Справочно-методическое пособие по нормированию топливно-энергетических и водных ресурсов для обеспечения инфраструктуры подразделений железнодорожного транспорта

Д. Б. Рожицкий, Ю. Н. Бардыкин, А. А. Рыбак






СПРАВОЧНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ПО НОРМИРОВАНИЮ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНФРАСТРУКТУРЫ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 620.9:656.2
ББК 31.19+39.2
     Р62











     Рожицкий, Д. Б.
Р62        Справочно-методическое пособие по нормированию топливно-энер-
      гетических и водных ресурсов для обеспечения инфраструктуры подразделений железнодорожного транспорта / Д. Б. Рожицкий, Ю. Н. Бардыкин, А. А. Рыбак. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 472 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1462-3

           Содержит сведения о структуре энергетики железнодорожного транспорта с учетом ее разделения на тяговую и нетяговую компоненты. Изложены методологические основы по установлению нормативных значений потребления ресурсов и приведены методики по их нормированию для практического применения. Показаны примеры выполнения вычислений нормативных значений по всем направлениям расхода: электрической энергии на нетяговые нужды; котельно-печного топлива для котельных и технологических установок; теплоты для стационарных потребителей, включая потребности в ресурсах на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение, нормативные потери в сетях и различные теплотехнологии; основных видов моторного топлива, применяемого как в автотранспорте, так и для обеспечения работы специализированной техники; объемов водопотребления и водоотведения в линейных структурных подразделениях.
           Для инженеров-энергетиков и инженеров по водоснабжению, занимающихся вопросами планирования и оценки эффективности потребления топливно-энергетических и водных ресурсов на нетяговые нужды железнодорожного транспорта. Может быть использовано специалистами других отраслей народного хозяйства при решении аналогичных задач, а также научными работниками и студентами высших учебных заведений соответствующих специальностей.

                                                              УДК 620.9:656.2
ББК 31.19+39.2




ISBN 978-5-9729-1462-3

     © Рожицкий Д. Б., Бардыкин Ю. Н., Рыбак А. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ВВЕДЕНИЕ



    Одной из важных уставных целей ОАО «РЖД» является «сохранение единой сетевой производственной инфраструктуры железных дорог и централизованного диспетчерского управления» [1].
    Для этого нужно проводить соответствующую поставленной задаче единую техническую политику для территориально распределенной компании в части инфраструктуры, чтобы эксплуатировать ее, своевременно обновлять основные фонды, модернизировать до современного уровня развития техники, обеспечивать в соответствии с конкретными задачами техническую вооруженность.
    Инфраструктуру условно делят на две части: тяговую и нетяговую, каждая из которых потребляет в процессе работы различные ресурсы: финансовые, людские, топливно-энергетические (далее также - ТЭР) и др.
    Значительные расходы ОАО «РЖД» только на приобретение первичных ТЭР (порядка 15 % от бюджета компании) делают задачу их рационального потребления несомненно значимой. При этом надо понимать, что наряду с самими ресурсами необходимо обновлять и эксплуатировать основные фонды, платить заработную плату причастному персоналу, налоги и т. п.
    Условная фрагментация инфраструктуры на тяговую и нетяговую в части ТЭР описана в [2, 3].
    «К тяговой энергетике относят:
    -      энергетические установки электровозов, тепловозов, паровозов, электро-и дизель-поездов, автомотрис, мотовозов, а также систем, непосредственно обеспечивающих их эксплуатацию;
    -      устройства электроснабжения, вспомогательные электрические машины, тяговые трансформаторы, вспомогательные системы дизелей тепловозов (топливная, масляная, водяная, воздухоснабжения), системы охлаждения тяговых генераторов и двигателей, теплообменники этих систем и т. п.
    А, соответственно, к нетяговой энергетике:
    -      машины и механизмы путевого хозяйства: грузоподъемные машины; механизированный путевой инструмент; машины для ремонта земляного полотна, балластировки и подъемки пути; машины для сборки, разборки и укладки рельсошпальной решетки и сварки пути; машины для земляных работ; машины для очистки от снега и т. п.;
    -     стационарные и передвижные дизельные и тепловые электростанции;
    -      стационарная теплоэнергетика, которая включает в себя комплексы топливо- и теплоснабжения;
    -     производственно-бытовое электроснабжение.
    К нетяговой энергетике относят также ту часть энергетики подвижного состава железных дорог, которая непосредственно не используется для тяги поездов. Это энергосиловые установки рефрижераторных вагонов, системы электро-и теплоснабжения, кондиционирования воздуха в пассажирских вагонах, кабинах машинистов и т. д.».
    Анализ потребления ТЭР подразделениями железнодорожного транспорта за последние 20 лет, выполнявшийся в том числе с участием авторов, показывает,

3

что распределение расходов на ТЭР между тяговым и нетяговым сегментом остается практически постоянным: более 80 % тяга и менее 20 % нетяга. Отклонения, происходящие в некоторые годы, в основном объясняются или резкими скачками в экономике в силу тех или иных причин, или изменением права владения основными фондами (например, передача крупных котельных в муниципальную собственность, выведение из состава компании некоторых частей бизнеса и т. п.).
   В качестве иллюстрации в табл. приведен топливно-энергетический баланс компании ОАО «РЖД» за 2021 г.

Таблица

Баланс фактических расходов ТЭР на железнодорожном транспорте в 2021 г.

                                          В натураль-                Доля    
          Виды ТЭР              Единица       ном     т у. т.'103  от общего 
                               измерения  исчислении              потребления
                                                                    ТЭР, %   
Электрическая энергия всего    млн кВ'|ч    51460,2   17239,2        76,0    
- на тягу поездов              млн кВтч     44986,3   14986,3        66,0    
- нетяговые нужды              млн кВтч     6725,0      2252,9        9,9    
Дизельное топливо всего         тыс. т      2551,5      3699,6       16,3    
- на тягу поездов               тыс. т      2367,6      3433,1       15,1    
- нетяговые нужды               тыс. т       183,8       266,6        1,2    
Сжиженный газ на тягу           тыс. т        0,4         0,6        0,003   
поездов                                                                      
Котельно-печное топливо       тыс. т у.т.     ---       1218,6        5,4    
всего                                                                        
- уголь                         тыс. т       600,1       422,5        1,9    
- мазут                         тыс. т       222,9       305,3        1,3    
                                   3                                         
- газ природный                 млн м3       421,9       485,2        2,1    
- газ сжиженный                 тыс. т        1,5         2,4        0,010   
(пропан + бутан)                                                             
- прочие виды котельно-         тыс. т        ---         2,5       0,0109   
печного топлива (дрова, кокс)                                                
Бензин автомобильный            тыс. т       37,0        55,2         0,2    
Тепловая энергия со стороны    млн Гкал       2,2        390,1        1,7    
Прочие виды топлива           тыс. т у.т.     ---        89,5         0,4    
Всего ТЭР на тягу поездов     тыс. т у.т.     ---     18420,0        81,2    
Всего ТЭР на нетяговые        тыс. т у.т.     ---       4272,8       18,8    
нужды                                                                        
Итого ТЭР по всем видам       тыс. т у.т.     ---     22692,8         100    
деятельности                                                                 

4

    Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что для осуществления своей уставной деятельности расходуется значительное количество топливноэнергетических ресурсов (электрическая энергия, дизельное топливо, уголь, природный газ, топочный мазут, тепловая энергия со стороны, бензин и пр.). Наряду с этим потребляются существенные объемы водных ресурсов: на коммунальнобытовые нужды, технологическое потребление и отпуск сторонним организациям.
    Затраты на приобретение ТЭР на нетяговые нужды в 2021 г. составили 47,5 млрд руб., что, несомненно, обосновывает пристальное внимание к анализу как приобретения этих ресурсов, так и оценки эффективности их потребления, в частности, используя механизм нормирования.
    В рамках данного издания будут рассмотрены методики нормирования топливно-энергетических и водных ресурсов, показаны примеры расчетов для конкретных задач, максимально возможным образом приведена справочная информация ко всем разделам.

5

ГЛАВА 1
ВИДЫ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ, РАСХОДУЕМЫХ В НЕТЯГОВОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

    В нетяговой энергетике в основном расходуются следующие виды ТЭР -электрическая и тепловая энергия (отпускаемая как собственными теплоисточниками, так и приобретаемая со стороны) и топливо (котельно-печное и моторное).
    Топливо - это горючее вещество, выделяющее при сжигании значительное количество теплоты, которое можно использовать для нужд теплообеспечения человека или непосредственно в технологических процессах, либо преобразующееся посредством разнообразных технических решений в другие виды энергии.
    Теплотой сгорания топлива называют количество энергии, выделяющееся при полном сгорании одного килограмма жидкого или твердого топлива, или одного кубического метра газа при нормальных условиях (нормальный кубический метр). Нормальным называют метр кубический, взятый при нормальных физических условиях: атмосферном давлении 760 мм рт. ст. (101 325 Па) и температуре 0 °C.
    Энергетическим топливом называют горючие вещества, которые экономически обоснованно использовать для производства теплоты.
    Энергетические топлива, которые составляют значительную долю в топливно-энергетических ресурсах, можно классифицировать по различным критериям: по происхождению, по агрегатному состоянию, по месту применения.
    По происхождению топлива разделяют на природные (естественные) и искусственные, получаемые различными методами.
    К естественным видам энергетического топлива относят: дрова, каменные и бурые угли, антрацит, горючие сланцы, торф, нефть, природный и попутный газы.
    К искусственным видам можно отнести: кокс, полукокс, брикеты угольные и коксовые, пеллеты, мазут, керосин, моторное топливо, генераторный, доменный, коксовый газы.
    По агрегатному состоянию топлива различают на твердые (каменные и бурые угли, дрова, торф, сланцы, пеллеты); жидкие (дизельное топливо, мазут, бензин, керосин) и газообразные (природный газ, сжиженный углеводородный газ (далее - СУГ), компримированный (сжатый) природный газ (далее - КПГ).
    Энергетическое топливо, которое имеет большое разнообразие видов, сортов и марок, можно также разделить по месту применения на две группы: котельно-печное топливо (далее также - КПТ) и моторное. Указанное деление осуществляется в зависимости от того, где сжигается топливо: в топках котлов, в печах или в двигателях внутреннего сгорания.
    К моторным топливам относят: дизельное топливо, бензин, КПГ, СУГ, а к котельно-печным видам топлива: уголь, мазут, природный газ, СУГ, дизельное

6

топливо. Как видно, ряд топлив в этой части являются универсальными, т. е. могут применяться как в качестве моторного, так и котельно-печного топлива.
    В рамках данного издания в первую очередь рассмотрим те виды ТЭР, которые нашли применение в нетяговой энергетике железнодорожного транспорта.

        1.1. Электрическая энергия

    Под электрической энергией (далее также - ЭЭ) понимают процесс совершения работы под воздействием электромагнитного поля при возникновении напряжения на всех стадиях: технологический процесс, производство или транспортировка по электросетям, дальнейшее ее распределение по потребителям. Основной единицей измерения ЭЭ является киловатт-час (кВт-ч) и кратные ему единицы. Для оценки ресурса наряду с количественными показателями применяются и качественные, а именно: напряжение, частота и вид тока, количество фаз (для переменного тока), номинальное и максимальное значение величины электрического тока.
    На железнодорожном транспорте в нетяговом сегменте ЭЭ расходуется на: освещение производственных и коммунально-бытовых объектов (внутреннее и наружное), привод разнообразных двигателей, обеспечивающих работу технологического оборудования и систем отопления, вентиляции и кондиционирования, коммунальное и офисное потребление и ряд других.

        1.2. Теплота (тепловая энергия)

    Тепловая энергия (далее также - ТЭ) - энергетический ресурс, при потреблении которого изменяются термодинамические параметры теплоносителей (температура, давление) или агрегатное состояние. В энергетике железнодорожного транспорта ТЭ используется для обеспечения отопления, вентиляции, горячего водоснабжения (далее также - ГВС), в разнообразных технологических установках. Она вырабатывается как собственными источниками при сжигании КПТ, так и частично приобретается у сторонних поставщиков (тепловая энергия со стороны). ТЭ генерируется и потребляется в основном в виде пара или горячей воды. Пар, отпускаемый из котельной, может быть сухой насыщенный или перегретый. Последний используется, как правило, для генерации электрической энергии. Для нужд железнодорожных подразделений отпускается, как правило, сухой насыщенный пар. Для некоторых технологических установок используется в качестве сушильного агента также теплота отходящих газов (пескосушильные установки), образующаяся при непосредственном сжигании топлива в специализированных установках.
    Единица измерения теплоты в Международной системе единиц (СИ) -Джоуль (Дж). Как единица ее измерения также может применяться калория, которая допущена в Российской Федерации к использованию в качестве внесистемной единицы «без ограничения с областью применения промышленность» [4]. Единицы измерения теплоты: калория и Джоуль связаны соотношением

7

кал = 4,186 Дж. В связи с тем, что 1 кал крайне незначительная величина, которая численно равна количеству энергии, которое надо подвести к 1 грамму воды при нагреве его на 1 °C, на практике применяют более крупные величины -1 Мкал (мегакалория) = 10⁶ кал и 1 Гкал (гигакалория) = 10⁹ кал. Аналогично применяют - МДж (мегаджоуль), который равен 10⁶ Дж и ГДж (гигаджоуль) -10⁹ Дж.
    Соотношения между единицами физических величин в различных системах измерения приведены в приложении № 1.

        1.3. Котельно-печное топливо

    1.3.1. Твердое топливо

    Наиболее распространенные виды твердого топлива - это, несомненно, бурые и каменные угли, антрациты, горючие сланцы, древесина (в том числе пеллеты) и торф.
    Бурые угли не спекаются, отличаются большим выходом летучих веществ (Гг = 40-60 %), высокими зольностью (Aр = 15-30 %) и влажностью (W = 30-40 %). Низшая теплота сгорания на рабочую массу для бурых углей различных месторождений находится на уровне Q нр = 10,6-15,9 МДж/кг (2500-3800 ккал/кг).
    Каменные угли по составу и свойствам более разнообразны. Они обладают сравнительно невысокими зольностью (Aр = 5-25 %) и влажностью (W = 5-10 %) при широком диапазоне выхода летучих веществ (V = 10-40 %). Основная масса каменных углей спекается. Низшая теплота сгорания на рабочую массу для каменных углей различных месторождений находится на уровне Q.r = 23-27 МДж/кг (5500-6500 ккал/кг). Их классифицируют как по выходу летучих веществ и характеру коксового остатка: длиннопламенный - Д, газовый - Г, жирный - Ж, коксовый - К, спекающийся - С, тощий - Т, антрацит - А [5], так и по крупности кусков: плитный - П, крупный - К, орех - О, мелкий - М, семечко - С, штыб - Ш, рядовой - Р.
    Антрациты отличаются от других твердых топлив плотной структурой, высоким содержанием углерода (Cг = 93-96 %), малым выходом летучих веществ (Vе = 3-5 %), малой зольностью (Aр = 13-17 %), незначительной влажностью (1Г" = 5-7 %) и «высокой», относительно других углей, низшей теплотой сгорания на рабочую массу, которая для различных месторождений находится на уровне Q нр = 30-35 МДж/кг (7200-8400 ккал/кг).
    Горючие сланцы в котельных железнодорожного транспорта практически не используются. Физико-технические характеристики у них следующие: большая зольность (Aр = 50-60 %) и высокий выход летучих веществ (Vе = 80-90 %) при незначительной влажности (1Г" = 15-20 %). У них самая малая для твердых топлив низшая теплота сгорания на рабочую массу: Q нр = 5,7-10 МДж/кг (1400-2400 ккал/кг).
    Древесина отличается очень малой зольностью (Aр <1 %) и большим выходом летучих веществ (J ’ = 85 %). Значительная влажность древесины (W = 40-60 %)

8

определяет весьма незначительную низшую теплоту сгорания на рабочую массу: QHP = 10-12 МДж/кг (2400-2900 ккал/кг).
    В настоящее время начали находить применение «обогащенные» древесные отходы - пеллеты.
    Пеллеты - это сравнительно новый вид твердого КПТ, появившийся в последние годы и нашедший практику использования в небольших котлоагрегатах. К несомненным достоинствам данного вида топлива можно отнести то, что можно автоматизировать процесс топливоподачи и сжигания, т. е. свести уровень использования ручного труда к минимуму.
    Пеллеты представляют из себя прессованные гранулы (цилиндрики) разнообразных твердых отходов диаметром 0,5-1 см и высотой до 5 см.
    Сырьем для производства этих гранул могут быть: торф, балансовая (некачественная) древесина и древесные отходы (кора, опилки, щепа и другие отходы лесозаготовки), а также разнообразные отходы сельского хозяйства, от соломы и лузги подсолнечника до сушеного куриного помета.
    Сырье (опилки, кора и т. д.) поступает в дробилку, где измельчается до состояния муки, которая поступает в сушилку, из нее - в пресс-гранулятор, где эту древесную муку сжимают в гранулы. Сжатие во время прессовки повышает температуру материала, а лигнин, содержащийся в древесине, размягчается и склеивает частицы в плотные цилиндрики.
    Гранулы отличаются от обычной древесины значительно более высокой сухостью (влажность всего 8-12 %, для сравнения - влажность сырых дров -30-50 %) и большей, примерно в полтора раза, плотностью, чем дрова. Эти качества обеспечивают высокую теплотворную способность пеллет по сравнению со щепой или дровами.
    Топливные гранулы - экологически чистое топливо с содержанием золы Aр, как правило, не более 3 %, и влажностью (W = 8-12%), при этом низшая теплота сгорания на рабочую массу находится на уровне Q7¹ = 16,7-19,5 МДж/кг (4000-4600 ккал/кг).
    Торф - самый «молодой» вид твердого органического топлива. Он имеет большой выход летучих веществ (Гг = 70 %), высокую влажность (W = 30-50 %) и малое содержание золы (Aр = 5-10 %). Низшая теплота сгорания на рабочую массу у торфа небольшая - Q нр = 10-13 МДж/кг (2400-3100 ккал/кг).

    1.3.2. Жидкое топливо

    Природное жидкое топливо - это, несомненно, нефть [6], которая одновременно является основой получения искусственных жидких топлив. Нефть - это жидкий мазеобразный горючий минерал, имеющий окраску от светло-желтой до темно-коричневой и почти черной, состоит в основном из углерода (83-87 %) и водорода (12-14 %), входящих в состав сложной смеси углеводородов. Также присутствуют и высокомолекулярные соединения в виде смол и асфальтовых веществ. Кроме углеводородной части, в нефти содержатся другие компоненты (соединения серы, азота и кислорода) и механические примеси. Всего нефть содержит около сотни различных соединений. Для переработки нефти в различные

9

нефтепродукты (моторные топлива, котельно-печные топлива, масла, смазки и т. п.) применяют крекинг или перегонку нефти.
    Установка для перегонки нефти представляет собой трубчатую печь для нагревания нефти и ректификационную колонну, где нефть разделяется на фракции - отдельные смеси углеводородов в соответствии с их температурами кипения - бензин, лигроин, керосин и т. д. После нагревания нефти в трубчатой печи в змеевике, пары нефти попадают в ректификационную колонну. В ней горизонтально расположены несколько десятков перегородок с отверстиями. Пары нефти, поступая в колонну, поднимаются вверх и проходят через отверстия в перегородках. Постепенно охлаждаясь при своем движении вверх, они сжижаются на тех или иных перегородках в зависимости от температур кипения.
    В процессе перегонки нефти компоненты (фракции) нефти отгоняются в порядке возрастания их температур кипения: бензиновая фракция от пентана до декана перегоняется в пределах до 180 °C, керосиновая - 120-315 °C, керосиногазойлевая - 180-350 °C. Из этих фракций вырабатываются так называемые светлые нефтепродукты: авиационные и автомобильные бензины; бензины-растворители; керосины; различные сорта дизельного топлива. Выход бензина при перегонке составляет от 5 до 20 %. После отбора светлых нефтепродуктов остается мазут [6], из которого в процессе переработки при температуре свыше 300 °C получают смазочные и специальные масла. Остаток после разгонки мазута (при температуре выше 500 °C) называется гудроном, из которого получают битум и высоковязкие смазочные вещества.
    При крекинге нефти (от англ. Cracking - расщепление) происходит процесс разложения углеводородов нефти на более летучие вещества. По сравнению с перегонкой при крекинг-процессе выход бензина составляет от 30 до 70 % от исходной массы сырья, кроме того, при крекинге наряду с бензином образуются другие различные углеводородные соединения, используемые химической промышленностью .
    Мазут сжигают в топках котлов и печей. Он характеризуется высокой низшей теплотой сгорания на рабочую массу на уровне Q нр = 40-42 МДж/кг (9500-10000 ккал/кг) и представляет собой вязкую жидкость, которую необходимо подогревать до 320-330 K (50-60 °C) при транспортировании по трубам, а при сжигании - до 350-390 K (80-115 °C).
    Широкое распространение в котельных железнодорожного транспорта получили мазуты следующих марок: М40, М100 [6] и ТКМ 16 [7].
     Важной характеристикой мазута является его вязкость. Различают динамическую (Па-с) и кинематическую (м²/с) вязкость. Кроме того, получила широкое распространение внесистемная единица - градус условной вязкости (обозначается °ВУ). Условная вязкость определяется опытным путем, а именно отношением времени истечения 200 мл испытываемой жидкости при данной температуре из специального вискозиметра ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды из того же прибора при 20 °C.
     Вязкость мазута зависит от его температуры. Так, например, подогрев мазута марки М100 с 60 °C до 80 °C позволяет уменьшить вязкость более чем в 3 раза (с 50 до 16 °ВУ).

10