Анализ расхода электроэнергии на тягу карьерных поездов

УДК 629.423.1.076.004.18

Г. К. ГЕТЬМАН, В. Е. ВАСИЛЬЕВ

АНАЛИЗ РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ТЯГУ КАРЬЕРНЫХ ПОЕЗДОВ

У статп наведено методику визначення складових витрати електроенерги на тягу кар'ерних потяпв, а також проаналiзовано ступiнь 1х взаемозв'язку з режимом руху потягу.

Ключовi слова: тяга по1здв, витрата електроенерги, власнi потреби, сила опору руху

В статье приведена методика определения составляющих расхода электроэнергии на тягу карьерных поездов, а также проанализирована степень их взаимосвязи с режимом движения поезда.

Ключевые слова: тяга поездов, расход электроэнергии, собственные нужды, сила сопротивления движению

The method of determination of constituents of expense of electric power on traction of quarry trains is resulted in the article, and also the degree of their intercommunication with the mode of train motion is analysed. Keywords: traction of trains, expense of electric power, own needs, force of resistance to motion

Электрифицированный железнодорожный транспорт предприятий по открытой добыче полезных ископаемых является крупным потребителем электрической энергии, поэтому в связи с удорожанием топливно-энергетических ресурсов в настоящее время возросла актуальность работ по снижению энергоемкости перевозок.

Применительно к магистральному железнодорожному транспорту энергетика движения поезда с целью поиска резервов экономии электроэнергии подвергалась пристальному изучению в течение практически всей истории электрификации железных дорог. В результате получено существенное снижение энергоемкости перевозок на электрифицированных железных дорогах.

Применительно к предприятиям по открытой добыче полезных ископаемых факторы, определяющие соотношение отдельных составляющих затрат энергии на электровозную откатку, не подвергались детальному изучению и в данной статье сделана попытка восполнить этот пробел.

Энергетику движения поезда при электрической тяге можно представить в виде диаграммы, изображенной на рис. 1.

Подведенная к поезду через контактную сеть электрическая энергия А равна сумме механической работы, совершаемой тяговыми двигателями Лр (работа силы тяги), затрат энергии на питание цепей собственных нужд электроподвижного состава Л сн и потерь энергии в тяговых электрических цепях электровоза в режиме тяги АЛ т.

Работа, совершаемая тяговыми двигателями Л р , как показано на рис. 1, расходуется на

преодоление сил сопротивления движению (основного и от кривых пути) Лк, на изменение запаса кинетической Л к и потенциальной энергии поезда Л п.

Рис. 1

Потенциальная энергия поезда увеличивается при движении на подъем за счет преобразования части работы силы тяги Лр или части кинетической энергии Л кп, высвобождаемой при снижении скорости движения.

При движении по спуску высвобождаемая потенциальная энергия превращается в работу по преодолению сил сопротивления движению Л т, кинетическую энергию Л пк (при увеличении скорости движения) и тепловую энергию © Гетьман Г. К., Васильев В. Е., 2011

в тормозных устройствах А пт (потери в тормозах) в случае применения торможения.

Кинетическая энергия поезда А к в зависимости от режима его ведения может превращаться в потенциальную (составляющая А кп), расходоваться на преодоление сопротивления движению (составляющая А ки,) и гаситься в тормозных устройствах (А кт).

Движение поезда начинается с трогания и завершается остановкой. Следовательно, суммарный баланс составляющих кинетической энергии за поездку всегда равен нулю. Поэтому уравнение энергетического баланса за поездку, представим как

А = А,„ + Аг ± Ап

А т + АА + А сн,

АА = Ап - А+ Ап - Ат - Ат

где А 0 - найденный из опыта расход электроэнергии на тягу без учета затрат энергии на питание цепей собственных нужд.

Механическая работа по преодолению основного сопротивления движению в абсолютных величинах

Ако = 9,81«| w0, Вт • с .

где т - масса поезда, т;

5 - пройденное поездом расстояние (путь), м; wо - основное удельное сопротивление движению, Н/кН.

Удельный (отнесенный к единице перевозочной работы) расход рассматриваемой составляющей расхода электроэнергии

2,725

а,., =-

3,6 ът

Вт • ч

т • км

.

где Аг и АН1 - работа сил сопротивления движению соответственно от кривых пути и основного.

Рассмотрим более подробно составляющие расхода электроэнергии и проанализируем степень их взаимосвязи с режимом движения поезда, а также возможные резервы экономии электроэнергии.

Составляющие АН1 , А т, Аг и А п с достаточной точностью определяются аналитически, что будет показано далее. Потери электроэнергии в силовых цепях в конкретной поездке можно рассчитать, если известна зависимость от времени или пройденного пути параметров, характеризующих режим нагружения тяговых двигателей (тока якоря, частоты вращения, тока возбуждения и др.). Поэтому этот вид потерь целесообразно найти из опытных данных согласно выражению

Определение работы по преодолению основного сопротивления движению по (3) затруднено в связи с зависимостью величины w о от скорости движения, являющейся функцией пройденного расстояния 5 . В ряде случаев это затруднение обходят, считая составляющую Aw

равной работе по преодолению сопротивления движению w о, совершаемой при движении с некоторой постоянной скоростью V с. Тогда выражения для АН1 и ам/ приобретают вид:

Aw = 9,81т^ о (Vс), Вт • с;

Вт • ч

= 2,725w о (Vс),

т • км

Для приближенной оценки значений АМ1 и аМ1 можно принять в качестве V с среднюю по времени скорость движения на участке

V с( = ъ/Т, поскольку время движения на маршруте Т можно получить из опыта.

Однако фигурирующая в выражении (5) величина V с должна представлять не среднюю по времени, а среднюю по пути скорость движения.

Последнее утверждение очевидно из следующего.

Согласно [1] удельное основное сопротивление движению подвижного состава карьерного транспорта представляется линейной функцией скорости движения

w о = а о + а ^ ,

где а о и а 1 - постоянные коэффициенты, а

V = ds|dt - скорость движения.

С учетом приведенного выражения определенный интеграл в выражении (4) можно записать как

| w о (VУ^ъ = а 01 ds + а 11 vds

0 0 0

| w о ^ У5 =(а о + а ^ съ У ,

или

где величина

V с5 =

1 я

— [ vds

о Л

представляет среднее по пути значение скорости движения.

Известно, что V с5 = V с( только в случае движения с постоянной скоростью. В реальных условиях скорость движения поезда колеблется относительно среднего значения V а, что вызывает рост V ^, поэтому практически всегда

V > ы .

Как показано в [2], минимум работы Aw

реализуется при движении с постоянной скоростью, а любые ее отклонения от среднего значения сопряжены с ростом работы сил сопротивления движению Aw, соответствующей выполнению рейса за заданное время хода.

Отметим, что в ряде работ, например [3], указанный факт для электроподвижного состава магистральных железных дорог объясняется наличием в зависимости w 0 (V) составляющей,

пропорциональной квадрату скорости движения. Основное сопротивление движению подвижного состава карьерного транспорта на основании (5) можно считать линейной функцией скорости движения. Однако и в этом случае, как можно показать, отклонения скорости движения от её среднего по времени значения сопряжены с ростом работы сил сопротивления движению.

В практических расчетах среднюю по пути скорость движения (6) определяют как

V съ = кнV ы ,

где так называемый интегральный коэффициент кривой скорости движения [4]

1 ъ

— [ vds

рости относительно среднего по времени значения, рассчитаны приведенные на рис. 2 графики зависимостей отношения w0s/w0 = /(V, кн),

где w0ъ = wo(vсъ), а w0 = wo(vct). Можно видеть, что для карьерного транспорта рассматриваемое увеличение Aw реально не превышает 4...5 %.

1,10

1,08

1,06

1,04

1,02

1,00

И'т= \ к„=1 1,35^ 1,30

1,25

1,20

1,15 I 10

1.05

V

10

15 20 Рис. 2

25

30

35 КМ/Ч

Приведенные в [4] данные исследований показывают, что для грузовых поездов магистральных железных дорог к н = 1,10 * 1,20 .

Обработка кривых скорости v(ъ), зарегистрированных в ряде опытных поездок с поездами в составе тягового агрегата ПЭ2М, показывала, что для карьерного электротранспорта интегральный коэффициент кривой скорости кн = 1,10 * 1,15.

Для оценки степени увеличения механической работы Aw , обусловленного колебаниями ско-

В случае движения поезда вагонами вперед, он испытывает дополнительное сопротивление движению [1]

wд =(0,15 + 0,001/)w0, Н/кН ,

которое составляет 15.20 % от величины w 0.

Расход энергии на преодоление сопротивления движению от уклонов и кривых пути определяется массой поезда, профилем и планом пути. Его можно принять независящим от скорости движения и, следовательно, от режима ведения поезда, поскольку рекомендованные Правилами тяговых расчетов расчетные выражения для сопротивления движению от уклонов и кривых пути как для магистрального [5], так и для промышленного [1] транспорта не содержат в качестве переменной скорость движения.

Изменение потенциальной энергии поезда и работу сил сопротивления движению от кривых пути представим как:

= 9,81т| /с

0

Вт • с ;

А п = 9,81т | w

0

А п = 9,81т | wrds =

0

= 9,81т ^ wtjS к;, ] = ТП, Вт • с ,

1=1

где w / - удельное сопротивление движению от уклонов, Н/кН;

кн

1 - крутизна уклона, %о; ^  - удельное сопротивление движению от

кривых пути, Н/кН;

5 к - длина]-й кривой, м;

п - число кривых на маршруте. Удельный расход электроэнергии на преодоление уклонов и кривых пути в Вт • час /т • км равен:

2,725 [ ;

2,725 П 700

аг =-^-5

5 ^ Я к

где Я к - радиус кривой, м.

При движении по однообразному уклону или кривой, длина которой превышает длину поезда, имеем в Вт • час /т • км :

а п = 2,7251

аг = 2,725

700

Потери механической энергии при торможении (механическом или электрическом реостатном) определяются выражением [6]

А т =

1000га

2 • 3,62

- 9,81га ^

I

Вт • с.

или А т = 10 6 га

10,72

(1+у)(*н - *2)-

0

кВт•ч.

Атв = 9,81га

Вт • ч

а тв = 2,725 0' - w о (*)) ,

т • км

где 1 - уклон на вредном спуске (абсолютная величина);

5 в - протяженность вредного спуска, м.

Для электроподвижного состава с реостатным пуском из потерь в тяговых цепях АА при необходимости можно выделить потери в пусковых резисторах

А „ = 9,81гак,

(1+у) 2

2 • 3,6

2 5 п

- I w к

0

, Вт • с

или

А „ = 2,725 -10 -6 гак.

п

38,6(1 + у)р2 - | w кй5

кВт • ч ,

где V н и V к - значения скорости соответственно в начале и конце торможения, км/ч;

w к - удельное сопротивление движению на участке торможения, Н/т;

5 т - расстояние, проходимое поездом за время торможения (тормозной путь), м;

(1 + у) - коэффициент инерции вращающихся масс поезда.

Механическая работа, совершаемая при подтормаживании на вредных спусках, в случае поддержания постоянной скорости определяется как

где к п - коэффициент пусковых потерь;

V п - скорость выхода на автоматическую характеристику, км/ч;

5 п - путь, проходимый поездом за время пуска, м.

Расход энергии на собственные нужды Л сн можно рассчитать по приведенной в [1] средней мощности вспомогательных цепей или определить опытным путем, как в данном исследовании.

06 удельном весе составляющих расхода электроэнергии на тягу карьерных поездов можно судить по данным табл. 1. Они соответствуют средним значениям величин, определенным с помощью приведенных выше выражений по результатам трех опытных поездок по полному циклу движения на маршруте протяженностью 12,35 км с разностью высот конечных пунктов 224,4 м. Опыты проводились с тяговым агрегатом ПЭ2М и составом из 9-и вагонов 2ВС-105 (масса тары поезда га = 730 т; расчетная масса груженого поезда га = 1730 т).

Анализ приведенных данных и расчетных выражений показывает, что общий расход электроэнергии и удельный вес его составляющих зависит в основном от характеристик маршрута движения (перепад высот расположения конечных пунктов; характеристики путей в местах предусмотренных остановок поезда и количество последних; протяженность участков с движением поезда головой вперед и вагонами вперед; количество и параметры кри-

ап

5

5

вых в плане пути; доля протяженности постоянных и передвижных путей; профиль пути в местах погрузки и разгрузки). В рассматриваемом случае наибольший удельный вес в расходе электроэнергии приходится на затраты А п, связанные с преодолением сопротивления движению от уклонов пути. Далее по убыванию

удельного веса следуют затраты на преодоление сил сопротивления движению поезда (основного, от кривых пути и добавочного) - 30,84 %, потери энергии на вредных спусках - 19,27 %, в тяговых цепях - 11,17 % и на собственные нужды - 6,25 %.

Таблица 1

Составляющие расхода энергии на тягу карьерных поездов

Составляющие расхода электроэнергии

Направление А 0 А сн А п А w 0 А "" д А т А тв А г АА

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Груженый рейс 1730 100 113 1076 276 32 22 — 60 151

6,53 62,2 15,95 1,85 1,27 3,47 8,73

Порожний рейс 190 100 7 -442 136 5,5 25 370 25 63,5

3,68 -232,7 71,58 2,89 13,16 194,7 13,16 33,42

За цикл 1920 100 120 634 412 37,5 47 370 85 214,5

6,25 33,02 21,46 1,95 2,45 19,27 4,43 11,17

К основным факторам, определяющим структуру расхода электроэнергии по составляющим и энергоемкости перевозок, следует отнести, в первую очередь, спрямленный уклон маршрута. Увеличение перепада высот, на которых расположены пункты погрузки и разгрузки, при прочих равных условиях приводит к росту энергоемкости перевозок и росту удельного веса работы по изменению потенциальной энергии поезда А п.

Снижение приведенного уклона пути на маршруте сопровождается уменьшением доли составляющей А п и возрастанием удельного веса других составляющих.

Определенное влияние оказывает уровень средней скорости движения. С ее уменьшением несколько снижается составляющая Aw и заметно возрастает (как по абсолютной величине, так и по удельному весу) расход на собственные нужды.

По этой причине в ряде случаев (например, при использовании тяговых агрегатов ПЭ2М), абсолютна величина и удельный вес составляющих Aw , АА и А сн зависят от уровня используемого напряжения в системе электроснабжения тягового подвижного состава.

Из приведенных данных можно заключить, что при действующих схемах транспортировки горной массы независимо от характеристик профиля маршрутов резервы снижения расхода электроэнергии на тягу следует

искать на пути снижения затрат на собственные нужды А сн и уменьшения потерь энергии в электроподвижном составе АА и на вредных спусках А тв.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Правила тяговых расчетов для поездной работы промышленных электровозов постоянного тока [Текст] / Госстрой СССР, ПромтрансНИИпроект вып. 4322. 1977. - М.: Транспорт, 1977. -Вып. 578. - С. 57-74.

2. Петров, Ю. П. Оптимальное управление движением транспортных средств [Текст] / Ю. П. Петров. - Л.: Энергия, 1969. - 96 с.

3. Обухов, В. П. Аналитический метод оперативного нормирования расхода электроэнергии на тягу поездов [Текст] : дис. ... канд. техн. наук /

B. П. Обухов. - М.: МИИТ, 2002. - 132 с.

4. Бакланов, А. А. Расход энергии на преодоление основного сопротивления движению поезда [Текст] / А. А. Бакланов // Сб. «Исследование работы электрооборудования и вопросы прочности электроподвижного состава». - Омск, 1979. -

C. 54-59.

5. Правила тяговых расчетов для поездной работы [Текст]. - М.: Транспорт, 1985. - 287 с.

6. Розенфельд, В. Е. Теория электрической тяги [Текст] / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров. - М.: Транспорт, 1983. - 328 с.

Поступила в редколлегию 14.04.2010. Принята к печати 27.04.2010.