Định mức tiêu hao nhiên liệu cho tổ hợp động cơ máy phát điện tập trung sử dụng trên đường sắt việt nam,luận án thạc sĩ khoa học kỹ thuật chuyên ngành cơ khí

Xây dựng định mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel trong tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung 3- 1.Tổng hợp các thông số có liên quan đến tính toán tiêu hao nhiên liệu của

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học giao thông vận tải

Xây dựng

định mức tiêu hao nhiên liệu cho tổ hợp

động cơ máy phát điện tập trung sử dụng

trên đường sắt việt nam

Luận án Thạc sỹ kỹ thuật

Mã số chuyên ngành: 2 - 01 - 39

Hướng dẫn khoa học:

1 Tiến sĩ Nguyễn Văn Bang - Bộ môn Cơ khí ôtô trường ĐHGTVT

2 Tiến sĩ Nguyễn Đức Toàn - Bộ môn Cơ khí ôtô trường ĐHGTVT

mục lục Trang

Phần I Tổng quan về tổ hợp động cơ máy phát cấp điện

1- 1 Tình hình sử dụng tổ hợp động cơ máy phát cấp điện

tập trung trên thế giới và ở Việt Nam 9 1- 2 Năng lượng sử dụng và sự biến đổi năng lượng trong tổ hợp

1- 3 Phân tích quá trình tiêu thụ năng lượng của động cơ diesel

khi cấp điện cho các phụ tải làm việc 14

Phần II chế độ làm việc kinh tế của tổ hợp động cơ

2- 1 Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý làm việc của tổ hợp

2- 2 Sự phối hợp làm việc của động cơ diesel và máy phát điện 17 2- 3 Chế độ làm việc kinh tế của các phụ tải theo quan diểm

2- 4 Phương pháp xác định lượng tiêu hao nhiên liệu của

động cơ trong tổ hợp động cơ máy phát 28

Phần III Xây dựng định mức tiêu hao nhiên liệu của động cơ

diesel trong tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung

3- 1.Tổng hợp các thông số có liên quan đến tính toán tiêu hao

nhiên liệu của tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung 36 3- 1- 1.Thành phần đoàn tầu được khảo sát 36 3- 1- 2 Đặc tính kỹ thuật của tổ hợp động cơ mát phát Broadcrown 373- 1- 3 Công suất điện năng tiêu thụ trên đoàn tầu 39 3-1-4 Chi phí nhiên liệu ở chế độ không tải của động cơ trong tổ hợp 48

3- 2 Phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến tiêu hao nhiên liệu

3- 2- 2 Môi trường khai thác và khí hậu thời tiết 50

3- 2- 4.Yếu tố về hành khách đi tầu và tác nghiệp trên cung đoạn

3- 3 Tính toán lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel khi

3- 3- 1.Tính theo mô hình bài toán (2- 20) 53 3-3-2.Tính theo thống kê thực tế và khảo sát thực nghiệm 57 3-3-3 Kiến nghị định mức mới đối vơi tổ hợp động cơ máy phát

Lời nói đầu

Cùng với sự phát triển kỹ thuật vận tải Đường sắt theo hướng gia tăng tốc độ

đoàn tầu rút ngắn hành trình, sử dụng hệ thống điều chỉnh và điều khiển hiện đại, gia tăng độ êm dịu và đặc biệt sử dụng các thiết bị hiện đại đảm bảo độ an toàn cao nhất của đoàn tầu thì không thể không quan tâm đến hệ thống cấp điện cho các thiết

bị của đoàn tầu trên thế giới nói chung và Đường sắt Việt Nam nói riêng Đối các

đoàn tầu nguồn sức kéo là đầu máy độc lập thì việc sử dụng tổ hợp động cơ máy phát được sử dụng rất rộng rãi để cấp nguồn điện cho đoàn tàu ở nước ta trong công cuộc đổi mới của ngành Đường sắt thì mục tiêu nâng cao chất lượng phục vụ hành khách được quan tâm đặc biệt, hàng loạt các thiết bị được lắp đặt trên các toa tầu để ngày một mang lại cảm giác thoải mái tiện nghi hơn Vấn đề đặt ra là các thiết bị mới này đều cần thiết phải có nguồn điện 380/220v để hoạt động, giải pháp tối ưu nhất đối với điều kiện đặc thù của Đường sắt Việt Nam là sử dụng các tổ hợp máy phát điện tập trung lắp trên toa xe Đến thời điểm hiện nay toàn bộ các đoàn tầu thống nhất và hầu hết các đoàn tầu địa phương đều sử dụng nguồn điện từ các tổ hợp máy phát điện trên toa xe Với số lượng tổ hợp máy phát điện gần 150 chiếc hàng năm tiêu tốn một lượng nhiên liệu đáng kể (vào khoảng 15% - 17% tổng chi phí nhiên liệu cho vận tải trong toàn ngành) song ván đề tieu hao nhiên liệu của các

tổ hợp động cơ máy phát này chưa được tính toán theo một cách khoa học Do vậy

được sự cho phép của Khoa sau đại học và bộ môn Cơ khí ôtô trường Đại học giao thông vận tải đã cho phép nghiên cứu xây dựng đề tài:

" Xây dựng định mức tiêu hao nhiên liệu cho tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung sử dụng trên Đường sắt Việt nam” Đối tượng nghiên cứu là

tổ hợp động cơ máy phát broadcrown BCD- 380S phục vụ trực tiếp cho

ngành Đường sắt Việt Nam

Nội dung cần giải quyết bao gồm:

- Tổng quan về tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung

- Năng lượng sử dụng và qúa trình biến đổi và chuyển giao năng lượng

- Tổng hợp về tình hình tiêu thụ nhiên liệu trong tổ hợp động cơ máy phát

- Sự phối hợp làm việc của động cơ diesel và máy phát điện

- Chế độ làm việc của phụ tải theo quan điểm chi phí nhiên liệu nhỏ nhất

- Phương pháp luận xác định tiêu hao nhiên liệu trong tổ hợp động cơ máy phát

- Tính toán theo lý thuyết và tổ chức thử nghiệm đo tiêu hao nhiên liệu để lựa chọn

định mức cụ thể cho tổ hợp động cơ máy phát broadcrown BCD- 380S

Đề tài được thực hiện tại:

- Bộ môn Cơ Khí Ôtô Trường Đại Học GTVT

- Xí nghiệp Vận dụng toa xe khách Hà Nội

Với sự hướng dẫn khoa học của:

1 Tiến sĩ Nguyễn Văn Bang - Bộ môn Cơ khí ôtô trường ĐHGTVT

2 Tiến sĩ Nguyễn Đức Toàn - Bộ môn Cơ khí ôtô trường ĐHGTVT

Cùng với sự giúp đỡ của các nhà khoa học chuyên ngành bộ môn cơ khí ôtô,

bộ môn đầu máy toa xe Trường Đại Học GTVT và các bạn bè đồng nghiệp ở

Đường sắt Việt Nam Đặc biệt là có sự trợ giúp của cơ sở thí nghiệm nhà trường

và Phân xưởng Cơ điện lạnh Xí nghiệp vận dụng toa xe khách Hà nội

Nhân dịp này tôi xin bầy tỏ lòng biết ơn đối với các thầy hướng dẫn khoa học, các thầy trong Bộ môn cơ khí ôtô và bạn bè đồng nghiệp ở Đường sắt Việt Nam đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận án này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng đầu tư nghiên cứu, khai thác các tài liệu mới nhất, song không tránh khỏi những sai sót nhất định Rất mong nhận được sự góp ý và thông cảm từ phía độc giả

Xin chân thành cảm ơn

Hà nôi, ngày 20 tháng 9 năm 2005

Tạ Mạnh Thắng

Ký hiệu sử dụng trong luận án

NK - Công suất cấp cho máy phát điện[kw]

NDC- Công suất định mức của động cơ diesel [kw]

β - Phần công suất hữu ích dùng cho các thiết bị phụ của động cơ diesel

m

η - Hiệu suất cơ khí của động cơ diesel ( ηm = 0 80 − 0 84), [%]

NP - Công suất của máy phát

UP - Điện áp của máy phát

IP - Dòng điện của phát

P

η - Hiệu suất của máy phát

B - Tiêu hao nhiên liệu bình quân theo các mác tầu trên cùng một cung đoạn

∑ − Bi Tổng chi phí nhiên liệu theo số chuyến trên cùng mác tầu, cùng một cung

đoạn vận tải [lít]

∑ − ni Tổng số chuyến trên cùng mác tầu, cùng cung đoạn vận tải

bi - Chi phí nhiên liệu cho một đơn vị công suất tiêu thụ [l/kw.h]

−

∑n Ni

1

Tổng công suất danh nghĩa của các phụ tải [kw.h]

Bhi- Chi phí nhiên liệu theo đơn vị thời gian của chuyến tầu khảo sát thứ " i" [l/h]

VKi- Tốc độ chạy bình quân trên đoạn đường thứ "i" [km/h]

MS - Mômen trên trục động cơ diesel [N.m]

−

S

ω Tốc độ quay trên trục động cơ diesel [rad/s]

kN - Hệ số lời dụng công suất của động cơ diesel

kϕ- Hệ số chi phí nhiên liệu

KU - Hệ số điều chỉnh điện áp của máy phát điện

Umax - Điện áp cực đại của máy phát

UZ - Điện áp định mức của máy phát

tw- Nhiệt độ cuộn dây phần ứng

t0- Nhiệt độ không khí ở đầu vào

ηKT - Hiệu suất khai thác của tổ hợp máy phát điện

−

PT

η Hiệu suất của phụ tải

Q - Nhiệt lượng của nhiên liệu

C - Hàm mục tiêu

gU - Chi phí nhiên liệu khai thác ở vị trí mức phụ tải thứ " u "

Nu - Công suất của động cơ diesel ứng với vị trí mức phụ tải thứ "u"

fu - Giá trị hàm mật độ phân bố tải của tổ hợp động cơ diesel máy phát trong quá trình làm việc

ku - Hệ số thay đổi tải trong quá trình khai thác

BU - chi phi nhiên liệu đơn vị thời gian ở mức phụ tải thứ "u"[kg/h]

tU - thời gian động cơ diezel làm việc ở mức phụ tải thứ "u"[h]

Bhcp- Chi phí nhiên liệu đơn vị thời gian bình quân của cùng một loại MPĐ trong cùng một mác tầu và khi chạy trên tuyến [kg/h]

∑ − tch Tổng thời gian chạy trên cung đoạn vận dụng [h]

BKT - Chi phí nhiên liệu thời gian khi không tải [kg/h]

∑ tKT Tổng thời gian động cơ làm việc không tải [h]

bH - Chi phí nhiên liệu hàng hoá

bK - Chi phí nhiên liệu hành khách

M - Khối lượng hàng hoá được vận chuyển (tấn)

MK - Khối lượng hành khách được vận chuyển (HK)

L - Chiều dài của cung chặng vận tải

MPT - Công suất tiêu thụ của phụ tải [kw.h]

kd - Hệ số gia tăng nhiên liệu có chú ý đến yếu tố khí hậu thời tiết theo mùa,

kct - Hệ số chậm tầu

∑ − tct Tổng thời gian chậm tầu trong một hành trình [phút]

T kh-Tổng thời gian kế hoạch chạy trong một hành trình [phút]

K HC- Hệ số có chú ý đến chậm tầu và khí hậu thời tiết theo mùa cũng như một vàiyếu tố khác xuất phát từ thực tế khai thác

g e- Suất hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ định mức [kg/kW.h]

∑ NWiTWi −Tổng công suất tiêu thụ của các phụ tải [kw.h]

Bϕ - Chi phí nhiên liệu trong tổ hợp động cơ máy phát

X i - Mật độ hàm phân bố phụ tải làm việc

N ni- Công suất tiêu thụ điện năng của các phụ tải được trang bị trên số chuyến tầu

M n ;

t ni- Thời gian làm việc tương ứng của các phụ tải đó

N1 - Công xuất tiêu thụ của máy điều hoà nhiệt độ ứng với t1 (h)

N2 - Công xuất của hệ thống đun nóng nước nhiệt độ ứng với t2 (h)

N3 - Công xuất của hệ thống chiếu sáng nhiệt độ ứng với t3 (h)

N4 - Công xuất của hệ thống đèn đọc sách nhiệt độ ứng với t4 (h)

N5 - Công xuất của tủ chủ trữ đông nhiệt đọ ứng với t5 (h)

N6 - Công xuất của tủ hâm nóng nhiệt độ ứng với t6 (h)

∑ − tdi Tổng thời gian chậm tầu [h] trong một đơn vị thời gian khảo sát

∑ tkhi − Tổng thời gian các đoàn tầu chạy đúng kế hoạch trong một đơn vị thời gian, ứng với thời gian chậm tầu

∑ − ni Tổng số chuyến tầu được khảo sát

Ghbq - Chi phí nhiên liệu bình quân

i

α Tỷ trọng của các Ghi tương ứng

kPZ – Hệ số phụ tải ứng với chế độ định mức

thlv– Thời gian hoạt động của tổ máy phát điện

BĐM – Lượng nhiên liệu tiêu hao ở chế độ tải định mức

k WZ- Hệ số công suất tiêu thụ kW.h của phụ tải và tổ hợp đông cơ máy phát

BSD – Lượng nhiên liệu tiêu hao theo phụ tải sử dụng

NPTĐM- Công suất định mức của phụ tải

NPTSD – Công suất sử dụng của phụ tải

GĐM- Tiêu hao nhiên liệu trong một giờ ở chế độ công suất định mức của phụ tải

GSD- Tiêu hao nhiên liệu trong một giờ ở chế độ công suất trung bình của phụ tải

BPTĐM - Lượng nhiên tiêu thụ cho phụ tải với chế độ làm việc định mức hoàn toàn của tổ hợp động cơ máy phát

BĐM+KT - Lượng nhiên liệu tiêu thụ cho phụ tải với chế độ làm việc theo hệ số sửdụng phụ tải KPT bao gồm cả định mức và không tải

δ - Hệ số thể hiện tỷ lệ nhiên liệu có thể tiết kiệm được khi điều chỉnh được chế độ công suất của tố hợp động cơ máy phát theo phụ tải

KHC - Hệ số gia tăng nhiên liệu do các yếu tố ảnh hưởng

Ghtt – Tiêu hao nhiên liệu cho từng mác tầu theo tính toán

GĐM - Định mức tiêu hao nhiên liệu theo từng mác tầu của Đường sắt Việt nam

geKT - Suất tiêu hao nhiên liệu thực tế cho từng mác tầu

Phần I tổng quan về tổ hợp động cơ máy phátcấp điện tập trung

1-1 Tình hình sử dụng tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung

Cùng với sự phát triển kỹ thuật vận chuyển Đường sắt theo hướng gia tăng tốc độ chạy tầu, sử dụng hệ thống điều chỉnh và điều khiển hiện đại, gia tăng độ êm dịu và đặc biệt sử dụng hệ thống thiết bị chẩn đoán nhanh đảm bảo an toàn chạy tầu thì không thể không quan tâm đến hệ thống cấp điện cho các đoàn tâù phục vụ trực tiếp cho tổ chức khai thác của ngành đường săt trên thế giới nói chung và Đường sắt Việt Nam nói riêng Tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung được sử dụng rất rộng rãi trên các đoàn tầu chạy chính tuyến và được coi như một thành phần chủ yếu của đoàn tầu Ơ' nước ta, trong cao trào của những năm đổi mới, hướng nâng cao chất lượng phục vụ hành khách được quan tâm nhiều hơn, có liên quan mật thiết với trang bị tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung thay cho hệ thống cấp điện

cổ điển, dùng máy phát một chiều liên kết với trục bánh xe cấp điện cho đoàn tầu Kiểu cấp điện như vậy bộc lộ rất nhiều khuyết điểm không đáp ứng được nhu cầu của các trang thiết bị và hệ thống chiếu sáng , không nâng cao chất lượng phục vụ hành khách đi tầu, gây ra nhiều sự cố không đáng có

Từ lý do đó ngành Đường sắt đã thay đổi phương thức cấp điện cổ điển bằng phương thức cấp điện tập trung theo từng giai đoạn và loại nguồn điện sử dụng là

điện áp xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha Phương án khởi đầu được sử dụng đó là: Dùng

tổ hợp động cơ Bông sen 12 mã lực, kéo máy phát điện một chiều LK5 của Trung Quốc, phương thức cấp điện này đã có được một số tiến bộ nhất định, song cũng bộc lộ nhiều khuyết điểm nhất là về chiếm dụng không gian lắp đặt quá nhiều, cồng kềnh, chất lượng động cơ Bông sen kém, mức độ ô nhiễm môi trường cao, bất tiện khi điều chỉnh số lượng toa xe do nhu cầu vận tải Một bước thay đổi nữa là sử dụng tổ hợp động cơ diesel YANMAR 60L của Nhật bản kéo máy phát điện không

đồng bộ ba pha do nhà máy chế tạo điện cơ sản xuất, cấp dòng xoay chiều ba pha

có điện áp 220/380VAC, nhờ biến áp hạ xuống 28V, qua bộ chỉnh lưu thành dòng một chiều cấp cho các phụ tải làm việc

Từ những năm 1996 đến năm 2001 ngành đã đầu tư mua những loại MPĐ có công suất từ 100- 300KWA lắp đặt trên một toa xe ( gọi là toa xe BVPĐ hoặc CV- PĐ) một hoặc hai tổ hợp Những tổ hợp của MPĐ này của hãng Cummin, FGWilson, Jubilee… đã cung cấp nguồn điện 380V/220V cho các đoàn tầu từ 12 -

15 toa xe, các toa xe này được trang bị các loại thiết bị hiện đại như máy ĐHKK, Tivi, thùng đun nước sôi, các loại đèn chiếu sáng…

Đối với các lọai MPĐ loại này vẫn còn thể hiện nhiều nhược điểm: Công suất nhỏ, không phải thiết kế để đặt lên toa xe do đó không chịu được rung, va đập nên tuổi thọ giảm, hay hỏng bất thường (độ tin cậy thấp)

Từ năm 2001 đến nay tổ hợp MPĐ Broadcrown 380S đã được đưa vào sử dụng thử nghiệm Sau một thời gian sử dụng nó được đánh giá là loại tổ hợp MPĐ

có chất lượng và các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế phù hợp với ngành Đường sắt Việt Nam và từ đó đến nay đã được sử dụng trên toàn bộ các đoàn tầu có đẳng cấp cao của Đường sắt Việt Nam với số lượng như sau: XNVDTXK Hà Nội là 27 tổ hợp, XNTX Đà Nẵng là 03 tổ hợp và XNTXK Sài Gòn là 21 tổ hợp

Bảng 1-1: Quá trình sử dụng tổ hợp đông cơ máy phát điện trong ngành

Đường sắt Việt Nam

Cơ cấu chủng loại tổ hợp động cơ máy phát đang sử dụng trong ngành Đường sắt Việt Nam thể hiện trong bảng 1- 2

Hình 1-1 Quá trình biến đổi và chuyển giao năng lượng ở tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung:

HN - Hoá năng của nhiên liệu diesel;

Q - Nhiệt lượng nhận được từ nhiên liệu;

A - Công cơ học do nhiệt năng sinh ra;

A

HN

E - Điện năng được tạo ra từ máy phát điện

Dạng biến đổi và chuyển giao năng lượng diễn ra như sau:

HN Q A E Cấp cho các phụ tải

Từ phân tích trên dễ ràng nhận thấy: Nguồn điện năng cung cấp cho các phụ tải phụ thuộc chủ yếu vào công suất của động cơ diesel Như vậy mối quan hệ hữu cơ giữa động cơ diesel và máy phát là công suất cơ và công suất điện thông qua quá trình chuyển giao năng lượng Trong mối quan hệ này, trước hết phải quan tâm đến hiệu suất cơ khí của động cơ diesel cũng có nghĩa là công suất hữu ích trên trục

động cơ diesel Mặt khác phải thừa nhận một phần công suất hữu ích dùng cho các thiết bị phụ để đảm bảo quá trình làm việc của bản thân động cơ diesel Cuối cùng công suất dùng để tạo ra điện năng N K có dạng:

m DC

K N

trong đó:

N DC - Công suất chỉ thị của động cơ diesel [kw];

β - Phần công suất hữu ích dùng cho các thiết bị phụ của động cơ diesel (β =0.05ữ15)N E, [Kw];

m

η - Hiệu suất cơ khí của động cơ diesel ( ηm =0.80−0.84), [%]

Như vậy công suất của động cơ diesel chuyển thành công suất của máy phát

trong đó: ηP- Hiệu suất của máy phát; U p - điện áp định mức của máy phát điện;

I P - dòng điện định mức của máy phát điện; cos ϕ là góc lệch pha giữa dòng điện

và điện áp

Trong tổ hợp động cơ máy phát điện, công suất tiêu thụ của các phụ tải bị giới hạn bởi độ lớn của công suất cấp NP Công suất tiêu thụ của các phụ tải quyết

định mức độ tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel

Hiệu suất của các quá trình biến đổi năng lượng được trình bày trong bảng 1.3

2 Nhiệt → cơ năng Turbin hơi nước

Động cơ hơi nước

0.40 0.20

3 Nhiên liệu → cơ năng Động cơ diesel

Động cơ xăng

0.36 0.25

4 Nhiên liệu→ nhiệt → cơ

→ điện năng

Nhà máy nhiệt điện

Hệ thống hơi nước khí cháy

0.40 0.55

8 Hoá năng → điện năng ắc quy

pin khí cháy

0.70 0.60

1-3 Phân tích quá trình tiêu thụ nhiên liệu diesel khi cấp điện cho các phụ tải làm việc

Xuất phát từ tình hình khai thác cụ thể của các đoàn tầu khách có sử dụng tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung tại Xí nghiệp vận dụng toa xe khách Hà Nội Lượng tiêu hao nhiên liệu diesel có thể tổng hợp trong bảng 1- 4

Bảng 1-4

N Số toa xe Tên tổ hợp

động cơ - máy phát

Mác tầu

số chuyến

Tiêu hao [lít]

12 71701 Cummín- onan 85 YB1/2 63 5.900.3 +3076.3

Bảng 1-4 Lượng tiêu thụ nhiên liệu diesel trong tổ hợp động cơ - máy phát cấp điện tập trung quý II /2005

Từ bảng 1- 4 ta có thể tính lượng tiêu hao nhiên liệu bình quân theo các mác tầu trên cùng cung đoạn theo biểu thức sau:

i n i n

B B

∑n i − Tổng số chuyến trên cùng mác tầu, cùng cung đoạn vận tải

Để có cơ sở khoa học phân tích chi phí nhiên liệu của động cơ diesel trong tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung phải sử dụng chỉ tiêu chi phí nhiên liệu

lit N

B

b n

i

n i i

,

B b

Tổng công suất tiêu thụ của các phụ tải {kw.h];

Bhi - Chi phí nhiên liệu theo giờ chạy trên đoạn đường thứ " i" [kg/h];

VKi - Tốc độ chạy bình quân trên đoạn đường thứ "i" [km/h]

Phần II Chế độ làm việc kinh tế của

tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung

2-1 Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý làm việc của tổ hợp động cơ máy phát

Trên hình 2- 1 trình bày sơ đồ cấu trúc của tổ hợp động cơ máy phát cấp

điện tập trung

1 2

3 4

5

6 7

Hình 2-1 Sơ đồ cấu trúc của tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung

1 - Động cơ diesel; 2 - Bộ điều chỉnh chế độ làm việc của động cơ diesel;

3 - Máy phát điện một chiều; 4 - Máy phát điện xoay chiều;

3≈

5 - Bộ biến tần hoặc biến pha; 6 - Phụ tải một chiều; 7 - Phụ tải xoay chiều

Từ sơ đồ nguyên lý ( hình 2- 1.) có thể miêu tả quá trình làm việc của tổ hợp

động cơ máy phát điện như sau: Hoá năng của nhiên liệu biến thành cơ năng trên trục động cơ diesel dùng để kéo máy phát điện tạo ra điện áp và cường độ dòng

điện cấp cho các phụ tải làm việc trong quá trình khai thác đoàn tầu trên Đường sắt Phụ tải của máy phát bao gồm các thiết bị tiêu thụ điện năng khác nhau như: Hệ thống máy điều hoà không khí, hệ thống chiếu sáng, hệ thống hâm nóng nước,

Chức năng của tổ hợp động cơ máy phát điện là: Tạo ra một điện áp ổn định, cấp theo yêu cầu của các loại phụ tải khác nhau, mà chế độ làm việc của phụ tải lại luôn thay đổi, phụ thuộc vào các điều kiện môi trường thiên nhiên và xã hội do chế độ làm việc của phụ tải như vậy nên khó có thể xây dựng được một định mức tiêu hao nhiên liệu hoàn chỉnh cho tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung cho

đoàn tầu

2-2 Sự phối hợp làm việc của động cơ diesel và máy phát điện

Trong tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung, có thể các dạng biến đổi năng lượng theo hai chiều: Cơ thành điện, điện thành cơ (xem hình 2-1) Về nguyên tắc động cơ diesel phải làm việc ở phạm vi hẹp của tốc độ quay để bảo đảm hiệu suất nhiệt cao và các chỉ tiêu về độc hại là thấp nhất ứng với phạm vi ấy, động cơ diesel sẽ làm việc ở chế độ kinh tế nhất Theo khía cạnh khác, động cơ diesel chỉ cho phép quá tải không quá 10%, vì thế phải lựa chọn tổ hợp sao cho máy phát tiếp nhận công suất từ động cơ diesel có giá trị ổn định, không phụ thuộc vào quá trình

điều khiển tốc độ quay và mômen quay của động cơ diesel, nghĩa là:

ωS − Tốc độ quay trên trục động cơ diesel [rad/s]

Mặt khác không phụ thuộc vào các thông số dòng tức thời cấp cho phụ tải từ máy phát và công suất điện có dạng:

g

trong đó:gC − Chi phí nhiên liệu đơn vị trung bình trong thời gian làm việc của

động cơ diesel [g/kWh];

gC - Chi phí nhiên liệu đơn vị ở chế độ định mức [g/kWh]

Trên hình 2- 2 Trình bày các đặc tính chủ yếu của động cơ diesel khi thanh răng nhiên liệu ở vị trí lớn nhất

Đối với máy phát điện một chiều cũng như máy phát điện xoay chiều, không

có loại đặc tính ngoài tự nhiên nào thoả mãn yêu cầu ứng với một tốc độ quay nhất

định của động cơ diesel, máy phát có một công suất ổn định khi tải thay đổi, nghĩa

là thoả mãn điều kiện: NP = UI = Const Để có đặc tính dạng hypecbol công suất không đổi phải sử dụng bộ điều chỉnh sao cho đặc tính ngoài của máy phát tiếp cận với đặc tính công suất không đổi của động cơ diesel Trên hình 2-3 trình bày mối quan hệ đó

K K

Umax

Umax - Điện áp cực đại ứng với mức bão hoà từ của máy phát;

UZ - Điện áp định mức của máy phát;

Đặc tính công suất không

đổi của động cơ diesel

Trên hình 2- 3, đoạn 1- 2 biểu thị hạn chế điện áp của máy phát điện, khi đó mạch từ của nó bão hoà, do đó ở đoạn này không thể lợi dụng triệt để công suất của

động cơ diesel Đoạn 2- 3 đặc tính công suất của động cơ có dạng hypecbol; đặc tính ngoài của máy phát có dạng parabol do đó ở đây máy phát bị hạn chế bởi công suất định mức của động cơ diesel và có khả năng khai thác triệt để công suất của

động cơ diesel Đoạn 3- 4 biểu thị hạn chế dòng cực đại của máy phát điện phụ thuộc vào điều kiện phát lửa, phát nóng và không thể khai thác triệt để công suất của động cơ diesel

Hình 2-4 trình bày sơ đồ khối hệ điều chỉnh đặc tính ngoài của máy phát điện xoay chiều đồng bộ:

Sự phối hợp làm việc của động cơ diesel và máy phát điện có ảnh hưởng rất lớn đến kinh tế nhiên liệu Chính vì lẽ đó trong khai thác phải quan tâm đến công việc hợp lý của các hệ thống trong tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung

T2

2-3 Chế độ làm việc kinh tế của tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung

Như đã biết, đặc tính làm việc của tổ hợp động cơ máy phát phụ thuộc vào

đối tượng phục vụ của nó, ở đây đối tượng phục vụ của nó là các phụ tải dưới dạng:

- Hệ thống làm mát đoàn tầu bằng điều hoà không khí

- Hệ thống làm mát đoàn tầu bằng quạt điện

- Yếu tố về khí hậu thời tiết

- Yếu tố về môi trường vận dụng

- Yếu tố về hành khách đi tầu

- Yếu tố về lưu thông và tác nghiệp khi cần thiết

Trong điều kiện hiện tại rất khó xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố

về mặt định tính và đăc biệt về mặt định lượng đến chế độ làm việc kinh tế của tổ hợp động cơ máy phát ở đây phân tích chế độ làm việc kinh tế của tổ hợp động cơ máy phát theo các công việc của các hệ thống thuộc bản thân động cơ diesel và máy phát trong quá trình khai thác

- Đặc tính làm việc của động cơ diesel

Các thông số đánh giá chế độ làm việc kinh tế của động cơ diesel được xác

định bởi các hệ số sau:

+ Chi phí nhiên liệu khai thác đơn vị [g/kWh]

+ Hiệu suất khai thác công suất của tổ hợp động cơ máy phát l ηKT]

+ Hệ số khai thác công suất của động cơ diesel [kN]

Các chỉ tiêu này phải kể đến thời gian làm việc của động diesel khi không tải

và quá trình chuyển tiếp sảy ra nếu có

- Chuyển hoá năng lượng sảy ra ở tổ hợp động cơ máy phát

Việc chuyển hoá này biểu thị bằng các hiệu suất thành phần và ở mức độ lớn phụ thuộc vào sự lợi dụng năng lượng hợp lý ở bản thân động cơ, ảnh hưởng đến chuyển hoá này phải kể đến:

+ Đặc tính làm việc của các phụ tải

+ Đại lượng công suất tiếp nhận để cấp cho các thiết bị phụ

+ Quá trình rối loạn công việc của động cơ

Hiệu suất khai thác của động cơ diesel khá cao, điều đó cũng có nghĩa là khả năng lợi dụng năng lượng cấp cho các phụ tải làm việc khá tốt

- Chế độ làm việc hợp lý của hệ thống và các thiết bị phụ

Vấn đề này có ảnh hưởng rất lớn đến kinh tế nhiên liệu của tổp hợp động cơ máy phát Hệ thống và các thiết bị phụ chủ yếu phải kể đến là:

Trên hình 2-5 thể hiện chi phí công suất cho các hệ thống và các thiết bị phụ của tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung

- Hệ thống làm mát động cơ diesel và máy phát điện

Hệ thống này tiếp nhận phần công suất khá lớn của động cơ diesel, ( trường hợp đặc biệt lên đến 6% công suất định mức) vì thế phải giành sự quan tâm thích

đáng cho vấn đề này Có thể thực hiện giảm chi phí năng lượng thông qua:

+ Sử dụng hệ thống làm mát nhiệt độ cao ( 110 - 1250C) nhờ thế có thể:

* Giảm công suất để dẫn quạt làm mát tới 30%, từ đó giảm chi phí nhiên liệu của

động cơ diesel

* Giảm đến 3,5 lần thể tích làm mát

* Cải thiện tốt công việc của động cơ diesel

+ Tối ưu hoá hệ thống dẫn động quạt làm mát Dẫn động bằng cơ khí, thuỷ lực cơ khí cùng với thay đổi vị trí góc cánh quạt cho khả năng chi phí nhiên liệu nhỏ nhất Đồng thời cũng phải chú ý rằng hệ thống dẫn động quạt bằng động cơ

điện xoay chiều có tần số thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ của nước mang lại hiệu quả kinh tế khá lớn nhờ giảm chi phí nhiên liệu

+ Cực tiểu hoá sức cản động học trong các đường ống lưu thông của hệ thống làm mát và điều chỉnh cửa chớp cũng có tác dụng giảm chi phí nhiên liệu của động cơ diesel

+ Làm mát tối ưu máy phát điện sẽ cho khả năng giảm chi phí nhiên liệu khá nhiều Một điều đáng chú ý là công suất của máy điện bị hạn chế bởi nhiệt độ phát nóng cho phép Số nhiệt lượng toả ra tỷ lệ với bình phương của cường độ dòng điện

đó.Việc duy trì được nhiệt độ ổn định ( tiệm cận với nhiệt độ cho phép ) là lời giải

lý tưởng, đồng thời thay đổi năng suất làm mát của quạt theo nhiệt độ của không khí ở cửa vào là cần thiết Trên hình 2- 6 trình bày sự phụ thuộc của nhiệt độ của cuộn dây máy điện vào năng suất làm mát của quạt khi nhiệt độ không khí ở cửa vào khác nhau

W f t

), , ( I t0f

Q &W = W (2- 8)

trong đó:

- Iw - Dòng điện phần ứng;

- tw- Nhiệt độ cuộn dây phần ứng;

- t0- Nhiệt độ không khí ở đầu vào

Thực hiện theo phương án này chi phí nhiên liệu sẽ giảm đáng kể so với các phương thức dẫn động và điều chỉnh hiện nay

Vai trò của cơ sở kỹ thuật trong việc tiết kiệm năng lượng trong khai thác tổ hợp động cơ máy phát

Thời gian khai thác của tổ hợp động cơ máy phát có thể kéo dài hàng vài ba chục năm, chính vì vậy việc đảm bảo trạng thái kỹ thuật tốt của tổ hợp sẽ dẫn đến giảm chi phí nhiên liệu, ngựơc lại sẽ gia tăng chi phí nhiên liệu Về lĩnh vực này yếu tố ảnh hưởng lớn đến gia tăng chi phí nhiên liệu bao gồm:

- Trạng thái kỹ thuật không tốt của hệ thống nhiên liệu và hệ thống cấp không khí

- Trạng thái không tốt của hệ thống xả khí

Một chỉ tiêu chất lượng không thể không kể đến đó là hiệu suất khai thác của

tổ hợp động cơ máy phát ηKT, hiệu suất này có dạng:

h

PT P DC

PT h

K KT

QB

N QB

η Hiệu suất của phụ tải;

Q - Nhiệt lượng của nhiên liệu [J];

Bh- Chi phí nhiên liệu theo giờ [kg/h]

Dạng đồ thị thể hiện hiệu suất khai thác của tổ hợp động cơ máy phát điện

Để đánh giá chất lượng làm việc của tổ hợp động cơ máy phát trong quá trình khai thác có thể sử dụng hàm mục tiêu sau:

= g U N U f U k U

trong đó: gU - Chi phí nhiên liệu khai thác ở vị trí mức phụ tải thứ " u ";

Nu - Công suất của động cơ diesel ứng với vị trí mức phụ tải thứ "u";

fu - Giá trị hàm mật độ phân bố tải của tổ hợp động cơ máy phát trong quá trình làm việc;

ku - Hệ số thay đổi tải trong quá trình khai thác

2-4 Phương pháp xác định lượng tiêu hao nhiên liệu trong tổ hợp động cơ máy phát điện

Trước hết có thể tổng hợp các phương pháp tính chi phí nhiên liệu trong quá trình khai thác phương tiện giao thông có liên quan đến dạng biến đổi năng lượng: Hoá năng → cơ năng → điện năng Trong trường hợp khai thác vận tải Đường sắt

đơn vị sử dụng để tính toán và phân tích tính ưu việt của quá trình khai thác là:

- Sử dụng năng lượng điện: t km

h W

đối với vận tải hàng hoá

h W

đối với vận tải hành khách

- Sử dụng nhiên liệu:t km

hoặc: HK km

g

đối với vận tải hành khách

Để nhận được các thông số trên, trong khai thác phương tiện Đường sắt tồn tại nhiều phương pháp tính.ở đây ta quan tâm đến:

- B U - Chi phi nhiên liệu đơn vị thời gian ở mức phụ tải thứ "u"[kg/h];

- t U - Thời gian động cơ diesel làm việc ở mức phụ tải thứ "u"[h];

- B KT - Chi phí nhiên liệu đơn vị thời gian khi không tải [kg/h];

- ∑ tKT −Tổng thời gian làm việc không tải [h]

- ∑ − tch Tổng thời gian chạy trên cung đoạn vận dụng [h];

- BKT - Chi phí nhiên liệu thời gian khi không tải [kg/h];

∑ tKT − Tổng thời gian động cơ làm việc không tải [h];

Từ biểu thức (2- 11); (2- 12) hoàn toàn có thể tính chi phí nhiên liệu đơn vị trong khai thác vận tải dưới dạng:

g L M

B b

g L

M

B b

K K

định để phân tích tính kinh tế nhiên liệu của động cơ diesel phải có dạng:

g M

B b

trong đó: B - Tổng lượng nhiên liệu cần thiết để tổ hợp động cơ máy phát làm việc theo cung đoạn vận chuyển cùng với đoàn tầu;

∑ MPT − Tổng công suất phụ tải nhận năng lượng điện từ máy phát [kw.h}

Để tính toán tổng lượng tiêu hao nhiên liệu B có thể sử dụng phương trình 11) hoặc (2-12), song ở đây phải dùng thông số gU = ge [g/kW.h] ở chế độ làm việc

(2-định mức của động cơ diesel, khi đó phương trình (2- 11) có dạng:

ct ct

t T

t

với: ∑t ct − Tổng thời gian chậm tầu trong một hành trình [phút];

T kh- Tổng thời gian kế hoạch chạy trong một hành trình [phút];

N K - Công suất định mức khai thác của động cơ diesel sau khi đã trừ số phần trăm công suất cấp cho hệ thống và thiết bị phụ của bản thân động cơ

ở đây có thể lấy 6- 10% tức là:

] [

; ) 9 0 94 0 ( )

∑

=K g N t ;[kg]

trong đó:

K HC- Hệ số có chú ý đến chậm tầu, khí hậu thời tiết theo mùa cũng, tỷ lệ

% công suất phụ tải tiêu thụ, suất tiêu hao nhiên liệu giữa có tải và không tải và một vài yếu tố khác xuất phát từ thực tế khai thác;

g e - Suất hao nhiên liệu của động cơ ở chế độ định mức [kg/kW.h]; ∑N Wi t Wi − Tổng công suất tiêu thụ của các phụ tải [kw.h]

Trong thực tế phải kể đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu hao nhiên liệu như: thời tiết, mật độ hành khách, thời gian chậm giờ, chất lượng các thiết bị…thì phải sử dụng công thức sau để tính chi phí nhiên liệu trong tổ hợp động cơ máy phát:

B [K N (t t ct)g e]X i;[kg]

kh W

Với: X i - Mật độ hàm phân bố phụ tải làm việc

Trong thực tế có thể sử dụng phương pháp thống kê toán học để xác định chi phí nhiên liệu của tổ hợp động cơ máy phát với mô hình bài toán như sau:

Trên tuyến Đường sắt A- B có M n số chuyến tầu theo tên gọi: X 1 ,X 2, ,,Xi Trên các chuyến tầu đó, sử dụng toa xe cấp điện tập trung ứng với các phụ tải tiêu thụ

điện năng có tích: ∑N ni.t ni[kW.h] cùng với chi phí nhiên liệu B Xi [kg] tương ứng

Hãy tính chi phí nhiên liệu theo đơn vị công suất tiêu thụ làm cơ sơ cho việc

đề xuất định mức cấp phát và định mức khai thác cho các mác tầu trên

Để xây dựng mô hình bài toán ta lập biểu thống kê có dạng như bảng 2- 1

Các thông số cần thiết để lập mô hình bài toán tính chi phí nhiên liệu

Bảng 2-1

N Số

chuyến

Mác tầu

Công suất phụ tải tiêu thụ dạng

N ni- Công suất tiêu thụ điện năng của các phụ tải được trang bị trên số chuyến tầu M n ;

t ni - Thời gian làm việc tương ứng của các phụ tải đó

Lời giải của bài toán trên có dạng sau:

Suất tiêu hao nhiên liệu của mác tầu Xi:

=∑ kWh

kg t

N

B b

ni ni

t N b B

n

ni ni

Trong đó:

B ch - Lượng tiêu hao nhiên liệu cho một chuyến tầu

Mô hình (2- 19); (2- 20); (2- 22) và (2- 23) dùng để tính toán thử nghiệm đối với tổ hợp động cơ máy phát Broadcrown BCD- 380S sử dụng ở các đoàn tầu: E1/2, S1/2, SE1/2, SP1/2, V1/2, CL5/6 trên tuyến Đường sắt Thống Nhất Đồng thời có thể áp dụng các mô hình đó để tính cho các tổ hợp động cơ máy phát khác hiện có,

đang khai thác trên các mác tầu cụ thể, theo các cung đoạn vận dụng khác nhau

Về nguyên tắc mô hình toán học trên hoàn toàn có thể đảm bảo độ chính xác cho phép và đảm bảo tính phù hợp với thực tế Song trong điều kiện ở nước ta khó

có thể hài lòng với mô hình bài toán này bởi vì:

- Không thể thống kê chính xác thời gian làm việc của các phụ tải khác nhau trên cung đoạn vận chuyển

- Sự biến động của khí hậu thời tiết rất phức tạp mà chính nó lại ảnh hưởng rất lớn đến tiêu hao nhiên liệu

- Các yếu tố về hành khách, về tác nghiệp không theo một quy luật nào cả làm cho kết quả tính toán khó bảo đảm độ tin cậy cao trong vận dụng

- Ngoài ra còn nhiều yếu tố khác chưa đề cặp được hết

Chính vì vậy phải sử dụng hệ số hiệu chỉnh xuất phát từ đo đạc cụ thể đối với

số lượng đoàn tầu đủ lớn để đảm bảo cho định mức khi đề xuất có độ tin cậy chấp nhận được Đồng thời có tác động tích cực theo hướng tiết kiệm nhiên liệu trong quá trình khai thác các phương tiện trên Đường sắt Việt nam

Để giải bài toán theo các mô hình trên các giữ kiện cần có bao gồm:

- Thông số kỹ thuật của tổ hợp động cơ máy phát cần khảo sát

- Lịch trình chạy tầu trên tuyến Đường sắt Thống Nhất

- Thành phần các phụ tải nhận năng lưọng từ tổ hợp động cơ - máy phát cùng với công suất định mức của chúng [kW]

- Thời gian làm việc thực tế của các phụ tải đó

- Thời gian chậm tầu nếu có

- Thống kê lượng tiêu hao nhiên liệu thực tế theo khung thời gian phản ảnh hai trạng thái khí hậu thời tiết khác nhau, cụ thể:

+ Khung thời gian 1: từ tháng 4 đến tháng 9 ( trạng thái mùa nóng )

+ Khung thời gian 2: từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau (trạng thái mùa lạnh) Trên cơ sở lập luận như trên sơ đồ khối để giải bài toán (2- 20) có dạng ( hình 2- 9)

n

i 〈 (sai)

TÝnh chi phÝ nhiªn liÖu cho tæ hîp §C- MF Theo m« h×nh (2- 20)

Cho Xi i=1,2, ,n

in kÕt qu¶

dõng m¸y

Phần lập trình để giải bài toán được sử dụng bằng ngôn ngữ Pascal được

trình bầy trong phụ lục 2 Mối quan hệ giữa tiêu hao nhiên liệu và sự phân bố tải

theo tỷ lệ (%) trên đoàn tầu đươc biểu diễn ở hình (2- 10)

Phần III xây dựng định mức tiêu hao nhiên liệu cho tổ hợp

động cơ máy phát cấp điện tập trung broadcrown BCD- 308s

3-1 Tổng hợp các thông số có liên quan đến tính toán tiêu hao nhiên liệu của

tổ hợp động cơ máy phát cấp điện tập trung

3-1-1 Thành phần đoàn tầu được khảo sát

Theo tổ chức khai thác các phương tiện Đường sắt, tầu khách Thống Nhất

được thành lập bởi các loại toa xe khác nhau với số lượng từ 12 đến 15 toa Trên một cung đoạn vận dụng, thành phần đoàn tầu có thể thay đổi chút ít Nguồn động lực để kéo các đoàn tầu đó thường là các đầu máy: D19E; D13E; D18E; D12E với hành trình thời gian khác nhau Trên các đoàn tầu đó được trang bị toa xe phát điện tập trung, phục vụ cấp điện cho các hệ thống thiết bị theo yêu cầu nâng cao chất lượng phục vụ hành khách đi tầu Thành phần đoàn tầu theo các mác cụ thể được tổng hợp trong bảng 3- 1

trong đó:

- HCL: Xe hàng cơm có điều hoà nhiệt độ

- HC: Hàng cơm không có điều hoà nhiệt độ

Thành phần đoàn tầu theo tổ chức của Đường sắt Việt Nam

Bảng 3-1 Mác

- Công suất liên tục: 350KVA =280[kW]

- Điện áp: 380/220V; 3 pha, 4 dây

- Tần số ;tốc độ động cơ diesel: 50HZ;1500 vòng /phút

Mức độ thay đổi điện áp ( không tải đến đầy tải): 0.5%

Thay đổi tần số ( không tải đến đầy tải ): 1%

Trọng lượng bản thân máy: 2900kg

Kích thước máy [m]: (DxRxC): 3.100 x 1.050 x 2.020

* Động cơ diesel: hãng sản xuất DEUTZ ( Đức)

- Ký hiệu động cơ: BF6M1015C2

- Số xilanh; dung tích xi lanh: 6 chữ V; 11.90 lít

- Đường kính xi lanh; hành trình píston: 132mm- 145mm

- Tiêu hao nhiên liệu giờ ở 100% tải: 77 lít/h

- Tiêu hao dầu bôi trơn: ≤ 3 %

315 kW

Gh=77 lít/h=63.14[kg/h]