Відповідно до «Програми організації на полігоні Свердловської залізниці експлуатації тепловозів на зрідженому і стиснутому природному газі», прийнятої в 2004 р спільно ВАТ «Газпром», ВАТ «Російські залізниці» (ВАТ «РЖД») і губернатором Свердловської області, в локомотивному депо Свердловськ-Сортувальний проходив експлуатацію маневровий тепловоз ТЕМ18Г-001. Основною метою дослідної експлуатації було практичне підтвердження економічної доцільності перекладу маневрових тепловозів на газомоторне паливо, визначення працездатності системи газоподачі.

Анотація наукової статті з механіки і машинобудування, автор наукової роботи - О. Л. Мішин, С. В. Танкеев, Л. А. Ежевская, Н. С. Ежевская


Область наук:

  • Механіка і машинобудування

  • Рік видавництва: 2008


    Журнал

    Транспорт на альтернативному паливі


    Наукова стаття на тему 'Маневровий тепловоз на зрідженому природному газі (варіант технічного рішення)'

    Текст наукової роботи на тему «Маневровий тепловоз на зрідженому природному газі (варіант технічного рішення)»

    • ' »в

    Маневровий тепловоз на зрідженому природному газі

    (Варіант технічного рішення)

    О.Л. Мішин,

    начальник конструкторського відділу Управління Енергогазремонт

    ВАТ «Газпром трансгаз Єкатеринбург»,

    С.В.Танкеев,

    начальник відділу служби технічної політики Свердловської залізниці, Л.А. Ежевская,

    провідний науковий співробітник Уральського відділення ВАТ «ВНИИЖТ», член-кореспондент Російської Академії інженерних наук ім. А.М. Прохорова, к.т.н., Н.С. Ежевская,

    інженер Уральського відділення ВАТ «ВНИИЖТ»

    Відповідно до «Програми організації на полігоні Свердловської залізниці експлуатації тепловозів на зрідженому і стиснутому природному газі», прийнятої в 2004 р спільно ВАТ «Газпром», ВАТ «Російські залізниці» (ВАТ «РЖД») і губернатором Свердловської області, в локомотивному депо Свердловськ-Сортувальний проходив експлуатацію маневровий тепловоз ТЕМ18Г-001. Основною метою дослідної експлуатації було практичне підтвердження економічної доцільності перекладу маневрових тепловозів на газомоторне паливо, визначення працездатності системи газоподачі.

    Дизель тепловоза ГДГ-50 розмірності ЧН31,8 / 33 працював з газодизельному циклу з внутрішнім сумішоутворенням на робочих позиціях контролера управління з четвертої по восьму. При цьому, стиснений до 18 МПа газ з балонів, розміщених між візками тепловоза, після трехступенчатого редукування надходив в циліндри дизеля. Займання газоповітряної суміші здійснювалося за рахунок упорскування запальний дози дизельного палива (близько 15%).

    Після періоду освоєння нової техніки в 2006-2007 рр. в експлуатації було досягнуто більш 40% заміщення дизельного палива когось прімірованним природним газом (КПГ) при виконанні інтенсивної роботи в парках формування поїздів станції Свердловськ-Сортувальний.

    В цей же період було вирішено цілий комплекс питань, пов'язаних з підвищенням надійності та безпеки тепловоза. Був розроблений і встановлений сучасний інвертор харчування системи вибухозахисту замість морально застарілого і ненадійного в експлуатації штатного, застосована бортова автоматизована установка порошкового пожежогасіння. Тепловоз оснащений бортовими системами обліку палива і газу.

    Основна мета дослідної експлуатації була досягнута - доведена економічна доцільність застосування газомоторного палива на локомотивах, пройшло випробування часом встановлене на борту тепловоза обладнання. Однак частина технічних питань для маневрових газотепловозов даного типу залишилася невирішеною. Це, пре-

    жде всього, обмежений запас газомоторного палива, розміщений на борту тепловоза, і досить великі величини частоти обертання колінчастого вала дизеля (п = 490 хв-1), що еквівалентно четвертій позиції контролера машиніста, при яких відбувається перехід дизеля в газодизельний режим. Дані недоліки значно погіршують експлуатаційні характеристики маневрового газотепловоза. На відміну від серійного тепловоза, заправка якого дизельним паливом здійснюється один раз в тиждень, при проведенні технічного обслуговування газотепловоз необхідно було через кожні дві доби виводити з роботи для дозаправки газом. Це в значній мірі ускладнює роботу станції, вимагає наявність підмінного маневрового тепловоза і нівелює отриманий економічний ефект.

    Для збільшення бортового запасу газу Брянським локомотивобудівники-ним заводом (ВАТ «УК« БМЗ ») був розроблений варіант розміщення запасу КПГ в балонах, установлених на додатковій бустерной секції. Таке технічне рішення можливо, але має ряд істотних недоліків: локомотив, оснащений бустером, значно дорожче, знижується надійність і безпеку газової системи через велику кількість з'єднань між балонами, локомотивом і нежорстко зчленованим з ним бустером, погіршується оглядовість шляху і вагонів, збільшується довжина маневрових шляхів і інше.

    Чи існують технічні рішення, що дозволяють розмістити необхідний для ефективної експлуатації бортовий запас газомоторного палива, не погіршуючи при цьому експлуатаційні характеристики газотепловоза?

    Передумови для вирішення цього завдання вже є. Зі створенням в 2008 р Всеросійським науково-дослідним конструкторсько-техно-гическим інститутом (ВНІКТІ) потужного вітчизняного магістрального вантажного газотурбовоза ГТ1, що має на борту 17 т зрідженого природного газу (СПГ), переважаючим напрямом в створенні локомотивів, що використовують природний газ як моторне палива, є орієнтація на застосування паливних систем, що використовують СПГ.

    Ведуться роботи в цьому напрямку і в області створення екіпірувальних комплексів, здатних забезпечити перспективний тяговий рухомий склад зрідженим природним газом в необхідних кількостях. У Свердловській області в першому кварталі 2009 р вступить в дію комплекс з виробництва СПГ продуктивністю 3 т / год. Уральським заводом ВАТ «Уралкріомаш» серійно випускаються транспортні контейнери на автомобільному і залізничному ходу по доставці СПГ споживачам. Опрацьовується також питання використання модульно-картриджной заправки локомотивів (див. Журнал «Транспорт на альтернативному паливі» № 4, 2008 р).

    Ці обставини відзначені на нараді, що проходила 5 серпня

    2008 під головуванням старшого віце-президента ВАТ «РЖД» В.А. Гапановіч в Єкатеринбург. На нараді було прийнято рішення про розробку паливних систем для тягового рухомого складу, що дозволяють застосовувати СПГ в якості газомоторного палива, а також для спеціального самохідного рухомого складу (дрезин, самохідних модулів, снігоприбиральних машин).

    Одне з технічних пропозицій щодо застосування СПГ на маневровому тепловозі наводиться нижче.

    Розглянемо варіант використання СПГ на ГАЗОДИЗЕЛЬ ГДГ-50 тепловоза ТЕМ18Г.

    Над перекладом цього локомотива на СПГ в даний час працюють кілька організацій: Всеросійський науково-дослідний інститут залізничного транспорту (ВНИИЖТ), ВАТ «УК« БМЗ », завод-виготовлювач дизелів ВАТ« Пенздізель-маш ». В даний час досягнуті в 2006-2007 рр. експлуатаційні показники заміщення дизельного палива газом можна істотно підвищити за рахунок використання електронного регулювання подачі палива і газу. Для ТЕМ18Г з електронною системою подачі газу розширюється діапазон позицій контролера, на яких можлива робота в

    ^ г

    Мал. 1. Розміщення обладнання на маневровому тепловозі з бортовим запасом СПГ і регазифікатор: 1 - секції охолодження води і масла дизеля; 2 - вентилятори охолодження води і масла дизеля; 3, 4 - баки для зберігання СПГ із супутньою арматурою

    газодизельному режимі - з третьої по восьму позицію. Такий локомотив для дотримання межекіпіровочного періоду експлуатації 7 діб. повинен мати на борту не менше 3 т СПГ з періодом бездренажного зберігання не менше 6 діб. Ця цифра і була прийнята в якості проектної.

    Вимоги до кріогенної паливній системі маневрового газотепловоза ТЕМ18Г, крім згаданого вище запасу газу, такі:

    | Повинен забезпечуватися витрата газу 50-60 кг / год при роботі газодизеля на четвертій позиції контролера машиніста тепловоза; 200 кг / год - при роботі дизеля на повній потужності (восьма позиція контролера);

    | Найбільший тиск регазі-ваних газу на вході в газо має становити 0,3 МПа;

    | Температура газу на вході в газо 5-20 ° С;

    | Температура зовнішнього повітря може змінюватися в межах від -40 ° С до + 40 ° С;

    | Час збільшення подачі газу від мінімальної 60 кг / год на четвертій позиції контролера до максимальної 200 кг / год на восьмій позиції не більше 10 с;

    | Теплоносій для регазіфіка-тора - охолоджуюча вода газодизеля;

    | Максимальна витрата теплоносія при номінальній частоті обертання колінчастого вала дизеля на восьмій позиції контролера машиніста - 90 м3 / год;

    | Температура теплоносія на виході з дизеля - 75-85 ° С.

    Для розміщення на борту необхідного запасу газу і створення кріогенної паливної системи був використаний досвід застосування технологій зберігання і використання СПГ в бортових кріогенних паливних системах транспортних засобів ТОВ «Газпром трансгаз Єкатеринбург».

    Для розміщення необхідного запасу газу пропонується використовувати криогенні баки з екранно-вакуум-ної ізоляцією. Коефіцієнт використання об'єму такого бака - 1,2 кг / кг (характеризує відношення маси бака до маси вміщається газу). Для порівняння: для сталевих балонів для КПГ

    ш

    • ' »в

    цей показник дорівнює 6,6 кг / кг, а для найдосконаліших вуглепластикових - 2,2 кг / кг.

    Розрахунки показують, що при використанні на тепловозі ТЕМ18Г простору між візками, де раніше розміщувався паливний бак, можна розташувати ємність 4,5 м3, що при щільності 0,42 т / м3 складає 1,89 т СПГ (рис. 1) 1.

    Друга ємність об'ємом 3,6 м3 або масою газу 1,5 т може бути розміщена на місці шахти холодильника в нижній її частині. При цьому секції холодильника, в якості яких використовуються штатні короткі секції тепловоза 2ТЕ116, можуть бути розташовані у верхній частині шахти. Рух повітря через секції може бути забезпечено трьома вентиляторами з гідростатичним або електричним приводом.

    Необхідний обсяг для розташування бака звільняється за рахунок відмови від штатного механічного приводу вентилятора через карданний вал і редуктор. Для приводу вентилятора охолодження тягових електродвигунів передньої візки замість клинопасової передачі пропонується використовувати мотор-вентилятор, який отримує живлення від допоміжного генератора тепловоза.

    Так як застосовується система зберігання газу низького тиску, стають непотрібними редуктори газу першого і другого ступенів і супроводжуюча їх арматура.

    Для подачі необхідної кількості газу на тому чи іншому режимі двигуна пропонується використовувати один регазифікатор з тепловою потужністю, що забезпечує роботу газодизеля на номінальному режимі (восьма позиція контролера) з витратою 200 кг / год.

    Витрата газу регулюється в залежності від режиму роботи двигуна (на тій чи іншій позиції контролера) шляхом зміни витрати охолоджуючої води дизеля.

    Як регазифікатор обраний ефективний кожухотрубний теплообмінник з сегментними пере-

    1 Як приклад використана схема раз-

    ня обладнання тепловоза ТЕМ18Д

    містечками (рис. 2), який серійно виробляється на підприємствах ТОВ «Газпром трансгаз Єкатеринбург».

    Випаровування і підігрів СПГ забезпечуються за рахунок тепла охолоджуючої рідини системи охолодження. Витрата газу регулюється в залежності від режиму роботи двигуна (на тій чи іншій позиції контролера) регуляторами кріогенної бортової системи.

    Перехід з режиму холостого ходу на режим повної потужності (забезпечення випаровування і підігріву необхідної кількості кріогенної рідини) забезпечується за рахунок теплової інерційності системи охолодження двигуна. Термодинамічні розрахунки показують, що зниження температури теплоносія при цьому не перевищить 1 ° С.

    На підставі розрахунків був обраний теплообмінник діаметром 0,15 м, довжиною 1,4 м. Теплообмінник-регазіфі-катор розташовується між дизелем і баком СПГ в шахті холодильника. Робота такого регазифікатор не вимагає наявності резервної ємності, що акумулює запас регазіфіці-рованного газу. Газ з регазіфіка-тора надходить безпосередньо в газо.

    Робота кріогенної паливної системи пояснюється наведеною нижче схемою (рис. 3).

    Внутрішній посудину розрахований на надлишковий тиск, що дорівнює максимальному робочому тиску в баку (0,5 МПа) плюс 0,1 МПа за рахунок вакууму, підтримуваного в ізоляційному просторі між посудиною і

    кожухом. Посудина закріплений в кожусі на двох циліндричних опорах зі склопластику. На днище кожуха встановлений запобіжний клапан порожнини вакуумної ізоляції.

    У арматурному відсіку знаходяться: швидкісний клапан для автоматичного відключення посудини при аварійних пошкодженнях магістралей, розташованих після клапана; два запобіжних клапана, налаштованих на тиск відкриття 0,55 МПа, що здійснюють скид газу в дренажний трубопровід через запобіжні клапани.

    Вентиль випарника самонаддува служить для підйому тиску в посудині при роботі двигуна на газі, якщо тиск знизиться до 0,15 МПа. При відкритті вентиля СПГ починає випаровуватися, що веде до підйому тиску у внутрішньому посудині. Для приведення бака в робочий стан необхідно підняти тиск в посудині до 0,15 МПа, після чого вентиль закрити.

    Робота баків і супутньої апаратури полягає в подачі газу в комплект газової апаратури двигуна, а також в зберіганні СПГ без втрат протягом шести діб при стоянці газотепловоза. Газова система газодизеля ГДГ-50 при цьому не змінюється. Виключаються тільки перший і другий ступені редукування газу. Конструкція баків забезпечує сприйняття динамічних навантажень, відповідних прискоренню 3д в поздовжньому напрямку і прискоренню 1 д в поперечному напрямку.

    Паливний бак

    Вдуй! і "Т." Заправочна! Л А_ горловина

    ПК

    ч

    -лт-

    ._----

    ?

    Паливний бак

    П

    НР

    0

    '4

    т ~ ^^ -

    ?п

    'ІІ

    - Г - лллл--

    ?

    :

    -II

    н-

    контур

    охолоджуючої води дизеля

    ___I

    Мал. 3. Принципова схема газової системи паливного бака:

    1 - швидкісний клапан; 2 - підключення двигуна до газової фазі; 3 - регазіфікат СПГ за рахунок тепла охолоджуючої води дизеля; 4 - індикатор тиску; 5 - індикатор рівня СПГ; 6 - випарник самонаддува; 7 - регулятор; 8 - запобіжний клапан внутрішньої порожнини бака; 9 - запобіжний клапан вакуумної ізоляції; 10 - вентиль зливу СПГ; 11 - вентиль витрати газу; 12 - вентиль максимального рівня; 13, 17 - вентилі; 14 - вакуумний вентиль; 15 - вентиль випарника самонаддува; 16 - редуктор

    Рівень рідини в посудині вимірюється модулем вимірювання диференціального тиску індикатора рівня рідкого метану, контроль ведеться по вторинного приладу-індикатору, встановленому в кабіні машиніста. Крім того, може бути застосоване тензометричне вимір маси посудини з СПГ, що дозволяє уникнути похибки вимірювання за допомогою дифманометра, неминучою при перехідних процесах.

    Під час зберігання СПГ при непрацюючому двигуні, коли відбір рідини і газу із посудини не ведеться, в посудині підвищується тиск за рахунок теплопритоков з навколишнього середовища до рідини, що призводять до її часткового випаровування. При тривалому зберіганні без відбору палива (понад шість діб) тиск

    може піднятися до величини, при якій відкриються запобіжні клапани, і природний газ буде скидатися в навколишнє середовище через дренажний трубопровід бака, а потім в дренажний колектор і безпечне дренажний пристрій (БДУ).

    В системі контролю і управління кріогенної паливною системою і системами газодизеля передбачається використання нової мікропроцесорної техніки, основними особливостями якої є її здатність забезпечувати перемикання з одного виду палива на інше вручну або автоматично зі збереженням частоти обертання колінчастого вала дизеля і його навантаження. При роботі з навантаженням, вище запрограмованого рівня, двигун автоматично перемикається на

    100% -ве дизельне паливо. Система контролює кількість СПГ і стан газоподібної фракції в баках і забезпечує перемикання роботи з одного бака на інший в міру необхідності витрачання газоподібної фази.

    Сучасна електронна система управління і контролю перевіряє критичні параметри двигуна і включає або вимикає газовий режим відповідно до заданих межами.

    Арматура і КВП, передбачувана до використання в кріогенної системи тепловозів, виготовляється серійно і випробувана на кріогенної системи автомобілів КАМАЗ.

    Таким чином, пропоноване в даній статті технічне рішення дозволяє вирішити головну задачу - забезпечити економічно ефективну експлуатацію маневрових газотепловозов без погіршення експлуатаційних характеристик, а також характеристик надійності і безпеки (за рахунок переходу від системи зберігання високого тиску до системи з низьким тиском, а також значного зниження кількості судин і з'єднань між ними). Більш того, слід очікувати їх деякого поліпшення за рахунок модернізації систем управління газотепловозов і зниження навантаження для, властивої газобалонним системам КПГ.

    Такий варіант технічного рішення зажадає переробки вузлів передньої частини підкапотного тепловоза ТЕМ18Г без змін в конструкції газодизеля ГДГ-50. Але при цьому він може виявитися більш доцільним порівняно з відомими раніше технічними рішеннями.

    від редакції

    Редакція журналу просить передплатників журналу своєчасно інформувати про зміну своєї поштової адреси або про неодержаних чергових номерах журналу.

    В даний час журнал виходить у світ сторого за графіком.

    2


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити