НОВОСТИ ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА. ИНТЕРНЕТ-ЖУРНАЛ "ЛЕСОПРОМЫШЛЕННИК"   -  ТЕХНИКА. ТЕХНОЛОГИИ. ОБОРУДОВАНИЕ, ПРОИЗВОДСТВО. ОБРАЗОВАНИЕ. ВЫСТАВКИ

English version

The Timber Industry Worker

Журнал "Лесопромышленник"

Интернет-журнал "Лесопромышленник"

лесная биоэнергетика, лесозаготовки, лесное хозяйство, деревообработка, целлюлозно-бумажное производство
 

СЕГОДНЯ: БИОЭНЕРГЕТИКА

  

Проблемы логистики при доставке топливной щепы с лесосеки до потребителя в России

С.П. Карпачев, Е.Н.Щербаков, Приоров Г.Е.
 

Московский государственный университет леса

Перспективными энергоресурсами для лесных регионов являются энергоносители на основе древесного сырья – древесное биотопливо.

Для удаленных лесных регионов источником древесного топлива служит древесная биомасса, которая остается после лесозаготовок – лесосечные отходы и отходы от лесопереработки – опилки, кусковые отходы и пр.

Современная заготовка леса осуществляется машинами. Так называемая сортиментная заготовка леса, включает операции отделения ствола дерева от сучьев и вершинок. В дело идет только ствол без вершинки. Остальная биомасса остается в лесу и попросту сжигается.

Использование биотоплива в России может помочь в решении проблем энергоснабжения малых городов и поселков, лесозаготовительных предприятий. В удаленных лесных районах введение новых технологических цепочек производства лесного сырья для биоэнергетики окажет положительное влияние на устойчивое развитие регионов.

Ориентация на использование порубочных остатков и отходов переработки древесины для получения тепла и электрической энергии способствует развитию малой энергетики и децентрализации тепло- и энергоснабжения на их основе. Это - магистральное направление устойчивого развития теплоэнергетики во всем мире.

Древесное топливо традиционный источник энергии. И сейчас оно получает второе рождение благодаря ряду причин [14]:

1. Экономические причины. Уголь или мазут необходимо доставить до потребителя зачастую за тысячи километров. Древесина же произрастает вблизи. Биотопливо - быстровозобновляемый источник энергии. Цена на топливную щепу постоянно растёт и в настоящее время составляет 400-600 руб. за плотный куб. м на складе производителя.

2. Экологические причины. Россия присоединилась к Киотскому соглашению по предотвращению изменения климата и увеличению парниковых газов. При использовании биотоплива, как возобновляемого источника энергии, выбросы парниковых газов считаются нулевыми.

3. Социальный фактор. Биоэнергетика создает новые рабочие места. Как показывает опыт Скандинавских стран, высокомеханизированное производство древесного топлива дает 120 рабочих мест на каждый ТВт-час биоэнергии. Не механизированное производство - 400 рабочих мест. Рост рабочих мест в биоэнергетике приводит к созданию новых рабочих мест в других отраслях.

Таким образом, развитие энергетики на основе древесного топлива из леса – путь устойчивого развития удаленных лесных регионов России, который обеспечивает экономическое развитие, социальное благополучие и экологическую безопасность этих регионов.

Несмотря на огромные запасы леса и все преимущества древесного топлива, его доля в энергетике России менее 1%. В развитых европейских странах эта цифра доходит до 30%. Одна из причин – неэффективность современных технологий лесной биоэнергетики, особенно в части транспортной логистики, для условий России. Вследствие этого в Российской Федерации западные технологии не всегда эффективны.

Наличие эффективных технологий является главным условием для реализации биоэнергетических проектов.
В настоящей работе рассматривается использование мягких контейнеров в логистических цепочках поставок биомассы из леса для нужд биоэнергетики в виде топливной щепы. Для этих целей могут быть применены мягкие контейнеры, например, конструкции МГУЛ (МЛТИ) [4].

Мягкие плавучие контейнеры обладают рядом ценных качеств:

- снижение затрат на погрузочно-разгрузочных операциях;
- дешевизна материала оболочки контейнера;
- высокая прочность материала оболочки контейнера и малый вес порожнего контейнера.

Одна из возможных схем транспорта топливной щепы в мягких контейнерах в логистических цепочках поставок представлена на рис. 1.
 

Рис. 1. Схема производства щепы на погрузочном пункте в лесу и транспорта топливной щепы в мягких контейнерах

Особенность данной схемы:
- переработка древесной массы на топливную щепу рубительной машиной и погрузка щепы в контейнеры через промежуточный бункер;
- погрузка топливной щепы в контейнеры;
- транспорт топливной щепы в контейнерах.

В предложенной технологии определяющей машиной в операциях в лесу является рубительная машина. Она не должна простаивать. Простои рубительной машины возможны из-за потери времени на установку контейнеров под загрузку и их упаковку после загрузки. Для исключения простоев между рубительной машиной и контейнером установлен бункер щепы.

Детально узел работы рубительной машины с контейнерами и промежуточным бункером щепы представлен на рис. 2.


Рис. 2. Узел переработки древесной массы на топливную щепу и загрузки ее в контейнеры через промежуточный бункер

Представим математическую модель узла работы рубительной машины с контейнерами и промежуточным бункером щепы.

Пусть за смену рубительная машина перерабатывает n деревьев (лесосечных отходов, топляков). В результате получается некоторый объем щепы Qщ:

(1)

где:

n - число деревьев переработанных рубительной машины за смену,
Т - продолжительность смены, с

qдер.i - объем i-ого дерева, захваченного манипулятором из штабеля, м3,
h - коэффициент использования машины,
t0i - продолжительность цикла работы рубительной машины на обработке i-ого дерева, с:

(2)

t1i - время цикла наведения манипулятора на i-ое дерево, с,
t2i - время захвата i-ого дерева из штабеля, с,
t3i - время подачи i-ого дерева к рубительной машине, с,
t4i - время измельчения i-ого дерева рубительной
машиной, с,
t5i - время возврата манипулятора в исходное состояние, с.

 


(3)

где qτ - скорость рубки дерева на щепу, м3/с.

Пусть за смену загружают и упаковывают m контейнеров. В результате получается некоторый объем щепы загруженной в контейнер Qкон:

 

(4)

где

m - число загруженных щепой и упакованных за смену контейнеров, шт.
Т - продолжительность смены, с
q кон.j - объем j -ого контейнера, м3,
h - коэффициент использования времени смены,
t0j - продолжительность цикла упаковки j-ого
контейнера, с.

(5)

t1j - время установка j -ого контейнера под загрузку, с,
t2j - время загрузки j -ого контейнера, с,
t3j - время упаковки j-ого контейнера, с.

Разрабатывая технологию загрузки контейнеров щепой от рубительной машины, необходимо стремиться к выполнению условия:

(6)

Условие (6) на практике может не выполняться. Объем переработанных на щепу деревьев может быть больше объема щепы загруженной в контейнер:

(7)

Из-за неравномерности загрузки некоторый объем щепы может накапливаться в бункере:

(8)

где q кон.i - объем бункера при измельчении i -ого дерева и заполнении j - ого контейнера, м3,

Максимальный объем бункера qбунк.max должен быть таким, что бы выполнялось условие:

(9)

Если объем бункера будет недостаточным, то рубительную машину придется периодически останавливать.

Работу рубительной машины и заполнение контейнеров удобно представить в виде Q – схемы.

Будем считать деревья (лесосечные отходы, топляки) заявками на обслуживание.

Эти заявки будем называть заявками первого уровня, которые поступают от источника И. Каждой заявки назначается атрибут, который идентифицируется с объемом дерева qдер. Объем дерева qдер. является случайным числом. Поступившая на обслуживающий прибор (в рубительную машину), заявка первого уровня воздействует на клапан Кл1 и перекрывает вход в прибор другим заявкам, ставит их в очередь. Поступившая в прибор заявка обслуживается в канале К1. Длительность обслуживания заявки первого уровня определяется по формуле (1). После обслуживания, заявка первого уровня расщепляется на заявки второго уровня. Заявки второго уровня - это заявки, которым назначается атрибут А2 идентифицируемый с некоторым минимальными объемами щепы, полученными после измельчения дерева. Минимальные объемы щепы qщепы.min. назначаются из условия возможности манипуляции ими при загрузке контейнеров через дозатор бункера. Число заявок второго уровня n2 определяется в зависимости от значения атрибута заявки первого уровня (объема дерева) по формуле:

(10)


где qдер. - значение атрибута заявки 1-ого уровня (объем дерева), м3,
qщепы.min. - значение атрибута заявки 2-ого уровня (минимальный объем щепы), м3.

Заявки второго уровня попадают в накопительное устройство Н1 (бункер щепы) и становятся в очередь к обслуживающему прибору (щепа накапливается в бункере и ждет открытия дозатора). Очередь накопителя Н1 ограничена некоторым максимальным объемом qбунк.max. Поступающие в очередь заявки второго уровня имеют атрибуты А2, которые хранят значения их объемов qщепы.min. Эти значения суммируются при поступлении заявок в очередь. В накопитель Н1 поступает максимальное число заявок, но при этом не допускается его переполнения очереди по объему:

(11)

Последняя заявка воздействует на клапан Кл2 и перекрывает вход заявкам второго уровня в очередь накопителя Н1.

Если клапан Кл3 открыт, то заявки второго уровня попадают на обслуживающий прибор (дозатор), где обслуживаются в канале К2. Длительность обслуживания заявки второго уровня определяется по формуле (4). После обслуживания, заявки второго уровня попадают в накопительное устройство Н2 (контейнер). Накопитель имеет ограничение на прием заявок второго уровня по максимальному объему qконт.max. Поступающие в очередь заявки второго уровня имеют атрибуты А2, которые хранят значения их объемов qщепы.min. Эти значения суммируются при поступлении заявок в накопитель Н2. В накопитель Н2 должно поступить максимальное число заявок, но при этом не допускается его переполнения его по объему:

(12)

Последняя заявка воздействует на клапан Кл3 и перекрывает вход заявкам второго уровня в очередь накопителя Н2.

Заявки второго уровня накопленные в накопителе Н2 образуют ансамбль, который формирует заявку третьего уровня (заполненный щепой контейнер). Заявка третьего уровня имеют атрибут А3, который идентифицируется с объемом контейнера и является случайным числом. После обслуживания в канале К2 заявка покидают систему.

Концептуальная модель узла работы рубительной машины с контейнерами и промежуточным бункером щепы представлена на рис. 3.



Рис. 3. Концептуальная модель узла работы рубительной машины с контейнерами и промежуточным бункером щепы

Особенности работы технологического узла как поток заявок на обслуживание:
- заявки первого уровня – деревья, лесосечные отходы и пр.;
- заявки второго уровня – минимальный объем щепы, доступный для манипуляции в технологическом процессе;
- заявки третьего уровня – объем контейнеров со щепой.

Концептуальная модель узла работы рубительной машины с контейнерами и промежуточным бункером щепы была реализована в виде компьютерной программы на языке GPSS/W. Компьютерная модель была использована в экспериментах.

По результатам эксперимента были получены уравнения регрессии и построены кривые зависимости производительности технологического узла от объема контейнера (рис. 4), объема бункера (рис. 5), и производительности технологического узла от производительности рубительной машины (рис. 6). Анализ полученных зависимостей показывает, что объем бункера, среднее время цикла на установку контейнера под загрузку и среднее время цикла переработки древесины на щепу влияют на производительность узла. С увеличением объема бункера и объема контейнера производительность узла стремиться к максимальной (теоретически возможной рубительной машины – красная линия на графиках рис. 4 и рис. 5).

Рис. 4. Зависимость производительности технологического узла от объема бункера

П = 3,9831*Ln(Vкон.) + 39,766
Достоверность аппроксимации R2 = 0,9088

Рис. 5. Зависимость производительности технологического узла от объема бункера

Рис. 6. Зависимость производительности технологического узла от производительности рубительной машины

П = 17,887*Ln(Пруб.) - 32,452
Достоверность аппроксимации R2 = 0,9953
 

Интересно отметить, что производительность технологического узла при фиксированных значениях объема контейнера и объема бункера, с некоторого момента, начинает уменьшаться по сравнению с теоретически возможной производительностью рубительной машины (рис. 6). Это и следовало ожидать, поскольку с увеличением производительности рубительной машины, очевидно, что объем бункера необходимо увеличивать.

 

Список литературы

1. Карпачев С.П. Некоторые вопросы технологии освоения и водного транспорта биоресурсов из леса для биоэнергетики. Ученые записки РГСУ. Экологическая безопасность и природопользование. №5 – 2009г. - с. 130-138.

2. Dr. Lauri Sikanen. Forest Energy in Finland. Finish Forest Research InstituteMETLA”. 2003г.

3. http://www.lesnoyexpert.ru/index.php?p=article&id=view&n=19&a=1

4. Карпачев С.П. Транспорт технологической щепы по воде в мягких контейнерах. Дисс. на соискание ученой степени к.т.н., М, МЛТИ, 1985 г. -249с.

5. Action plan for renewable energy sources. Publications 1/2000. Ministry of Trade and Industry. 2000.

6. Energy for the future: Renewable sources of energy. White paper for a community strategy and action plan. Communication from the Commission. COM (97) 599. 1977.

7. Energy statistics 2002. Statistics Finland. 2003.

4. Finnish statistical yearbook of forestry 2002. Finnish Forest Research Institute. SVT agriculture, forestry and fishery 2002, p. 45.

8. Hakkila P. Developing technology for large-scale production of forest chips. Wood Energy Technology Programme 1999-2003. Technology Programme Report 5/2003. Tekes.

9. Ylitalo E. Puupolttoaineen kaytto energiantuotannossa. SVT agriculture, forestry and fishery 2001, p. 52.

10. Hakkila P. Factors driving the development of forest energy in Finland. IEA/Task 31, 2003. Flagstaff.

11. Концепция развития лесного хозяйства Российской Федерации на 2003 – 2010 годы (внесенные изменения), http://www.rosleshoz.gov.ru/agency/strategy/0

12. Суханов B.C. Перспективы использования древесных отходов и дровяной древесины для выработки тепловой и электрической энергии. "ЛесПромИнновации" 3 (5), 2005

13. http://www.topgran.ru/info/.

14. http://www.lesnoyexpert.ru/index.php?p=article&id=view&n=19&a=1

 

О Интернет-Журнале "Лесопромышленник"      Редакция     Партнеры     Реклама     Архив номеров    Ссылки о ЛПК     Каталог ссылок

 Иконка сайта сделана при помощи favicon.ru

©H&G - Studio 

© Интернет-журнал "Лесопромышленник" («The Internet-magazine «Lesopromyshlennik»)

Свидетельство о регистрации Эл № ФС77-32798  от   11.08.2008 г.

E-mail: editor@lesopromyshlennik.ru.

При цитировании информации гиперссылка на Интернет-журнал "Лесопромышленник"  обязательна.
Использование материалов журнала в коммерческих целях допускается только с  письменного разрешения редакции.

 

С целью ограничения спам-рассылок в электронных адресах символ "@" замещён на "[at]". Приносим свои извинения за причиненное неудобство.