CC BY
42
НИЖНЕСКЛАДСКИЕ РАБОТЫ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОГО СНАБЖЕНИЯ ЭНЕРГООБЪЕКТОВ ДРЕВЕСНЫМ ТОПЛИВОМ С СОЗДАНИЕМ
минимально необходимых запасов
А.С. ФЕДОРЕНЧИК, проф. каф. лесных машин и технологии лесозаготовок Белорусского ГТУ, канд. техн. наук,
Е.А. ЛЕОНОВ, ст. преподаватель каф. лесных машин и технологии лесозаготовок учреждения образования Белорусского ГТУ, канд. техн. наук
[email protected], [email protected] УО «Белорусский государственный технологический университет» 220006, Республика Беларусь, г. Минск, ул. Свердлова, 13а
Для устойчивого обеспечения энергообъектов древесным топливом предложены концепция гибких лесоэнергетических терминалов и математическая модель их функционирования. Установлены оптимальные величины запасов топлива на терминалах для условий Беларуси.
Ключевые слова: лесоэнергетический терминал, модель функционирования, параметры, запас древесного топлива, потери биомассы.
Исторически сложилось так, что Беларусь зависит от импорта энергоресурсов. Устойчивое ее жизнеобеспечение может быть достигнуто, прежде всего, путем диверсификации производства энергии, источников носителей с максимальным привлечением местных возможностей, а также снижением удельного энергопотребления за счет сберегающих мероприятий [1]. В настоящее время реализуется ряд программ по удовлетворению потребностей в тепловой и электрической энергии за счет потребления местных топливных ресурсов. Это является основным движущим фактором развития сектора производства энергии из древесного топлива в нашей стране, так как предусматривается, что использование древесной биомассы будет играть важную роль в выполнении национальных плановых заданий и позволит довести долю собственных энергоресурсов в балансе котельно-печного топлива до 32 % в 2020 г. [2].
В 2011 г. в Беларуси в различных министерствах и ведомствах, а также на частных предприятиях на древесном топливе работало более 3000 котлов мощностью от 0,012 до 20 МВт, а также 11 мини-ТЭЦ с установленной электрической мощностью от 1,2 до 4,23 МВт и тепловой мощностью от 6,5 до 16,4 МВт. Ввод в действие Вилейской мини-ТЭЦ (16,0 тыс. т у. т. или 60 тыс. плотных м3), котельной «Осиповичи» (10,2 тыс. т у. т. или 38,7 тыс. пл. м3),
Белорусской ГРЭС (8,25 тыс. т у. т. или 22,2
тыс. пл. м3), мини-ТЭЦ ОАО «Мостовдрев» (10 тыс. т у. т. или 38 тыс. пл. м3), Пинской ТЭЦ (23,1 тыс. т у. т. или 88 тыс. пл. м3), Пружан-ской мини-ТЭЦ (22,0 тыс. т у. т. или 83,4 тыс. пл. м3), Петриковской мини-ТЭЦ (7,0 тыс. т у. т. или 26,3 тыс. пл. м3), котельной «Россоны» (8,0 тыс. т у. т. или 30,3 тыс. пл. м3) и других объектов, работающих на биотопливе, требует решения задачи гарантированного обеспечения их сырьем. Учитывая, что примерно с 2005 г начала реализовываться новая стратегия, предусматривающая установку энергоагрегатов с автоматизированной загрузкой древесной щепы, на нее появился спрос. С этой целью в системе предприятий Минлесхоза созданы мощности по производству топливной щепы в 47 лесхозах с объемом производства около 800 тыс. пл. м3 в год. В 2015 г. производственные мощности будут увеличены до 500 тыс. т условного топлива или около 2 млн плотных м3.
В качестве сырья для производства топливной щепы к 2020 г. планируется использовать до 7 млн м3 дров, 0,5 млн м3 отходов лесозаготовок, около 1,5 млн м3 отходов деревообработки. К 2015 г. в республике должны быть построены и введены в эксплуатацию 161 энергоисточник на местных видах топлива с установленной электрической мощностью 39,5-47,5 МВт и тепловой мощностью 1025,7 МВт [2].
Для обеспечения выполнения показателей, заложенных в целевых программах, у
146
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
НИЖНЕСКЛАДСКИЕ РАБОТЫ
Рис. 1. Технологическая схема функционирования ЛЭТ: 1 - автодорога; 2 - штабели дровяного долготья, предназначенные для переработки; 3 - штабель деловых круглых лесоматериалов; 4- подштабельные места для привозного сырья на переработку в топливную щепу; 5 - бурт топливной щепы; 6 - консольно-козловой кран; 7 - приемная площадка для дровяного толстомера; 8 - разделочный станок; 9 - дровокольный станок; 10 - транспортер для подачи дров; 11 - железнодорожный вагон для отгрузки лесоматериалов; 12
- автосортиментовоз; 13 - транспортер для подачи дров и дровяного долготья в стационарную рубильную машину; 14 - приемная площадка для измельчаемого дровяного долготья; 15 - стационарная рубильная машина; 16 - мобильная рубильная машина; 17 - автощеповоз; 18 - колесный ковшовый погрузчик; 19
- лесоперерабатывающий цех
потребителей должны аккумулироваться потоки древесного сырья из различных источников: лесосечные отходы, образующиеся при заготовке деловой древесины; тонкомерная древесина и порубочные остатки от рубок ухода за лесом; древесная биомасса, получаемая в результате сведения древесно-кустарниковой растительности при проведении мелиоративных, строительно-дорожных и других видов работ. Принципиальное отличие работы мини-ТЭЦ как потребителей древесного энергетического сырья, заключается в сезонной аритмии. Помимо этого, поступающее из различных источников сырье имеет широкий диапазон размернокачественных характеристик [3].
Обеспечение устойчивого снабжения мини-ТЭЦ энергосырьем путем разрешения технологических и организационных противоречий требует инновационного подхода к решению задачи создания его запасов. Поэтому в работе предлагается инновационная концепция технологически гибкого лесоэнергетического терминала (ЛЭТ). Именно ЛЭТ
по организационной структуре и технологии наилучшим образом отвечает требованию переработки древесного сырья в широком диапазоне размерно-качественных характеристик, возможности его хранения и подготовки к использованию в соответствии с запросами мини-ТЭЦ.
Под ЛЭТ будем понимать временное или постоянное техническое сооружение, предназначенное для складирования, измельчения древесной биомассы и бесперебойного снабжения энергообъектов древесным топливом. Отличительными особенностями ЛЭТ от складов являются:
- применение мобильной системы специализированных машин;
- гибкий технологический процесс измельчения сырья, допускающий изменение мест и зон работы машин, хранения сырья и древесного топлива;
- переработка древесного сырья в широком диапазоне размерно-качественных характеристик;
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
147
НИЖНЕСКЛАДСКИЕ РАБОТЫ
Колебания Колебания объемов Сезонность Неравномерность и дискретность
спроса производства спроса поставок, непрерывность потребления
Расходы Потери от физической Снижение Расходы на систему
на хранение убыли потребительских свойств машин терминала
Рис. 2. Схема взаимосвязи функционирования систем поставок, потребления и запасов древесного топлива на ЛЭТ
- возможность выбора и изменения места расположения ЛЭТ в транспортно-технологической схеме освоения ресурсов сырья в зависимости от конкретных производственных условий;
- возможность разделения ЛЭТ на несколько составных частей;
- возможность функциональной и территориальной интеграции с другими структурными образованиями (лесными складами, биржами сырья, деревообрабатывающими производствами, энергообъектами и др.).
Пример ЛЭТ, интегрированного с лесным складом ГОЛХУ «Вилейский опытный лесхоз», представлен на рис. 1. Необходимость строительства ЛЭТ возникла тогда, когда на лесхоз была возложена задача обеспечения топливной щепой Вилейскую мини-ТЭЦ. Техническая реализуемость концепции ЛЭТ обеспечена применением мобильной системы машин
[3]: сортиментовозов производства РУП МАЗ; рубильных машин выпускаемых РУП МТЗ, ОАО «Амкодор»; фронтальных погрузчиков ОАО «Амкрдор»; автощеповозов РУП МАЗ.
В целях минимизации запасов древесного топлива и снижения затрат на функционирование ЛЭТ важно исследовать проблему использования внутренних зако-
номерностей между взаимосвязанными частями системы (питающей и потребляющей), рис. 2. Необходимость надежного обеспечения спроса потребителей в комплексе с экономическими последствиями вытекает также из физических соображений, так как увеличенные запасы приводят к огромным потерям и временному исключению из оборота материальных ценностей, с одной стороны, а недопоставка по вине заготовителя - к перебоям в выработке энергии со всеми вытекающими (особенно в зимний период) последствиями.
С целью оптимизации параметров ЛЭТ была разработана универсальная математическая модель его функционирования с учетом вероятностно-статистических характеристик поставки и потребления древесного топлива в течение года [4]. Критерием эффективности являлась целевая функция, заключающаяся в минимизации удельных эксплуатационных затрат по содержанию ЛЭТ, учитывающая затраты на строительство площадки терминала, потери (снижения качества) древесного сырья при открытом кучевом хранении и дополнительные затраты, вызванные ограниченностью вместимости ЛЭТ
148
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
НИЖНЕСКЛАДСКИЕ РАБОТЫ
эз^=
(Э3““+ 0,01- Хпот.Цтудх
Х*о6н)-^<пж +
эз:
псм
V тр
Тр , гчп мес ;м "|"'^'3пр.тр
х-'рпер +
ЭЗСМ гчосм
^Рм , гчомес .
‘ ч-7'-5пр.рм ’
—> min,
псм V рм
П“
+Э3““|м)-(^,ер+^,с)
где ЭЗмес - среднемесячные удельные эксплуатационные затраты (в денежных условных единицах) по содержанию доли площади ЛЭТ, необходимой для размещения на ней 1 плотного кубического метра топливной древесины (с учетом типа покрытия площадки и применяемого оборудования), у.е./пл. м3;
X - величина среднемесячных потерь древесного вещества при открытом хранении, %; Цудт - цена 1 пл. м3 древесного топлива с учетом влажности и зольности, у. е./пл. м3;
^бн - коэффициент обновления запаса древесного топлива на терминале (k б = 0,25-0,5); он
W - относительная вместимость ЛЭТ
отн
(является безразмерной величиной и выражает возможность размещения топлива в количестве среднемесячных объемов производства), мес.;
ЭЗсм , ЭЗсм , ЭЗсм - соответственно
тр рм пм
эксплуатационные затраты содержания 1 маш.-смены автотранспортных средств, рубильных машин и ковшовых погрузчиков, обслуживающих ЛЭТ, в том числе с зарплатой обслуживающих их рабочих, у.е.;
Псм , Псм , Псм - соответственно смен-
тр рм пм
ные производительности автотранспортных средств, рубильных машин и ковшовых погрузчиков, м3;
ЭЗмес , ЭЗмес , ЭЗмес - соответс-
пр.тр пр.рм пр.пм
твенно среднемесячные эксплуатационные затраты от простоя транспортных средств, рубильных машин и ковшовых погрузчиков за год из-за ограниченности вместимости ЛЭТ или отсутствия сырья на нем, у.е.;
Р и Р - соответственно вероятности
отс пер
отсутствия сырья на ЛЭТ и его переполнения.
Статистический анализ эмпирических данных, полученных в условиях производственной деятельности лесхозов Витебского, Минского и Брестского ГПЛХО, показал, что динамика месячных объемов поставки древесного топлива в течение года подчиняется закону нормального распределения, а аналогичная величина объемов сжигания древесного топлива по месяцам в течение года описывается синусоидальной зависимостью. Потери древесного вещества различных видов древесной биомассы (топливная щепа, опилки, кора, неизмельченные отходы лесозаготовок и пр.) при длительном хранении на открытом воздухе описывались логистической функцией [5]. Установлено, что процессы, приводящие к потерям биомассы при хранении, проходят в 3 стадии. На первой стадии, продолжительностью 5-6 месяцев, топливо хранится стабильно, потеря массы не превышает 1 %. На второй стадии происходит рост потерь с различной степенью интенсивности. На третьей стадии нарастание потерь, как правило, существенно замедляется.
Из рассмотренных видов древесного топлива кора наиболее подвержена процессам деструкции. Динамика потерь древесного вещества в наружных и внутренних слоях различных видов щепы и опилок совпадают. Потери древесного вещества биомассы в среднем составляют 0,8-1,5 % в месяц.
На основании установленных законов динамики поставки и потребления древесного топлива в течение года по месяцам на ЛЭТ, экспериментально определенных величин потерь древесного вещества различных видов топлива, с учетом целевой функции и многообразия природно-производственных условий было выполнено имитационное моделирования функционирования ЛЭТ на ЭВМ.
Результаты проведенных исследований позволили установить:
- вероятности переполнения ЛЭТ древесным топливом и отсутствия его на складе резко снижаются с ростом относительной вместимости ЛЭТ до 3,5-4,5 среднемесячных объемов поступления на него сырья, при которой практически обеспечивается устойчивая и эффективная работа энергообъекта;
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2-S/2014
149
НИЖНЕСКЛАДСКИЕ РАБОТЫ
- минимальное значение целевой функции удельных эксплуатационных затрат также достигается при наличии межсезонного запаса не менее 3,5 среднемесячных объемов производства независимо от типа покрытия ЛЭТ (асфальтобетонное, цементобетонное, гравийное);
- для мини-ТЭЦ, расположенных на юге Беларуси, оптимальная относительная вместимость ЛЭТ меньше на 15-20 %, чем для котельных отраслевых или региональных предприятий севера республики;
- применение отечественной системы машин, обслуживающей ЛЭТ при его оптимальной вместимости, по сравнению с зарубежной позволяет в среднем снизить удельные эксплуатационные затраты по всему комплексу работ на 10 %.
Для повышения эффективности выработки единицы энергии котельными или мини-ТЭЦ необходимо в целях уменьшения потерь древесного вещества и лучшего подсушивания межсезонный запас топлива формировать преимущественно из неизмельченной древесины; топливную щепу на складе хранить только в качестве страховых или не-
снижаемых запасов, которые периодически необходимо обновлять; минимизировать сроки хранения и обеспечивать первоочередное сжигание древесной коры.
Библиографический список
1. Ледницкий, А.В. Прогноз ресурсов древесного топлива в Республике Беларусь / А. В. Ледницкий, А. С. Федоренчик // Труды БГТУ Сер. VII. Экономика и управление. - 2004. - Вып. XII. -C. 194-197.
2. Национальная программа развития местных и возобновляемых энергоисточников на 2011-2015 гг.: утв. постановлением Совета Министров Республики Беларусь от 10.05.2011, № 586. - Минск, 2011. - 36 с.
3. Федоренчик, А.С. Энергетическое использование низкокачественной древесины и древесных отходов / А.С. Федоренчик, А. В. Ледницкий. - Минск : БГТУ, 2010. - 446 с.
4. Федоренчик, А.С. Лесоэнергетические терминалы: оптимизация параметров / А.С. Федоренчик, Е.А. Леонов // Лесное и охотничье хозяйство. - 2012. - № 9. - С. 10-15.
5. Кулак, М.И. Прогнозирование хранения запасов топлива в условиях лесоэнергетических терминалов / М.И. Кулак, А.С. Федоренчик, Е.А Леонов // Наука и инновации. - 2012. - № 7(113). - С. 69-72.
ENSURING A SUSTAINABLE SUPPLY OF POWER FACILITES WITH
the creation fuelwood minimum required reserves
Fedorenchik A.S. (BGTU), Liavonau Y.A. (BGTU)
[email protected], [email protected] Belarusian State Technological University, 13a, Sverdlova str.
220006, Minsk, Belarus
To ensure sustainable wood fuel supply of the energy facilities the concept offlexible woodfuel terminals and a
mathematical model of their operation are proposed. The optimal value offuel stocks on terminals for the conditions of
Belarus are defined.
Keywords: woodfuel terminal, operating model, parameters, stock of woodfuel, biomass loss.
References
1. Lednitskiy A.V., Fedorenchik A.S. Prognoz resursov drevesnogo topliva v Respublike Belarus [Forecast woodfuel resources in the Republic of Belarus]. Trudy BGTU. Ser. VII. Ekonomika i upravleniye. 2004. Issue. XII. pp. 194197.
2. Natsionalnaya programma razvitiya mestnykh i vozobnovlyayemykh energoistochnikov na 2011-2015 gody: utv. postanovleniyem SovetaMinistrovRespubliki Belarus ot 10.05.2011 [National program of local and renewable energy in 2011-2015: approved. Resolution of the Council of Ministers of 10.05.2011, № 586], № 586. Minsk, 2011. 36 p.
3. Fedorenchik A.S., Lednitskiy A.V Energeticheskoye ispolzovaniye nizkokachestvennoy drevesiny i drevesnykh otkhodov [Energy use of low-quality wood and wood waste]. Minsk. BGTU, 2010. 446 p.
4. Fedorenchik A.S., Leonov Ye.A. Lesoenergeticheskiye terminaly: optimizatsiya parametrov [Lesoenergeticheskie terminals: parameter optimization]. Lesnoye i okhotnichye khozyaystvo. 2012. № 9. pp. 10-15.
5. Kulak M.I., Fedorenchik A.S., Leonov Ye.A. Prognozirovaniye khraneniya zapasov topliva v usloviyakh lesoenergeti-cheskikh terminalov [Forecasting fuel stockpiles under lesoenergeticheskih terminals]. Nauka i innovatsii. 2012. № 7(113). pp. 69-72.
150
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2-S/2014
