Дизель-поезда
Моделирование гибридной конфигурации дизель-поездов Повышение энергетической эффективности дизельного привода с сопутствующим снижением расхода топлива и объема вредных выбросов является важной задачей, стоящей перед железнодорожной отраслью. В последние годы заметно повысилась интенсивность научных исследований, направленных на поиск путей оптимизации энергоэффективности традиционных систем дизель-гидравлического или гидромеханического привода, в том числе путем гибридизации. Рассмотрение энергетического баланса движущегося дизельпоезда показывает, что наибольшие резервы по альтернативному использованию энергии связаны с процессами торможения и отдачи мощности дизельным двигателем в режиме разгона. С одной стороны, в целях получения дополнительной полезной энергии на дизель-поездах может использоваться рекуперативное торможение в сочетании с накопителями энергии, которые в процессе торможения накапливают энергию, а затем снова отдают ее при разгоне. Такое решение положено в основу классического гибридного подвижного состава.
С другой стороны, многообещающим способом повышения эффективности дизельного двигателя является регенерация определенной части энергии отработавших газов. Как известно, лишь одна треть содержащейся в дизельном топливе энергии превращается в полезную механическую работу, в то время как еще одна треть отводится с охлаждающей водой или отработавшими газами. Для того чтобы выявить резервы экономии топлива за счет рекуперации тормозной энергии и регенерации энергии отработавших газов, на кафедре рельсового подвижного состава Технического университета Дрездена при поддержке компании
Рис. 1. Пример двухсекционного дизель-поезда, послужившего базой для моделирования
Voith Turbo была разработана комплексная модель дизель-поезда с гидравлической передачей (рис. 1), укомплектованная гибридной системой передачи мощности. Эта модель позволяет исследовать обе эти системы как по отдельности, так и в комбинации друг с другом.
Модель поезда Математическое моделирование проводилось в программной среде LMS Imagine. Lab AMESim. Входившие в состав программного обеспечения библиотеки моделей содержали в себе элементы из различных областей физики (механики, электротехники, гидравлики, термодинамики и т. д.), которые пользователь мог комбинировать друг с другом, модернизируя таким образом модель, а также добавляя новые свойства. Речь идет о так называемом 1‑d-моделировании системы, глубина моделирования в котором может изменяться в широком диапазоне. Этот метод отвечает требованиям построения модели динамики движения и отображения связанных с этим потоков энергии, так как основные модели могут простым образом дополняться частными. Разработанная модель дизельного вагона объединяет в себе физико-математическое отображение дизель-гидравлической передачи, систем управления ею и каскадного регулирования динамики движения, а также сил сопротивления движению. Каскадное регулирование включает в себя контроль за соблюдением ограничений скорости движения, остановок, продолжительности стоянок, условий движения на выбеге перед снижением скорости и последующей
52 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 6
Дизель-поезда
остановкой (энергосберегающий режим ведения поезда). При интегрировании выбега подвижного состава в сценарий поездки его алгоритм ориентируется на временно́й график движения и сравнивает его с прогнозируемым временем движения. Момент отключения тяги рассчитывается с учетом действительного уровня скорости и анализа уклонов на участке. Оптимизация сценариев движения не проводится, так как объем расчетов из‑за детального моделирования передачи и дополнительных компонентов для рекуперации тормозной энергии и использования тепла отработавших газов привел бы к недопустимому увеличению времени моделирования. В модели используется точечная масса поезда, которая параметрируется с помощью эквивалентной динамической массы, учитывающей коэффициент инерционных масс в динамике движения. Это допущение оправданно из‑за относительно малой длины дизель-поезда (менее 100 м). Как дизельный двигатель, так и гидродинамическая передача моделировались на базе параметрических кривых (параметрической поверхности) и могут быть с приемлемым уровнем затрат модифицированы для двигателей или передач других типов. Модель двигателя оснащена регулятором, который варьирует частоту вращения от минимальной до максимальной и стабилизирует ее в режиме холостого хода, в том числе при колебаниях мощности вспомогательного оборудования. Само же вспомогательное оборудование представлено простой моделью, которая включает систему охлаждения, компрессор, установку кондиционирования воздуха и бортовую сеть. Все эти компоненты имеют свои режимы работы. Сформированный при этом спектр нагрузок является искусственным, так как из‑за отсутствия реальных
эксплуатационных данных он основан на допущениях. Регулирование в модели двигателя выполняет задающее устройство системы управления динамикой движения. При этом с выхода модели двигателя снимается значение крутящего момента, которое вместе с информацией о частоте вращения передается на вход модели гидродинамической передачи. Универсальные характеристики крутящего момента дизеля отображаются в виде дискретных кривых (зависимости крутящего момента от частоты вращения) для различных режимов нагрузки, которые линейно интерполируются для обеспечения плавного регулирования мощности дизеля. Крутящий момент или мощность и частота вращения служат, в свою очередь, в качестве входных величин для построения семейства параметрических кривых по удельному расходу топлива, температуре и массовому расходу отработавших газов. Эти кривые также интегрируются в модель дизеля. Модель гидравлической передачи имеет в своем составе частные модели гидродинамических преобразователей и муфт, которые описываются характеристическими кривыми (коэффициент момента гидротрансформатора в зависимости от соотношения частот вращения турбины и насоса). Переключение гидродинамических контуров происходит, как и в реальных силовых установках, с помощью точек переключения (могут задаваться в виде скорости или частоты вращения), которые также зависят от входной мощности передачи. КПД передачи карданного вала и редуктора были приняты постоянными и объединены в одном передаточном элементе. Кроме того, при моделировании было принято, что рассматриваемый подвижной состав имеет две одинаковые силовые установки, которые в равной степени формируют общую
мощность. Таким образом, моделируемый привод может свободно масштабироваться как многомашинный агрегат.
Моделирование системы для использования тепла отработавших газов Рассматриваемая система для использования тепла отработавших газов основана на цикле Ренкина и выполнена в виде замкнутой системы. Она состоит из следующих основных частей: испарителя, питательного насоса, расширительной машины, конденсатора и бака. Эти элементы соединены друг с другом трубопроводами и могут быть, кроме того, оснащены системой клапанов. Большая часть тепловой энергии отработавших газов используется для превращения в пар находящейся в испарителе воды. В результате данного процесса в закрытом объеме испарителя повышается давление при практически неизменной температуре. Получаемый таким образом перегретый пар попадает в расширительную машину, где совершает механическую работу, создавая крутящий момент на ее исполнительном механизме. На выходе из расширительной машины пар превращается в воду в теплообменнике-конденсаторе. Преобразованная в расширительной машине механическая энергия в рассматриваемой здесь системе снова подается на привод и обеспечивает временное повышение тяговой мощности. Таким образом, система работает как усилитель, который способствует более быстрому достижению максимальной скорости или, например в случае затяжного подъема, позволяет поддерживать скорость. Моделирование и расчет такой системы из‑за возникающих на практике фазовых переходов является сложной физико-математической задачей и требует при высокой степени детализации большого объема вычислений.
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 6 53
Дизель-поезда
Трудности, возникающие при моделировании, можно рассмотреть на примере работы испарителя. Последний представляет собой кожухотрубный теплообменник, работающий по принципу перекрестного противотока, причем рабочая среда (в данном случае — вода) протекает по трубам, в то время как отработавший газ обтекает трубы снаружи. Теплообмен в данной системе представляет собой очень сложный процесс, так как зависит от вида и формы потока, температуры и количества пара (по массе). Так как все эти параметры изменяются в зависимости от их распределения в испарителе, была произведена разбивка всего пути потоков на отдельные элементы теплопередачи с целью получения оптимального соотношения между точностью и удобством использования данного метода. В результате теплопередача в испарителе была представлена 16 теплообменными элементами, которые отображали части пути потоков воды и газа через теплообменник. Таким образом, коэффициент теплопередачи в испарителе динамично согласовывается с предельными условиями как для пара, так и для отработавших газов. Расчет перепада давления из‑за шероховатостей стенки не производился, так как это еще больше увеличило бы объем расчетов. Вместо этого было решено
воспользоваться результатами стендовых испытаний компании Voith Turbo, которые позволяют сделать общие выводы о потерях давления между входом и выходом испарителя.
Моделирование гидростатической гибридной системы Для исследования рекуперации тормозной энергии была смоделирована гидростатическая гибридная система, которая для каждой из двух секций поезда состояла из двух гидравлических агрегатов (аксиально-поршневых машин) разных размеров, поршневого аккумулятора с подключаемыми баллонами (рабочая среда — азот), масляного бака, а также гидравлических элементов управления и фильтров. Номинальная энергоемкость аккумулятора для всего поезда составляет 2,3 кВт·ч. Решение о разработке гидростатической системы было принято, во‑первых, из‑за того, что уже имелся положительный опыт установки таких систем на грузовых автомобилях; во‑вторых, гидростатическая система рекуперации тормозной энергии позволяет ограничить число электрических элементов привода в пользу механических и гидравлических. Так, на дизель-электрическом подвижном составе элементы силовой электроники подвержены относительно
Результаты исследования рассмотренных сценариев
Параметр
Сценарий 1
2
3
4
Расстояние между станциями, км
14,2
5,4
4,5
4,5
Допустимая максимальная скорость, км/ч
100
100
120
120
Среднее значение продольного уклона между соседними станциями, ‰
–0,4
–1,1
6,8
–6,8
Максимальный продольный уклон (на длине), ‰
3,3 2,9 8,4 (77 м) (1100 м) (74 м)
–1,3 (310 м)
Минимальный продольный уклон (на длине), ‰
–7 –5,7 1,3 (300 м) (150 м) (310 м)
–8,4 (74 м)
Максимальная разность высот, м Резерв времени хода, %
7,4
5,9
31,1
31,1
3
3
3
3
быстрому старению, так что в длительной перспективе преимущества гидравлических компонентов могут проявиться и в текущем содержании. Моделирование гидравлических компонентов, относящихся к гидроагрегатам, производилось на основе универсальной характеристики, в то время как передаточные характеристики трубопроводов и клапанов описывались с помощью известных из аэрогидродинамики уравнений для расчета потерь давления. Параметры сжатого газа моделировались на базе уравнения реального газа с учетом результатов исследований института RWTH в Ахене. Указанное уравнение состояния уже внесено в соответствующие компоненты AMESimбиблиотек, что подчеркивает особое значение программной среды Imagine. Lab AMESim в исследовании систем подобного рода. Сравнение данных, полученных на модели, с результатами измерений на испытательном стенде компании Voith Turbo показало, что потери давления в аккумуляторе (при заданном объемном расходе масла) могут с достаточной степенью точности отображаться с помощью рассмотренного способа. Заложенная концепция гибридной системы привода предусматривает поддержку традиционного привода во время процессов разгона (бустерный режим), а также в процессе торможения с постоянным замедлением, во время которого мощность гидроагрегатов постоянно согласуется с сопротивлением движению.
Опытный поезд Для изучения взаимодействия гидростатической рекуперации тормозной энергии и использования тепла отработавших газов был выбран двухсекционный поезд общей массой 100 т, из которых 94 т приходились на сам поезд стандартной
54 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 6
Дизель-поезда
комплектации, загруженный на 90 %, и 6 т — на дополнительное оборудование. Масса гидростатического аккумулятора и преобразователя, включая необходимое периферийное оборудование, составляла 5 т, масса системы для использования тепла отработавшего газа — 1 т. Поезд был оборудован двумя одинаковыми силовыми установками, состоявшими из дизеля номинальной мощностью 382 кВт и гидродинамической передачи типа Voith Т211re. 4. Максимальная скорость этого поезда составляла 120 км/ч.
Моделирование сценариев движения Для моделирования характеристик всей системы и с целью экономии времени, затрачиваемого на расчеты, сначала моделировали отдельные сценарии движения. В качестве примера наиболее подробно рассматриваются четыре таких сценария (таблица). За основу были приняты характеристики реальных неэлектрифицированных участков железных дорог Германии (DB), предоставленные инфраструктурной компанией DB Netz. Сценарии движения 1 и 2 относятся к равнинным участкам, в то время как участок по сценарию 3 имеет постоянный подъем в направлении движения, а участок по сценарию 4 — постоянный уклон. Результаты исследования были получены с помощью многоступенчатого моделирования, при котором для определения минимального времени хода сначала рассчитывали поездку традиционного поезда без энергосберегающих компонентов. После этого моделировали поездку с 3 %-ным резервом времени. Установленный при этом расход топлива принимали в качестве базового значения (относительный расход топлива 100 %). На заключительном этапе производили расчеты с помощью моделей подвижного состава, которые, кроме традиционного силового оборудования, имели в своем составе систему для использования тепла отработавших газов (AWN), систему гидростатической рекуперации тормозной энергии (HydRek) или комбинацию из обеих систем (AWN + HydRek). Таким образом можно было проанализировать эффективность обоих способов гибридизации как по отдельности, так и в комбинации друг с другом.
Результаты моделирования На рис. 2 приведены характеристики системы для использования тепла отработавших газов на примере сценария 3. После включения максимальной силы тяги (рис. 2, а, б) сначала происходит повышение температуры отработавших газов, вслед за которым с некоторым отставанием, обусловленным теплообменом, происходит повышение температуры рабочей среды (воды).
а) v, км/ч 120 100
vs
80 60
v
40 20 0
1,65
1,7
1,75
1,8
1,85
1,9
×103 t, с
1,65
1,7
1,75
1,8
1,85
1,9
×103 t, с
1,9
×103 t, с
б) Р, % 80 60 40 20 0 в) Т, %
Температура отработавших газов
80 60 Температура рабочей среды
40 20
1,65
1,7
1,75
1,8
1,85
Рис. 2. Сценарий 3 — работа системы использования тепла отработавших газов: а — изменение скорости v в функции времени t; б — изменение во времени мощности Р (в относительных единицах), отдаваемой экспандером; в — состояние системы после отключения тяги; vS — задаваемое значение скорости
После того как эта температура становится достаточно высокой для образования пара, появляется возможность отдачи механической мощности через расширитель (экспандер). Относительная мощность экспандера повышается с соответствующим запаздыванием и поддерживает процесс разгона вплоть до момента отключения тяги. Постоянная отдача мощности экспандером невозможна из‑за сложного нестационарного теплообмена в испарителе. После отключения силы тяги (холостой ход дизеля) температура отработавших газов заметно снижается, так же как и температура рабочей среды. В результате энергии оказывается недостаточно для образования пара, и мощность экспандера падает до нулевого значения. В конце данного сценария дизель снова переходит в режим работы с частичной нагрузкой, так как во время торможения происходит увеличение частоты его вращения, обусловленное повышением потребности в охлаждении из‑за использования гидродинамического замедлителя. Этот эффект, скорее негативный с точки
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 6 55
Дизель-поезда
v, км/ч 120 100 80 Обычный поезд Поезд с системой утилизации тепла отработавших газов Поезд с системой утилизации тепла отработавших газов и гидростатической системой рекуперации
60 40 20 0
11
12
13
×103 15 t, с
14
Рис. 3. Сравнение различных конфигураций гибридизации: v — скорость; t — время 100 90
Потребление топлива, %
80 70 60 50 40 30 20 10 0
№1
№2
Сценарии
№3
№4
Обычный поезд с экономичным режимом ведения
Поезд с гидростатической системой рекуперации тормозной энергии
Поезд с системой утилизации тепла отработавших газов
Поезд с обеими системами гибридизации
Рис. 4. Результаты моделирования потребления топлива (в относительных единицах) для четырех сценариев и разных конфигураций гибридизации
зрения расхода топлива, оказывает положительное воздействие на работу системы для использования тепла отработавших газов, так как рабочая среда будет снова подогрета перед новым разгоном (рис. 2, в). Сравнение различных моделируемых гибридных конфигураций для того же сценария 3 отражено в кривых, приведенных на рис. 3. Сразу же обращают на себя внимание значительные различия в форме кривых скорости для разных вариантов гибридизации. Исследования показали, что если система использования энергии отработавших газов из‑за процесса испарения может производить работу
только с некоторым запаздыванием, то поддержание процесса разгона гидростатической гибридной системой начинается сразу же после трогания. В связи с этим процесс разгона при использовании энергии гидроаккумулятора завершается значительно быстрее. В результате время движения поезда на выбеге увеличивается, а время, в течение которого температура отработавших газов дизеля находится в полезном диапазоне, значительно сокращается. В соответствии с этим уменьшается работа, производимая экспандером. Использование энергии гидростатической системы снижает, таким
образом, бустерный эффект от утилизации тепла отработавших газов. Отсюда следует, что просто складывать положительные эффекты, получаемые от обеих гибридных систем в случае их комбинированного использования, нельзя. На рис. 4 представлены результаты по экономии энергии для всех четырех сценариев движения в зависимости от гибридной конфигурации. Из рисунка видно, что ожидаемый эффект экономии за счет рекуперации тормозной энергии значительно выше, чем эффект от использования одной только системы утилизации тепла отработавших газов. Расстояния между станциями (самые большие в сценарии 1 и самые маленькие в сценариях 3 и 4) оказывают заметное влияние на потенциальные возможности снижения расхода топлива за счет гибридизации привода. Значительную роль при этом также играет продольный профиль пути.
Выводы Резюмируя, можно сделать следующие выводы: • конкретные параметры динамики движения в сценариях поездок оказывают значительное влияние на показатели экономичности; • спектр нагрузок дизеля является решающим для эффективности системы утилизации отработавших газов; • к ороткие расстояния между остановками и наличие участков с уклонами усиливают эффект экономичности, получаемый от использования гидростатической системы рекуперации тормозной энергии. На следующем этапе исследований планируется распространить моделирование на протяженные участки. M Kache et al. Eisenbahntechnische Rundschau, 2015, № 1/2, S. 44 – 49; материалы компании Voith Turbo (voith.com).
56 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 6