Перспективы конвертации горных дизельных машин на газовое топливо

В.П. Степаненко

ПЕРСПЕКТИВЫ КОНВЕРТАЦИИ ГОРНЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ МАШИН НА ГАЗОВОЕ ТОПЛИВО

Рассмотрены перспективы конвертации горных дизельных машин на газовое топливо с использованием комбинированных энергосиловых установок КЭСУ. Внедрение на неэлектрифицированных карьерах газотурбовозов с современными КЭСУ и переход на использование сжиженного природного газа в качестве топлива позволит повысить экологическую безопасность, снизить расход дизельного топлива и смазочных материалов на карьерах. В аварийных случаях мощные энергетические установки газотурбовозов можно использовать для питания электроэнергией жилых поселков, административных помещений, мастерских , обогатительных фабрик и других объектов. Для достижения этих целей необходимо развитие систем газоснабжения горных предприятий, в первую очередь, питающихся в настоящее время от автономных электростанций с поочередно работающими дизель-генераторными установками. Ключевые слова: конвертация, сжиженный природный газ, газотурбовоз, горная промышленность, дизельное топливо, экологическая безопасность, энергосиловые установки, суперконденсатор, тепловоз.

Интенсификация горных работ с использованием дизельных машин ведут к увеличению расхода дизельного топлива и вредного воздействия на окружающую среду. Одним из способов снижения расхода дизельного топлива, горючесмазочных материалов и уменьшения вредного воздействия на окружающую среду являются конвертация горных дизельных машин на природное газовое топливо и замена дизельных двигателей газотурбинными [1—20]. На Брянском машиностроительном заводе БМЗ был создан первый в мире маневровый тепловоз ТЭМ19 с газопоршневой силовой установкой, работающей на сжиженном природном газе (СПГ), запас которого в жидком виде находится в криогенной емкости, установленной на тепловозе. В табл.1 приведены параметры тепловоза ТМ19. Работа двигателя на природном газе позволяет существенно снизить эксплуатационные текущие расходы и повысить эколо-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 5. С. 190-197. © 2017. В.П. Степаненко.

УДК 621.436. 004.5

гическую безопасность, т.к. природный газ дешевле дизельного топлива и его использование уменьшает выбросы в окружающую среду вредных веществ.

Тепловоз ТЭМ19 оборудован цистерной с запасом сжиженного природного газа и трубопроводной арматурой. Под цистерной расположены ресивер газовый жидкостной с теплообменником для подготовки подачи сниженного природного газа в газопоршневой двигатель. Привод тепловоза электрический переменно-постоянного тока с синхронным тяговым генератором, выпрямителями и шестью тяговыми электродвигателями постоянного тока. Вспомогательный генератор смонтирован с дизельным двигателем на общей раме. Тепловоз ТЭМ19 может найти применение на маневровых работах и вспомогатель-

Таблица1

Параметры тепловоза ТМ19

№ пп Параметр Величина

1 Мощность тепловоза по дизельному двигателю кВт

2 Служебная масса (при полном запасе топлива и песка), т 126

3 Осевая (колесная) формула 3о — 3о

4 Нагрузка от колесной пары на рельсы, кН

5 Сила тяги при трогании с места, кН

6 Сила тяги в длительном режиме, кН

7 Скорость — конструкционная, м/с

8 Скорость — длительного режима м/с

9 Минимальный радиус кривой, м 80

10 Ширина колеи, мм 1520

11 Запас топлива кг 3500

12 Запас песка, кг 400

13 Габарит по ГОСТ 9238 1Т

14 Длина по осям автосцепок, мм 20 000

15 Максимальная ширина, мм 3 120

16 Высота по кабине машиниста, мм 4 430

17 Тип поршневого двигателя Н92ГД

18 Тип топлива СПГ- сжиженный природный газ

Рис. 1. Схема силовой установки газотурбовоза с одновальным ГТДи электрической передачей постоянного тока: 1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — газовая турбина; 4 — понижающий редуктор; 5 — генератор постоянного тока; 6 — тяговый электродвигатель; В — подача топлива

ных перевозках на железнодорожном транспорте карьеров. Его мощности 880 кВт недостаточно для применения на вывозе горной массы из не электрифицированных глубоких карьеров.

Достаточную мощность для вывоза горной массы из глубоких не электрифицированных карьеров могут обеспечить газотурбовозы. Первый отечественный газотурбовоз ГТ-01, схема силовой установки которого представлена на рис. 1, был передан в эксплуатацию в 1965 г. Силовая установка этого локомотива состояла из одновального газотурбинного двигателя ГТД и электрической передачи постоянного тока. В схему на рис. 1 входят: компрессор — 1; камера сгорания — 2; газовая турбина —

Рис. 2. Схема силовой установки газотурбовоза с трехвальным ГТД и электрической передачей переменно-переменного тока: 1, 2 — компрессоры низкого и высокого давлений; 3 — первичная камера сгорания; 4, 5, 6 — компрессорные турбины высокого, среднего и низкого давлений; 7 — генератор переменного тока; 8 — асинхронные тяговые электродвигатели; В — подача топлива

3; понижающий редуктор — 4; генератор постоянного тока — 5; тяговые электродвигатель — 6; В — подача топлива.

Недостатком одновального газотурбинного двигателя ГТД, приведенного на рис. 1, заключается в том, что для его запуска необходим вспомогательный разгонный двигатель.

На рис. 2 представлена схема силовой установки газотурбовоза с трехвальным ГТД и электрической передачей переменно тока. Эта схема более сложная и дорогостоящая, чем схема на рис. 1, но она не требует дополнительных устройств для запуска турбины.

В России в 2007 г. был изготовлен опытный газотурбовоз ГТШ-001. Его мощность была равна 8300 кВт, скорость до 100 км/ч, одной заправки хватало на 750—1000 км, топливом являлся сжиженный природный газ СПГ. В создании газотурбовоза ГТШ-001 участвовал Всероссийский научно-исследовательский и конструкторский тепловозный институт ВНИКТИ. Газотурбинный двигатель НК-361 был изготовлен на Самарском научно-техническом комплексе имени Н.Д. Кузнецова, электрические генераторы на Лысьвенском электротехническом заводе, криогенный блок — на «Уралкриогенмаше». Опытный образец газотурбовоза был собран на Воронежском тепловозо-ремонтном заводе. Локомотив состоял из двух секций: тяговой и бустерной, каждая секция была оборудована кабиной управления. В тяговой секции расположены: силовой блок, включающий газотурбинный двигатель, тяговый и вспомогательный генераторы, систему подготовки газов, винтовой тормозной компрессор, систему вентиляции электрических машин, аппаратные шкафы. На бустерной секции находятся криогенная емкость с запасом топлива массой 17 т, система вентиляции электрических машин, аппаратные шкафы. Вспомогательная дизель-генераторная установка применяется для приведения систем газотурбовоза в рабочее состояние, совершения маневров и для запуска газотурбинного двигателя, после чего он выключается. Вспомогательную дизель-генераторную установку для запуска одновальных газовых турбин целесообразно заменить комбинированным накопителем энергии, состоящим из аккумуляторов ЭХН и суперконденсаторов КДЭС.

На ЛТЗ в 2014 г. был изготовлен второй магистральный газотурбовоз ГТШ-002, который имеет кузов вагонного типа и состоит из двух восьмиосных секций. В первой секции размещена газовая турбина мощностью 8500 кВт, тяговый генератор, оборудование газоподготовки и системы подготовки воздуха.

Таблица 2

Параметры газотурбовоза ГТ1Н

№ пп Параметр Величина

1 Осевая формула 2

2 Тип двигателя турбина НК361

3 Мощность 8300 кВт

4 Тип топлива СПГ — сжиженный природный газ

5 Запас СПГ 17 000 кг

6 Пробег до заправки 75-1000 км

7 Пробег до заправки 750-1000 км

8 Конструкционная скорость 100 км/ч

Во второй бустерной секции, установлена съемная криогенная емкость с сжиженным природным газом (СПГ), тягово-энер-гетическое оборудование и системы газоподготовки. Параметры газотурбовоза ГТШ представлены в табл. 2.

В аварийных ситуациях мощные энергетические установки газотурбовозов можно использовать для питания электроэнергией жилых поселков, административных помещений, мастерских, обогатительных фабрик и других объектов. Для достижения этих целей необходимо развитие систем газоснабжения горных предприятий, в первую очередь, питающихся в настоящее время от автономных электростанций с поочередно работающими дизель-генераторными установками.

Выводы

1. Достаточную мощность для вывоза горной массы из глубоких неэлектрифицированных карьеров могут обеспечить магистральные газотурбовозы ГТШ, производства Людиновского тепловозостроительного завода.

2. Для запуска газовых турбин целесообразно использовать комбинированный накопитель энергии, состоящий из аккумуляторов ЭХН и суперконденсаторов КДЭС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Степаненко В. П. Пути повышения энергоэффективности и ресурсосбережения горного локомотивного транспорта // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 9. — С. 128—137.

2. Степаненко В. П. Определение параметров накопителей энергии комбинированных энергосиловых установок // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 8. — С. 166—174.

3. Степаненко В. П. Применение возобновляемых источников энергии и суперконденсаторов на открытых горных работах // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 8. — С. 175—182.

4. Степаненко В. П. Применение в горной промышленности КЭСУ с возобновляемыми источниками и накопителями энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 9. — С. 138—146.

5. Степаненко В. П. Перспективы применения в горной промышленности нетрадиционных возобновляемых источников и комбинированных накопителей энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2016. - № 10. - С. 93-104.

6. Степаненко В.П., Сорин Л.Н. Актуальность ресурсо- и энергосбережения подземных рудничных локомотивов с комбинированными накопителями энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 5. - С. 323-328.

7. Степаненко В. П., Белозеров В. И. Применение комбинированных (гибридных)энергосиловых установок горнотранспортных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 2. -С. 174-181.

8. Степаненко В. П. Применение комбинированных (гибридных) энергосиловых установок в горной промышленности // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2014. - № 11. - С. 322-328.

9. Степаненко В. П., Белозеров В. И., Сорин Л. Н. Перспективы применения комбинированных накопителей энергии на карьерном железнодорожном транспорте // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 5. - С. 317-322.

10 Белозеров В.И., Степаненко В.П. Потребность создания карьерных локомотивов с накоплением энергии // Горная промышленность. - 2014. - № 5. - С. 76.

11. Степаненко В.П., Сорин Л.Н. Энергоэффективность подземной локомотивной откатки с гибридными накопителями энергии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - № 6. -С. 135-140.

12. Степаненко В. П. Повышение энергоэффективности и ресурсосбережения рудничного электровозного транспорта // Вгсник Криворiзького национального ушверситету. Випуск 42. Украина. -2016. - С. 20-25.

13. Шевлюгин М. В. Ресурсо- и энергосберегающие технологии на железнодорожном транспорте и в метрополитенах, реализуемые с использованием накопителей энергии. Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н. - М.: МГУПС (МИИТ), 2009. - С. 51.

14. Денщиков К. К. Комбинированные энергетические установки на основе суперконденсаторов / Конференция ОВИТ РАН «Результаты фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение». Москва, 22-26 марта 2008 г. - М., 2008.

15. Опарин Д. А., Кавалеров Б.В. О моделировании газотурбинных установок при управлении электростанциями малой и средней мощности // Вестник Пермского национального исследовательского университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2014. - № 12. - С. 5-13.

16. Гриценко Е. А., Данильченко В. П., Лукачев С. В., Резник В. Е., Цы-бизов Ю. И. Конвертирование авиационных ГТД в газотурбинные установки наземного применения. — Самара: СНЦ РАН, 2004. — 266 с.

17. Ольховский Г. Г. Энергетические газотурбинные установки. -М.: Энергоатомиздат, 1985. — 303 с.

18. Кавалеров Б. В., Казанцев В. П., Шмидт И. А., Рязанов А. Н., Один К. А. Интеллектуализация испытаний конвертированных газотурбинных установок для электроэнергетики // Системы управления и информационные технологии. — 2012. — № 1(47). — С. 84—88.

19. Кавалеров Б. В., Бахирев И. В., Килин Г. А. и др. О задачах исследования адаптивного управления электростанциями на базе конвертированных авиационных ГТУ // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. — 2014. — № 11. — С. 65-77.

20. Махнутин А. К., Кавалеров Б. В. О вопросах применения газотурбинных и парогазовых установок в энергетике // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2015. - № 3(15). - С. 84-96. EES

КОРОТКО ОБ АВТОРE

Степаненко Валерий Павлович - кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, e-mail: valestepanenko@yandex.ru, МГИ НИТУ «МИСиС».

UDC 621.436. 004.5

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 5, pp. 190-197. V.P. Stepanenko

PROSPECTS FOR CONVERSION OF DIESEL MINING MACHINES TO GASEOUS FUEL

The article shows the prospects for converting diesel mining machines to gaseous fuel using combination power-plants KESU. Introduction of gas-turbine locomotives with the modern KESU at non-electrified open pit mines and transition to liquefied natural gas as a fuel will enable enhancing the environmental safety and reducing consumption of diesel fuel and lubricants at open pit mines.

In case of emergency, the heavy-duty power-plants of gas-turbine locomotives can supply housing settlements, administrative premises, workshops, processing plants and other objects. To this effect, it is required to develop gas-supply systems at mines, for the first turn, supplied by isolated generating plants with alternate diesel-generator sets.

Key words: conversion, liquefied natural gas, gas-turbine locomotive, mining industry, diesel fuel, environmental safety, power-plants, supercapacitor, diesel locomotive.

AUTHOR

Stepanenko V.P., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Senior Researcher, e-mail: valestepanenko@yandex.ru, Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 9, pp. 128-137.

2. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 8, pp. 166-174.

3. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 8, pp. 175-182.

4. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 9, pp. 138-146.

5. Stepanenko V P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 10, pp. 93-104.

6. Stepanenko V. P., Sorin L. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 5, pp. 323-328.

7. Stepanenko V. P., Belozerov V. I. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 2, pp. 174-181.

8. Stepanenko V. P. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2014, no 11, pp. 322-328.

9. Stepanenko V. P., Belozerov V. I., Sorin L. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 5, pp. 317-322.

10 Belozerov V. I., Stepanenko V. P. Gornayapromyshlennost'. 2014, no 5, pp. 76.

11. Stepanenko V. P., Sorin L. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 6, pp. 135-140.

12. Stepanenko V. P. Visnik Krivoriz'kogo natsional'nogo universitetu. Vipusk 42. Ukrai-na. 2016, pp. 20-25.

13. Shevlyugin M. V. Resurso- i energosberegayushchie tekhnologii na zheleznodorozh-nom transporte i v metropolitenakh, realizuemye s ispol'zovaniem nakopiteley energii (Resource- and energy-saving technologies in railway sector and in subways, using energy storage units), Doctor's thesis, Moscow, MGUPS (MIIT), 2009, pp. 51.

14. Denshchikov K. K. Konferentsiya OVIT RAN «Rezul'taty fundamental'nykh issledo-vaniy v oblasti energetiki i ikh prakticheskoe znachenie». Moskva, 22-26 marta 2008 g. (Fundamental research findings and applications in power engineering: OVIT RAN conference. Moscow, 22-26 March 2008), Moscow, 2008.

15. Oparin D. A., Kavalerov B. V. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo universiteta. Elektrotekhnika, informatsionnye tekhnologii, sistemy upravleniya. 2014, no 12, pp. 5-13.

16. Gritsenko E. A., Danil'chenko V. P., Lukachev S. V., Reznik V. E., Tsybizov Yu. I. Konvertirovanie aviatsionnykh GTD v gazoturbinnye ustanovki nazemnogo primeneniya (Conversion of aero-gas-turbine-engines into ground-based gas-turbine plants), Samara, SNTs RAN, 2004, 266 p.

17. Ol'khovskiy G. G. Energeticheskie gazoturbinnye ustanovki (Power-generating gasturbine plants), Moscow, Energoatomizdat, 1985, 303 p.

18. Kavalerov B. V., Kazantsev V. P., Shmidt I. A., Ryazanov A. N., Odin K. A. Sistemy upravleniya i informatsionnye tekhnologii. 2012, no 1(47), pp. 84-88.

19. Kavalerov B. V., Bakhirev I. V., Kilin G. A. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Elektrotekhnika, informatsionnye tekhnologii, sistemy upravleniya. 2014, no 11, pp. 65-77.

20. Makhnutin A. K., Kavalerov B. V. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Elektrotekhnika, informatsionnye tekhnologii, sistemy upravleniya. 2015, no 3(15), pp. 84-96.