Реализация рекуперативного торможения на тепловозах при использовании гибридного привода



Основным направлением повышения энергоэффективности на железнодорожном транспорте, является сокращение потребления топлива подвижным составом. Расходы на топливо в организациях занимающихся пассажирскими и грузоперевозками железнодорожным транспортом, составляют 60 % и более от общих затрат на ТЭР. Одним из основных направлений повышения эффективности перевозок является увеличение веса и скорости движения поездов, ускорение процесса переработки составов на терминале. Это определяет дальнейший рост секционной мощности тепловозов. Однако, основным источником повышенного расхода топлива тепловозами являетсяпереходный режим при наборе мощности и ускорении тепловоза.

Три группы мероприятий по направлению повышения энергоэффективности подвижного состава и организации в целом: технические; технологические; организационные. В работе уделено внимание техническим мероприятиям, направленным на повышение экономичности и надежности работы всех узлов и агрегатов тепловозов. Так одним из таких мероприятий является применение «гибридного привода», другим — реализация рекуперативного торможения на тепловозах. Под понятием «гибридный привод» подразумевается использование двух и более различных силовых установок, под рекуперативным торможением понимают вид электрического торможения, при котором не задействована пневматическая система локомотива, при этом тяговые двигатели переходят в генераторный режим, а вырабатываемая ими электрическая энергия может быть полезно использована.

На сегодняшний день выполнен ряд исследований по указанным техническим мероприятиям. Так в области применения рекуперативного торможения, сотрудниками ВНИИЖТа доказано, что при дизельной тяге рекуперация позволит снизить расход топлива на 18–23 %, а с учетом стабилизации режима работы теплового двигателя до 30 % [1].

Применение «гибридного привода» за рубежом реализовано компанией General Motors совместно RailPower Technologies (запатентованы различные схемы и конструкции локомотивов с применением накопителей энергии). Так начиная с 2005 г. компании приступили к серийному производству маневровых тепловозов Green Goat с гибридной силовой установкой и накопителями энергии на основе аккумуляторных батарей. Дизель в Green Goat используется лишь для зарядки блока аккумуляторов (наряду с рекуперацией) и для поддержания оптимального уровня его заряда [2].

В свою очередь, в России создан гибридный маневровый локомотив ТЭМ9Н SinaraHybrid, сочетающий в себе наличие экологичного дизельного двигателя внутреннего сгорания средней мощности и комбинированного накопителя энергии на основе литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов. По сравнению с предыдущей базовой моделью локомотива ТЭМ9, на 30 % снижен расход дизельного топлива и до 55 % меньше показатели выбросов отработанных газов в окружающую среду, что соответствует современным зарубежным стандартам по экологии и энергоэффективности [3].

Таким образом, сочетание «гибридного привода» совместно с системой рекуперативного торможения позволит добиться ряда преимуществ, описанных в работе ранее. Функционирование системы реализуется за счет: работы тяговых двигателей в генераторном режиме; получения, хранения и распределения электрической энергии батареей литий-ионных аккумуляторов и обеспечения работы вспомогательных приводов локомотива.

Один из возможных вариантов упрощенной схемы тяговой передачи тепловоза с гибридной системой представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Схема тяговой передачи тепловоза с гибридной тяговой установкой: 1 — дизель; 2 — синхронный генератор; 3 — выпрямительная установка; 4, 5 — контакторы накопителя энергии; 6 — накопитель энергии (конденсаторная система)

Главным элементом гибридной системы является накопитель энергии 6 на основе электрохимических конденсаторов (рисунок 1). Такие конденсаторы носят название суперконденсаторов, которые обладают огромными преимуществами перед аналогичными аккумуляторами разных видов.

Преимущества суперконденсаторов следующие:

– наибольшая плотность мощности из всех разновидностей аккумуляторов — как объемная, так и весовая;

– ресурс эксплуатации составляет свыше 10 лет (около 100000 циклов заряда/разряда);

– очень быстрый процесс заряда батарей — до 100 % емкости от 15 до 40 минут;

– нет необходимости в обслуживании — суперконденсаторы герметичны;

– низкий показатель саморазряда — до 10 % в месяц;

– возможность работы при низких температурах без существенного снижения характеристик;

– возможность получения больших пусковых токов.

Для отражения эффективности применения рекуперативного торможения на тепловозах в статье выполнен расчет количества электрической энергии, вырабатываемой тяговыми двигателями при их работе в режиме генератора, для участка обращения «Алтайская — Бийск». При этом рассматривается вариант движения пассажирского состава, во главе которого — тепловоз ТЭП70БС, по указанному участку на основе данных реальной режимной карты.

Протяженность участка «Алтайская — Бийск» составляет 147 км. В соответствии с этим, количество сэкономленной энергии, при поддержании скорости на уклонах составляет сумму экономии на каждом уклоне, рассчитываемую по формуле 1.

(1)

где механическая работа торможения на спуске, ткм;

крутизна спуска, на котором производится рекуперативное торможение, ‰;

основное удельное сопротивление поезда, кг/т;

расстояние, на котором производится торможение, км;

сцепной вес тепловоза, т;

масса вагонов брутто, т.

При рекуперативном торможении для снижения скорости, что чаще всего имеет место при остановках, возможная энергия рекуперации равна погашаемой энергии поезда и может быть определена по формуле, МДж:

(2)

где механическая работа торможения, МДж;

, соответственно скорости в начале и конце рекуперативного торможения, км/ч.

Необходимая длина тормозного пути, на котором применяется рекуперация, равная, м:

(3)

где удельная тормозная сила рекуперации, кг/т;

Удельная тормозная сила рекуперации, равная, кг/т:

(4)

где механическая работа торможения, МДж;

Величина принимается в том же интервале скоростей, в котором определяется и потеря кинетической энергии.

Расчетная формула возможной механической работы рекуперации, МДж:

(5)

где механическая работа торможения, при снижении скорости на спуске, МДж;

основное удельное сопротивление поезда, кг/т;

Используя правила тяговых расчётов в локомотивной тяге находим, необходимы параметры для расчета. Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты расчетов

Удельное сопротивление движению локомотива ωл, Н/кН	Удельное сопротивление движению пассажирских вагонов ωв, Н/кН	Нагрузка на ось пассажирского вагона, qo, т	Общее сопротивление движению поезда ωо, Н/кН	Масса пассажирского вагона mв, т	Количество осей пассажирского вагона no, шт
3,15	2,673	15	5, 823	60	4

Исходя из данных табл. 1, в расчёт не стоит принимать уклоны менее 5,823 ‰, так же не приняты уклоны длинной менее 500 м, как несущественные. Фрагмент результатов расчёта по приведенным выше формулам представлен в таблице 2.

Таблица 2

Анализ пути иколичество сэкономленной на уклонах энергии рекуперации

Прямое направление (Алтайская— Бийск)			Обратное направление (Бийск— Алтайская)
Крутизна уклона, ‰	Протяжённость, м	Количество сэкономленной энергии, МДж	Крутизна уклона, ‰	Протяжённость, м	Количество сэкономленной энергии, МДж
-7,5	2500	30,21	-14,3	600	36,66
-8,2	1800	30,84	-6,3	1500	5,15
-8,2	4700	80,52	-6,3	600	2,06
-7,3	1000	10,64	-7,5	1200	14,50

Для подведения итогов анализа профиля пути, вычислим общую протяжённость уклонов, км:

(6)

где протяжённость одного уклона.

Рассчитаем среднюю крутизну уклона, ‰:

(7)

гдекрутизна одного уклона, ‰;

общая протяжённость уклонов, м;

протяжённость одного уклона, м.

Обобщённые итоговые значения анализа профиля пути и расчёта сэкономленной энергии рекуперации во время поддержания скорости на спусках представлены в таблице 3.

Таблица 3

Итоги расчёта профиля пути иколичества полученной энергии рекуперации

Направление	Прямое (Алтайская— Бийск)	Обратное (Бийск— Алтайская)
Общая протяжённость уклонов, м	100000
Протяжённость уклонов, принятых в расчёт, м	24800	39100
Среднее значение уклонов, ‰	1,29
Среднее значение уклонов, принятых в расчёт, ‰	-11,044	-10,62737
Общее количество сэкономленной энергии, МДж	725,96	1360,13

Согласно режимной карте «Алтайская — Бийск», в пути следования поезд совершает 18 остановок (включая остановку в пункте прибытия), в соответствии с этим, количество сэкономленной энергии, при торможении для осуществления каждой остановки, составляет сумму экономии на при каждой остановке, рассчитываемую по формуле (2):

Общее количество сэкономленной энергии в процессе работы рекуперации является суммой подсчитанных выше составляющих, МДж:

(8)

Подставив численные значения в формулу (8), получим:

Полученная величина сэкономленной энергии в процессе работы системы рекуперации в полной мере отражает высокую энергетическую эффективность, которая может быть получена в результате совместной работы «гибридного привода» и системы рекуперативного торможения. Таким образом, внедрение таких систем на тепловозах является актуальной задачей для транспортной отрасли и для ОАО «РЖД» в частности.

Литература:

1. Лосев Е. П. Эффективность применения накопителей энергии в силовых установках автономных локомотивов: дис. канд. технических наук. Московский гос. университет путей сообщения, Москва, 2000.
2. Патент US 2002/0174798, Пат. US 2005/0206331
3. Зубихин А. В., Федоров Е. В., Тарасов А. Н.. Маневровый тепловоз с гибридной силовой установкой SinaraHybrid // Техника железных дорог. 2012. № 2. с. 45–50.