§ 40. АВТОНОМНЫЙ БИНАРНЫЙ ЛОКОМОТИВ
В направлении утилизации тепла отработавших газов локомотивного двигателя ниже рассматривается особая задача совершенствования определенного вида двигателя путем применения термодинамического бинарного цикла с использованием низкокипящих рабочих тел. Традиционный бинарный цикл с замкнутым контуром (при конденсации отработавшего пара нижней ступени для повторного использования) не может найти применение на локомотиве, так как не обеспечивает надлежащей эффективности. На примере использования низкокипящих тел (аммиака, фреона) в нижней ступени замкнутого бинарного цикла, как известно, основное затруднение обусловлено отсутствием в условиях локомотива больших запасов воды для охлаждения конденсатора или требуемых больших расходов энергии при повторном охлаждении воды воздухом. Большой расход энергии на воздушное охлаждение может при малом выигрыше мощности установки свести его на нет или перекрыть. Эффективные условия, позволяющие создать замкнутый контур, имеются на базе двигателя судовой установки, где доступна вода для охлаждения конденсатора.
Благоприятная перспектива предвидится при применении на локомотиве бинарного цикла разомкнутого контура в условиях, предлагаемого ниже для примера, транспортного энерготехнологического аграрно-химического процессов. Последний содержит комплексную увязку теплоэнергетической установки локомотива с сельскохозяйственным производством. Предлагаемый энерготехнологический процесс обеспечивает существенное повышение тепловой экономичности тепловозов и газотурбовозов, их номинальной мощности и, следовательно, пропускной и провозной способности локомотивов.
Указанный энерготехнологический процесс осуществляется путем применения аммиака в качестве рабочего тела низкой ступени бинарного цикла локомотивной установки, работающей по разомкнутому контуру с поглощением отработавшего в турбине аммиачного пара водой (слабым раствором) в абсорбере и дальнейшим использованием получаемого водоаммиачного раствора в качестве одного из видов удобрения в сельском хозяйстве. Применение абсорбера для поглощения отработавших в турбине паров аммиака имеет существенное термодинамическое преимущество. Оно позволяет заметно расширить располагаемый перепад температур аммиачного пара, например, до —20-30° С при давлении в абсорбере 1,5 кгс/см2, что способствует, как известно, повышению к. п. д. установки. Здесь сказывается особенность бинарного раствора, заключающаяся в способности поглощения холодных паров бедным раствором более высокой температуры. При конденсации пара аммиака (в замкнутом контуре) такой возможности достижения низкой температуры не имеется, так как нижняя температура цикла ограничена температурой охлаждающего тела.
Естественно, намечаемый локомотив бинарного цикла не может рассчитывать на универсальность в его применении. Очевидно, возникает необходимость в выборе оптимального полигона по использованию аммиачного раствора вне локомотива. Надо полагать, что это может быть особый вид службы промышленного типа на железнодорожном транспорте, весьма широкий по масштабу, ввиду большой протяженности нашей страны, возможностей развития земледелия и по условиям социалистического планирования. Здесь предвидится увязка с наметившейся тенденцией к стиранию граней между промышленностью, сельским хозяйством и транспортом в связи с развитием научно-технической революции.
На рис. 83 приведен для примера один из вариантов схемы бинарного разомкнутого цикла для тепловоза. Одна часть расходуемого жидкого (безводного) аммиака 3 (t=15° С, р=7,45 кгс/см2) подается насосом 2 в испаритель 1, который использует тепло воды, охлаждающей дизель 12, подаваемую насосом 11. Принимая температуру охлаждающей воды на выходе равной 70° С, исходим здесь из начального давления образуемого в испарителе насыщенного аммиачного пара p1= 19,727 кгс/см2 при температуре насыщения 50° С. Следует отметить целесообразность применения низкого давления аммиака, устраняющего его утечки. После расширения пара аммиака в аммиачной турбине 9 отработавший пар направляется для охлаждения воздуха 7 агрегата наддува дизеля 10, а далее в абсорбер 8 для образования водоаммиачного раствора. Давление в абсорбере, соответствующее противодавлению аммиачной турбины, принято равным ра=1,6 кгс/см2. При температуре раствора tа = 60° С этому, согласно диаграмме водоаммиачного раствора, соответствует степень концентрации ξ≈0,2, близкая по техническим условиям к величине концентрации водного раствора аммиака в качестве азотистого удобрения.
Вторая часть используемого жидкого аммиака подается насосом 4 в испаритель-перегреватель 5, где благодаря утилизации тепла отработавших газов относительно высокой температуры из дизеля преобразуется в перегретый пар с температурой 250° при давлении 19,727 кгс/см2. Пар поступает в другую аммиачную турбину 6, откуда после расширения также направляется в абсорбер 8. Ниже приведены результаты расчетов бинарной установки для тепловозного дизеля мощностью Ne=3000 л. с. при средней степени нагрузки f=0,4 (1200 л. с.) и при полной нагрузке f=1.
Рис. 83. Схема бинарной установки для тепловоза
Значения частоты вращения, удельных расходов топлива, температур и давлений утилизируемых газов приняты для дизеля Д70 с к. п. д. 42,2%. При мощности режима работы двигателя с недогрузкой, принятого для примера при f=0,4, имеют место следующие данные. Общее количество расходуемого безводного аммиака 3600 кг/ч. Общая мощность, вырабатываемая обеими турбинами 9 и 6 на паре без затраты топлива 388 л. с. Мощность, расходуемая на охлаждение абсорбера вентилятором, 28 л. с. Общее приращение мощности бинарной установки, включая выигрыш от сокращения охлаждающих вентиляторов на тепловозе, составляет при рассматриваемой нагрузке дизеля 400 л. с. Достигаемый к. п. д. бинарной установки тепловоза равен при этой нагрузке 53%. Вес перевозимого аммиачного раствора, считая продолжительность пробега 2 ч, равен 36 тс. Вес перевозимого груза (аммиака и раствора с тарой при коэффициенте тары 0,5) и всего дополнительного оборудования бинарной установки (6,74 тс) равен 64,34 тс. При этом затрата мощности на перевозку всего дополнительного груза, считая для технической скорости vx=50 км/ч, равна 56 л. с. Для запаса в расчете из указанного веса всего дополнительного оборудования не вычтен вес холодильного устройства тепловоза, необходимость в котором в связи с предлагаемым процессом отпадает.
Выигрыш провозной способности локомотива при приращении мощности 400 л. с. равен 2,21•104 ткм/ч. При этом уменьшение провозной способности вследствие перевозки дополнительного груза 0,32•104 ткм/ч, а относительное уменьшение провозной способности составляет только 14% всего выигрыша.
Если затрату мощности на перевозку всего дополнительного груза отнести условно к локомотиву, т. е. полагать, что сельское хозяйство — участок комплексного энерготехнологического процесса — не несет расходов по перевозкам, то общее приращение мощности составит 28,7% вместо 33,4%. При таком подходе стоимость перевозки водоаммиачного раствора условно включается в денежную экономию, ожидаемую для сельского хозяйства. Вообще сокращение провозной способности локомотива или соответствующей мощности двигателя из-за перемещения указанных дополнительных грузов нельзя отнести к потерям, так как перевозка относится к принятой полезной целевой производительности локомотива.
Некоторые результаты расчетов для работы двигателя при полной нагрузке (Nе=3000 л. с.):
Количество расходуемого аммиака, кг/ч . . . . 5450
Мощность, производимая:
турбиной 6 246
» 9 ..................................................................... 353
Итого, л. с.......................................................................... 599
Расход мощности на охлаждение абсорбера, л. с. 128
Сокращение мощности вентиляторов охлаждения двигателя, л. с...... 100
То же вентилятора для наддувочного воздуха, л. с. 63
Общее приращение мощности, л. с.................................. 634
К. п. д. бинарной установки.................................................... 51%
Рис. 84. Схема бинарной установки для газотурбовоза
Здесь повышение провозной способности локомотива 3,54•10+4 ткм/ч, а относительное его снижение вследствие перевозки дополнительного груза составляет 9,1%.
Для тепловозного дизеля единичной мощности 6000 л. с. при к. п. д. 46% можно ожидать (на основании проведенных расчетов) приращение мощности 1165 л. с. или относительное приращение 19,5%. При этом к. п. д. достигает значения 55% и соответственно удельный расход топлива 115 г/л. с.ч при 
=10 000 ккал/кг.
Рассмотрим теперь транспортный энерготехнологический процесс применительно к газотурбовозу Г1-01, созданного заводом им. Куйбышева г. Коломна с газотурбинным двигателем 3500 л. с. с к. п. д. 18%.
Схема бинарной установки для газотурбовоза приведена на рис. 84.
Уходящие из турбины 1 газы направляются в испаритель-перегреватель 2 пара аммиака, который насосом 3 подается из резервуара 4. Перегретый аммиачный пар давлением 19,727 кг/см2 и температурой 250° С после расширения в турбине 5 поглощается в абсорбере 6.
Принята средняя мощность двигателя Ne=1400 л. с. с включением приращения мощности благодаря введению бинарного цикла. Для этих условий получены следующие результаты:
количество расходуемого аммиака 6500 кг/ч, приращение мощности установки для принятых исходных параметров 960 л. с. (в аммиачной турбине); повышение провозной способности локомотива 5,3-104 ткм/ч; общая масса перевозимого дополнительного груза 133,95 т.
Относительная затрата мощности на перевозку указанного груза составляет 12,6% всего выигрыша мощности.
Для полной нагрузки двигателя:
количество аммиака, кг/ч .... 14380
приращение мощности, л. с... 2140 или 61,2%
расход мощности на охлаждение
абсорбера, л. с............................... 59
к. п. д. бинарной установки . . . 29,2%
общий перевозимый дополнительный вес, тс 249,24
относительная затрата мощности на перевозку, % 9,6
Таким образом, для номинального режима рассмотренных локомотивных двигателей получены следующие результаты по к. п. д.: расчетный к. п. д. тепловозного двигателя (Nе=3000 л. с.) повышается с 42,2 до 51 %, а мощность его — до 3634 л. с., или на 21 %; расчетный к. п. д. газотурбинного двигателя (Ne=3500 л. с.) повышается с 18 до 29,2%, а мощность его — до 5640 л. с., или на 61,2%. Как видно, для газотурбовоза относительное приращение мощности двигателя и к. п. д. намного больше ввиду известных преимуществ газотурбинного двигателя по утилизации тепла отработавших газов. Особенно это характерно для частичных нагрузок.
На примере бинарной установки для рассмотренного газотурбовоза наиболее простой схемы укажем, что бинарный газотурбовоз представляется в виде двухсекционного сочлененного локомотива с расположением основного газотурбинного оборудования в одной секции при одной кабине обслуживания. Дополнительной секции здесь соответствует мощность 2140 л. с. при величине мощности, приходящейся на ось, 2140:6 357 л. с. При этом указанная мощность секции не требует дополнительного расхода топлива.
Опубликованные данные [34] свидетельствуют о больших возможностях по использованию в течение года водоаммиачного раствора в сельскохозяйственных районах вдоль железной дороги.
По материалам [34], на удобряемую площадь 1677 тыс. га, размещаемую в среднем на общей площади со средним радиусом 129 км, требуется в расчете 100•103 т азота в год, 605•103 т водоаммиачного раствора в год при степени концентрации %г=0,242. При этом принято, что общая площадь превышает удобряемую в 3,1 раза. По разработанной технологии аммиачную воду применяют по схеме: завод-поставщик — прирельсовый склад — аммиаковоз — глубинный склад — заправочная тележка — машина для внесения в почву.
Пересчет приведенных данных для концентрации раствора ξ= 0,2 и для условий принятой длины пробега локомотива 100 км определяет охват локомотивами удобряемой площади в размере 640•103 га с каждой стороны линии железной дороги. При этом общая площадь района (увеличенная согласно [34] в 3,1 раза) простирается на расстоянии 200 км от железной дороги. При непрерывном пополнении прирельсовых складов в течение года может потребоваться в сутки использование для выгрузки раствора в одном пункте при тепловозной тяге 36 тепловозов и 20 газотурбовозов при газотурбинной тяге. При этом принят средний коэффициент нагрузки тепловозного двигателя в году f=0,4, а для газотурбовоза средний коэффициент для всей бинарной установки f=0,4. Необходимо отметить ожидаемую денежную экономию. На железнодорожном транспорте экономия от сокращения расхода топлива после вычета предлагаемых на основании справочных данных дополнительных затрат на содержание сочлененного локомотива, бригад и отчислений по капитальным затратам и без отнесения стоимости перевозок раствора на долю соответствующих затрат в сельском хозяйстве составляет для тепловозной тяги при числе часов работы тепловоза в году, равном 7050 ч, ориентировочно 1 340 000 руб/год, а для газотурбинной тяги — 1 710 000 руб/год при удобряемой площади 12 500•103 га. Таким образом, экономия на один тепловоз составляет ~37 200 руб/год, а на один газотурбовоз ~85 500 руб/год. При этом дополнительные затраты могут себя окупить для тепловоза в течение 1,34 года, а для газотурбовоза — в течение 0,585 года.
Существенную экономию средств можно ожидать в сельскохозяйственном производстве за счет сокращения стоимости раствора по сравнению с его стоимостью в условиях приобретения аммиачной воды на заводах. Это, естественно, обусловлено предлагаемым комбинированным процессом производства. Можно отметить, что экономия стоимости доставки готовой аммиачной воды по железной дороге в сравнении со стоимостью доставляемого в рассматриваемом нами случае жидкого безводного аммиака для изготовления аммиачной воды по данным [34] применительно к 1 т азота, и средней дальности перевозки 431 км, равна 11,25 руб/т. Для 100 т азота (при ξ=0,2) 100 000 • 11,21 (1 — 0,2) = 896 800 руб/год.
Кроме того, стоимость перевозок аммиачной воды в пределах удобряемой площади при принятом радиусе 129 км для 100 т азота, которая отнесена на долю расходов железнодорожного транспорта и, следовательно, в счет экономии в сельском хозяйстве, составляет по данным [34] еще дополнительную экономию в размере 450 000 руб/год.
Ускорение производства водоаммиачного раствора, низкая стоимость позволяют в будущем более широкое успешное его применение для удобрения.
Турбины для тепловоза 3000 л. с. ввиду их малой единичной мощности требуют совершенствования конструкции. Однако для тепловоза увеличенной мощности, например 6000 л. с., где мощность турбин увеличена до 1165 л. с., задача, естественно, упрощается.
Возможна следующая схема для тепловоза с одной только аммиачной турбиной. Охлаждающая дизель вода дополнительно подогревается в котле-утилизаторе на 9,3° С отработавшими газами из агрегата газотурбинного наддува с температурой 430° С на входе в утилизатор и 100° С на выходе из него. Далее подогретая вода и газы из котла-утилизатора поступают для испарения в специальный испаритель жидкого аммиака. При этом обеспечивается только насыщенный аммиачный пар давлением 19,727 кгс/см2 при температуре 50° С. Хотя и здесь при полной нагрузке дизеля (3000 л. с.) мощность единственной аммиачной турбины достигает 630 л. с. и к. п. д. установки увеличивается до 51%, однако громоздкость локомотива увеличивается из-за значительно большего веса перевозимого дополнительного груза (89,2 тс вместо 64,3 тс для рассмотренного варианта перегретого пара). В связи с этим будет также меньшая денежная экономия (23 800 руб. в год на один тепловоз, вместо 34 200 руб.).
Надо полагать, что все приведенные величины экономии будут уточнены после определения оптимальных технико-экономических условий, практического применения предлагаемого процесса с эскизированием отдельных узлов установки и выполнением проектных разработок. Дальнейшие поиски путей совершенствования бинарного аммиачного цикла связаны с выбором надлежащих полигонов работы бинарных локомотивов, условий их водоснабжения по количеству и качеству воды и с определением конструктивных направлений в их разработке и создании. Уже сейчас можно наметить ряд научно-технических вопросов для разработки, как, например, обеспечение надежных уплотнений вала аммиачной турбины, регулирование бинарной установки при переменных режимах ее работы. Естественно, предстоят поиски и решения по определению оптимальных условий доведения водоаммиачного раствора из абсорбера на локомотиве до почвы. Надо надеяться на успешное их определение, так как уже имеются большой опыт и достижения по хранению, распределению, внесению растворов в почву и др. Работы по подъему сельского хозяйства настойчиво ведутся советскими учеными, работниками промышленности и сельского хозяйства.
Таким образом, можно ожидать эффективность применения разомкнутого бинарного цикла в приведенной выше комплексной увязке теплоэнергетической установки локомотива определенной службы с сельскохозяйственным производством.
Моисей Михайлович Хазен
ЭНЕРГЕТИКА ЛОКОМОТИВОВ