Энергетика локомотивов - Энергетические показатели электрической тяги

Для оценки энергетической эффективности электрической тяги применяют два показателя: удельный расход энергии, отнесенный к единице перевозочной работы (104 ткм брутто), и к. п. д. электрической тяги.
Удельный расход электроэнергии практически удобен и принят как нормативный показатель. Как было отмечено в § 7, здесь имеется в виду «обезличенная» электроэнергия независимо от методов ее генерации и передачи к участку электротяги. Рассчитать этот показатель можно путем перевода механической работы локомотива в перевозочную:

где Рс — среднее эквивалентное сопротивление движению поезда в виде отношения сопротивления к массе, кгс/т; для сухопутного транспорта эта величина с ростом скорости движения увеличивается довольно быстро. Здесь играет большую роль сопротивление воздушной среды, достигающее на больших скоростях значительной величины. Как известно, оно приблизительно пропорционально площади поверхности движущегося транспорта и квадрату скорости при данной плотности воздуха. В качестве примера приводим изменения отдельных элементов, составляющих основное сопротивление, [29].

Таблица 6

Естественно, если поезд имеет достаточно обтекаемую форму, то благодаря снижению воздушного сопротивления величина Рс уменьшается. Для практических средних скоростей движения поезда, имевших место в последнее время, среднее эквивалентное сопротивление Рс составляет (в кгс/т):
На легких профилях................................................................................ 2,5—3,0
То же на средних.................................................................................... 4—4,5
На трудных.............................................................................................. 5 и более
Отдельные слагаемые основного удельного сопротивления при изменении скорости приведены в табл. 6.
Годовая перевозочная работа локомотива выражается в 104 ткм следующим образом:
50

Удельный расход электроэнергии, отпускаемой из энергосистемы, не позволяет сравнивать по экономичности различные виды тяги, например электровоз с автономным локомотивом, на котором непосредственно происходит процесс преобразования тепла топлива в работу. Кроме того, «обезличивая» электрическую энергию, отвлекаясь от условий ее генерации на станции и вида первичных энергетических ресурсов (топливо, гидроэнергия), мы лишаемся возможности определять пути повышения совершенства использования топлива, расходуемого на электрическую тягу (см. § 38).
Следует отметить, что имеющий место возврат энергии в контактную сеть за счет рекуперативного торможения в размере 1 млрд. 100 млн. кВт-ч составляет 2,5% общего расхода электроэнергии на электротягу. Этот фактор повышает уровень энергетических показателей расходуемой электрической энергии.
Для оценки энергетической эффективности (энергетического уровня) электротяги и перспектив ее повышения служит к. п. д. электротяги, представляющий отношение полезной работы электровоза к теплу затраченного топлива.
При одном источнике, питающем энергией электровоз, к. п. д. электрической тяги определяется из выражения


Потери при добыче, переработке и транспортировке топлива до электростанции здесь не рассматриваются.
Процесс передачи и распределения электрической энергии неразрывно связан с процессом ее производства. Совершенство этого процесса влияет на экономичность электрической тяги. К. п. д. линии передачи энергии обычно принимается как средняя величина независимо от расстояния без учета распределения потерь в отдельных звеньях энергосистемы.
Применение показателя потерь в сетях на 1 км линии затруднено наличием многократной трансформации электроэнергии в сетях различных напряжений. В каждом конкретном случае, естественно, потери в сетях по местным условиям можно рассчитать.
Мы видим, что энергетический уровень электрической тяги в значительной мере зависит от условий генерации электроэнергии. Повышение его, естественно, связано с совершенствованием энергетического хозяйства страны.
Полученный расчетный к. п. д. электрической тяги т]эв = 30% свидетельствует о ее высоком энергетическом уровне уже в настоящее время. Однако средний к. п. д. электротяги по реальным условиям производства электроэнергии на районных тепловых станциях, вырабатывающих около 80% электроэнергии в энергосистемах СССР, еще не достиг приведенных значений. Несмотря на снижение из года в год удельных расходов топлива, средний эксплуатационный к. п. д. нетто районных тепловых электростанций не превышает 33%. Следовательно, при прочих равных условиях средний к. п. д. электротяги равен

Причины снижения к. п. д. электростанций от расчетного значения заключаются в эксплуатационных отклонениях от расчетных условий по нагрузке, параметрам, содержанию оборудования, а главное —  в применении на некоторых электростанциях низких параметров пара, агрегатов малой единичной мощности, в отставании по техническому уровню оборудования. В эксплуатации находится еще некоторое количество малоэкономичных турбинных и котельных агрегатов среднего и низкого давления.
Для улучшения технико-экономических показателей электростанций и энергосистем ныне быстрыми темпами внедряется новая техника. На крупных конденсационных электростанциях устанавливаются главным образом блоки мощностью 150 и 200 МВт с параметрами пара 130 кгс/см² и 565° С и котлами производительностью 500 и 640 т/ч. В эксплуатации уже находится свыше тридцати таких блоков. Изготовлены турбогенераторы мощностью 300 МВт с параметрами пара 240 кгс/см² и 580° С и котлами на 950 т/ч.

Таблица 7

На Каширской ГРЭС сооружена опытная установка мощностью 300 МВт с параметрами пара 300 кгс/см² и 650° С. Влияние параметров пара и единичной мощности турбогенератора на удельный расход топлива при выработке электроэнергии видно из данных табл. 7 [3]. Эти данные получены для условий полной нагрузки агрегатов.
В СССР развивается (см. § 7) строительство тепловых электростанций с агрегатами большой мощности. На ТЭЦ вводятся в эксплуатацию теплофикационные турбины мощностью 100 МВт; в настоящее время создана новая теплофикационная турбина мощностью 250 МВт. На многих станциях модернизируется действующее оборудование.
За последние годы технико-экономические показатели мощных атомных электростанций (АЭС) приблизились к показателям крупных тепловых электростанций и имеют тенденцию превзойти их.
Приведенная краткая характеристика развития теплоэнергетического хозяйства показывает, что оно располагает большими резервами и широкими возможностями улучшения эксплуатационных энергетических показателей, а следовательно, увеличения к. п. д. электрической тяги. Касаясь вопросов электроснабжения электрифицированной железной дороги, здесь следует отметить выполненный в 1975 г. показатель — удельный расход топлива на 1 кВт-ч в СССР снижен до 340 г условного топлива. В Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1976—1980 годы подчеркивается необходимость дальнейшего снижения удельного расхода топлива на электростанциях в 1980 г. до 325—328 г на 1 кВт-ч отпущенной электроэнергии.
Развитие электрификации железных дорог и других отраслей народного хозяйства требует снижения стоимости электроэнергии. Средняя себестоимость электроэнергии на 95% определяется издержками производства ее на тепловых электростанциях, где 70% себестоимости составляют расходы на топливо. Вот почему повышение к. п. д. тепловой электростанции — наиболее важная проблема энергетики. Ежегодные отчисления, составляющие на современных ГРЭС 20% себестоимости электроэнергии, также оказывают заметное влияние. Для снижения себестоимости электроэнергии требуется уменьшение капиталовложений на сооружение электростанций. Увеличение мощности электростанции и единичной мощности агрегатов приводит к снижению стоимости установленного киловатта мощности наряду с увеличением к. п. д. станции. В настоящее время исследуется возможность создания автоматизированных блоков с одновальными паровыми турбинами мощностью 1200 МВт. Предполагается в случае решения проблемы применения легкокипящей жидкости в низкотемпературной части цикла поднять мощность турбины до 2000 МВт. Одновременно исследуется вопрос оптимальной мощности электростанции, которая в каждом конкретном случае зависит от условий топливоснабжения, ресурсов охлаждающей воды, допустимого загрязнения воздушного бассейна.
Изменение показателя КЭС в зависимости от мощности блока характеризуется следующими данными [20] (табл. 8).
Важными являются вопросы транспортирования топлива, добываемого на большом расстоянии от места потребления электроэнергии. Наиболее часто оказывается целесообразным располагать электростанции в районах добычи топлива. С другой стороны, совершенствуются виды транспорта и разрабатываются новые технические решения, например транспорт подсушенной угольной пыли или трубопроводный транспорт водоугольной суспензии с обезвоживанием поступающего угля в центрифугах.
В некоторых случаях возникает потребность в оценке использования топлива для нужд тяги с учетом расхода энергии на доставку его к месту назначения. Для этого можно было бы ввести дополнительный составляющий к. п. д. в выражения (90) и (91), учитывающий соответствующий расход энергии на транспортировку топлива и вспомогательные транспортные работы:
(92)
где В — расход топлива в генерирующей установке (в данном случае на электростанции);
ДВ — количество топлива, израсходованного при его доставке на электростанцию.

Таблица 8

Произведение η0 = ηтηпер характеризует потери энергии на транспортировку топлива и передачу электроэнергии в данной системе. Ввиду приближения тепловых районных электростанций к местам добычи топлива ηт становится близким к единице.
Отметим, что к.п.д. ηт требует осторожного применения при сравнении видов тяги. Во многих случаях он не является характерным и не отражает совершенство процесса, так как, кроме технического уровня средств доставки, он зависит от энерговооруженности вспомогательных транспортных работ.
К. п. д. ηт может оказаться высоким не только при наиболее совершенных методах доставки, комплексной механизации погрузочно-разгрузочных работ и др., но и при малой энерговооруженности процессов труда, когда механическая или электрическая энергия расходуется в небольшом количестве или вовсе не требуется.