Оценка эффективности работы ЭПС. Основными направлениями деятельности по снижению удельного расхода электроэнергии (урэ) являются
 Скачать 2.84 Mb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ В настоящее время проблема энергосбережения остается по-прежнему актуальной на железнодорожном транспорте. Это связано с ростом тарифов на электроэнергию, а также увеличением удельного расхода электроэнергии в тяге поездов из-за изменения структуры грузовых перевозок, увеличения скоростей движения поездов в пассажирском движении. Следствием этого происходит возрастание доли затрат на электроэнергию в себестоимости перевозок до 12 %, хотя ранее она составляла 5-6 %. Эксплуатационные расходы в электровозных депо по обслуживанию грузовых перевозок только по оплате электроэнергии достигают 30 – 40 %. Размеры энергопотребления, представляющие функциональные и статистические связи, должны быть увязаны с параметрами и числовыми характеристиками реализованных электровозами перевозок. Существующую базу нормирования необходимо усовершенствовать. В дипломном проекте поставлена задача анализа энергоемкости в перевозочном процессе пассажирскими поездами дальнего следования, учитывающая реальные факторы, влияющие на энергопотребление. Основными направлениями деятельности по снижению удельного расхода электроэнергии (УРЭ) являются: закупки экономичного подвижного состава, как вагонов, так и тягового подвижного состава, а также модернизация существующего парка; повышение профессионального опыта специалистов по организации движения поездов, квалификации и заинтересованности машинистов; определение и воздействие на эксплуатационные факторы, которые влияют на УРЭ, в том числе на плановый график движения поездов; повышение роли и совершенствование системы технологических норм, повышение их мотивирующего для машинистов характера к энергосбережению. обучение локомотивных бригад, обмен опытом, позволяющее обеспечивать выполнение норм и экономию электроэнергии; проведение сетевых и дорожных школ по энергосбережению по актуальным аспектам, например, по применению режима рекуперации, рациональным режимам движения поездов. Повышение скорости движения поездов в дальнем пассажирском сообщении связано с увеличением удельного расхода электроэнергии. Возникает специфическая задача повышения среднетехнической технической скорости на линиях, где наблюдается большое количество постоянных ограничений. Наличие постоянных ограничений скорости движения поездов связано с неизбежным увеличением удельного расхода электроэнергии и усложнением управления электровозом. В этих условиях организация повышения скорости движения поездов становится более затратной и сложной. Оценка энергоёмкости электроподвижного состава может быть произведена на базе комплекса характеристик, который принято называть как «тягово-энергетический или энергетический паспорт» (ТЭП). Посредством ТЭП можно оценивать и сравнивать энергетические показатели перспективных и существующих электровозов без выполнения трудоёмких тяговых расчётов. Методика позволяет сравнивать энергетические показатели и возможности электровозов безотносительно к роду тока - постоянному и переменному. Энергетическая эффективность электроподвижного состава, определяемая на основе ТЭП, является универсальной и простой. Построение ТЭП выполняется для конкретных данных, включающих тип электровоза, вес поезда, осевую нагрузку. 1 ЭНЕРГОБАЛАНС ЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ И СОСТАВЛЯЮЩИЕ ПОТЕРЬ Распределение на полезную работу и потери в электровозе по составляющим можно произвести посредством энергобаланса в системе электрической тяги. В обобщённой диаграмме, представляющей баланс мощности и представленной на рисунке 1.1, показано распределение мощности для различных режимов работы электровоза – в тяге, выбеге, при механическом и электрическом торможении.  Рисунок 1.1 – Баланс мощности при различных режимах работы электровоза Эффективность работы электровозов в режиме тяги определяется целесообразностью рассмотрения частной диаграммы баланса мощности. В тяговом режиме присутствует реализуемая локомотивом полезная мощность:  (1.1)где РМ - мощность, которая преобразовывается в полезную механическую работу, и равная   (1.2)  где Fk– касательная сила тяги электровоза; V –скорость движения поезда; PТР – мощность, расходуемая на преодоление сил трения, т.е. на преодоление основного сопротивления движению поезда, а также в кривых участках пути  ;PКИН, PПОТ – мощность, определяемая изменением кинетической и потенциальной энергии поезда;  – потери в электровозе, разделённые на механические, электрические, магнитные потери, а также чисто тепловые потери. – мощность, расходуемая на собственные нужды электровоза;Режим выбега характеризуется следующей системой уравнений:  (1.3)  ,В режиме выбега происходит изменение кинетической и потенциальной энергии поезда, а их сумма, связанная с мощностью электровоза , может иметь как положительный, так и отрицательный знак. При торможении происходит снижение электрической и механической энергии. Согласно формуле 1.3, получается следующий баланс мощности:  (1.4)  Проблемы уменьшения расхода энергии, необходимой для собственных нужд локомотивов Рсн , подлежат отдельному исследованию. Поэтому дальнейший анализ энергетической эффективности электровозов проводится, не учитывая эту составляющую. В технической литературе имеются тяговые и электротяговые характеристики. В них уже построены с учётом внутренних потерь электровозов ΔРл. В характеристиках электровозов внутренние потери уже учтены. В конечной итоге именно они влияют на энергетическую эффективность. Следовательно, надо проанализировать три составляющие, в целом представляющие мощность, которая реализуется при выполнении механической работы РМ. Значение и доля каждой из составляющих определяется характером движения поезда в тяге (ускоренное, равномерное или замедленное), т.е. знаком ускорения dV/dt. При пуске ускорение имеет большое значение dV/dt >>0. Наблюдается интенсивное накопление кинетической энергии. Согласно тяговым расчётам, в режиме пуска доля энергии, необходимой на преодоление сопротивления движению на нулевом уклоне профиля пути, не превышает 10 %,. Это означает, что при пуске основной составляющей в расходе электроэнергии является накопление кинетической энергии. В грузовом и пассажирском дальнего следования движениях пусковой режим не является значимым в расходе электроэнергии. Однако, при высокой интенсивности движения поездов по участку, то, как правило, сопровождается большим количеством неплановых остановок. В этом случае пусковой режим становится значимым в энергопотреблении. При движении поездов без промежуточных остановок по тяговому плечу можно считать, что практически вся потребляемая энергия идёт на преодоление сопротивления движению поездов, изменение потенциальной и кинетической энергии. Доли расхода электроэнергии на потенциальную и кинетическую энергии зависят от профиля пути. Режим выбега сопровождается расходом накопленной кинетической энергии на преодоление сопротивления движению и на подъёмах увеличением потенциальной энергии. Баланс энергии соответствует балансу мощности при интегрировании по временному вектору. Движение поезда можно рассматривать на тяговом плече следующим аналитическим выражением:  , (1.5)где АΣ, энергия, учитываемая на токоприёмнике;. А0–электроэнергия, учитывающая возврат рекуперативной энергии. Преодоление силы трения, что включается в долю полезной энергии Атр, равно: Атр=  , (1.6)где SТП,– длина тягового плеча; tТГ - время движения поезда по тяговому плечу. Тогда коэффициент полезного действия при движении поезда по тяговому плечу выражается как:  , (1.7)Причём А0 =  - показания счётчика электроэнергии на электровозе.Выполнение графика движения в тяговом режиме производится с малыми изменениями скоростей. Это соответствует значению ускорения близкому или равному нулю. Можно считать, что движение по участку осуществляется с установившейся скоростью движения. Такое допущение позволяет сравнить расход электроэнергии в грузовом и пассажирском дальнего следования движении различными типами электровозов только по двум параметрам. Первый - расход электроэнергии на основное сопротивление движению поезда, и второй – расход электроэнергии на накопление потенциальной энергии. Эти два фактора позволяют определить энергоёмкость либо на основе использования тягово-энергетического паспорта электровоза, либо посредством трудоёмкого графо-аналитического расчёта, но имеющий дополнительное и неиспользуемое достоинство - расчет эксплуатационного КПД электровоза. 2 ТЯГОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПАСПОРТ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА И ЕГО ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ 2.1 Этапы построения тягово-энергетического паспорта Тягово-энергетический паспорт позволяет выполнить расчёт энергобаланса электровоза. Проводится. ТЭП не является менее точным по сравнению с тяговыми расчётами. Однако точность оценки возрастает, если, во-первых, можно пренебречь расходом электроэнергии в режиме пуска, и во-вторых, если основная доля движения происходит в режиме с установившейся скоростью движения. Такие допущения вполне приемлемы для пассажирского движения поездов дальнего следования и в грузовом безостановочном движении по участку. Построение тягово-энергетического паспорта производится для определенного набора данных. Ими являются: серия электровоза; электротяговые, тяговые и токовые характеристики в режиме тяги; масса состава и нагрузка на ось. Для определения энергетической эффективности электровоза не требуется построения кривых скорости, времени движения и определения токов на тяговом плече. Для построения ТЭП необходимо выполнить следующие процедуры: - определение основного и дополнительного на подъёмах от i=0%0 до максимума i=imax сопротивлений движению поезда W(V) при скоростях от V=0 до V=Vmax, которые имеются на данном тяговом плече. - построение тяговых характеристик F(V) в режимах полного возбуждения для электровозов постоянного тока или нормального возбуждения для электровозов переменного тока, а также всех имеющихся ступеней ослабления возбуждения ОВ. В тех же координатах наносят кривые сопротивления движению W(V) при различных уклонах i; - далее необходимо отметить точки пересечения тяговых характеристик Fк(V) с построенными для различных уклонов характеристиками сопротивления движению W(V). Точки пересечения характеристик тяги и сопротивления движению соответствуют установившимся скоростям движения поезда, при которых ускорение dV/dt = 0. - точки пересечения характеристик Fк(V) и W(V). Позволяют определить значения установившихся скоростей движенияVуст;. Для этих значений скоростей на каждой тяговой позиции и определённом значении уклона определяют токи. - в соответствии с полученными значениями токов можно рассчитать удельный расход электроэнергии для всех позиций, включая режимы ОВ, для конкретного веса поезда на заданном уклоне пути: a=   (кВт∙ч/ 104 т·км бр.) (2.1)где Σ I – полученные при установившихся скоростях движения токи электровоза постоянного тока (или активная составляющая тока электровоза переменного тока). Далее строят кривые установившихся скоростей движения Vуст(i) и удельного расхода электроэнергии а(i) при различных уклонах, Эти кривые и представляют тягово-энергетические свойства данного электровоза. Построение тягово-энергетических паспортов реализуется для различных типов двигателей – коллекторного, асинхронного и синхронного. Электровозы с асинхронными тяговыми двигателями универсальны. Их используют в грузовых и пассажирских перевозках. Сравнение энергоёмкости электровозов с бесколлекторным и коллекторным тяговым приводом возможно посредством тягово-энергетического паспорта. 2.2 Примеры расчёта тягово-энергетического паспорта Тягово-энергетические паспорта локомотивов выполняют на основе ПТР (Правила тяговых расчётов) /5/: а) основное удельное сопротивление движению электровозов; Например, для электровозов переменного тока на бесстыковом пути оно составляет: wо’ = 1,9 + 0,008v + 0,00025v2, (2.2) б) основное удельное сопротивление движению пассажирских и грузовых вагонов Например, для основного удельного сопротивления движению пассажирских вагонов с осевой нагрузкой 17 т при скоростях движения до 160 км/ч на бесстыковом пути имеется формула: wо’’ = 0,7 +  ; (2.3)в) расчет сопротивления движению поезда Wo на прямом участке пути без уклонов: Wo = (P·wo’ + Q·wo”), (2.4) при весе электровоза Pи весе состава Q. Наличие уклона является дополнительным сопротивлением движению, В удельном виде размерность м/км численно равна Н/кН. В абсолютном виде его рассчитывают как Wi = wi(P+Q), (2.5) Суммарная мощность электровозов определяется конструкционной скоростью, силой сцепления колесных пар с рельсами, количеством тяговых двигателей, нагревом тяговых двигателей. По мощности электровозов в конечном итоге определяется максимальное значение подъёма, на котором способен работать электровоз с данным весом состава. г) расчет полного сопротивления движению поезда в абсолютном выражении на уклонах определяется по формуле: Wo = P·wo’ + Q·wo”; (2.6) д) учет дополнительного сопротивления на уклонах при различных уклонах определяется как W = Wo + Wi , (2.7) е) определяются точки пересечения тяговых характеристик и полного сопротивления движению поезда; они представляют установившиеся скорости движения на всех возможных позициях тяговых характеристик в функции изменения уклонов. Значения установившихся скоростей движения переносят на электротяговые характеристики электровоза V(I), что позволяет определить токи тяговых двигателей, а затем и электровозов. ж) согласно формуле (2.1) рассчитывают удельный расход электроэнергии для установившихся скоростей движения и производится построение графиков удельного расхода электроэнергии в зависимости от установившихся скоростей движения поездов. В Приложении даны расчеты тягово-энергетических паспортов для электровозов различных серий с коллекторным и бесколлекторным приводом. В пассажирском движении ТЭП выполнен с весом пассажирского поезда в 900 т, а в грузовом движении – с весом грузового поезда в 2000 т Были рассчитаны тягово-энергетические паспорта электровозов переменного тока: грузовые – ВЛ40, ВЛ80С, ВЛ80С(3с); пассажирские – ВЛ60ПК, KZ4A, ЧС4Т, ЭП10. которые могут быть использованы в пассажирских и грузовых перевозках (таблицы 2.1 и 2.2). На рисунках 2.1 и2.2 построены зависимости УРЭ от уклонов для этих же серий локомотивов. Таблица 2.1 – Расчет показателей ТЭП различных серий электровозов с массой пассажирского поезда 900 т
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||