POJAZD Y S ZY N O W E NO W Y CH G ENERACJI ’99 TR A N SPO R T z.35. nr kol. 1415
E ugeniusz K A ŁU ŻA
Instytut E lektrotechniki Teoretycznej i Przem ysłowej, Politechnika Śląska
O PEWNYCH ASPEKTACH DOBORU ŹRÓDEŁ ZASILANIA
SILNIKÓW TRAKCYJNYCH AUTONOMICZNYCH LOKOMOTYW MANEWROWYCH
S tre szc ze n ie . W pracy om ów iono w pływ doboru rodzaju źródeł zasilania w energię elektryczną lokomotyw' m anewrowych oraz w pływ doboru ich param e
trów na efektyw ność eksploatacyjną lokomotyw.' Przedm iotem analizy były zespoły prądotw órcze, baterie akum ulatorow e oraz zespoły bezw ładnikowe.
ON SOME ASPECTS OF SELECTING SUPPLY SOURCES FOR
TRACTION MOTORS OF AUTONOMOUS SHUNTING LOCOMOTIVES
S u m m a ry . T he paper describes the influence of selecting supply sources for the drive system s o f shunting locom otives and the impact o f the ratings’ selection on the operational effectiveness o f the locomotives. The analysis was focused on diesel-generator sets, batteries and inertial elements.
1. W STĘP
Najczęściej stosow anym i źródłam i zasilania silników trakcyjnych autonom icznych lokom otyw m anew row ych są zespoły prądotw órcze zestawione z w ysokoprężnych silników spalinowych i prądnic prądu stałego lub przem iennego. Przym iotnik „autonom icznych”
w skazuje na lokom otyw y uniezależnione od zew nętrznego źródła zasilania, czyli od systemu elektroenergetycznego połączonego z lokom otywam i za pom ocą sieci trakcyjnej. Rzadziej stosowanym i źródłam i zasilania silników trakcyjnych w ym ienionych lokom otyw są elektro
chem iczne zasobniki energii, czyli baterie akum ulatorowe. Istnieją także rozw iązania lokom o
tyw dołowych, w których zastosow ano elektrom echaniczne zasobniki energii, czyli zespoły bezw ładnikowe zestaw ione z bezw ładnika i m aszyny elektrycznej. Pierw sze z w yszcze
gólnionych rozw iązań stosow ane je st w lokom otywach spalinow o-elektrycznych (w lokom o
tywach spalinow ych z przekładnią elektryczną), drugie rozw iązanie dotyczy lokomotyw akum ulatorow ych. Poza w yżej w yszczególnionym i typami lokom otyw wprow adzane są także do eksploatacji lokom otyw y hybrydowe, w yposażone w co najmniej dw a różne źródła zasilania silników trakcyjnych, z których podstaw ow ym źródłem energii je st zespół prądo
twórczy, a pom ocniczym , urucham ianym w czasie w ystępowania szczytow ych obciążeń lokom otywy, je st zasobnik energii.
W adą uniw ersalnych spalinow o-elektrycznych lokomotyw m anewrowych je st niew spół
miernie w ysokie zużycie paliw a w czasie realizacji pracy m anewrowej charakteryzującej się niskim w ykorzystaniem m ocy znam ionow ej silnika spalinowego i w ydłużonym i czasami pracy silnika przy biegu jałow ym .
W obecnej dobie lokom otyw y napędzane silnikami elektrycznym i zasilanym i poprzez przekształtnik z baterii akum ulatorow ej, czyli lokom otyw y akum ulatorow e, nie stanow ią konkurencji dla lokom otyw spalinow ych. Koszty eksploatacji lokom otyw akum ulatorow ych, uw zględniające odpisy am ortyzacyjne, znacznie przekraczają koszty eksploatacji porównyw alnych lokom otyw spalinowych. O poziom ie kosztów stanowi w pierwszej kolejności w ysoka cena zakupu baterii akum ulatorow ej o m asie ok. 1/3 m asy lokom otyw y oraz konieczność w ym iany zużytej baterii w odstępach czasu nie przekraczających kilku lat.
Lokom otyw y akum ulatorow e charakteryzują się także w porównaniu z lokom otywam i spalinow ym i gorszym i param etram i technicznym i, a m ianow icie m niejszym prom ieniem dojazdu oraz m n iejszą prędkością m aksym alną i mniejszymi przyspieszeniam i w zakresie w yższych prędkości. Pom im o tych wad lokom otywy akum ulatorow e są niezastąpione w podziem iach kopalń zagrożonych w ybuchem , w halach fabrycznych i m agazynach.
Rozw iązaniem ograniczającym negatyw ne cechy lokom otyw spalinow ych i akum ulatorow ych są lokom otyw y hybrydowe. W lokom otywach tych, przeznaczonych do pracy m anew row ej, m asa baterii m oże być znacznie m niejsza od m asy baterii lokom otywy akum ulatorowej. Dzięki ograniczeniu m ocy znam ionowej silnika spalinow ego i stosowaniu ham owania rekuperacyjnego zużycie paliw a lokom otyw y hybrydow ej m oże zostać ograniczone o 10-20% w stosunku do zużycia paliwa porównywalnej lokom otyw y spalinowej realizującej określoną pracę m anew row ą [1], Rolę zasobnika energii w lokom otywie hybrydowej m oże także pełnić zespól bezwładnikowy.
2. PARAM ETRY EN ER G ETY C ZN E ŹRÓ D EŁ ZASILANIA SILNIK Ó W TR A K C Y JN Y C H A U TO N O M IC ZN Y C H LOKOM O TY W M A N EW R O W Y C H
2.1. Z espoły p rą d o tw ó rc z e
W ym agana m oc znam ionow a silnika spalinowego zespołu prądotw órczego lokom otyw y m anewrowej w ynika bezpośrednio z m ocy jednostkow ej lokom otywy [1] określonej zależnością [2]:
gdzie:
Pon - moc znam ionow a silnika spalinow ego lokom otywy w kW , m L - masa służbow a lokom otyw y w t,
(Pad - w spółczynnik przyczepności lokom otyw y z szynam i na prostym poziom ym odcinku toru przy grupowym napędzie osi zestaw ów kołow ych (k„ = 1) w N/N,
kn - popraw ka uw zględniająca zm niejszenie w spółczynnika przyczepności w zależności od rozw iązania układu napędow ego lokom otywy kn = 1 - 0,7,
kR - poprawka uw zględniająca zm niejszenie w spółczynnika przyczepności na tuku o prom ieniu R < 500m ; kR = 1 - 0,8,
(1)
Pp - stosunek m ocy pobieranej przez urządzenia pom ocnicze lokom otyw y do mocy znam ionow ej silnika, m Pp = Pp / Pdn = 0,07 ^-0,1,
v,nin - m inim alna prędkość lokom otywy pracującej pełną mocą, Tlprak' spraw ność przekładni elektrycznej.
W ym aganą m oc znam ionow ą prądnicy głównej o spraw ności znam ionow ej r|Gn napędzanej silnikiem spalinow ym o m ocy Pon w yznacza zależność:
Pen = Pon(l-pp.)tlGn (2)
Dla lokom otywy m anew rowej uniwersalnej o układzie osi BoBo i m asie 72 t, przyjm ując [1]:
vmin = 8 km/h, k R = k„ = 0,9, (pad = 0,312, PP = 0,09, r(pmk = r\G riM r\z = 0,88 * 0,85 * 0,96 = 0,718 (dotyczy m aksym alnych prądów obciążenia), otrzymamy:
pL = 8,43 kW /t, P Dn = 607 kW ,PGn = 503 kW (przy r)Cn = 0,91)
Dla lokom otywy m anew row ej uniwersalnej o układzie osi CoCo i m asie 120 t, uw zględniając niższą w artość popraw ki (kn = 0,75 ze względu na w iększą podatność w padania w poślizg lokom otywy o układzie osi C oC o), otrzym amy
pL = 7,03 kW /t, P Dn = 844 kW .PGn = 699 kW (przy TjCn = 0.91)
U żytkow anie lokom otyw o m ocy znam ionow ej przekraczającej m oc zapotrzebow aną w danym rejonie pracy m anewrowej je st przyczyną zbytecznego w zrostu zużycia paliwa.
Zużycie paliw a w funkcji obciążenia odpow iadające prędkości obrotow ej nj m ożna opisać zależnością:
Gni = Goi + dPD [kg/h] (3)
gdzie:
G0i - zużycie paliw a silnika spalinow ego nieobciążonego przy prędkości obrotow ej ni [kg/h], Pd- obciążenie na w ale silnika spalinow ego [kW ],
d - w spółczynnik określający przyrost zużycia paliw a w funkcji obciążenia silnika [kg/kW h].
W czasie postoju, jazd y z wybiegu oraz ham ow ania lokom otywy z silnikiem spalinowym napędzającym nieobciążoną prądnicę głów ną oraz prądnicę i urządzenia pom ocnicze, a w ięc w czasie pracy silnika „przy biegu jałow ym ” (n = n0, G„i = G no), zużycie paliw a Gno wynosi około 10% zużycia w czasie pracy z pełną m ocą [2]. Zużycie to w przybliżeniu jest proporcjonalne do m ocy znam ionow ej silnika spalinowego. W czasie w ystępow ania niskich obciążeń zużycie paliw a odniesione do realizowanej pracy trakcyjnej je s t znacznie zawyżone.
W yniki badań obciążeń prądnic głównych lokom otyw serii SM31 o układzie osi CoCo o mocy Pon = 883 kW (1200 KM ) pracujących na stacjach rozrządow ych T.G. i Sz. oraz przy obsłudze bocznic stacji L. w ykazały, że:
-łączny czas pracy silnika spalinow ego „przy biegu jałow ym ” w ynosił (na dziennych zm ianach) od 70 do 80% łącznego czasu pracy i postoju lokom otywy,
- łączny czas pracy prądnicy głównej z m ocą powyżej 500 kW nie przekraczał 0,3% łącznego czasu pracy i postoju lokom otywy,
- zastąpienie lokom otyw y SM31 lokom otyw ą uniw ersalną spalinow ą o m ocy 1200 kW [4] w rejonach pracy m anew row ej objętych badaniam i zam iast spow odow ać ograniczenie zużycia paliwa, spow oduje je g o dalsze pow iększenie.
Przebiegi obciążeń prądnicy głównej lokom otyw y SM31 w ystępujące w czasie badań przedstaw iono na rysunku 1, natom iast zestaw ienie w ybranych param etrów obciążenia tej prądnicy w tabeli 1.
2.2. B a te rie a k u m u la to ro w e
Z astosow anie baterii akum ulatorow ej jako jedynego źródła zasilania silników trakcyjnych lokom otyw y przeznaczonej do pracy na torach stacji rozrządowych, gdzie czas pracy w ciągu doby wynosi ok. 20 godzin, je st nieefektyw ne z uwagi na:
- konieczność zw iększenia liczby lokomotyw w celu zapew nienia ciągłości obsługi stacji w czasie ładow ania baterii,
- wysoki koszt zakupu baterii o m asie co najmniej 20 t w celu zapew nienia niezbędnej mocy w yładow ania i energii.
- konieczność w ym iany zużytej baterii na now ą w odstępach kilkuletnich.
N atom iast zastosow anie baterii akum ulatorowej jako pom ocniczego źródła zasilania silników trakcyjnych, w spom agającej zespół prądotw órczy w szczytow ych partiach obciążeń, m oże zapew nić w y so k ą efektyw ność eksploatacji lokom otywy m anew rowej (hybrydowej).
Przeprow adzone analizy kosztów w ykazały [2], że decydującym i czynnikam i mającymi w pływ na przyrost korzyści zw iązany z w prow adzeniem do eksploatacji lokomotyw hybrydowych w m iejsce dotychczas eksploatowanych lokom otyw spalinow ych są:
- stosunek ceny jednostkow ej baterii akumulatorowej do ceny jednostkow ej paliwa, - trwałość baterii akum ulatorow ej,
- czas w ykorzystania m ocy szczytow ych silnika spalinow ego (lokom otyw y spalinow ej), - koszt am ortyzacji i napraw silnika spalinowego zastosow anego w lokom otywie hybrydowej.
N ajkorzystniejszy stosunek ceny jednostkow ej baterii akum ulatorow ej do ceny jednostko
wej paliw a uzyska się stosując baterie zestawione z ogniw ołow iow ych trakcyjnych produkcji krajowej, których ograniczona trw ałość w stosunku do porów nyw alnych ogniw im portow anych kom pensow ana je st niższą ceną. Trw ałość baterii akum ulatorowej związana je st ściśle -z gw arantow aną liczb ą pełnych cykli ładowania i w yładow ania ogniw, czyli z czasem w ystępow ania m ocy szczytow ych lokom otywy hybrydow ej i poziom em mocy w yładow ania baterii w ynikającym z różnicy pom iędzy poziom em m ocy szczytowej i m ocą znam ionow ą prądnicy głów nej zespołu prądotw órczego. M ając na uw adze czasy w ystępow ania szczytów obciążenia At (ta b .l, dla P.>300 kW ) nie przekraczających kilkudziesięciu sekund, m ożna przyjąć jako m aksym alny prąd w yładow ania równy 30- m inu
tow em u prądow i w yładow ania. Dla I3omm gęstość m ocy w yładow ania p 3omm ogniw ołow iow ych osiąga w artość około 26 W /kg, natom iast gęstość energi qen30min około 13 Wh/kg.
Jeśli zastąpi się istniejący zespół prądotw órczy w lokom otywie SM31 o m ocy znamionowej
?Dn = 883 kW i m ocy w yjściow ej prądnicy głównej Pon = 731 kW m niejszym zespołem, o m ocy w yjściow ej prądnicy głównej równej P ’Gn = 300 kW , niezbędna m asa bateri akum ulatorowej w yniesie; m s = (Pgh - P ’cn)/p30min = 8,9 t. B ateria przy p 3omin będzie dysponow ała energią ró w n ą Ab = m B qcn30min = 115,7 kW h, w ielokrotnie przekraczające zapotrzebow anie [ta b .l, Z A (dla P > 300 kW )]. Dzięki ograniczeniu m ocy silnika spalinow ego uzyska się zm niejszenie zużycia paliw a przez lokom otywę.
2.3. Z espoły b ez w ład n ik o w e
W lokom otyw ach hybrydow ych m ożna zastosow ać w m iejsce baterii akum ulatorowej zespół bezw ładnikow y, należy jed n ak m ieć na uw adze, że gęstości energii tych zespołów są znacznie niższe od gęstości energii akum ulatorów. P rzykłady obliczeń gęstości energii załączone w pracy [4] w ykonane przy założeniu, że bezw ładnik w ykonany ze stali Cr-Ni o znaku 15H2N2 w g P N -65/H -8429 w postaci krążka z um ieszczonym w środku otworem i zastosow anym w spółczynnikiem bezpieczeństw a X w = 2,25 m oże w irow ać z prędkością obw odow ą rów ną 175,7 m/s. D opuszczając zm iany prędkości w granicach od nirax do 0,5nlim
9 9 .0 2 .2 3
9 9 .0 3 .1 9
Rys.l. Przebiegi obciążeń prądnicy głównej lokomotywy spalinowo-elektrycznej SM31 w czasie pracy manewrowej:
99.02.23. - praca manewrowa w rejonie górki rozrządowej stacji Sz, 99.03.19. - obsługa bocznic na stacji L.
Fig.l. The load courses of the main generator of SM31 diesel - electric locomotive during shunting:
99.02.23. - shunting in humpregion - Sz. station 99.03.19. - servicing of the siding - L. station
17:11
oraz uw zględniając niezbędną m asę m aszyny elektrycznej połączonej z krążkiem i konstrukcji w sporczej uzyskam y gęstość energii od 0,65 W h/kg do lW h/kg. Zastosowanie zespołu bezw ładnikow ego w miejsce baterii akum ulatorowej o masie 8,9 zespołu bezw ładnikowego w ykonanego w klasycznej technologii pozwoli zgrom adzić energię do około 9 kWh. A nalizując przebiegi obciążeń z rys.l i ta b .l, zauw ażam y, że ilość tej energii poza sporadycznym i przypadkam i byłaby także w ystarczająca do skutecznego w spom agania zespołu prądotw órczego w szczytow ych partiach lokomotywy.
Tabela 1
N azw a pliku
R max P śr A
> 3 0 0 kW A
> 500 kW At
> 3 0 0 kW At
> 5 0 0 kW
[kW ] [kWJ fkW h] [kW h] [sl [s]
99.02.22-14:25:01 505,55 80.76 2,539 - 122 -
99.03.19-12:00:01 538.93 25.83 - 0.046 - 5
99.02.23-10:15:01 680.03 117.54 - 6.073 - 154
99.02.23-10:15:01 680.03 117.54 15.127 - 183 -
99.02.23-11:15:01 509.94 52.04 - •0,007 - 6
99.02.23-11:45:01 57S.22 66.29 - 0.003 - 2
99.02.23-11:45:01 578.22 66.29 2.186 - 54 -
99.02.23-11:45:01 578.22 66,29 - 0,021 - 12
99.02.23-11:45:01 578.22 66.29 2.232 - 53 -
99.02.23-11:45:01 578,22 66.29 - 0.276 - 17
99.02.23-11:45:01 578,22 66.29 2.807 - 73 .
99.02.23-13:45:01 588.66 42.60 - 0,930 . 43
99.02.23-13:45:01 588.66 42.60 4.438 - 148 -
99.02.23-15:15:01 464.43 39,07 3,472 - 137 -
LITERATURA
1. Kałuża E.: H ybrydow e lokom otywy m anew row e w św ietle efektyw ności eksplo
atacyjnej. Zeszyty N aukow e Politechniki Śląskiej, ser. Elektryka, z. 118, G liw ice 1990.
2. Hazen M. M.: E nergietika lokom otiw. W yd. Transport, M oskw a 1977.
3. M arciniak Z., Sobaś J.: K onstrukcja uniwersalnej lokom otyw y spalinow ej dla PKP. XIII Konferencja naukow a „Pojazdy szynowa ‘98” . Zeszyty N aukow e Politechniki Śląskiej, ser. Transport, z. 31, G liw ice 1998.
4. Kałuża E.: P ojazdy hybrydowa. Praca wykonana w ram ach CPBP 02.19. Podstawy rozwoju system ów i środków transportu. Tem at 05.17, etap II, 1987.
Recenzent: D r hab.inż. Jerzy Mikulik
A b stra c t
The paper describes the influence o f selecting supply sources for the drive system s of shunting locom otives and the im pact of the ratings’ selection on the operational effectiveness of the locom otives. D ifferent types o f supply sources have been investigated: diesel-generator sets, batteries as well as hybrid sources consisting o f a generator set and a -battery or a generator set and inertial elem ents. It has been proved that the duty cycle o f a diesel locom otive in shunting yards or sidings of industrial plants is characterised by the short time periods, w hen the m axim um pow er o f a diesel engine is utilised and very long tim e periods of
„idle running” (F ig .l, T able 1). The fuel consum ption is inadequately high with respect to the transport duty achieved by the locomotive. It is possible to im prove this state o f things by the im plem entation in the locom otive o f a drive m otors’ hybrid supply source.
