В настоящее время проблема энергосбережения и эффективного использования электроэнергии на электрифицированном железнодорожном транспорте приобрела особую актуальность. Так, согласно федеральной целевой программе «Энергоэффективная экономика» на 2002 — 2005 г. и на перспективу до 2010 г., утвержденной постановлением правительства Российской Федерации № 796 от 17 ноября 2001 г., одним из трех основных направлений снижения расхода топливно-энергетических ресурсов, определенных для железнодорожного транспорта, является электропотребление на тягу поездов.
Актуальность проблемы. Железнодорожный транспорт является одним из наиболее энергоемких потребителей, действующих на энергетическом рынке Российской Федерации. Так, в 2003 г. доля железнодорожного транспорта в структуре электропотребления по России составила 5,8%, в том числе электротяга — 4,8. В структуре электропотребления железнодорожного транспорта удельный вес электротяги — 83,5%, эксплуатационных нужд — 11,7, прочих потребителей — 4,8%. Всего же потребление электроэнергии железными дорогами России в 2003 году составило 40 891,3 млн кВт-ч, в том числе на тягу поездов -34 130,3, на железнодорожные узлы 6 761,0 млн кВт-ч.
Динамика общего потребления электрической энергии и в том числе тяги поездов в целом по сети железных дорог показывает (рисунок), что в течение последних пяти лет наблюдается устойчивая тенденция роста этих показателей работы системы тягового электроснабжения (СТЭ).
В соответствии с основными положениями «Энергетической стратегии России на период до 2020 г.», утвержденной правительством Российской Федерации № 1234-р от 28 августа 2003 г., прогнозируется дальнейший рост тарифов на энергоресурсы. С учетом того, что электротяга составляет существенную долю в общей структуре потребления железнодорожного транспорта, а объемы электроэнергии, расходуемой на тягу, постоянно растут, понятно, что вопрос рационального использования топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов остается актуальным.
45 000 млн кВтч 35 000 30 000 Д.
25 000 W.
20 000 15 000 10 000 5 000 0.
1999 2000 2001 2002 2003.
Годы->
Динамика общего потребления и потребления электрической энергии на тягу поездов.
Одним из наиболее действенных мероприятий в области ресурсосберегающих технологий, определенных программой «Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» для тяговой энергетики и направленных на снижение расхода электрической энергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций, является повышение эффективности использования электрической энергии рекуперируемой электроподвижным составом в систему тягового электроснабжения.
Вопросы надежности и рациональности режимов рекуперации изучались с самого начала применения данного вида торможения на полигоне железных дорог [2, 7, 37, 42, 48, 52, 57, 70, 92, 116, 125]. При загруженном графике движения поездов интервал между поездами исчисляется минутами и большая часть электроэнергии, рекуперируемой в контактную сеть при электрическом торможении, потребляют поезда, находящиеся в тяговом режиме, а меньшаяпередается на тяговые подстанции, оснащенные инверторными агрегатами или.
1- Общее потребление электрической энергии по сети железных дорог.
891,3 34 070,1 1 —- 37 531,0 35 923,1 * ^—— 34 130,3.
30 857,6 27 671,1 —" — ~ 31 055,3 29 548,9.
24 716,0 — Потребление электрической энергии на тягу поездов.
Т-1−1-г поглощающими сопротивлениями. Поэтому при загруженном графике движения поездов доля рекуперированной электрической энергии, которая используется неэффективно, является незначительной.
При снижении интенсивности движения поездов возрастает доля избыточной энергии рекуперации. Значительное увеличение и тенденция к дальнейшему росту стоимости электрической энергии придают в настоящее время вопросу разработки мероприятий по повышению эффективности использования рекуперированной энергии особую актуальность, о чем свидетельствует ее широкое обсуждение в специальных изданиях [30, 50, 83, 94, 109, 110, 121].
Чтобы создать условия для полной реализации токов рекуперации, вся ее энергия должна приниматься электровозами, инвертироваться во внешнюю систему электроснабжения или, в крайнем случае, рассеиваться в поглощающих устройствах. Оптимальным по критерию экономии электроэнергии является использование всей рекуперируемой энергии путем передачи ее электровозам, находящимся в режиме тяги.
Конечным показателем эффективности различных способов приема энергии рекуперации является потребление электроэнергии от системы, определяемое на шинах тяговых подстанций [116]. Еще более важным показателем, определяющим эффективность рекуперации в системе энергоснабжения, является реализация заданных токов рекуперации, т. е. обеспечение в любой момент времени возможности применения электрического торможения.
Количество рекуперируемой электрической энергии, а также условия ее потребления в общем случае являются функцией нескольких факторов, в том числе профиля пути, веса и количества поездов на каждом пути, неравномерности тонно-километровой работы в четном и нечетном направлениях участка. Кроме того, различие для каждой железной дороги числа погрузочно-разгрузочных станций и разветвленности сети магистральных, подъездных путей обусловливает различные для каждой железной дороги объемы рекуперируемой электрической энергии (таблица).
Расход электроэнергии на тягу поездов и объем рекуперированной электрической энергии по железным дорогам в 2003 г.
Дорога Расход ЭЭ на тягу поездов, млн кВт-ч Рекуперированная ЭЭ, млн кВт-ч Процент рекуперации.
Октябрьская 2 100,2.
Калининградская 6Д.
Московская 3 205,0 24,9 0,78.
Горьковская 2 657,7.
Северная 1 552,7 15,3 0,99.
Северо-Кавказская 1 460,6 9,6 0,66.
Юго-Восточная 2 060,2.
Приволжская 639,8.
Куйбышевская 2 429,0 178,5 7,35.
Свердловская 2 559,9 102,0 3,98.
Южно-Уральская 2 268,3 129,1 5,69.
Западно-Сибирская 3 726,4 95,6 2,57.
Красноярская 1 447,6 164,6 11,37.
Восточно-Сибирская 2 617,8 177,9 6,80.
Забайкальская 2 952,3.
Дальневосточная 1 780,7 8,2 0,46.
Наиболее полным и удобным показателем для оценки использования рекуперативного торможения является отношение энергии, возвращенной электровозом при рекуперации, к энергии, затраченной на тягу поездов этим же электровозом, выраженное в процентах (процент рекуперации).
Анализ результатов, представленных в таблице, показывает, что на дорогах, где применяется рекуперативное торможение, процент рекуперации изменяется в широких пределах, а на шести железных дорогах данный показатель составляет значительную долю от электрической энергии, расходуемой на тягу поездов.
Рекуперативное торможение является одним из важнейших источников экономии электроэнергии на электрифицированных участках железных дорог. Именно поэтому, расширение применения рекуперативного торможения и повышение его эффективности, является одним из основных направлений технических мероприятий по выполнению норм удельного расхода топливноэнергетических ресурсов, определенных Департаментом локомотивного хозяйства ОАО «Российские железные дороги».
Те процессы, которые происходят в системе электрической тяги при наличии на участке рекуперации электрической энергии, довольно сложны, а сопровождающие их явления весьма разнообразны, поэтому изучение вопроса эффективности использования рекуперируемой электрической энергии требует комплексного подхода, когда на основании натурного эксперимента и проведенного математического моделирования принимается решение об основных направлениях разработки мероприятий, направленных на повышение рациональности использования энергии рекуперации.
Изучение процессов, происходящих в системе электрической тяги с использованием теории моделирования получило широкое применение с самого начала электрификации железных дорог. В настоящее время из всех видов моделирования, возможных для применения при решении задач и анализе работы системы электрической тяги, особое распространение получило имитационное моделирование [58].
К настоящему моменту уже разработан ряд программных комплексов, имитирующих работу СТЭ. В большинстве имитационных моделей электрический расчет схемы СТЭ выполняется отдельно от тяговых расчетов для поездов находящихся на участке, что не позволяет контролировать уровень фактического напряжения на токоприемниках электровозов и учитывать влияние напряжения на ток, а также на время хода поезда по участку.
Основной особенностью работы СТЭ при рекуперации является значительно большая, чем в режиме тяги, зависимость условий работы устройств энергоснабжения от режима напряжения. Поэтому если в расчетах без рекуперации неучет действительного режима напряжения вызывает несущественные погрешности (и в большинстве случаев допустим), то при рекуперации электрической энергии достаточно достоверные расчеты могут быть выполнены только с учетом действительных уровней напряжения как на тяговых подстанциях, так и на токоприемниках всех электровозов.
Для правильно построенной модели характерным является то, что она выявляет лишь те закономерности, которые нужны исследователю, и не рассматривает свойства системы, не существенные для данного исследования. В существующих имитационных моделях СТЭ не ставится задача производить анализ токораспределения в тяговой сети при наличии на участке электроподвижного состава, находящегося в режиме рекуперации, а следовательно, задача анализа эффективности использования энергии, рекуперируемой в системе тягового электроснабжения, в них не предусматривается.
Цель диссертационной работы заключается в разработке научно-обоснованных технических решений на основе экспериментальных исследований и усовершенствованной математической модели для повышения эффективности использования электрической энергии, рекуперируемой в системе тягового электроснабжения постоянного тока.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи.
1. Проведен натурный эксперимент на действующем участке электрифицированной железной дороги по оценке эффективности использования энергии рекуперации.
2. Усовершенствована математическая модель СТЭ для создания возможности с достаточной степенью достоверности вести исследование эффективности использования рекуперируемой электрической энергии.
3. Разработаны алгоритм и программное обеспечение для расчета токораспределения рекуперируемой электроэнергии в системе тягового электроснабжения.
4. Проведен анализ составляющих технических потерь в системе тягового электроснабжения на действующем участке электрифицированной железной дороги при наличии рекуперации электрической энергии.
5. Выполнена оценка эффективности мероприятий по снижению расхода электрической энергии на тягу поездов посредством повышения рациональности использования энергии, рекуперируемой в системе тягового электроснабжения на действующем участке электрифицированной железной дороги.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи были решены с привлечением методов системного анализа, математического моделирования, теории линейных электрических цепей, классических приложений методов математической статистики, статистической проверки гипотез и теории вероятностей. В процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялись пакет прикладных программ STATISTICA for Windows Release 5.0 и электронные таблицы Microsoft Excel 2000. Разработка программных продуктов ф> производилась в среде программирования Microsoft Visual Basic 6.0.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем.
1. Предложена усовершенствованная математическая модель СТЭ, позволяющая производить электрический расчет схемы СТЭ с учетом фактического напряжения на токоприемниках электроподвижного состава (ЭПС), находящегося на участке, и адекватно имитировать процессы, происходящие в СТЭ.
2. Разработаны алгоритм и программное обеспечение для исследования токораспределения в системе электрической тяги рекуперируемой электроэнергии.
3. Установлена степень влияния рекуперации электрической энергии на технические потери электроэнергии в тяговой сети, в фидерах и оборудовании тяговых подстанций.
4. Предложено при оценке эффективности использования рекуперируемой электрической энергии руководствоваться не только показателями избыточной энергии рекуперации, но и величиной потенциально возможного увеличения рекуперируемой электрической энергии как показателя, характеризующего резервы рекуперативного торможения на участках с ограниченно установленными приемниками избыточной энергии рекуперации. ф Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждена путем проверки статистической совместимости результатов моделирования с показателями работы реального участка электрифицированной железной дороги, полученными в ходе экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы определяется комплексом решенных научно-технических задач, обеспечивающих снижение эксплуатационных расходов в локомотивном хозяйстве и хозяйстве электроснабжения на основе использования разработанной математической модели системы электрической тяги.
1. На действующем участке электрифицированной железной дороги осуществлен эксперимент по оценке энергетической эффективности рекуперативного торможения, результаты которого позволили вести разработку программного комплекса расчета СТЭ постоянного тока для исследования мероприятий по рациональному использованию энергии рекуперации.
2. Разработан программный комплекс расчета СТЭ, в котором электрический расчет системы электроснабжения ведется одновременно с выполнением тяговых расчетов для поездов, находящихся на участке, позволяющий адекватно имитировать процессы, происходящие в СТЭ при наличии на участке рекуперации электрической энергии.
3. Выполнен анализ эффективности использования энергии рекуперации в границах Кузбасского отделения Западно-Сибирской железной дороги, который показал, что при существующих в настоящее время условиях эксплуатации имеются значительные технические и организационные резервы для повышения объемов рекуперируемой электрической энергии (ЭЭ) на участках с ограниченно установленными приемниками избыточной энергии рекуперации.
4. Произведена оценка составляющих технических потерь (и влияния на них рекуперации электрической энергии) в тяговой сети, оборудовании и фидерах тяговых подстанций на примере Кузбасского отделения.
5. Разработан способ определения уровня напряжения холостого хода тяговых подстанций, позволяющего снижать удельный расход электрической энергии на тягу поездов, учитываемый счетчиками тяговых подстанций, за счет создания условий для увеличения перетоков мощности рекуперации на соседние межподстанционные зоны (МПЗ).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены, докладывались и обсуждались на региональной научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока — Транссибу» (Новосибирск, 2002) — научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на обособленных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск,.
2003) — всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Екатеринбург, 2003) — десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2004) — научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на обособленных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск,.
2004) — сетевой научно-практической конференции «Энергетическое обследование структурных подразделений филиалов ОАО «РЖД» (Омск, 2004).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 10 статей и тезисы пяти докладов.
В первой главе рассматриваются основные подходы к решению вопроса повышения эффективности использования энергии рекуперации. Показывается, что задача повышения эффективности использования рекуперируемой электрической энергии является задачей, требующей всестороннего и точного анализа многих экономических и технических вопросов. Экспериментальное исследование данного вопроса представляется крайне сложным, а одним из наиболее предпочтительных способов, позволяющих с достаточной степенью достоверности осуществлять изучение вопроса, является моделирование.
Далее описываются основные способы использования математической модели, получившие наибольшее распространение при решении задач функционирования СТЭ, и осуществляется выбор наиболее рационального способа для решения исследуемого вопроса. Производится анализ основных подходов при составлении модели системы электрической тяги и использовании имитационного моделирования для решения задач функционирования СТЭ.
Выполнен анализ существующих программных комплексов расчета системы тягового электроснабжения. Существующие программные комплексы расчета СТЭ позволяют решать довольно широкий круг задач, связанных с процессами, происходящими в системе электрической тяги, однако исследование вопроса эффективности использования энергии рекуперации в данных имитационных моделях не предусматривается. Решение поставленной задачи связано с созданием программного комплекса расчета СТЭ, адекватно имитирующего работу электрифицированного участка железной дороги при наличии на нем электротяговой нагрузки, находящейся в режиме рекуперативного торможения.
Во второй главе рассматривается агрегативный подход при разработке математической модели СТЭ, позволяющий обеспечить требуемую точность решения множества теоретических и практических задач расчета и анализа работы СТЭ.
Формулируется последовательность разработки имитационной модели СТЭ: обосновывается выбор системного подхода при разработке модели сложной системыпроизводится анализ агрегативной схемы, используемой в настоящее время, при разработке имитационной модели СТЭ и описываются новые блоки, добавленные в математическую модель, необходимые при исследовании эффективности использования энергии рекуперациипроизводится описание усовершенствованной агрегативной схемы СТЭ и указываются функциональные связи, обусловливающие взаимную зависимость между агрегатами и назначение каждого агрегата в отдельности.
От разработки имитационной модели осуществляется переход к алгоритму расчета СТЭ постоянного тока, позволяющему за счет использования метода наложения производить анализ токораспределения рекуперированной электрической энергии и энергии, поступающей в систему тягового электроснабжения из системы внешнего электроснабжения, и вести исследования влияния рекуперации электрической энергии на основные показатели работы СТЭ. Производится описание того, как велась разработка программного комплекса, включающего в себя программу тяговых расчетов и программу расчета СТЭ.
В третьей главе производится оценка адекватности разработанного программного комплекса: сначала описываются основные подходы при оценке адекватности сложных систем и обосновывается выбор критерия адекватности, а затем отдельно для каждой программы, входящей в программный комплекс, по результатам выполненных экспериментальных исследований осуществляется доказательство их адекватной имитации реальных процессов.
В четвертой главе рассматривается применение разработанного программного комплекса для исследования эффективности использования рекуперируемой электрической энергии на Кузбасском отделении Западно-Сибирской железной дороги: сначала для всех участков отделения выполняется анализ влияния рекуперативного торможения на расход электрической энергии по счетчикам тяговых подстанций, затем производится исследование влияния рекуперации на потери электроэнергии в СТЭвносится предложение при изучении вопросов надежности и рациональности рекуперативного торможения, а также вопроса эффективности использования энергии рекуперации руководствоваться не только объемом избыточной энергии рекуперации, но и значением потенциально возможного увеличения рекуперируемой электрической энергииосуществляется оценка эффективности использования электрической энергии, рекуперируемой в СТЭв заключение для одного из участков отделения с помощью разработанного программного комплекса производится выбор уровня напряжения на шинах тяговых подстанций для повышения эффективности использования энергии рекуперации.
В пятой главе рассматриваются основные экономические показатели общей и сравнительной эффективности внедрения на железнодорожном транспорте инновационного мероприятия и производится оценка экономической эффективности использования разработанного программного комплекса расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока.
4.4. Выводы.
Проведенное исследование эффективности использования рекуперируемой электрической энергии на действующем участке железной дороги позволило сделать следующие выводы.
1) Для Кузбасского отделения, на котором находится большое количество затяжных подъемов, а также участков знакопеременного профиля, рекуперативное торможение является одним из важнейших источников экономии электрической энергии в СТЭ. Анализ результатов, полученных в ходе имитационного моделирования работы Кузбасского отделения Западно-Сибирской железной дороги, показал, что наличие рекуперативного торможения приводит к снижению расхода электрической энергии по счетчикам тяговых подстанций для различных участков на 0,13 — 15,71%, а в целом по отделению расход электроэнергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций при наличии рекуперации снижается на 7,33%.
2) Выполненное исследование влияния рекуперации на технические потери в СТЭ показало, что наличие на участке рекуперативного торможения приводит к снижению потерь в оборудовании тяговых подстанций и в некоторых случаях к снижению потерь в фидерах тяговых подстанций, но поскольку доминирующей составляющей потерь являются потери в тяговой сети, а они в связи с увеличением перетоков электрической энергии через шины тяговых подстанций при рекуперации также увеличиваются, суммарные технические потери в штатном режиме становятся больше суммарных технических потерь при отсутствии рекуперации электроэнергии. Применение рекуперативного торможения на Кузбасском отделении Западно-Сибирской железной дороги приводит к некоторому увеличению технических потерь в СТЭ (в целом по отделению — на 0,4%), но не в той мере, чтобы объяснить столь высокое отчетное значение «небаланса» в границах данного отделения.
3) Расчет объема избыточной энергии рекуперации производится исходя из предположения, что все тяговые подстанции оснащены ее приемниками инверторами или поглощающими сопротивлениями, и в этом случае значение избыточной энергии и режим напряжения в тяговой сети при рекуперативном торможении в значительной степени определяются расположением тяговых подстанций на участке и параметрами их внешних характеристик. Поэтому для устранения данных условностей в представленной работе предложено при изучении вопросов надежности, рациональности рекуперативного торможения и эффективности использования энергии рекуперации за основной показатель оценки применять не объем избыточной энергии рекуперации, а значение потенциально возможного увеличения рекуперируемой электрической энергии.
4) Исследование вопроса эффективности использования энергии рекуперации при существующих условиях эксплуатации Кузбасского отделения показало, что на всех участках отделения имеют место срывы режима рекуперативного торможения, что не позволяет отдавать в тяговую сеть значительный объем энергии рекуперации. Особенное значение данный вопрос имеет на однопутных участках, где большое сопротивление контактной сети и значительные межпоездные интервалы часто приводят к тому, что напряжение на токоприемниках рекуперирующих электровозов превышает максимально допустимое значение. Таким образом, в настоящее время на Кузбасском отделении имеются значительные технические и организационные резервы для повышения объема рекуперируемой электрической энергии.
5) С помощью разработанного программного комплекса для участка Проектная — Новокузнецк-Восточный был произведен выбор напряжения холостого хода на шинах тяговых подстанций, которое позволит за счет увеличения перетоков мощности рекуперации на 10,6% увеличить объемы рекуперируемой на участке электрической энергии, более чем в два раза уменьшить количество срывов режима рекуперативного торможения и на 4,8% снизить расход электроэнергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций. Таким образом, данное мероприятие позволило существенно повысить эффективность использования рекуперируемой на участке электрической энергии.
5. Оценка экономической эффективности использования программного комплекса расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока.
5.1. Показатели экономической эффективности.
Главным экономическим показателем работы предприятий железнодорожного транспорта является прибыль, на величину которой влияет множество взаимосвязанных факторов. Прибыль, полученная в отчетный период, отражается в балансе хозяйствующего субъекта единой статьей без расшифровки, что крайне затрудняет определение влияния на рост прибыли конкретного инвестиционного или инновационного мероприятия, поэтому для оценки экономической эффективности внедрения на железной дороге конкретного проекта следует пользоваться методикой, рекомендованной ОАО «РЖД» и ВНИИЖТом [76]. Данная методика позволяет определить срок окупаемости, а также рассчитать интегральный эффект от дополнительных инвестиций для каждого периода в течение срока действия проекта. Для стоимостной оценки результатов и затрат автором использовались базисные цены в рублях на июнь 2004 г.
Обычно показатели эффективности подразделяются на показатели общей и сравнительной эффективности. Показатели общей эффективности позволяют оценить экономическую целесообразность капитальных вложений, а показатели сравнительной эффективности помогают произвести сравнение различных вариантов для выбора наиболее экономичного.
В данном случае необходимо произвести расчет сравнительной экономической эффективности выставленного напряжения холостого хода на шинах тяговых подстанций участка Проектная — Новокузнецк-Восточный, полученного в результате имитационного моделирования, выполненного в разработанном программном комплексе расчета системы тягового электроснабжения постоянного тока. Сравнение производится с существующим в эксплуатации напряжением холостого хода тяговых подстанций, выставленным по критерию минимизации технических потерь в СТЭ (см. п. 4.3).
Оценка предстоящих затрат и результатов осуществляется в пределах расчетного периода 7″, продолжительность которого зависит от множества факторов. В нашем случае примем Т равным пяти годам (прогнозируемый срок службы). Расчетный период разбиваем на несколько шагов. Первый год, начиная с момента осуществления первого капитального вложения, разобьем поквартально на четыре шага, остальные четыре года эксплуатации программного комплекса будут соответствовать четырем шагам (каждый — по году).
Данный проект классифицируется как мероприятие с длительным сроком службы. Следовательно, необходимо соизмерение разновременных показателей путем приведения их к начальному моменту t равному нулю. Для этого используется норма дисконта Е, равная приемлемой для предприятия норме дохода. Для железных дорог, согласно рекомендациям [76] Е принимается равным 0,1. Приведение затрат и результатов, полученных на момент времени t, к начальному моменту времени осуществляется умножением их на коэффициент at, определяемый для постоянной нормы дисконта по формуле: at = (1 + E)-t. (5.1).
К основным показателям общей и сравнительной эффективности относятся чистый дисконтированный доход (ЧДД), индекс доходности (ИД), внутренняя норма доходности (ВНД) и срок окупаемости инвестиций То.
Величина ЧДД при постоянной норме дисконта определяется по формуле:
ЧДД = i (Pt-3t)at, (5.2) t=o где t — шаг расчета;
Pt — результаты, достигаемые на шаге t;
3t — затраты, текущие издержки и инвестиции, осуществляемые на том же шаге, без амортизационных отчислений.
Индекс доходности представляет собой отношение суммы приведенных эффектов к величине капиталовложений: Т.
ХМ-}*, ид = -^-, (5.3).
ZKtat t=o где Kt — капиталовложения на t-м шаге;
3* - затраты на t-м шаге, за исключением капиталовложений и амортизационных отчислений.
Внутренняя норма доходности представляет собой такую норму дисконта, при которой величина приведенных эффектов за расчетный период t равна приведенным капиталовложениям. В этом случае ВНД является результатом решения уравнения: т Р т V Pt 3t? Kt.
1=о (1 + ВНД)1 t=o (l + ВНД) Срок окупаемости инвестиций То — это период времени от начала реализации проекта, за пределами которого ЧДД становится неотрицательным. Для его определения используется равенство: pt-3-)xt = ?Ktat. (5.5) t=o t=o.
5.2. Расчет капитальных вложений и эксплуатационных расходов.
Под капитальными вложениями на транспорте понимают совокупность затрат, направляемых на создание новых объектов или приобретение технических средств. В составе капитальных вложений учитываются стоимость про-ектно-изыскательских, строительно-монтажных работ, оборудования, инструмента, инвентаря и прочие затраты. В данном случае требуемые капитальные вложения распределяются по трем кварталам первого года функционирования проекта, соответствующим трем первым расчетным шагам (табл. 5.1).
Капитальные вложения п/п Наименование затрат Затраты по шагам расчета (кварталы первого года), тыс. р. t= 1 t = 2 t = 3 Всего.
Создание математической модели.
1 СТЭ постоянного тока и разработка программного комплекса Опытные поездки с локомотивными бригадами, сбор информации по 200,0 200,0 400,0.
2 режимам работы тяговых подстанций и данных по размерам и графику дви- - 100,0 — 100,0.
3 4 жения поездов, внедрение программного обеспечения, обучения персонала Приобретение компьютера для исследовательских расчетов Прочие затраты Итого 200,0 40,0 27,0 167,0 27,0 227,0 40,0 54,0 594,0.
Величины затрат, кроме п. 3 и 4 табл. 5.1, а также момент введения в эксплуатацию программного комплекса расчета СТЭ (через полгода с начала изысканий) определены на основании экспертных оценок, опыта автора и с учетом сложившейся на сегодняшний день практики разработки и внедрения программного обеспечения.
Специфика труда научных работников и программистов не позволяет с достаточной точностью определить затраченное на разработку время. Творческие элементы труда практически не нормируются, а определяются либо на основе экспертных оценок опытных программистов, либо жестко заданными сроками разработки, в которые программист обязан найти решение.
Технические элементы труда программистов достаточно хорошо поддаются нормированию, но точность таких норм имеет большой разброс в зависимости от множества факторов, поэтому будем придерживаться стандартных рассуждений: проект подобной сложности может быть реально осуществлен за полгодасумма договора с заказчиком составит 400 тыс. р. включая все налоги, аванс составляет 50% суммы договорана заключительном этапе изысканий и разработки программного комплекса необходимо осуществить ряд опытных поездок с локомотивными бригадами, собрать информацию по режимам работы тяговых подстанций, данные по размерам и графику движения поездов, адаптировать программный комплекс к реальным условиям и обучить персонал. На все это уйдет сумма порядка 100 тыс. р.- необходимо приобретение достаточно мощного компьютера для осуществления имитационного моделирования работы СТЭ (двухпроцессорная система на базе Pentium IV, 128 Мбайт ОЗУ). По уровню цен середины 2004 г. это обойдется в 40 тыс. р.- непредвиденные затраты по существующей методике расчетов принимаются равными 10% суммы всех остальных затрат.
В эксплуатационные расходы, связанные с внедрением данного проекта, входят техническое обслуживание и сопровождение программного комплекса, измерение параметров, определяющих внешние характеристики тяговых подстанций, и опытные поездки с локомотивными бригадами в период после сдачи комплекса в эксплуатацию. Их сумма с учетом непредвиденных расходов ориентировочно может составить 50 тыс. р. в год начиная со второго года.
5.3. Оценка экономического эффекта.
Так как каждый год наблюдается увеличение стоимости электроэнергии на тягу поездов, то оценивать срок окупаемости инновации необходимо с учетом этого фактора. В расчетах принято, что стоимость 1 кВт-ч электроэнергии на тягу поездов равна 0,56 р., а ее ежегодное увеличение составляет 20%.
По формулам 5.1 — 5.5 и в соответствии с данными параграфов 4.2, 4.3 и 5.2 получены следующие показатели экономической эффективности:
1) чистый дисконтированный доход (интегральный эффект) для расчетного периода Т составит 36 443 908 р. (данные для отдельных расчетных шагов представлены в табл. 5.2);
2) ИД = 63,93;
3) ВНД= 118,47;
4) Срок окупаемости То составит около восьми месяцев (данные для расчета Т0 приведены в табл. 5.3).
Таким образом, инновация окупится в пределах одного года после сдачи программного комплекса в эксплуатацию.
Заключение
.
Основная направленность диссертационных исследований связана с решением задачи повышения эффективности использования электрической энергии рекуперации в системе тягового электроснабжения постоянного тока. В диссертационной работе исследовано состояние вопроса и произведен анализ существующих программных комплексов расчета СТЭ, которые позволяют решать довольно широкий круг задач, связанных с изучением процессов, происходящих в системе электрической тяги. Однако в данных имитационных моделях не предусматривается исследование вопроса повышения эффективности использования энергии рекуперации. Решение поставленной задачи связано с созданием программного комплекса расчета СТЭ, адекватно имитирующего работу электрифицированного участка железной дороги. Основные научные и практические результаты состоят в следующем.
1) Усовершенствована математическая модель СТЭ, позволяющая с достаточной степенью достоверности вести исследование эффективности использования рекуперируемой электрической энергии, в которой учитывается фактическое напряжение на токоприемнике электровоза, что дает возможность производить пересчет характеристик электровоза и контролировать уровень минимально и максимально допустимого напряжения.
2) Разработаны алгоритм и программное обеспечение, позволяющие производить анализ токораспределения рекуперированной электроэнергии и энергии, поступающей в СТЭ из системы внешнего электроснабжения, с целью проведения исследований эффективности использования рекуперируемой электрической энергии и ее влияния на основные показатели работы СТЭ.
3) Проведен полномасштабный эксперимент на действующем участке электрифицированной железной дороги, позволивший произвести оценку эффективности применения рекуперативного торможения и сравнительный анализ результатов натурных испытаний и математического моделирования.
4) Произведен анализ составляющих технических потерь в СТЭ при наличии на участке рекуперативного торможения, а также изучен вопрос влияния на них рекуперации электрической энергии. Выполненное исследование показало, что наличие на участке рекуперативного торможения приводит к снижению потерь в оборудовании тяговых подстанций и в некоторых случаях к снижению потерь в фидерах тяговых подстанций, но поскольку доминирующей составляющей потерь являются потери в тяговой сети, а они в связи с увеличением перетоков электрической энергии через шины тяговых подстанций при рекуперации также увеличиваются, суммарные технические потери в штатном режиме становятся выше суммарных технических потерь при отсутствии рекуперации электроэнергии.
5) Предложено при изучении вопросов надежности, рациональности рекуперативного торможения и эффективности использования энергии рекуперации в качестве основного показателя оценки применять не только объем избыточной энергии рекуперации, но и значение потенциально возможного увеличения рекуперируемой электрической энергии как показателя, более точно отражающего резервы рекуперативного торможения на участках с ограниченно установленными приемниками избыточной энергии рекуперации.
6) Разработан способ выбора уровня напряжения на тяговых подстанциях участка с ограниченно установленными инверторами, позволяющий снижать расход электроэнергии на тягу поездов посредством повышения эффективности использования энергии рекуперации. С помощью данного способа был осуществлен выбор напряжения холостого хода на шинах тяговых подстанций участка Проектная — Новокузнецк-Восточный, которое позволит за счет увеличения перетоков мощности рекуперации на 10,6% увеличить объем рекуперируемой на участке электрической энергии, более чем в два раза уменьшить количество срывов режима рекуперативного торможения и на 4,8% снизить расход электроэнергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций.
