 13 11 7 46.

Магистральный газотурбовоз ТГЭ40 на СПГ Маневровый газотурбовоз ТГЭМ-10 наКПГ — - 1 — 2 4 7.

— 1 — 2 4 8 15.

Проведенные научные исследования в области применения альтернативных видов топлива на тепловозных дизелях в эксплуатации позволили повысить их топливную экономичность. Однако достигнутого уровня недостаточно для достижения высоких показателей по экономичности и экологичности дизеля, а также эксплуатационных характеристик. Поэтому исследование путей повышения топливной экономичности тепловозных дизелей за счет использования альтернативных видов топлива является актуальной задачей.

Диссертационная работа подготовлена по результатам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проведенных на кафедре «Локомотивы» Самарского государственного университета путей сообщения при непосредственном участии автора в период с 2005 по 2008 годы. Исследования проводились в соответствии с постановлением Правительства РФ № 796 от 17.11.2001 г., которым утверждена федеральная программа.

Энергоэффективная экономика на 2002;2005годы и на перспективу до 2010 года" и указаниями МПС России № 187у от 26.11.2002 г. «Основные положения энергетической стратегии России на период до 2020 г.» в которой предусмотрена разработка энергетической стратегии железнодорожного транспорта, ориентированная на всестороннее ресурсосбережение.

Цель н задачи исследований.

Целью исследования является: Изучение влияния добавок пропана к дизельному топливу на экономичность и экологическую безопасность тепловозов. Для достижения цели были поставлены задачи:

1. Проанализировать различные способы применения пропана для дизелей в качестве добавки к дизельному топливу и выбрать наиболее оптимальный по затратам и эффективности.

2. Выявить особенности и механизмы горения дизельного топлива с добавкой пропана в дизелях тепловозов, усовершенствовать методику расчета количества продуктов сгорания тепловозных дизелей при работе на дизельном топливе с добавкой пропана.

3. Провести расчетно-экспериментальные исследования влияния добавок пропана на работу дизелей тепловоза ЧМЭЗ.

4. Разработать системы для использования пропана в качестве добавки к дизельному топливу на тепловозе и системы для контроля режимов работы локомотива с добавками пропана.

5. Рассчитать экономический эффект от использования пропана в качестве добавки к дизельному топливу тепловоза ЧМЭЗ.

Методы исследований.

При выполнении работы применялись экспериментальные методы, методы математического моделирования, методы математической статистики, методы планирования и обработки результатов натурного эксперимента, регрессионного анализа. При построении графических зависимостей в двух и трех координатных осях использовались пакеты программ Microsoft Excel, Statistica, MathCAD, Math lab и др.

Экспериментальный материал получен по результатам обследования и регистрации теплоэнергетических параметров на маневровых тепловозах ЧМЭЗ при добавке пропана в дизельное топливо (локомотивное депо Самара).

Научная новизна.

• Разработана химико-кинетическая модель процесса горения смеси дизельного топлива и пропана, отличающаяся возможностью анализировать процесс совместного горения дизельного топлива и пропана в широком диапазоне работы дизелей, на основании которой рассчитан качественный состав продуктов сгорания дизельного топлива с добавкой пропана в тепловозном дизеле ЧМЭЗ.

• Усовершенствована методика, учитывающая химико-кинетические особенности процесса горения дизельного топлива с добавкой пропана, которая позволяет прогнозировать экономичность и экологическую безопасность тепловозов при работе дизеля с добавкой пропана.

Практическая ценность.

Разработаны и защищены патентами РФ:

1. Устройство для регистрации режимов работы локомотива позволило проводить длительный эксплуатационный мониторинг режимов работы тепловозов и оценивать нагрузочные режимы при работе дизеля на дизельном топливе с добавкой пропана в условиях реальной эксплуатации.

2. Система подачи пропана в цилиндры дизеля тепловоза с применением двухтопливной форсунки позволила регулировать количество подаваемого газа в цилиндры дизеля и повысить воспламеняемость и полное сгорание топлива в цилиндрах дизеля.

3. Система подачи пропана в дизельное топливо на линии низкого давления дизеля позволила улучшить процесс воспламенения, устойчивость работы дизеля, повысить КПД и мощность.

Реализация результатов работы.

Основные теоретические положения, методы исследований, практические результаты, полученные в диссертационной работе, широко используются на Куйбышевской железной дороге — филиале ОАО «РЖД». Результаты работы реализованы в технологии текущего ремонта и технического обслуживания тепловозных дизелей в локомотивном депо Самара.

Апробация работы.

Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на XXXI самарской областной научной конференции (г. Самара, 2005 г., СамГАПС), на научно-практической конференции «Инновационные проекты, новые технологии и изобретения» (г. Москва, ВНИИЖТ 2005 г.), на второй международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (г.Самара, 2005 г., СамГАПС), на третей международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (г. Самара, 2006 г., СамГАПС), на международной научно-технической конференции «Перспективы и направления развития транспортной системы», (г. Самара, 2007 г., СамГУПС), на международном научно-техническом конгрессе по двигателестроению «Двигатели 2008» (г. Москва, 2008 г., АССАД), на пятой международной научно-практической конференции «TRANS-MECH-art-chem» (г. Москва, 2008 г., МИИТ) и др.

Публикации.

По теме диссертации опубликована 21 научная работа, статей — 16 из них 2 в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК, тезисов докладов на конференциях — 2, патентов на полезную модель — 3.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка и приложений. Материалы диссертации содержат страниц основного текста 121, рисунков 34, 6 таблиц и приложения на 24 страницах.

Список использованных источников

содержит 115 наименований. Общий объем работы 157 страниц.

выводы.

1. Разработано устройство для регистрации режимов работы локомотива позволяющее проводить длительный эксплуатационный мониторинг режимов работы тепловозов и оценивать нагрузочные режимы при работе дизеля на смеси дизельного топлива и пропана в условиях реальной эксплуатации.

2. Разработана система подачи пропана в цилиндры дизеля с применением двухтопливной форсунки позволяющая регулировать количество подаваемого пропана в цилиндры дизеля и повысить воспламеняемость и полное сгорание топлива в цилиндрах дизеля воспламеняемость.

3. Разработана система подачи пропана в дизельное топливо на линии низкого давления дизеля позволяющая улучшить процесс воспламенения, устойчивость работы дизеля, повысить КПД и мощность.

5. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОПАНА В КАЧЕСТВЕ ДОБАВКИ К ДИЗЕЛЬНОМУ ТОПЛИВУ ТЕПЛОВОЗА ЧМЭ 3.

Произведем расчет экономического эффекта от использования пропана в качестве добавки к дизельному топливу по технико-экологическим показателям и экономии топлива при эксплуатации тепловоза ЧМЭЗ. При использовании АС ENGINE в результате проведенных модельных расчетов были определены технико-экологические параметры дизеля K6S310DR Исходные данные к расчету: дизеля K6S310DR тепловоза ЧМЭЗ, с замещением 30% дизельного топлива пропаном:

— снижение расхода топлива на— 2,38%;