Боровков Ю.Н.

 

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), Россия

 

Энергетический комплекс железнодорожного транспорта России как открытая термодинамическая система

 

Нормальное функционирование железнодорожного транспорта обеспечивается его энергетическим комплексом – взаимосвязанной совокупностью топливопотребляющих и энергоиспользующих установок, а также вспомогательных систем, требующих значительного потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), и, как следствие, приводящих к загрязнению окружающей среды.

Обеспечение энергетической эффективности и экологи­ческой безопасности желез­нодорожного транспорта является одним из важнейших стратегических направлений развития отрасли, ориентированной на уменьшение объемов потребления энергоресурсов и сокращение расходов на их приобретение, а также снижение нагрузки на окружающую среду. [1]

Качественное разнообразие входных и выходных потоков энергии и вещества для данной открытой термодинамической системы обуславливает целесообразность использования эксергетического метода термодинамического анализа, рассматривающего термодинамические системы во взаимодействии с окружающей их средой и базирующегося на понятии «качества» различных видов энергии и их преобразований в соответствии со Вторым законом термодинамики. [2,3]

Предлагаемый подход позволяет рассматривать вопросы эффективности использования энергии на железнодорожном транспорте комплексно, охватывая вопросы энергетики, охраны окружающей среды и устойчивого развития.

Рост энтропии и убывание эксергии неизбежны в силу Второго закона термодинамики. В отличие от энергии эксергия означает способность действительно производить работу в реальных условиях окружающей среды. В обычной повседневной практике слова «энергосбережение, экономия энергии» на самом деле означают экономию эксергии.

Принципиальная схема изменения потока эксергии при прохождении его через систему (процесс) представлена на рисунке 1. [4]

Рисунок 1 − Принципиальная схема изменения потока эксергии при прохождении его через систему (процесс)

 

Суммарный входящий поток эксергии ТЭР поступает к утилизаторам энергии – топливоиспользующим и энергопотребляющим установкам железнодорожного транспорта, обеспечивая их работу в соответствии с их целевым назначением.

Помимо учета эксергии непосредственно на структурной границе энергетического комплекса железнодорожного транспорта возникает также необходимость рассмотрения его более отдаленной функциональной границы в той части, которая связана прежде всего с использованием привлекаемой извне электроэнергии. Поэтому помимо рассмотрения эксергетического входа системы как простой суммы эксергии в виде электроэнергии и топливных ТЭР, также используется подход, приводящий основные показатели системы к величинам первичной эксергии.

Под первичной эксергией следует понимать эксергию первичных энергоносителей (сырьевые материалы в их естественной форме до проведения какой-либо технологической обработки, например каменный уголь, нефть, природный газ или урановая руда).

Из полученных результатов на основании данных [1] было определено, что на долю электроэнергии приходится около 40%, а на долю топливных ТЭР приходится около 60 % эксергетического входа системы. При этом отмечается тенденция по увеличению доли электроэнергии в структуре эксергетического входа системы – примерно на 10-12% с 2003 г. по 2008 г. В то же время, структура использования первичной эксергии, учитывающей предварительные стадии генерации используемой электроэнергии, показывает, что при таком рассмотрении доля первичной эксергии, затраченной на получение и последующее использование электроэнергии, составляет уже порядка 65% - 70%, в то время как на долю топливных ТЭР в структуре использования первичной эксергии приходятся оставшиеся 30-35%.

Для оценки термодинамической эффективности перевозочного процесса на железнодорожном транспорте определим также:

- значения эксергетического КПД перевозочного процесса в электрической и в автономной тяге, определяемые как произведение соответствующих КПД всех элементов в последовательности энергетических преобразований;

- удельный расход эксергии на единицу перевозочной работы в электрической и в автономной тяге. [5,6]

Показатель эксергетического КПД перевозочного процесса, определяемый с учетом полного цикла энергетических преобразований, начиная от первичной эксергии (в случае с электрической тягой – с эксергией, поступающей на вход питающей энергетической системы), позволяет непосредственным образом сравнить эффективность электрической и автономной (тепловозной) тяги, но при этом не отражает в должной мере реальных условий эксплуатации технических систем и особенностей организации перевозочного процесса.

Удельный расход эксергии на единицу перевозочной работы интегральным образом отражает условия реальной эксплуатации технических систем и организации перевозочного процесса, но при этом не позволяет определить степень влияния отдельных элементов и факторов на общую эффективность процесса.

На основании анализа структуры потоков эксергии в энерегтическом комплексе железнодорожного транспорта были сделаны следующие выводы:

1.                 Установлено, что эффективность использования ТЭР в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта − эксергетический КПД − составлял 33,1%. Этот показатель определялся по номинальным значениям КПД тягового подвижного состава и вспомогательных систем. Основная доля потерь эксергии приходится на тягу поездов и составляет 45% от общих потерь эксергии в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта.

2.                 Установлено, что значения номинального эксергетического КПД составляют: для тепловозной тяги = 32%;  для электрической тяги с учетом полного цикла энергетических преобразований: = 34,6% – для постоянного тока и = 34,7% – для переменного тока. 

3.                 Определен индекс эффективности вида тяги по расходу первичной эксергии. Он составляет 2,2-2,3 – во столько раз значение удельного потребления первичной эксергии на единицу приведенной перевозочной работы в электрической тяге меньше по сравнению с автономной (тепловозной) тягой.

4.                 Значительное расхождение значений номинальных эксергетических КПД и удельных расходов первичной эксергии в электрической и автономной тяге свидетельствует о том, что в автономной тяге режимы эксплуатации тепловозов и организация перевозочного процесса приводят к снижению фактических значений КПД значительно ниже номинальных показателей.

5.                 Сделан вывод о приоритетности повышения эффективности использования эксергии в перевозочном процессе (как основном направлении потоков эксергии) и о том, что наиболее значимыми являются организационно-технические мероприятия по уменьшению потерь эксергии для тягового подвижного состава (в соответствии с коэффициентами преобразования эксергии).

6.                  Сделан вывод о целесообразности дальнейшего увеличения доли электротяги в общем объеме выполняемой перевозочной работы с целью повышения энергетической эффективности и снижения негативного воздействия на окружающую среду.

Литература:

1.                 Энергетическая стратегия ОАО "РЖД" на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года http://doc.rzd.ru/isvp/public/doc?STRUCTURE_ID=387&layer_id=3368&refererLayerId=3339&id=4043

2.                 Янтовский Е.И. Потоки энергии и эксергии. – М.: Наука, 1988. – 144 с.

3.                 Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: «Энергия»,1973. – С.18,23.

4.                 G. Wall. On Exergy and Sustainable Development in Environmental Engineering/ The Open Environmental Engineering Journal, 2010, 3, 21-32.

5.                 Хазен М.М. Энергетика локомотивов. Изд. 2-е, перераб. и допол. М.: «Транспорт», 1977. – 206 с.

6.                 Xi Ji, G.Q. Chen. Exergy analysis of energy utilization in transportation sector in China/ Energy Policy 34 (2006) 1709-1719.