Обґрунтування створення дослідно-промислового зразка системи рекуперації на маневровому тепловозі ЧМЭ3Т

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обґрунтування створення дослідно-промислового зразка системи рекуперації на маневровому тепловозі ЧМЭ3Т

Вступ

Економічність роботи будь-якого транспортного засобу є одним із головних показників, що характеризують конкурентоспроможність експлуатаційних підприємств, що експлуатують засоби транспорту, та науково-технологічну оснащеність підприємств, що виготовляють транспортні засоби. У зв'язку із зростанням цін на паливно-енергетичні матеріали одними з найбільш актуальних задач стають їх економія та раціональне використання. Транспорт, у тому числі залізничний, споживає значну кількість електричної енергії й палива нафтового походження і є одним з головних забруднювачів навколишнього середовища. Тому, зниження споживання палива транспортними засобами є одним із найважливіших напрямків розвитку транспортної галузі, як у плані створення нових типів транспортних засобів, так і модернізації існуючих.

Ефективне використання паливо-енергетичних матеріалів на залізничному транспорті можливо за рахунок збільшення коефіцієнту корисної дії енергетичної системи та зменшення енергетичних втрат. Рекуперація енергії при експлуатації тягового рухомого складу є одним із найбільш раціональних шляхів енергозбереження на залізничному транспорті. Так, для електропоїздів, доволі ефективною є система накопичення електричної енергії в конденсаторах великої ємності на гальмових режимах з подальшим її використанням на розгінних та тягових режимах. Для тепловозів з електричною тяговою передачею цей процес є ще більш актуальним, так як у даному випадку накопичення електричної енергії додатково може здійснюватись при роботі дизель-генераторної установки на режимі холостого ходу.

Ефективність використання рекуперативних систем зростає разом із підвищенням нерівномірності руху поїзду при частих гальмуваннях та розгонах, або при зміні напрямку руху. З вищесказаного можливо зробити висновок, що на залізничному транспорті найбільший ефект від використання системи рекуперації електричної енергії може бути отримано на маневрових тепловозах з електричною тяговою передачею, де спостерігається найбільша нерівномірність руху.

До останнього часу рекуперативні системи в промисловості, головним чином, були пневматичними (закачування повітря в балони) або механічними (накопичення енергії в маховиках). Для електричних рекуперативних систем найбільш часто можливо використання лужних або кислотних акумуляторів, але вони мають суттєві недоліки: значні обмеження за максимальним струмом заряджання й розряджання; відносно малий термін роботи, необхідність регулярного обслуговування та постійного контролю технічного стану, критичність до режимів перезаряджання, вихід із ладу при зберіганні в розрядженому стані й таке інше.

Одним з найцікавіших і найбільш прийнятним для електричних рекуперативних систем є конденсатори надвеликої ємності, що були розроблені останнім часом і які не потребують постійного контролю й регулярного технічного обслуговування. Окрім цього, вони мають значно більший термін роботи й некритичні до глибокого розряджання.

Впровадженню рекуперативних електричних систем на залізничному транспорті сприяє також поява надпотужних напівпровідникових елементів повільного регулювання електричного струму (напівпровідникових тріодів), що у порівнянні з тиристорами великої потужності діють більш надійно й мають більш високу граничну робочу частоту.

Перевага рекуперативних систем з перетворенням електричної енергії полягає в тому, що вони ефективно працюють в широкому діапазоні напруг як джерела електричної енергії, так і як її споживачі. Це дозволяє значно підвищити ефективність рекуперації за рахунок практично повного використання накопиченої електричної енергії на розгінних та тягових режимах. Ще однією суттєвою перевагою таких систем є спроможність змінювати в широкому діапазоні потужність електричного струму за рахунок застосування широтно-імпульсної модуляції. В той же час ці системи потребують дуже ретельного, кваліфікованого підходу до їх конструювання та налагодження на робочі (оптимальні) режими.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. У зв'язку із зростанням цін на паливно-енергетичні ресурси найбільш актуальною задачею стає їх економія та раціональне використання. Потужні транспортні засоби, що споживають значну кількість електричної енергії й палива нафтового походження і є одним з головних забруднювачів навколишнього середовища.

В даний час на базі Донецького інституту залізничного транспорту проводяться роботи по створенню рекуперативної системи для транспортного засобу великої потужності, наприклад, для маневрового тепловоза ЧМЭ3Т [1]. Для визначення параметрів створена фізична модель рекуперативної системи, на якій проводяться дослідження впливу факторів на експлуатаційні характеристики. В якості накопичувачів електричної енергії в системі використовуються конденсатори надвеликої ємності [2].

Оскільки під час заряду або розряду накопичувальних конденсаторів, їх напруга змінюється в доволі широких межах, електричну частину рекуперативної системи розроблено по схемі з перетворенням електричної енергії (рисунок 1). Головними блоками електричної системи є генератор коливань (ГК), створений на базі ШІМ контролеру, силовий блок (БС), що фактично є підсилювачем потужності коливань, комутаційний блок (БК), що здійснює підключення системи рекуперації в електричну мережу транспортного засобу та реверсного переключення її в залежності від режиму роботи (гальмівний, розгінний або тяговий режими), блок управління (БУ) з елементами автоматичного та ручного керування та блок живлення (БЖ) системи від бортової електромережі транспортного засобу або від побутової мережі для фізичної моделі. Регулювання напруги на вході та виході перетворювача здійснюється ступінчасто за рахунок перемикання первинних та вторинної обмоток силового імпульсного трансформатору (Тр). Регулювання струмових навантажень здійснюється за рахунок шпаруватості імпульсів генератора коливань від 0 до 0,89.

Метою роботи є обґрунтування створення дослідно-промислового зразка системи рекуперації на маневровому тепловозі ЧМЭ3Т, в першу чергу техніко-економічне.

Основна частина

При обґрунтуванні створення дослідно-промислового зразка системи рекуперації на маневровому тепловозі ЧМЭ3Т, по-перше, потрібно розрахувати економічні показники від впровадження цієї системи на енергонасиченому залізничному транспортному засобі.

Рисунок 1. - Блок-схема електричної частини фізичної моделі рекуперативної системи

БЖ - блок живлення; ГК - генератор коливань; БУ - блок управління; БС - силовий блок; ДБК - додатковий блок керування обмоткою збудження (ОЗ); БКЗН - блок керування зовнішнім навантаженням; Д - електричний двигун постійного струму; Тр - імпульсний силовий трансформатор; В - випрямляч; Ф - фільтр; БК - комутаційний блок.

Подальші розрахунки присвячені знаходженню економічних показників від впровадження системи рекуперації на одному маневровому тепловозі ЧМЭ3Т в рамках дослідно-промислового зразка для подальшого його впровадження в умовах серійного застосування та створення спеціального підрозділу в рамках депо з монтажу, ремонту і обслуговуванню його рекуперативної системи [3, 4].

Собівартість будь-якого технологічного процесу або створення (модернізації) нової техніки складається з таких основних показників: сума амортизації основних фондів, витрати на запасні частини, основні та допоміжні матеріали, паливо, електроенергію, інструменти, фонд заробітної плати персоналу, накладні витрати, обов'язкові відрахування на соціальне страхування, обов'язкові платежі в місцевий і державний бюджети.

Розрахунок капітальних вкладень. Капітальні вкладення в устаткування визначаються як сума вкладень в окремі його види:

К_ОБ = К_ОТ + К_ОЕ + К_ОВ + К_ПТО + К_І + К_ВГІ, грн, (1)

де К_ОТ - сума капітальних вкладень у технологічне обладнання, грн; К_ОЕ - сума капітальних вкладень в енергетичне обладнання, грн; К_ОВ - сума капітальних вкладень у вимірювальне обладнання, грн; К_ПТО - сума капітальних вкладень у підйомно-транспортне обладнання, грн; К_І - сума капітальних вкладень в інструмент і оснащення, грн.; К_ВГІ - сума капітальних вкладень у виробничий й господарський інвентар, грн.

Систему, що проектується - дослідно-промисловий зразок, згідно до проектного рішення, передбачається змонтувати на одному тепловозі, що обслуговується та ремонтується в рамках виробничо-технологічної бази локомотивного депо. Додаткових витрат на будівництво будівель або споруд не передбачається, і в загальну калькуляцію капітальних витрат вони не включені. Основні роботи передбачається проводити в рамках дільниці по ремонту та обслуговуванню електричного обладнання.

Вартість технологічного устаткування, що входить до рекуперативної системи, визначається шляхом додавання до купівельної договірної ціни Цд._т.об.і кожного виду технологічного устаткування 15 % від вартості на транспортування, монтаж і налагодження:

Цт._об.і = Цд._т.об.і + Цд._т.об.і · К, (2)

де Цд._т.про.і - договірна ціна і-го виду устаткування, грн./шт; К _ поправочний коефіцієнт до договірної (прейскурантної) ціні, що враховує витрати, пов'язані з транспортуванням і монтажем устаткування, К = 0,15;

Перелік основного технологічного й енергетичного устаткування, що передбачається використовувати для дослідно-промислового зразка рекуперативної системи, наведено у таблиці 1.

Таблиця 1. - Капітальні витрати на технологічне й енергетичне устаткування

З урахуванням специфічності обслуговування, було прийнято, що вартість інструменту дорівнює 10 % від первісної вартості технологічного устаткування; виробничого і господарського інвентарю - 2 % від первісної вартості устаткування; транспортуючих засобів - 4 % від вартості робочих машин; вимірювальних і пускорегулюючих приладів - 3 % від загальної вартості робочих і енергетичних машин.

Величина амортизаційних відрахувань визначається за формулою:

А_Г = Ст · На / 100, грн, (3)

де Ст - балансова вартість основних фондів, грн; На - норма амортизації по даному виді основних фондів,%;

Вартість основних фондів і сум амортизаційних відрахувань представлені в таблиці 2.

Визначення проектної чисельності працюючих. Номінальний фонд часу працюючих визначиться по формулі:

F_H-P = (365 - Д₁) · n · Т_СМ = (365 - 112) · 1 · 8 = 2024 години, (4)

де Д₁ - кількість вихідних і святкових днів у році; n - кількість змін у добі (у даному випадку n = 1); Т_СМ - тривалість робочої зміни, година.

Явочний обслуговуючий штат. Рекуперативну систему у відділенні ремонту електричних машин складає 2 особи, у тому числі: оператор - 1 особа; електрик - наладчик - 1 особа.

Таблиця 2. - Вартість основних виробничих фондів і річні амортизаційні відрахування

Розраховано на 10 - 15 років експлуатації

Обліковий штат основних робітників визначиться:

Ш_С = Ш_Я · З · К_СП, (5)

де Ш_Я - явочний штат, чол.; З - кількість змін у добі; К_СП - коефіцієнт облікового штату:

К_СП = f₁ · f₂ · f₃ = 1 · 1,078 · 1,03 = 1,11, (6)

де f₁ =1 - коефіцієнт, що враховує підміну на вихідні дні; f₂ - коефіцієнт, що враховує підміну на відпустку, визначиться при тривалості відпустки 26 календарних днів, як 1 + 26 / [365 - (26 + 8)] = 1,078; f₃ - коефіцієнт, що враховує підміну на невиходи по поважних причинах (2% - хвороба, 1% - державні обов'язки), дорівнює 1,03;

Резервний штат на вихідні дні визначиться:

Ш_ВД = Ш_Я · (f₁ - 1) = 1 · (1 - 1) = 0.(7)

Резервний штат на відпустки:

Ш_О = Ш_Я · (f₂ - 1) = 1 · (1,078 - 1) = 0,078. (8)

Резервний штат на державні обов'язки і невиходи через хворобу:

Ш_ГО = Ш_Я · f₁ · f₂ · (f₃ - 1) = 1 · 1,078 · (1,03 - 1) = 0,032.(9)

У цілому, обліковий штат визначиться:

Ш_С = Ш_Я + Ш_ВД + Ш_О + Ш_ГО = 1 + 0 + 0,078 + 0,032 = 1,11 ? 1.(10)

Аналогічним чином обліковий штат розраховується для інших робітників. Результати розрахунку облікового штату наведено в таблиці 3.

Розрахунок фонду заробітної плати. Розрахунок фонду заробітної плати здійснювали окремо за кожною професією робітників.

Основна заробітна плата визначається за формулою:

З_Т = Т · У · Т_СМ · Ш_СП, грн, (11)

де Т - годинна тарифна ставка одна працюючого, грн/година (таблиця 3); В - кількість виходів одного працюючого у запланованому періоді; Т_СМ - тривалість однієї зміни, година; Ш_СП - обліковий штат дільниці.

Таблиця 3. - Обліковий штат

Премії з фонду заробітної плати розраховуються за формулою:

З_П = З_Т · П / 100%, грн., (12)

де П - розмір премії за виконання виробничої програми, %.

Додаткова зарплата за вислугу років визначається:

З_В = З_Т · Л / 100%, грн., (13)

де Л - розмір винагороди за вислугу років, %

Фонд заробітної плати (ФЗП) дорівнює:

ФЗП = З_Т + З_П + З_В, грн.(14)

Премії з фонду матеріального заохочення (ФМЗ) за якість продукції складуть М = 5% від ФЗП робітників:

ФМЗ = ФЗП · М / 100%, грн.(15)

Заробітна плата визначиться:

ЗП = ФЗП + ФМЗ, грн.(16)

Відрахування на соціальне страхування, фонд зайнятості працівників складає 37,5% від суми основної і додаткової зарплати:

Ф_СОЦ = ЗП · 37,5/ 100, грн.(17)

Аналогічним образом розраховується фонд заробітної плати робітників з іншою годинною тарифною ставкою. Результати розрахунків наведено в таблиці 4.

Розрахунок собівартості рекуперативної системи. Енергетичні витрати експлуатації установки складаються з витрат на технологічну електроенергію, на електроенергію оссвітлення, на технічну воду і воду на господарсько-побутові потреби.

Таблиця 4. - Результати розрахунку фонду заробітної плати і відрахувань на соціальне страхування

Розрахунок технологічної і силової електроенергії розраховували за формулою:

Э_ТС = У (Рi · К_С) · F_Д, кВт · година,(18)

де У Рi - сумарна встановлена потужність усіх електроспоживачів, кВт; F_Д - дійсний річний фонд часу роботи устаткування, година; К_С - коефіцієнт попиту:

К_С = К_И · К,

де К_И - коефіцієнт використання потужності електроспоживачів; К - коефіцієнт, що враховує одночасність роботи електроспоживачів.

Э_ТС = 15 · 2024 · 0,23 · 0,18 + 0,5 · 2024 · 0,23 · 0,18 = 1299 кВт · година.

Витрата електроенергії на виробниче освітлення визначиться за формулою:

Э_О = S_O · q · F_O · K_O / 1000, кВт · година, (19)

де S_O - освітлювана площа м²; q - питома витрата електроенергії на одиницю площі виробничих приміщень (12...18 Вт/м²); К_О - коефіцієнт, що враховує одночасність горіння ламп (0,7...0,9); F_O - число годин висвітлення в році.

Э_О = 30 · 12 · 800 · 0,7/ 1000 = 201,6 кВт · година.

Витрата води на господарсько-побутові потреби:

В_ХБ = Ш_СП · q · F_B, м³,(20)

де Ш_СП - обліковий штат, осіб; q - питома витрата води на одного робітника за годину, м³/(осіб·година); F_B, - дійсний фонд часу роботи, година.

В_ХБ = 2 · 0,01 · 2024 = 40,5 м³.

Зведену відомість енергетичних витрат наведено в таблиці 5.

Розрахунок додаткових витрат на самообслуговування. До статті витрат на утримання й експлуатацію устаткування варто віднести витрати на допоміжні матеріали, що споживаються в процесі ремонту й експлуатації устаткування; електроенергію, стиснене повітря, воду, що витрачаються для приведення в дію машин і здійснення технологічних процесів.

Витрати на поточний ремонт устаткування приймаються в розмірі 10-15% його первісної вартості.

Інші витрати дільниці визначаються в розмірі 10...12% від суми заробітної плати робітників:

Таблиця 5. - Зведена відомість енергетичних витрат

Витрати на охорону праці приймаємо рівними _ 30 грн. на одного працюючого на рік.

Зношення малоцінного устаткування й інвентарю, що швидко зношується, складає 20 грн. на одного працюючого на рік.Для визначення собівартості продукції складаємо кошторис витрат, що представлено у таблиці 6.

Розрахунок економічних показників на створення дослідно-промислового зразка. Позитивний економічний ефект при впровадженні рекуперативної системи утворюється за рахунок різниці витрат на паливо, що витрачається за рік тепловозом без рекуперативної системи та із нею. За попередніми розрахунками економія палива на 1 тепловоз за рік складе приблизно 80 тон за рік [3, 4]. При ціні за 1 тону пального 6200 грн. (за цінами 2009р.), річні додаткові витрати при експлуатації без рекуперативної системи становлять В_З = 496000 грн.

Таблиця 6. - Кошторис витрат

Э_Г = (В_З - В_Т) - Е_Н · К = 56681,6 грн./рік, (21)

де В_З - витрати на існуючу технологію, грн./рік; В_Т - витрати на розроблену технологію, грн./рік; Е_Н - нормативний коефіцієнт капітальних вкладень; К - обсяг капітальних вкладень, грн.

Прибуток визначиться за формулою:

П = В_З - В_Т = 216913,6 грн./т.(22)

Питомі капітальні вкладення на величину товарної продукції:

К_у = К / Т_пр = 3,83 грн./грн.(23)

Продуктивність праці одного працівника:

ПТ = Т_пр / Ч_пп = 139543,2 грн./чол.(24)

Оборотні кошти визначаємо в розмірі 10% від величини товарної продукції:

С_ОБ = 0,2 · Т_ПР = 27908,6 грн.(25)

Рентабельність:

Р = П_Г / (К + С_об.) · 100% = 19,8 %(26)

Термін окупності капітальних вкладень:

Т_ОК = К / П_Г = 4,92 року.(27)

До додаткових витрат, кошти на які виділяються централізовано, слід віднести проведення наукових робіт по вдосконаленню дослідно-промислового зразка. Загальна вартість робіт складе 148000 грн.

Основні техніко-економічні показники проекту наведено в таблиці 7

Таблиця 7. - Основні техніко-економічні показники при впровадженні дослідно-промислового зразка

Розрахунок економічних показників серійного випуску рекуперативної системи та переоснащення тепловозів ЧМЭ3Т. Для розрахунків прийняли програму переоснащення 10 тепловозів ЧМЭ3Т в рамках виробничо-технологічної бази одного локомотивного депо. За представленою методикою було виконано аналогічний розрахунок. Для скорочення описової частини результати розрахунків зводимо в таблиці 8.

Таблиця 8. - Основні техніко-економічні показники при серійному випуску рекуперативної системи та переоснащенні 10 тепловозів ЧМЭ3Т

Як виходить з наведених даних, з серійним впровадженням рекуперативної системи показники економічної ефективності значно зростають, але й впровадження дослідно-промислового зразка дає позитивний економічний ефект

Висновок

рекуперація тепловоз транспортний

Розрахунок економічних показників впровадження навіть дослідно-промислового зразка дозволить одержати позитивний економічний ефект в розмірі 56,7 тисяч гривен при терміну окупності капітальних витрат 4,9 року (рекуперативна система розрахована на експлуатацію протягом 10...15 років). Серійне оснащення рекуперативною системою 10 локомотивів за рік дозволить одержати економічний ефект 1,02 млн. грн.

Размещено на Allbest.ru