Резервы повышения энергоэффективности локомотивов при обработке разнородной информации

Основная доля расхода топливно-энергетических ресурсов в ОАО «РЖД» приходится на тягу поездов. На нее затрачивается более 76% общего объема потребляемых энергоресурсов, в том числе 90% дизельного топлива (ДТ). Важной задачей локомотивного комплекса ОАО «РЖД» является снижение непроизводительного расхода топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на тягу поездов [1]. Ежесуточно в эксплуатируемом парке содержится свыше 10 тыс. локомотивов, из них более половины ‒ с дизельными энергетическими установками.

Годовой расход электроэнергии на тягу поездов превышает 37 млрд. кВт·ч, а дизельного топлива - 2,5 млн. т.

В целях эффективного использования ТЭР и сокращения непроизводительных расходов Центральной дирекции тяги на 2014 г. было установлено задание по их удельному расходу:

‒ в электрической тяге - 107,6 кВт·ч /10 тыс. т-км брутто, что на 2,3% ниже, чем в 2013 г.;

‒ на дизельной тяге - 59 кг у. т/10 тыс. т-км брутто, что ниже на 3,5%, задание выполнено в полном объеме.

На Восточно-Сибирской железной дороге при выполнении объема работы на 101,5 %, потребление дизельного топлива к прошлому году снижено на 9,2 %, а удельный расход снижен на 10,6 %, к плановому заданию снижение составило 2,3 %. За 2014 г. на дороге получена экономия дизельного топлива 1936 т (2807 т у. т), или 2,3 % к плановому заданию.

В таблице 1 представлены структура работ и показатели использования дизельного топлива.

Таблица 1

Структура работ и показатели использования дизельного топлива

	Доля работы, %			Удельный расход, кг /10 тыс. т-км
	2013 г.	2014 г.	+/ -	2013 г.	2014 г.	+/ -
Грузовое	88,77	89,60	0,83	67,7	61,7	-8,9
Пассажирское	3,03	2,98	-0,05	103,4	100,9	-2,5
Пригородное	0,07	0,03	-0,04	146,4	123,8	-15,4
Хозяйственное	7,01	6,21	-080	239,8	196,8	-17,9
Маневровое	1,12	1,18	0,06
Маневровый пробег	5,46	5,41	-0,05	351,6	337,7	-4,0
ИТОГО	100	100		99,4	88,8	-10,6

Из таблицы 1 видно, что по отношению к 2013 г. доля грузовой работы увеличена на 0,83 %. Пассажирская работа уменьшена на 0,05%. Изменение структуры работ положительно повлияло на энергоемкость перевозок и снизило удельный расход на 1,6 кг у. т / т-км на измеритель. В тепловозной тяге коэффициент эффективности использования эксплуатируемого парка тепловозов составил 74,4 % и увеличен к прошлому году на 0,7 %. За 12 месяцев 2014 г. на горячий простой локомотивов без бригады израсходовано 5,6 тыс. т дизельного топлива со снижением к прошлому году на 845 т. Энергоемкость перевозок снижена во всех видах работ.

Достигнутый эффект от экономии топливно-энергетических ресурсов мог быть еще выше при создании в Дирекции тяги вертикали управления топливно-энергетическими ресурсами, а также при должном качестве со стороны поставщиков технических средств и ремонтного персонала к исправности и эффективности использования систем ресурсосбережения. Одним из путей снижения энергетической неэффективности основной деятельности ОАО «РЖД» является создание системы оперативного мониторинга потребления дизельного топлива и электроэнергии, предназначенных для перевозочного и вспомогательных процессов в эксплуатации подвижного состава.

Для решения этой задачи на Восточно-Сибирской железной дороге был создан Центр оперативного управления процессами (рис.). С июля 2014 г. локомотивный парк переведен на сервисное обслуживание. Дирекцией тяги совместно с причастными департаментами и филиалами ОАО «РЖД» проведен целый комплекс работ, результатом которых стало заключение договоров на сервисное обслуживание всего локомотивного парка компании. В соответствии с ними обязательства по обслуживанию и ремонту средств ресурсосбережения возложены на сервисные компании - ООО «ТМХ-Сервис» (75,6%) и ООО «СТМ-Сервис» (24,4%) от всего парка локомотивов.

Рисунок ‒ Центр оперативного управления процессами (ЦОУ)

Большое внимание уделено взаимодействию Дирекции тяги и сервисных компаний по планированию, нормированию и отнесению расхода топливно-энергетических ресурсов на обслуживание и ремонт локомотивов. Ключевой особенностью этого взаимодействия является создание отдельных дополнительных договорных отношений.

Локомотивы, работающие на невозобновляемых источниках энергии (дизельном топливе), представляют собой приоритетную область для внедрения технических, технологических и организационных решений, требующих применения управляющих процедур на основе обработки разнородной информации.

Основным резервом повышения эффективности топливо- и энергопотребления локомотивами являются:

‒ улучшение их технического состояния при сервисном обслуживании, снижение непроизводительных затрат ТЭР при простое в ожидании работы и ремонта;

‒ использование новых (модернизированных) серий локомотивов с низким уровнем топливо- и энергопотребления;

‒ применение ресурсосберегающих технических средств и технологий;

‒ использование механизма мотивации персонала в экономии топлива и электроэнергии;

‒ переход на полигонные технологии применения тяговых ресурсов, внедрение комплексных систем снижения потребления энергоресурсов на тягу поездов.

Одним из самых эффективно и динамично развивающихся направлений в области экономного расходования ТЭР на тягу поездов и простой локомотивов в «горячем» состоянии в ожидании работы является использование ресурсосберегающих технических средств. Расход топлива на непроизводительную работу дизеля тепловоза при ведении поезда может составлять до 45% от общего расхода на поездной работе тепловоза. Это обусловлено тем, что более половины тепловозного парка сети задействовано в маневровой и хозяйственной работе.

Сегодня при реализации проекта «Внедрение ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте» (РТС) локомотивный парк Дирекции тяги ОАО «РЖД» оборудован средствами регистрации параметров работы тепловоза и контроля расхода дизельного топлива (АПК «Борт», РПРТ, РПДА, АСК ВИС), прогрева дизель-генераторной установки маневровых тепловозов – АСПТ, системами электронного управляемого впрыска топлива (ЭСУВТ).

На внедрение ресурсосберегающих средств и технологий с 2011 по 2014 г. Дирекции тяги было выделено 1 млрд. 371 млн. руб. Экономический эффект составил более 2 млрд.

руб. Новые технические средства и решения позволили только в 2014 г. сэкономить 17,8 тыс. т дизельного топлива на сумму более 750 млн. руб.

Таблица 2

Ресурсосберегающие средства и технологии

Годы	Годовые вложения, млн. руб.	Получаемый эффект прямой, млн. руб.	Косвенный эффект от мероприятий энергосбережения, млн. руб.
2011	310	410	17800
2012	336	480	19003
2013	360	620	22015
2014	365	750	24100

Значительным резервом сокращения расхода дизельного топлива на тягу поездов является перевод дизелей на электронную систему управления впрыском топлива (ЭСУВТ) [2]. Это уже сейчас обеспечивает приспособляемость дизеля к внешним условиям в поездной работе, позволяет снизить его расход топлива на 5-7%, сокращает эксплуатационные расходы и улучшает его экологические характеристики. В ходе проведенных в 2012 г. испытаний в период годовой эксплуатации расход топлива в режиме холостого хода составил 5,6 кг/ч при норме 7,4 кг/ч.

Система ЭСУВТ позволяет автоматически отключать половину цилиндров путем прекращения подачи топлива в соответствующие цилиндры при работе с пониженной частотой вращения на холостом ходу. В ближайшей перспективе за счет дальнейшего совершенствования этой технологии ее эффективность будет увеличена еще на 10%.

Введение ежесуточного контроля простоя локомотивов без бригады в ожидании работы за 2014 г. обеспечило в дизельной тяге при снижении на 5,1% времени «горячего» простоя сокращение непроизводительного расхода дизельного топлива на 8,6 тыс. т.

Дополнительным эффектом от введения систематического контроля непроизводительного расхода ТЭР стало снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Расчетами установлено, что от достигнутого сокращения 8,6 тыс. т непроизводительного расхода дизельного топлива количество вредных выбросов снижено на 645,8 т, в том числе: оксидов азота - на 449,5 т, оксидов углерода - 96,6, углеводорода - 75,4, сажи - на 24,3 т.

Другим направлением для снижения потребления ТЭР является лубрикация, обеспечивающая эффективное сцепление и снижение износа в системе «колесо ‒ рельс». Это неотъемлемая технологическая часть перевозочного процесса. Благодаря лубрикации увеличивается ресурс колес и рельсов, уменьшаются материальные затраты на их ремонт, понижаются риски, связанные с устойчивостью ходовой части подвижного состава, и снижается уровень шумового воздействия на окружающую среду. Кроме того, обеспечивается существенная экономия топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов за счет уменьшения сил сопротивления движению.

За последние 7 лет в 5 раз уменьшилась интенсивность износа гребней колесных пар магистральных локомотивов и в 2 раза увеличился их ресурс до смены по предельному износу. На 43% уменьшилась интенсивность бокового износа рельсов и в 7 раз сократилась их смена в кривых по предельному боковому износу, в 3 раза снизилось количество замененных по износу рамных рельсов и остряков стрелочных переводов. За год ОАО «РЖД» расходует на лубрикацию 3 тыс. т смазочных материалов, а экономический эффект от этого превышает 2,6 млрд. руб., в том числе более 400 млн. руб. приходится на тягу. Наиболее эффективным из применяемых мобильных технических средств лубрикации являются вагоны-рельсосмазыватели. Они применяются на полигонах в составе пассажирских поездов.

Положительный результат в снижении непроизводительного расхода топливноэнергетических ресурсов (ТЭР) стал возможным благодаря последовательной комплексной работе менеджмента компании, направленной на решение следующих задач:

• 1.    Оперативное приведение размера и качественного состава парка локомотивов к фактическому объему перевозочной работы.

• 2.    Своевременный ввод в программу обработки маршрутов машинистов технических и пооперационных норм расхода ТЭР по участкам работы тепловозов.

• 3.    Достоверный учет расхода дизельного топлива на тягу поездов с использованием регистраторов параметров работы тепловозов и последующим принятием оперативных мер по устранению выявленных замечаний.

• 4.    Обеспечение работоспособности и достижение эффективности ресурсосберегающих технических средств на уровне, заявленном разработчиком.

• 5.    Экономическое стимулирование локомотивных бригад за экономию топливноэнергетических ресурсов.

• 6.    Внедрение комплексного подхода в эксплуатации и техническом обслуживании всех технических средств (ЭТОТС) перевозочного процесса.

• 7.    Разработка универсального показателя энергетической эффективности локомотива (УПЭЭЛ).

• 8.    Оперативное принятие управленческих решений при изменении внешних и внутренних факторов эксплуатационной работы.

Для решения этих задач весь диспетчерский персонал дирекций и служб ВосточноСибирской железной дороги объединен в Центр оперативного управления (ЦОУ), позволяющий не только в режиме реального времени собирать информацию, но и обрабатывать ее с применением программно-экспертных систем.

Только краткое перечисление учитываемых параметров свидетельствует об объеме и сложности процедуры формализации процессов и принятии управляющих воздействий. Кратко остановимся на факторах внешней среды:

• ‒    температура воздуха: от нее зависят параметры теплового режима работы дизеля и вспомогательных машин, весовая норма поезда и расход топлива на тягу, скорость движения и возможности использования инерции поезда;

• ‒    состояние погодных условий: дождь, снег требуют повышенного расхода активаторов трения и снижают тяговые характеристики локомотива, а снижение скорости его следования приводит к повышенному расходу топлива, более частому проведению технического обслуживания, смены локомотивной бригады и горячего простоя, скорости доставки грузов.

На эффективную работу дизельной установки в зависимости от ее состояния влияет прогрев дизеля зимой за счет работы на холостом режиме. При работе дизеля на малых оборотах ухудшается процесс сгорания топлива в цилиндрах, увеличивается потеря топлива с отработавшими газами, появляется большая неравномерность подачи топлива по отдельным цилиндрам, ухудшается качество распыления, характеризуемое распределением топлива по объему камеры сжатия. Работа дизеля на холостом ходу более 1 ч нежелательна.

Экономичная работа дизеля в режиме тяги в значительной степени зависит от организации движения поездов, формирования полновесных составов и степени загрузки вагонов. Установлено, что на одну непредвиденную остановку поезда, а затем на трогание его с места затрачивается дополнительно от 30 до 100 кг дизельного топлива. При повышении массы поезда на 1% расход топлива на единицу перевозочной работы (10 тыс. т-км брутто) снижается на 0,2%. Расход топлива уменьшается также от снижения резервного пробега локомотивов, нерационального простоя и т.д.

Экономичность дизеля в значительной степени зависит от температурного режима его работы. При эксплуатации необходимо поддерживать температуру охлаждающей воды на выходе из дизеля в пределах 80-92°С, а моторного масла - 65-75°С. С уменьшением температуры охлаждения наддувочного воздуха на каждые 10°С экономичность дизеля уменьшается в среднем на 0,85%.

Движение поезда одной секцией тепловоза, когда другая секция работает на холостом ходу, приводит к перерасходу дизельного топлива на объем выполняемой работы.

Экономия топлива непосредственно зависит от технического состояния и качества настройки топливной аппаратуры. Установка на дизель топливных насосов различной производительности увеличивает расход топлива, термическую и механическую напряженность цилиндропоршневой группы и вызывает неустойчивую работу дизеля.

Правильная регулировка частоты вращения коленчатого вала дизеля, минимальное время установления числа оборотов после перехода с одной позиции на другую, включения или отключения компрессора, вентилятора-холодильника или шунтирования поля электрического генератора - важные элементы экономии дизельного топлива.

Увеличение частоты оборотов вала при одинаковой мощности на 10 об./мин повышает часовой расход топлива у четырехтактного дизеля на 1,5-1,7 кг, а у двухтактного - на 2,5-3,5 кг. В равной степени уменьшение скорости вращения коленчатого вала дизеля при номинальной мощности или ее «просадка» из-за неправильной регулировки передачи приводят к увеличению теплового напряжения дизеля и снижению его экономичности до 5%.

На сокращение расхода топлива оказывают влияние исправное содержание и правильное использование вспомогательного оборудования (компрессора, вентиляторов холодильников и др.), на работу которого затрачивается в среднем для тепловозов 8-14% мощности дизеля при номинальном режиме. На работе холодильника отрицательно сказывается добавление сырой воды в систему охлаждения, которая повышает отложение накипи на водяных трубах, понижает производительность холодильника на 20-30% и, соответственно, увеличивает расход топлива.

Сорт, класс и вид топлива, в частности по ГОСТ Р52368-2005, являются непременным условием обеспечения устойчивой и экономичной работы дизельной установки.

Более сотни различных факторов непрерывно воздействуют на дизельную энергетическую установку, предназначенную для преобразования тепловой энергии в энергию движения [3]. Для повышения эффективности ее работы в ОАО «РЖД» применен комплексный подход оперативного управления через диспетчерский персонал всех структур, обслуживающих локомотивное хозяйство.

Разработаны и реализуются различные программы, направленные на повышение: квалификации персонала; технического состояния дизельной установки; взаимодействия с научными учреждениями по выработке новых подходов в анализе разнородной информации; качества совместной работы с производителями локомотивов и комплектующих к ним; использование бенчмаркинга; статистического и управленческого учета.

В локомотивном комплексе ОАО «РЖД» имеется достаточно резервов снижения непроизводительного расхода ТЭР на тягу поездов и повышения энергетической эффективности перевозочного процесса, которые могут быть реализованы за счет:

• ‒    модернизации серийных тепловозов с дизелей Д100 на Д49 с пониженным на 3-5% потреблением дизельного топлива;

• ‒    внедрения ресурсосберегающих систем ЭСУВТ на всех типах дизельных установок с гарантированным сокращением потребления топлива до 10% и более;

• ‒    гибкого регулирования режимов их прогрева с учетом установленных в ОАО «РЖД» норм;

• ‒    безразборной химической промывки системы водяного охлаждения, обеспечивающей удовлетворительное теплотехническое состояние тепловоза и сокращение расхода топлива на 2-5%.

В настоящее время актуальными являются вопросы локализации участков железных дорог с повышенными потерями в тяге, ее необоснованно повышенным удельным расходом, а также участков с неэффективными графиками движения поездов. Большой интерес представляет оценка энергетической эффективности внедряемых энергооптимальных графиков движения поездов, вождения тяжеловесных поездов, выполненная по данным измерительных систем. Однако проведение качественных исследований и выработка эффективных управляющих воздействий невозможны без наличия полной и достоверной информации об объекте исследования. Следовательно, необходимо создание современной автоматизирован- ной системы мониторинга энергетической эффективности перевозочного процесса (АСМЭПП).

Выполнение этих мероприятий как крупный резерв повышения эффективности локомотивов обеспечит дальнейшее снижение непроизводительных расходов ТЭР на тягу поездов.