10.3. Экономическая эффективность электрификации железных дорог

10.3.1. Сущность и основные понятия экономической эффективности электрификации железных дорог

Железнодорожный транспорт является одной из самых энергоемких отраслей народного хозяйства. По роду энергоносителей, входящих в структуру расходной части его топливно - энергетического баланса (ТЭБ), железнодорожный транспорт - один из основных потребителей в стране. Снижение энергоемкости транспортной продукции достигалось в основном за счет изменения структуры ТЭБ железнодорожного транспорта в результате проведения электрификации участков железных дорог. Однако некомплексность электрификации влечет снижение экономического эффекта, уменьшает экономию энергоресурсов по сравнению с потенциально возможной. При переводе всего полигона на электрифицированную тягу энергоемкость транспортной продукции может достичь 60 кг у.т./10⁴ ткм бр. Отсюда очевидно сохранение высокой энергоемкости транспортной продукции даже при предельном варианте структуры ТЭБ отрасли. Однако, как показано ниже, за счет повышения энергоемкости транспортной продукции возможно улучшение использования других видов ресурсов при организации перевозочного процесса и в итоге повышение рентабельности работы отрасли. Таким образом, формирование расходной части отраслевого ТЭБ, наряду с энергосбережением, должно быть направлено на повышение эффективности использования всех видов ресурсов в производственных процессах отрасли при реализации избранной стратегии ее развития. Острота экологических проблем, связанных, в первую очередь, с проблемами использования энергетических ресурсов, ограничения на природные ресурсы, переход к рыночным отношениям, диктующий рост конкуренции между видами транспорта внутри национальной и мировой транспортных систем, также требуют проработки возможных вариантов оперативных и стратегических решений, определяющих развитие ТЭБ отрасли с учетом экономических критериев ее функционирования, технологических и ресурсных ограничений на показатели ее работы. В условиях исключительной инерционности топливно-энергетического комплекса страны, наступающего энергетического кризиса и роста цен и тарифов на энергоносители заблаговременная оценка потребностей железнодорожного транспорта в энергоресурсах является чрезвычайно актуальной.

Эффективность электрической и тепловозной тяги оценивается коэффициентом полезного действия (к.п.д.), т. е. отношением полезной работы к энергии, затрачиваемой на эту работу, выраженной в сопоставимых единицах измерения. Коэффициент полезного действия современных электровозов составляет в среднем около 0,85, тепловозов 0,28.

Но этот показатель не характеризует степени использования первичных энергоресурсов от добычи топлива или производства энергии на тепло- или гидростанции до их превращения в работу по передвижению грузов.

Для определения коэффициента использования энергоресурсов во все народнохозяйственной цепи при электрической тяге используем следующие средние значения коэффициентов полезного действия:

Электровоза Т1эл......................................0,85;

Контактной сети при токе:

постоянном …………..0,90;

переменном ......................................0,95;

Тяговых подстанций при токе:

постоянном .................0,96;

переменном …………………………. 0,98;

Линии электропередачи при токе:

постоянном ................0,95;

переменном ……................................ 0,92;

Электростанций:

тепловых (при высоких параметрах пара)….. 0,35;

гидравлических………….....................................0,90;

Коэффициентов, учитывающих потери:

угольного топлива при его добыче, транспорте и хранении ........0,95;

энергии на передвижение электровоза ……… 0,95;

энергии на стоянках………………………….........0,99;

энергии в зимнее время …………………..……. 0,96;

В результате суммарный коэффициент использования энергоресурсов при электрической тяге и снабжении энергией от современных тепловых электростанций составляет 0,22 - при постоянном и 0,24 - при переменном токе.

При тепловозной тяге коэффициент, учитывающий потери при добыче, транспортировании по трубопроводам, переработке нефти на заводах и доставке нефтепродуктов на железную дорогу, в среднем примерно равен 0,78. Коэффициент, учитывающий расход топлива на передвижение локомотива, ниже, чем при электрической тяге, так как доля веса локомотива в общем весе поезда при тепловозной тяге выше, чем при электрической, и примерно равен 0,94; ниже и коэффициент, учитывающий потери топлива на стоянках x\_Ci (около 0,92). Дополнительные потери в зимнее время для обоих видов тяги примерно одинаковы, Лтемн принят 0,96.

В итоге коэффициент использования энергоресурсов при тепловозной тяге составляет около 0,20, т. е. значительно ниже, чем при электрической тяге, обеспечиваемой энергией с современных тепловых электростанций.

Коэффициент использования знергоресурсов при паровой тяге с учетом дополнительных затрат топлива в зимнее время, на стоянках, при доставке и добыче его снижается до 3,5-4%.

В результате реконструкции тяги удельный расход топлива сократился в сравнении с паровозами в 5-6 раз (в 5 для тепловозов и в 6 - для электровозов) без учета эффекта от частичной работы полигона электротяги на гидроэнергии, с ее учетом - почти в 7 раз.

При паровой тяге железнодорожный транспорт расходовал примерно четверть всего добываемого в стране каменного угля (в 1956 г. - около 100 млн. т натурного топлива). Расчеты показывают, что если бы не был осуществлен перевод железных дорог на прогрессивные виды тяги, то они расходовали бы в настоящее время около половины добываемого в стране угля.

Важным достоинством прогрессивных видов тяги является устойчивость топливно-энергетического режима при изменении температурных условий. При тепловозной и электрической тяге удельный расход топлива или электроэнергии лишь в редких случаях может повыситься на 10-12% (в среднем на 5%) главным образом под влиянием роста основного сопротивления движению.

Удельные затраты на дизельное топливо при тепловозной и электроэнергию при электрической тяге для сопоставимых условий можно установить исходя из примерного норматива затрат: 0,85 кг дизельного топлива или 3,4 кВт • ч электроэнергии (на вводах тяговых подстанций) на 1 ткм механической работы локомотива. Средняя стоимость 1 кг дизельного топлива в последние годы составляла 7,0-7,2 коп., а с учетом расходов по экипировке локомотивов около 8,0 коп.; стоимость электроэнергии 1,35 и 1,40 коп. соответственно. В результате среднее соотношение (8,0 • 0,85) : (1,4 • 3,4) = 1,46. С учетом же больших потерь при тепловозной тяге на стоянках и на перемещение локомотива можно считать, что денежные затраты на топливо при тепловозной тяге в среднем в сопоставимых условиях в 1,5 раза выше стоимости энергии при электротяге.

В трудных условиях профиля электровозы с устройствами рекуперативного торможения восстанавливают на тормозных спусках часть энергии, затраченной при движении в режиме тяги (тяговые двигатели работают при этом как генераторы электроэнергии).

В результате рекуперации экономия энергии па трудных участках профиля достигает 15-18% ее общего расхода.

Помимо того, значительные сбережения получаются благодаря резкому уменьшению износа тормозных колодок. Меньше изнашиваются рельсы и бандажи колес вагонов Увеличение первоначальной стоимости электровозов и расходов по ремонту их при оборудовании устройствами рекуперативного торможения сравнительно невелико. Неровный ход вагонов, которые при рекуперации энергии не тормозятся на спусках, оказывает некоторое влияние на состояние ходовых частей вагонов и пути, но вопрос о размерах, связанных с этим дополнительных затрат еще не изучен.

Увеличение провозной способности дороги достигается повышением веса и скорости движения поездов — ходовой и участковой. Для увеличения веса нужно повышать силу тяги локомотива. Наибольшая сила тяги ограничивается сцепным весом локомотива и коэффициентом сцепления. Сцепной вес можно поднять за счет роста осевой нагрузки и числа осей. Наибольшая осевая нагрузка до последнего времени ограничивалась 23 т.

Для некоторых новых типов локомотивов, выпуск которых уже начат, она повышена до 25 т. Увеличение числа осей при электрической и тепловозной тяге осуществляется без ухудшения энергетических показателей и усложнения конструкции локомотива (у современных электровозов ВЛ10 и ВЛ80 - восемь, а у двухсекционных тепловозов 12 осей).

Дальнейшее повышение числа осей, а следовательно, и веса поезда, достигается эксплуатацией сдвоенных и строенных локомотивов, управляемых одной бригадой по системе многих единиц.

Веса поездов как при электрической, так и при тепловозной тяге на большей части сети ограничены длиной приемо-отправочных путей. Полигон электрической тяги имеет более мощное техническое оснащение, поэтому средний вес поезда брутто на электрифицированной части сети примерно на 10% выше, чем на части ее, обслуживаемой тепловозами.

Повышение участковой скорости обеспечивает сокращение потребности в подвижном составе и в локомотивных бригадах, а также уменьшение грузовой массы в пути. Повышение участковой скорости достигается за счет роста ходовой скорости и сокращения числа и длительности остановок на промежуточных станциях. Увеличение ходовой скорости вызывает некоторое увеличение расхода топлива или электроэнергии, а также износа, следовательно, и стоимости ремонта пути и подвижного состава, так как возрастает основное сопротивление движению.

Связанные с повышением ходовой скорости добавочные затраты на энергию и ремонт локомотивов при электрической тяге ниже соответствующих затрат при тепловозной тяге и быстрее перекрываются сбережениями в расходах, зависящих от времени.

Пропускная способность при замене тепловозной тяги электрической на однопутных линиях в средних условиях профиля повышается на 10-20%. Это объясняется особенностью тяговых характеристик электровозов, мощность которых при небольших скоростях существенно повышается, тогда как у тепловозов она стабильна в широком диапазоне скоростей. В результате на однопутных линиях с горным рельефом и небольшим удельным весом перегонов с легким профилем электрификация может дать прирост пропускной способности 30—35% и более.

На загруженных двухпутных линиях введение электрической тяги позволяет, вследствие роста ходовой скорости, сократить интервал между грузовыми поездами с 9-10 до 7-8 мин и увеличить благодаря этому максимальную пропускную способность по перегонам со 144-160 до 180-200 пар поездов, т. е. на 25%, и отдалить капитальные вложения в строительство дополнительных главных путей.

Расходы по локомотивному хозяйству при электрической тяге ниже, чем при тепловозной. Так, стоимость ремонта электровозов в сопоставимых условиях на 10 тыс. ткм брутто примерно вдвое ниже, чем тепловозов, в том числе по текущим ремонтам - в 3 раза.

Дополнительным расходом, которого нет при тепловозной тяге, является содержание, ремонт и амортизация контактной сети, тяговых подстанций и участков энергоснабжения. Расход этот составляет всего 5% общей себестоимости перевозок при электрической тяге.

Вследствие того что у электровоза меньше время нахождения в ремонте и ниже доля мощности, затрачиваемой на перемещение самого локомотива, стоимость электровозного парка необходимого для выполнения заданного объема перевозочной работы, будет не в 2, а в 2,2- 2,3 раза меньше, чем тепловозного.

Важным преимуществом электрической тяги является высвобождение дизельного топлива, необходимого для дизельного грузового автомобильного парка, дающего большой экономический эффект, а также для расширения возможностей экспорта сырой нефти или продуктов ее переработки.

Потребность в черном и цветном металле для электровозов ниже, чем для тепловозов. Достигаемая экономия при больших размерах движения может перекрыть дополнительную затрату металла в постоянные устройства электрифицируемых железных дорог.

Расходы по содержанию, ремонту и амортизации контактной сети и тяговых подстанций при переменном токе значительно ниже, чем при постоянном. Расходы по ремонту локомотивов при переменном токе выше, сложнее оборудование их устройствами рекуперативного торможения. В связи с существенными преимуществами электрической тяги на переменном токе удельный вес полигона переменного тока растет.

При электрификации требуются значительные капитальные вложения в строительство тяговых подстанций и контактной сети. В сметы по электрификации включается большое количество так называемых сопутствующих работ, которые технологически с введением электрической тяги не связаны, но необходимы для повышения эффективности ее применения или для удобства пассажиров. К этим работам относятся удлинение путей на различных пунктах, усиление верхнего строения пути, устройство автоблокировки, электрической централизации стрелок и диспетчерской централизации стрелок и сигналов, устройство тоннелей, пешеходных мостов, пассажирских платформ и павильонов на станциях и ряд других.

При тепловозной тяге такого рода работы обычно выполняются по планам капитальных вложений соответствующих хозяйств железнодорожного транспорта и финансируются по отдельным сметам. При сравнении вариантов тяги указанные сопутствующие работы должны либо исключаться из капитальных вложений, связанных с электрификацией, либо добавляться в том же объеме к капитальным вложениям по тепловозной тяге чтобы не занижать реальную эффективность электрической тяги в сравнении с тепловозной.

Виды тяги должны сравниваться при равных условиях электроснабжения нетяговых железнодорожных и районных потребителей.

Если электрификация района, прилегающего к рассматриваемой линии, получила значительное развитие, то обеспечение энергией нетяговых потребителей с тяговых подстанций может потребоваться лишь в ограниченных размерах. Если, наоборот, электрификация линии опережает по времени снабжение нетяговых потребителей от мощных ГЭС, то в варианте тепловозной тяги следует предусмотреть такие же условия электроснабжения нетяговых потребителей, как и при наличии тяговых подстанций электрифицированной линии.