Газотурбовозы на сжиженном природном газе. "Техника железных дорог". 26 ноября 2015
Нефтяная и газовая » Газовая промышленность
Машино- и приборостроение » Железнодорожное машиностроение
Машино- и приборостроение » Железнодорожное машиностроение
03.12.2015 в 12:08 | Институт проблем естественных монополий | Advis.ru
В.С.Коссов, д.т.н., профессор, генеральный директор ОАО «ВНИКТИ»
Перевод значительной части транспортных средств на газовое топливо – одно из важнейших направлений Энергетической стратегии России (Утверждена распоряжением Правительства РФ от 28.08.2003 № 1234р. Распоряжением Правительства РФ от 17.11.2008 № 1662р утверждена Концепция долгосрочного социально-экономического развития страны до 2020 года), которая предусматривает стимулирование использования природного газа в качестве моторного топлива и развитие переработки газа в жидкое моторное топливо. По словам Президента России В.В. Путина, вопрос о расширении использования газа в качестве моторного топлива касается эффективности применения энергоресурсов, удешевления транспортных перевозок и улучшения экологической ситуации (В.В. Путин. совещание о перспективах использования газомоторного топлива. 14.05.2013).
История вопроса
Энергетической стратегией ОАО "РЖД" (утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 15.11.2011 № 2718р.) предусмотрено три варианта возможного замещения к 2030 году дизельного топлива природным газом: 10%, 25% и 50%, или от 366 тыс. т до 1 830 тыс. т. В качестве наиболее приемлемого с учетом развития инфраструктуры газоснабжения, возможностей локомотивостроения, газодобывающих и газоперерабатывающих отраслей рассматривается средний вариант – 25% замещения дизельного топлива природным газом (915 тыс. т).
Природный газ можно хранить на борту транспортного средства в газообразном или сжиженном состоянии.
Сжиженный природный газ (СПГ) в технологическом плане является, безусловно, более сложным видом топлива. Он представляет собой криогенную жидкость,
сохраняющуюся при сверхнизких температурах. Температура кипения СПГ, то есть температура, при которой он начинает испаряться, равна -160 °С. Получение СПГ, его хранение и транспортировка требуют специального оборудования. Главным преимуществом СПГ является то, что при сжижении объем газа уменьшается в 600 раз.
На практике это означает следующее: в процессе газификации при давлении, близком к атмосферному, из одного объема СПГ образуется 600 объемов природного газа, и, следовательно, пробег на одну заправку топливом значительно увеличивается.
В утвержденном в 2002 году типаже "Типы и основные параметры локомотивов" предусматривалась разработка грузовых электровозов мощностью в секции 6 000 кВт (6-осных) и грузовых тепловозов мощностью 3 500 кВт (в секции) с нагрузкой на ось до 25 т. Создание более мощных тепловозов ограничено мощностью дизелей, возможных к размещению в кузове локомотива.
Было признано необходимым создание автономного локомотива, не уступающего тепловозу по экономичности и надежности, и способного принять состав весом 6 000 т и более от электровоза и без переформирования доставить его до места назначения.
Для решения задач замещения дизельного моторного топлива альтернативными видами топлива в рамках Энергетической стратегии ОАО "РЖД" ОАО "ВНИКТИ" по заданию компании "Российские железные дороги" в 2005 году приступило к разработке магистрального грузового газотурбовоза ГТ1-001 мощностью 8 300 кВт с силовой установкой на базе газотурбинного двигателя (ГТД), работающего на природном газе.
Для сокращения сроков разработки и изготовления опытного образца было принято решение о создании газотурбовоза на базе экипажной части эксплуатируемых 12-осных электровозов ВЛ15 (рис. 1).
Газотурбовоз ГТ1-001 состоит из двух секций. Энергетическое оборудование (ГТД, тяговый генератор) расположено в одной секции, а криогенная емкость для хранения СПГ и система топливоподачи – в другой.
Применение сжиженного природного газа позволило разместить запас топлива 17 т для бездозаправочного пробега до 700 км. Схема размещения оборудования на газотурбовозе ГТ1 приведена на рисунке 2.
Газотурбинный двигатель разработало и изготовило ОАО «Кузнецов» (г. Самара), имеющее опыт создания и испытания двигателей на криогенном топливе (СПГ и водород) для авиации. Прототип газотурбинного двигателя, использованный для газотурбовоза, ранее применялся на опытном самолете ТУ-155, разработка которого сформировала необходимую экспериментальную базу для испытаний криогенного оборудования и собрала коллектив высококвалифицированных специалистов в области криогенной техники.
Специальная криогенная емкость (рис. 3) с запорно-регулирующей аппаратурой и гибкими межсекционными соединениями разработана и изготовлена ОАО «Уралкриомаш» (г. Нижний Тагил).
На предприятии ОАО «ЭлектротяжмашПривод» (г. Лысьва) разработан и изготовлен специальный транспортный высокооборотный (6 000 об/мин) тяговый генератор.
На Воронежском тепловозоремонтном заводе – филиале ОАО «РЖД» – осуществлена общая сборка газотурбовоза.
Технические параметры газотурбовоза ГТ1-001 приведены в таблице 1.
Первые поездки газотурбовоз ГТ1-001 на сжиженном природном газе совершил в 2008 году на Куйбышевской железной дороге. Положительные результаты этих поездокпозволили организовать эксплуатацию газотурбовоза на Московской железной дороге, где в период с ноября 2008 года по февраль 2009 года было проведено 7 тяжелых грузовых поездов весом до 10 000 т, что значительно превышает принятые для электровозов на этих участках весовые нормы поездов.
В ходе дальнейших НИОКР были разработаны и успешно применены на газотурбовозе:
– уникальная объединенная система управления и регулирования ГТД и тягового генератора, обеспечивающая необходимую приемистость и энергоэффективность в режимах тяги при вождении поездов массой 6 000 т и более и в режимах работы ГТД газотурбовоза на оборотах холостого хода, удовлетворяющая требованиям применения на железнодорожном транспорте;
– инновационная система подготовки газа с минимизацией времени захолаживания без сброса газа в атмосферу;
– новая конструкция гибкой передачи СПГ под высоким давлением с секции на секцию, которая исключает растягивающие, сжимающие и скручивающие нагрузки на металлорукав, что обеспечивает необходимый ресурс работы;
– инновационная система маслообеспечения подшипников ГТД и генераторов с охлаждением масла криогенным топливом.
Кроме того, реализованы технические решения по переводу локомотива на гибридный электропривод маневрового режима с использованием тяговых аккумуляторных батарей. При этом из состава локомотива был исключен вспомогательный дизель-генератор с запасом дизельного топлива. Модернизированный таким образом газотурбовоз получил обозначение ГТ1h-001 (рис. 4).
Результаты испытаний газотурбовоза подтвердили высокую экономическую эффективность инновационного проекта – расходы на топливо (сжиженный природный газ) на 56% ниже, чем при использовании дизельного топлива, а стоимость жизненного цикла на 19,4% ниже по сравнению с тепловозами 2ТЭ116. Один газотурбовоз заменяет собой четыре секции магистральных тепловозов 2ТЭ116. Примечательным фактом является также и то, что газотурбовоз ГТ1h-001 стал самым экологически безопасным из всех локомотивов, использующих углеводородное топливо: он с большим запасом перекрыл европейские нормы, которые применяются к локомотивам с 2012 года.
В конструкции газотурбовоза использовано 44 патента, в том числе 21 международный.
С 2013 года по решению ОАО «РЖД» организована подконтрольная эксплуатация газотурбовоза на участке Егоршино – Серов Свердловской железной дороги. Заправка газотурбовоза сжиженным природным газом осуществляется ООО «Газпром Трансгаз Екатеринбург» на газораспределительной станции ГРС-4, ст. Аппаратная.
В 2013-2015 годах газотурбовозом ГТ1h-001 на Свердловской железной дороге осуществлено более 200 поездок в голове поезда.
Выполненная работа – более 200 млн т•км брутто. Пробег в голове поезда – 43 000 км. Максимальный вес поезда – 8 927 т.
Эксплуатационные испытания газотурбовоза ГТ1h-001 на участке Серов-Сортировочный – Егоршино Свердловской железной дороги подтвердили:
– возможность использования газотурбовоза для вождения тяжеловесных грузовых поездов (массой 6 000-9 000 т);
– работоспособность оборудования газотурбовоза в условиях вибрационного состояния локомотива и низких температур окружающей среды;
– работоспособность примененных алгоритмов управления для работы в условиях ведения тяжеловесного поезда;
– эффективность применения выбранных алгоритмов управления силовым блоком со снижением частоты вращения ГТД на оборотах холостого хода с 5 400 об/мин до 3 000 об/мин, что позволило снизить расход топлива на 15-20%;
– эффективность проведения процесса заправки газотурбовоза на инфраструктуре комплекса ГРС-4.
С учетом положительных результатов испытаний первого газотурбовоза в 2012 году ОАО «РЖД» поручило ОАО «ВНИКТИ» разработку конструкторской документации для изготовления промышленных образцов локомотивов, работающих на сжиженном природном газе.
В 2014 году на Людиновском тепловозостроительном заводе изготовлен второй (промышленный) образец магистрального двухсекционного газотурбовоза ГТ1h-002 на базе экипажной части тепловозов ТЭМ7А (рис. 5).
Схема размещения оборудования на газотурбовозе ГТ1h-002 показана на рисунке 6. Газотурбовоз оборудован газотурбинным двигателем повышенной мощности (8 500 кВт). Для повышения тяговых свойств и более полного использования мощности в условиях сложного профиля пути, в отличие от ГТ1h-001, газотурбовоз ГТ1h-002 имеет 16 тяговых осей. Модульная кабина управления создана на базе кабины серийных электровозов 2ЭС6, имеющих положительный опыт эксплуатации в условиях Уральского региона.
Для повышения пожарной безопасности криогенное и газовое оборудование размещено более рационально и скомпоновано в отдельных выделенных отсеках. Для обеспечения безопасности криогенная емкость размещена на открытой площадке по центру бустерной секции. Для увеличения пробега газотурбовоза ГТ1h-002 на одной заправке экипировочный запас СПГ составляет 20 т вместо 17 т на газотурбовозе ГТ1h-001, что позволяет обеспечить пробег до 1 000 км. Открытое размещение емкости упрощает процедуру подготовки локомотива к пуску и обеспечивает более безопасный и удобный доступ к запорной арматуре. Технические параметры газотурбовоза ГТ1h-002 приведены в таблице 2.
Передача мощности на бустерную секцию осуществляется при помощи шинопроводов, что позволяет снизить массу компонентов электромонтажа силового оборудования и сэкономить пространство внутри кузова.
Аккумуляторная тяговая батарея скомпонована в отдельном контейнере модульной конструкции, размещенном в открытом межтележечном пространстве.
Преобразователь собственных нужд ПСН-ГТВ разработки и производства ОАО «НПО автоматики» (г. Екатеринбург) обеспечивает распределение и управление потоками энергии на вспомогательные нужды, имеет двухкратное резервирование и, соответственно, повышенную надежность.
На газотурбовозе ГТ1h-002, в отличие от ГТ1h-001, применена новая система безопасности БЛОК вместо КЛУБ-У.
Также впервые на локомотиве использована система РУТП (распределенное управление тормозами поезда) разработки и производства ОАО «МТЗ «Трансмаш», позволяющая более эффективно управлять тормозами поезда, обеспечивая более плавное торможение и отпуск тормозов, что важно при ведении поездов повышенной массы и длины.
По окончании пуско-наладочных работ 13 декабря 2014 года газотурбовозом ГТ1h-002 проведен опытный грузовой поезд массой 9 000 т на участке Рыбное - Орехово-Зуево Московской железной дороги. По завершении этапа предварительных и приемочных испытаний газотурбовоз ГТ1h-002 передан в подконтрольную эксплуатацию на Свердловскую железную дорогу.
В соответствии с подписанным соглашением между ОАО «РЖД» и ОАО «Группа Синара» предполагается изготовить для российских железных дорог 40 магистральных газотурбовозов нового поколения ГТ1h.
Перевод значительной части транспортных средств на газовое топливо – одно из важнейших направлений Энергетической стратегии России (Утверждена распоряжением Правительства РФ от 28.08.2003 № 1234р. Распоряжением Правительства РФ от 17.11.2008 № 1662р утверждена Концепция долгосрочного социально-экономического развития страны до 2020 года), которая предусматривает стимулирование использования природного газа в качестве моторного топлива и развитие переработки газа в жидкое моторное топливо. По словам Президента России В.В. Путина, вопрос о расширении использования газа в качестве моторного топлива касается эффективности применения энергоресурсов, удешевления транспортных перевозок и улучшения экологической ситуации (В.В. Путин. совещание о перспективах использования газомоторного топлива. 14.05.2013).
История вопроса
Энергетической стратегией ОАО "РЖД" (утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 15.11.2011 № 2718р.) предусмотрено три варианта возможного замещения к 2030 году дизельного топлива природным газом: 10%, 25% и 50%, или от 366 тыс. т до 1 830 тыс. т. В качестве наиболее приемлемого с учетом развития инфраструктуры газоснабжения, возможностей локомотивостроения, газодобывающих и газоперерабатывающих отраслей рассматривается средний вариант – 25% замещения дизельного топлива природным газом (915 тыс. т).
Природный газ можно хранить на борту транспортного средства в газообразном или сжиженном состоянии.
Сжиженный природный газ (СПГ) в технологическом плане является, безусловно, более сложным видом топлива. Он представляет собой криогенную жидкость,
сохраняющуюся при сверхнизких температурах. Температура кипения СПГ, то есть температура, при которой он начинает испаряться, равна -160 °С. Получение СПГ, его хранение и транспортировка требуют специального оборудования. Главным преимуществом СПГ является то, что при сжижении объем газа уменьшается в 600 раз.
На практике это означает следующее: в процессе газификации при давлении, близком к атмосферному, из одного объема СПГ образуется 600 объемов природного газа, и, следовательно, пробег на одну заправку топливом значительно увеличивается.
В утвержденном в 2002 году типаже "Типы и основные параметры локомотивов" предусматривалась разработка грузовых электровозов мощностью в секции 6 000 кВт (6-осных) и грузовых тепловозов мощностью 3 500 кВт (в секции) с нагрузкой на ось до 25 т. Создание более мощных тепловозов ограничено мощностью дизелей, возможных к размещению в кузове локомотива.
Было признано необходимым создание автономного локомотива, не уступающего тепловозу по экономичности и надежности, и способного принять состав весом 6 000 т и более от электровоза и без переформирования доставить его до места назначения.
Для решения задач замещения дизельного моторного топлива альтернативными видами топлива в рамках Энергетической стратегии ОАО "РЖД" ОАО "ВНИКТИ" по заданию компании "Российские железные дороги" в 2005 году приступило к разработке магистрального грузового газотурбовоза ГТ1-001 мощностью 8 300 кВт с силовой установкой на базе газотурбинного двигателя (ГТД), работающего на природном газе.
Для сокращения сроков разработки и изготовления опытного образца было принято решение о создании газотурбовоза на базе экипажной части эксплуатируемых 12-осных электровозов ВЛ15 (рис. 1).
Газотурбовоз ГТ1-001 состоит из двух секций. Энергетическое оборудование (ГТД, тяговый генератор) расположено в одной секции, а криогенная емкость для хранения СПГ и система топливоподачи – в другой.
Применение сжиженного природного газа позволило разместить запас топлива 17 т для бездозаправочного пробега до 700 км. Схема размещения оборудования на газотурбовозе ГТ1 приведена на рисунке 2.
Газотурбинный двигатель разработало и изготовило ОАО «Кузнецов» (г. Самара), имеющее опыт создания и испытания двигателей на криогенном топливе (СПГ и водород) для авиации. Прототип газотурбинного двигателя, использованный для газотурбовоза, ранее применялся на опытном самолете ТУ-155, разработка которого сформировала необходимую экспериментальную базу для испытаний криогенного оборудования и собрала коллектив высококвалифицированных специалистов в области криогенной техники.
Специальная криогенная емкость (рис. 3) с запорно-регулирующей аппаратурой и гибкими межсекционными соединениями разработана и изготовлена ОАО «Уралкриомаш» (г. Нижний Тагил).
На предприятии ОАО «ЭлектротяжмашПривод» (г. Лысьва) разработан и изготовлен специальный транспортный высокооборотный (6 000 об/мин) тяговый генератор.
На Воронежском тепловозоремонтном заводе – филиале ОАО «РЖД» – осуществлена общая сборка газотурбовоза.
Технические параметры газотурбовоза ГТ1-001 приведены в таблице 1.
Первые поездки газотурбовоз ГТ1-001 на сжиженном природном газе совершил в 2008 году на Куйбышевской железной дороге. Положительные результаты этих поездокпозволили организовать эксплуатацию газотурбовоза на Московской железной дороге, где в период с ноября 2008 года по февраль 2009 года было проведено 7 тяжелых грузовых поездов весом до 10 000 т, что значительно превышает принятые для электровозов на этих участках весовые нормы поездов.
В ходе дальнейших НИОКР были разработаны и успешно применены на газотурбовозе:
– уникальная объединенная система управления и регулирования ГТД и тягового генератора, обеспечивающая необходимую приемистость и энергоэффективность в режимах тяги при вождении поездов массой 6 000 т и более и в режимах работы ГТД газотурбовоза на оборотах холостого хода, удовлетворяющая требованиям применения на железнодорожном транспорте;
– инновационная система подготовки газа с минимизацией времени захолаживания без сброса газа в атмосферу;
– новая конструкция гибкой передачи СПГ под высоким давлением с секции на секцию, которая исключает растягивающие, сжимающие и скручивающие нагрузки на металлорукав, что обеспечивает необходимый ресурс работы;
– инновационная система маслообеспечения подшипников ГТД и генераторов с охлаждением масла криогенным топливом.
Кроме того, реализованы технические решения по переводу локомотива на гибридный электропривод маневрового режима с использованием тяговых аккумуляторных батарей. При этом из состава локомотива был исключен вспомогательный дизель-генератор с запасом дизельного топлива. Модернизированный таким образом газотурбовоз получил обозначение ГТ1h-001 (рис. 4).
Результаты испытаний газотурбовоза подтвердили высокую экономическую эффективность инновационного проекта – расходы на топливо (сжиженный природный газ) на 56% ниже, чем при использовании дизельного топлива, а стоимость жизненного цикла на 19,4% ниже по сравнению с тепловозами 2ТЭ116. Один газотурбовоз заменяет собой четыре секции магистральных тепловозов 2ТЭ116. Примечательным фактом является также и то, что газотурбовоз ГТ1h-001 стал самым экологически безопасным из всех локомотивов, использующих углеводородное топливо: он с большим запасом перекрыл европейские нормы, которые применяются к локомотивам с 2012 года.
В конструкции газотурбовоза использовано 44 патента, в том числе 21 международный.
С 2013 года по решению ОАО «РЖД» организована подконтрольная эксплуатация газотурбовоза на участке Егоршино – Серов Свердловской железной дороги. Заправка газотурбовоза сжиженным природным газом осуществляется ООО «Газпром Трансгаз Екатеринбург» на газораспределительной станции ГРС-4, ст. Аппаратная.
В 2013-2015 годах газотурбовозом ГТ1h-001 на Свердловской железной дороге осуществлено более 200 поездок в голове поезда.
Выполненная работа – более 200 млн т•км брутто. Пробег в голове поезда – 43 000 км. Максимальный вес поезда – 8 927 т.
Эксплуатационные испытания газотурбовоза ГТ1h-001 на участке Серов-Сортировочный – Егоршино Свердловской железной дороги подтвердили:
– возможность использования газотурбовоза для вождения тяжеловесных грузовых поездов (массой 6 000-9 000 т);
– работоспособность оборудования газотурбовоза в условиях вибрационного состояния локомотива и низких температур окружающей среды;
– работоспособность примененных алгоритмов управления для работы в условиях ведения тяжеловесного поезда;
– эффективность применения выбранных алгоритмов управления силовым блоком со снижением частоты вращения ГТД на оборотах холостого хода с 5 400 об/мин до 3 000 об/мин, что позволило снизить расход топлива на 15-20%;
– эффективность проведения процесса заправки газотурбовоза на инфраструктуре комплекса ГРС-4.
С учетом положительных результатов испытаний первого газотурбовоза в 2012 году ОАО «РЖД» поручило ОАО «ВНИКТИ» разработку конструкторской документации для изготовления промышленных образцов локомотивов, работающих на сжиженном природном газе.
В 2014 году на Людиновском тепловозостроительном заводе изготовлен второй (промышленный) образец магистрального двухсекционного газотурбовоза ГТ1h-002 на базе экипажной части тепловозов ТЭМ7А (рис. 5).
Схема размещения оборудования на газотурбовозе ГТ1h-002 показана на рисунке 6. Газотурбовоз оборудован газотурбинным двигателем повышенной мощности (8 500 кВт). Для повышения тяговых свойств и более полного использования мощности в условиях сложного профиля пути, в отличие от ГТ1h-001, газотурбовоз ГТ1h-002 имеет 16 тяговых осей. Модульная кабина управления создана на базе кабины серийных электровозов 2ЭС6, имеющих положительный опыт эксплуатации в условиях Уральского региона.
Для повышения пожарной безопасности криогенное и газовое оборудование размещено более рационально и скомпоновано в отдельных выделенных отсеках. Для обеспечения безопасности криогенная емкость размещена на открытой площадке по центру бустерной секции. Для увеличения пробега газотурбовоза ГТ1h-002 на одной заправке экипировочный запас СПГ составляет 20 т вместо 17 т на газотурбовозе ГТ1h-001, что позволяет обеспечить пробег до 1 000 км. Открытое размещение емкости упрощает процедуру подготовки локомотива к пуску и обеспечивает более безопасный и удобный доступ к запорной арматуре. Технические параметры газотурбовоза ГТ1h-002 приведены в таблице 2.
Передача мощности на бустерную секцию осуществляется при помощи шинопроводов, что позволяет снизить массу компонентов электромонтажа силового оборудования и сэкономить пространство внутри кузова.
Аккумуляторная тяговая батарея скомпонована в отдельном контейнере модульной конструкции, размещенном в открытом межтележечном пространстве.
Преобразователь собственных нужд ПСН-ГТВ разработки и производства ОАО «НПО автоматики» (г. Екатеринбург) обеспечивает распределение и управление потоками энергии на вспомогательные нужды, имеет двухкратное резервирование и, соответственно, повышенную надежность.
На газотурбовозе ГТ1h-002, в отличие от ГТ1h-001, применена новая система безопасности БЛОК вместо КЛУБ-У.
Также впервые на локомотиве использована система РУТП (распределенное управление тормозами поезда) разработки и производства ОАО «МТЗ «Трансмаш», позволяющая более эффективно управлять тормозами поезда, обеспечивая более плавное торможение и отпуск тормозов, что важно при ведении поездов повышенной массы и длины.
По окончании пуско-наладочных работ 13 декабря 2014 года газотурбовозом ГТ1h-002 проведен опытный грузовой поезд массой 9 000 т на участке Рыбное - Орехово-Зуево Московской железной дороги. По завершении этапа предварительных и приемочных испытаний газотурбовоз ГТ1h-002 передан в подконтрольную эксплуатацию на Свердловскую железную дорогу.
В соответствии с подписанным соглашением между ОАО «РЖД» и ОАО «Группа Синара» предполагается изготовить для российских железных дорог 40 магистральных газотурбовозов нового поколения ГТ1h.