Перспективы развития энергетических установок нового поколения в рамках энергетической стратегии ОАО «РЖД»

Проблемы топливно-энергетических ресурсов в Европе как наиболее развитой части мировой экономики изучались на протяжении целого тысячелетия: с момента фактического распада Римской империи и до практического применения парового двигателя в промышленности и на транспорте, а также его производных в бытовых целях. Это наложило определенный отпечаток не только на быт, но и на менталитет народов Европы. В России, при ее огромной территории, наличии неограниченных лесных ресурсов и малочисленности населения, энергетический кризис не имел столь выраженного характера.

Развитие генерирующих машин во все времена прогресса шло в направлении увеличения единичной мощности двигателя и его экономичности.

Приблизительно с середины прошлого века дополнительно стали предъявляться требования по уменьшению вредных выбросов в окружающую среду.

С учетом неблагоприятных долгосрочных тенденций развития рынка энергоресурсов и необходимости безусловного обеспечения возрастающих объемов перевозок в декабре 2007 г. актуализирована Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2020 г. [1]. Целью Стратегии определены оптимизация энергопотребления и реализация комплексных мероприятий по экономии топливных ресурсов (рис. 1).

Адресная работа по повышению энергоэффективности перевозочного процесса и другой эксплуатационной деятельности железных дорог в 2007-2013 гг. обеспечила относительную экономию топливно-энергетических ресурсов в объеме более 6 млн. т в условном исчислении на сумму 16,6 млрд. руб. (в ценах 2010 г.).

При этом темпы роста объемов перевозок устойчиво опережали рост энергопотребления, что свидетельствует об эффективности мер, направленных на энергосбережение. Фактический расход дизельного топлива и электроэнергии составил 98% от запланированных показателей Энергетической стратегии (рис. 2).

Рис. 2. Динамика роста объема перевозок, потребления ТЭР и затрат на их приобретение (в процентах к 2006 г.)

Сравнительный анализ энергоэффективности перевозочного процесса железных дорог России и США в пересчете на условное топливо показал, что, по итогам 2007 г., имеют место практически одинаковые показатели расхода (36,9 кг у.т/10 тыс. т-км брутто) на единицу перевозочной работы в грузовом движении. Но в тепловозной тяге имеется значительное отставание. В США 96,8% перевозок произведено на тепловой тяге (табл. 1).

Мировые тенденции развития двигателестроения свидетельствуют о том, что с середины 1980-х гг. углубляется расхождение между автомобильными и железнодорожными двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Менее заметны различия между судовыми и железнодорожными дизелями. Однако и здесь реализация высоких требований в отношении уменьшения вредных выбросов вызывает потребность в научных проработках, требующих венчурных (рискованных) капиталовложений.

Таблица 1

Сравнительные данные удельного расхода ТЭР на тягу поездов в грузовом движении железных дорог России, США, Канады в 2003-2007 гг.

	кг у.т/10 тыс. т-км брутто
	2003 г.	2004 г.	2005 г.	2006 г.	2007 г.
США    теплотяга	42,2	38,8		36,9
КАНАДА теплотяга национальные				35,2
1-го класса	42,3
РОССИЯ теплотяга	45,7	45,7	45,5	46,3	46
электротяга	35,8	35,8	35,1	35	34,7
на обоих видах тяги	37,3	37	36,7	36,6	36,4

Требования, которым должны отвечать тепловозные дизели нового поколения в России, определяются запросами основного заказчика - ОАО «РЖД» ‒ и общими тенденциями развития мирового дизелестроения. Успешное решение проблем возможно в тесной кооперации ОАО «РЖД», разработчиков и производителей двигателей [3].

Сегодня в системе ОАО «РЖД» преимущественная доля подвижного состава укомплектована силовыми установками середины прошлого века. Специалисты по созданию транспортных двигателей, конструкторы тепловозов едины в том, что разработка локомотивных энергетических установок нового поколения (ЛЭУНП) является сложной технической проблемой. Новые решения должны быть максимально адаптированы к имеющемуся парку тепловозов и сопутствующей инфраструктуре (рис. 3). Успешное продвижение на весьма насыщенном рынке требует дополнительных денежных вложений в проведение соответствующих НИР и обучение персонала.

Научными структурами ОАО «РЖД» должны быть определены потребности в типах и мощностях тепловозов для каждого региона.

К 2014 г. выработали срок службы около 70% электровозов постоянного тока, до 40% электровозов переменного тока, более 80% магистральных тепловозов и более 70% маневровых тепловозов (рис. 4). К 2015 г. дефицит тягового подвижного состава может составить ориентировочно 5 000 единиц.

Большинство тепловозов, находящихся на дорогах, по своим показателям значительно отстают от современных требований ОАО «РЖД». Необходимо снизить среднеэксплуатационный расход топлива на режимах, преобладающих по времени работы за счет системы оперативной перенастройки характеристик дизеля в соответствии с эксплуатационными условиями: массой поезда, временем движения по участку, техническим состоянием двигателя. История отечественного локомотивостроения имеет тенденцию к многосерийности, разнообразию конструкций, необоснованным модернизациям серий, низким требованиям к надежности и сроку службы локомотива.

Унификация локомотивного оборудования как одно из наиболее простых решений не регламентирована до настоящего времени.

Отечественный опыт выявил определенную несостоятельность выпуска различных по конструкции локомотивов (ТЭЗ и ТЭ7, ТЭ10 и ТЭП10, ТЭП70 и 2ТЭ70), которые отличаются лишь изменением передаточного числа тягового редуктора.

Современная конструкторская база, компьютерное проектирование локомотивов, дающие возможность на стадии проектирования решить большинство проблем, сталкиваются с отсталой производственной базой в локомотивостроении.

Научными структурами ОАО «РЖД» должны быть определены потребности в типах и мощностях тепловозов для каждого региона.

Отечественное машиностроение должно быть в фокусе государства и иметь достаточно средств из федерального бюджета, чтобы избежать зависимости от зарубежных производителей.

Перспективные локомотивные энергетические установки

Технико-экономичестие факторы

Рис. 3. Приоритетные направления исследований в области ЛЭУНП

Регулирование отключением

Альтернативная система привода газораспределения перспективного ЛЭУ

Регулирование хода клапанов нагрузочные режимы

Модульная компоновка основного оборудования применение высоких технологий изготовления

Современные системы поли газотурбинного наддува

Режим холостого хода

Рекомендации по эксплуатации в сети ОАО «РЖД»

Конкурентоспособность с зарубежными

Широкая унификация с

Система адаптивного электронного управления

адаптация к условиям эксплуатации

оптимизация конверте нтность рабочих процессов ЛЭУ

Переходные режимы

Активное регулирование параметров «время-сечение» клапанов газораспределения

Регулирование фаз газораспределения

топлива

Интегрирование вспомогательных систем ЛЭУ в системы локомотива

Электровозы

Вагоны электро- и дизель-поездов

Тепловозы магистральные

Тепловозы маневровые

Рис. 4. Выпуск локомотивов в 1990 и 2013 гг.

По данным Ассоциации американских железных дорог (AAR), железные дороги первого класса в течение последних 30 лет при том же объеме движения израсходовали в грузовых перевозках почти на 0,2 млн. т меньше дизельного топлива за счет внедрения с 1980-х гг. энергоэффективных устройств локомотивов и систем управления движением. За это же время выбросы углекислого газа в атмосферу сократились на 525 млн. м ³ .

С преобразованием Министерства путей сообщения в ОАО «РЖД» отношение к вопросу экономии топливно-энергетических ресурсов резко изменилось. Были начаты поиски инновационных энергоэффективных решений, направленных на экономию топлива.

Немалый вклад в сокращение потребления энергоресурсов вносит поставка новых локомотивов, обеспечивающих повышенную производительность при меньших энергетических затратах. В текущем году на железные дороги должно быть поставлено более 700 новых локомотив (рис. 5). Принципиально новыми для отечественных железных дорог стали грузовые электровозы 2ЭС10 и тепловозы 2ТЭ25А с асинхронными тяговыми двигателями [2]. Локомотивы данных серий обладают улучшенными сцепными характеристиками и позволят увеличить вес поездов (до 25-30%), что обеспечит значительное (до 10%) сокращение расхода ТЭР на тягу поездов (рис. 5).

Электровозы: 382

ЭП1М, ЭП2К, ЭП20 20, 50,30

2С5К, 3С5К     40, 80

2ЭС52

2ЭС6, 2ЭС10     100, 40

2ЭС4420

Тепловозы: 388

ТЭП70БС40

2ТЭ25А11

2ТЭ116У + 3ТЭ116У 94

ТЭМ7А21

ТЭМТН3

ТЭМ1425

ТЭМ-ТЭМХ12

ТГ16М2

Рис. 5. Поставка новых локомотивов в 2013 г.

Определение оптимальных сроков службы локомотивов и ремонтов имеет большое значение. От ее правильного решения зависят степень обоснованности норм амортизационных отчислений, перспективное планирование затрат на капитальный ремонт, планирование выпуска новых локомотивов, запасных частей, рациональное распределение материальных и трудовых ресурсов. Это обеспечивает снижение себестоимости перевозок, повышает экономическую эффективность работы железнодорожного транспорта. В настоящее время модель Р.М. Петухова наиболее приемлема для расчета оптимального срока службы локомотивов [3]. Эта модель многофакторная, где в качестве критерия используется показатель суммарных приведенных затрат на эксплуатацию, амортизацию, капитальный ремонт и реновацию машин (табл. 2). Более экономичным (на 18%) по затратам на обслуживание локомотивов является 3-й вариант, предусматривающий проведение одного капитального ремонта через 10 лет эксплуатации.

Таблица 2

Варианты воспроизводства локомотивного парка

Вариант	Оптимальный срок службы, г.	Суммарные приведенные затраты на 1 т-км, тыс. руб.
1-й вар.	24	227 448
2-й вар. 4 капремонта	20	276 794
3-й вар. 1 капремонт	20	226 000
4-й вар. 5 капремонтов с KРП	20	25 196

Одной из задач повышения эффективности российской экономики является снижение энергоемкости железных дорог, в том числе и в перевозочном процессе. Для железных дорог это достигается двумя способами:

‒ повышением энергоэффективности технических средств, уже находящихся в эксплуатации;

‒ внедрением в эксплуатацию новых инновационных энергосберегающих технических средств и технологий с качественно более высокими показателями экономии энергоресурсов [5].

Стратегия энергосбережения на примере оптимизации энергозатрат в тяге поездов графически представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Концепция определения реального потенциала энергосбережения

Первоначально вся система работает на стадии I. В этом случае фактический КПД всей системы тяги ниже идеального (η = 1), образуя определенный ресурс энергосбережения. Под идеальным здесь понимается состояние системы, когда затраты энергии по перемещению грузов происходят при отсутствии избыточных потерь во всех звеньях системы.

Стратегия энергосбережения заключается в стремлении максимального использования этого ресурса энергосбережения путем технически достижимых и экономически оправданных мероприятий. Причем первоначально будут задействованы наиболее эффективные и малозатратные механизмы экономии ТЭР.

На первом этапе процесс повышения энергоэффективности перевозочного процесса идет наиболее активно, постепенно замедляясь по мере проведения более дорогих, но менее эффективных мероприятий энергосбережения (рис. 7).

Характерно, что в 2013 г. при превышении на 22,3% объемов перевозочной работы по отношению к уровню базового 2003 г. общий баланс потребления ТЭР в условном исчислении уменьшился на 11,3%, а снижение энергоемкости производственной деятельности ОАО «РЖД» за годы его существования составило 19,3%. В то же время абсолютные значения затрат компании на их приобретение возросли к уровню 2003 г. в 2,7 раза (рис. 8). Энергетическая составляющая в эксплуатационных расходах железных дорог повысилась с 11,2 до 15,0% [4].

За период реализации Энергетической стратегии ОАО «РЖД» произошел рост цен и тарифов на ТЭР по отношению к базовому 2003 г.: на электоэнергию для тяги поездов – в 3,5 раза, дизельное топливо – в 2,8, уголь – в 3,1, природный газ – в 3,9, топочный мазут – в 5,4 и на тепловую энергию, приобретаемую ОАО «РЖД» у сторонних организаций, – в 2,9 раза.

2003 г.

2010 г.

Потребление ТЭР млн. ТУТ.

Работа млрд.ТКМ брутто

тепловая энергия со стороны

/ 4,0%

М,53Ут природный уголь

12,8% дизельное топливо на нетяговые нужды

2,7%

дизельное топливо на тягу поездов 15,0%

электроэнергия на нетяговые нужды 9,6%

2003 г.

59,3 млрд. руб.

тепловая

энергия со

стороны

3,84%

25,5

3345,8

> -10,40%

>  16,20%

->   22.52

>  3886,8

Рис. 7. Динамика структуры потребления ТЭР в ОАО «РЖД»

2010 г.

147,5 млрд.руб.

уголь

3,12%

мазут 2,8%

газ природный 1,25%

газ природный 1,3%

прочие виды

-" 3,ЭР%

дизельное топливо на нетяговые нужды 4,82%

11,2% ЭКСПЛУАТА ЦИОННЫХ РАСХОДОВ

Электроэнергия на тягу поездов 43,84%

дизельное топливо на тягу поездов

27,5%

мазут

2,8% тепловая энергия со стороны

2,3% уголь

1,1% дизельное топливо на нетяговые нужды

3,0% дизельное топливо н тягу поездов

26,6%

15,0%

ЭКСПЛУАТА

ЦИО Н НЫХ

РАСХОДОВ прочие вТиЭдРы

0,1%

бензин

1,4%

электроэнергия на

нетяговые нужды

9,29%

электроэнергия на нетяговые нужды

8,8%

Электроэнергия на тягу поездов

Рис. 8. Динамика затрат на приобретение основных видов ТЭР в ОАО «РЖД» в 2003 и 2013 гг.

Для снижения внешних негативных тенденций реализуются инвестиционные программы по созданию новой техники и технологий в области подвижного состава и инфраструктуры железных дорог, в которых энергосбережение рассматривается наряду с основными техническими требованиями.