СУПЕРМАГИСТРАЛЬНЫЙ ТУРБОВОЗ ДЛЯ РЖД

Игорь Львович Осипов, ведущий конструктор НТЦ им. А. Люльки ОАО "НПО "Сатурн", к.ф.-м.н.

Газотурбинный двигатель АЛ-31СТ [1] нашел широкое применение в наземных установках - газоперекачивающих агрегатах и газоэнергетических установках (АЛ-31СТЭ). Вполне возможно, что этот двигатель можно будет увидеть и в качестве силовой установки мощного локомотива.

По мнению ряда специалистов, для интенсификации железнодорожных перевозок необходимы двигатели мощностью порядка 8 МВт (это предел, т.к. дизельные двигатели большей мощности не могут быть установлены на локомотивах по причинам весовых ограничений). Однако уже в недалеком будущем может возникнуть необходимость транспортировки сверхтяжеловесных составов, и тогда для локомотива потребуются двигатели мощностью порядка 14 МВт. В этом случае открывается новая область применения для газотурбинного двигателя (ГТД) АЛ-31СТ, обладающего мощностью 16 МВт. По своим габаритам и массе (5 т) без рекуперации тепла он вполне "вписывается" в стандартный локомотив. Мировая практика уже знает примеры создания турбовозов с ГТД. Так, в 80-х годах прошлого века во Франции турбовозы "Турмо IIIF" и "Турмо IIIG" развивали скорость до 240 и 318 км/ч, соответственно. В случае с использованием АЛ-31СТ главный упор предполагается сделать не на получении максимальных скоростей, а на обеспечении возможности перевозки больших объемов и масс груза, поэтому такой локомотив называется в дальнейшем супермагистральным турбовозом (СМТ).

Необходимо помнить, что при эксплуатации дизеля в условиях Сибири и Крайнего Севера существуют проблемы его запуска при температурах воздуха ниже -35 °С. Достоинством ГТД считается возможность запуска при -60 °С всего за минуту, при этом длительность выхода его на рабочий режим не превышает 5 мин.

Существенным недостатком ГТД является заметное снижение к.п.д. при работе на глубоко дроссельных режимах. Эта проблема, однако, перестает быть актуальной в случае практически безостановочной транспортировки грузов на большие расстояния.
Важнейшие интегральные характеристики поездов, ведомых супермагистральным и дизельным локомотивами можно рассчитать исходя из мощности ГТУ и правил расчета тяговой поездной работы.

Результаты интегральных и ресурсно-стоимостных оценок можно проиллюстрировать следующим образом. Часовой расход топлива 8500 кг/ч. Грузовой тариф СМТ с ГТД АЛ-31СТ составляет 11,3 $/тыс. км·т. Время жизненного цикла (ЖЦ) поезда равно 100 тыс. ч.
Результаты расчетов показывают, что эксплуатация СМТ с ГТД АЛ-31СТ приносит за время ЖЦ одного поезда прибыли на $21 млн больше, чем эксплуатация состава с тепловозом. И это несмотря на большую цену ГТД АЛ-31СТ по сравнению с дизелем (на $1 млн), больший межремонтный ресурс и меньшую стоимость капитального ремонта дизельного двигателя, приводящие к снижению сравнительного дохода почти на $2 млн. Дополнительный доход получается благодаря применению более дешевого топлива (метана) с большей теплотворной способностью.

Если предположить, что ГТД АЛ-31СТ снабжается рекуператором, его к.п.д. возрастает до 40 %. Оставляя в стороне немалые технические и термодинамические проблемы, которые необходимо при этом решить, посчитаем дополнительный доход, получаемый владельцем СМТ с ГТД АЛ-31СТ и рекуператором. Расчеты показывают, что в этом случае доход возрастет на $73 млн. Однако, из этих $73 млн следует вычесть: стоимость рекуператора - $100 тыс.; потерю дохода из-за уменьшения почти на 100 т грузовместимости поезда - $5 млн; увеличение эксплуатационных расходов - $100 тыс.

Наконец, и это решающее соображение: СМТ с существующими ГТД АЛ-31СТ можно запускать в эксплуатацию хоть завтра (проблемы с газификацией сжиженного газа перед его подачей в камеру сгорания ГТД не выглядят существенными). Тем самым отпадает необходимость строительства многосоткилометровых ниток газопроводов.

В этой статье подняты два важных вопроса, имеющих огромное народно-хозяйственное значение.

Автор предлагает использовать готовые мощные ГТД, хорошо зарекомендовавшие себя в наземном исполнении, в качестве железнодорожных силовых установок для локомотивов сверхкрупных грузовых составов, перемещающихся со средней условно-постоянной скоростью не менее 40 км/ч. Для этой транспортировки требуется, как минимум, спарка тепловозов. Худшие, чем у тепловоза, дроссельные характеристики турбовоза компенсируются практически безостановочным движением. Это, в свою очередь, достигается закладкой небольших по протяженности и стоимости дополнительных путей, "обводящих" железнодорожные узлы, что так или иначе необходимо делать по причинам безопасности. Применение одного турбовоза дает более 20 миллионов долларов чистой прибыли по сравнению со спаркой тепловозов при эксплуатации одного состава за время жизненного цикла!

Но это только одна сторона вопроса. Сегодня газ из России транспортируется, в основном, по дорогостоящим магистральным трубопроводам с их компрессорными станциями и прочей непростой инфраструктурой. В то же время известны примеры куда более экономичных и технологичных способов транспортировки газового топлива. Так, весь юг Франции обеспечивается сжиженным газом, перевозимым по морю с севера Африки и Ближнего Востока. Криогенная техника для газификации жидкого метана (а также пропана и бутана) достаточно хорошо развита и сравнительно дешева. Поэтому вместо того, чтобы ждать 3-4 года для постройки газовых сетей, связывающих месторождения в Сибири и на Дальнем Востоке с потребителями в Южной и Юго-Восточной Азии, можно уже через несколько месяцев пустить турбовозы. Причем можно организовать движение как по готовым железнодорожным путям, так и по срочно сооруженным обводным. При этом большие города и крупные транспортные узлы останутся в стороне от грузовых маршрутов и, таким образом, будет обеспечено выполнение мер безопасности при перевозке взрывоопасных сжиженных газовых сред, а заодно и оптимальный режим эксплуатации ГТД без усложнения существующих апробированных конструкций наземных газотурбинных агрегатов.

Редакция