Повышение эффективности системы анализа и нормирования энергопотребления на тягу поездов

Основной нормативный документ «Указания по обработке маршрутов машинистов и других учетных документов в конторах оперативно-технического учета локомотивных депо», определяющий функционирование системы
нормирования и учета энергопотребления по каждой поездке локомотивной бригады, был принят еще в 1973 г., к настоящему времени морально устарел и не учитывает возможностей современной автоматизированной системы ЦОММ. В диссертации сформулированы предложения по повышению эффективности системы первичной обработки данных маршрута машиниста в части учета расхода ТЭР на тягу поездов, основные из которых заключаются в следующем.

1. Учет электроэнергии, израсходованной на тягу и возвращенной в контактную сеть при рекуперации, необходимо осуществлять раздельно. Это позволит адекватно оценить эффективность ведения поезда локомотивной бригадой в режимах тяги и рекуперации и создать основу для реализации системы нормирования возврата электроэнергии в контактную сеть при применении рекуперативного торможения.

2. Расчет права расхода ТЭР за поездку в любом виде движения следует выполнять по общей формуле:

где Wтехн, Wоп - право расхода электроэнергии или дизельного топлива по технической и пооперационным нормам соответственно, кВт•ч или кг;

kц, kсоед, kТПЕ ? корректирующие коэффициенты, учитывающие наличие в составе грузового поезда более 50 % груженых цистерн, проведение соединенного поезда и индивидуальные технические особенности тяговой подвижной единицы (ТПЕ) соответственно;

Wот - фактический расход электроэнергии на отопление пассажирских вагонов в пути следования по показаниям прибора учета, кВт•ч (только для электрической тяги);

j, i - счетчики строк маршрута машиниста и пооперационных норм расхода ТЭР соответственно.

Такой подход обусловлен тем, что расход электроэнергии на отопление в первую очередь зависит от метеорологических условий, теплотехнического состояния вагонов, характеристик системы отопления и не зависит от квалификации локомотивной бригады.

На рис. 2 приведены диаграммы средних квадратических отклонений (СКО) относительного расхождения суммарного права расхода электроэнергии и фактического ее расхода для пассажирских поездов, построенные по данным 462 маршрутов машинистов локомотивного депо Омск за декабрь 2010 г. - февраль 2011 г. Представленные графики свидетельствуют о том, что применение предлагаемого способа вычисления права расхода электроэнергии обеспечивает повышение объективности и точности нормирования.

Рисунок 2 - Диаграмма СКО расхождений суммарного права расхода электроэнергии и фактического ее расхода по номерам поездов

В диссертации также сформулированы рекомендации, касающиеся порядка установления технических и пооперационных норм удельного расхода ТЭР на различные виды работ, а также контроля соответствия фактического энергопотребления праву расхода.

Разработанные предложения включены в новую редакцию Инструктивных указаний по обработке маршрута машиниста, утвержденных старшим вице-президентом ОАО «РЖД» В. А. Гапановичем и готовящихся к внедрению на сети железных дорог.

С целью повышения эффективности управления энергопотреблением сформулированы предложения по совершенствованию статистической отчетности в системе ЦОММ о непроизводительном расходе ТЭР на тягу поездов, обеспечивающие возможность проведения детального исследования по различным направлениям его учета.

Основой для анализа расхода ТЭР в локомотивном депо является статистический отчет теплотехника. В диссертации усовершенствована его структура и разработана методика его получения. Предложенные формы таблиц данного отчета отличаются от используемых в настоящее время наличием показателей динамики энергопотребления и результатов расхода энергии и рекуперации в расчете на одного машиниста. Кроме того, синтезированы формы отчетности об эффективности возврата электроэнергии в контактную сеть при рекуперативном торможении и расходе электроэнергии на отопление пассажирских вагонов, отсутствующие в существующей в локомотивном депо системе теплотехнической отчетности. Разработанные отчетные формы реализованы в автоматизированной информационной системе статистического анализа энергозатрат на тягу поездов, внедренной в 2009 г. во всех эксплуатационных локомотивных и мотор-вагонных депо Западно-Сибирской железной дороги.

Третий раздел посвящен разработке методики вертикально интегрированных энергетических обследований тяги поездов. Основным технологическим комплексом на железнодорожном транспорте является осуществление перевозочного процесса. Получение объективных данных об объеме используемых энергетических ресурсов, определение показателей энергетической эффективности, определение потенциала энергосбережения и повышения энергетической эффективности невозможно без учета тягового энергопотребления. Однако специфика расходования топлива и электрической энергии на тягу поездов не позволяет при энергетическом обследовании локомотивного депо использовать широко распространенные в настоящее время методики проведения энергоаудита промышленных предприятий или объектов жилищно-коммунального хозяйства.
В связи с этим предложена методика вертикально интегрированных энергетических обследований тяги поездов на объектах железнодорожного транспорта, основой которой являются специально разработанные комплекты таблиц для статистического анализа энергозатрат на тягу поездов (САЭТ). В диссертации представлена структура таких таблиц для эксплуатационного локомотивного депо, региональной дирекции тяги и центральной дирекции тяги ОАО «РЖД», приведен порядок их заполнения и анализа.

Согласно методологии системного подхода объект исследования - энергозатраты на тягу поездов - целесообразно группировать по различным признакам, позволяющим упростить рассмотрение тягового энергопотребления с учетом влияния на него основных эксплуатационных факторов. Основным критерием систематизации таблиц САЭТ является функциональное назначение входящих в них показателей. В соответствии с этим на уровне железной дороги рекомендовано выделить следующие комплекты таблиц:

ретроспективные ряды фактических показателей работы и энергопотребления эксплуатационных локомотивных депо железной дороги за пять лет. Эти данные служат основой для проведения анализа выполнения программы энергосбережения и повышения энергетической эффективности, выработанной при предыдущем энергообследовании, а также определения тенденций изменения основных показателей потребления ТЭР на тягу поездов;

сведения о работе локомотивов и топливно-энергетический баланс по видам тягового подвижного состава и структурным подразделениям железой дороги;

детализированные данные о расходе электрической энергии и дизельного топлива на тягу поездов. С целью повышения энергетической эффективности тяги поездов целесообразно производить ежемесячный мониторинг ее индикаторов, в числе которых для электрической тяги можно назвать удельный расход электроэнергии на тягу по сериям локомотивов и видам движения, удельный расход электроэнергии на отопление пассажирских вагонов, долю возврата электроэнергии в контактную сеть при применении рекуперативного торможения от расхода на тягу, удельную рекуперацию и др. Для достижения целевых индикаторов в первую очередь необходимо использовать основные энергосберегающие технические решения и технологии, представленные в Перечне типовых мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности для различных категорий потребителей топливно-энергетических ресурсов в ОАО «РЖД», разработанном при участии автора и утвержденном распоряжением старшего вице-президента ОАО «РЖД» В. А. Гапановича от 31 марта 2011 г. № 685р.

В четвертом разделе рассмотрены методики анализа и нормирования энергии, возвращенной в контактную сеть при применении на электроподвижном составе рекуперативного торможения (РТ), представлены результаты экспериментальных исследований по оценке потенциала возврата электроэнергии в контактную сеть при применении указанного режима, проведенных при участии автора в 2010 г. на Свердловской железной дороге.

Основой предложенной системы анализа является циклический алгоритм сравнения результативности возврата электроэнергии на различных уровнях интеграции данных об энергопотреблении (рис. 3).

На первом этапе реализации предложенного алгоритма определяются категории анализа, имеющие значительную долю работы, но низкую эффективность применения рекуперативного торможения. Эти категории являются основой для дальнейшего детального рассмотрения, одним из наиболее эффективных направлений которого служат экспериментальные исследования в соответствии со схемой, представленной на рис. 4. Программа такого эксперимента была разработана и реализована при участии автора при энергетическом обследовании депо Чусовская Свердловской железной дороги в декабре 2010 г.

Рисунок 3 - Обобщенная графическая схема алгоритма анализа эффективности рекуперации

На определенном в ходе предварительного анализа участке А - Б в результате эксперимента был выявлен значительный (около 20 %) потенциал снижения расхода электроэнергии за счет применения РТ, которое в реальной практике по различным причинам применялось в очень незначительной мере.

Рисунок 4 - Схема проведения экспериментальных исследований по оценке эффективности рекуперации

Роль стимулирующего и вместе с тем контролирующего фактора повышения эффективности применения рекуперативного торможения могла бы выполнить объективная, научно обоснованная норма возврата энергии в контактную сеть, однако порядок ее определения в настоящее время отсутствует. Потенциальные значения энергии рекуперации на конкретных поездоучастках определяются в ходе тяговых расчетов по разработанным режимным картам вождения грузовых поездов. При этом не принимаются во внимание фактические уровни напряжения в контактной сети и наличие потребителя возвращенной энергии, токи якоря определяются по идеальным зависимостям тока от скорости движения в начале использования режима рекуперативного торможения, расчет производится для конкретных масс поездов (чаще для унифицированных и критических), а также не учитываются характеристики состава поезда, квалификация машиниста, качество настройки системы рекуперации на тяговой подвижной единице и другие параметры. По этим причинам полученные расчетные значения часто оказываются существенно выше или ниже фактических, что не позволяет однозначно принять их в качестве нормативов возврата электроэнергии при применении рекуперативного торможения.

С целью решения описанной выше проблемы разработана методика нормирования и планирования объема энергии рекуперации, в основу которой положена установленная математическая модель зависимости удельной рекуперации wр от массы поезда m в виде уравнения парной регрессии: энергопотребление поезд локомотивный торможение

Вследствие значительной неравномерности распределения тонно-кило-метровой работы по интервалам массы поезда расчет регрессионных коэффициентов a0, a1 модели (2) следует выполнять по данным маршрутов машинистов с учетом доли выполненной работы:

где , , бi - среднее значение удельной рекуперации (кВт•ч/10 тыс. т-км брутто), средняя масса поезда (т) и доля выполненной перевозочной работы в i-м интервале массы поезда соответственно.

Технология оценки доверительного интервала для полученного значения wр осуществляется на основе принципов математической статистики и приведена в диссертации.

Регрессионные модели вида (2) были получены для всех участков Западно-Сибирской железной дороги. Величина коэффициента корреляции для них составила не менее 0,7, эмпирическое значение F-параметра критерия Фишера (не более 1,82) не превышает его критического значения 5,05 при уровне значимости 0,95, что свидетельствует о достаточно высокой степени достоверности этих зависимостей. Пример модели для одного из участков представлен на рис. 5.

Установленные регрессионные зависимости являются основой разработанной методики планирования объема энергии рекуперации на любом уровне иерархии железнодорожного транспорта (сеть железных дорог, железная дорога, локомотивное депо, поездоучасток и др.), суть которой заключается в следующем.

1. Для текущего уровня планирования устанавливаются нижестоящие элементы детализации данных, например, для локомотивного депо это могут быть виды движения, поездоучастки, а для них, в свою очередь, серии локомотивов и категории по массе поезда.

Рисунок 5 - Зависимость wр(m) и гистограмма распределения перевозочной работы электровозов серии ВЛ10 на участке И - М

2. Выделяются наиболее значимые с точки зрения применения рекуперативного торможения элементы (кроме самого нижнего уровня детализации данных по массе поездов) на основе анализа доли объема энергии рекуперации k-го элемента группирования информации Wрk в общем объеме энергии рекуперации по всем элементам:

Дальнейшие действия выполняются для тех элементов, у которых значение лk превышает установленную теплотехником депо минимальную величину.

3. По статистическим данным не менее, чем за шесть месяцев, для каждого k-го элемента детализации данных определяется доля перевозочной работы, выполненной по маршрутам машинистов с применением рекуперативного
торможения Арk, в общем объеме перевозочной работы Аk на этом уровне:

4. Удельная рекуперация на k-м уровне планирования определяется на основании данных об удельной рекуперации wрj и структуре перевозочной работы мj по элементам нижестоящего j-го уровня (j = k - 1):

На уровне категорий по массе поезда расчетные значения удельной рекуперации определяются на основании полученных уравнений регрессии (2) для средних значений массы поезда.

5. После расчета удельной рекуперации определяется задание по рекуперации для k-го уровня исследования по формуле:

где Апл.k - плановое значение перевозочной работы, 10 тыс. т-км брутто.

Интегральный экономический эффект от внедрения разработанной методики за период, равный 10 годам, должен составить 658,4 млн р.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Сформулированы рекомендации по повышению эффективности системы обработки маршрута машиниста в части учета расхода энергии на тягу поездов, в том числе предложен способ расчета права расхода ТЭР на тягу поездов за поездку с учетом фактического расхода электроэнергии на отопление пассажирских вагонов в пути следования, что позволяет повысить точность и объективность нормирования энергозатрат. Разработанные предложения включены в новую редакцию Инструктивных указаний по обработке маршрута машиниста, утвержденных старшим вице-президентом ОАО «РЖД» В. А. Гапановичем.

2. Предложена усовершенствованная унифицированная форма статистического отчета теплотехника локомотивного депо, содержащая показатели динамики выполненной работы, тягового энергопотребления и факторов, оказывающих на него влияние, а также средние значения энергопотребления и рекуперации по отдельным категориям исследования, позволяющие осуществлять сравнительный анализ энергетических результатов работы структурных подразделений. Синтезированы формы статистической отчетности об эффективности возврата электроэнергии в контактную сеть при применении рекуперативного торможения и о расходе электроэнергии на отопление пассажирских вагонов в пути следования.

3. Разработана методика вертикально интегрированных энергетических обследований тяги поездов на объектах железнодорожного транспорта, позволяющая на основе принципов системного анализа получить объективную картину тягового энергопотребления на каждом иерархическом уровне железнодорожной отрасли и разработать комплекс организационно-технических мероприятий по повышению энергетической эффективности перевозочного процесса. Предложенная методика включена в состав «Методических указаний по проведению энергетического обследования объектов ОАО «РЖД», утвержденных распоряжением старшего вице-президента ОАО «РЖД» В. А. Гапановича № 685р от 31 марта 2011 г.

4. Предложена усовершенствованная система анализа эффективности применения рекуперативного торможения, позволяющая на основе многоуровневого циклического алгоритма сравнения выявить категории исследования для определения причин низкой эффективности рекуперации.

5. Разработана методика нормирования и планирования возврата электроэнергии в контактную сеть при применении рекуперативного торможения в локомотивном депо. Научно обоснованная норма возврата электроэнергии в контактную сеть выполнит роль дополнительного стимулирующего и контролирующего фактора повышения эффективности применения электрического торможения.

6. Интегральный экономический эффект от проведения энергетического обследования тяги поездов на железных дорогах России и от реализации выявленного потенциала энергосбережения за расчетный период, равный 10 годам, должен составить 209,9 млн р., от внедрения методики планирования и нормирования возврата электроэнергии в контактную сеть при применении рекуперативного торможения за тот же период - 658,4 млн р.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ