Газотурбовозы на сжиженном природном газе. "Техника железных дорог". 26 ноября 2015

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.
На сайте Advis.ru представлены лишь немногие материалы по данной тематике, собранные специалистами агентства INFOLine. Со всеми событиями отраслей «Газовая промышленность», «Железнодорожное машиностроение» можно ознакомиться с помощью услуги «Тематические новости».
Получить демо-доступ:

[Error] 
Call to undefined function module_ball_fu() (0)
/home/bitrix/www/php/print_news.php:233