Расход электроэнергии при вождении поездов и пути ее экономии

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАСХОД ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ВОЖДЕНИИ ПОЕЗДОВ И ПУТИ ЕЕ ЭКОНОМИИ

Около 12% всех расходов Министерства путей сообщения приходится на топливо и электроэнергию локомотивов (тепловозов, паровозов, электровозов), поэтому понятно, что борьба за снижение этих расходов является важнейшим делом всех работников локомотивного хозяйства и в первую очередь машинистов.

Понятие об удельном расходе электроэнергии. Наиболее удобный показатель для расчета энергии, потребляемой на тягу поездов, - удельный расход, представляющий собой расход электроэнергии, выраженный в ватт-часах, отнесенный к 1 те веса поезда на 1 км его пробега (Вт-ч/тс-км)

где 1000 - коэффициент для перевода киловатт-часов в ватт-часы

А - полный расход электроэнергии, кВт-ч;

Р +Q - вес электровоза и состава, тс;

L - длина участка, км.

Таким образом можно подсчитать удельный расход за любой промежуток времени - год, квартал, месяц, смену или за поездку.

Пример. Определим удельный расход энергии на продвижение состава весом 4500 тс на участке длиной 200 км, если разность показаний счетчика составила 15000 кВт. ч. Электровоз восьмиосный.

Подставляя в формулу численные значения, получим

Удельный расход электроэнергии зависит от профиля пути, рода подвижного состава, принятых скоростей движения, условий погоды и т. д. На равнинных участках он составляет 10-12 Вт-ч/тс-км, а на горных - 25-32 Вт-ч/тс-км. Тип электровоза мало влияет на удельный расход энергии: на электровозах постоянного тока есть потери в пусковых резисторах; на электровозах переменного тока их нет, зато имеются потери в силовом трансформаторе, выпрямителях и вспомогательных устройствах (реакторы, мотор-насосы и др.).

Составляющие удельного расхода энергии. Электроэнергия, получаемая электровозом из сети, тратится на:

преодоление основного сопротивления движению поезда (электровоза и состава);

преодоление дополнительного сопротивления движению;

покрытие потерь в резисторах электровозов постоянного тока при пуске и регулировании скорости;

покрытие потерь в преобразователях электровозов переменного тока;

покрытие потерь в тяговых двигателях и зубчатых передачах;

компенсацию потерь кинетической энергии поезда в тормозах;

работу вспомогательных машин, отопление и освещение электровоза, а иногда и пассажирских вагонов.

Следует иметь в виду, что энергия, затрачиваемая на преодоление инерции поезда (на разгон), есть накопление кинетической энергии, которая позднее расходуется на преодоление сил сопротивления движению или гасится в тормозах (см. выше).

Часть энергии тратится при маневровой работе на станциях и деповских путях, а также при обкатке электровозов после ремонта.

Рассмотрим более подробно каждую из составляющих удельного расхода электроэнергии.

Преодоление основного сопротивления движению. На участках с равнинным профилем, а также на высокоскоростных направлениях энергия, затрачиваемая локомотивом на преодоление сил сопротивления, составляет основную часть расхода, достигая в пассажирском движении 80% общего расхода. При перемещении 1 тс веса поезда на 1 м совершается работа w_o, кгс-м (здесь w_o - основное удельное сопротивление движению поезда, см. стр. 8). Удельный расход электроэнергии, Вт-ч/тс-км, составит 2,725 w_o. Коэффициент 2,725 служит для перехода от килограмм-метров к ватт-часам.

Если принять к.п.д. тяговых двигателей электровоза равным 91%, то удельный расход энергии на преодоление основного сопротивления движению поезда

Для электровозов переменного тока a_o 3,1w_o.

Для грузовых поездов этот расход энергии колеблется в пределах 6-10 Вт-ч/тс-км и составляет 30-70% общего расхода.

Основное сопротивление движению электровоза прежде всего зависит от состояния буксовых, моторно-осевых и моторно-якорных подшипников, а также трущихся поверхностей букс, буксовых направляющих и опор кузовов. Основное сопротивление движению электровоза и вагонов во многом зависит также от вязкости смазки в буксах и от положения тормозных колодок относительно бандажей колес вагонов и локомотива.

Для проверки основного сопротивления движению электровоза пользуются следующим методом. На путях депо выбирают участок пути, по возможности горизонтальный, без кривых. Электровоз разгоняют до определенной скорости (по скоростемеру), после чего выключают ток. Очевидно, чем меньше сопротивление движению, тем больший путь пройдет электровоз до полной остановки. Полученную длину пройденного пути сравнивают с результатами предыдущей проверки. Если электровоз прошел более короткое расстояние, то выявляют и устраняют причины, вызвавшие повышение сопротивления движению. Проверку стараются проводить всегда при одних и тех же условиях.

На преодоление основного сопротивления при передвижении груженых четырехосных вагонов (на подшипниках скольжения) со скоростью 70 км/ч на расстояние 200 км при весе состава 4500 те расходуется энергии

A_o = 3w_oQL = 3·2.26·4500 = 6100 кВт·ч.

Преодоление дополнительных сопротивлений от подъемов и кривых. Расход электроэнергии на преодоление указанных сопротивлений в большой степени зависит от характера профиля пути. Во время движения в кривых участках пути гребни бандажей колес прижимаются к наружному рельсу, тележки электровоза и вагонов поворачиваются относительно кузова.

Если опорные поверхности кузова и тележек плохо смазаны или не отрегулированы, то поворот тележек требует значительных усилий. Это приводит к повышению трения гребней бандажей колесных пар о рельсы и вызывает большие дополнительные затраты энергии. Поэтому указанные узлы систематически смазывают. При малых радиусах кривых участков пути иногда устанавливают гребнесмазыватели.

Расход электроэнергии на преодоление сопротивления от подъемов и кривых

a_{п. к} 2,725i_э

где ig - эквивалентный подъем для данного участка в °/оо.

С учетом потерь в тяговых двигателях и преобразователях, так же как и в случае преодоления основного сопротивления движению, можно записать

a_{п. к} = i_э 3 i_э

Для электровозов переменного ток a_{п. к} 3,1i_э.

За эквивалентный подъем принимают такой, при движении по которому поезд встречает такое же сопротивление, как и при движении по реальному участку. Таким образом, эквивалентный подъем как бы заменяет все подъемы и кривые данного участка. Его величину определяют по специальным расчетным формулам. Предположим, что для какого-то участка эквивалентный подъем i_э= 3°/oo. Тогда расход энергии на его преодоление a_{п. к} = 3 · 3 = 9 Вт·ч/тс·км.

Потери в резисторах при пуске электровоза постоянного тока. Во время разгона поезда восьмиосным электровозом в пусковых резисторах теряется не менее 27% всей энергии, расходуемой до выхода на безреостатную позицию параллельного соединения тяговых двигателей.

Расчетами установлено и опытными поездками проверено, что чем короче время разгона и ниже скорость движения электровоза в момент выхода на безреостатную позицию, тем меньше потери энергии в пусковых резисторах. Поэтому с увеличением пускового тока в большинстве случаев уменьшаются потери энергии. Однако при трогании с места на спуске крутизной 2%о и более экономичнее разгонять состав без тока или при малом токе. Если же за спуском сразу начинается площадка или подъем, то в этом случае выгоднее вести разгон при большом токе. Увеличение тока во время разгона дает тем большее сокращение потерь в пусковых резисторах, чем больше вес состава и круче подъем.

Однако следует учитывать, что разгон без тока или с малыми токами приводит к значительной потере времени, что может в дальнейшем потребовать нагона опоздания на подъеме и в конце концов к превышению норм расхода электроэнергии.

Расчеты, показывают, насколько уменьшаются потери энергии в пусковых резисторах на электровозах ВЛ8 и ВЛ10 за один разгон для различных уклонов и весов поезда при увеличении среднего пускового тока на 50 А.

На пример при разгоне состава весом 4000 те на подъеме 6%о током 450 А вместо 400 А достигается экономия 128,3 кВт-ч. Энергия экономится в результате значительного сокращения времени движения с введенными резисторами.

Как отмечалось ранее, включение ослабления возбуждения во время разгона также экономит электроэнергию, поскольку после перехода на более высокое соединение двигателей нет необходимости выдерживать главную рукоятку контроллера на нескольких реостатных позициях. Однако при очень тяжелых поездах использование ослабления возбуждения во время разгона может привести к снижению технической скорости. Ведь, чтобы не произошло большого броска тока при переходе на ослабленное возбуждение, дольше задерживаются на безреостатной позиции, дожидаясь спада тока. При поездах среднего и малого веса это время незначительно и не влияет на общее время хода поезда по перегону.

Потери в преобразователях при пуске электровозов переменного тока. Некоторые виды потерь в преобразователях электровозов переменного тока (трансформаторе, реакторах) мало зависят от режима пуска, поэтому когда тяговые двигатели развивают неполную мощность (до 21-й позиции ЭКГ),доля этих потерь в общем расходе электроэнергии велика; к. п. д. электровоза может снижаться до 65%. Это означает, что пуск следует осуществлять при больших токах двигателей, добиваясь скорейшего выхода на высокие позиции ЭКГ, при которых к. п. д. электровоза достигает 88%. Не экономично также применять ослабление возбуждения при низких скоростях.

Следование с поездом по перегону. Из общего баланса электроэнергии, затрачиваемой на тягу поездов, наибольшую часть составляет расход на движение поездов по перегонам. В связи с этим приняты следующие основные правила экономичного вождения поездов.

В конце спуска к моменту перехода на короткую площадку и крутой подъем значительно повышают скорость, что позволяет проследовать часть площадки с выключенными двигателями и часть последующего подъема с малыми токами.

Уменьшение расхода электроэнергии в расчете на 1 тс веса поезда, Вт-ч/тс, в случае повышения скорости в конце спуска можно подсчитать по формуле

а' = 0,0128(u²₂ - u²₁),

где u₂ - скорость в конце спуска после изменения режима торможения, км/ч;

u₁ - ранее принятая скорость в конце спуска, км/ч. Например, после окончания ремонта пути допустимая скорость повышена с 60 до 80 км/ч. Это дает в расчете на 1 тc веса поезда следующую экономию электроэнергии:

a' = 0,0128(80² - 60²) = 35,8 Вт·ч/тс.

Если в сутки по этому пути пройдет в заданном направлении 50 поездов весом 3000 те, то экономия электроэнергии составит

А == 35,8-3000-50 = 5 370 000 Вт. ч = 5370 кВт-ч в сутки.

Конечно, такая экономия возможна только в том случае, когда у всех поездов скорость в конце спуска будет 80 км/ч.

При переходах с подъема на спуск экономии электроэнергии достигают более ранним выключением контроллера, если это допустимо по условиям ведения поезда. Опоздание с выключением контроллера только на 12 с при токе 250 А и параллельном соединении двигателей вызывает перерасход энергии на электровозе ВЛ8 или ВЛ10

где 4 - число параллельных групп двигателей;

3000 - напряжение в контактной сети, В;

3600 - коэффициент перевода секунд в часы. Нерасчетливое торможение, например опоздание с отпуском тормозов в конце спуска, вызывает излишние потери ранее запасенной кинетической энергии поезда. Чем выше скорость в начале торможения и чем ниже она в момент отпуска тормозов, тем больше потери в тормозах. Подсчет потерь энергии в тормозах на каждую тонну веса из-за его сложности здесь не приведен. Для примера укажем, что если при подходе поезда весом 3500 те к месту, где установлено ограничение скорости, выполнить торможение (длина 0,4 км, уклон i == - 1%о) и скорость снизить с 75 до 25 км/ч, то потери энергии составят 193,5 кВт-ч.

Теряется энергия и в случае нерасчетливого торможения для остановки поезда; при подтягивании поезда на площадке всего на 1 м расходуется примерно 5 Вт-ч электроэнергии на 100 те веса поезда. Таким образом, на подтягивание поезда весом 5000 те на 30 м будет израсходовано

Вождение тяжеловесных поездов в большинстве случаев дает экономию электроэнергии, поскольку для перевозки того же груза при этом требуется меньшее число электровозов. Как известно, удельное сопротивление движению электровоза в 2-3,5 раза выше, чем вагонов (см. стр. 9).

Кроме того, сокращается расход энергии на собственные нужды самого электровоза (вентиляторы, компрессоры, трансформаторы, насосы, электропечи).

В среднем принимают, что удельный расход энергии на движение самого электровоза больше установленного для данного участка удельного расхода энергии на тягу поездов на 10 Вт-ч/тс-км. Экономия энергии от проведения одного грузового поезда весом 3600 те (при норме 3200 те) на участке длиной 180 км при норме удельного расхода энергии на тягу поездов 18 Вт-ч/тс-км составляет 67 кВт-ч.

Общие рекомендации:

для экономичного ведения поезда на участках с горизонтальным профилем или небольшими подъемами нужно двигаться по возможности с равномерной скоростью;

повышение скорости экономичнее производить на спусках и площадках; при движении по спускам не следует терять время, которое придется нагонять на площадках или подъемах. Как правило, выгоднее включать тяговые двигатели на неполную мощность (лишь бы не возникла необходимость подтормаживания). При этом на электровозах постоянного тока следует осуществлять движение на позициях ослабленного возбуждения двигателей, так как в этом случае к.п.д. двигателей на 1,5-2,5% выше, чем при полном возбуждении, хотя он и ниже, чем при полном рабочем напряжении на двигателях. На электровозах переменного тока при движении по спускам выгоднее применять низшие ходовые позиции без включения ослабления возбуждения;

подходить к крутым подъемам следует с наибольшей допустимой скоростью и первую часть их проследовать с ослабленным возбуждением, постепенно переходя на низшие позиции ОП, а затем и на полное возбуждение; особенно важно это при вождении тяжеловесных поездов, так как при предельных токах сила тяги на полном возбуждении выше при токе меньшем, чем в режиме ослабленного возбуждения. В этом можно убедиться по рис. 28. Этим будет также снижен нагрев обмоток якорей двигателей.

Рекуперация энергии. Она дает значительный экономический эффект. Так, электрическое торможение электровоза ВЛ10 или ВЛ8 в течение 15 мин (0,25 ч) с током 250 А при параллельном соединении якорей двигателей дает 250·4·3600·0,25 = 900 кВт·ч энергии (здесь 3600 В - напряжение в сети при рекуперации). Из этой величины нужно вычесть энергию, потребляемую преобразователями, и потери в демпферных резисторах

40·2·0,25 = 20 кВт·ч,

где 40 - мощность, потребляемая одним преобразователем и демпферным резистором его цепи при напряжении 3600 В, кВт;

2 - число преобразователей;

0,25 - время торможения, ч.

Для сравнения укажем, что энергии 900 кВт·ч достаточно для питания 150 бытовых электрических плиток в течение 10 ч.

Следует также иметь в виду, что более гибкое управление поездом на спусках без применения автотормозов позволяет повысить техническую скорость без дополнительных затрат энергии.

Расход электроэнергии на вспомогательные нужды. По сравнению с расходом на тягу расход электроэнергии на вспомогательные нужды сравнительно невелик. Так, на электровозе ВЛ8 общая потребляемая мощность всех вспомогательных машин и печей составляет 160 кВт (87 кВт - мотор-вентиляторы на высокой частоте вращения, 57 кВт - мотор-компрессоры, 16 кВт - электропечи). Если учесть, что двигатели компрессоров действуют примерно ¹/₃ общего времени работы электровоза, мотор-вентиляторы ²/₃ времени работают на низкой частоте вращения, а электропечи включают лишь в передней по ходу кабине в холодное время года, то видно, что мощность всех этих установок во много раз меньше мощности тяговых двигателей.

Однако рационально расходуя энергию на вспомогательные нужды электровозов, можно добиться значительной экономии. Так, включение вентиляторов без необходимости на 2 ч вызывает дополнительный расход энергии 174 кВт, а перевод их для усиленного охлаждения тяговых двигателей с низкой частоты вращения на высокую приводит к увеличению расхода энергии в 3-3,2 раза.

Мотор-компрессоры электровозов ВЛ80, ВЛ10, ВЛ8 расходуют за 1 мин работы примерно 1 кВт·ч. Чтобы уменьшить потери энергии, нельзя допускать утечек воздуха из пневматических магистралей электровоза и составов и без необходимости пользоваться песочницей. Надо помнить, что подача компрессоров снижается при плохой притирке клапанов, поршневых колец и задирах стенок цилиндров. Включение в задней кабине электропечей на 4 ч вызывает расход электроэнергии 20 - 24 кВт·ч.

Потери электроэнергии, вызываемые плохой организацией движения поездов. Пропуск поездов пачками, остановка их перед закрытыми сигналами и не предусмотренные расписанием простои на станциях, резервные пробеги локомотивов, ограничения скорости, а также плохое содержание вагонов вызывают большие дополнительные потери энергии. Пропуск поездов пачками приводит к увеличению потерь энергии в контактной сети, особенно на линиях постоянного тока. Затраты энергии на нагрев проводов при этом доходят до 30-40% общего расхода. Это связано с тем, что потери в проводах пропорциональны квадрату тока. Увеличение тока в сети в 2 раза повышает потери в проводах в 4 раза. Значительное снижение напряжения в сети при пропуске пачки поездов во главе с электровозами вызывает уменьшение скорости движения, что приводит к дополнительным затратам энергии на нагон опоздания.

Дополнительный расход энергии на разгон поезда после не предусмотренной графиком остановки на станции или перегоне у закрытого сигнала также довольно велик, особенно если остановка произошла на подъеме. электроэнергия сопротивление кинетический рекуперация

Во время стоянки под поездом на работу компрессоров, отопление и действие некоторых аппаратов за 1 ч расходуется 20-40 кВт·ч.

Если при вождении тяжеловесных составов получают значительную экономию энергии, то при пропуске неполновесных поездов допускают большой перерасход.

Для самоконтроля за режимом ведения поездов машинистам рекомендуется на наиболее сложных участках пути вести учет расхода электроэнергии каждую поездку, посылая помощника снимать показания счетчика электроэнергии всегда на одних и тех же километрах (пикетах) и записывая в специальный личный журнал (записную книжку) эти данные. Для объективного сравнения следует фиксировать также средние токи, напряжение, вес поезда, род груза, тип вагонов и их подшипников, метеорологические условия, время суток и др. При слабой загрузке вагонов следует особо учитывать направление ветра.

Накопив такие данные и подсчитав фактический расход энергии (в Вт ч/тс км или других единицах) на определенном отрезке пути за каждую поездку, можно сделать для себя выводы об экономичности вождения поездов в разных условиях.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Основное локомотивное депо. Методические указания к выполнению выпускной квалификационной работы. ТашИИТ. Ташкент 2006.

2. З.М. Дубровский и др. Электровоз управление и обслуживание. М. Транспорт 1979.

3. С.И. Осипов и др. Основы локомотивной тяги. М. Транспорт 1979.

4. Д.В. Яковлев. Управление электровозом и его обслуживание. М. Транспорт 1978.

5. М.А. Костюковский. Управление электропоездом и его обслуживание. М. Транспорт 1973.

6. А.Л. Левицкий. Техника безопасности при эксплуатации локомотивов и мотор-вагонного подвижного состава. М. Транспорт 1982.

7. С.И. Осипов. Основы электрической и тепловозной тяги. М. Транспорт 1985.

8. С.П. Филонов и др. Тепловоз ТЭ10 - М. Руководство по эксплуатации. М. Транспорт 1985.

9. С.П. Филонов и др. Тепловоз 2ТЭ116. М. Транспорт 1989.

Размещено на Allbest.ru