Применение накопителей энергии на горном локомотивном транспорте

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение накопителей энергии на горном локомотивном транспорте

В.Ю. Зинченко, Е.Д. Филатова, Ю.Д. Филатова

Горный институт НИТУ «МИСиС»

На отечественном горном транспорте эксплуатируются локомотивы, большая часть которых разработана до 1990 года и не отвечает современным требованиям энергоэффективности и экологической безопасности. Наиболее эффективными и экологически безопасными являются электровозы и тяговые агрегаты, питающиеся от электрических контактных сетей. Однако значительные трудности при эксплуатации тяговых агрегатов и рудничных контактных электровозов возникают вследствие непостоянства мест погрузки и разгрузки горной массы, материалов и оборудования. Кроме того, на рудниках и подавляющем большинстве карьеров разработка горных пород проводится с применением взрывных работ, а погрузка грузовых вагонов и думпкаров производится экскаваторами. При использовании экскаваторов существует опасность касания ковша экскаватора к контактному проводу. Для уменьшения повреждений тяговой сети контактный провод на время проведения взрывных работ демонтируется, укладывается на землю и защищается или проводятся комбинированные действия. Эти технологические операции приводит к увеличению трудоемкости и снижению производительности на транспорте. Там, где питание тягового подвижного состава от электрических сетей невозможно, на поземных горных работах используются аккумуляторные электровозы, на открытых работах - тяговые агрегаты с дизельными секциями[1-7].

Основным недостатком тяговых агрегатов с тепловозной секцией является загрязнение окружающей среды [8,9,10].. Массы вредных веществ в выхлопных газах дизельного двигателя мощностью 1470 кВт дизельгенераторной установки 14ДГУ-2, при движении тягового агрегата ОПЭ1на передвижных путях в режиме 50% мощности в кг/ч приведены в табл. 1. Суммарная масса выбросов равна 8,56 кг/ч. Кроме того, в воздух выбрасывается ненормируемые вещества оксиды серы SO_x.. Если при движении по электрифицированному участку дизельный двигатель не выключается и продолжает работать в режиме холостого хода, то в атмосферу дополнительно выбрасывается 0,93кг вредных веществ в час. [10].

В последние годы заметно снизилось применение контактно-дизельных тяговых агрегатов на карьерах, но не в связи с внедрением новых экологически безопасных транспортных машин, а вследствие существенного подорожания горюче-смазочных материалов. Новый экологически безопасный тяговый агрегат НП-1 хотя и имеет реализуемую силу тяги на 8% больше, но в его штатном составе отсутствует тепловозная секция или накопитель энергии.

Табл. 1. Вредные компоненты в выхлопных газах дизельного двигателя

Техническая характеристика экологически безопасных контактно-аккумуляторных электровозов ВЛ-26 приведена в табл.2.

накопитель энергия горный локомотивный

Табл. 2. Характеристика контактно-аккумуляторного электровоза ВЛ- 26

На отечественных карьерах и в настоящее время широко применяются тяговые агрегаты, технические характеристики которых приведены в табл.3.

Карьерные тяговые агрегаты постоянного тока ПЭ2М, ПЭ2У и переменного тока ОПЭ-1АМ состоят из электровоза управления ЭУ и двух моторных думпкаров МД и не могут автономно передвигаться на участках рельсового пути, необорудованных контактной тяговой сетью

[9,10]. Тяговые агрегаты ОПЭ-1 и ОПА-1А оснащены контактно-дизельными КЭСУ и состоят из трех секций: ЭУ (электровоз управления), МД (моторный думпкар), ДС (тепловозная секция). На секции ДС установлена дизель-генераторная силовая установка ДГУ, от которой на участках рельсового пути, необорудованных контактной тяговой сетью, питаются основные и вспомогательные потребители тягового агрегата. В настоящее время срок эксплуатации многих тяговых агрегатов значительно превышает нормативный и они по своему техническому уровню не обеспечивают эффективную эксплуатацию в глубинной зоне карьеров, а также в условиях Крайнего Севера.

Эту проблему можно решить, используя различные накопители энергии - конденсаторы с двойным электрическим слоем КДЭС (суперконденсаторы), ИНинерционные накопители (маховики), электрохимические накопители электрической энергии ЭХН (аккумуляторные батареи), сверхпроводные индуктивные накопители СПИН [11]. Высокую удельную мощность имеют накопители КДЭС, ИН и СПИН, которые могут успешно эксплуатироваться в пиковых режимах нагрузки при температурах от-70С ? до+70С?, но их удельная энергоемкость значительно ниже, а стоимость гораздо выше, чем ЭХН. Исследованиями было установлено, что на карьерном транспорте ИН следует использовать для сглаживания нагрузки на тяговых подстанциях на напряжения 3-10 кВ, а СПИН - для аварийного питания электрических сетей напряжением 35-110-220 кВ. [3-8]. ЭХН имеют большую паспортную удельную энергоемкость, но меньшую удельную мощность, чем КДЭС. Для приема рекуперативной энергии и обеспечения автономного режима движения рациональнее ЭХН использовать в комбинированных накопителях энергии КНЭ в паре с КДЭС В комбинированный накопитель энергии КНЭ кроме суперконденсаторов и аккумуляторных батарей должно входить дополнительное оборудование: реверсивный преобразователь постоянного напряжения, автономный инвертор тока с промежуточным индуктивным звеном[3, 4,5,11]..

Доля энергии суперконденсатора в комбинированном накопителе может быть небольшой и не превышать 1-2% полного запаса энергии, которую может отдать комбинированный накопитель при разряде ЭХН накопителя номинальным током [3,5,6,11].

Табл. 3. Характеристики тяговых агрегатов

При выполнении настоящей работы был проведен расчет величины запаса энергии накопителя для тягового агрегата, имеющего сцепную массу 360т и перевозящего состав из 10 грузовых думпкаров. Грузоподъемность думпкаров 105т, собственная масса 48т. Общая масса поезда равна 840т. В расчетах были приняты следующие условия:.

1. Горная масса перевозится вверх из карьера на поверхность без перецепок одним транспортным средством (тяговым агрегатом) с накопителем энергии.

2. По забойным и отвальным временным горизонтальным путям поезд перемещается с постоянной скоростью 15 км/ч, с постоянным тяговым усилием и совершает остановки для погрузки и разгрузки.

3. Запас энергии в накопителе должен превышать энергию, затрачиваемую на движение поезда по забойным и отвальным путям в оба конца с учетом затрат энергии на собственные нужды поезда и маневровые работы.

4. Торможение поезда в капитальных траншеях и съездах с отвалов должно производиться с рекуперацией энергии.

5. Дополнительной расход энергии на маневры под погрузкой и разгрузкой учтен коэффициентом Км, на собственные нужды - коэффициентом Ксн. Принято, что Км= Ксн = 1,2.

6. Для электрических накопителей энергии к.п.д. передачи примем равным 0,88, для инерционных накопителей кпд передачи выберем равным 0,85 и расход энергии на собственные нужды - 3,5%.

Конечные результаты расчетов запаса энергии в накопителе при длинах горизонтальных участков пути 300м, 500м и 1000м приведены в табл.4.

Табл.4. Зависимость запаса энергии в накопителе от длины горизонтального участка.

Из сравнения табл. 3 и табл.4 следует, что запас энергии тяговой аккумуляторной батареи контактно-аккумуляторного электровоза ВЛ26 в 5-часовом режиме разряда превышает требуемый расчетный запас энергии, необходимый для работы в автономном режиме на участке длиной 1 км (77,0 кВтч < <462 кВтч). Однако дальнейшие расчеты показали, что аккумуляторная батарея 672 ТНЖШ-550 не сможет обеспечить требуемую величину скорости 15 км/ч на участках, не оборудованных контактной сетью.

Результаты расчета энергии рекуперативного торможения при движении поезда на спуске в траншее приведены в табл.5. При расчетах энергии рекуперативного торможения уклон траншеи был принят равным 40%о, карьера глубина карьера - равной 100м, 150м, 200м и 250м, а длина тормозных участков 2,5 км, 3,75 км, 5,0км и 6,25 км, соответственно.

Таб.5. Результаты расчета энергии рекуперативного торможения

В качестве накопителя для приема энергии торможения для была выбрана свинцово-кислотная аккумуляторная батарея 440х7PzSL805 на напряжение 880В, емкостью 805 Ач, отдаваемая энергия которой в 5часовом режиме разряда равна 797,5 кВтч. Габаритные размеры аккумуляторной батареи 440х7PzSL805 позволяют разместить ее на тяговом агрегате, а ее энергоемкость достаточна, чтобы принять максимальную энергию рекуперативного торможения 485 кВтч, приведенную в табл.5.

Заключение

1. Создать экологически безопасные, ресурсо - и энергосберегающие высокопроизводительные тяговые агрегаты, пригодные для эксплуатации в глубоких карьерах и в условиях Крайнего Севера, возможно с использованием накопителей энергии. Накопители энергии можно размещать как на тяговых агрегатах, так и на тяговых подстанциях[4,11]..

2.Для накопления электроэнергии при 5-7кратных перегрузках тяговых электродвигателей целесообразно применять суперконденсаторы КДЭС и инерционные накопители ИН.

3. Дальнейшее совершенствование горного локомотивного транспорта обеспечит замена традиционного коллекторного электрического привода постоянного тока современным бесколлекторным[12].

Список литературы

1. Белозеров В.И., Степаненко В.П. Актуальность создания карьерных локомотивов с накопителями энергии. // Горная промышленность.- 2014.- № 5-С.76.

2. Степаненко В.П. Применение комбинированных (гибридных) энергосиловых установок в горной промышленности // Горный информационно-технический бюллетень.-2014.-№11.- С. 322-328.

3. Степаненко В.П., Белозеров В.И., Сорин Л.М. Перспективы применения комбинированных накопителей энергии на карьерном железнодорожном транспорте// Горный информационноаналитический бюллетень. -2015-. №5.- С. 317-321.

4. Степаненко В.П., Белозеров В.И. Применение комбинированных (гибридных) энергосиловых установок горнотранспортных машин.// Горный информационноаналитический бюллетень. -2015-. №2.-С.174-181.

5. Степаненко. В. П., Сорин Л.Н. Энергоэффективность подземной локомотивной откатки с гибридными накопителями энергии.// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015.- №6.- С. 135-140.

6. Степаненко В. П., Сорин Л.Н. Актуальность ресурсо- и энергосбережения подземных рудничных локомотивов с комбинированными накопителями энергии // Горный информационноаналитический бюллетень. - 2015.- №5.-С.323-328.

7. Степаненко. В. П. Исследование зависимости коэффициента сцепления рудничных электровозов от абразивности горных пород.// Горный информационно-аналитический бюллетень.-№2.-С.168173.

8. Потапов М.Г. Карьерный транспорт. М. Недра,1980. 1980.с.262.

9. Шадрин Н.М.. Электровозный транспорт. Справочник рабочего. М, Недра, 1995, с.214.

10. Методика расчета вредных выбросов (сбросов) для комплекса оборудования открытых горных работ. Люберцы, 1999, 48с.

11. Шевлюгин М.В. Ресурсо- и энергосберегающие технологии на железнодорожном транспорте и метрополитенах, реализуемые с использованием накопителей энергии. Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н. // МГУПС (МИИТ).- 2009.- с. 51

Размещено на Allbest.ru