Регулирование теплового состояния судовой энергетической установки в режиме горячего отстоя транспортного средства

В последние годы наблюдаются позитивные сдвиги в состоянии экономики России (РФ). Наметился рост выпускаемой продукции, что нашло свое отражение также и в оживлении деятельности транспорта.

Наиболее значительным явлением следует признать поставленную перед транспортом страны задачу развития мультимодельных (сквозных) автоводно-железнодорожных перевозок.

Транспорт при этом рассматривается как единая система, объединенная общей задачей комплексного решения повышения экономичности перевозок грузов и пассажиров.

Технический и организационный прогресс в одном виде транспорта тогда служит вкладом в повышение показателей работы всей транспортной системы.

Особое значение приобретают мероприятия этого прогресса, которые являются общими для всех видов транспорта.

Одно из проявлений такой общности отражает задача технической 'эксплуатации подвижного состава в холодное время года. Важнейшей технологической операцией при этом становится обогрев энергоустановки транспортного средства в режиме горячего отстоя. Этот режим характерен и неизбежен для всех видов транспорта.

На речном транспорте наметившийся рост грузооборота возрождает забытую в последние годы проблему продления навигации.

Ледокольный флот, караваны транспортных судов, плавучие краны и технические суда по технологическим причинам, исполнению графика движения, условиям работы во льдах вынуждены значительную часть валового времени рейса пребывать в режиме горячего отстоя в период продления навигации.

Тепловозы железнодорожного транспорта согласно организации их работы в большом количестве ежесуточно выводятся в 12-ти часовой горячий отстой.

Работа автотранспорта также сопряжена с необходимостью поддерживать дизель энергоустановки и его системы в режиме горячего отстоя, причем не только в ночное, но и нередко в дневное время суток.

Способы обогрева энергоустановок подвижных средств различных видов транспорта зачастую оказываются одинаковыми. Наиболее типичным, распространенным, наименее экономным и, несмотря на это, общим для всех видов транспорта является обогрев энергоустановок путем работы дизеля на холостом ходу.

Суда у причалов, на рейдах, тепловозы в депо, автомобили в парках, на стоянках, нередко под окнами домов сжигают с большим избытком топливо, загрязняют атмосферу выхлопными газами.

Снижение расходов энергии на единицу транспортной продукции сейчас является одной из главных государственных задач. На речном, автомобильном и железнодорожном транспорте сосредоточены огромные резервы реализации элементов энергосберегающей технологии.

Таким образом, производственная проблема смыкается с энергетической проблемой рационального, исключающего избыточный расход использования энергии на обогрев энергоустановки транспортного средства. Тема диссертации по своей цели приобретает расширенное значение, становится частью общегосударственной проблемы энергосберегающей технологии производственных процессов. Без успешного решения этой задачи невозможно решить и задачу роста промышленной сельскохозяйственной и транспортной продукции. Об этом совершенно определенно заявляют руководители энергетической отрасли страны.

Энергетические проблемы, возникающие при первых же положительных подвижках в экономике, были вполне прогнозируемыми.

За последнее десятилетие прошлого века добыча нефти и газового конденсата сократилась более чем в два раза по сравнению с концом 80~ годов прошлого столетия. Ошибки в результате геологоразведочных работ, спонтанное бурение скважин в Западной Сибири привели к прекращению фонтанирования нефти, увеличилась себестоимость ее добычи и, конечно же, уменьшился объем.

Шахты становятся все более дотируемыми. На каждую новую закрываются две старые. В атомной энергетике наблюдается застой, впрочем, как и в гидроэнергетике.

По мере становления экономики страны все большее значение будет приобретать экономное и бережливое расходование энергии. Это один из главных и пока наиболее доступных путей решения энергетической проблемы не только в государственном, но и в мировом масштабе.

Отечественные и зарубежные ученые-энергетики указывают на существование этой проблемы. Иные доказывают, что эта проблема не исключена и в форме энергетического голода. Тогда целесообразно работу над диссертацией предварить высказыванием индийского ученого Гоми Баба, сделанного еще в 1964 году: «Никакой вид энергии не обходится так дорого, как ее недостаток» [123].

Применительно к реальным потребностям промышленности, сельского хозяйства и транспорта недостаток энергетических ресурсов может стать главным препятствием развития экономики страны.

В экономических программах РФ заложено, что 20% энергопотребления должны покрываться мероприятиями энергосберегающей технологии. Невыполнение этого автоматически приводит к подрыву экономических и социальных программ.

Транспорт страны играет важнейшую роль в обеспечении функционирования промышленности, обеспечивая взаимную поставку продукции.

С ростом экономики увеличивается объем транспортной продукцииперевозок грузов, но возрастает и потребление энергоресурсов.

Снижение расходов энергии на единицу транспортной продукции сейчас является одной из главных государственных задач.

Наиболее оптимистические прогнозы в отечественной энергетике могут быть связаны с рационализацией использования ресурсов. На речном, автомобильном и железнодорожном транспорте имеются огромные резервы реализации элементов энергосберегающей технологии.

Автор диссертации сосредоточил свои усилия на проведение исследований в этом направлении на энергоустановках транспортных средств, главным образом судов и тепловозов.

Электрификация железных дорог нашей страны не исключила широчайшего применения тепловозной тяги. Используется огромный парк маневровых и магистральных тепловозов.

Организация работы этого вида транспорта сопряжена с периодическим выводом их в режим горячего отстоя. При отрицательных температурах воздуха поддержание положительной температуры воды в системе охлаждения дизеля достигается его работой на холостом ходу. Расходуется огромное количество дорогостоящего и становящегося все более дефицитным дизельного топлива.

Так, например, лишь в депо Горьковской железной дороги ежесуточно по 12 часов в холодное время года на холостом ходу работает до 70 тепловозов серии ЧМЭЗ. Расчетный период такого отстоя длится 150 дней. За это время сжигается непроизводительно 1300 тыс. тонн дизельного топлива.

Подобные примеры можно привести и в деятельности речного транспорта. Отсюда вытекает острая актуальность работ, направленных на сокращение затрат энергии на обогрев энергоустановки транспортного средства в холодное время.

Это подтверждается творческой активностью научных организаций и инженерно-технических работников авто и ж.д. транспорта. Куйбышевский институт инженеров ж.д. транспорта, с целью повышения экономичности обогрева энергоустановки тепловоза, разработал «Устройство для управления прогревом тепловоза» [1].

Специалистами Научно-исследовательского института тепловозов и путевых машин с участием старшего научного сотрудника О. М. Котова разработана многофункциональная система управления и безопасности «Локомотив». Одной из функций системы является «автопрогрев», по принципу «пуск-остановка» дизеля [51].

Инженер локомотивного отдела Белгородского отделения Ю.В.Ж.Д. В. П. Мерцалов разработал и внедрил «Универсальную систему прогрева тепловозов» [62] с учетом допустимого времени охлаждения по воде, маслу и дизельному топливу, расходу топлива согласования параметров процесса прогрева.

На судах и тепловозах возможен способ обогрева дизеля энергоустановки путем прокачки воды от стороннего источника теплаводогрейного котла. На ряде серий тепловозов и судах речного флота обогрев дизеля осуществляется путем отбора тепла от встроенных в систему электронагревателей [70]. Пермский политехнический институт провел натурные исследования режима принудительного холостого хода тепловозного дизеля с целью его обогрева.

Столь широкое разнообразие способов обогрева энергоустановок транспортных средств одновременно сочетается с отсутствием теоретических рекомендаций по выбору наиболее эффективного решения поставленной задачи обоснования экономичной системы. В этом состоит главный, общий недостаток всех способов обогрева энергоустановок транспортных средств.

Это относится также и к выбору эффективного решения задачи снижения пускового тока в системе электростартерного пуска судовых и тепловозных дизелей.

Широкое разнообразие способов снижения этого тока, также не имеет достаточно убедительного основания для выбора оптимального решения.

Целью диссертации является разработка экономичного способа и системы регулирования теплового состояния судовой энергоустановки в режиме горячего отстоя транспортного средства, а также мероприятий по улучшению показателей системы электростартерного пуска дизеля, обеспечивающей работу системы обогрева.

Для достижения поставленной цели надлежит решить следующие задачи диссертации:

— исследование энергетических показателей существующих способов и систем обогрева энергоустановок транспортных средств (ТС).

— разработка концепции энергосберегающей технологии обогрева энергоустановки транспортного средства в режимах горячего отстоя ТС.

— разработка динамических моделей элементов системы обогрева энергоустановки ТС.

— разработка компьютерной программы определения тепловых параметров регулируемого объекта системы обогрева энергоустановки транспортного средства.

— исследование существующих способов снижения пускового тока в системе электростартерного пуска дизеля ТС.

— разработка автоматического регулятора электростартерного пуска дизеля ТС, обеспечивающего существенное снижение пускового тока.

— моделирование и натурные испытания системы регулирования теплового состояния энергоустановки транспортного средства.

Таким образом, цель и задачи диссертации подчинены повышению экономичности энергоустановок, рациональному использованию топлива и отражают главное требование интенсификации работы транспорта, т. е. увеличение его конечного продукта (грузооборота) при уменьшении промежуточного (топлива).

Выводы к четвертой главе.

1. Проблема экономичного расхода энергии на обогрев энергоустановок транспортных средств носит всеобщий характер для всех видов транспорта.

2. Разработанная в диссертации компьютерная программа идентификации тепловых параметров ВС транспортного средства (ident3) обеспечивает сходимость расчетных и натурных значений температуры и натурных значений температуры воды с погрешностью не более 1%.

3. Тепловой коэффициент полезного действия автономной САР обогрева энергоустановки тепловоза составляет 47,8%.

4. Разработанная в диссертации компьютерная модель САР обогрева энергоустановки транспортного средства обеспечивает почти 100% сходимости результатов моделирования с натурными исследованиями, выполненными на тепловозе ЧМЭЗ.

5. Разработанная САР обеспечивает адаптацию ее к условиям изменения температуры наружного воздуха. При t = -fC часовой расход топлива на обогрев составляет, 21 кг! час, при / = -12°С-«2,85 кг/час, ^ =-21°С—>3,4 кг! час.

6. Разработанная компьютерная модель САР обогрева энергоустановки ТС применима для исследования САР, основанных на других принципах действия.

7. Экспериментальными исследованиями широтно-импульсного регулятора возбуждения стартерного двигателя установлено, что пик пускового тока снижен в 1,5 раза, время пуска дизеля уменьшилось в 1,3 раза, а расход энергии на один пуск в 2,2 раза. На разработанный широтно-импульсный регулятор возбуждения стартерного двигателя выдан патент на полезную модель № 2 005 123 632/22(26 613) от. 10.10.2005 г.

8. По технико-экономическим параметрам применение САР обогрева энергоустановки с регулятором возбуждения стартерного двигателя позволяет обеспечивать оптимальный расход топлива на обогрев в зависимости от температуры наружного воздуха. Экономия дизельного топлива составляет не менее 12 тонн в год на одном транспортном средстве, что при цене 17 тыс. руб. за тонну обеспечивает экономию средств порядка 200 тыс. рублей.

Заключение

.

Проведенные исследования, натурные испытания и опытное внедрение в производство результатов диссертационной работы позволяют сформулировать следующие основные выводы и рекомендации: 1. В производственной практике обогрев водяной системы (ВС) судов и тепловозов осуществляется по автономному варианту когда источником тепла служит дизель работающий на холостом ходу, а также по варианту с подачей энергии от стороннего источника — электросети баз технического обслуживания флота (БТОФ), ремонтно-эксплуатационных баз (РЭБ), железнодорожных депо или водогрейного устройства по переносным шлангам.

2. В энергетическом отношении автономный вариант существенно превосходит все способы обогрева водяной системы, предусматривающие подачу энергии от стороннего источника.

3. Наиболее эффективным и экономичным способом обогрева ВС по автономному варианту является повторно-кратковременный режим работы дизеля путем периодического чередования его работы и паузы (циклический режим). Часовой расход топлива уменьшается в этом случае с 10,2кг/ч до 3,4кг/ч при t0KP=-21 °С и до 1,27кг/ч при t0KP=-1 °С, что является оптимальным для обогрева ВС. В этом режиме система пуска дизеля обязательно оснащается автоматически действующей предпусковой прокачкой масла.

4. Использование повторно-кратковременного режима работы дизеля влечет за собой повышение интенсивности расхода ресурса аккумуляторных батарей. В производственной практике не получили развития предложения по автоматизации этого способа обогрева ВС именно по этой причине.

5. Работы по снижению пускового тока батарей, направленные на экономию их ресурса достигли некоторого результата. Однако, ни параллельное включение батарей, ни применение импульсных конденсаторов сверхвысокой емкости нельзя признать перспективными, поскольку при этом в той же мере возрастает пусковой ток стартерного электродвигателя.

6. При пуске магнитодвижущая сила стартер-генератора равна 2132,8 А-витка, а в установившемся режиме она достигает 7680 Авитков, что приводит к выводу, что за счет снижение пускового тока возможно за счет более полного использования магнитной цепи стартер-генератора.

7. Исследования водяной системы энергоустановки транспортного средства, как объекта автоматического регулирования, установили его уникальные свойства, которые не учитываются в теории нагревания и охлаждения машин. Разработанная модель ВС учитывает непрерывное изменение температуры окружающей среды в процессе нагревания и охлаждения. Для определения параметров, учитывающих изменение температуры окружающей среды, была разработана методика и специализированное программное обеспечение (СПО) рег.№ 2 005 610 464.

8. Исследования тягового генератора в режиме стартерного двигателя и рассматриваемого как усилительный элемент САР своим результатом имеют разработку предложения по реальному снижению пускового тока батареи и двигателя в процессе работы САР обогрева энергоустановки более чем в три раза (с 1800А до 575 А). На разработанный широтно-импульсный регулятор возбуждения стартерного двигателя выдан патент на полезную модель № 2 005 123 632/22(26 613) от 10.10.2005 г. Модернизированная таким образом система электростартерного пуска устраняет препятствие на пути серийного внедрения системы автоматического регулирования теплового состояния ВС по автономному варианту при повторно-кратковременном режиме работы дизеля.

9. Моделирование предложенной в диссертации САР позволило выработать требования по нужному соотношению установочных параметровкоридору регулирования температуры в основном элементе САР, верхнем ее пределе, соотношению времени работы дизеля и паузы. Результаты моделирования практически на 100% совпадают с натурными исследованиями, проведенными на тепловозе ЧМЭЗ.

10. Опытное внедрение результатов диссертации в производственную деятельность локомотивных депо по данным теплотехнической группы депо Горький-Сортировочный приводит к сокращению годового расхода топлива на 12+15 тонн при обогреве одной единицы, аналогичная экономия топлива может быть достигнута и при внедрении САР на судах.