Повышение эффективности использования локомотивов за счет совершенствования управления энергопотреблением на тягу поездов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Подгорная Светлана Олеговна

• Подгорная Светлана Олеговна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Подгорная Светлана Олеговна

ВВЕДЕНИЕ

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА МЕТОДИКИ АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ НА ТЯГУ ПОЕЗДОВ

1.1 Показатель энергетической эффективности использования локомотивов. Управление энергопотреблением на тягу поездов

1.2 Исследование применяемых методов анализа энергопотребления

на тягу поездов

1.3 Установление перечня факторов, влияющих на энергопотребление

на тягу поездов

1.4 Показатели использования локомотивов. Понятие коэффициента влияния

1.5 Коэффициенты влияния эксплуатационных факторов

1.6 Обзор существующих методов прогнозирования показателей

1.7 Выводы

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АНАЛИЗА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ НА ТЯГУ ПОЕЗДОВ

2.1 Методика анализа энергопотребления на тягу поездов

2.2 Уточнение коэффициентов влияния показателей использования локомотивов

2.3 Дополнения к методике анализа энергопотребления на тягу поездов

2.4 Выводы

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УДЕЛЬНОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ТЯГИ ПОЕЗДОВ ЛОКОМОТИВОМ

3.1 Анализ показателей работы, энергопотребления и влияющих на него факторов по железным дорогам

3.2 Применение регрессионных моделей для прогнозирования

удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом

3.3 Прогнозирование объема перевозочной работы на основе построения временных трендов

3.4 Метод прогнозирования удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом

3.5 Выводы

4 АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ НА ТЯГУ ПОЕЗДОВ

4.1 Разработка алгоритма управления энергопотреблением на тягу поездов

4.2 Структура автоматизированной информационной системы анализа

и прогнозирования энергопотребления на тягу поездов

4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Общие сокращения:

ТЭР - топливно-энергетические ресурсы;

УЭТПЛ - удельная энергоемкость тяги поездов локомотивом;

ТПС - тяговый подвижной состав;

ПИЛ - показатели использования локомотивов.

Виды тяги:

ДТ - дизельная тяга;

ЭТ - электрическая тяга.

Виды движения:

ГД - грузовое движение с учетом сборных, передаточных и вывозных поездов; МН - маневровая работа;

ПгД - пассажирское движение в пригородном сообщении; ПД - пассажирское движение дальнего следования; ХД - хозяйственное движение.

Железные дороги: Окт - Октябрьская; Клг - Калининградская; Моск - Московская; Горьк - Горьковская; Сев - Северная; СКав - Северо-Кавказская; ЮВост - Юго-Восточная; Прив - Приволжская; Кбш - Куйбышевская; Свердл - Свердловская; ЮУр - Южно-Уральская; ЗСиб - Западно-Сибирская; Крас - Красноярская; ВСиб - Восточно-Сибирская; Заб - Забайкальская; Двост - Дальневосточная.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности использования локомотивов за счет совершенствования управления энергопотреблением на тягу поездов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Одним из крупнейших потребителей топливно-энергетических ресурсов в России является ОАО «РЖД». Компания потребляет до 5 % всей произведенной в России электрической энергии и до 6 % дизельного топлива. В 2021 г. материальные расходы компании на закупку топливно-энергетических ресурсов по сравнению с предыдущим годом выросли почти на 10 %, что в денежном эквиваленте составило около 277 млрд руб., и остаются стабильно высокими. В топливно-энергетическом хозяйстве ОАО «РЖД» основной объем затрат энергии приходится на тягу поездов (около 87 %). В связи с ростом стоимости энергоресурсов и возрастающими требованиями государства к повышению энергоэффективности субъектов отечественной экономики [84, 85] задача интенсификации деятельности в области управления энергопотреблением на тягу поездов и обеспечения эффективности эксплуатации локомотивного парка является актуальной.

Одним из основных показателей эффективности использования локомотивов является удельная энергоемкость тяги поездов локомотивом. Этот показатель регламентирован ГОСТ Р 56046-2014 и отражен в «Энергетической стратегии холдинга «РЖД» на период до 2020 г. и на перспективу до 2030 г.», где поставлена цель максимально рационального использования энергетических ресурсов. Достижение этой цели возможно при правильном определении потребности в энергоресурсах, эффективной организации топливо- и энергоиспользования, соответствующих современному уровню технического развития, технологии эксплуатации и объему работы локомотивов.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно-технических работ Омского государственного университета путей сообщения (темы НИР № г.р. 01201356055, № г.р. АААА-А18 118091090005-4).

Степень разработанности темы диссертации. Исследованиям в области повышения эффективности тяги поездов на железнодорожном транспорте посвящены работы научных коллективов ВНИИЖТа, ДВГУПСа, ИрГУПСа,

ОмГУПСа, РУТа (МИИТа), РГУПСа, СамГУПСа и др. Значительный вклад в решение этих задач внесли известные ученые и специалисты железнодорожного транспорта Л. А. Астраханцев [70, 116, 136, 137, 144], Б. И. Давыдов [16 - 23], Ю. А. Давыдов [14, 24], А. А. Зарифьян [25, 26, 63, 137], В. Н. Игин [27 - 35, 81], И. К. Лакин [40, 87, 88], Р. Я. Медлин [44, 45], А. Н. Митрофанов [2, 7, 50, 69, 138], В. С. Молярчук [52 - 54], Л. А. Мугинштейн [55 - 60, 115], С. И. Осипов [66], Л. Н. Павлов [68], Б. Г. Постол [75 - 77], В. Е. Розенфельд [83], Е. А. Сидорова [72, 73, 89 - 107, 113 - 114], Н. Н. Сидорова [108 - 112], В. А. Тихомиров [70, 116, 137], В. П. Феоктистов [120 - 122, 134], В. Т. Черемисин [61, 86, 126 - 132] и др.

Рост энергетической составляющей в общих эксплуатационных расходах железнодорожного транспорта обуславливает необходимость дальнейших исследований, связанных с совершенствованием методов мониторинга и прогнозирования удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом, развитием способов оценки эффективности внедряемых с целью энергосбережения организационных и технологических решений, разработкой методов управления показателями энергетической эффективности тяги поездов.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности использования локомотивов и рациональное расходование энергоресурсов путем совершенствования управления энергопотреблением на тягу поездов.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

выполнить анализ влияния эксплуатационных факторов на энергопотребление и предложить уточненный метод расчета удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом;

усовершенствовать методику анализа энергопотребления на тягу поездов для повышения достоверности оценки изменения удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом;

предложить метод прогнозирования удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом;

разработать алгоритм управления энергопотреблением на тягу поездов для снижения энергетических потерь при эксплуатации локомотивов.

Объекты исследования - тяговый подвижной состав железных дорог, технологии его эксплуатации.

Направления исследования - эксплуатационные характеристики подвижного состава; методы снижения энергетических потерь; улучшение эксплуатационных показателей подвижного состава.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: получена математическая модель для определения степени влияния коэффициента участковой скорости на удельную энергоемкость тяги поездов локомотивом, учитывающая характеристики и показатели его использования;

предложен уточненный метод расчета удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом с учетом изменения технологии эксплуатации локомотивного парка;

усовершенствована методика анализа энергопотребления на тягу поездов с учетом удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом в непоездных видах работы, удельной рекуперации, внедрения технических средств и технологий, снижающих энергетические потери;

предложен метод прогнозирования удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом на основе построения временных трендов, отличительной особенностью которого является учет сезонности и ритмичности работы локомотивного парка;

разработан алгоритм управления энергопотреблением на тягу поездов, основанный на результатах мультифакторного анализа энергозатрат и ранжировании эксплуатационных показателей, влияющих на удельную энергоемкость тяги поездов локомотивом.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Разработана методология повышения эффективности использования локомотивов и рационального расходования энергоресурсов за счет управления энергопотреблением на тягу поездов.

Полученная математическая модель для расчета влияния коэффициента участковой скорости на удельную энергоемкость тяги поездов локомотивом является универсальной и может быть использована при различных технологиях эксплуатации локомотивов.

Усовершенствованная методика анализа энергопотребления на тягу поездов обеспечивает повышение достоверности оценки изменения удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом за счет комплексного учета вариативности влияющих на него факторов.

Предложенный метод прогнозирования энергопотребления на тягу поездов позволяет повысить точность определения прогнозных значений показателей на любой период времени и на этой основе обеспечить оперативный контроль выполнения плановых норм удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом.

Разработанный алгоритм управления энергопотреблением на тягу поездов дает возможность сформировать перечень приоритетных мероприятий, реализация которых обеспечивает снижение энергетических потерь при эксплуатации локомотивов.

Методология и методы исследования. При решении поставленных задач теоретические и экспериментальные исследования проведены на основе ключевых положений и методов теории тяги поездов, математической статистики, математического моделирования. Для проведения математических расчетов и анализа данных применялись лицензионные программные продукты: электронные таблицы Microsoft Excel, Visual Basic for Applications (VBA), PTC Mathcad Prime (Parametric Technology Corporation), система управления базами данных Microsoft Access.

Основные положения, выносимые на защиту:

математическая модель для расчета влияния коэффициента участковой скорости на удельную энергоемкость тяги поездов локомотивом;

усовершенствованная методика анализа энергопотребления на тягу поездов;

метод прогнозирования энергопотребления на тягу поездов;

алгоритм управления энергопопотреблением на тягу поездов.

Реализация результатов работы.

Предложенные в диссертации решения включены в Методику анализа и прогнозирования расхода топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов, применяемую на сети железных дорог России. Дальнейшее совершенствование Методики обеспечивает повышение точности определения расчетного изменения удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом. Алгоритм управления энергопотреблением на тягу поездов проходит апробацию в эксплуатационном локомотивном депо Омск Западно-Сибирской дирекции тяги - структурного подразделения Дирекции тяги - филиала ОАО «РЖД», по результатам которой предполагается его использование при планировании мероприятий по снижению энергетических затрат на тягу поездов.

Степень достоверности научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена экспериментальными исследованиями, практической реализацией и основана на положениях теории тяги поездов, корректном использовании методов математической статистики и математического моделирования. Адекватность предложенных решений подтверждена достаточно высокой степенью согласования результатов прогнозирования объемов перевозочной работы и удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом с фактическими данными (расхождение составляет не более 5 %).

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: XXVII международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2013); VIII и IX научно-практических конференциях «Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2014, 2015); международной научно-практической конференции «Повышение энергетической эффективности наземных транспортных систем» (Омск, 2014); XV международной научно-практической конференции «Приоритетные научные направления: от теории к практике» (Новосибирск, 2015); IX международной

научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире» (Санкт-Петербург, 2015); международных научно-практических конференциях «Новая наука: стратегии и векторы развития» (Ижевск, 2016) и «Новая наука: от идеи к результату» (Сургут, 2016); международной научно-практической конференции «Практическое значение современных научных исследований '2017» (Одесса, 2017); международной научно-практической конференции «Концепции, теория и методика фундаментальных и прикладных научных исследований» (Екатеринбург, 2020); II всероссийской научно-практической конференции «Мехатроника, автоматизация и управление на транспорте» (Самара, 2020); XX международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы современной науки и образования» (Пенза, 2022); расширенном заседании кафедры «Информатика и компьютерная графика» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС, Омск, 2022); постоянно действующем научно-техническом семинаре Омского государственного университета путей сообщения по экспертизе и обсуждению диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, ученой степени доктора наук по научным специальностям технических отраслей науки (ОмГУПС, Омск, 2022).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликована 21 научная работа, в том числе семь научных статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, одна статья в издании, индексируемом в международной реферативной базе данных Scopus.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 144 наименований, двух приложений и содержит 162 страницы текста, включая 34 рисунка и 44 таблицы.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА МЕТОДИКИ АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ НА ТЯГУ ПОЕЗДОВ

1.1 Показатель энергетической эффективности использования локомотивов.

Управление энергопотреблением на тягу поездов

К числу наиболее энергоемких отраслей экономики России, обладающих значительным потенциалом энергосбережения, относится железнодорожный транспорт. Его доля в структуре грузооборота транспортной системы страны без учета трубопроводного транспорта в 2021 г. составила 87,4 % (рисунок 1.1) [11]. Одним из крупнейших потребителей топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в России является ОАО «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД»). Компания потребляет до 5 - 6 % всей произведенной в России электрической энергии и до 6 % дизельного топлива. Основная доля расхода ТЭР в ОАО «РЖД» приходится на тягу поездов. Баланс потребления энергоресурсов в компании в 2021 г. представлен на рисунке 1.2. В 2021 г. материальные расходы компании по сравнению с предыдущим годом выросли на закупку электроэнергии на 9,4 %, топлива - на 9,7 % и в денежном эквиваленте составили около 277 млрд руб. (рисунок 1.3) [11, 64].

прочие

6,9 %

воднь

1,1

автомобильный

4,6 %

Рисунок 1.1 - Структура грузооборота по видам транспорта в РФ в 2021 г. (без учета трубопроводного транспорта)

Электпоэнеш ИЯ нетяговые Дизельное ТОПЛИВО

Рисунок 1.2 - Баланс потребления ТЭР в ОАО «РЖД» в 2021 г.

2020 2021 Электроэнергия ■ Дизельное топливо

Рисунок 1.3 - Затраты на приобретение ТЭР на тягу поездов в 2021 г.

Ежегодно увеличивающийся спрос на энергию и рост ее стоимости заставляют все большее внимание в ОАО «РЖД» уделять вопросам повышения энергетической эффективности использования локомотивов, одним из основных показателей которой является удельный расход электроэнергии или дизельного топлива на тягу поездов, приходящийся на единицу выполненной работы. Этот показатель регламентирован ГОСТ Р 56046-2014 [13], где имеет название

«Удельная энергоемкость тяги поездов локомотивом» (УЭТПЛ), в тексте диссертационной работы используется именно этот термин. УЭТПЛ отражена в «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2020 г. и на перспективу до 2030 г.» (далее - ЭС-2020) [135].

ЭС-2020 в настоящее время является ключевым документом, отражающим энергетическую политику ОАО «РЖД». Основная цель стратегии заключается в повышении технологического уровня компании для максимально рационального использования энергетических ресурсов и увеличения энергоэффективности железнодорожных перевозок среди мировых транспортных компаний. Для достижения заданной цели поставлены задачи, среди которых качественное улучшение структуры управления энергопотреблением, выработка и транспортировка энергоресурсов на основе использования современных информационных технологий, систем учета, прогрессивных методов нормирования и мониторинга потребления ТЭР. Прогноз развития компании в области повышения энергоэффективности тяги поездов на период до 2030 г. предусматривает три сценария реализации энергетической стратегии: консервативный, базовый и оптимистичный [36, 135]. На основе сценариев в ЭС-2020 приведен прогноз изменения объемов перевозочной работы на электрической тяге (ЭТ) и дизельной тяге (ДТ) до 2020 г. и на перспективу до 2030 г. В соответствии с этим в ЭС-2020 рассчитаны ожидаемые уровни УЭТПЛ, которые представлены на рисунке 1.4.

Ожидаемыми результатами реализации ЭС-2020 являются увеличение перевозочной работы, снижение УЭТПЛ на ЭТ и ДТ. Однако в связи с эпидемиологическими обстоятельствами, возникшими с начала 2020 г., УЭТПЛ не имеет стабильного снижения, что подтверждается отчетными данными за период 2019 - 2021 гг., в которых значения УЭТПЛ на ЭТ составили 107,5, 106,2 и 107,3 кВтч/10 тыс. ткм брутто соответственно.

кВт-ч/104 ткм брутто

108

С

н

о

104

100

96

ЧЦ5,1

чт6

^406 104,8 ►..106,9

102,4 ........

100,8 ---

2010

2015 2020

Год ->

100,9 100,4 99,8

2025

2030

••••'•• консервативный сценарии

■ базовый сценарий

• оптмимистичный сценарии

а

46

кг/104 т-км

брутто 44

42

40

С

н

о

38

36

34

444 2

39,8

„ 38,8 38,5

38, 3 —' .................... ___ ^ >1

37,4 36,6 35,9

2010

2015

2020

2025

2030

•••••• консервативный сценари ~ базовый сценарий -оптмимистичный сценарий

б

Рисунок 1.4 - Прогноз изменения УЭТПЛ на период до 2030 года:

а - ЭТ; б - ДТ

Меры по энергосбережению на тягу поездов подразделяются на организационные, являющиеся практически беззатратными, и технические, требующие дополнительных капиталовложений. При организации технических мероприятий до того, как их внедрение начнет давать результаты, необходимо определенное количество времени, в то время как организационные мероприятия показывают результаты в короткий срок. Примеры технических и организационных мероприятий приведены в таблице 1.1.

К числу основных организационно-технических мероприятий, призванных повысить эффективность тяги поездов, относится совершенствование принципов организации и управления перевозочной работой, которое включает в себя дальнейшую модернизацию систем анализа, планирования и нормирования расхода ТЭР на тягу поездов [135].

Таблица 1.1 - Организационно-технических мероприятия, внедряемые в ОАО «РЖД»

Технические мероприятия Организационные мероприятия

Обновление локомотивного парка Совершенствование методов управления движением поездов

Улучшение технического состояния подвижного состава Совершенствование систем анализа, планирования и нормирования расхода ТЭР на тягу поездов

Увеличение среднесуточной производительности локомотивов

Улучшение технического состояния путевого хозяйства

Улучшение показателей использования локомотивов

Работы по увеличению длины приемоотправочных путей станций для работы с поездами увеличенной массы и увеличенной длины Повышение мастерства вождения поездов

Замена работающих локомотивов на новые, более мощные и современные и использование их по системе многих единиц Максимальное использование мощности локомотива

Реконструкция приемоотправочных путей станций Полное использование грузоподъемности вагонов

Повышение эффективности применения рекуперативного торможения

Электрификация отдельных участков со сложным профилем пути Усиление контроля за применением рекуперативного торможения

Внедрение выпрямительно-инверторных преобразователей нового поколения на тяговых подстанциях постоянного тока Пересмотр нормативных документов и режимных карт в части применения рекуперативного торможения

Нормирование расхода энергоресурсов определяет меру их рационального потребления при работе локомотивов, что дает возможность эффективно планировать потребление этих ресурсов и оценивать их использование. Нормы должны разрабатываться на всех уровнях планирования по номенклатуре продукции и видам работ и согласовываться с вышестоящей организацией на единой методологической основе.

Планирование расхода ТЭР на тягу поездов для железных дорог осуществляют в установленные сроки формирования бюджетов на согласованные Департаментом экономики объемы перевозочной работы, выполняемой парком тягового подвижного состава (ТПС) принадлежности ОАО «РЖД» и обслуживаемым локомотивными бригадами ОАО «РЖД». Планирование расхода ТЭР на тягу поездов для локомотивных депо и отделений железных дорог осуществляют на плановые объемы перевозок, сбалансированные с соответствующими заданиями железным дорогам по объемам перевозок.

Корректировку планов расхода ТЭР на тягу поездов производят в связи с изменением в установленном порядке планов перевозочной работы или корректировкой норм УЭТПЛ. По мере накопления фактических данных о ходе выполнения перевозочного процесса в контрольные сроки осуществляют прогнозирование показателей энергопотребления.

Рациональное энергопотребление при выполнении перевозочного процесса возможно только при наличии эффективной системы управления расходом ТЭР, которую можно представить на основе известного цикла Шухарта-Деминга (цикл PDCA): от установления плановой нормы энергопотребления до разработки мер по повышению энергетической эффективности и их реализации (рисунок 1.5) [12, 15, 83]. Важнейшими составляющими такой системы являются детальный анализ и прогнозирование энергозатрат на тягу поездов.

Plan ^ Планирование и прогнозирование ----J объемов потребления ТЭР

на тягу поездов Корректировка плановых норм УЭТПЛ

Г

7

Л

--¡Меры повышения Act ! энергетической эффективности

Г

Do

Перевозочный процесс

J

г

Check (Study)

X

Контроль выполнения норм УЭТПЛ

Анализ фактического потребления ТЭР на тягу поездов и причин его изменения

Рисунок 1.5 - Система управления энергопотреблением на тягу поездов

1.2 Исследование применяемых методов анализа энергопотребления

на тягу поездов

Величина УЭТПЛ в литературных источниках и нормативных документах [5, 12 - 14] имеет различные обозначения и определяется по разным выражениям.

В «Теории электрической тяги» УЭТПЛ на ЭТ, Вт-ч/(т-км), определяется по формуле [84]:

А

Лд =

s • m

(1.1)

где А - расход энергии, Вт-ч;

^ - длина участка, пройденного поездом, км; т - масса поезда, т.

В «Основах тяги поездов» [66] УЭТПЛ, Вт-ч/(т-км), рассчитывается по выражению:

а

Т

18

1000• А7

тс • Ь

(1.2)

где АТ - расход электроэнергии на тягу поезда, кВт-ч; mC - масса состава, т; Ь - длина участка, км.

В «Правилах тяговых расчетов» [78] для нахождения УЭТПЛ приведена формула:

£ А •10000

а =

(р+в)-Ь (13)

где А - расход электроэнергии на тягу поезда, кВт-ч; Р - масса локомотива, т; Q - масса состава, т; Ь - длина тягового участка, км.

В ГОСТ Р 56046-2014 УЭТПЛ определяется по выражению:

Ш А

Ет =(1.4)

ПЕР

где Ж - энергия израсходованного топливно-энергетического ресурса, кДж; АПЕР - объем выполненной локомотивом перевозочной работы, кДж. Примечание из ГОСТ Р 56046-2014 к формуле (1.4): количество израсходованной локомотивом электрической энергии или топлива может быть выражено как в натуральном исчислении, так и в условном топливе, а выполненная работа - в тонно-километрах брутто, тонно-километрах нетто, в километрах, в часах и других единицах измерения.

Формулировки, условные обозначения и размерности величин в формулах (1.1) - (1.4) приведены в точном соответствии с источниками.

Показатель УЭТПЛ регламентирован ГОСТ Р 56046-2014, поэтому в диссертации для определения его значения применяется формула (1.4). На основе проведенных автором исследований действующей нормативной документации ОАО «РЖД» [47, 49] с целью обеспечения единого подхода

к обозначениям УЭТПЛ и величин для ее нахождения, входящих в выражение (1.4), для разных видов тяги в диссертации приняты следующие обозначения и размерности величин:

Ь - УЭТПЛ, кВт-ч (кг)/ 10 тыс. т-км брутто;

В - расход ТЭР, кВтч (кг);

А - объем перевозочной работы, 10 тыс. т-км брутто.

В трудах А. А. Бакланова [4 - 6, 138], В. Н. Игина [28, 31, 35], Р. Я. Медлина [44, 45], В. С. Молярчука [53, 54], Л. А. Мугинштейна [55, 58, 59, 117], Б. Г. Постола [76, 77], Е. А. Сидоровой [99, 102 - 104] рассматриваются подходы к анализу расхода ТЭР на тягу поездов, исследуется влияние различных факторов на энергопотребление. Перечень показателей, влияющих на него, в указанных литературных источниках достаточно широк.

С целью определения перечня влияющих на энергопотребление факторов и выбора математического аппарата для проведения исследований и обработки результатов в диссертации рассмотрены:

труды профессора В. С. Молярчука [52 - 54],

Методика технического нормирования топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов на основе АРМ-Теплотехника, утвержденной ОАО «РЖД» 27.10.2011 (далее - Методика АРМ-Теплотехника) [49];

Методика анализа результатов расхода топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов № ЦТД-26, утвержденной Министерством путей сообщения РФ 20.06.1997 (далее - Методика ЦТД-26) [47],

а также другие нормативные документы и литературные источники.

Приведенные методики имеют ряд недостатков.

Труды профессора Молярчука написаны в 60-70 гг. XX в. В них приведены коэффициенты уравнений топливно-энергетических паспортов локомотивов для ТПС устаревших серий и содержатся рекомендации для определения плановой технической нормы УЭТПЛ только на поездку.

Методика АРМ-Теплотехника применяется для определения плановой технической нормы УЭТПЛ только для участка работы локомотивных бригад и

не предназначена для анализа влияния эксплуатационных факторов на энергопотребление парка локомотивов на любом уровне иерархии.

С 1997 г. нормы УЭТПЛ разрабатывали на основе планируемых показателей использования подвижного состава в соответствии с действовавшей в ОАО «РЖД» Методикой ЦТД-26. Методика предназначена для выполнения анализа изменения фактических УЭТПЛ и прогнозирования потребности ТЭР на тягу поездов локомотивных депо, железных дорог и сети дорог. Проведенные при написании диссертации исследования выявили ряд недостатков этой методики, которые ограничивали ее применение. Они заключаются в следующем.

1. В последние годы активно разрабатывают и внедряют на железных дорогах России новые серии электровозов и тепловозов (ЭП2К, 2ЭС6 «Синара», ЭП1М, 3ЭС5К, ТЭП70БС и др.). Их технические характеристики (сцепной вес, номинальная касательная мощность, номинальный коэффициент полезного действия и др.) отличаются от приведенных в Методике ЦТД-26 характеристик эксплуатируемых ранее локомотивов.

2. Частью анализа данных об энергопотреблении на тягу поездов, реализованного в Методике ЦТД-26, является сравнение фактического расхода энергии локомотивами каждой серии в отчетном и базовом периодах с целью учета влияния на расход ТЭР структуры парка локомотивов. Такой подход проблематично применять при вводе в эксплуатацию локомотивов новых серий из-за отсутствия статистических данных об их энергопотреблении. При этом определенное влияние на изменение расхода ТЭР может оказывать постепенный рост мастерства машинистов по управлению локомотивами новых серий.

3. Отсутствие в Методике ЦТД-26 способа определения влияния изменения структуры эксплуатируемого парка локомотивов на величину УЭТПЛ в транзитных видах движения не позволяет оценить зависимость энергопотребления от технических характеристик локомотивов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Подгорная Светлана Олеговна, 2022 год

Источник

1

2

3

Масса поезда в пассажирском движении

ЭТ/ ДТ

к0 = - Кп 1 • ( 1 + ар ) • Кр ■ (ю 0 + 1ср) • -

ср

Р К • п ■ V

-*■ I I ! ' " с 1<11 ' V

2 ост.

2

тех.

Р„

й

2 КР ср

((

-Рт • К ■

- 1

1 Тпр

V.

■ + ■

п • X

п у

104

^ср

й2 п

■ К 1 • (а"+Ь" С" ¥2ех)--2

Ч

1 т

АРМ-Т

Ро =-

т

ГКх-Ьх^ КН + (Ктс - Кх-Ьх) ,, ^

V

V

367,2

у

1 %

ЦТД-26

Ро

о

/V

о

(Р + о )2

VV

^ N М +—

о.

N

■А-Р - — •(Р + о )• В

о2 ,

ГД:

А = 1,16 - т + (0,006 - п) ■ V + (0,00014 - р) - V2, В = 1,16- о + т-Р + (0,006- о + п-Р)-V + (0,00014- о + Р-Р)-V2;

ПД:

15 , А =--0,013- V + 0,00004- V2.

V

В

1,2 - о + т-Р + ^^ + (0,012 - о + п-Р)- V + (0,0002 - о + Р-Р) -

V2.

1 %

ВСМ

4

1

е

о

2

Осевая нагрузка в грузовом движении (нагрузка на ось грузового вагона)

ЭТ

ДТ

кп

Кэт 1 • (а"+Ь"-УтеХ. + С" ^ ^ +ПоС (- КЭТ! • ( 1 + «р ) • К р ■ (ю 0 + /р) •

Л

я

К •п • V2 Р

^ЭТ 2 ,1ост. ' тех. Рг

((

ь

Яс

2 К Р ^всп.о' Кр • ср

Р

_о

Я2

^с1

--1

чч куч у

1 Т 104^

1 прогрев 1 ^

- + -

V п • Ь

тех п У

Яс

ср

кп

Кдт 1 • [(а"+Ь"^теХ.+ с"¥2ех)-±1 + Пос (- Кдт! • ( 1 + «р ) • Кр ■ (ю0 + /ср) X

Р К • п • V2 Р

Я,

ДТ 2 ост. тех.

Ь

Я,

Ка -Ьххо• Кя •

"1- -,

чч Куч у

1 Т

л ^

V.

■ + ■

прогрев

п • Ь

п У

104

Я,

ср У

1 т

АРМ-Т

Ря =-

(Ктс - Кх • Ьх)

Nо • Я •Лнп )' 367,2

• Я •№о"-0,7)

1 %

ЦТД-26

В трудах профессора В. С. Молярчука показатель не рассматривается

Средняя техническая скорость движения

ЭТ

Р„

кутех. = Кэт , '0 + «р ) Кр ~ • ( Ь' + 2 • С • Vnкaí) +

Яср

104 К™, • п • 2 • V

__ А ^ Э/ 2 ост. ' тег

К,

+ Ывс

^ т/2

V2 • Я

тех.

+ -

Ь

я

ГР

о

Я

ч ср

• ( Ь"+2 • с" V ) +

V тех. /

• Кр+1

1 км/ч

АРМ-Т

1

3

4

2

X

2

т

1 2 3 4

ДТ р к кутех. = Кдт ! • ( 1 + «р ) • Кр • р • ( Ь'+ 2-С - ) + Кдт 1 • ( Ь"+2- с"^.) + УсР я 1П4 К -п ■2 ■ У Г Р 1 А ^ 10 , К ДТ 1 пост. 2 У тех. Р о V , •, + ьххо • к „ • + ■ ■ к „ + 1 ХХО Р у2 ■ 0 I 0 Р У тех 0ср ^ 0ср У

- ГД: Р = 100-у-—т—/(Кс -кхЬ)-(р-Ал + 0-Вг +2-У-(Р-Вл + 0-Сг)) кх ■Ьх ■Жк* 1 Д " (жо-0-^Н 367,2 V ^ ^ г \ „ V г}} у 2 | 1 % ЦТД-26

- ПД: Р = 100 - 7-- - Г(Ктс К*'Ьх) - (р - — + Д Р (жо -0- ) 1 367,2 ^ л Г м , л 0,222 + к I + 2-У-Г Р-В +с-01-1224-^ 100 У- 0 1 л я У я-У У2 у 0 - ^ + я кх - Ьх - ЖкЯ л У2 У

- ю-2 Г ж 1 гд: Р^ = ^-\м+V-(0,00014-0-р-р)+0,006-0+п-р] 1 км/ч ВСМ

- 10-2 Г Ж1 (15 1 ПД: Р„ = , ч -м + -[2-V-(0,0002-0 р-Р)- 0-1 , 0,012+ п-Р Д Р (р+0)-^ ^ 0 У v 0 р Г01V2 У

9

1 2 3 4

Коэффициент участковой скорости

ЭТ 1 ю4 лг ^ кКуч У -Я К 2 ^всто КР тех. ср уч в долях АРМ-Т

ДТ 1 ,104.а ^ кК .. Ьххо Кр К уч V Я К2 р тех. ^ ср уч

В Методике ЦТД-26 на электрической тяге рекомендуется как постоянная величина, равная -0,64 %

В трудах профессора В. С. Молярчука показатель не рассматривается

Порожний пробег вагонов

В Методике АРМ-Теплотехника показатель не рассматривается

- А^- (Ктс -Кх-Ьх)• Я.(с + ^ + V2) , ч /?_(Nо •Я• ) 367,2 У 1 2 3 7 Г Мп Л п я ч 100 У 1 % ЦТД-26

- р" = ОД3•Я• сП ( + N\(0,8 + 0,1 • у + 0,0025• V2) Р( (Р + Я) • ео [Я J 1 ' 1 % ВСМ

о

1 2 3 4

Коэффициент пробега локомотивов в одиночном следовании

ЭТ Р Кр - КЭТ Г КР ■ о <т 0 + гср) ^ ср в долях АРМ-Т

ДТ Р Кр ~ КДТ1 К ■ о <т 0 + гср) ср

В Методике ЦТД-26 показатель не рассматривается

В трудах профессора В. С. Молярчука показатель не рассматривается

Коэффициент структуры эксплуатируемого парка локомотивов

ЭТ

ДТ

кв = {кэт 1 • (1 + ар) • • (т 0 + 1ср) + Ывсп.о-

--1

К

V УЧ у

•104

V О

тех. г-'

+

ср

+ N

Т

прогрев

п -Ь-О

+ ■

•104 К^-п •V2 Р Л ( РЛ

ЭТ\2 ост. тех. о л д

1--

V Ро у

ср

Ь

а,

ср у

кр = {Кдт 1 • (1 + ар) • • (т 'о + гср) + Ьх

т

\

—--1 • 104

К

V УЧ у

V •О

тех

■ +

+ Ьх

Т -104 К V2 Р

прогрев ДТ 2 ост. тех. о * ---1----)

п •ьа ь О

п ^ср ^ср

(

Р

ср \

1 —д V Ро у

в долях

АРМ-Т

1 2 3 4

В Методике ЦТД-26 показатель не рассматривается

В трудах профессора В. С. Молярчука показатель не рассматривается

Количество остановок, приходящихся на один поезд

ЭТ Кът-> ■ V2 ЭТ 2 тех. К - Т ■ пост. Ь ' Р 1 о ■ Кв+1 О а ср У остановка на поезд АРМ-Т

ДТ К ТГТ о ■ V2 ДТ 2 тех. к ■ пост. 1 Г р ' о ■ Кв+1 О а ср У

В Методике ЦТД-26 показатель не рассматривается

В трудах профессора В. С. Молярчука показатель не рассматривается

Продолжительность прогрева локомотивов в ожидании работы

ЭТ ктпрогрев Ывсп.о К а п ■ ь ■ О ср 1 ч АРМ-Т

ДТ Ь -и .Г . 104 ™Тпрогрев ьххо К а п ■ Ь ■ О ср

В Методике ЦТД-26 показатель не рассматривается

В трудах профессора В. С. Молярчука показатель не рассматривается

и*

2

1 2 3 4

Энергетическая эффективность тепловозов эксплуатируемого парка

ДТ Р к= Кдт 1 • [(1+ арУ(а0 + *срУ Кр • + а0 + 1ср] ' бср ( 1 Л К -V2 -п (Р Л ( 1 Л V 1 . К ДТ 2 Утех. Пост. . Р0 „ , 1 в долях АРМ-Т

' ^ ' Г П ^ ^ V ^ У Ь Ч^ср ) V Кэф )

В Методике ЦТД-26 показатель не рассматривается

В трудах профессора В. С. Молярчука показатель не рассматривается

Доля вагонов с роликовыми буксами

В Методике АРМ-Теплотехника показатель не рассматривается

- -К -Кх-Ъх)-х4 + ^5^ + хб V2) п _ Nо •б• Члн) 367,2 * 1 4 5 6 7 Рр 100-я 1 % ЦТД-26

В трудах профессора В. С. Молярчука показатель не рассматривается

Доля бесстыкового пути

В Методике АРМ-Теплотехника показатель не рассматривается

- Ат-- (Ктс -Кх - Ъх)-б-Т ^ + Т ^2) гтт. а Nо-б-Лнп) 367,2 б 11 2 7 ГД: Рбг - 100- д 1 % ЦТД-26

и* 3

1 2 3 4

- пд: /Збп = 0,00125•у—А—,{Ктс -К • Ь)• (• (т3 • К + Т4 • К2) Д бп Nо • 0 ) 367,2 4 '

В трудах профессора В. С. Молярчука показатель не рассматривается

Коэффициент полезного действия локомотива

В Методике АРМ-Теплотехника показатель не рассматривается

- Плн 1 % ЦТД-26

- д, =-- 41 1 % ВСМ

Относительный расход ТЭР на холостом ходу

В Методике АРМ-Теплотехника показатель не рассматривается

- п Ат Г Г (Р • W0'+Q • Рх N • 0 4лн) ^ 1 К 367,2 J 1 % ЦТД-26

В трудах профессора В. С. Молярчука показатель не рассматривается

Касательная мощность

В Методике АРМ-Теплотехника показатель не рассматривается

- Ат К ■ Ьх • >о• (¡•п.,) К 1 % ЦТД-26

В трудах профессора В. С. Молярчука показатель не рассматривается

и* 4

1 2 3 4

Сцепной вес локомотива

В Методике АРМ-Теплотехника показатель не рассматривается

- Рщ — \КГС - К,.Ь.) Ищ (Мо -0-ч„) 367,2 0 1 % ЦТД-26

В трудах профессора В. С. Молярчука показатель не рассматривается

Коэффициент технического состояния локомотива

В Методике АРМ-Теплотехника показатель не рассматривается

- 7-—-.-Кгг-(Р-Ж ') в (мо -0-Члн) ТС ( 0 0 0 ) с 367,2 1 % ЦТД-26

В трудах профессора В. С. Молярчука показатель не рассматривается

Доля пассажирских вагонов с кондиционерами

В Методике АРМ-Теплотехника показатель не рассматривается

- 1224-^^-).0 я (Мо -0- Чш) 367,2 0 РмК д-У 1 % ЦТД-26

В трудах профессора В. С. Молярчука показатель не рассматривается

Эквивалентный уклон (трудность пути полигона)

В Методике АРМ-Теплотехника показатель не рассматривается

и*

1 2 3 4

- Д = 100• 7-А-*^ -К •Ьх1(р + () Д Nо • (•Плн) 367,2 4 ( 1 %0 ЦТД-26

- 0,635 - 0,00407 • V Д ~ 0,01 • 1э 1 %0 ВСМ

Коэффициент использования грузоподъемности вагона

В Методике АРМ-Теплотехника показатель не рассматривается

В Методике ЦТД-26 показатель не рассматривается

- Д = _ 0,72 • @ \ы + М \(0,8 + 0,1 • V + 0,0025 • V2) Д// / • д •(Р + ()• ^о 1 (Л 7 1 % ВСМ

Доля двухосных вагонов в парке

В Методике АРМ-Теплотехника показатель не рассматривается

В Методике ЦТД-26 показатель не рассматривается

- д = 0,83 •0 • С2 • {ы + N \ (0,24 + 0,034 • V + 0,00014 • V2) Д (Р + ()• во { ()У 1 1 % ВСМ

Сопротивление подвижного состава

В Методике АРМ-Теплотехника показатель не рассматривается

В Методике ЦТД-26 показатель не рассматривается

6

1 2 3 4

- о' е-0 („ МЛ ( " Л Д, =-,-^--М + — 1 - (щ + щ) Р" (Р + 0)-е 1 0 J 11 07 1 % ВСМ

Температурно-метеорологические условия

В Методике АРМ-Теплотехника показатель не рассматривается

В Методике ЦТД-26 показатель не рассматривается

ЭТ Рт = 0,044- 0- 0,72 1 °С ВСМ

ДТ Рт = 0,034- 0- 0,46

ЭТ ( 920-М Л Для электропоездов с учетом отопления: Рт = 0,044 - 0 0,72 + - щ 1 ^Т ' е о ) 1 °С ВСМ

ДТ Для дизель-поездов с учетом отопления: Рт = 0,07 - 0-1,5

- Для маневровых локо-мотивов: Рг = 0,5

и* 7

Ниже представлены коэффициенты влияния изменения температуры на УЭТПЛ, приведенные в Методике оценки влияния температуры атмосферного воздуха на расход ТЭР на тягу поездов [29]. ЭТ: в ГД -

Дт = 0,248 - 0,0048 • д, где д - средняя нагрузка на ось грузового вагона, т;

в ПД -

Дт= 0,628 - 0,00045 •(,

где Q - средняя масса пассажирского поезда, т; на МР -

в = 0,29.

ДТ: в ГД -

в ПД -

на МР -

Дт = 0,687 - 0,015 • д;

в = 0,42;

в = 0,48.

159

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Открытое акционерное общество «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД»)

Управление планирования и нормирования материально-технических ресурсов

от « j / » UW^t^uj 20 г. г. Омск

Об использовании результатов научных

исследований и разрабсщж--

в производстве

АКТ

«УТВЕРЖДАЮ»

Заместитель начальника планирования и нормиро материально-технически

201?г.

Основание: разработка Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС), выполненная в соответствии с темой 9.024.Р «Методика анализа и прогнозирования расхода ТЭР на тягу поездов» по плану научно-технического развития ОАО «РЖД» на 2013 г. под руководством заведующего кафедрой «Информатика, прикладная математика и механика» д.т.н. Сидоровой Е.А. при личном участии к.т.н. Железняк С.П., к.т.н. Давыдова А.И., инженера Подгорной С.О. (договор № 282/13/1270 от 24.12.2013 г.).

Составлен комиссией в составе: Представители предприятия: заместитель начальника Отдела нормирования топливно-энергетических ресурсов Фролов В.Н,, ведущий специалист Парканская Н.Г. Представители ОмГУПСа:

заведующий кафедрой «Информатика, прикладная математика и механика», д.т.н. Сидорова Е.А., инженер Подгорная С.О.

1. Разработка ОмГУПСа «Методика анализа и прогнозирования расхода ТЭР на тягу поездов» позволяет выполнять:

-анализ изменения удельного расхода ТЭР на тягу поездов на различных уровнях интеграции данных за счет влияния изменения эксплуатационных факторов;

- прогнозирование объемов перевозочной работы и расхода ТЭР на тягу поездов на любой период времени для структурных подразделений ОАО «РЖД» с детализацией по типам тягового подвижного состава и видам движения.

2. Технико-экономическая эффективность:

-разработанная методика является универсальной и может применяться в любом структурном подразделении и на любом уровне организационной структуры железнодорожного транспорта;

- созданное электронное приложение реализует полный комплекс расчетов по разработанной методике, что существенно повышает эффективность ее применения.

3. Экономический эффект обуславливается повышением эффективности управления энергопотреблением на тягу поездов за счет детального анализа причин его изменения и точности прогнозирования.

4. Информация об использовании разработки и другие замечания

Разработанная «Методика анализа и прогнозирования расхода ТЭР на

тягу поездов» внедрена на сети железных дорог Российской Федерации в 2015 г. и используется по настоящее время.

Составлен в трех экземплярах:

1-й экземпляр - Управление планирования и нормирования материально-технических ресурсов;

2-й экземпляр - ОмГУПС, НИЧ;

3-й экземпляр - ОмГУПС, разработчику.

ы комиссии Н.Г. Парканская

Е.А. Сидорова

"С.О. Подгорная

Эксплуатационное локомотивное депо Омск (ТЧЭ-2) -структурное подразделение Западно-Сибирской дирекции тяги -структурного подразделения Дирекции тяги - филиала ОАО «РЖД»

АКТ

от «£>{» Р/.иГ^О^ 2022 г.

«УТВЕРЖДАЮ»

г. Омск

Начальник эксплуатационного локомотивного депо Омск (ТЧЭ-2) -

структурного подразделения Западно-Сибирской дирекции тяги -структурного подразделения Д ирбйй^ил и ал а

Об использовании результатов научных исследований и разработок в производстве

Основание: Разработка Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС), выполненная под руководством заведующего кафедрой «Информатика и компьютерная графика», д.т.н. Сидоровой Е.А. при личном участии старшего преподавателя Подгорной С.О.

Алгоритм управления энергопотреблением на тягу поездов.

Составлен комиссией в составе:

Представители предприятия:

Главный инженер эксплуатационного локомотивного депо Омск Романов Е.В.

Представители ОмГУПСа:

проректор по научной работе, д.т.н. Шантаренко С. Г.;

заведующий кафедрой «Информатика и компьютерная графика», д.т.н. Сидорова Е. А.;

старший преподаватель Подгорная С. О.

Разработка ОмГУПСа, характеризуемая основными особенностями (признаками):

Разработанный алгоритм управления энергопотреблением на тягу поездов позволяет на основе детального анализа расхода энергоресурсов сформировать перечень приоритетных управляющих воздействий, реализация которых обеспечит рациональное энергопотребление, выполнить прогнозирование показателей энергопотребления и при необходимости осуществить объективную корректировку плановых норм удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом.

2

Указанная разработка внедрена в опытную эксплуатацию в 2022 г. в эксплуатационном локомотивном депо Омск (ТЧЭ-2) - структурном подразделении Западно-Сибирской дирекции тяги — структурного подразделения Дирекции тяги - филиала ОАО «РЖД».

2. Технико-экономическая эффективность:

Разработанный и внедренный ОмГУПСом под руководством заведующего кафедрой «Информатика и компьютерная графика», д.т.н. Сидоровой Е.А. при личном участии старшего преподавателя Подгорной С.О. алгоритм управления энергопотреблением на тягу поездов позволяет обеспечить объективное прогнозирование и экономное расходование энергетических ресурсов за счет управления плановыми нормами удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом. Реализация сформированного в результате применения алгоритма приоритетного перечня энергосберегающих мероприятий позволяет обеспечить рациональное расходование энергоресурсов и финансовых средств на приобретение топлива и электроэнергии.

3. Предложения о дальнейшем использовании и другие замечания:

После опытной эксплуатации алгоритм рекомендовано использовать

в локомотивных депо сети железных дорог ОАО «РЖД» при мониторинге и прогнозировании удельной энергоемкости тяги поездов локомотивом и формировании плана энергосберегающих мероприятий.

Составлен в трех экземплярах:

1 -й экземпляр - ОмГУПС, Центр бизнес-проектов;

2-й экземпляр - эксплуатационное локомотивное депо Омск (ТЧЭ-2) -структурное подразделение Западно-Сибирской дирекции тяги - структурного подразделения Дирекции тяги - филиала ОАО «РЖД»;

3-й экземпляр - ОмГУПС, разработчику.

С.О. Подгорная