Перспективы применения энергосиловых установок на базе ГТД на карьерных самосвалах

DOI: https://doi.org/10.30686/1609-9192-2018-1-137-49-51
Перспективы применения энергосиловых установок на базе ГТД на карьерных самосвалах

П.И. Тарасов, канд. техн. наук, зам. директора по научной работе, ООО «Перспектива-М», Екатеринбург,

М.Л. Хазин, проф., докт. техн. наук, Уральский государственный горный университет, Екатеринбург,

В.В. Фурзиков, зам. начальника Департамента разработки нового семейства дизелей по экспериментальным работам,ООО «Уральский дизель-моторный завод», Екатеринбург.

Добыча полезных ископаемых открытым способом требует значительных затрат материальных и энергетических ресурсов. В последние десятилетия темпы добычи полезных ископаемых непрерывно растут, что обусловливает соответствующее увеличение затрат на эти ресурсы. Нарастающая динамика мировой добычи связана с увеличением масштабов мировой экономики, глобальной численности населения, модернизацией и появлением новых технологий. Все перечисленное объективно способствует изменению техники и технологии добычи полезных ископаемых и приводит в частности к увеличению грузоподъ ёмности технологического транспорта – карьерных самосвалов.

Выполненный анализ динамики роста грузоподъёмности карьерных самосвалов за период 1950–2000 гг. [1] свидетельствует о 14-кратном ее увеличении за 50-летний период. Если такая динамика сохранится в ближайшие годы, то сегодня необходимо позаботиться о выполнении работ по дальнейшему увеличению грузоподъёмности карьерной транспортной техники.Рис. 2 Зависимость мощности силовых агрегатов от грузоподъёмности карьерных самосвалов ПО «БЕЛАЗ» [2]

Рис. 1 Динамика роста грузоподъёмности карьерных самосвалов [1]

В настоящее время НИОКР по увеличению массы перевозимого в кузове транспортного средства на открытых горных работах выполняются по следующим направлениям:

– повышение мощности энергосиловых установок;

– создание автопоездов;

– конструктивная проработка новых, перспективных способов транспортировки горной массы.

В настоящее время и на ближайшую перспективу доминирующим видом технологического транспорта для открытых горных работ остается автомобильный. Производимые в настоящее время карьерные автосамосвалы оснащаются энергосиловыми агрегатами на базе поршневых дизельных двигателей.Рис. 2 Зависимость мощности силовых агрегатов от грузоподъёмности карьерных самосвалов ПО «БЕЛАЗ» [2]

Рис. 2 Зависимость мощности силовых агрегатов от грузоподъёмности карьерных самосвалов ПО «БЕЛАЗ» [2]

Анализ мощности двигателей в силовых агрегатах современных карьерных самосвалов производства ПО «БЕЛАЗ» (рис. 2) показывает, что основная их мощность не превышает 2000 кВт, грузоподъёмность при этом – не более 250 т. Для карьерных автосамосвалов грузоподъёмностью более 250 т применяются либо два двигателя, либо двигатели с увеличенными габаритами (с числом цилиндров 18, 20).

Дальнейший рост грузоподъёмности карьерных автосамосвалов приведет к ужесточению требований к мощности энергосилового агрегата, за которым последует неизбежный рост массогабаритных показателей двигателя и, соответственно, объема моторного отсека самосвала.

Известно: с ростом мощностных показателей двигателя возрастают и выбросы вредных веществ в атмосферу, что крайне нежелательно для открытых горных работ, особенно в зонах нижних горизонтов карьеров. Кроме того, с увеличением мощности двигателя растут объемы потребляемого топлива, что для карьеров, расположенных в труднодоступных и северных районах, куда оно поставляется сезонно и по программе северного завоза, – весьма значимо и всегда актуально. С учетом постоянно растущих цен на моторное топливо в России разработка месторождений в таких районах всегда высокозатратная и зачастую – нерентабельная.

По прогнозам, в ближайшей перспективе основным моторным топливом станет природный газ [4, 5]. Перевод поршневого двигателя на газовое топливо не приведет к увеличению мощностных показателей. В настоящее время единственные из существующих двигателей большой мощности, способные работать на газовом топливе, – газотурбинные двигатели (ГТД).Рис. 3 Зависимость удельной массы двигателей от мощности: а) поршневого двигателя, б) газотурбинного двигателя

Рис. 3 Зависимость удельной массы двигателей от мощности: а) поршневого двигателя, б) газотурбинного двигателя

На сегодня выполнен сравнительный анализ массогабаритных показателей поршневых двигателей, выпускаемых ЯМЗ, Cummins, MTU, DEUTZ, Detroit Diesel для оснащения карьерных автосамосвалов и освоенных производством газотурбинных двигателей фирмы «Объединённая Двигателестроительная Корпорация» (рис. 3–5) [3].Рис. 4 Зависимость габаритной мощности двигателей: а) поршневого двигателя, б) газотурбинного двигателя.Рис. 4 Зависимость габаритной мощности двигателей: а) поршневого двигателя, б) газотурбинного двигателяРис. 5 Зависимость удельного расхода топлива двигателей: а) поршневого двигателя, б) газотурбинного двигателяРис. 5 Зависимость удельного расхода топлива двигателей: а) поршневого двигателя, б) газотурбинного двигателя

Анализ был проведен на основе оценки следующих показателей:

– удельная масса двигателя (кг/кВт)

mуд = mдв / Ne ;

где mдв – масса сухого (незаправленного) двигателя, кг;

Ne – номинальная мощность двигателя, кВт;

– габаритная мощность двигателя, кВт/м3,

Nг = Ne / Vдв;

где Vдв – объём двигателя в подкапотном пространстве, м3, определяемый как произведение его габаритных размеров, м: длины, ширины и высоты.

– удельный расход топлива, г/кВт·ч, принят на основе каталожных данных.

Анализ характеристик показывает, что удельная масса ГТД значительно меньше, чем поршневого двигателя (рис. 3). Это представляется его неоспоримым преимуществом, так как оснащение карьерного автосамосвала энергосиловой установкой с ГТД позволяет увеличить массу полезной нагрузки.

Габаритная мощность ГТД также выше, чем поршневого двигателя. Так, если для поршневого двигателя мощностью порядка 2 МВт можно получить примерно 200 кВт с 1 м3 двигателя, то для ГТД этот показатель будет примерно в 2,5 раза выше – порядка 500 кВт/м3. Таким образом, для ГТД характерен 2–3-кратный запас по габаритам пространства в моторном отсеке автосамосвала.

Однако, следует заметить, что уровни удельного расхода топлива у ГТД несколько худшие, чем у поршневого, и с ростом мощности двигателей наблюдается и ухудшение этого показателя. Это можно объяснить более низким КПД газотурбинных двигателей.

В настоящее время ведутся комплексные исследования в направлении повышения КПД газотурбинных двигателей. Например, рассматривается применение ГТД в составе КЭУ [6] – с применением топливных элементов, что приведет к увеличению КПД КЭУ до 75%.

Проведенный анализ показывает, что наиболее перспективным для оснащения энергосиловых установок карьерных автосамосвалов грузоподъёмностью 250 т и более следует признать газотурбинный двигатель. С учетом возрастающих масштабов использования в современных условиях природного газа как единственного недорогого и доступного топлива, для районов с высокой концентрацией предприятий по открытой добыче полезных ископаемых газопоршневой двигатель становится едва ли не единственным перспективным для оснащения энергосиловых агрегатов карьерных автосамосвалов.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:1. Анистратов К.Ю. Мировые тенденции развития структуры парка карьерной техники // Горная промышленность. 2011. 6. С.22.2. Каталог продукции ПО «БЕЛАЗ».3. Сайт Объединенной Двигателестроительной Корпорации http://www.uecrus.com4. Тарасов П.И., Хазин М.Л., Фурзиков В.В. Применение природного газа в качестве моторного топлива техники горнодобывающих предприятий // Горная промышленность. 2017. 1. С. 66–68.5. Тарасов П.И., Хазин М.Л., Фурзиков В.В. Природный газ перспективное моторное топливо карьерного автотранспорта для районов Севера // Горная промышленность. 2016. 6. С. 51–52.6. Лоскутиков А.А. Моделирование комбинированных энергоустановок на основе авиационного ГТД и топливных элементов в компьютерной среде. Дисс. канд. техн. наук по специальности 05.07.05 «Тепловые, электрораке

Ключевые слова: железная руда, железорудное сырье, горно-обогатительный комбинат, технологическое горнодобывающее оборудование, показатели производительности, объемы добычи и поставки сырья, карьер, минерально-сырьевая база

Журнал "Горная Промышленность" №1 (137) 2018, стр.49–51