Основным недостатком тяговых агрегатов с тепловозной секцией является загрязнение окружающей среды [8,9,10].. Массы вредных веществ в выхлопных газах дизельного двигателя мощностью 1470 кВт дизель-генераторной установки 14ДГУ-2, при движении тягового агрегата ОПЭ-1на передвижных путях в режиме 50% мощности в кг/ч приведены в табл. 1. Суммарная масса выбросов равна 8,56 кг/ч. Кроме того, в воздух выбрасывается ненормируемые вещества оксиды серы SOx.. Если при движении по электрифицированному участку дизельный двигатель не выключается и продолжает работать в режиме холостого хода, то в атмосферу дополнительно выбрасывается 0,93кг вредных веществ в час. [10].
В последние годы заметно снизилось применение контактно-дизельных тяговых агрегатов на карьерах, но не в связи с внедрением новых экологически безопасных транспортных машин, а вследствие существенного подорожания горюче-смазочных материалов. Новый экологически безопасный тяговый агрегат НП-1 хотя и имеет реализуемую силу тяги на 8% больше, но в его штатном составе отсутствует тепловозная секция или накопитель энергии.
Табл. 1. Вредные компоненты в выхлопных газах дизельного двигателя
Вредные выбросы |
Количество, кг/ч |
окиси углерода CO |
1,603 |
оксидов азота NOx |
6,105 |
углеводорода CH |
0,642 |
углерода C |
0,208 |
Техническая характеристика экологически безопасных контактно-аккумуляторных электровозов ВЛ-26 приведена в табл.2.
Табл. 2. Характеристика контактно-аккумуляторного электровоза ВЛ- 26
Сцепная масса |
150 т |
Мощность часовая |
6х235 (1410) кВт |
Напряжение в контактной сети |
3300 В |
Номинальное напряжение тяговых двигателей |
750 В |
Номинальное напряжение щелочной тяговой аккумуляторной батареи 672 ТНЖШ-550 |
840 В |
Энергоемкость аккумуляторной батареи в 5-часовом режиме разряда |
462 кВтч |
Масса аккумуляторной батареи |
25 т |
Объем аккумуляторной батареи |
34,4 м³ |
На отечественных карьерах и в настоящее время широко применяются тяговые агрегаты, технические характеристики которых приведены в табл.3.
Карьерные тяговые агрегаты постоянного тока ПЭ2М, ПЭ2У и переменного тока ОПЭ-1АМ состоят из электровоза управления ЭУ и двух моторных думпкаров МД и не могут автономно передвигаться на участках рельсового пути, необорудованных контактной тяговой сетью [9,10]. Тяговые агрегаты ОПЭ-1 и ОПА-1А оснащены контактно-дизельными КЭСУ и состоят из трех секций: ЭУ (электровоз управления), МД (моторный думпкар), ДС (тепловозная секция). На секции ДС установлена дизель-генераторная силовая установка ДГУ, от которой на участках рельсового пути, необорудованных контактной тяговой сетью, питаются основные и вспомогательные потребители тягового агрегата. В настоящее время срок эксплуатации многих тяговых агрегатов значительно превышает нормативный и они по своему техническому уровню не обеспечивают эффективную эксплуатацию в глубинной зоне карьеров, а также в условиях Крайнего Севера.
Эту проблему можно решить, используя различные накопители энергии - конденсаторы с двойным электрическим слоем КДЭС (суперконденсаторы), ИН-инерционные накопители (маховики), электрохимические накопители электрической энергии ЭХН (аккумуляторные батареи), сверхпроводные индуктивные накопители СПИН [11]. Высокую удельную мощность имеют накопители КДЭС, ИН и СПИН, которые могут успешно эксплуатироваться в пиковых режимах нагрузки при температурах от-70С ͦ до+70Сͦ, но их удельная энергоемкость значительно ниже, а стоимость гораздо выше, чем ЭХН. Исследованиями было установлено, что на карьерном транспорте ИН следует использовать для сглаживания нагрузки на тяговых подстанциях на напряжения 3-10 кВ, а СПИН - для аварийного питания электрических сетей напряжением 35-110-220 кВ. [3-8]. ЭХН имеют большую паспортную удельную энергоемкость, но меньшую удельную мощность, чем КДЭС. Для приема рекуперативной энергии и обеспечения автономного режима движения рациональнее ЭХН использовать в комбинированных накопителях энергии КНЭ в паре с КДЭС В комбинированный накопитель энергии КНЭ кроме суперконденсаторов и аккумуляторных батарей должно входить дополнительное оборудование: реверсивный преобразователь постоянного напряжения, автономный инвертор тока с промежуточным индуктивным звеном[3, 4,5,11]..
Доля энергии суперконденсатора в комбинированном накопителе может быть небольшой и не превышать 1-2% полного запаса энергии, которую может отдать комбинированный накопитель при разряде ЭХН накопителя номинальным током [3,5,6,11].
Табл. 3. Характеристики тяговых агрегатов
Показатели |
Постоянный ток |
Переменный ток |
|||||
ПЭ 2М |
ПЭ2У |
ОПЭ1 |
ОПЭ1А |
ОПЭ1АМ |
НП1 |
||
Напряжение сети, кВ |
1,5/3,0 |
1,5/3,0 |
10, 0 |
10, 0 |
10, 0 |
10, 0 |
|
Состав агрегата |
ЭУ + МД + МД |
ЭУ + МД + МД |
ЭУ + ДС + МД |
ЭУ + ДС + МД |
ЭУ + МД + МД |
ЭУ + МД + МД |
|
Число осей |
12 |
12 |
12 |
12 |
12 |
12 |
|
Сцепная масса, т |
368 |
368 |
360 |
372 |
368 |
372 |
|
Мощность, кВт |
2430/5190 |
7000 |
6480 |
5325 |
7580 |
7600 |
|
Часовая сила тяги, кН |
672 |
1200 |
810 |
660 |
1270 |
1200 |
|
Часовая скорость, км/ч |
13/27,8 |
65 |
28,5 |
29,5 |
65 |
25 |
|
Автономное питание |
- |
- |
Дизель 1470 кВт |
Дизель 1100 кВт |
- |
- |
При выполнении настоящей работы был проведен расчет величины запаса энергии накопителя для тягового агрегата, имеющего сцепную массу 360т и перевозящего состав из 10 грузовых думпкаров. Грузоподъемность думпкаров 105т, собственная масса 48т. Общая масса поезда равна 840т. В расчетах были приняты следующие условия:. 1. Горная масса перевозится вверх из карьера на поверхность без перецепок одним транспортным средством (тяговым агрегатом) с накопителем энергии.
2. По забойным и отвальным временным горизонтальным путям поезд перемещается с постоянной скоростью 15 км/ч, с постоянным тяговым усилием и совершает остановки для погрузки и разгрузки. 3. Запас энергии в накопителе должен превышать энергию, затрачиваемую на движение поезда по забойным и отвальным путям в оба конца с учетом затрат энергии на собственные нужды поезда и маневровые работы. 4. Торможение поезда в капитальных траншеях и съездах с отвалов должно производиться с рекуперацией энергии. 5. Дополнительной расход энергии на маневры под погрузкой и разгрузкой учтен коэффициентом Км, на собственные нужды - коэффициентом Ксн. Принято, что Км= Ксн = 1,2.
6. Для электрических накопителей энергии к.п.д. передачи примем равным 0,88, для инерционных накопителей кпд передачи выберем равным 0,85 и расход энергии на собственные нужды - 3,5%.
Конечные результаты расчетов запаса энергии в накопителе при длинах горизонтальных участков пути 300м, 500м и 1000м приведены в табл.4 .
Табл.4. Зависимость запаса энергии в накопителе от длины горизонтального участка.
Длина участка пути, м |
300 |
500 |
1000 |
Запас энергии без учета расхода энергии на собственные нужды и маневровые работы, кВтч |
13,2 |
22 |
44 |
Запас энергии с учетом учета расхода энергии на собственные нужды и маневровые работы, кВтч |
23,1 |
38,5 |
77,0 |
Из сравнения табл. 3 и табл.4 следует, что запас энергии тяговой аккумуляторной батареи контактно-аккумуляторного электровоза ВЛ26 в 5-часовом режиме разряда превышает требуемый расчетный запас энергии, необходимый для работы в автономном режиме на участке длиной 1 км (77,0 кВтч <