Анализ и способы снижения расхода электроэнергии в грузовом движении на Казахстанской железной дороге

Актуальность проблемы обусловлена остротой проблемы энергосбережения на железнодорожном транспорте.

В 2004 году операторы локомотивной тяги Республики Казахстан перешли на хоздоговорную основу предоставления услуг Службе локомотивной тяги {Приказ Минтранскомма РК от 23 июля 2004 года N 286-I)[39]. В связи с этим, в тарифы услуг Службе локомотивной тяги топливная составляющая закладывается единым показателем, как для электрической, так и для автономной тяги в локомотиво-часах. С изменением результирующего показателя работы Службы локомотивной тяги стала актуальна проблема учёта потребления электроэнергии тягу поездов и ее связь с новым показателем. Постоянный рост тарифов по оплате электроэнергии обуславливает возрастающую остроту проблемы, как в рамках ее учета, нормирования, так и в поиске путей энергосбережения.

Так, в 2004 году затраты на топливно-энергетические ресурсы только на электрическую тягу составили 7,2 млрд. тенге (1,51 млрд. рублей) за приобретенную электроэнергию объемом 1,8 млрд. кВт-ч. По сравнению с.

2003 годом увеличение расходов на электроэнергию составило 11,1%. Рост энергопотребления заметно опередил фактическое увеличение грузооборота, а удельное энергопотребление возросло на сети железных дорог, как в грузовом, так и пассажирском движении.

Исследование энергоемкости перевозочного процесса в электрической тяге может быть проведено на базе теории вероятностей и математической статистики. Статистическая модель позволяет учесть многообразие факторов эксплуатационного характера. Основой для исследования служат данные по выполненным поездкам, взятые из маршрутных листов машинистов. Расход электроэнергии в удельном виде является результирующей функцией, на которую влияют факторы эксплуатации. Степень влияния их на энергозатраты позволяет не только вести учет электроэнергии, но и прогнозировать расход на предстоящий объем перевозочной работы, что является существенным вкладом в работы, проводимые Службой локомотивной тяги и частными операторами локомотивной тяги в эксплуатационных депо по учету, нормированию и прогнозированию электроэнергии. Должен быть разработан переход к новому показателю, выраженному в локомотиво-часах, который является не точечной оценкой работы электровозной тяги, а представляется функцией определенного числа исходных показателей, таких, как например, масса поезда и нагрузка на ось.

Степень научной разработанности проблемы. Исследования по учёту электроэнергии началось уже во времена эксплуатации первых электровозов. Были глубоко проработаны методы, базирующиеся на графо-аналитическом расчете. Стоит отметить огромный вклад в их развитие профессоров Мирошниченко Р. Н., Лебедева А. Б. и Розенфельда В. Е. [62, 92].

Большая работа по разработке балансовых методов проведена профессором Черемисиным В. Т., доцентами Баклановым A.A. и Лебедевым В. М. в Омском государственном университете путей сообщений. [10, 11, 12].

Особый вклад внесли работы ВНИИЖТа, в частности метод расчёта энергозатрат по обобщенным показателям: он был впервые разработан профессором Молярчуком B.C. и в последующем внедрен в МПС СССР. [70].

В Московском государственном университете путей сообщения профессорами Исаевым И. П., Феоктистовым В. П., Сидоровой H.H. были разработаны статистические и интегральные методы расчета расхода электроэнергии. [47, 48, 49, 53, 77, 92, 95−98, 106−110].

В АлИИТе (ныне КазАТК) совместно с кафедрой «Электрическая тяга» МИИТа в начале 90-х годов инженерами Ширяевым В. В. и Сорокиным C.B. на Целинной ж.д. внедрялись методы посекционного регулирования с возможностью оперативного отключения любой из секций локомотива, что способствовало улучшению энергетических показателей электровозов при вождении неполновесных поездов. [114].

Цель работы заключатся в совершенствовании комплекса технического I учёта и нормирования расхода электроэнергии в грузовом движении на Казахстанской железной дороге. Для этого необходимо выполнить: а) обзор существующих методов расчёта энергоемкости в грузовом движении, выбрать базы исследованияб) оценку влияния эксплуатационных факторов с использованием выборки статистических данных расхода электроэнергии из маршрутных листов машинистов на участке Караганда Сортировочная — Астанав) сравнительный анализ эффективности использования электровозов с коллекторными и бесколлекторными тяговыми двигателямиг) разработку статистической модели, на основе которой определяется рекомендуемый метод технологического учёта и нормирования энергозатрат в электрической тяге, для оперативного расчета норм на поездку.

Объектом исследования данной работы являются энергоемкость электровозов в тяге поездов, система учёта и нормирования энергопотребления на тягу поездов в грузовом движении.

Предметом исследования являются эксплуатационные факторы, влияющие на потребление электроэнергии в тяге поездов.

Методы исследования базируются на законах теории электрической тяги, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы диссертации заключается в разработке вероятностно-статистической модели энергопотребления при реализации перевозочного процесса с учетом многообразия действующих эксплуатационных факторов, включая параметры поездопотока, ограничения при формировании составов, особенности режима ведения, характеристики тягового плеча, конкретный тип электровоза. Предложенный метод предусматривает возможность перехода от системы технологических норм к групповым нормам для определения энергозатрат на конкретный заданный объем перевозочной работы (грузооборот) в условиях действующего или вводимого графика движения поездов.

Практическая ценность работы заключается в разработке системы технического учёта электроэнергии, позволяющей использовать введенный в качестве результирующего на Казахстанской железной дороге показатель локомотиво-часы как производный от удельного расхода электроэнергии на поездку. Исследование зависимости удельного расхода электроэнергии от ряда эксплуатационных факторов позволяет определить пути энергосбережения.

Структура диссертационной работы.

В первой главе показано состояние электрической тяги Казахстанской железной дороги, представлена хронология развития тяговой энергетики железнодорожного транспорта, рассмотрены основополагающие методы расчёта, а также поставлены задачи и цели исследования диссертационной работы.

Во второй главе определены базовые факторы, влияющие на энергозатратывыполнена проверка достоверности показаний маршрутных листовопределены параметры грузопотоков в тяге двухи трехсекционными грузовыми электровозамидана оценка погрешности при нормировании расхода электроэнергии на тягу поездов, если в ней не учитывается диапазон изменения масс поездовпроанализирована работа в пассажирском движении и определены перспективы работы в грузовом движении универсальных электровозов К2.4А с асинхронным тяговым приводом.

В третьей главе проведен сравнительный анализ расхода электроэнергии в тяге грузовых поездов электровозами, оборудованными коллекторным и бесколлекторным тяговым приводом. На базе графоаналитического метода и тягово-энергетического паспорта выполнена оценка эффективности использования электровозов с коллекторными и бесколлекторными тяговыми двигателямиданы рекомендации по использованию каждого типа электровозов в зависимости от профиля пути и диапазона масс поездов.

В четвертой главе даны рекомендации по снижению удельного энергопотребления в грузовом движениипроведено обоснование возможного совершенствования системы технического учёта электроэнергии на Казахстанской железной дорогепредложен путь перехода от удельного расхода электроэнергии на поездку к показателю локомотиво-часы, что позволит достигнуть стимулирующего эффекта в экономии электроэнергии.

общие выводы по результатам работы:

1. Энергоемкость перевозочного процесса в электрической тяге предложено рассматривать как сложную нелинейную функцию, аргументами которой являются параметры эксплуатации (вес состава, нагрузка на ось, среднетехническая скорость, количество остановок). Для исследования и оценки указанной функциональной взаимосвязи предложена статистическая модель, базирующаяся на использовании метода взаимной корреляции и позволяющая путем многофакторного анализа опытных данных по расходу электроэнергии на заданном участке Караганда Сортировочная — Астана количественно определить степень влияния на энергозатраты каждого из варьируемых параметров и представить соответствующие зависимости в графической и аналитической форме.

2. В грузовом движении выделены два фактора вес состава и нагрузка на ось не подлежащие линеаризации и являющиеся, главными аргументами нелинейной функции удельного расхода энергии. При больших значениях весов поездов и нагрузок на ось удельное энергопотребление становится практически постоянной величиной, то есть максимально используется мощность ЭПС. Разработанная статистическая модель положена в основу базового метода технологического нормирования энергозатрат в электрической тяге, рекомендуемого для оперативного расчета норм и учёта на поездку.

3. Представлены теоретические обоснования, методики рационального управление локомотивным парком на основе тягово-энергетического паспорта за счёт оценки эффективности использования электровозов с коллекторными и с бесколлекторными тяговыми двигателями в различных весовых категориях поездов. Методика составления тягово-энергетического паспорта электровозов способствует выбору энергоптимальных локомотивов;

4. Установлено что как в общей, так и частных выборках, главным фактором, имеющим наиболее существенное влияние на удельный расход электроэнергии, является вес поезда, а вторым по значимости — нагрузка на ось. Влияние скорости движения поезда является незначимым фактором;

5. Рекомендованы мероприятия обеспечивающие энергосбережения в электрической тяге, в первую очередь организационного характера, поскольку они не требует финансовых вливаний. Среди них наибольший эффект в части энергосбережения следует ожидать от совершенствования системы нормирования энергозатрат, которая структурно содержит три компонента — установление оптимальной нормы, учет фактического расхода электроэнергии и стимулирование, а также обучение локомотивных бригад. Показана возможность оптимизации нормы энергозатрат на поездку по критерию обеспечения максимального энергосбережения, что соответствует достижению максимума стимулирующего эффекта для локомотивной бригады. Предложенная статистическая модель обеспечивает объективную количественную оценку качества нормирования энергозатрат в локомотивном депо и соответствие применяемых норм рациональным режимам вождения поездов.

Предложенная методика нормирования может быть рекомендована как основа для текущей организации работ по нормированию в электровозных депо, реализующих грузовые перевозки на наиболее грузонапряженных и энергоемких направлениях. Разработанная система технического нормирования и учёта эксплуатационных показателей, позволит уточнять и корректировать расход электроэнергии на поездку;

6. Разработаны номограммы удельного расхода электроэнергии для двухсекционного и трехсекционного электровоза ВЛ80С, рекомендуются в использовании при нормировании и учёте электроэнергии. И в дальнейшем на практике автоматизировано обрабатывая статистику, могут оперативно откорректированы. Эксплуатация маломощных и универсальных электровозов в тяге поездов в грузовом движении, приводит к снижению стоимости перевозки маловесных поездов в 1,5 — 2 раза;

7. Предложен посекционный расчёт эксплуатационных норм позволивший снизить расходную ставку для маломощных и универсальных электровозов, способствующий к финансовому стимулированию использования данных серий локомотивов, а также определяющий размер компенсации за работу третьей секции электровоза ВЛ80С, ранее не учитываемую;

8. В целом результаты работы позволяют рекомендовать обновленную техническую систему нормирования и учёта расхода электроэнергии и реструктуризация локомотивного парка Казахстанской железной дороги, параметры которых определены в данной работе.