Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов расчёта и нормирования расхода электроэнергии на тягу поездов 8
1.1. Развитие электрической тяги на отечественных железных дорогах 8
1.2. Анализ состояния энергетики железнодорожного транспорта 11
1.3. Методы расчёта энергозатрат в тяге поездов 18
1.4. Постановка задачи для исследования 23
Глава 2. Определение основных факторов, влияющих на энергозатраты 24
2.1. Анализ распределений поездопотоков 24
2.2. Определения основных факторов, влияющих на расход электроэнергии 48
2.3. Определение влияния на расход электроэнергии второстепенных факторов 58
2.4. Оценка точности показаний счётчиков электроэнергии на электровозах 65
Глава 3. Определение дополнительных факторов, влияющих на энергозатраты 77
3.1. Влияние на расход электроэнергии неплановых остановок 77
3.2. Влияние на расход электроэнергии погодных условий 86
3.3. Влияние на расход электроэнергии наливных грузов 101
3.4. Влияние на средний расход электроэнергии распределения масс поездов в выборке 109
3.5. Оценка погрешности составления норм расхода электроэнергии по усреднённым показателям 117
Глава 4. Совершенствование системы нормирования расхода электроэнергии 120
4.1. Общая характеристика системы нормирования расхода электроэнергии 120
4.2. Разработка технических норм расхода электроэнергии и их составляющих 123
4.3. Техническое нормирование для сдвоенных поездов 135
4.4. Определение оптимальных норм и обеспечение максимального стимулирующего эффекта 147
Заключение 163
Список используемой литературы 164
Приложения 176
- Анализ состояния энергетики железнодорожного транспорта
- Определения основных факторов, влияющих на расход электроэнергии
- Влияние на средний расход электроэнергии распределения масс поездов в выборке
- Определение оптимальных норм и обеспечение максимального стимулирующего эффекта
Введение к работе
Актуальность проблемы:
В настоящее время железнодорожный транспорт потребляет примерно 6 % электроэнергии от общего количества, производимого в стране. При этом доля перевозочной работы, выполняемой на электротяге, постоянно увеличивается за счёт переориентирования грузопотоков с тепловозных ходов на более экономичные электрифицированные.
После перехода на рыночные отношения в сфере оплаты за энергоносители возросла необходимость упорядочить планирование потребления электроэнергии, а на фоне постоянного роста цен на энергоносители – добиться снижения энергозатрат на тягу поездов, являющихся значимой статьёй эксплуатационных расходов железных дорог. Основную часть в общем потреблении электроэнергии железнодорожным транспортом составляют энергозатраты на тягу поездов. Одним из эффективных инструментов снижения энергопотребления в тяге поездов является совершенствование системы нормирования расхода электроэнергии, позволяющей повысить достоверность учета, анализа и прогнозирования энергозатрат. Для этого необходима разработка научно обоснованной системы нормирования расхода электроэнергии в тяге поездов и её повсеместное внедрение в локомотивных депо.
Цель работы:
Целью диссертационной работы является совершенствование системы технического нормирования расхода электроэнергии грузовыми поездами.
Методы исследования:
В данной работе применены методы исследования, построенные на элементах теории вероятностей и математической статистики, включающих оценку параметров распределения исследуемых величин, корреляционный анализ, статистическую проверку гипотез и дисперсионный анализ, а также теории электрической тяги.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- на основе методов математической статистики обоснована модель энергопотребления в электрической тяге грузовых поездов, что позволило уточнить систему технического нормирования расхода электроэнергии и систему учёта фактических энергозатрат на конкретных тяговых плечах;
- разработана методика определения потерь электроэнергии грузовыми поездами на остановки;
- установлено влияние на расход электроэнергии подвижного состава с наливными грузами и предложено введение в систему нормирования поправочного коэффициента, учитывающего данное влияние;
- разработана модель выявления некорректно работающих счётчиков электроэнергии на многосекционных электровозах и учёта расхода энергоресурсов по ним, выполнен анализ достоверности их показаний.
Достоверность полученных результатов:
Все расчёты выполнялись с использованием математических и статистических функций и пакета анализа данных Microsoft Excel и платформы Mathcad на базе обширного статистического материала, представляющего репрезентативные выборки.
Практическая ценность работы:
- предложена методика, позволяющая осуществлять более точный расчёт технической нормы расхода электроэнергии в грузовом движении;
- сформулированы принципы технического нормирования расхода электроэнергии в сдвоенных грузовых поездах.
Апробация работы:
Основные положения работы докладывались на шестой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» в 2005 году, научно-практической конференции «Наука – Транспорту»» в 2006 году и научно-практической конференции «Наука МИИТа – Транспорту» в 2007 году.
Публикации:
По теме диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ, в том числе две из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для данной специальности.
Структура и объём работы:
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы из 117 наименований, 9 приложений; содержит 88 страниц основного текста, 36 таблиц и 70 рисунков.
Анализ состояния энергетики железнодорожного транспорта
В настоящее время объёмы грузовой работы на железных дорогах распределены крайне неравномерно. Наибольшие объёмы перевозок приходятся на регионы, в которых присутствует сформировавшаяся сырьевая база, либо высок уровень промышленного производства. При этом объёмы грузовых перевозок на железнодорожном транспорте, как наиболее эффективном, постоянно увеличиваются.
Несмотря на то что, начиная с сентября 2008 года, по сравнению с отчётом 2007 года, произошёл спад объёма перевозок, как это показано на рисунке 1.1 по данным Горьковской железной дороги, в целом, на дальнейшую перспективу, прогнозируется его рост.
ОАО «РЖД» самостоятельно не производит электроэнергию, а закупает её у сторонних производителей. Основным поставщиком является РАО «ЕЭС». В пределах дорог и отделений работают и альтернативные поставщики, независящие от РАО «ЕЭС», что даёт им возможность самостоятельно формировать цены на электроэнергию, исходя из себестоимости её производства [42]. Железные дороги получают электроэнергию от 72 региональных энергосистем. При этом одна дорога может питаться от 7 — 12 энергосистем. Например, Горьковская железная дорога получает электроэнергию от «Владимирэнерго», «Татэнерго» и других. От одной энергосистемы могут получать электроэнергию 2-3 железные дороги. Так, от
Для обеспечения перевозочного процесса на сети дорог эксплуатируются 167 дистанций электроснабжения, в состав которых входят 995 районов контактной сети и 449 районов электроснабжения. В эксплуатации находятся 1366 тяговых и более 50 тысяч трансформаторных подстанций. Протяжённость воздушных линий электропередач составляет 116 тыс. км, протяжённость кабельных линий электропередач — 18,43 тыс. км.
В процессе электрификации железных дорог параллельно осуществлялась электрификация близлежащих жилых и промышленных объектов с питанием их от железнодорожных подстанций. Доля потребления ими электроэнергии колеблется в различных регионах от 10 до 90 %. В 2003 году от общего количества электроэнергии на тягу поездов было потреблено 54,8 %, на нетяговые нужды - 11,2 %, а 34,7 % передано сторонним потребителям. После создания «Энергосбыта» было заключено соглашение о поэтапной передаче сторонних потребителей энергоснабжающим компаниям [67].
В области энергосбережения ОАО «РЖД» руководствуется «Энергетической стратегией России на период до 2020 года», утверждённой правительством РФ от 28 августа 2003 года № 1234-р, и «Энергетической стратегией ОАО «РЖД» на период до 2010 и на перспективу до 2020 года», разработанной во исполнение указаний МПС России от 26 июня 2002 года № 187у и от 16 июня 2003 года № 88у, и одобренной научно-техническим советом ОАО «РЖД» [111]. Целями реализации энергетической стратегии являются [110]: а) полное и надёжное энергообеспечение перевозочного процесса железных дорог; б) гармоничная и эффективная работа отрасли на энергетическом рынке страны; в) коренное улучшение структуры управления энергетическим комплексом отрасли; г) снижение энергоёмкости перевозочного процесса и удельных затрат на энергопотребление во всех сферах деятельности; д) снижение потребности в энергоносителях и затрат на их приобретение; е) минимизация техногенного воздействия железнодорожной энергетики на окружающую среду. Основными направлениями «Энергетической стратеги ОАО «РЖД»» по тяговой энергетике железнодорожного транспорта являются следующие. В области организации перевозочного процесса: а) повышение весовых норм поездов, участковых скоростей, уровня загрузки вагонов; б) снижение доли порожних пробегов локомотивов и вагонов, снижение количества неграфиковых остановок, задержек у запрещающих сигналов и др. В области тяги поездов: а) повышение коэффициента использования мощности локомотивов; б) применение энергооптимальных технологий вождения поездов, микропроцессорных систем «Автомашинист»; в) исключение из эксплуатации локомотивов с выработанным сроком службы, восстановление которых экономически нецелесообразно; г) исключение грузовых локомотивов из пассажирских перевозок; д) расширение типажа маневровых локомотивов; е) введение в эксплуатацию электровозов с асинхронным тяговым приводом. В области грузовых электровозов: а) повышение конструкционных и эксплуатационных КПД локомотивов; б) снижение пусковых потерь; в) расширение возможностей рекуперативного торможения во всем диапазоне рабочих скоростей; г) применение компенсаторов реактивной мощности, частотного регулирования скоростей мотор-вентиляторов, оперативного управления посекционной тягой и группами тяговых двигателей, интеллектуальных систем управления и др. Опыт внедрения энергосберегающих технологий показывает, что к 2020 году возможно достичь следующего снижения [69, 110]: а) удельных расходов энергии в тяге поездов: на 10 — 12%в электротяге и на 12 - 15 % в тепловозной тяге; б) удельного расхода электроэнергии на эксплуатационные нужды на 20 25 %; в) общего расхода энергетических ресурсов в стационарной теплоэнергетике на 30 - 40 %. Самыми крупными приоритетами в энергосбережении являются следующие [69]. В области управления топливно-энергетическими ресурсами - создание корпоративной автоматизированной системы управления приобретением и потреблением топливно-энергетических ресурсов для железнодорожного транспорта, включая подсистемы покупки электроэнергии на оптовом рынке, приобретения и потребления топливных и водных ресурсов, управление расходованием электроэнергии на тягу поездов. В области тяги поездов: а) создание нового поколения энергетически эффективного подвижного состава на основе достижений научно-технического прогресса; б) модернизация эксплуатируемого парка тягового подвижного состава; в) перевод до 30% тепловозного парка на газомоторное топливо; г) внедрение ресурсосберегающей техники и технологий;
Определения основных факторов, влияющих на расход электроэнергии
Для определения факторов, влияющих на энергозатраты, вся информация, полученная из маршрутных листов на плече Нижний Новгород - Владимир и в обратном направлении была систематизирована в виде таблицы со следующими графами: а) дата поездки; б) номер поезда; в) номер электровоза; г) фамилия машиниста; д) показания счётчиков электроэнергии до и после поездки; е) время в движении по участку и время простоя на промежуточных станциях; ж) масса состава нетто и брутто; з) составность поезда по типу вагонов с выделением порожних и гружёных; и) количество неплановых остановок и их места. По указанным данным были дополнительно рассчитаны и внесены в таблицу параметры: а) расход электроэнергии за поездку в абсолютном значении; б) удельный расход электроэнергии за поездку; г) средняя нагрузка на ось вагонов в составе поезда; д) среднетехническая скорость за поездку. Для установления зависимости расхода электроэнергии от параметров состава и режима движения поезда был выполнен корреляционный анализ удельных энергозатрат со всеми имеющимися факторами: массой состава, нагрузкой на ось вагонов в составе поезда, среднетехнической скоростью движения и количеством неплановых остановок.
Дополнительно была выполнена проверка на наличие корреляционной связи между массой поезда и нагрузкой на ось вагонов в составе поезда, количеством остановок и среднетехнической скоростью движения, массой поезда и среднетехнической скоростью движения. Для этого рассчитан парный коэффициент корреляции первого порядка [26]: где: ах, Оу — среднее квадратическое отклонение величиной 7соответственно; ju — корреляционный момент величин X и Y, определяемый как [26]: где: х и у — значения величин ХиУ соответственно; М(Х) и M(Y) -математические ожидания величиной Yсоответственно; f(x, у) - плотность распределения. Результаты расчётов сведены в таблицу 2.11. Коэффициент корреляции между удельным расходом электроэнергии и массой поезда, а также между удельным расходом электроэнергии и нагрузкой на ось вагонов в составе поезда отрицателен, что говорит об обратной зависимости, т.е. при увеличении одного из этих параметров расход электроэнергии уменьшается и наоборот. Коэффициент корреляции между массой поезда и нагрузкой на ось вагонов в составе поезда положителен, т.е. при увеличении одного параметра увеличивается другой. Коэффициент корреляции между удельным расходом электроэнергии и среднетехнической скоростью движения, а также удельным расходом электроэнергии и количеством неплановых остановок положителен, что говорит о положительной статистической зависимости.
Коэффициент корреляции между количеством неплановых остановок и среднетехнической скоростью движения отрицателен, здесь наблюдается обратная связь. Коэффициент корреляции между массой поезда и среднетехнической скоростью движения отрицателен, т.е. также имеет место обратная связь. Для каждой пары при уровне значимости 0,05 была проверена гипотеза о равенстве нулю коэффициента корреляции. Если гипотеза отвергается, то коэффициент корреляции значимо отличается от нуля и рассматриваемые величины связаны функциональной зависимостью. Если гипотеза принимается, то коэффициент корреляции незначим и рассматриваемые величины не связаны функциональной зависимостью. Для проверки гипотезы был применён Т -критерий, расчётное значение которого определено как [26]: где: / , - коэффициент корреляции между величинами X и Y; п - объём выборки. Вычисленное значение Т — критерия сравнивается с критическим, определяемом по таблице критических точек распределения Стьюдента. Если наблюдаемое значение больше критического, то гипотеза о равенстве нулю коэффициента корреляции отвергается, в противном случае принимается. При корреляционном анализе выборок больших объёмов необходимо учесть и другую гипотезу о равенстве нулю коэффициента корреляции. Проверка осуществлялась следующим способом. Была вычислена величина zaSr [15], где: г- коэффициент корреляции между величинамиXи Y;
Если значение коэффициента корреляции по модулю больше величины zaSr, то гипотеза о его равенстве нулю отвергается, в противном случае принимается. Полученные результаты сведены в таблицу 2.11. Как видно из проведенного вторым способом корреляционного анализа, подтвердились результаты, полученные первым способом. Корреляционный анализ показал, что в наибольшей степени удельный расход электроэнергии зависит от массы поезда и нагрузки на ось вагонов в составе поезда. Об этом говорит тесная корреляционная связь, т.е. имеет место зависимость, близкая к функциональной. Коэффициенты корреляции здесь достигают -0,84 и -0,82 соответственно. Однако считать, что нормообразующим фактором, от которого зависит удельный расход электроэнергии, является только масса поезда или только нагрузка на ось вагонов в составе поезда [54] неправильно. Доказательством этому служит исследуемая выборка маршрутных листов. Так, например, на тяговом плече Нижний Новгород -Владимир при средней нагрузке на ось вагонов в составе поезда от 10 до 11 т/ось масса состава поезда варьируется от 2762 до 3739 т, а удельный расход электроэнергии со 107,3 до 83,1 кВт-ч/104 т-км брутто. Также при одинаковой массе поезда может в широком диапазоне изменяться нагрузка на ось. Например, на плече Владимир - Нижний Новгород, при изменении массы поезда от 3250 до 3500 т, средняя нагрузка на ось вагонов в составе поезда изменяется от 8,7 до 16,1 т/ось, а удельный расход электроэнергии с 40,0 до 109,0 кВт-ч/104 т-км брутто. Из всего вышесказанного следует, что основными образующими факторами, от которых зависит расход электроэнергии, следует считать массу поезда и нагрузку на ось вагонов в составе поезда, что также подтверждается в [10]. Все остальные факторы, влияющие на энергозатраты, следует считать второстепенными или дополнительными. Они безусловно влияют на расход электроэнергии, но их влияние в разы меньше, нежели основных.
Влияние на средний расход электроэнергии распределения масс поездов в выборке
Как было рассмотрено в п. 3.2, в разные месяца года даже при одинаковой средней массе поезда наблюдается различное его среднее квадратическое отклонение (2.2). Очевидно, что оно наряду со средней массой поезда будет оказывать влияние на средний удельный расход электроэнергии. Для рассмотрения данного факта был выполнен корреляционный анализ для малого объёма выборки (12 месячных значений) с использованием Т - критерия (2.19), между среднемесячными средней массой поезда, средним удельным расходом электроэнергии и их средними квадратическими отклонениями. Результаты расчётов приведены в таблице 3.12.
Как видно из таблицы 3.12, по всем проверяемым парам в ряде случаев наблюдается значимое влияние, а в ряде случаев нет. Так масса поезда оказывает значимое влияние на удельный расход электроэнергии только в двух случаях, что явилось следствием малого диапазона её изменения в тех случаях, где нет значимого влияния. Общая же тенденция (о чём говорит знак коэффициента корреляции) показывает, что при увеличении массы поезда её среднее квадратическое отклонение уменьшается и уменьшается средний удельный расход электроэнергии. Большему среднему квадратическому отклонению массы поезда соответствует больший удельный расход электроэнергии и большее его среднее квадратическое отклонение. Большему удельному расходу электроэнергии соответствует большее его среднее квадратическое отклонение.
Для рассмотрения влияния на средний удельный расход электроэнергии среднего квадратического отклонения массы поезда на основании данных выборок для участка Нижний Новгород - Арзамас - Нижний Новгород, рассмотренного в п. 3.2, были построены графики, приведённые на рисунках 3.14 - 3.17. На них показаны данные о средней массе поезда, его среднем квадратическом отклонении и среднем удельном расходе электроэнергии по месяцам года. Как видно из данных графиков, при одинаковой средней массе поезда его среднее квадратическое отклонение может изменяться в достаточно широком диапазоне. Также изменяется и средний удельный расход электроэнергии. Как видно, например, из рисунка 3.15, в апреле месяце средний удельный расход электроэнергии соответствует сентябрю. При этом в апреле наблюдается большая средняя масса поезда, но при этом и больше среднее квадратическое отклонение массы поезда.
В целях сравнения среднего удельного расхода электроэнергии в разные года были построены графики для плеча Арзамас - Нижний Новгород, приведённые на рисунках 3.18 — 3.19. На них показаны данные о зависимости среднего удельного расхода электроэнергии от средней массы поезда и его среднего квадратического отклонения соответственно. Как видно из рисунка 3.18, в декабре 2004 года средний удельный расход электроэнергии выше, чем в декабре 2006 года при сопоставимой средней массе поезда. Это явилось следствием того, что, как видно из рисунка 3.19, в декабре 2004 года, по сравнению с декабрём 2006 года, наблюдается большее среднее квадратическое отклонение массы поезда. Такая закономерность проявляется и в другие месяца.
Для установления степени влияния среднего квадратического отклонения массы поезда на средний удельный расход электроэнергии необходимо использовать данные о расходе электроэнергии при фиксированных средних массе поезда и нагрузке на ось вагонов в составе поезда. Для такого моделирования была использована выборка маршрутных листов машинистов на плече Нижний Новгород — Арзамас за 2004 год. Данные по указанной выборке приведены в таблице 3.13.
Из базовой выборки объёмом 354 маршрутных листа были выполнены две частные выборки следующим образом. В первом случае была отобрана часть поездов с массами близкими к средней в базовой выборке. При этом соблюдено условие того, что средняя масса поезда в частной выборке равна её значению в базовой выборке. Во втором случае аналогичным образом были отобраны поезда с минимальными и максимальными массами. Результаты также сведены в таблицу 3.13. По результатам таблицы 3.13 на рисунке 3.20 построена зависимость среднего удельного расхода электроэнергии от среднего квадратического отклонения массы поезда.
Как видно из таблицы 3.13, при фиксированной средней массе поезда при увеличении её среднего квадратического отклонения увеличивается средний удельный расход электроэнергии. При этом увеличивается среднее квадратическое отклонение средней нагрузки на ось вагонов в составе поезда. Максимальная разница средней нагрузки на ось вагонов в составе поезда находится в пределах 0,6 т/ось, и поэтому, как обосновано в п. 2.3, её можно считать не оказывающей значимого влияния на средний удельный расход электроэнергии.
Определение оптимальных норм и обеспечение максимального стимулирующего эффекта
Основными показателями, характеризующими качество нормирования энергозатрат на тягу поездов, являются соответствие фактического расхода электроэнергии планируемому и обеспечение максимального стимулирующего эффекта для экономии электроэнергии локомотивными бригадами. Критерием обеспечения стимулирующего эффекта может являться жёсткость нормы, выраженная соответствующим коэффициентом: где: ААп — количество перерасходованной электроэнергии, кВт-ч; ААЭ - количество сэкономленной электроэнергии, кВт-ч. С другой стороны коэффициент жёсткости нормы можно определить как отношение машинистов, работающих с перерасходом электроэнергии, к их общему количеству:
На практике, для рассмотрения влияния на машинистов жёсткости нормы, целесообразнее пользоваться формулой (4.8).
За нормативное значение расхода электроэнергии рекомендуется принимать среднее значение при движении поезда в энергооптимальном и графиковом режимах [61]. Однако определение расхода электроэнергии в указанных режимах имеет определённые трудности, связанные с необходимостью учёта всего комплекса воздействующих на расход электроэнергии факторов, что может привести к погрешности и, как следствие, некачественному составлению нормы [101]. Поэтому для определения коэффициента жёсткости, соответствующего рекомендуемой норме, был использован метод, заключающийся в следующем [97]. На основании данных о коэффициенте жёсткости нормы и фактическом расходе электроэнергии за какую-либо последовательность временных диапазонов, например, несколько месяцев, определяется изменение удельного расхода электроэнергии за последующий месяц по сравнению с предшествующим месяцем по формуле: где: а І — фактический расход электроэнергии за предшествующий месяц, кВт-ч/104 т-км брутто; щ+1 - фактический расход электроэнергии за последующий месяц, кВт-ч/104 т-км брутто.
В формуле (4.9) средний удельный расход электроэнергии принимается по депо, т.к. величина средней массы поезда из месяца в месяц изменяется в небольших диапазонах, при этом минимально она ограничена условием недопущения обращения неполносоставных поездов, а максимально — максимальной массой поезда, приходящейся на один электровоз. При нормировании полученный коэффициент жёсткости нормы применяется к каждой ячейке двумерной таблицы по массе поезда и средней нагрузке на ось вагонов в составе поезда.
На основании полученных данных строится график, на котором по одной оси откладываются значения коэффициента жёсткости, а по другой соответствующие им изменения удельного расхода электроэнергии, достигнутые по сравнению с предшествующим периодом. По данному графику определяется значение коэффициента жёсткости нормы, при котором достигнуто наибольшее снижение удельного расхода электроэнергии.
Определение коэффициента жёсткости, при котором достигается максимальное снижение расхода электроэнергии, выполнено на примере двух локомотивных депо Горьковской железной дороги: Шахунья и Сергач, на основании данных за 2007 и 2008 года. Локомотивные бригады в данных депо работают только в грузовом движении, что позволило исключить влияние на эксперимент локомотивных бригад грузопассажирского движения, т.к. такие бригады постоянно работают в пассажирском движении, а поездки с грузовыми поездами выполняют только по мере необходимости, и, поэтому, не стремятся к экономии электроэнергии независимо от величины нормы. Данные для расчётов приведены в таблицах 4.3 и 4.4 соответственно.
По локомотивному депо Шахунья за рассматриваемый период времени минимальная среднемесячная масса поезда составила 3189 т, максимальная 3365 т, т.е. диапазон изменения 176 т. По локомотивному депо Сергач минимальная масса поезда составила 3334 т, максимальная 3521 т, т.е. диапазон изменения 187 т. Это подтверждает правильность сделанного выше допущения, что среднемесячная масса поезда изменяется в небольшом диапазоне.
