СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ПРОГРЕВА ДИЗЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ "ВИХРЬ"

Характер применения системы автономного прогрева имеет достаточно широкий диапазон в области энергосберегающих технологий на железнодорожном транспорте и в частности система может быть использована в локомотивных депо при прогреве дизелей.
Основной статьей затрат при эксплуатации тепловозов, является дизельное топливо, расход которого достигает от 30% до 80% при работе тепловозов на холостом ходу (особенно зимний прогрев). Применение в существующих дизельных двигателях воды в качестве охлаждающей жидкости и высокая вязкость дизельного масла при низких температурах, не позволяют находиться дизелю в заглушенном состоянии.
На данный момент разработано несколько проектов модернизации тепловозов по снижению потребления топлива дизелем во время горячего простоя:
- система («stop-start»), система автоматической остановки и запуска двигателя в зависимости от его температуры;
- система прогрева дизеля от внешней тепло-гидравлической установки;
- система подогрева дизеля от внешнего источника электроэнергии;
- система электрического подогрева дизеля от вспомогательной дизель генераторной установки;
- система подогрева дизеля с помощью теплогенераторов.
Известна Система («stop-start»), система автоматической остановки и запуска двигателя в зависимости от его температуры (основные разработчики технологии остановки и запуска двигателя («stop-start») компании Kim Hotstart и ZTR Control Systems), обеспечивающая экономию топлива при холостом режиме работы двигателя. В этот комплект входит система DDHS компании Kim Hotstart и система отключения силовой установки локомотива SmartStart компании ZTR. Система SmartStart предназначена для автоматического отключения и включения, как двигателя локомотива, так и системы Hotstart с целью поддержания необходимой температуры двигателя, напряжения в аккумуляторных батареях и давления в тормозной системе. [www.css-rzd.ru/ZDM/03-2004/03109.htm]
Недостатками системы являются: расход моторесурса дизеля, разряд аккумуляторных батарей, сниженный, но все же высокий расход топлива.
Известна Система прогрева дизеля от внешней тепло-гидравлической установки, включающая в себя: внешний бак с горячей водой, шланги и гидронасос.
Недостатками системы является то, что система стационарная с низкой надежностью, [www.tbg.ru/cgi-bin/pub/news/1?c=viewNews&news=1092]
Известна Система подогрева дизеля от внешнего источника электроэнергии.
Разработка кафедры "Электрический железнодорожный транспорт" СамГАПС.
Результаты работы:
- Система прогрева дизеля;
- Система прогрева тяговых электродвигателей;
- Система подзарядки аккумуляторной батареи;
- Система аварийного сигнала и запуска дизеля;
- Процессор базового модуля;
- Сеть и внешние устройства.
Для обеспечения эксплуатации системы необходим внешний источник питания с напряжением U=380 В.
Отличия этой разработки от прототипов:
Применена схема с унифицированными системами: прогрева воды и масла дизеля, прогрева тяговых электродвигателей, подзарядки аккумуляторной батареи.
Система обеспечивает автоматическое поддержание заданной температуры охлаждающей воды на заданном уровне (может изменяться от 20 до 80°С) при температуре наружного воздуха до -50°С, электрообогрев кабины машиниста, зарядку аккумуляторной батареи и периодическую прокачку масла.
При горячем отстое двухсекционного тепловоза в течение 12 часов применение системы позволяет уменьшить расход топлива на прогрев на 90-100 кг.
При этом не расходуется моторесурс дизеля и снижается закоксовывание выхлопного тракта дизеля.
Недостатки: Для обеспечения эксплуатации системы необходим внешний источник питания с напряжением U=380B и мощностью 100 кВА., что возможно под депо, либо на специально оборудованных путях отстоя. [http://www. samiit.ru/pod/kafedr/egt/niokr.php]
Известна Система электрического подогрева дизеля от вспомогательной дизель-генераторной установки.
Экономия топлива в значительной мере достигается благодаря отключению основного двигателя, когда локомотив находится в отстое в течение длительного времени. Оборудование, для обогрева изготовленное компанией Kim Hotstart с приводом от вспомогательного дизеля компании Lister Petter. Система обогрева DDHS, оборудование которой устанавливается под капотом в задней части тепловоза, не требует внешнего электропитания для сохранения аккумуляторной батареи в заряженном состоянии, поддерживает на должном уровне температуру масла и воды и обеспечивает температуру в кабине управления не ниже 10°С.
Kim Hotstart и ZTR совместно работают над новой интеллектуальной системой горячего пуска. В этой системе соединены технологии обогрева DDHS и управления пуском Smart Start. Система автоматически отключает и включает как основной дизель тепловоза, так и систему обогрева при необходимости поддержания требуемых значений рабочей температуры дизеля, напряжения аккумуляторной батареи и давления в тормозной системе для минимизации количества часов работы дизеля. Это, в свою очередь, ведет к уменьшению
потребления топлива и масла, эмиссии выхлопных газов, уровня шума, износа двигателя и количества отложений в топливной, масляной и водяной системах тепловоза. Система также обеспечивает необходимое резервирование и регистрацию данных, благодаря чему можно отслеживать реальную экономию топлива. Первая такая система была установлена в августе 2002 г. на тепловозе серии GP38.
Другой привлекшей внимание железных дорог технологией, сберегающей топливо при холостом режиме работы двигателя, является вспомогательная силовая установка К9 APU, разработанная компанией Eco-Trans Technologies, совместным предприятием компаний CSXT и Road and Rail Inc. Эта установка с габаритами 0,915 * 0,915 * 1,22 м нагревает воду и масло основного двигателя во время прекращения его работы. Расход составляет 10% от расхода топлива при холостом режиме работы двигателя.
Недостатками системы электрического подогрева дизеля от вспомогательной дизель-генераторной установки являются:
- более низкий КПД за счет многократного преобразования энергии;
- высокая стоимость;
- низкий ресурс электронагревателей;
- отсутствие места для размещения, особенно на маневровых тепловозах;
- необходимость обслуживания дополнительного ДВС.
[http://www. samiit.ru/pod/kafedr/egt/niokr.php]
Известна Система подогрева дизеля с помощью теплогенераторов, которая является наиболее близким аналогом.
Система подогрева дизеля маневрового тепловоза (СПДТМ) «ГОЛЬФСТРИМ» компании «Делвэй Менеджмент».
OOO «УК «Дэлвэй Менеджмент» совместно с ЗАО «КП ЛТД» создал автономную автоматизированную систему поддержания температуры (ААСП) воды и масла в двигателях локомотивов - ААСП «Гольфстрим».
В качестве источника нагрева система использует котлы - теплообменники (энергия сгорания топлива сразу преобразуется в тепло). Выхлопные газы дополнительно обогревают секции охлаждения. Система полностью автоматизирована. Для ее включения машинисту требуется просто перевести тумблер в кабине, в противном случае система автоматически выключит двигатель и включит обогрев. Движение воды и масла осуществляется малогабаритными циркуляционными насосами с бесколлекторными электродвигателями с низким энергопотреблением. Для питания насосов и других электрических механизмов устанавливаются дополнительные аккумуляторные батареи. Емкость аккумуляторов рассчитывается из максимального автономного времени простоя. В случае падения напряжения на дополнительных аккумуляторах, система автоматически переключится на питание от штатного аккумулятора тепловоза и оповестит ответственных лиц.
Эффективность:
- экономия топлива;
- увеличение ресурса двигателя;
- снижение численности необходимого персонала
- уменьшение выбросов в атмосферу
- автономность Функции системы подогрева локомотива "Гольфстрим":
1. Поддержание в автоматизированном режиме рабочей температуры:
- охлаждающей жидкости в диапазоне 60...80°С;
- масла в диапазоне 40...50°С;
воздуха в кабине машиниста 15...30°С при наружных температурах от +10 до -50°С;
2. Выдача сообщений о возникших нарушениях в функционировании системы ответственным лицам по радио и телефонным GSM линиям связи.
Недостатками системы подогрева локомотива "Гольфстрим" являются:
- наличие трех теплогенераторов (водяного, масляного и воздушного для обогрева кабины машиниста);
- необходимость установки дополнительных аккумуляторных батарей питания насосов и других электрических механизмов;
- выхлопные газы, дополнительно обогревающие секции охлаждения при длительной эксплуатации загрязняют секции, что может привести к ухудшению их работы, помимо этого возможность попадания выхлопных газов воздушного теплогенератора в кабину машиниста;
- наличие трех дополнительных топливопроводов малого сечения, от топливного бака может привести к их перемерзанию;
- избыточное дублирование информации системой ААСП - пять номеров телефона и два оператора. [www.delway.ru/Delway_AASP.PDF] Предлагаемая Система автономного прогрева дизелей тепловозов «Вихрь» включает в себя следующие элементы:
1) Водяной механический теплогенератор, устанавливаемый в подкапотном пространстве машинного отделения тепловозов типа ТЭМ, между дизелем и шахтой холодильника. Теплогенератор врезается в основную магистраль охлаждения дизеля через дополнительный обратный клапан. На общей раме установлен трехфазный асинхронный общепромышленный электродвигатель (ЭД) с климатическим исполнением УХЛ-2, на фланце которого расположен корпус водяного механического теплогенератора. Электродвигатель теплогенератора получает электропитание от автономной дизель-генераторной установки (ДГУ), топливо для которой поступает из специального топливного бака с автоматическим поддержанием уровня топлива из штатной топливной системы тепловоза.
2) Водомасляный теплообменник (ВМТ), устанавливаемый в подкапотном пространстве тепловоза под расширительным баком. Служит для поддержания достаточной для пуска дизеля температуры масла, путем подогрева его водой из контура системы «Вихрь». Масло через ВМТ
прогоняется малогабаритным циркуляционным насосом по контуру: картер - ВМТ - картер.
3) Обогрев кабины машиниста осуществляется штатным калорифером, при недостаточности которого, кабина оборудуется малогабаритным воздушным теплогенератором. Выхлопные газы через специальный коллектор выводятся в атмосферу под раму кузова тепловоза.
4) Автономная дизель-генераторная установка, устанавливаемая в помещении шахты холодильника мощностью не более 12кВт (мощность обусловлена габаритами подкапотного помещения маневрового тепловоза ТЭМ-2).
5) Блок питания, размещаемый в штатной высоковольтной камере, предусматривает возможность питания системы от внешнего источника переменного трехфазного тока 380 В и от аккумуляторной батареи тепловоза 75 В постоянного тока.
6) Блок управления и контроля, располагаемый в кабине машиниста, в автоматическом режиме контролирует и поддерживает температуру воды системы охлаждения дизеля тепловоза (20-80°С), температуру масла дизеля (20-50°С), температуру воздуха кабины управления (10-25°С) и наличие и уровень топлива в дополнительном топливном баке.
7) Блок оповещения, располагаемый в кабине машиниста, производит оповещение персонала звуковыми сигналами и световой индикацией о включении и выключении системы, а также возникновении аварийных режимов работы. Одновременно блок оповещения через систему GPS дублирует параметры работы на пульт дежурного диспетчера депо.
8) Специальный топливный бак объемом 30 литров (с учетом восьмичасовой непрерывной работы системы) для обеспечения подачи дизельного топлива к автономной дизель-генераторной установке. Устанавливается в подкапотном помещении на консольной балке над фильтром тонкой очистки масла. Уровень топлива в баке автоматически поддерживается из штатной топливной системы тепловоза. Уровень топлива контролируется блоком оповещения.
На рис.1 представлена структурная схема системы автономного прогрева дизелей тепловозов «Вихрь».
Запуск и отключение системы «Вихрь» производится принудительно машинистом тепловоза в зависимости от поездной обстановки с пульта машиниста в целях сбережения моторесурса дизеля тепловоза и экономии дизельного топлива.
После запуска «Вихрь» при повышении температуры воды в системе охлаждения дизеля до t-65°C должен автоматически отключиться теплогенератор, и при ее понижении до t-45°C - включиться.
Для контроля температуры воды в системе предусмотрен контактный термодатчик 15, температура срабатывания которого может изменяться от 0 до 120°С.
Контакты указанного датчика включены в цепь включения теплогенератора 11.
Для контроля температуры в кабине машиниста предусмотрен датчик температуры 13, параметры контроля которого регулируются от 5 до 25°С.
Контакты датчика включены в цепь калорифера 4.
Обязательным условием исправной работы теплогенератора 11 является постоянное наличие воды в системе охлаждения. Для контроля уровня воды предусмотрен датчик 17 в расширительном баке водяной системы охлаждения дизеля 6, который исключает запуск системы «Вихрь» при падении воды ниже допустимого уровня.
Контроль расхода дизельного топлива осуществляется по показаниям счетчиков расхода 18 и счетчика слива избыточного топлива 19. Таким образом, количество израсходованного топлива определяется по разнице показания счетчиков 18 и 19.
Для надежной работы системы «Вихрь» необходимо блоком электроники контролировать следующие параметры:
- включения источника электрической энергии (автономная дизель-генераторная установка), т.е. наличие напряжения ~380в на выходе источника при его запуске и дальнейших включениях по команде блока управления системы «Вихрь», в зависимости от температуры воды в системе дизеля тепловоза.
- снятие напряжения ~380в от источника электрической энергии при повышении температуры воды в системе дизеля t-65 С и выше (автономная дизель-генераторная установка заглушена).
- контроль приращения температуры At при выходе с ВТГ. При положительном At - продолжает контроль работы, при отрицательном и нулевом - отключает автономную дизель-генераторную установку системы «Вихрь».
- включение и отключение маслопрокачивающего насоса при температуре масла в пределах 35-50°С.
- блокировка запуска вихревого теплогенератора при работающем дизеле тепловоза.
- уровень дизельного топлива в баке автономной дизель-генераторной установки системы «Вихрь».
Для учета моточасов дизеля тепловоза предусмотрена установка датчика частоты вращения коленчатого вала. Так же предусматривается установка панели управления с экраном индикации на пульте машиниста.
Контроль над вышеуказанными указанными процессами осуществляется через канал GPS и радиосигнал с возможностью считывания информации внешним носителем.
Технико-экономические показатели системы автономного прогрева дизелей тепловозов «Вихрь»:
Температура теплоносителя: вода до 80°С масла до 60°С.
При использовании электродвигателя постоянный коэффициент полезного действия установки - 96%-98%. Для сравнения: тэновые и электродные котлы в процессе эксплуатации снижают свой КПД (с 90%) и перегорают, при этом сохраняется проектное потребление электроэнергии, что ведет к ее значительному перерасходу.
Мощность теплогенератора от 7 кВт и выше (в качестве привода установки применяются электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания и др. механизмы).
3
Для нагрева 1 м воды на 10°С потребуется 1 кВт электроэнергии. Скорость нагрева зависит от мощности установки.
Ориентировочная цена изготовления комплекта теплогенератора, включая электрический щит управления с соответствующей автоматикой, монтажа и пусконаладочных работ теплогенератора мощностью 30 кВт - 300 тыс. рублей.
Стоимость теплогенератора, монтажа, пусконаладочных работ уточняется и определяется с выданным техническим заданием заказчика по фактическим затратам.
Расчет экономии топлива.
При использовании системы обогрева дизеля тепловоза с вихревым механическим теплогенератором:
Паспортный расход топлива тепловоза ТЭМ 2 на один час горячего отстоя - 7 кг.
Среднее время нахождения тепловоза в горячем отстое - 8 час/сут.
Итого в сутки расход дизельного топлива на прогрев 7*8=56 кг.
Стоимость дизельного топлива израсходованного на прогрев (при закупочной стоимости 1 кг 20 руб.) 56*20=1120 р.
При средней продолжительности зимнего периода в 180 суток, расход составит
1120*180=201 600 руб.
При использовании автоматизированной системы обогрева дизеля тепловоза с жидкостным теплогенератором или вспомогательным дизелем:
При максимальном расходе 4,5 л/час=4,1 кг/час за 8 часов с учетом коэффициента использования системы прогрева (0,8) составит 26,6 кг.
Стоимость 26,6*20=532 рубля
ЭКОНОМИЯ составляет 1120-532=588 руб.
При средней продолжительности зимнего периода в 180 суток, расход составит
588*180=105 840 руб.
С учетом того, что паспортный расход топлива тепловоза ТЭМ на один час горячего отстоя отличается от фактического на 20-100%, пропорционально увеличивается экономия.
Дополнительные статьи экономии.
Поскольку при использовании системы прогрева 30% рабочего времени дизель тепловоза будет находиться в заглушенном состоянии, как следствие этого происходит существенная экономия моторесурса.
Поскольку основной износ аккумуляторных батарей тепловоза связан непосредственно с процессом пуска дизель-генераторной установки, вследствие протекания больших токов разряда (1800-2200 А), в зависимости от момента сопротивления на коленчатом валу. Данный кратковременный переходной процесс, протекающий при точном соблюдении условий эксплуатационной работы дизеля тепловоза, прекращается после 5-8 с от первоначального токового броска. Характерной чертой большого разрядного (пускового) тока является прямая пропорциональность от момента сопротивления на валу дизеля и обратная пропорциональная зависимость от температурного состояния деталей шатунно-поршневой группы. Так, начальный момент сопротивления на валу дизеля (при общей температуре дизеля 20°С) составляет 436 Н/м, а при температуре 60°С уменьшается до 240-260 Н/м. Как следствие этого происходит значительное повышение ресурса эксплуатации аккумуляторных батарей на 15-20% в связи с уменьшением пусков дизель-генераторной установки для прогрева.