Энергосбережение при электрической тяге поездов

10.1.энергосбережение при электрической тяге поездов;

1. Введение

         Электрические железные дороги потребляют значительное количество электрической энергии. Доля потребления электрической энергии железными дорогами в России составляет 8%. Железные дороги -  крупный, энергоёмкий потребитель.

          Расходы на тягу поездов и прочие нужды от общих эксплуатационных расходов составляют 12%. Из затрат на топливно-энергетические ресурсы 77% приходится на тягу поездов и 23% на прочие нужды. В тарифах на перевозку грузов затраты  на энергию составляют 10%.  Рост стоимости электроэнергии увеличит энергетическую составляющую затрат.

         Значительные  потребление электроэнергии железными дорогами и увеличение энергетической составляющей затрат позволяет считать энергосбережение на железнодорожном транспорте приоритетным направлением уменьшения эксплуатационных затрат.

         Наибольший объём электропотребления (75 – 80)% осуществляется  электроподвижным составом. Поэтому основные направления экономии электрической энергии связаны с техническим состоянием электровоза, уровнем его  эксплуатации и организацией движения поездов. Электропотребление на тягу поездов определяется всей системой эксплуатации железной дороги.

            Экономия электрической энергии зависит:

· от организационного и технического обеспечения перевозочного процесса;

· от эксплуатационных показателей дороги: техническая и участковая скорость  движения поездов; средний вес поезда; среднесуточный пробег локомотива; оборот вагонов; количество неграфиковых остановок поездов;

Рекомендуемые материалы

●  от технического состояния подвижного состава, пути и устройств электроснабжения;

· от  числа локомотивов для перевозки грузов и пассажиров;

·  от структуры поездопотока;

·  от организации движения поездов с неграфиковыми остановками и т.д.

         Энергосбережение на ЖД транспорте выделилось в самостоятельное научное направление  со следующими основными задачами:

· Совершенствование методов анализа энергоемкости железнодорожного транспорта.

· Обоснование наиболее целесообразных с экономической точки зрения путей сокращения энергозатрат;

Снижение затрат на ЭЭ и Т на 1% уменьшает годовые эксплуатационные расходы на 130 млн руб (данные по 1999г).

      Основой энергетической концепции на ЖД транспорте является экономия и энергосбережение при повышении эффективности потребления  топливно-энергетических ресурсов (ТЭР).

2.Основные направления экономии  топливно-энергетических ресурсов на железных дорогах

         Выделяются четыре направления  экономии ТЭР:

· Снижение энергопотребления на тягу поездов;

· Экономия электрической энергии на предприятиях ЖД транспорта (стационарная энергетика);

· Экономия топлива в стационарной энергетике.

· Экономия ЭЭ в системе тягового электроснабжения.

ОАО «РЖД» разрабатывает ежегодные программы внедрения на железных дорогах энергосберегающих средств и технологий. Критерием включения в программу энергосбережения  является расчётная окупаемость затрат при проведении мероприятий в течении  1,5 – 3 года.

         Снижение энергоемкости тяги поездов связано с реализацией:

· Организационных мероприятий;

· Технических мероприятий.

Технические мероприятия предполагают совершенствование технологического оборудования и технологий. Для ЖД транспорта это сводится в основном к улучшению энергетических показателей подвижного состава, что требует значительных материальных затрат.

Организационные мероприятия требуют наименьших инвестиций.

3. Снижение энергопотребления на тягу поездов

3.1. Организационные мероприятия.

3.1.1. Нормирование энергозатрат на тягу поездов и повышение стимулирующего эффекта технологических норм.

К организационным мероприятиям относятся:

· Совершенствование системы нормирования энергозатрат.

         Наибольший потенциал энергосбережения концентрируется в локомотивном депо, где формируют систему технологических норм (энергозатрат на поездку в пределах тягового плеча). Вопросы оптимизации расхода энергоресурсов могут решаться  при условии обоснованного нормирования, учёта и стимулирования.

Сущность системы нормирования состоит из следующих  компонентов:

· Расчёт оптимальной нормы;

· Учёт фактического расчёта энергии;

· Обеспечение стимулирования экономии путём премирования;

· Обучения.

Оптимальная норма, обеспечивающая максимум стимулирующего эффекта является вероятностной статистической задачей. Близость реальной нормы к её оптимальному значению оценивается статистическим анализом отклонений ∆i фактических затрат α_ф  от задаваемых норм α_н, которая вычисляется по каждой поездке на данном тяговом плече  ∆i = 100 (α_н - α_ф)/ α_н , %.

Массив случайных чисел ∆i обрабатывается методом математической статистики и представляется в виде гистограммы N(∆i) и теоретического распределения p(∆i), которое обычно является нормальным. Затем рассчитываются числовые характеристики распределения:

· среднее отклонение фактического электропотребления от нормы ∆ср, %;

· среднее отклонение  электропотребления от нормы по поездкам с пережогом ∆ср пер, %;

· среднее отклонение электропотребления от нормы по поездкам с экономией ∆эк, %;

· среднее квадратическое отклонение σ∆, %.

         Данные характеристики оценивают качество системы нормирования.

По нормированию существуют понятия:

· МТН - минимальная технологическая норма;

· РН –  реальная нормы;

· ОН – оптимальная норма.

Принципы использования:

· ∆ср = 0, чем меньше σ∆, тем ближе реальная норма к оптимальной;

· размытое распределение с большим значением σ∆ свидетельствует о наличии значительной случайной составляющей в задаваемой норме;

· значительное смещение ∆ср вправо свидетельствует о том, что РН >> ОН, то есть все поездки характеризуются экономией и стимулирующий эффект нормы практически отсутствует, то есть С ≈ 0;

· значительное смещение ∆ср влево свидетельствует о слишком жёсткой норме: РН < ОН и возможно даже РН < МТН. В этом случае также отсутствует стимулирующий эффект  к энергосбережению и С ≈ 0;

Количественно реальная норма  РН может быть оценена степенью жёсткости Ж = МТН/РН. По результатам статистического анализа данных депо определилось целесообразное задание норм с жёсткостью Ж = 0,92 – 0,96, то есть РН превышает МТН на 4 – 8%. Этот запас создаёт  необходимый стимулирующий эффект, а распределение Р(∆) имеет такие числовые характеристики: ∆ср = 2÷ 4%, σ∆ = 2÷3% обычно 70 – 80% всех поездок выполняются с экономией.

 Для определения МТН и ОН рекомендуется метод пробных воздействий на действующую систему норм РН. При изменении РН на величину ∆РН изменяется  фактический расход энергии α_ф на величину ∆α_ф. Отношение К = ∆α_ф/∆РН  называется коэффициентом чувствительности системы эксплуатации нормирования электропотребления. Вычисление коэффициента чувствительности по мере корректировки позволяет определить норму оптимального состояния.

 Выводы:

1. Совершенствование системы нормирования энергозатрат на тягу поездов в пределах тягового плеча сводится к следующему:

· Периодическая обработка массива отклонений ∆i фактических затрат α_ф  от задаваемых норм α_н,, которые вычисляются по каждой поездке на данном тяговом плече  ∆i = 100 (α_н - α_ф)/ α_н , %, и определение коэффициентов чувствительности;

· Совершенствование режимных карт;

· Уточнение минимальных технологических норм;

· Целенаправленное воздействие на систему эксплуатационных факторов: весовые нормы, осевые нагрузки, перегонные времена хода.

3.2. Технические  направления энергосбережения:

3.2.1. Составляющие затрат энергии на тягу поездов:

· На выполнение механической работы по преодолению сил трения в контактах рельсов и колес локомотивов и вагонов;

· На преодоление уклонов в пути при следовании поездов;

· Потери в тяговом приводе локомотивов при реализации сил тяги и торможения;

· На отопление и освещение пассажирских поездов;

· Потери в системе электроснабжения  при электрической тяги. 

3.2.2.Смазывание взаимодействующих  поверхностей колёс подвижного состава и рельсов

Для уменьшения износа бандажей колёсных пар локомотивов и рельсов на ЖД используется смазывание. Разработаны эффективные смазки, передвижные рельсосмазыватели, локомотивные гребнесмазыватели. С уменьшением износа поверхностей колёсных пар и рельсов  уменьшается энергия рассеивания, снижается основное сопротивление движению в кривых участках пути радиусом менее 500 м на 30% и на прямых участках пути – 10%.

Вывод: для снижения расходов ЭЭ  на тягу поездов эффективно  применение смазывания взаимодействующих  поверхностей колёс подвижного состава и рельсов на кривых  и на прямых участках пути.

3.2.3. Энергооптимальное управление движением поезда.

ВНИИЖТ разработал программный комплекс  расчёта энергооптимальной траектории движения поезда для конкретных полигонов обращения локомотивов. Решается задача определения энергооптимальной скорости движения при заданных времени хода по участку, допустимой скорости движения, тяговых и тормозных характеристик, массы и длины поезда, плана и профиля пути. Опытные сравнительные  поездки  лучших машинистов и по расчётной энергооптимальной траектории показали существенную экономию от 5 до 15%. Это объясняется лучшим использованием инерции движущегося поезда (увеличение движения поезда с отключенной тягой).

Программный комплекс расчёта энергооптимальной траектории позволяет получать эффективные рекомендации для реализации энергосберегающих приёмов управления движением поездов. Реальная экономия ЭЭ внедрения  энергооптимальных траекторий движения составляет 5-6% расходов на тягу.

Целесообразна организация  учёта изменяющихся условий эксплуатации на станциях отправления поездов и выдача машинисту рекомендаций по энергосберегающему управлению движением поезда с учётом складывающейся эксплуатационной обстановки непосредственно перед поездкой.

Обучение машинистов энергооптимальной траектории движения поезда с использованием программных комплексов.  Обучение машинистов энергооптимальной траектории движения значительно уменьшает количество, не соблюдающих норм расхода ЭЭ на тягу поездов.

Выводы по экономии затрат ЭЭ и Т:

· Внедрение программного  комплекса по расчету энергооптимальных траекторий  движения поезда для конкретных участков обращения локомотивов в локомотивных депо, разработанных во ВНИИЖТ;

· Активное использование программных комплексов расчёта энергооптимальных траекторий в локомотивных депо при обучении машинистов; 

· Организация  расчёта энергооптимальных траекторий движения на станциях отправления поездов и выдача машинисту рекомендаций по энергосберегающему управлению движением поезда с учётом складывающейся эксплуатационной обстановки непосредственно перед поездкой.

3.2.4. Оптимизация энергозатрат при пропуске поездопотока.

При реализации энергооптимальных траекторий  движения времена хода по отдельным перегонам могут не совпадать с временами расписания движения поездов.  Согласование расчетных (оптимизационных) и заданных перегонных времён хода возможно при использовании энергооптимальных расчётов при составлении расписания движения поездов. В результате сразу получают перегонные времена хода по участку, обеспечивающие снижение затрат ЭЭ. При оптимизации расписании движения поездов, возможно некоторое увеличение общего времени хода по участкам в сторону увеличения. При движении с большими скоростями незначительное увеличение времени хода обеспечивает существенное снижение энергозатрат на тягу.

Выводы:

· Переход к оптимизации энергозатрат при пропуске поездопотоков;

· Оптимизация расписания движения поездов по энергозатратам.

3.2.5. Система автомашиниста на электроподвижном составе.

            Самое эффективное средство экономии ЭЭ на тягу поездов является автоматизация управления движением поезда – применение  автомашиниста. Эффективность автомашиниста обусловлена возможностью реализации  принципа оптимизации  затрат энергии на тягу в каждой поездке, на каждом электропоезде независимо от квалификации машиниста. Эффективность система автомашиниста составляет 5 – 6% по сравнению с лучшими машинистами. В депо с налаженной  системой  эксплуатации электропоездов  с автомашинистами экономия ЭЭ достигает 10 - 12% расходов на тягу.

Выводы по экономии затрат ЭЭ :

· Внедрение системы автомашиниста на электропоездах;

· Разработка и внедрение системы автоведения  тяговым подвижным составом для пассажирских электровозов.

3.2.6. Снижение затрат энергии на тягу поездов, вызванных введением временных ограничений скорости движения.

         Снижение скорости движения поезда при выполнении заданных ограничений и следующее затем ускорение приводят к дополнительным затратам ЭЭ  на тягу поездов. Энергооптимальные расчёты точно оценивают энергетическая цену  введённого ограничения. Выполняются два расчёта и по разности энергии определяется энергетическая цена  ограничения.

            Снижение скорости движения поезда до 30% её среднего значения по участку длиной в 1 км может привести к повышению затрат энергии на 3-4% расходов на тягу  на участке длиной 200-250 км.

         Это позволяет организовать систему работы с временными ограничениями скорости с учётом энергетических затрат на выполнение предупреждения:

· Ликвидация в первую очередь  самых затратных ограничений скорости движения.  

· Отнесение энергетических затрат ограничения скорости на службу, виновной в ограничении скорости движения;

Выводы по экономии затрат ЭЭ:

· Внедрение энергетической оценки при введении ограничений скорости движения;

· Создание  системы работы с временными ограничениями скорости: определение энергетических затраты на выполнения предупреждения,  ликвидация в первую очередь самых затратных ограничений скорости движения, отнесение энергетических затрат ограничения скорости на службу, виновной в ограничении скорости движения;

3.2.7. Повышение эффективности использования тягового электрооборудования на электровозе.

1. Регулирование частоты вращения мотор-вентиляторов на электровозах переменного тока.

На восьмиосных электровозах переменного тока в качестве привода  в качестве привода вентилятора для охлаждения силового электрооборудования используются АД значительной мощности. В режиме тяги  грузовых поездов различной массы используемая мощность тягового привода может различаться в несколько раз, а мощность на вентиляцию  тяговых двигателей и другого оборудования остаётся номинальной. Разработана система изменения частоты вращения двигателей привода вентиляторов охлаждения тяговых двигателей. Это даёт возможности значительно сократить затраты энергии на вспомогательные нужды. В зависимости от структуры поездопотока, соотношения  между количеством полновесных и порожних поездов на участке  экономия ЭЭ на тягу составляет 4 – 8 % .                                                         

2.Оперативное включение и выключение секций локомотивов и групп тяговых двигателей. 

Позволяет получить заметную экономию энергии на тягу вследствие увеличения времени работы тягового привода с более высоким КПД, а также снижение времени движения на неходовых позициях при изменении скорости       поезда. Такая система применяется на грузонапряжённых направлениях сети ЖД России.

3. Возврат энергии в систему электроснабжения при торможении.      

Электровозы переменного и постоянного тока имеют рекуперативное торможение соизмеримое с мощностью режима тяги. При торможении поезда используются электрические тормоза и генерируется электрическая энергия.

Эффективность рекуперативного торможения заключается:

· экономия ЭЭ;

· существенно снижается износ колодок и колёс;

· снижается вероятность возникновения ползунов на вагонных колёсах;

· исключения длительных простоёв грузовых поездов для восстановления механических тормозов.

· Повышается безопасность движения поездов.

         В настоящее время  экономия ЭЭ от рекуперации по сети ЖД составляет около 3%. Малый процент экономии связан с техническими и организационными факторами:

· На постоянном токе широкое использование упирается в проблему приёма рекуперируемой энергии тяговой сетью;

· На переменном токе только часть грузовых ЭПС оснащена рекуперативным тормозом;

· На пассажирских ЭПС (переменного и постоянного тока) вплоть до последних разработок не предусматривалось рекуперативное торможение;

· У значительной части электропоездов постоянного тока с рекуперацией при последовательном соединении тяговых двигателей с напряжением 750 В не возможна рекуперация при скоростях ниже 50 км/час, при которых необходим режим остановочного торможения;

· На многих дорогах действуют ограничения использования электрического тормоза перед сигналами об ограничении скорости, запрещающим сигналом. Это говорит о недостаточной надёжности техники рекуперативного торможения.

Потенциал экономии электроэнергии от рекуперации:

· На участках с характерным горным профилем с использованием ЭПС ВЛ80Р и ВЛ85 энергия рекуперации составляет 20% и более;

· Известны возможности экономии энергии от рекуперации в пригородном движении для крупных узлов с интенсивным движением – 20-30%.

Опыт современных зарубежных электровозов с рекуперативным торможением:

· Автоматика ЭПС включает рекуперативное торможение до предельной тормозной силы и при необходимости задействует пневматические тормоза состава;

· Алгоритм управления тормозами поезда обеспечивает максимально эффективное использование рекуперации;

Основные направления на повышение эффективности использования рекуперации:

· Выпуск нового тягового подвижного состава только с рекуперативным (переменного тока) и рекуперативно-реостатным (постоянного тока) тормозом,

· Снятие всех ограничений на применение электрического тормоза

· разработка регулирования напряжения на подстанциях постоянного тока и установка инверторов  для повышения эффективности использования рекуперации на постоянном токе;

· Нормирование использования рекуперации на участках железных дорог, отражающей реальные возможности электрического торможения с учётом  профиля пути, характера движения поезда и т.д.;

· Разработка системы экономического стимулирования использования рекуперации и поддержания в работоспособном состоянии соответствующего оборудования ЭПС с учётом  комплексного эффекта от применения рекуперации;

· Использование бортовых и стационарных устройств компенсации реактивной мощности на линиях переменного тока для исключения негативного влияния рекуперативного торможения ЭПС с зонно-фазовым регулированием на КЭ в тяговых и питающих сетях.

· Модернизация грузовых ЭПС переменного тока ВЛ80С для возможности рекуперации;

· Модернизация электропоездов постоянного тока с целью расширения диапазона скоростей рекуперации.

Вывод: В перспективе по сети ЖД можно ожидать 8-12% экономии ЭЭ от рекуперации.

Выводы по экономии затрат ЭЭ :

· Внедрение регулирования частоты вращения мотор-вентиляторов на электровозах переменного тока.

· Применение оперативного включения и выключения секций локомотивов и групп тяговых двигателей. 

· Использование рекуперации ЭЭ в систему электроснабжения при торможении.

4.Оптимизация мощности грузовых ЭПС.

         В 60 – 80 – х годах выбор мощности ЭПС определялся выполнением плана объёмов перевозок и поэтому мощность ЭПС росла с 5-6 до 9-10 МВт. Масса поезда в каждом тяговом плече  определяется руководящим подъёмом. Поэтому коэффициент использования мощности ЭПС постоянно снижался. Исключение избыточной мощности использования ЭПС позволяет на 4% экономить ЭЭ на тягу поездов.

Применение ЭПС большой мощности ВЛ80, ВЛ85 создаёт значительную несимметрию напряжения (больше допустимых ГОСТ13109-97) в сети внешнего электроснабжения.

Из таблицы видно, что в слабых сетях внешнего электроснабжения несимметрия напряжения превышает выше нормально допускаемых значений при токах плеч питания ТП более 200А. Это влечёт за собой штрафные санкции в размере 10% тарифа на электроэнергию.

Выводы:

· Мощности существующего  ЭПС завышены и поэтому коэффициент использования мощности ЭПС очень низок. Это увеличивает электропотребление на тягу поездов до 4%. При определении целесообразной расчётной массы поездов следует учитывать степень использования ЭПС.

· Для каждого тягового плеча или железной дороги должны работать ЭПС определённого типа, при котором сочетание массы поезда, степени использования локомотива, удельный расход ЭЭ были бы оптимальными.

· При резко неравномерном профиле пути целесообразно рассматривать возможность применения различной кратности тяги. Новые ЭПС следует проектировать в 2-3-х секционном исполнении с возможностью оперативной смены кратности тяги в пределах тягового плеча.

· Мощность сети внешнего электроснабжения  и ЭПС ВЛ80^С,  ВЛ85 для ряда регионов России не согласована. Это приводит к нарушению норм ПКЭ, ограничению пропуска поездов в вынужденных и аварийных режимах.

· Созрела необходимость в разработке ЭПС нового поколения, ориентированного на лучшую степень использования  мощности, имеющих более высокий КПД, большую гибкость формирования кратной тяги на тяговых плечах, регулируемый уровень потребления ЭЭ на собственные нужды, удовлетворение требованиям  ГОСТ 13109-97 на качество электроэнергии.

5.Учёт электроэнергии  на ЭПС.

         На ЭПС переменного тока используются счётчики ЭЭ, цепи напряжения которых получают питание от обмоток СН тяговых трансформатора ЭПС. При углах коммутации 40-45⁰ , а также вследствие потери напряжения в реактансе рассеивания тягового трансформатора на обмотке СН напряжение на счётчике ЭЭ отличается  от напряжения на токоприёмнике ЭПС на 10-12% по модулю и на 3-4⁰ по аргументу. По этому погрешность учёта энергии на ЭПС только за счёт цепи напряжения счётчика составляет не менее 12-14%. Такой учёт следует считать качественной оценкой потребляемой ЭЭ и является основной причиной появления условных потерь в тяговой сети большой величины до 20% от израсходованной на тягу поездов.

         Такой мощный потребитель ЭЭ  как ЭПС должен иметь средства учёта ЭЭ с комплексным решением следующих задач:

Рекомендация для Вас - 50 Первые попытки либерализации Советского общества.

· Точный учёт ЭЭ на тягу, СН, рекуперацию, и отопление, кондицииони-рование (для пассажирских поездов) с персональной ответственностью машинистов за каждую поездку  и поощрением за экономию ЭЭ;

· Регистрация расхода ЭЭ по трассе следования ЭПС (включая остановки, ограничения  по движению) для тщательного анализа каждой поездки  и причин отклонения режима ведения поезда по электропотреблению от оптимального;

· Автоматический учёт энергии раздельно по границам энергосистем, дорог, отделений дорог, чётко определяющий расходы по отдельным самостоятельным подразделениям транспорта и энергосистем;

· Для внедрения  комплексного учёта необходимо иметь динамически стойкий трансформатор напряжения 25/0,22 кВ, стандартный трансформатор тока типа ТКФ600/5 А на 0,5 кВ;

· Для пассажирских ЭПС стандартный трансформатор тока типа ТКФ600/5 А на 3 кВ, трансформатор тока на класс напряжения 10 кВ 400/5 А с сердечником из магнитомягкого железа, обеспечивающего незначительную погрешность измерения при малых нагрузках ЭПС;

· Стандартный трансформатор напряжения типа НОС на 0,5 кВ с коэффициентом трансформации 0,6/0,22 кВ.