Пояснительная записка ВКР (1219276), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Газотурбинный двигатель разработало и изготовило ОАО «Кузнецов» (г. Самара), имеющее опыт создания и испытания двигателей на криогенном топливе (СПГ и водород) для авиации. Прототип газотурбинного двигателя, использованный для газотурбовоза, ранее применялся на опытном самолете ТУ155, разработка которого сформировала необходимую экспериментальную базу для испытаний криогенного оборудования и собрала коллектив высококвалифицированных специалистов в области криогенной техники.
Специальная криогенная емкость с запорно-регулирующей аппаратурой и гибкими межсекционными соединениями разработана и изготовлена ОАО «Уралкриомаш» (г. Нижний Тагил).
На предприятии ОАО «ЭлектротяжмашПривод» (г. Лысьва) разработан и изготовлен специальный транспортный высокооборотный (6 000 об/мин) тяговый генератор.
На Воронежском тепловозоремонтном заводе – филиале ОАО «РЖД» – осуществлена общая сборка газотурбовоза.
Первые поездки газотурбовоз ГТ1001 на сжиженном природном газе совершил в 2008 году на Куйбышевской железной дороге. Положительные результаты этих поездок позволили организовать эксплуатацию газотурбовоза на Московской железной дороге, где в период с ноября 2008 года по февраль 2009 года было проведено 7 тяжелых грузовых поездов весом до 10000 т., что значительно превышает принятые для электровозов на этих участках весовые нормы поездов.
20 декабря 2010 г. в рамках испытаний первый российский газотурбовоз ГТ1-001 на участке Вековка – Бекасово Московской железной дороги провел грузовой состав весом 12 тыс. т.
По словам представителей ОАО «РЖД», мощность силовой установки ГТ1h-001 позволяет водить тяжеловесные поезда массой до 9 тысяч тонн по горной местности и до 15 тыс. тонн по равнине. Этот локомотив благодаря своей феноменальной грузоподъемности попал даже в Книгу рекордов Гиннесса.
Кроме того в 2011 году была проведена модернизация локомотива по переводу на гибридный электропривод маневрового режима с использованием тяговых аккумуляторных батарей. При этом из состава локомотива был исключен вспомогательный дизель – генератор с запасом дизельного топлива. Модернизированный таким образом газотурбовоз получил обозначение ГТ1h001 (рисунок 3.1).
Рисунок. 3.1 – Магистральный газотурбовоз ГТ1h-001
Результаты испытаний газотурбовоза подтвердили высокую экономическую эффективность инновационного проекта – расходы на топливо (сжиженный природный газ) на 56 % ниже, чем при использовании дизельного топлива, а стоимость жизненного цикла на 19,4 % ниже по сравнению с тепловозами 2ТЭ116. Один газотурбовоз заменяет собой четыре секции магистральных тепловозов 2ТЭ116 или один трехсекционный электровоз. Замечательным фактом является также и то, что газотурбовоз ГТ1h является самым экологически безопасным из всех локомотивов, использующих углеводородное топливо. Предназначен для эксплуатации на не электрифицированных участках железных дорог [10, 11].
В декабре 2012 года газотурбовоз передислоцирован на Свердловскую ж.д. для проведения подконтрольной эксплуатации, обучения локомотивных бригад и ремонтного персонала особенностям нового подвижного состава. В 2013 году депо приписки газотурбовоза определено ТЧЭ13 «Егоршино» (в 2014 данное депо определено как базовое для локомотивов, работающих на сжиженном природном газе). В качестве полигона эксплуатации определен участок ст. Егоршино – ст. Серов-Сортировочный. В период подконтрольной эксплуатации газотурбовозом впервые были проведены по этому маршруту составы весом свыше 8000 тонн.
Эксплуатационные испытания газотурбовоза ГТ1h001 на участке СеровСортировочный – Егоршино Свердловской железной дороги подтвердили:
- возможность использования газотурбовоза для вождения тяжеловесных грузовых поездов (массой 6000-9000 т);
- работоспособность оборудования газотурбовоза в условиях вибрационного состояния локомотива и низких температур окружающей среды;
- работоспособность примененных алгоритмов управления для работы в условиях ведения тяжеловесного поезда;
- эффективность применения выбранных алгоритмов управления силовым блоком со снижением частоты вращения ГТД на оборотах холостого хода с 5400 об/мин до 3000 об/мин, что позволило снизить расход топлива на 1520 процентов.
Технические параметры газотурбовоза ГТ1h001 приведены в таблице 3.1
Таблица 3.1 – Тяговая характеристика газотурбовоза ГТ1h-001
Наименование параметра | Значение |
Мощность на валах тяговых двигателей, кВт | 8300 |
Служебная масса, т | 300 |
Окончание таблицы 3.1
Наименование | Значение |
Осевая формула | 2о-2о-2о+2о-2о-2о |
Вид топлива, запас топлива, т | СПГ, 17,0 т |
Сила тяги при трогании, кН (тс) | 883 |
Часовой расход газа на режиме полной мощности, кг/ч | 2300 |
Скорость длительного режима, км/ч | 38 |
Касательная сила тяги длительного режима, кН | 620 |
Тип газотурбинного двигателя | НК-361 |
КПД газовой турбины, % | 30 |
Конструкционная скорость, м/с (км/ч) | 27,8 (100) |
Магистральный газотурбовоз ГТ1h-002. В 2014 году на Людиновском тепловозостроительном заводе изготовлен второй (промышленный) образец магистрального двухсекционного газотурбовоза ГТ1h002 на базе экипажной части тепловозов ТЭМ7А. Предназначен для эксплуатации на не электрифицированных участках железных дорог общего пользования в районах Сибири и крайнего Севера, для вождения грузовых поездов повышенной длины и массы [10, 11].
Главное отличие «второго» ГТ1h от «первого» – это съемный топливный бак повышенного объема (20 тонн), выполненный в виде цистерны и почти полностью занимающий одну из двух его секций. Запаса топлива этому локомотиву должно хватать примерно на 1000 км. Оборудован газотурбинным двигателем повышенной мощности (8 500 кВт). Для повышения тяговых свойств и более полного использования мощности в условиях сложного профиля пути, имеет 16 тяговых осей. Модульная кабина управления создана на базе кабины серийных электровозов 2ЭС6, имеющих положительный опыт эксплуатации в условиях Уральского региона.
Экипировочные пункты, где будут заправляться газотурбовозы, должны иметь восполняемый запас топлива – сжиженного природного газа. Вопрос: как и откуда его доставлять? Конечно, газ можно привозить в цистернах: автомобильным транспортом или по железной дороге, говорят представители РЖД, но это еще одна дополнительная нагрузка и без того перегруженные транспортные артерии Севера. Поэтому было бы идеальным вариантом организовать производство СПГ прямо на месте, в максимальной близости от заправок, соединив комплексы по сжижению газа с экипировочными пунктами при помощи специальных газопроводов.
В этом есть и немаловажный экономический момент – ведь дополнительная транспортировка топлива неизбежно повысит его стоимость, тогда как природный газ привлекателен для потребителей в первую очередь своей дешевизной. Железнодорожники хотели бы, чтобы цена на газ для них оказалась как минимум в два раза ниже стоимости дизельного топлива.
Газотурбинный локомотив ГТ1h-002 (рисунок 3.2), как и обычные дизельные тепловозы, состоит из двух секций, с двумя кабинами. Большую часть одной из секций занимает двигатель, во второй расположен топливный бак – цистерна для сжиженного газа емкостью 20 тонн.
Для повышения пожарной безопасности криогенное и газовое оборудование размещено более рационально и скомпоновано в отдельных выделенных отсеках. Для обеспечения безопасности криогенная емкость размещена на открытой площадке по центру бустерной секции. Открытое размещение емкости упрощает процедуру подготовки локомотива к пуску и обеспечивает более безопасный и удобный доступ к запорной арматуре.
На газотурбовозе ГТ1h002, в отличие от ГТ1h001, применена новая система безопасности БЛОК вместо КЛУБУ.
Рисунок. 3.2 – Магистральный газотурбовоз ГТ1h-002
Технические параметры газотурбовоза ГТ1h002 приведены в таблице 3.2
Также впервые на локомотиве использована система РУТП (распределенное управление тормозами поезда) разработки и производства ОАО «МТЗ «Трансмаш», позволяющая более эффективно управлять тормозами поезда, обеспечивая более плавное торможение и отпуск тормозов, что важно при ведении поездов повышенной массы и длины.
Таблица 3.2 – Тяговая характеристика газотурбовоза ГТ1h-002
Наименование параметра | Значение |
Мощность по ГТД, кВт (л.с.) | 8500 (11290) |
Служебная масса, т | 360 |
Окончание таблицы 3.2
Наименование параметра | Значение |
Колея, мм | 1520 |
Нагрузка на ось, кН (тс) | 215 (22,5) |
Сила тяги при трогании, кН (тс) | 981,0 (100,0) |
Сила тяги длительного режима, кН (тс) | 775 (79,0) |
Скорость длительного режима, км/ч | 33 |
Касательная мощность длительного режима, кВт | 7170 |
Запас топлива (сжиженный природный газ), т | 20 |
Запас хода, км, не менее | 1000 |
По окончании пуско-наладочных работ 13 декабря 2014 года газотурбовозом ГТ1h002 проведен опытный грузовой поезд массой 9 000 тонн на участке Рыбное – Орехово-Зуево Московской железной дороги. По завершении этапа предварительных и приемочных испытаний газотурбовоз ГТ1h002 передан в подконтрольную эксплуатацию на Свердловскую железную дорогу.
В соответствии с подписанным соглашением между ОАО «РЖД» и ОАО «Группа Синара» предполагается изготовить для российских железных дорог 40 магистральных газотурбовозов нового поколения ГТ1h [10, 11].
3.2 Аккумулятор, делающий возобновляемые источники энергии удобными в массовом использовании
Команда исследователей из Гарвардского университета продемонстрировала новый тип батареи, которая может фундаментальным образом изменить систему запасения энергии в электросетях и сделать возобновляемые источники энергии более надежными и экономичными. Сегодня, когда ветровые и солнечные электростанции производят примерно 7 % всей мировой электроэнергии, их использование особых проблем не создает, однако когда их доля достигнет 20 %, проблемы могут возникнуть вполне серьезные [13].
Дело в том, что смена дня и ночи, усиление или полное отсутствие ветра при использовании таких электростанций приводят к большим колебаниям в сети, а традиционные аккумуляторы для этого не подходят – слишком неэкономичны. Поэтому ученые предлагают использовать потоковые батареи, которые могут стать идеальным хранилищем энергии в таких прерывистых сетях. Новая конструкция батарей позволяет регулировать их мощность, наращивая или уменьшая количество активных компонентов. К тому же она позволяет использовать их именно в крупномасштабных сетях, экономя на производственном процессе благодаря использованию новых материалов.
Однако потоковые батареи, которые состоят из двух камер с различными жидкостями, разделенных мембраной, и создают ток за счет течения этих жидкостей и возникновения соответствующих химических реакций, до сих пор тоже были экономически неэффективными: платиновые катализаторы и ванадиевые электроды стоят слишком дорого.
Гарвардская команда сумела обойти это препятствие, используя в качестве одной из потоковых жидкостей раствор органических молекул, так называемых ионов. Эти молекулы легко захватывают и отдают электроны и поэтому очень удобны в качестве электролитов. Они дешевы, не требуют дорогих катализаторов, а также ванадиевых электродов. Экспериментально проверив на одном из ионов преимущества «органических» аккумуляторов, ученые теоретически нашли самую выгодную молекулу – примерно такую, какая содержится в листьях ревеня. По словам авторов изобретения, их аккумулятор способен в течение всего светового дня запасать энергию солнечного света (или ветра, но тут уже все будет зависеть от погоды), чтобы затем в течение всей ночи и последующего утра снабжать ваш дом необходимым электричеством.
3.2.1 Новые потоковые электрохимические аккумуляторные батареи компании General Electric
Специалисты из компании GE и Berkeley Lab создали новое устройство аккумулирования энергии, работа которого основана на обычной воде. Стоимость устройства в четыре раза меньше, чем стоимость обычных аккумуляторных батарей, а пробег электромобиля на новом аккумуляторе составляет 400 км на одной зарядке [12].
Новое устройство представляет собой потоковую электрохимическую батарею, в которой накапливание и отдача электроэнергии происходит за счёт электрохимической реакции, протекающей в реакторе. Вода, конечно, не чистая, а является раствором неорганических химических соединений, в котором один электрон «рождает» несколько свободных электронов, чем и обеспечивается высокая плотность хранения энергии (рисунок 3.3).