ИНТЕРНЕТ-ЖУРНАЛ "ЛЕСОПРОМЫШЛЕННИК"   -  ТЕХНИКА. ТЕХНОЛОГИИ. ОБОРУДОВАНИЕ. МАТЕРИАЛЫ. ПРОИЗВОДСТВО. ИННОВАЦИИ В ЛПК,  ВЫСТАВКИ

English version                  The Timber Industry Worker

Интернет-журнал "Лесопромышленник" I Журнал "Лесопромышленник"

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

Рубительная машина Heinola - Финляндия
лесная биоэнергетика, лесозаготовки, лесное хозяйство, деревообработка, целлюлозно-бумажное производство
лесная биоэнергетика, лесозаготовки, лесное хозяйство, деревообработка, целлюлозно-бумажное производство

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

СЕГОДНЯ:

ЛЕСНАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА

  

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

Некоторые вопросы технологии освоения биоресурсов из леса для нужд биоэнергетики

Рассматриваются вопросы моделирования технологических процессов в биоэнергетике на основе древесной биомассы из леса, как путь устойчивого развития удаленных лесных регионов России, который обеспечивает экономическое развитие, социальное благополучие и экологическую безопасность регионов.

С.П. Карпачев, Е.Н. Щербаков, И.Д. Грачев

Доля древесного топлива в энергетике России по разным источникам оценивается не выше 1%. В развитых европейских странах эта цифра доходит до 30%. Одна из причин - неразвитая инфраструктура. Слаборазвитая сеть лесных дорог. Вследствие этого в РФ существующие технологии не всегда эффективны.

В лесозаготовительной промышленности сырье для получения биоэнергии доставляют из леса. Это целые деревья и лесосечные отходы, тонкомерная и низкокачественная древесина, пни. Наличие эффективных технологий является главным условием для реализации биоэнергетических проектов в промышленности и быту. Наибольших успехов в разработке таких технологий достигли Скандинавские страны, такие как Швеция и Финляндия [1].

В зависимости от того, где производится щепа, все технологии можно классифицировать на три группы:
1. Технологии с производством щепы у пня (на лесосеке);
2. Технологии с производством щепы в месте примыкания к лесовозной дороги (на верхнем или нижнем складе);
3. Технологии с производством щепы у потребителя.

Все существующие технологии обязательно включают транспортную фазу. Транспортная фаза технологических процессов освоения биомассы из леса - важнейшая. Биомасса может транспортироваться в различной форме. Наиболее часто биомасса из леса перерабатывается в топливную щепу и в таком виде доставляется автотранспортом потребителям. Для этого используют большегрузные специальные автопоезда - щеповозы грузоподъемностью 40 - 60 тонн, для которых требуются дороги с твердым покрытием.

Пример технологии производства щепы на верхнем складе с дальнейшей транспортировкой ее автощеповозами потребителям представлен на рис. 1.

Рис. 1. Технология производства щепы на верхнем складе

В РФ острая нехватка автомобильных дорог, особенно в лесной зоне. По протяженности лесовозных дорог РФ значительно отстает от зарубежных стран: на 1000 га леса в России приходится всего 1,2 км лесных дорог, хотя в Финляндии - 40 км, в Германии - 43, Швеции - 11. Из общего числа лесовозных дорог в РФ дорог с твердым покрытием, то есть гравийным, асфальтовым, железобетонным, всего 180 тыс. км - 0,16 км на 1000 га [3]. В условиях нехватки автодорог единственный путь доставки древесного топлива из леса - водный. В России к внутренним водным путям тяготеет около 14 млд. м3 лесосырьевых ресурсов.

Емкостью для водного транспорта древесного биотоплива в виде топливной щепы, пеллет и подобных сыпучих древесных материалов наиболее приемлемы мягкие плавучие контейнеры конструкции МГУЛ (МЛТИ) [4]. На судоходных реках возможна организация судовых перевозок топливной щепы в контейнерах на баржах и плашкоутах. На несудоходных и временно-судоходных реках - сплавом за тягой буксирных судов и катеров.

Мягкие плавучие контейнеры обладают рядом ценных качеств:
- снижение затрат на погрузочно-разгрузочных операциях;
- возможность эксплуатации в условиях мелководья и несудоходных рек;
- возможность эксплуатации в условиях необорудованных причалов;
- 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 смешанных сухопутно-водных перевозках представлена на рис. 2.


Рис. 2. Схема производства щепы на погрузочном пункте в лесу и транспорта топливной щепы в мягких контейнерах в смешанных сухопутно водных перевозках

Особенность данной схемы:
- переработка древесной массы на топливную щепу рубительной машиной и погрузка щепы в контейнеры через промежуточный бункер;
- смешанные сухопутно-водные перевозки контейнеров с топливной щепой;
- два варианта водного транспорта контейнеров: в судах (судоходные реки) и сплавом (несудоходные реки).

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. 3.

Рис. 3. 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 :

   (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 qt - 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
qкон.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 qкон.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. 4.



Рис. 4. 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. Отсеивающий эксперимент (дисперсионный анализ) проводился с целью установления значимости различных факторов на производительность технологического узла производства щепы и упаковки контейнеров.

Анализируемые факторы и уровни их варьирования в экспериментах были приняты следующими:
1. Среднее время цикла переработки 0,01 м3 древесины на щепу - T_rub = 0,5 - 5с;
2. Среднее время цикла на установку контейнера под загрузку - T_upak = 0 - 60с;
3. Объем бункера - V_bunker = 0 - 1 м3;
4. Объем контейнера - V_kont = 20 - 1 м3;
5. Объем дерева - V_derevo = 2 - 0,5 м3.

Результаты отсеивающего эксперимента представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты дисперсионного анализа
Alias Group Effect Squares Sum of Freedom Degrees of Main F - for Only Effects Critical Value  of F (p=.05)
T_rub

T_upak

V_bunker

V_kont

V_derevo

148.951

80.503

41.362

19.840

-1.577

88745.705

25923.100

6843.246

1574.537

9.950

1

1

1

1

1

 60.507

17.675

 4.666

1.074

0.007

 4.96

4.96

4.96

4.96

4.96

Error

Total

Grand Mean

  14666.932

137763.469

230.718

10

15

 

   

Из табл. 1 следует, что объем дерева (фактор V_derevo) не влияет на производительность узла.

Наиболее значимыми факторами являются среднее время цикла переработки древесины на щепу (фактор T_rub) и среднее время цикла на установку контейнера под загрузку (фактор T_upak). Учитывая результаты отсеивающего эксперимента, была составлена матрица эксперимента, цель которого получить уравнение регрессии, связывающее производительность узла с четырьмя факторами (табл. 2).

 Таблица 2

Матрица планирования эксперимента (В план 2 ого порядка) и матрица результатов эксперимента

В основу был положен В-план 2-ого порядка. В правой части таблицы приведены результаты:
V_kont_our_эксп. - точки эксперимента - часовая производительность узла, м3/час.
V_kont_our_крив. - точки, полученные по уравнению регрессии - часовая производительность узла, м3/час.
V_teor_rub - теоретическая производительность рубительной машины, м3/час.

По результатам эксперимента было получено уравнение регрессии и построены кривые зависимости производительности технологического узла от объема бункера (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость производительности технологического узла от объема бункера
 

Анализ полученной зависимости показывает, что объем бункера, среднее время цикла на установку контейнера под загрузку и среднее время цикла переработки древесины на щепу влияют на производительность технологического узла. С увеличением объема бункера производительность узла стремиться к максимальной (теоретически возможной рубительной машины - пунктирная линия на графике).

ЛИТЕРАТУРА
1. С.П. Карпачев, Е.Н. Щербаков, А.Н. Слинченков. "Социально-экономические, экологические и технологические проблемы развития биоэнергетики в удаленных лесных регионах России", Лесопромышленник № 4 (48) - 2008, с. 28-32.
2. Dr. Lauri Sikanen. Forest Energy in Finland. Finish Forest Research Institute "METLA". 2003 г.
3 . h t t p : / / w w w . l e s n o y e x p e r t . r u /index.php?p=article&id=view&n=19&a=1
4. Карпачев С.П. Оценка объема и качества скоплений бревен в водоемах, монография - М.: МГУЛ, 2004. - 89 с.: ил.

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

©H&G - Studio              Иконка сайта сделана при помощи favicon.ru

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

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

E-mail: priorov@lesopromyshlennik.ru, karpachev@mgul.ac.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.