Научная статья на тему 'Перспективы применения топливных элементов на карьерном автотранспорте'

Перспективы применения топливных элементов на карьерном автотранспорте Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
268
29
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Перспективы применения топливных элементов на карьерном автотранспорте»

Перспективность применения электрифицированных систем автотранспорта для работы в глубоких карьерах увеличивается в условиях непрерывно возрастающих цен на жидкое топливо и отработки разведанных его запасов в течение ближайших 20-30 лет. Поэтому оснащение горных предприятий и расположенных рядом городов и поселков, потребляющих тепловую и электрическую энергию мобильными энергоустановками, ориентированными на энергопотребление конкретного предприятия должно осуществляться с использованием когенерационных технологий. Вблизи разрезов или на их борту устанавливаются мобильные теплоэлек-трические станции, работающие на местном топливе и обеспечивающие электроэнергией добывающее предприятие и поставляющее тепло для расположенных вблизи городов и поселков.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фиделев А. С. Троллейный и дизель-троллейвозный транспорт. - М.: Недра, 1966. - 85 с.

2. Дизель-троллейвозный транспорт на карьерах / В.Л. Яковлев, В.П. Смирнов, Ю.И. Лель, Э.В. Горшков. - Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1991. - 104 с. ГТТШ

— Коротко об авторах —

Горшков Э.В. - к.т.н., доц., УрГГА, Тарасов А.П. - м.н.с., ИГД УрО РАН.

--© П.И. Тарасов, А.Г. Журавлев,

М.В. Исаков, 2008

УДК 330.341.1:65.01

П.И. Тарасов, А.Г. Журавлев, М.В. Исаков

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА КАРЬЕРНОМ АВТОТРАНСПОРТЕ

ри возрастающем дефиците топливно-энергетичес-ких ресурсов на открытых горных работах в перспективе

318

может выдержать конкуренцию только транспорт, имеющий низкую удельную энергоёмкость. Это прежде всего относится к тем видам карьерного транспорта, у которых низкий коэффициент тары и небольшие затраты на подъём собственной массы. Известно, что автомобильный транспорт имеет незначительные резервы по снижению коэффициента тары. С повышением глубины карьеров и средневзвешенного продольного уклона автодорог автосамосвалы с комбинированной энергоустановкой (КЭУ) позволяет компенсировать часть энергии, затрачиваемой на подъём собственной массы автомобиля, путём её рекуперации.

Применение крутых уклонов автодорог (10-12 %) позволяет форсировать вскрытие месторождений полезного ископаемого, снизить объёмы горно-капитальных работ, а также сократить расстояние транспортирования горной массы с глубоких горизонтов карьера. Расчёты позволили установить, что в карьере глубиной 300 м, имеющем минимальные параметры для размещения погрузочного и транспортного оборудования, изменению продольного уклона спирального съезда от 8 до 12 % при применении автомобилей грузоподъёмностью 75, 110 и 180 т соответствует снижение объёмов дополнительного разноса бортов карьера соответственно на 14,0, 15,7, 17,7 млн т. С ростом глубины карьеров до 400-500 м эти объёмы будут возрастать.

Ведение горных работ с использованием автосамосвалов с КЭУ, в основном, аналогично технологии с дизельными автосамосвалами и отличается возможным сокращением горизонтальных участков в забое и на отвалах, увеличением продольных уклонов на трассе. Эти технологические особенности могут оказать некоторое позитивное влияние на параметры системы разработки с применением автосамосвалов с КЭУ.[1]

На эксплуатируемых автосамосвалах используют в качестве силового агрегата дизельный двигатель. Возможно, использование ГТД в качестве силового агрегата и возможно получение энергии от внешних источников, например, от контактной сети (троллеи), как это реализовано в дизель-троллейвозе.

ГТД - это надежный, легкий двигатель, (1-2 кВт/кг.) прост в эксплуатации, не токсичен, бесшумен, но имеет большой расход топлива при малых мощностях.

Дизельный двигатель требует частых ремонтов, имеет высокую удельную массу (6-10 кг/кВт.), токсичен. Минимальный пре-

319

дел расхода топлива 190 г/кВт-час, при существующих 210 г/кВт-час.

Питание энергосистем самосвала от внешнего источника от контактной сети экономически целесообразно, но карьерные условия не позволяют использовать троллеи на нижних и средних горизонтах, из-за высокой вероятности повреждения при буровзрывных работах, и частым переносом дорог.

Каждый вид первичного двигателя имеет свой преимущества, и недостатки, из-за которых, применение того или иного двигателя становится нерациональным.

Следует обратить внимание на то, что карьерный транспорт в течение смены работает по одному циклу (движение порожняком по отвалу - спуск в карьер - движение по забою порожняком - загрузка - движение по забою с грузом - подъем - разгрузка). Движение самосвала без груза по горизонтальной плоскости не требует больших энергозатрат. При движении на подъем в грузовом направлении энергопотребление двигателя максимально, а при движении вниз высвобождается потенциальная энергия, запасенная при движении в грузовом направлении.

В современных системах электропривода карьерных автосамосвалов, энергия электродинамического торможения рассеивается на тормозных резисторах в виде тепла.

Однако, если запасти эту энергию, то её хватит для питания силовых и вспомогательных цепей порожнего самосвала при движении от места разгрузки до места погрузки.

320

Техническое решение - у типичного самосвала заменить дизельный двигатель на легкий и не токсичный ГТД, комбинированный с аккумулятором энергии. При использовании ГТД -снижается загазованность карьера и повышается надежность энергосиловых систем самосвала. При малом потреблении система питается от Аккумулятора энергии, когда использование ГТД не рационально (общая масса установок ГТД + аккумулятор не превышает массу дизеля такой же мощности). При такой конфигурации энергосиловой установки экономия топлива может достигать 20 % от расхода дизельного двигателя той же мощности [2].

В качестве аккумулятора энергии можно использовать маховик, суперконденсатор, электролитический аккумулятор, электрохимический генератор.

При использовании маховика, из-за высокой скорости вращения высока вероятность разрыва маховика и большой гироскопический момент воздействует на раму, эти недостатки могут привести к серьезной аварии. Уклоны ограничивают при-менение электролитических аккумуляторов, для которых большое значение имеет уровень электролита.

Источники малой мощности, которые можно работают по накопительному принципу (маховик, суперконденсатор, электролитический аккумулятор) не могут дать больше энергии, чем в них запасено. В реальных условиях эксплуатации весьма вероятны режимы, когда запасенная энергия расходуется не рационально и её

321

может не хватить на технологические операции, следовательно, появится необходимость запускать ГТД преждевременно. С этой точки зрения такой накопитель-гене-ратор, как топливный элемент является весьма перспективным для применения в КЭУ.

Топливный элемент - химический источник тока, в котором активные вещества поступают к электродам извне; это прямой преобразователь химической энергии в электрическую, в котором реакция электрохимического окисления протекает без расхода вещества электродов и без расхода электролита. Исходными реагентами служат компоненты химического топлива - горючее и окислитель, обладающие запасом энергии химической связи, которая преобразуется в энергию постоянного электрического тока. Принципиальное отличие процесса электрохимического окисления от горения: все стадии химической реакции горения при активном столкновении молекул в смеси горючего и окислителя протекают одновременно во всех элементарных объемах области, занятой компонентами топлива с взрывом и выделением тепловой энергии. В ТЭ стадии суммарной токообразующей реакции так же одновременны, но локализованы в различных областях внутреннего пространства топливного элемента, и в отличие от указанной реакции электрохимическое окисление является управляемым процессом. Химическое уравнение суммарной токообразующей реакции имеет такой же вид, как и при горении.

В технической литературе наибольшее распространение получила классификация ТЭ по типу электролита. В настоящее время практическое применение нашли пять типов ТЭ, основные характеристики которых приведены в табл. 1.

Исходя из данных в приведенных в таблице, можно сделать вывод, о том, что для применения на карьерных автосамосвалах наиболее подходят твердополимерные ТЭ. Твердополимерные ТЭ не подвержены влиянию оксидов углерода, содержащихся в выхлопном газе ГТД, и малочувствительны к вибрации и уклонам, из-за отсутствия электролита.

Электрохимический генератор - это 2 и более соединенных между собой и согласованных топливных элементов, для совместного производства энергии. Основные данные приме-няемых на практике топливных элементов приведены в табл. 2.

322

Таблица 1

Основные характеристики ТЭ [3]

Тип Рабочие КПД % Исп. реагенты Применение

элемента температуры, °С Электрический суммарный топливо окислитель

Щелочные ТЭ 20-120 30-35 40-60 Чистый водород Кислород, воздух (без СО2) Спецтехника, электромобили, автономное электропитание

Твердополи-мерные ТЭ 30-160 30-35 50-70 Водород, метанол и др. Воздух Спецтехника, электромобили, портативная аппаратура, децентрализованное энергоснабжение

Фторокислые ТЭ 150-200 37-42 70-80 Продукты конверсии метана Воздух Стационарные источники электро- и тепло - снабжение.

Расплавлено-карбонные ТЭ 600-700 54-50 70-80 Продукты конверсии углеводородов, био-газ Воздух Стационарные источники электро- и тепло - снабжение

Твердооксидные ТЭ 700-1000 50-60 70-80 Метан, Продукты конверсии углеводородов, биогаз Воздух Стационарные и мобильные источники электро - и тепло -энергии

Таблица 2

Теоретические значения удельных показателей ТЭ для идеализированныш ЭХГ [4]

Химические реагенты Напряжение элемента, В Расход массы на единицу генерируемой энергии г/МДж Энергия на еденицу массы топлива кДж/кг

Горючее Окислитель Топливо

Н2 - О2 0,9 10,6 9,6 102,2 9750

СзИ8 - О2 0,8 27 91,6 118,6 8460

ЫН3 - О2 0,7 83,4 116,6 200 5000

N^4 - О2 0,9 91,6 91,6 183,2 5450

Ы2Н4 - н2о 0,9 91,6 197,6 289 3470

Примечание: Реальный удельный расход топлива в 1.5-2 раза, а его удельная энергия снижается в 1.5 - 2 раза, по сравнению с соответствующими теоретическими данными, приведенными в таблице.

При использовании электрохимического аккумулятора как накопителя энергии в КУЭ, следует отметить следующие положительные и отрицательные стороны.

Положительные стороны:

^ Высокая эффективность — при использовании электрической энергии КПД установки составляет 30-50 %.

^ Доступность и низкая стоимость топлива — в стационарных топливных элементах обычно используется доступный и дешевый природный газ (необходимый для работы водород вырабатывается из топлива непосредственно в топливном элементе); кроме природного газа может использоваться чистый водород и любое водородсодержащее сырье: газ, аммиак, метанол, бензин, и т. д.

^ Экологичность — при использовании в качестве топлива чистого водорода продуктом реакции является только вода (водяной пар); при использовании других видов топлива возможно незначительное выделение других газов, например, оксидов углерода и азота.

^ Масштабируемость — в отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания, КПД топливных элементов остается постоянным в любом диапазоне вырабатываемой мощности; малые установки столь же эффективны, как и большие; мощность установок может быть увеличена простым добавлением отдельных элементов.

^ Надежность и долговечность.

^ Низкий уровень шума при работе.

^ Простота эксплуатации — топливные элементы практически не нуждаются в обслуживании.

Отрицательные стороны:

324

^ низкая мощность разряда; ^ низкая приемистость;

^ топливный элемент не является самостоятельной ячейкой, для непрерывной работы требуется установка ТЭ в единый корпус, и системы питания и равномерного охлаждения. ^ высокая сложность согласования ТЭ в ЭХГ; ^ высокая стоимость, обусловленная штучным производством и использованием драгоценных материалов, прогнозируемая стоимость 1,5-3 тыс. долларов за кВт. [3]

Внедрение электрохимического генератора в горное производство (карьерный автосамосвал) жестко ограничено, из-за технического несовершенства конструкции, малого срока службы, ненадежности высокой стоимости современных топливных элементов. Когда ТЭ достигнут необходимого технического уровня, их можно будет использовать не только в качестве вспомогательной, но и качестве основной энергосиловой установки на карьерном автосамосвале.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тарасов П.И. Условия и перспективы применения комбинированных энергосиловых установок на карьерных автосамосвалах / П.И. Тарасов, Ю.А. Бах-турин, А.В. Глебов, Г.Е.Ковалёв// Энергосбережение на карьерном автомобильном транспорте, материалы международного научно-технического семинара 24-26 июля 2003 г. Екатеринбург. ИГД УрО РАН, 2003. С.-249-263.

2. Тарасов П. И. О создании комбинированных энергосиловых установок для карьерных автосамосвалов / П.И. Тарасов, А.Г. Журавлев //Проб-лемы карьерного транспорта. Материалы VIII международной научно-практической конференции, 20-23 сентября 2005 г. - Екатеринбург: УрО РАН 2005. С 183-186.

3. Груздев А.И. Состояние и перспективы развития производства высокотехнологичных автономных источников электрической энергии в России. / И.А. Груздев // Электрохимическая энергетика том 6 номер 2 2006 г.

4. Бут. Д.А. Накопители энергии / Д.А. Бут, Б. Л. Алиевский, С.Р. Мизюрин, П. В. Васюкевич//Энергоатомиздат Москва 1991. н'.иа

— Коротко об авторах -

Тарасов П.И., Журавлев А.Г. - к.т.н., ИсаковМ.В. - м.н.с.,

ИГД УрО РАН.

--© А.П. Долженков, 2008

325

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.