Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов контроля количества вредных выбросов в отработавших газах транспортных двигателей 10
1.1. Требования, предъявляемые к экологическим параметрам транспортных двигателей 10
1.2. Приборные методы контроля экологических характеристик транспортных двигателей 19
1.3. Пункты экологического контроля энергетических установок дизельных локомотивов 29
1.4. Определение цели и постановка задачи исследования 36
2. Анализ качества функционирования системы экологического мониторинга дизельного подвижного состава в условиях эксплуатации 40
2.1. Обработка результатов контроля экологического состояния дизельного подвижного состава 40
2.2. Оценка экологической безопасности тепловозов эксплуатационного парка 51
3. Разработка математической модели расчета экологических параметров тепловозных дизелей 67
3.1. Разработка методики расчета количества продуктов сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания методом равновесного состава 67
3.2. Методика приведения параметров рабочего цикла дизеля при реостатных испытаниях к нормальным атмосферным условиям 80
3.3. Уточнение параметров процесса выгорания топлива в цилиндре двигателя с учетом режимов нагружения 92
4. Формирование автоматизированного программного комплекса для контроля экологических характеристик тепловозов 107
4.1. Исследование влияния термодинамических параметров рабочего цикла дизеля на количественный состав продуктов сгорания 107
4.2. Разработка программы обработки результатов экологического контроля тепловозных дизелей в условиях эксплуатации 122
4.3. Методика работы с программой расчета вредных выбросов в отработавших газах тепловозных дизелей при реостатных испытаниях 127
5. Оценка экономической эффективности аналитического контроля экологических характеристик тепловозных дизелей 135
Основные результаты и выводы 139
Список использованных источников 140
Приложение 147
- Приборные методы контроля экологических характеристик транспортных двигателей
- Оценка экологической безопасности тепловозов эксплуатационного парка
- Методика приведения параметров рабочего цикла дизеля при реостатных испытаниях к нормальным атмосферным условиям
- Разработка программы обработки результатов экологического контроля тепловозных дизелей в условиях эксплуатации
Введение к работе
Решение экологических проблем становится одним из основных приоритетов развития России. Органы государственной власти предпринимают действия, направленные на ужесточение экологического контроля и повышение как административной, так и имущественной ответственности нарушителей природоохранного законодательства.
В этих условиях одним из направлений деятельности для ОАО «РЖД» является формирование и последующая реализация долгосрочного комплекса природоохранных мероприятий. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу на железнодорожном транспорте являются следствием сжигания органических видов топлива стационарными и передвижными энергетическими установками.
В частности, по передвижным энергетическим установкам объемы выбросов в 2007 г. распределились следующим образом: 211,9 тыс.т - маневровые и магистральные тепловозы; 65,3 тыс.т - автотранспортные средства, тракторы, самоходная дорожно-строительная техника и специальный подвижной состав.
Экологические платежи на охрану окружающей среды в 2007 г. составили 272,2 млн р., из них за выбросы в атмосферу — 35,4 млн р.
Замена дизельного подвижного состава и реконструкция инфраструктуры железнодорожного транспорта, проводящиеся в рамках технического перевооружения ОАО «РЖД», обеспечивают снижение техногенного воздействия транспорта на окружающую среду.
Внедряемые по Программе ресурсосбережения технические средства и технологии позволили снизить в 2008 и 2009 гг. расход топлива в тяговой и стационарной энергетике на 5000 и 9000 т соответственно, и уменьшить выброс в атмосферу вредных веществ на 100 и 180 т.
В современных условиях экологическая стратегия ОАО «РЖД» задает следующие ориентиры и направления деятельности в области охраны окружающей среды:, совершенствование системы экологического мониторинга; охрана атмосферного воздуха за счет сокращения выбросов стационарными и передвижными энергетическими источниками на 30 %.
Начиная со второй половины XX в. человечество стало проявлять повышенный интерес к проблеме изменения климата. В 1988 г. была учреждена Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК), а уже в 1992 г. в Нью-Йорке была принята Рамочная конвенция ООН об изменении климата (РКИК).
В декабре 1995 г. МГЭИК в своем втором оценочном докладе призвала все страны мира к действенным мерам по сохранению глобального климата, а в декабре 1997 г. на Третьей конференции сторон РКИК был принят Киот- ский протокол. В марте 1998 г. в штаб-квартире ООН Протокол был открыт к подписанию. К маю 2003 г. 121 страна ратифицировала Киотский протокол, а в феврале 2005 г. к этим странам присоединилась и Россия [1].
Согласно Киотскому протоколу все страны-участницы берут на себя обязательство не превышать базовый уровень (в качестве базового (реперно- го) уровня приняты объемы выбросов в 1990 г.) эмиссии парниковых газов уже в первый бюджетный период (2008 - 2012 гг.). Рыночный механизм Ки- отского протокола предусматривает торговлю единицами сокращения парниковых газов. Страны, превысившие установленный базовый уровень в первом бюджетном периоде, могут приобрести необходимые им единицы у других стран.
В России в качестве базового уровня приняты выбросы в количестве 2,1 млн. т. СОг-эквивалента, хотя СН4 и №0 по парниковой эффективности превышают СО2 соответственно в 21 и 296 раз.
Спад российской экономики сразу же после 1990 г. создает запас по киотским квотам и определяет возможность торговать ими в 2008 — 2012 гг. Однако, эта возможность только потенциальна, так как многое будет зависеть от темпов прироста ВВП и сокращения удельной энергоемкости (угле- родоемкости) отечественной продукции. Если принять (по аналогии с развитыми странами) темпы сокращения углеродоемкости российского ВВП 1,0 - 1,5 % в год, то уже в первом бюджетном периоде (2008 - 2012 гг.) Россия из продавца киотских квот превратится в их покупателя. Если же будут достигнуты более высокие темпы снижения углеродоемкости ВВП (4,5 — 5,0 %), то Россия сможет продавать единицы сокращения антропогенных выбросов парниковых газов и только во втором бюджетном периоде (2013 - 2017 гг.) ей нужно будет их покупать.
По результатам анализа обобщенных статистических данных по большинству стран мира, проведенного международными энергетическими организациями, обнаружилась достаточно строгая взаимосвязь между уровнем развития экономики стран и эмиссией антропогенного С02, в основном как результата техногенного потребления органического топлива. При этом, как правило, возрастание антропогенных выбросов С02, измеряемое килограммами С02 на душу населения, прекращается при достижении ВВП на душу населения, равного 15-16 тыс. долл. США. В России в настоящее время этот показатель составляет 7-8 тыс. долл. США.
Вместе с этим углеродоемкость отечественной продукции составляла в 2000 г. 1,5 - 1,6 кгССЬ/долл. ВВП, а в США в том же году — 0,45 - 0,55 кг С02/долл. ВВП. Суммарный ВВП США равнялся около 35 тыс. долл. на душу населения.
Таким образом, имеет место не только почти 5-ти кратное отставание отечественной экономики по ВВП (по сравнению с США), но и 3-х кратное превышение ее углеродоемкости. В связи с этим России необходимы не только повышенные темпы развития экономики, но и многократное снижение ее удельной углеродоемкости. При этом углеродоемкость ВВП (удельная эмиссия С02) должна снижаться двумя путями: во-первых, повышением энергоэффективности, а следовательно, снижением энергоемкости продукции и, во-вторых, поглощением антропогенного С02 путем его извлечения из продуктов сгорания топлива (дымовых газов) и утилизации.
Несмотря на многочисленные прогнозы и заключения экспертов, предсказывающих бесперспективность поршневых двигателей внутреннего сгорания и их замену на транспорте и в автономной энергетике на газовые турбины и альтернативные источники энергии, рост энерговооруженности общества продолжается в основном за счет увеличения выпуска поршневых двигателей.
Столь широкое распространение поршневых двигателей внутреннего сгорания на транспорте и в автономной стационарной энергетике определяется тем, что в диапазоне мощностей от 5 кВт до 20 МВт поршневые двигатели, особенно дизели, сегодня и на ближайшую перспективу, имеют недостижимый для других тепловых двигателей эффективный КПД, равный 45-55 %.
Токсичность отработавших газов двигателей оценивается нормируемыми и ненормируемыми компонентами, опасность которых общепризнанна. К нормируемым компонентам относят те из них, на образование и выход которых влияет конструкция двигателей.
Выбросы нормируемых компонентов характеризуются техническими нормативами, значения которых соответствуют достигнутому в настоящее время техническому уровню двигателей. Предельно допустимые значения этих нормативов, осредненные в пределах эксплуатационной характеристики и выраженные в г/кВт-ч, установлены международными и национальными стандартами, которые действуют в сфере производства двигателей.
После установки на объекте применения в действие вступают другие стандарты и нормативные документы, распространяющиеся на установки и транспортные средства с двигателями. При этом в эксплуатации предельно допустимые значения выбросов вредных веществ могут значительно превышать технические возможности двигателей.
Таким образом, стандарты в области охраны окружающей среды регулируют и прогнозируют развитие технического уровня ДВС.
Технические нормативы выбросов для дизелей различного применения, но близкого класса мощности и быстроходности, приблизительно одинаковы. Некоторые различия определяются, в основном, особенностями испытательных процедур.
К ненормируемым компонентам относятся вредные вещества, образующиеся при горении топлива в двигателе, но технические нормативы на них не установлены, поскольку их образование и выход не зависит от конструкции двигателя. К этим веществам относятся окислы серы, циклические и полициклические ароматические углеводороды, альдегиды и т. д. Достаточно корректным будет предположение о том, что содержание в отработавших газах ненормируемых компонентов определяется химическим составом и качеством топлива.
Если раньше основное внимание уделялось вопросам топливной экономичности, удельной мощности, ресурса и т. п., то в последнее время приоритет отдается вопросам экологии. Это связано с растущим во всем мире пониманием важности сохранения окружающей среды, что подтверждается постоянным ужесточением как национальных, так и международных нормативов выбросов. Эта тенденция сохранится в ближайшем будущем, даже несмотря на рост цен на нефть.
Железнодорожный транспорт признан в мире одним из наиболее экологически эффективных видов транспорта.
ОАО «РЖД» является одним из основных перевозчиков грузов и пассажиров в стране: на его долю приходится свыше 80% грузооборота (без трубопроводного транспорта) и почти 40% пассажирооборота, при этом доля негативного воздействия железнодорожной отрасли в общем объеме загрязнении окружающей среды в масштабах страны составляет:
0,72% по выбросам в атмосферу от стационарных источников;
1,00% по выбросам в атмосферу от передвижных источников;
0,09% по сбросу загрязненных сточных вод в водоемы;
0,08% по образованию отходов производства.
В 2007 г. контроль за выбросами загрязняющих веществ, от передвижных источников (тепловозов), в атмосферу осуществлялся 121 пунктом экологического контроля. Все тепловозы после ремонта двигателей проходили обязательное тестирование на указанных пунктах по экологическим показателям. Этот контроль прошли 6488 секций тепловозов.
Экологические платежи за загрязнение окружающей среды в 2007 г. составили 272,2 млн. руб. (из них за выбросы в атмосферу - 35,4 млн. руб.), в том числе сверхнормативные платежи — 45 млн. руб. (17%).
Одной из причин негативного воздействия филиалов Компании на окружающую среду является наличие устаревшего парка подвижного состава, который загрязняет атмосферный воздух, землю и требует более частого текущего и капитального ремонта.
В условиях ужесточение государственного экологического контроля одним из приоритетных направлений деятельности для ОАО «РЖД» является формирование и последующая реализация долгосрочного комплекса природоохранных мероприятий.
Компанией уделяется большое внимание обновлению парка подвижного состава и, соответственно, повышению его экологичности.
Техническое перевооружение ОАО «РЖД», проводимое по замене подвижного состава, реконструкции инфраструктуры, обеспечивает снижение техногенного воздействия на окружающую среду.
При капитальном ремонте тепловозов осуществляется замена устаревших двигателей на современные, более экологичные двигатели отечественного производства, которые повышают топливную экономичность отремонтированных тепловозов на 15%, улучшают экологические показатели на 30%.
Следует подчеркнуть, что в современных условиях экологические программы не являются затратными мероприятиями - каждый рубль, вложенный ОАО «РЖД» в защиту окружающей среды, приносит, в среднем, четыре рубля экономии на экологических платежах.
Очевидно, что инвестирование средств в природоохранные мероприятия является для ОАО «РЖД» выгодным проектом не только с точки зрения экономической эффективности, но и с точки зрения соответствия государственным стандартам в области экологической безопасности, поддержания репутации эколого-ориентированной Компании.
Формирование позитивной экологической репутации потребует от ОАО «РЖД» определенных, не слишком обременительных в общем объеме расходов Компании финансовых затрат, однако эффект уже в ближайшей перспективе может окупить вложенные инвестиции как в плане экономической отдачи, так и в плане формирования благоприятного отношения общества, государства и потенциальных инвесторов к железнодорожной отрасли.
Поэтому, одной из приоритетных целей экологической стратегии ОАО «РЖД» на среднесрочную перспективу до 2015 г. является сокращение на 30% выбросов передвижными источниками вредных выбросов в атмосферу.
Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с экологической стратегией ОАО «РЖД» на период до 2015 г. и на перспективу до 2030 г., утвержденной 13 февраля 2009 г., и в соответствии с федеральной целевой программой «Модернизация транспортной системы России», утвержденной постановлением Правительства РФ 5 декабря 2001 г., и программой госбюджетной научно-исследовательской работы кафедры «Локомотивы» ОмГУПСа на 2009 г. «Совершенствование системы ремонта, повышение эффективности эксплуатации и снижение экологического воздействия на окружающую среду дизельного подвижного состава» ГБ 164 номер государственной регистрации 01.95.00 07235.
Приборные методы контроля экологических характеристик транспортных двигателей
В странах Западной Европе с 2000 г., в связи с введением норм экологической безопасности уровня «Евро-3», удельные выбросы вредных веществ с отработавшими газами дизелей тяжелых грузовых автотранспортных средств проверяются по двум ездовым циклам - модифицированному 13- ступенчатому стационарному (ESP) и циклу испытаний на переходных режимах (ETC), которые пришли на смену циклу по Правилам №49-02 ЕЭК ООН. Кроме того, дымность отработавших газов дизелей оценивается по новому циклу ELR, заменяющему циклы Правил №24-03 ЕЭК ООН. Согласно этому требованию параметры, характеризующие дымность отработавших газов, определяются на двух режимах [21, 22]. Цикл ELR, т.е. европейский тест реакции на нагрузку двигателя, представляет собой последовательность периодических, ступенчатых изменений нагрузок дизеля при его работе на четырех скоростных режимах. Первые три (А, В, С) соответствуют режимам цикла ESC, а четвертый (произвольный).
При контроле на каждом из четырех перечисленных режимов нагрузка изменяется не менее трех раз, и в каждом случае измеряется дымность отработавших газов [20 - 22]. В данной технологии есть одно уточнение - нагрузка при реализации цикла ЕЬЯ изменяться не прямо, а косвенно. Однако, исходя из допусков, установленных для других временных интервалов, можно сделать вывод, что максимальное время перемещения рычага нагрузки не может превышать трех секунд. Считается, что данный момент процедуры испытаний представляется наиболее важным, так как именно в это время происходят процессы, обуславливающие максимальные значения дымности отработавших газов. Однако управление нагрузкой дизеля, оснащенного все- режимным регулятором при его работе по циклу ЕЬЯ с использованием двухпозиционного регулятора, может оказаться проблематичным.
Чтобы решить эту проблему, необходимо использовать прямое регулирование нагрузки (нагружающее устройство с системой автоматического регулирования момента сопротивления) либо устройство управления рычагом, имеющее обратную связь по моменту сопротивления. Испытательные стенды дизелей оборудовались дымомером «Хартридж МК-3», мод. НК.-158, программатором для управления нагружающим устройством и механизмом привода рычага топливного насоса высокого давления (ТНВД). Дымомер данной модели оснащен системой автоматического поддержания давления газов на его входе.
Кроме того, в соответствии с требованиями Правил №24-03 ЕЭК ООН при экологических испытаниях необходимо определять максимальные значения дымности отработавших газов дизеля на установившихся режимах по внешней скоростной характеристике и на режиме свободного ускорения.
Однако с каждым годом значительную долю в загрязнение атмосферного воздуха вносит автотранспорт, выбросы которого уже сегодня составляют от 30 до 40 процентов от общего количества выбросов вредных веществ в атмосферу [23 - 26]. Для оценки влияния выбросов автотранспорта на состояние атмосферного воздуха в крупных населенных пунктах проводятся исследования на крупных автомагистралях и прилегающих к ним жилых зонах. Состояние атмосферного воздуха оценивается обычно по содержанию основных компонентов выхлопных газов: оксида углерода, диоксида и оксида азота, диоксида серы, предельных углеводородов, формальдегида, пыли (взвешенные вещества).
Содержание диоксидов азота и серы в атмосферном воздухе определяется с использованием автоматических непрерывно действующих газоанализаторов Р—310 и С—310, а предельных углеводородов - автоматического, непрерывно действующего оптического газоанализатора.
Для определения количества пыли (взвешенные вещества) используются концентратомер "Прима-ОГ . Содержание оксида углерода определяется с помощью автоматического непрерывно действующего газоанализатора, а содержание формальдегида измеряется в стационарной аналитической лаборатории.
По содержанию основных примесей в атмосферном воздухе и рассчитается комплексные индексы загрязнения атмосферы (ИЗА) по уравнению [27 - 29] где п - количество контролируемых вредных выбросов;
С - максимальная разовая концентрация 1-ой примеси, зависящая от класса опасности вещества, мг/м3; ПДКмр - максимальная разовая предельно допустимая концентрация, мг/м3; т - безразмерная константа. При расчетах величину т для диоксида серы и пыли принимается равной 1, для диоксида азота и формальдегида - 1,3, для оксида углерода и предельных углеводородов - 0,9.
Очевидно, что ИЗА и содержание в атмосферном воздухе оксида углерода, твердых частиц и диоксида азота зависит от интенсивности эксплуатации дизельного подвижного состава. В прилегающих к железнодорожным магистралям жилых зонах содержание основных компонентов не должно превышать санитарно - гигиенические нормы. Максимальное значение индекса загрязнения атмосферы должно находиться в пределах 4,45 — 9,14.
Как правило, количество выбросов токсичных веществ с отработавшими газами двигателей определяется либо на стенде с беговыми барабанами (для автомобильных, легких двигателей) или на испытательном моторном стенде (двигатели большой мощности). Многие нормы предельного содержания токсичных компонентов в отработавших газах и методы испытаний автотранспортных двигателей на токсичность были впервые внедрены в США, где способ отбора проб постоянного объема был применен в качестве эффективного способа для контроля количества выбросов твердых частиц при динамических испытаниях. При этой процедуре отработавшие газы разбавлялись отфильтрованным окружающим воздухом и отбирались посредством ротационного насоса во время стандартизованного цикла испытаний. Разбавление отработавших газов воздухом исключало вероятность конденсации в них влаги и поддерживало их температуру на уровне 52С.
Одна проба пропускалась через специальный бумажный фильтрующий элемент, где определялся уровень выброса твердых частиц за счет измерения увеличения массы пробы.
Вторая, нагретая проба газа, направлялась в пламенно-ионизационный детектор, в котором производился непрерывный контроль за концентрацией углеводородов. Третья проба отправлялась в сборник отработавших газов. После окончания цикла испытаний его содержимое направляется в газоанализатор, где производятся замеры концентраций СО, ИОх и С02. Расчеты для определения уровней выбросов различных компонентов отработавших газов базируются, при таком методе, на данных об объеме смеси газов и концентрации отдельных их компонентов в продуктах сгорания.
В США для проверки автотранспортных двигателей на токсичность отработавших газов применяются одни и те же методы и газоанализаторы. Отработавшие газы обычно разбавляются дважды, что дает возможность пропускать большие объемы газа через трубопроводы приемлемого размера. В европейском цикле испытаний двигателей также применяется разбавление части газового потока воздухом при замерах содержания твердых частиц в отработавших газах.
Наличие газоанализаторов на многих станциях технического обслуживания транспортных энергетических установок предусматривает не только контроль вредных выбросов в продуктах сгорания, то есть оценку токсичности выхлопных газов, но и контроль технического состояния двигателя, то есть установление истинной причины неисправности двигателя, приводящей к нарушению экологических параметров [30]. После устранения обнаруженной неисправности, очевидно необходим дополнительный контроль состава выхлопных газов, что увеличивает величину эксплуатационных расходов и увеличивает время простоя подвижного состава в ремонте. Такой подход к системе экологических испытаний позволит максимально эффективно использовать приборы и средства пунктов экологического контроля.
Оценка экологической безопасности тепловозов эксплуатационного парка
Для данных, представленных в табл. 2.3 и на рис. 2.3 можно заключить, что по уровню настройки среднеэксплуатационный тепловоз недогружен, практически на всех позициях контроллера машиниста примерно на 13%. Очевидно, что приведенные параметры могут являться диагностическими, характеризующими техническое состояние основного оборудования и величину затрат мощности на вспомогательное оборудование эксплуатируемого парка депо. тепловоза с полем допуска нормативных (паспортных) значений и достигнутыми значениями мощности дизеля парка тепловозов в условиях эксплуатации.
Величина мощности по позициям КМ каждого контрольного тепловоза должна вписываться в поле допуска для паспортных значений или в поле допуска мощности дизеля для эксплуатируемого парка локомотивов. В противном случае тепловоз необходимо вернуть в ремонт, так как он в условиях эксплуатации не обеспечит необходимой силы тяги и, возможно, не обеспечит нормативных величин расхода топлива в поездной работе.
При пополнении базы данных по мере проведения очередного экологического контроля и очередных реостатных испытаний необходимо пересчитывать среднестатистические значения величин г , и М 0- для эксплуатируемого парка и их среднеквадратические отклонения для каждой контролируемой позиции.
По данным табл. 2.3 рассчитывается выходная мощность дизель генераторной установки Рд1) тепловоза (см. табл. 2.4) и пределы ее изменения по позициям контроллера машиниста, исходя из предположения, что величина КПД тягового генератора (гтг = 0,942) несущественно зависит от его мощности, или позиции КМ [66, 67] доч Мтг- Соотношение мощности дизеля контрольного тепловоза с мощностью тепловозов эксплуатируемого парка и паспортными (нормативными) значениями по позициям контроллера машиниста
В общем случае, в условиях эксплуатации, качество настройки парка локомотивов в депо, а возможно и его среднее техническое состояние, оценивается не по величине среднестатистического значения мощности дизеля, а по уровню настройки ДГУ тепловозов и уровнем ее разброса относительно среднего значения (см. рис. 2.4). в) рассчитать часовой и удельный расход топлива по позициям контроллера машиниста «среднего» тепловоза эксплуатируемого парка депо по выражениям (2.19, 2.20), для чего заменить величину нормативной эффективной мощности дизеля и нормативного среднеквадратического отклонения на аналогичные значения мощности дизеля и среднеквадратического отклонения эксплуатируемого парка тепловозов депо; г) определить часовой и удельный расход топлива контрольным тепловом по позициям КМ:
Представить результаты расчета в виде таблицы или в виде графических зависимостей (см. табл. 2.5 или рис. 2.5).
Об удовлетворительном техническом состоянии контрольного тепловоза можно говорить если величины часового и удельного расходов топлива, рассчитанные по выражениям (2.23, 2.24), вписываются в диапазон названных характеристик для эксплуатируемого парка депо, а также в диапазон нормативных значений, то есть:
Для нормативных значений мощности дизеля на каждой позиции контроллера машиниста И и минимальным и максимальным ее значениям необходимо рассчитать количество вредных выбросов (оксидов азота ИОх и оксидов углерода СО) в отработавших газах дизеля, используя эмпирические выражения, представленные в работе [69, 70], кг/ч
Методика приведения параметров рабочего цикла дизеля при реостатных испытаниях к нормальным атмосферным условиям
Как известно топливо в цилиндре дизеля сгорает не полностью, наибольшая неполнота сгорания соответствует номинальному режиму работы.
Можно предположить, что количество вредных выбросов в отработавших газах дизелей тем больше, чем больше расход топлива в двигателе. Предполагая, что экономичность тепловозного парка в среднем удовлетворяет нормативным значениям, тогда соотношение количества вредных выбросов контрольного тепловоза и тепловозов эксплуатируемого парка может являться диагностическим параметром.
На рис. 2.7 представлены сравнительные экологические характеристики парка локомотивов в зависимости от величины часового расхода топлива на контрольных позициях контроллера машиниста, из которого видно, что: по количеству оксидов азота ЫОх в отработавших газах контрольный тепловоз удовлетворительно работает при больших расходах топлива, то есть при высоких позициях контроллера машиниста, когда термодинамические параметры рабочего цикла, такие как давление и температура сгорания, имеют наибольшие значения; при малых и средних позициях КМ количество Ж)х в отработавших газах находится в пределах среднеэксплуатационных значений для исследуемого парка тепловозов (см. рис. 2.7, а); удовлетворительно работает контрольный тепловоз по выбросам оксида углерода СО в продуктах сгорания, практически на всех позициях КМ - при одинаковых часовых расходах топлива количество СО меньше наименьших нормативных значений (см. рис. 2.7, б); незначительное превышение СО контрольного тепловоза относительно нормы на номинальном режиме может являться, и очевидно является, случайным; особо неудовлетворительно работает контрольный тепловоз по содержанию сажи (углерода С) в продуктах сгорания (см. рис. 2.7, в), аналогом чему является замеренная при испытаниях дымность отработавших газов;
Таким образом, результаты предварительного анализа протоколов экологических испытаний тепловозов эксплуатационного парка показали, что для повышения достоверности контроля технического состояния локомотивов необходимо сформировать базу экспериментальных значений и разработать методику ее обработки с целью принятия, достаточно достоверных, технических и технологических решений.
Очевидно, что методика обработки базы данных должна включать в себя следующие процедуры: 1. Статистический анализ мощностных и экономических характеристик эксплуатируемого парка тепловозов депо. Так, например, для контрольной группы тепловозов (92 тепловоза серии ЧМЭЗ), по которым оценивается качество функционирования системы экологического контроля тепловозов, средние значения мощности и экономичности дизеля тепловоза представлены в табл. 2.6.
Величина часового расхода топлива в табл. 2.6 рассчитана с учетом паспортной экономической характеристики дизеля. Конечно, такое допущение может привести к увеличению ошибки экологического контроля как экспериментальными, так, очевидно, и теоретическими методами. Для того чтобы оценить фактическую экономичность дизеля в протокол экологических испытаний необходимо ввести значение удельного расхода топлива, частоты вращения коленчатого вала дизеля на режиме испытаний, что позволит определить величину эффективной работы дизеля и соответствующий ей тепловой эквивалент.
На основании закона больших чисел можно утверждать, что средняя мощность и средняя экономичность дизеля для каждой позиции контроллера машиниста при увеличении количества наблюдений могут представлять собой значения близкие к паспортным, нормативным. Кроме того, эти средние значения могут являться диагностическими параметрами, превышение или уменьшение которых может служить критерием качества настройки тепловоза при проведении реостатных испытаний, или критерием технического состояния локомотива. 2. Методику оценки изменения технического состояния тепловоза во времени по изменению мощности, экономичности, количества вредных выбросов, дымности, доли несгоревшего топлива и т. д. ДГУ от наработки между соответствующими видами плановых ремонтов большого объема. Построение таких теоретических зависимостей, вид которых необходимо подобрать при выполнении предварительных исследований, необходимо выполнять с использованием метода наименьших квадратов с обязательным расчетом коэффициента или индекса корреляции. 3. Уточнение значения термодинамических параметров рабочего цикла дизеля, используя метод Вибе, по доле несгоревшего топлива, а следовательно, и доле топлива, используемой полезно в рабочем цикле, что позволит увеличить точность теоретических расчетов параметров экологической безопасности тепловоза во всем диапазоне нагрузочных эксплуатационных режимов. 4. Сравнение результатов экологического контроля с теоретически возможными значениями количества вредных выбросов для заданных условий испытаний и параметров окружающей среды, определенными нормативными документами ОАО «РЖД» и требованиями ЕВРО-3, ЕВРО-4. Определение причины отклонения мощности, экономичности и экологических параметров дизель-генераторной установки тепловоза от нормативных значений, если это имеет место, определение перечня работ, выполнение которых необходимо для восстановления мощностных, экономических и экологических характеристик. 5. Установление и контроль, по мере накопления данных, взаимосвязи между экспериментальными и теоретическими экологическими параметрами работы дизеля, что, при получении положительных результатов, возможно, позволит сократить количество контролируемых параметров без снижения качества принятия технических решений. Так, например, для группы опыт ных тепловозов (92 тепловоза серии ЧМЭ 3) зависимости дымности отработавших газов и доли несгоревшего топлива, рассчитанной по методике, приведенной выше, от количества оксидов углерода в продуктах сгорания будут иметь вид:
Разработка программы обработки результатов экологического контроля тепловозных дизелей в условиях эксплуатации
Согласно Киотскому протоколу все страны-участницы берут на себя обязательство не превышать базовый уровень (в качестве базового (реперно- го) уровня приняты объемы выбросов в 1990 г.) эмиссии парниковых газов уже в первый бюджетный период (2008 - 2012 гг.). Рыночный механизм Ки- отского протокола предусматривает торговлю единицами сокращения парниковых газов. Страны, превысившие установленный базовый уровень в первом бюджетном периоде, могут приобрести необходимые им единицы у других стран.
В России в качестве базового уровня приняты выбросы в количестве 2,1 млн. т. СОг-эквивалента, хотя СН4 и №0 по парниковой эффективности превышают СО2 соответственно в 21 и 296 раз.
Спад российской экономики сразу же после 1990 г. создает запас по киотским квотам и определяет возможность торговать ими в 2008 — 2012 гг. Однако, эта возможность только потенциальна, так как многое будет зависеть от темпов прироста ВВП и сокращения удельной энергоемкости (угле- родоемкости) отечественной продукции. Если принять (по аналогии с развитыми странами) темпы сокращения углеродоемкости российского ВВП 1,0 - 1,5 % в год, то уже в первом бюджетном периоде (2008 - 2012 гг.) Россия из продавца киотских квот превратится в их покупателя. Если же будут достигнуты более высокие темпы снижения углеродоемкости ВВП (4,5 — 5,0 %), то Россия сможет продавать единицы сокращения антропогенных выбросов парниковых газов и только во втором бюджетном периоде (2013 - 2017 гг.) ей нужно будет их покупать.
По результатам анализа обобщенных статистических данных по большинству стран мира, проведенного международными энергетическими организациями, обнаружилась достаточно строгая взаимосвязь между уровнем развития экономики стран и эмиссией антропогенного С02, в основном как результата техногенного потребления органического топлива. При этом, как правило, возрастание антропогенных выбросов С02, измеряемое килограммами С02 на душу населения, прекращается при достижении ВВП на душу населения, равного 15-16 тыс. долл. США. В России в настоящее время этот показатель составляет 7-8 тыс. долл. США.
Вместе с этим углеродоемкость отечественной продукции составляла в 2000 г. 1,5 - 1,6 кгССЬ/долл. ВВП, а в США в том же году — 0,45 - 0,55 кг С02/долл. ВВП. Суммарный ВВП США равнялся около 35 тыс. долл. на душу населения.
Таким образом, имеет место не только почти 5-ти кратное отставание отечественной экономики по ВВП (по сравнению с США), но и 3-х кратное превышение ее углеродоемкости. В связи с этим России необходимы не только повышенные темпы развития экономики, но и многократное снижение ее удельной углеродоемкости. При этом углеродоемкость ВВП (удельная эмиссия С02) должна снижаться двумя путями: во-первых, повышением энергоэффективности, а следовательно, снижением энергоемкости продукции и, во-вторых, поглощением антропогенного С02 путем его извлечения из продуктов сгорания топлива (дымовых газов) и утилизации.
Несмотря на многочисленные прогнозы и заключения экспертов, предсказывающих бесперспективность поршневых двигателей внутреннего сгорания и их замену на транспорте и в автономной энергетике на газовые турбины и альтернативные источники энергии, рост энерговооруженности общества продолжается в основном за счет увеличения выпуска поршневых двигателей.
Столь широкое распространение поршневых двигателей внутреннего сгорания на транспорте и в автономной стационарной энергетике определяется тем, что в диапазоне мощностей от 5 кВт до 20 МВт поршневые двигатели, особенно дизели, сегодня и на ближайшую перспективу, имеют недостижимый для других тепловых двигателей эффективный КПД, равный 45-55 %.
Токсичность отработавших газов двигателей оценивается нормируемыми и ненормируемыми компонентами, опасность которых общепризнанна. К нормируемым компонентам относят те из них, на образование и выход которых влияет конструкция двигателей.
Выбросы нормируемых компонентов характеризуются техническими нормативами, значения которых соответствуют достигнутому в настоящее время техническому уровню двигателей. Предельно допустимые значения этих нормативов, осредненные в пределах эксплуатационной характеристики и выраженные в г/кВт-ч, установлены международными и национальными стандартами, которые действуют в сфере производства двигателей.
После установки на объекте применения в действие вступают другие стандарты и нормативные документы, распространяющиеся на установки и транспортные средства с двигателями. При этом в эксплуатации предельно допустимые значения выбросов вредных веществ могут значительно превышать технические возможности двигателей.
Таким образом, стандарты в области охраны окружающей среды регулируют и прогнозируют развитие технического уровня ДВС.
Технические нормативы выбросов для дизелей различного применения, но близкого класса мощности и быстроходности, приблизительно одинаковы. Некоторые различия определяются, в основном, особенностями испытательных процедур.
К ненормируемым компонентам относятся вредные вещества, образующиеся при горении топлива в двигателе, но технические нормативы на них не установлены, поскольку их образование и выход не зависит от конструкции двигателя. К этим веществам относятся окислы серы, циклические и полициклические ароматические углеводороды, альдегиды и т. д. Достаточно корректным будет предположение о том, что содержание в отработавших газах ненормируемых компонентов определяется химическим составом и качеством топлива.
Если раньше основное внимание уделялось вопросам топливной экономичности, удельной мощности, ресурса и т. п., то в последнее время приоритет отдается вопросам экологии. Это связано с растущим во всем мире пониманием важности сохранения окружающей среды, что подтверждается постоянным ужесточением как национальных, так и международных нормативов выбросов. Эта тенденция сохранится в ближайшем будущем, даже несмотря на рост цен на нефть.
