Анализ и способы снижения расхода электроэнергии в грузовом движении на казахстанской железной дороге
На правах рукописи
АЛЬЖАНОВ БАУРЖАН БАХЫТЖАНОВИЧ
АНАЛИЗ И СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ГРУЗОВОМ ДВИЖЕНИИ
НА КАЗАХСТАНСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ
Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
МОСКВА – 2010
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ) на кафедре «Электрическая тяга».
Научный руководитель: доктор технических наук
Сидорова Наталья Николаевна (МИИТ)
Официальные оппоненты: доктор технических наук
Киселев Валентин Иванович (МИИТ)
кандидат технических наук
Рахманинов Виктор Иванович (ВНИИЖТ)
Ведущая организация: Научный центр по комплексным транспортным проблемам при Министерстве транспорта РФ (НЦКТП)
Защита состоится «28» июня 2010 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.01 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова д. 9, стр. 9, ГСП-4 ауд. 2505.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщений.
Автореферат разослан «____» ___________ 2010 г.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу диссертационного совета "Московского государственного университета путей сообщения» (МИИТ).
Ученый секретарь диссертационного совета Д 218.005.01
доктор технических наук, доцент А.В. Саврухин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы обусловлена остротой проблемы энергосбережения на железнодорожном транспорте.
В 2004 году операторы локомотивной тяги Республики Казахстан перешли на хоздоговорную основу предоставления услуг Службе локомотивной тяги (Приказ Минтранскомма РК от 23 июля 2004 года N 286-I). В связи с этим, в тарифы услуг Служб локомотивной тяги топливная составляющая закладывается единым показателем, как для электрической, так и для автономной тяги в локомотиво-часах. С изменением результирующего показателя работы перед службами локомотивной тяги стала актуальна проблема учёта потребления электроэнергии тягу поездов и ее связь с новым показателем. Постоянный рост тарифов по оплате электроэнергии обуславливает возрастающую остроту проблемы, как в рамках ее учета, так и в поиске путей энергосбережения.
Так, в 2004 году затраты на топливно-энергетические ресурсы только на электрическую тягу составили 7,2 млрд. тенге (1,51 млрд. рублей) за приобретенную электроэнергию объемом 1,8 млрд. кВтч. По сравнению с 2003 годом увеличение расходов на электроэнергию составило 11,1%. Рост энергопотребления заметно опередил фактическое увеличение грузооборота, а удельное энергопотребление возросло на сети железных дорог, как в грузовом, так и пассажирском движении.
Исследование энергоемкости перевозочного процесса в электрической тяге проведено на базе теории вероятностей и математической статистики. Статистическая модель позволяет учесть многообразие факторов эксплуатационного характера. Основой для исследования служат данные по выполненным поездкам, полученные из маршрутных листов машинистов. Расход электроэнергии в удельном виде является результирующей функцией, на которую влияют факторы эксплуатации. Степень влияния их на энергозатраты позволяет не только вести учет электроэнергии, но и прогнозировать расход на предстоящий объем перевозочной работы, что является существенным вкладом в работу, проводимую Службой локомотивной тяги и частными операторами локомотивной тяги в эксплуатационных депо по учету, нормированию и прогнозированию электроэнергии. Должен быть разработан переход к новому показателю, выраженному в локомотиво-часах, который является не точечной оценкой работы электровозной тяги, а функцией определенного числа исходных показателей, таких, как например, масса поезда и нагрузка на ось.
Цель и задачи работы заключатся в совершенствовании комплекса технического учёта и нормирования расхода электроэнергии в грузовом движении на Казахстанской железной дороге, подбору необходимых типов электровозов на тягу поездов в грузовом движении.
Объектом исследования. Объектом исследования в диссертации является участок Караганда Сортировочная – Астана, депо приписки ТЧЭ-14.
Предмет исследования. Предметом исследования является система технического нормирования на тягу поездов в грузовом движении на Казахстанской железной дороге.
Методика исследования включает использование классических методов математической статистики (корреляционный анализ, статистическая проверка гипотез) и методов теории чувствительности, основанных на использовании коэффициентов влияния, к решению задач энергетики электрической тяги. При этом выделяются существенные и несущественные факторы по критерию их влияния на энергозатраты. На этой основе предлагается система нормирования энергозатрат для локомотивного депо, предполагающая автоматизированный расчет технологических норм расхода электроэнергии по влияющим факторам (метод базовой нормы), и расчет энергозатрат на заданный объем перевозочной работы (грузооборот) методом интегрирования по двум функциям.
Применяемые методы исследования предполагают также переход от общих методологических основ энергобаланса и баланса мощности электровоза к специфическим для электрической тяги расчетным характеристикам, выполненным на базе тягово-энергетических паспортов электровозов. Их преимущество состоит в учете как тяговых и энергетических параметров электровоза, так и характеристик основного сопротивления движению вагонов в составе поезда и дополнительного сопротивления от профиля пути.
Научная новизна выполненной работы заключается в разработке вероятностно-статистической модели энергопотребления при реализации перевозочного процесса с учетом многообразия действующих эксплуатационных факторов, включая параметры вагоно- и поездопотока, характеристики тягового плеча, конкретный тип электровоза. С помощью предложенного метода интегрирования по двум функциям модель предусматривает переход от системы технологических норм к групповым нормам для определения энергозатрат на конкретный заданный объем перевозочной работы (грузооборот) в условиях действующего или вводимого графика движения поездов. На базе тягово-энергетических паспортов предложен способ сравнения энергетических характеристик различных типов тягового подвижного состава.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов.
Расчёты реализовывались с использованием математических и статистических функций и пакета анализа данных Microsoft Excel и платформы Mathcad на базе обширного статистического материала.
Практическая ценность. заключается в том, что разработанная система технического учёта электроэнергии позволяет использовать введенный в качестве результирующего на Казахстанской железной дороге показатель локомотиво-часы как производный от функции удельного расхода электроэнергии на поездку. Исследование зависимостей удельного расхода электроэнергии от ряда эксплуатационных факторов позволило определить пути энергосбережения и дать практические рекомендации по использованию конкретных типов локомотивов.
Положения и результаты диссертации, выносимые на защиту. Расчетная методика с детальным рассмотрением сегментов, входящих в базовый нормообразующий измеритель поездо-км. Метод интегрирования по двум функциям для определения затрат электроэнергии и их прогнозирования на объем работы в грузовом движении, позволяющий оперативно учитывать возможные изменения структуры грузопотоков.
Апробация и реализация работы. Основные положения работы докладывались шести научно-практических конференциях «Неделя науки – 2006» г. Москва 2006г.; «Безопасности движения поездов», г. Москва 2007г.; «TRANS-MECH-ART-CHEM», г. Москва 2008г.; «Проблемы механики железнодорожного транспорта», г. Днепропетровск 2008г.; «Безопасности движения поездов», г. Москва 2008г.; «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» г. Самара 2009г.
Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано восемь печатных работ, в том числе две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ по данной специальности, и одна - в издании, рекомендованном ВАК Республики Казахстан.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы из __ наименований, приложений и содержит __ страниц основного текста, __ таблиц и __ рисунков.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Сформулированы научная новизна и практическая ценность работы, представлены основные направления исследования.
В первой главе представлена краткая справка общего и удельного потребления электроэнергии на тягу поездов и взаимосвязи энергопотребления с транспортной работой на Казахстанской железной дороге. Проведен анализ работ, посвященных снижению расхода электроэнергии в грузовом движении. При возрастающем объёме работы на электрифицированных железных дорогах и с целью определения путей снижения удельного расхода электроэнергии, обоснована необходимость разработки вероятностно-статистической модели энергопотребления, учитывающая многообразие действующих эксплуатационных факторов в грузовом перевозочном процессе.
Рассмотрены основные мероприятия по снижению расхода энергопотребления в грузовом движении. В работе рассмотрены и в дальнейшем использованы вероятностно-статистический, балансовый и графо-аналитический методы.
Большой вклад в развитие науки «Теории электрической тяги» внесли: В.Е. Розенфельд, В.Т. Черемисин, И.П. Исаев, Н.Н. Сидоров, В.П. Феоктистов, В.И. Киселёв, Р.Н. Мирошниченко, А.А. Бакланов, Л.А. Баранов, Е.В.Ерофеев и многие другие ученые, а за рубежом в том числе: Ж.С. Ибраев, В.П. Парамзин, В.В. Ширяев.
Важные результаты, полученные в этих работах и сделанные в них выводы, актуальны и в настоящее время. Вместе с тем, работы в этом направлении продолжаются. Большой вклад в исследования теории электрической тяги и задач оптимизации энергопотребления сделан и делается коллективами многих ВУЗов и научно-исследовательских организаций транспорта и промышленности, в том числе ВНИИЖТ, ВНИИАС, ВНИКТИ, ВЭлНИИ, МИИТ, ДИИТ, ПГУПС, СамГАПС, ОмГУПС, ОЦВи др.
Для определения путей снижения затрат электроэнергии в тяге поездов на железной дороге Республики Казахстан в диссертационной работе сформулированы основные задачи, которые заключаются в разработке эффективных методов и рекомендаций по использованию и реструктуризации парка электровозов; совершенствовании системы учета и нормирования энергозатрат в АО «НК «КТЖ».
Во второй главе определены базовые факторы, влияющие на энергозатраты; выполнена проверка достоверности показаний маршрутных листов; определены параметры грузопотоков в тяге двух- и трехсекционными грузовыми электровозами; дана оценка погрешности при нормировании расхода электроэнергии на тягу поездов, основанная только на изменении нагрузок на ось.
В грузовом движении статистический анализ факторов эксплуатации был проведен на участке Караганда Сортировочная – Астана общей протяженностью S =218 км. Участок имеет равнинный профиль пути и является самым грузонапряженным на Казахстанской железной дороге. Поездопоток характеризуется большим диапазоном изменения массы, нагрузок на ось и длины поездов. Имеется ярко выраженная разница грузопотоков в груженом и порожнем направлениях.
Собраны статистические данные из маршрутных листов машинистов по выполненным поездкам на участке Караганда Сортировочная – Астана, из которых организованы выборки в тяге поездов двухсекционными и трехсекционными электровозами ВЛ80С (таблица 1).
Статистический анализ проводился по следующей схеме. Получены распределения случайных величин – массы состава Q; нагрузки на ось q; удельного расхода энергии, определяемого как а= А/(QS10
), среднетехнической скорости Vтех; числа остановок D. На основании анализа делается вывод о виде теоретических законов распределения, которым соответствуют эти случайные величины.
В диссертационной работе рассмотрены наиболее часто используемые в теории вероятностей и надежности законы распределения: Нормальный закон (Усечённый нормальный закон), Логарифмически нормальный закон, Стьюдента, Гамма, Вейбулла, Экспоненциальный закон, приведенные на рисунках 1 и 2, таблицах 2 и 3. Для дискретных случайных величин дополнительно рассмотрен закон распределения Пуассона.
Статистический анализ показал, что плотности распределений статистических данных грузопотока не могут быть описаны ни одним из двухпараметрических законов распределения и имеют более сложную форму с несколькими модами. При разделении общих выборок на частные по принципу порожних и груженых составов, характер распределений изменился, и анализ на базе теоретических двухпараметрических законов распределения стал возможным.
Большинство параметров порожних и груженых поездопотоков хорошо описываются нормальным распределением, плотность которого описывается как:
(1)
Поскольку значения параметров поездопотока положительные величины, они должны определяться в интервале [0,].
Таблица 1
Результаты анализа статистических данных на участке Караганда Сортировочная - Астана
| N | a | Q | q | Vтех | ||||
| Электровозы ВЛ80С | Караганда Сортировочная – Астана | общая выборка | среднее значений x | 335 | 88,35 | 4102 | 15,2 | 48,7 |
| среднеквадратическое отклонение | 37,82 | 1661 | 5,58 | 6,13 | ||||
| минимум | 35 | 192 | 5 | 14,4 | ||||
| максимум | 229 | 6090 | 24 | 65,12 | ||||
| соответствие нормальному закону(2) | 278,3 | 148,3 | 350,9 | 32,35 | ||||
| выборка порожних составов | среднее значений x | 61 | 154 | 1485 | 5,49 | 42,8 | ||
| среднеквадратическое отклонение | 29 | 216,8 | 0,148 | 6,8 | ||||
| минимум | 57 | 453 | 5 | 22 | ||||
| максимум | 210 | 1715 | 5,92 | 63 | ||||
| соответствие нормальному закону(2) | 0,38 | 143,8 | - | 6,75 | ||||
| выборка груженых составов | среднее значений x | 274 | 73,7 | 4685 | 17,37 | 48,8 | ||
| среднеквадратическое отклонение | 19,5 | 1222 | 3,5 | 5,98 | ||||
| минимум | 35 | 1681 | 7,7 | 14,4 | ||||
| максимум | 229 | 6090 | 24 | 65,1 | ||||
| соответствие нормальному закону(2) | 37,13 | 97,87 | 42,8 | 40,8 | ||||
| Электровозы ВЛ80С (3 секции) | Караганда Сортировочная – Астана | общая выборка | среднее значений x | 97 | 89,9 | 4376 | 15,6 | 50,5 |
| среднеквадратическое отклонение | 34,8 | 1529 | 5,3 | 5,01 | ||||
| минимум | 51 | 794 | 5,3 | 38,2 | ||||
| максимум | 235 | 6362 | 22,6 | 60 | ||||
| соответствие нормальному закону(2) | 267,5 | 46,8 | 78,4 | 1,35 | ||||
| выборка порожних составов | среднее значений x | 15 | 159,4 | 1483 | 5,48 | 47,7 | ||
| среднеквадратическое отклонение | 34 | 205 | 0,16 | 5,4 | ||||
| минимум | 121 | 794 | 5,3 | 38,2 | ||||
| максимум | 235 | 1653 | 5,9 | 57,8 | ||||
| соответствие нормальному закону(2) | 5,1 | - | - | 0,51 | ||||
| выборка груженых составов | среднее значений x | 82 | 77,2 | 4905 | 17,5 | 51 | ||
| среднеквадратическое отклонение | 13,6 | 965 | 3,3 | 4,79 | ||||
| минимум | 51 | 2915 | 10,4 | 39,6 | ||||
| максимум | 123 | 6362 | 22,6 | 60 | ||||
| соответствие нормальному закону(2) | 40 | 8,1 | 9,84 | 4,74 | ||||
| Электровозы ВЛ80С | Астана – Караганда Сортировочная | общая выборка | среднее значений x | 91 | 107,5 | 4113 | 16,7 | 50,7 |
| среднеквадратическое отклонение | 25,6 | 1019 | 3,8 | 3,9 | ||||
| минимум | 21,7 | 576 | 5,43 | 39,8 | ||||
| максимум | 193,6 | 6095 | 24 | 58,7 | ||||
| соответствие нормальному закону(2) | 71,97 | 133,4 | 26,43 | 4,33 | ||||
| выборка порожних составов | среднее значений x | 2 | 150,9 | 1156 | 5,68 | 54,5 | ||
| среднеквадратическое отклонение | 60,4 | 393 | 0,35 | 3,97 | ||||
| минимум | 108 | 878 | 5,43 | 51,67 | ||||
| максимум | 193,6 | 1434 | 5,93 | 57,29 | ||||
| выборка груженых составов | среднее значений x | 89 | 107 | 4180 | 17 | 50,6 | ||
| среднеквадратическое отклонение | 23 | 926 | 3,45 | 3,87 | ||||
| минимум | 33 | 2715 | 10,1 | 39,9 | ||||
| максимум | 162 | 6095 | 24 | 58,7 | ||||
| соответствие нормальному закону(2) | 11,8 | 23,7 | 23,62 | 0,97 | ||||
В случаях, когда имеется значительный разброс данных, интервал изменения случайных величин в теоретическом распределении может иметь левую границу в области отрицательных значений. В этом случае используется усеченный нормальный закон распределения:
 |  | при x>0 axb |
| 0 | при x<0 |
где mx – математическое ожидание величины параметра поездопотока;
x – среднеквадратическое отклонение величины параметра поездопотока;
Х – текущее значение величины параметра поездопотока.
Так как числовые характеристики нормального закона распределения могут быть выражены через математическое ожидание и дисперсию случайной величины, вычисляются соответствующие им оценки среднего значения и дисперсии (среднеквадратическое отклонение):
(2)
(3)
Мерой соответствия теоретического и статистического распределений в диссертационной работе служит критерий Пирсона (критерий 2).
Из рассматриваемых теоретических распределений выбирается такое, которое наилучшим образом описывает рассматриваемую статистическую совокупность, то есть обеспечивает минимальное значение 2. Критерий 
определяется как:
(4)
где 
– значение теоретической вероятности попадания случайной величины в заданный интервал;
– значение статистической вероятности попадания случайной величины в j–й интервал; 
(
– число значений случайной величины в j–м интервале).
а) | б)  | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Рис. 1 Плотности распределения массы составов в тяге двухсекционными электровозами ВЛ80С | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| а)Порожние составы | б)Груженные составы | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Таблица 2 Определение теоретического закона распределения масс составов в тяге двухсекционными электровозами ВЛ80С | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
а)Порожние составы
| б)Груженные составы
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
а) | б) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис. 2 Плотности распределения удельного расхода электроэнергии в тяге двухсекционными электровозами ВЛ80С | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
а)Порожние составы | б)Груженные составы | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Таблица 3 Определение теоретического закона распределения удельного расхода электроэнергии в тяге двухсекционными электровозами ВЛ80С | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
а)Порожние составы
| б)Груженные составы
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Случайные величины могут быть распределены любым образом, однако для дальнейшего корреляционного анализа с использованием только корреляционного момента первого порядка важно иметь статистические распределения, близкие к нормальному закону для получения достоверных результатов. В частных выборках, организованных по признаку груженых и порожних поездов, распределения случайных величин лучше описываются нормальными распределениями, чем в общей выборке. Это дает возможность, во–первых, получить более достоверные результаты и, во-вторых, определить, насколько изменилась значимость коэффициентов корреляции между случайными величинами при переходе от общей выборки к частным.
Корреляционный анализ, представленный в таблице 4, показал степень влияния отдельных факторов эксплуатации на удельный расход энергии а(Q, q, D, Vтех) и взаимосвязь других факторов эксплуатации. Если исходные распределения близки к нормальным законам распределения, то такая оценка может производиться с помощью парных коэффициентов корреляции первого порядка а-Q, а-q, а-D, а-Vтех, Q-q, Q-D, Q-Vтех, q-D, q-Vтех, D-Vтех.
Таблица 4
Корреляционный анализ параметров поездопотока в тяге с двухсекционными электровозами ВЛ80С на участке Караганда Сортировочная – Астана
| порожние составы | груженые составы | |||||||||
| Объём выборки N | 61 | 274 | ||||||||
| Критическое значение t | 2,00 | 1,96 | ||||||||
| Параметры поездопотока | a | Q | q | D | Vтех | a | Q | q | D | Vтех |
| a (кВт·ч/104 т·км бр. ) Удельный расход электроэнергии | 1 | -0,414 | -0,007 | -0,097 | 0,237 | 1 | -0,683 | -0,386 | 0,054 | 0,010 |
| -3,498 | -0,057 | -0,746 | 1,875 | -15,417 | -6,909 | 0,891 | 0,172 | |||
| ДА | НЕТ | НЕТ | НЕТ | ДА | ДА | НЕТ | НЕТ | |||
| Q(т) Масса состава | -0,414 | 1 | 0,064 | -0,069 | 0,356 | -0,683 | 1 | 0,754 | 0,005 | -0,123 |
| -3,498 | 0,493 | -0,535 | 2,931 | -15,42 | 18,917 | 0,080 | -2,036 | |||
| ДА | НЕТ | НЕТ | ДА | ДА | ДА | НЕТ | ДА | |||
| q(т/ось) Нагрузка на ось | -0,007 | 0,064 | 1 | 0,033 | 0,078 | -0,386 | 0,754 | 1 | -0,020 | -0,052 |
| -0,057 | 0,493 | 0,254 | 0,600 | -6,91 | 18,917 | -0,335 | -0,858 | |||
| НЕТ | НЕТ | НЕТ | НЕТ | ДА | ДА | НЕТ | НЕТ | |||
| D Количество остановок | -0,097 | -0,069 | 0,033 | 1 | -0,412 | 0,054 | 0,005 | -0,020 | 1 | -0,624 |
| -0,746 | -0,535 | 0,254 | -3,471 | 0,891 | 0,080 | -0,335 | -13,170 | |||
| НЕТ | НЕТ | НЕТ | ДА | НЕТ | НЕТ | НЕТ | ДА | |||
| Vтех (км/ч) Среднетехническая скорость | 0,237 | 0,356 | 0,078 | -0,412 | 1 | 0,01 | -0,123 | -0,052 | -0,624 | 1 |
| 1,875 | 2,931 | 0,600 | -3,471 | 0,172 | -2,036 | -0,858 | -13,17 | |||
| НЕТ | ДА | НЕТ | ДА | НЕТ | ДА | НЕТ | ДА | |||
Корреляционный анализ, выполненный по статистическим данным, взятым из маршрутных листов машинистов по выполненным поездкам на участке Караганда-Сортировочная в обоих направлениях с двух- и трехсекционными электровозами ВЛ80С, позволил выявить следующие закономерности:
- влияние на удельный расход электроэнергии массы поезда и нагрузки на ось практически одинаково, если между этими параметрами имеется тесная, практически функциональная связь, то есть rQq 1. В таком случае в качестве нормообразующего фактора может быть принят один из них;
-влияние на удельный расход электроэнергии массы поезда является более значимым. Вторым по значимости фактором влияния на удельный расход электроэнергии является нагрузка на ось;
- в порожних составах с практически постоянной нагрузкой на ось (ее диапазон изменений составляет менее 1 т/ось) масса поезда существенно влияет на расход электроэнергии; с увеличением массы поезда (или числа вагонов) удельный расход электроэнергии снижается, о чем свидетельствует отрицательное значение коэффициента корреляции;
- влияние такого фактора эксплуатации, как промежуточные остановки могут учитываться или нет в зависимости от конкретных условий движения, связанных в первую очередь с интенсивностью перевозочной работы;
- среднетехническая скорость движения поездов не оказывает существенного влияния на удельный расход электроэнергии. Это является следствием небольшого диапазона ее изменения относительно среднего значения при выполнении графика движения. При большом количестве неплановых остановок ее влияние на удельный расход электроэнергии может стать значимым, но при этом с уменьшением скорости движения поездов удельный расход электроэнергии увеличивается. В этом случае дополнительные потери энергии возникают в режиме пуска после неплановых остановок и должны учитываться отдельно.
Поэтому в линейных депо правильно было бы строить технические нормы на поездку с учетом только двух базовых факторов – массы поезда и нагрузки на ось. Для учета дополнительных энергозатрат, связанных с наличием остановок, целесообразно использовать метод тягового расчета в сравнительном варианте – для безостановочного движения и с наличием остановок. В сравнительных расчетах точность тягового расчета для этих целей достаточна, а статистические методы в данном случае показывают лишь качественную картину.
В работе был проведен статистический анализ значений удельного расхода электроэнергии универсальных электровозов KZ4A, задействованных в пассажирском движении. Пассажирское движение может быть рассмотрено как частный случай грузового с постоянной нагрузкой на ось.
С 2004 года в пассажирском движении на участке Караганда–Сортировочная – Астана эксплуатируют электровозы KZ4A с асинхронным тяговым приводом в количестве трёх единиц. Данная серия задействована в тяге фирменного поезда «Тулпар», состоящего из неразделяемого состава фирмы «Тальго». Был поставлен вопрос об однородности показаний счетчиков активной электрической энергии с целью введения единой или индивидуальных норм расхода электроэнергии.
Статистический анализ выполнен на основе выборок, полученных за летний период из маршрутных листов на участках Караганда–Сортировочная – Астана и Сары–Шаган – Караганда–Сортировочная. Особенностью этих маршрутов является постоянство условий эксплуатации – время отправления и прибытия, масса состава, количество вагонов.
Оценка однородности распределений значений удельного расхода электроэнергии определяется через доверительный интервал, покрывающий параметр M[X] с надежностью. Для этого требуется, чтобы выполнялось соотношение
(5)
Согласно формуле
(6)
где 
,
можно записать, что
(7)
С заданной надежностью, доверительный интервал 
покрывает область возможных средних значений удельного расхода электроэнергии в заданной выборке, с точностью оценки 
Для каждого из трех эксплуатируемых локомотивов KZ4A определен доверительный интервал математического ожидания удельного расхода электроэнергии (кВт·ч/104 т·км бр.) согласно функции Лапласа. Результаты представлены на рисунке 3 и в таблице 5 отдельно для каждого из трех электровозов KZ4A на разных участках обращения с указанием доверительных интервалов математического ожидания случайной величины – удельного расхода электроэнергии.
а) | б) |
| Рис. 3 – Плотности логарифмически нормального закона распределения удельного расхода электроэнергии | |
| а) Караганда Сортировочная – Астана | б) Астана – Караганда Сортировочная |
Таблица 5
Определение доверительного интервала среднего значения удельного расхода электроэнергии
| Караганда Сортировочная – Астана | Астана – Караганда Сортировочная | |||||
| KZ4A | №0001 | №0002 | №0003 | №0001 | №0002 | №0003 |
| Объём выборки, N | 10 | 14 | 6 | 9 | 14 | 7 |
| Доверительный интервал с надежностью | 0,99 | 0,99 | ||||
| Значение аргумента t | 3,25 | 3,01 | 4,03 | 2,36 | 3,01 | 3,71 |
Доверительный интервал  | 6,41 | 3,77 | 3,24 | 5,42 | 4,86 | 8,47 |
| Среднее значение удельного расхода электроэнергии, а | 34,8 | 43,9 | 36,3 | 37,7 | 47 | 43,3 |
| Отклонения средних значений электроэнергии от среднего значения общей выборки, % | -11,6 | +11,6 | -7,74 | -11,53 | +8,37 | -0,01 |
Нижняя граница доверительного интервала,  | 28,4 | 40,13 | 33,06 | 32,28 | 42,14 | 34,83 |
Верхняя граница доверительного интервала,  | 41,21 | 47,67 | 39,54 | 43,17 | 51,86 | 51,77 |
| Среднее квадратическое отклонение, () | 6,24 | 4,69 | 1,97 | 5,69 | 6,04 | 8,66 |
Результаты исследования показали, что новые локомотивы, принятые в эксплуатацию в августе 2004 г., имеют технические особенности, которые оказывают существенное влияние на удельный расход электроэнергии. Особенности их работы должны быть учтены либо в индивидуально принятых нормах расхода электроэнергии на поездку, либо через единую принятую норму с использованием коэффициента технического состояния локомотива.
В третьей главе проведен сравнительный анализ расхода электроэнергии в тяге грузовых поездов электровозами, оборудованными коллекторным и бесколлекторным тяговым приводом. На базе графо - аналитического метода и тягово-энергетического паспорта выполнена оценка эффективности использования электровозов с коллекторным и бесколлекторным тяговым приводом в пассажирском и грузовом движении; даны рекомендации по использованию каждого типа электровозов в зависимости от профиля пути и диапазона весов поездов.
Тягово-энергетические паспорта, выполненные для различных типов электровозов, дают возможность оценить энергетические и скоростные свойства электровозов для конкретных масс поездов в условиях установившихся скоростей движения. На рисунках 4 и 5 представлены паспорта для массы поезда в 2000 т. В настоящее время перевозки грузов с массами поездов до 2000 т составляют 20 % всех перевозок на участке Караганда Сортировочная – Астана и могут осуществляться четырехосными электровозами типа KZ4A. Если учитывать только удельный расход электроэнергии, то он оказывается значительно выше у электровозов с асинхронным тяговым приводом - KZ4A и ЭП10. Но, как показывают результаты расчета тягово-энергетических паспортов всех типов электровозов, у электровозов с асинхронным тяговым приводом более высокими являются и установившиеся скорости движения в тяге поездов.
Уровень энергоемкости каждого из электровозов, как в грузовом, так и в пассажирском движении, во многом определяется значениями установившихся скоростей движения поездов в режиме тяги.
Поскольку удельный расход энергии разных типов электровозов на одном и том же подъеме соответствует разным значениям установившихся скоростей движения, для сравнительной оценки электровозов, как в пассажирском, так и грузовом движении, построение и анализ зависимостей Vуст(i) и а(i) по отдельности недостаточны.
Энергоемкость одинаковых позиций разных локомотивов можно оценить и сравнить с помощью отношения удельного энергопотребления при установившейся скорости движения на данной позиции к значению этой установившейся скорости, то есть характеристики а/Vуст в зависимости от уклонов i, ‰, что и предложено в данной работе.
По данным рассчитанных тягово-энергетических паспортов построены графики (Рис. 6) отношений а/Vуст для электровозов различных серий.
Тягово-энергетические паспорта позволяют сравнивать энергоемкость электровозов различных серий при установившихся скоростях движения. Такой тип движения характерен в большей степени для пассажирских перевозок поездами дальнего следования. Состоятельность оценки энергетических показателей электровозов различных серий можно подтвердить с помощью тягового расчета, когда скорость движения изменяется в зависимости от профиля пути и присутствуют режимы пуска и разгона.
Для данной массы поездов в 2000 т был выполнен тяговый расчет (таблица 6) и рассчитан эксплуатационный КПД электровозов. В тяге поезда массой 2000 т КПД четырехосного электровоза KZ4A значительно выше, а удельный расход электроэнергии на 25% ниже по сравнению с тягой двухсекционными восьмиосными электровозами ВЛ80С.
а)
б)
Рис. 4 Значения удельных расходов энергии электровозов при массе поезда 2000 тонн (а – режим нормального возбуждения, б – режим ослабления возбуждения)
а)
б)
Рис. 5 Установившиеся значения скорости движения электровозов при массе поезда 2000 тонн (а – режим нормального возбуждения, б – режим ослабления возбуждения)
а) 
б)
Рис. 6 Зависимость удельного расхода энергии, приходящуюся на единицу установившейся скорости движения электровозов переменного тока при массе поезда 2000 тонн (а – режим нормального возбуждения, б – режим ослабления возбуждения)
Таблица 6
Результаты расчета эксплуатационного к.п.д. на участке Караганда Сортировочная – Астана
| Электровоз | KZ4A | ВЛ80С | ВЛ80С |
| Масса состава Q, т | 2000 | 2000 | горячий пробег |
| Значения тока на единицу времени It | 13312 | 17407 | 11092 |
| Время под током t, час | 1:03 | 1:23 | 0:57 |
| Расход электроэнергии на тягу поездов A, кВтч | 5547 | 7253 | 4621 |
| Удельный расход электроэнергии a, кВтч/ 104 т·км бр. | 123 | 153 | 557 |
| Среднетехническая скорость V, км/ч | 65,9 | 59,2 | 76 |
Таким образом, четырехосные электровозы типа KZ4A, используемые в настоящее время для пассажирских перевозок, вполне могут эксплуатироваться также и в сегменте грузовых перевозок неполновесных составов на равнинных профилях пути, превосходя по энергетическим и скоростным показателям не только восьмиосные электровозы ВЛ80С, но и четырехосные электровозы ВЛ40, обеспечивая значительную экономию электроэнергии.
Улучшению энергетических показателей эксплуатируемого и перспективного ЭПС должна способствовать реструктуризация локомотивного парка, предполагающая использование четырехосных электровозов, что позволяет транспортировать грузопотоки составами различной длины и массы.
В четвертой главе даны рекомендации по снижению удельного энергопотребления в грузовом движении; обоснованы пути совершенствования системы технического учёта электроэнергии на Казахстанской железной дороге. Предложен алгоритм перехода от удельного расхода электроэнергии на поездку к существующему в настоящее время на Казахстанской железной дороге нормативному показателю локомотиво-часы.
Удельные энергозатраты на заданный объем работы получаются как средняя величина:
а* = 104 
a(Qi, qj) [F(Qi,qj) - F(Qi-1,qj-1)] (8)
и их численный расчет не вызывает сложностей при имеющихся двумерных распределениях, одно из которых – семейство характеристик удельного расхода электроэнергии в зависимости от массы поезда и нагрузки на ось a(Qi,qj), представленное на рисунке 7 для двух- и трехсекционных электровозов ВЛ80С, можно считать,установившимися значениями. Изменения в структуре поездопотока отражаются через интегральное распределение F(Q,q), которые имеют, как правило, устойчивый сезонный характер. Любые прогнозируемые изменения отражаются в интегральном распределении F(Q,q) – изменяется
| Двухсекционный ВЛ80С | Трехсекционный ВЛ80С | ||
 |  | ||
Рис. 7 Двумерная диаграмма удельного расхода электроэнергии в грузовом движении в тяге с двух- и трехсекционными электровозами ВЛ80С
вероятность попадания случайных величин, какими являются масса поезда и нагрузка на ось, в заданный i,j-й двумерный интервал, то есть [F(Qi,qj) - F(Qi-1,qj-1)]. Расчет ведется по реальным, а не усредненным параметрам поездопотока. Это позволяет оценить изменения энергоемкости локомотивной тяги в грузовом движении на заданный объем работы при изменении структуры грузопотоков и обеспечить мероприятия по энергосбережению.
Если перейти к плотности f(Q,q) с бесконечно малыми приращениями dQ и dq, то расчет производится путем интегрирования по двум функциям. Для удельного расхода энергии получаем в общем виде следующее выражение:
а*= 104 
a(Q,q) f(Q,q) dQ dq. (9)
В этом случае используют теоретические распределения, наилучшим образом описывающие статистические данные случайных величин - массы поезда и нагрузки на ось.
Принятые на Казахстанской железной дороге расчеты базируются на методе расчетных ставок. Для обновленной системы нормирования и учёта потребуется постоянное пополнение базы статистических данных поездной работы грузовом движении, что даст возможность оперативно уточнять и автоматически корректировать работу электрической тяги.
Экономическая целесообразность обновленной системы технического нормирования и учёта расхода электроэнергии в тяге грузовых поездов представлена ниже, с детальным рассмотрением сегментов, входящих в базовый нормообразующий измеритель поездо-км.
1. Рассчитывая 1 вагоно-км, необходимо учесть загруженность состава при заданном весе и определить нагрузку на ось, стремясь к максимальной загруженности.
Эвагон-км=NсоставСгруз вагон-час (10)
Полученные данные носят рекомендательный характер.
2. По аналогии с номограммой стоимости 1 вагоно-км составляеются значения стоимости 1 вагоно-часа. Рассчитывая стоимость 1 вагоно-часа, нельзя брать усредненное значение количества вагонов. При малом количестве вагонов суммарное значение стоимости 1 поездо-км в итоге завышается и, соответственно, наоборот, при длинносоставных поездах грузоперевозчик несет убытки. Оба варианта приводят к расточительности ресурсов.
Эвагон-час=NсоставСгруз вагон-час/vуч (11)
где vуч- среднее значение участковой скорости..
3. Если за 1 локомотиво-км брать единицу электровозо-км в грузовом движении для электровоза ВЛ80С, то, следовательно, можно учитывать этот показатель посекционно. Обосновывается это тем, что в данном показателе заложены эксплуатационные затраты на содержание двухсекционного электровоза ВЛ80С, что позволит учесть затраты третьей секции и сократить стоимость 1 локомотиво-км четырехосных ВЛ40 и KZ4A.
Эсекция эл.-км=nCэл-км (12)
где n- количество секций;
Для четырехосных электровозов стоимость электровозо-км сократится в два раза:
Эсекция эл.-км=0,5Cэл-км (13)
4. Показатель локомотиво-час поездного электровоза в грузовом движении заменяет тождественный ему показатель электровозо-час, суть которого заключается в посекционном разделении временного показателя работы.
С эл-час груз = 556,446 тенге равен для двухсекционного ВЛ80С;
С эл-час груз = 278,223 тенге равен для KZ4A и ВЛ40;
С эл-час груз = 834,669 тенге равен для трёхсекционного ВЛ80С.
Эсекция эл. -час=nСэл-час груз.((1/ vуч) + pср.простой) (14)
Эсекция эл. -час=2.278,223((1/50,52)+0,013)=18,48 тенге ;
Эсекция эл. -час=1.278,223((1/50,52)+0,013)=9,12 тенге;
Эсекция эл. -час=3.278,223((1/50,52)+0,013)=27,37 тенге;
5. Оплата работа локомотивной бригады, включенная в измеритель показатель бригадо-час электровозной бригады в грузовом и хозяйственном движении, не претерпит особых изменений и остается единой независимо от типа электровоза
Эбр. эл-час гр.=С бр.эл-час гр.. ((1/ vуч) + Rвспом. раб.) (15)
где: Rвспом. раб =0,0076 - вспомогательная работа локомотивных, бригад, приходящаяся на 1 км линейного пробега электровозов, час;
Эбр. эл-час гр.=470,54((1/50,52)+0,0076)=12,89 тенге
Ключевой составляющей в показателе поездо-км является удельный расход электроэнергии. Удельный расход электроэнергии при предельном весе поезда позволяет максимально использовать мощность электровоза. В диссертационной работе произведены расчеты, на основе которых составлены двумерные таблицы, по котором методом интегрирования по двум функциям определены средние значения удельного расхода электроэнергии для данной структуры грузопотоков. У трёхсекционных ВЛ80С удельный расход равен 148,36 кВтч / 104 т·км бр., у двухсекционных ВЛ80С равен 110 кВтч / 104 т··км бр.; у ВЛ40 равен 98,1 кВтч / 104 т·км бр., у KZ4A равен 88 кВтч / 104 т·км бр. В таблице 7 представлены расчеты стоимости перевозок для различных типов электровозов.
Проведенные исследования, анализ и расчеты позволяют сделать следующие выводы. Разработанные двумерные номограммы удельного расхода электроэнергии для двух- и трехсекционных электровозов ВЛ80С рекомендуются при нормировании и учёте электроэнергии. В дальнейшем на практике автоматизированная обработка статистических данных позволит оперативно откорректировать нормы для всех типов ЭПС, используемых на тяговых плечах локомотивного депо Караганда Сортировочная. Аналогичная работа может быть выполнена и в других депо Казахстанской железной дороги. Эксплуатация маломощных четырехосных электровозов в тяге поездов в грузовом движении, приводит к снижению стоимости перевозки неполновесных поездов в 1,5 – 2 раза. Посекционный расчёт эксплуатационных норм позволяет снизить расходную ставку для маломощных и универсальных электровозов, что ведет к финансовому стимулированию использования данных серий локомотивов, а также установить размер ранее не учитываемой
Таблица 7
Стоимость перевозок составов с максимальными весами
| Электровоз | KZ4A | ВЛ40 | ВЛ80С | ВЛ80С | |
| 1 секция | 2 секции | 3 секции | |||
| Масса поезда, т (повышенной загруженности) | 2000 | 2700 | 6200 | 6800 | |
| Средняя участковая скорость, км/ч | 50,52 | ||||
| Стоимость 1 секция электровозо-км, тенге | 5,975 | 5,975 | 11,95 | 17,925 | |
| Стоимость 1 секция электровозо-км, руб. | 1,25 | 1,25 | 2,5 | 3,75 | |
| Стоимость 1 бригадо-час тенге (руб.) | 12,89 (2,71) | ||||
| Стоимость 1 кВтч, тенге (руб.) | 8,30 (1,75) | ||||
| Удельный расход электроэнергии при заданной массе, кВтч/ткм бр. | 74,53 | 79,35 | 67,61 | 59,81 | |
| Затраты на расход электроэнергии, тенге | 145,5 | 199,15 | 379,92 | 369,74 | |
| Затраты на расход электроэнергии, руб. | 30,63 | 41,92 | 79,98 | 77,84 | |
| Стоимость 1 поездо-км, тенге | 219,64 | 284,38 | 486,02 | 487,93 | |
| Стоимость 1 поездо-км, руб. | 46,24 | 59,87 | 102,32 | 102,72 | |
| Экономия от пропуска поезда повышенного веса, тенге | 397,37 | 558,28 | 1773,42 | 1248,88 | |
| Экономия от пропуска поезда повышенного веса, руб. | 83,65 | 117,53 | 373,35 | 262,92 | |
компенсации за работу третьей секции электровоза ВЛ80С. На исследованном участке Караганда Сортировочная – Астана тягу поездов с составами массой 6200 т можно осуществлять как двухсекционными, так и трехсекционными электровозами ВЛ80С. При этом расход электроэнергии выше в тяге с трехсекционными электровозами. Доля составов выше указанной массы, перевозки которых могут осуществляться только трехсекционными электровозами ВЛ80С - до 6800 т, ничтожно мала – только 2%, а стоимость 1 поездо-км значительно выше.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Энергоемкость перевозочного процесса в электрической тяге предложено рассматривать как нелинейную функцию, аргументами которой являются параметры эксплуатации, представленные в качестве случайных величин (вес состава, нагрузка на ось, среднетехническая скорость, количество остановок). Для исследования и оценки функциональной взаимосвязи параметров эксплуатации предложена статистическая модель, позволяющая количественно определить степень влияния на энергозатраты каждого из варьируемых параметров и представить соответствующие зависимости в графической и аналитической форме.
2. Статистический анализ показал, что на Казахстанской железной дороге в качестве основных показателей при нормировании следует использовать вес состава и нагрузку на ось, являющиеся главными аргументами нелинейной функции удельного расхода энергии. Применяемая в настоящее время нагрузка на ось как единственный нормообразующий фактор приводит к существенным погрешностям при нормировании электроэнергии на поездку - до 60 % относительно установленной нормы.
3. Предложен метод интегрирования по двум функциям для определения затрат электроэнергии и их прогнозирования на объем работы в грузовом движении, позволяющий оперативно учитывать возможные изменения структуры грузопотоков.
4. Представлены теоретические обоснования реструктуризации локомотивного парка, выполненные на основе тягово-энергетического паспорта, который позволяет оценить энергетическую эффективность использования электровозов с коллекторными и с бесколлекторными тяговыми двигателями в различных весовых категориях поездов и на различных уклонах профиля пути.
5. В работе предложен показатель для сравнительной оценки энергетической эффективности различных типов электровозов, базирующийся на отношении удельного расхода электроэнергии при установившейся скорости движения к значению этой скорости. Согласно этому показателю установлено, что при весе поезда в 1500 т и уклоне 6‰ удельный расход электроэнергии, приходящееся на единицу установившейся скорости движения четырехосного электровоза KZ4A, в 2,5 раза ниже, чем у восьмиосного электровоза ВЛ80С на 33 позиции;
6. Предложен посекционный расчёт эксплуатационных норм, позволивший снизить расходную ставку для четырехосных электровозов, способствующий к финансовому стимулированию использования данных серий локомотивов, а также определяющий размер компенсации за работу третьей секции электровоза ВЛ80С, ранее не учитываемую.
7. Предложена усовершенствованная система технического нормирования и учёт расхода электроэнергии в рамках существующей системы в грузовом движении на Казахстанской железной дороге, базирующейся на показателе поездо-км. Представлена расчетная методика с детальным рассмотрением сегментов, входящих в базовый нормообразующий измеритель поездо-км. Показано, что значения поездо-км существенно отличаются друг от друга за счет разной степени использования полной мощности электровозов и уточнения эксплуатационных факторов, влияющих на поездную работу
.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Сидорова Н.Н., Альжанов Б.Б. Анализ причин влияющих на безопасность движения // Труды научно-практической конференции «Безопасности движения поездов». – М.: МИИТ, 2007. с.V-13.
2. Сидорова Н.Н., Альжанов Б.Б. Рекомендации по практическому применению тягово-энергетического паспорта «TRANS-MECH-ART-CHEM». – М.: МИИТ, 2008. с.12-14.
3. Сидорова Н.Н., Альжанов Б.Б. Оценка эффективности использования электровозов ВЛ80С на базе тягово-энергетического паспорта // Сборник трудов XII Международной научно-технической конференции «Проблемы механики железнодорожного транспорта» – Украина, Днепропетровск: ДИИТ, 2008.
4. Альжанов Б.Б. Энергоемкость железнодорожного движения в тяге поездов, электровозами, оборудованными коллекторными и бесколлекторными тяговыми приводами // Труды научно-практической конференции «Безопасности движения поездов». – М.: МИИТ, 2008. с.V-59.
5. Альжанов Б.Б. Статистические распределения базовых факторов: оценка их параметров и изменчивости в условиях эксплуатации на участке Караганда-Сортировочная – Астана // Труды научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» – Самара: СамГУПС, 2009. с. 95-97
6. Феоктистов В.П., Альжанов Б.Б. Совершенствование системы показателей для оценки эффективности использования локомотивов// Вестник Казахской академии транспорта и коммуникации им. М. Тынышпаева. Казахстан – Алматы, 2008. №5 с.22.
7. Альжанов Б.Б. Определение энергозатрат на основе тягово-энергетического паспорта // Журнал «Мир транспорта», М. 2009. №1 с56.
8. Сидорова Н.Н., Маринин С.А., Альжанов Б.Б. Влияние на эксплуатационные расходы потребления электроэнергии электровозами, работающими по системе многих единиц // Журнал «Транспорт Урала». Екатеринбург. – 2009. №1. – с. 70-72.
АЛЬЖАНОВ БАУРЖАН БАХЫТЖАНОВИЧ
АНАЛИЗ И СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ГРУЗОВОМ ДВИЖЕНИИ
НА КАЗАХСТАНСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ
Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга
поездов и электрификация
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук
Подписано к печати _________ Формат бумаги 60х84/16
Объем 1,5 п.л. Заказ № ____ Тираж 80 экз.
Типография МИИТа. 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ГСП-4.
