CC BY
16
НАУЧНАЯ ПУБЛИКАЦИЯ
Прогнозирование хранения запасов топлива в условиях лесоэнергетических терминалов
УДК 674.8
Важнейшие направления в области решения проблемы устойчивого ресурсопотребления в Беларуси - повышение эффективности использования имеющихся местных природных богатств и, главное, существенное улучшение качества человеческого потенциала, создание условий для генерирования новых идей и претворения их в наукоемкие конкурентоспособные технологии. Устойчивое жизнеобеспечение нашей страны может быть достигнуто прежде всего путем диверсификации производства энергии, источников ее носителей с максимальным привлечением местных возможностей, а также снижением удельного энергопотребления за счет сберегающих мероприятий [1].
В Беларуси с каждым годом увеличивается количество энергетических установок, работающих на биомассе, в том числе на древесных отходах. Принят ряд программ различного уровня, направленных на более полное вовлечение в оборот мало используемых в настоящее время древесных топливных ресурсов, создание инфраструктуры их заготовки и транспортировки на мини-ТЭЦ. На государственном уровне придается большое значение модернизации энергетической системы страны на основе увеличения до 15% доли использования собственных возобновляемых топливно-энергетических ресурсов [2].
Для обеспечения выполнения показателей, заложенных в целевых программах, у потребителей должны аккумулироваться потоки древесного топливного сырья из различных источников: лесосечные отходы, образующиеся при заготовке деловой древесины; тонкомерная древесина и порубочные остатки при проведении рубок ухода за лесом; древесная биомасса, получаемая в результате сведения дре-весно-кустарниковой растительности при мелиоративных, сельскохозяйственных, строительных, дорожных и других видах работ. Принципиальное отличие работы мини-ТЭЦ как потребителей древесины от деревообрабатывающих предприятий заключается в сезонной аритмии, а также широком диапазоне размерно-качественных характеристик сырья [3].
Обеспечение им устойчивого снабжения мини-ТЭЦ путем ликвидации технологических и организационных противоречий требует инновационного подхода к решению задачи создания его запасов. Склад, как традиционная организационно-технологическая единица, для этих целей не подходит по целому ряду причин. Поэтому предлагается инновационная концепция технологически гибкого лесоэнергетиче-ского 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. Техническая реализуемость концепции ЛЭТ обеспечивается тем, что отечественные предприятия, в первую очередь такие, как РУП МАЗ, РУП МТЗ, ОАО «Амкодор», СООО «Tiger», серийно выпускают ряд специализированных машин и оборудования для его работы. Ее организация и управление требуют разработки математического описания основных функциональных процессов ЛЭТ. Построение таких моделей ограничивается недостаточной изученностью, в том числе и на фундаментальном уровне, некоторых процессов, связанных с технологией функционирования ЛЭТ. Одним из таких процессов являются потери различных видов древесного топлива (топливная щепа, опилки, кора, неизмельченные отходы лесозаготовок) при длительном хранении на открытом воздухе [3]. Различия в его структуре и размерно-качественных характеристиках древесного топлива обусловливают отличия в скорости и сочетаниях физических, химических и микробиологических процессов, приводящих к его потерям в результате изменения свойств, микробиологической деструкции. Соответственно, математическая модель должна быть в достаточной степени универсальной, чтобы описывать все эти процессы с требуемой точностью.
Л<)=
В данной работе для построения такого описания предлагается использовать логистическую функцию [4]. Определяющим дифференциальным уравнением для логистической функции является уравнение Ферхюльста - Перла:
где у - значение анализируемого показателя, в рассматриваемой задаче это потери древесного топлива при его хранении в некоторый момент времени I; А - асимптота логистической функции; Ь - параметр задачи.
Уравнение (1) интегрируется аналитически, его решение и есть искомая логистическая функция
_ 12]
где уд - начальное значение функции у.
Неизвестные коэффициенты А и Ь, а также начальное значение уд в выражении (2) можно найти с помощью регрессионного анализа по методу наименьших квадратов (МНК). При этом исходными данными являются статистические показатели, полученные в результате промышленных и лабораторных исследований потерь древесного топлива при хранении на открытом воздухе на существующих складах мини-ТЭЦ. Методика проведения исследований подробно описана в работе [3].
Необходимо отметить, что в научной литературе имеются примеры использования логистической функции для описания деструкции некоторых материалов, в том числе древесины [5, 6]. Так, в работе [5] она применяется для описания динамики коррозии металлов, в [6] с ее помощью выполнено математическое описание динамики биоразрушения деревянных конструкций (столбов и фундаментов). Однако в работах [5, 6] использовался частный случай функции (2), когда ее асимптота А равна единице. Фактически это означает, что процесс продолжался до полного разрушения материала. К тому же продолжительность процесса полного биоразрушения для древесных конструкций составляет 14 лет для столбов и 80 лет для фундаментов [6]. Как будет показано далее, потери древесного топлива
при хранении и переработке в условиях ЛЭТ сопровождаются существенно более низкой степенью деструкции и имеют намного меньшее время продолжительности процессов.
Результаты обработки экспериментальных данных и найденные с помощью МНК значения параметров логистической функции (2) для потерь древесного топлива при хранении на складах мини-ТЭЦ приведены в таблице.
За период наблюдения равный 12 месяцам логистическая функция практически достигла асимптотического значения А. Поэтому А является характеристикой предельного значения потерь топлива. Как видно из таблицы, в большинстве случаев для наружных и внутренних слоев А отличается на 0,1%, что можно считать несущественным. Хотя в динамике процессов в наружных и внутренних слоях на разных стадиях цикла различия могут быть более заметными. Наибольшее значение А принимает для коры - 10,7%, наименьшее - для хвойных опилок (7,5%). Данное обстоятельство должно учитываться при определении времени хранения и очередности подачи различных видов топлива на ТЭЦ.
Параметр Ь характеризует интенсивность (кинетику) процессов на стадии установившегося роста. Наибольшее значение этот параметр имеет для хвойных опилок, в результате 80% потерь их общего количества происходит довольно быстро - за три месяца. Наименьшее значение этого параметра приходится на щепу из отходов лесозаготовок и кору: процессы, приводящие к потерям их массы, в сравнении с опилками протекают медленнее в 2,2 раза. Обращает на себя внимание относительно высокое значение параметра Ь и для наружных слоев отходов лесозаготовок: после шести месяцев стабильного хранения происходит «срыв» - за три месяца теряется 8% (из общих 9%) топлива данного вида. Однако во внутренних слоях буртов процессы потерь идут в 1,5 раза медленнее.
Параметр у0 характеризует начальную величину потерь топлива. Поскольку его значение в 100 и более раз меньше А, то начальные потери можно считать несущественными. Адекватность моде-
лей проверялась по критерию Фишера. Табличное значение данного критерия при количестве степеней свободы V = 12-1 = 11 и уровне значимости а = 0,05 составляет Рт = 2,82, что больше для всех значений Г, полученных при обработке экспериментальных данных.
Динамика потерь при хранении для различных видов топлива показана на рисунке. Прослеживаемые на нем зависимости позволяют заключить, что процессы, приводящие к потерям топлива при хранении, проходят в три стадии. На первой, продолжительностью 5-6 месяцев, топливо хранится стабильно, потеря массы не превышает 1%. На второй стадии наблюдается рост потерь с различной степенью интенсивности. На третьей нарастание потерь, как правило, существенно замедляется.
Построенные модели важны не только для организации ЛЭТ. Они могут быть использованы для фундаментальных исследований процессов в древесине. Первый член в правой части дифференциального уравнения (1) описывает рост скорости процесса, второй - его замедление. Оно происходит в условиях, когда начинает исчерпываться потенциал процесса. Как уже указывалось, при хранении в топливе происходят физические, химические и микробиологические процессы. Биологическая деструкция древесины в результате воздействия древесных грибов развивается через 3-4 года [6], поэтому в рассматриваемом случае она не успевает проявиться.
Физические процессы связаны прежде всего с тепло- и массопереносом при подсыхании древесины в летний период (в некоторых случаях - при вымораживании в зимний период), соответственно, в ве-сенне-осенний период происходит увлажнение древесины. Поэтому эти процессы имеют периодический сезонный характер, хотя могут интенсифицировать химическую и микробиологическую деструкцию.
Указанием на протекание процессов химической деструкции является изменение цвета древесины, повышение температуры в буртах, в некоторых случаях практически до самовозгорания (наблюдалось выделение дыма в буртах из коры) [3].
^СМН И ЬЯ^ МК ^СМЯ ЦЗ ЬЯ^ 1ЖХГ,
Обозначения в легенде:
для наружного слоя: В экспериментальные данные; D - логистическая функция; Е - асимптота; для внутреннего слоя: G экспериментальные данные; I - логистическая функция; J - асимптота.
Динамика потерь при хранении для различных видов топлива:
а) щепа из лиственной древесины; б) щепа из отходов лесозаготовок; в) щепа хвойная; г) опилки хвойные; д) кора; е) отходы лесозаготовок
Таблица. Значения параметров логистической функции для потерь различных видов древесного топлива при открытом хранении
Вид древесного топлива Слой при хранении Значения параметров Критерий
A, % b, 1/мес. У,, % F р
Щепа из Наружный 8,330 0,079 0,042 1,080
лиственной дровяной древесины Внутренний 8,198 0,090 0,022 1,071
Щепа из отходов Наружный 9,841 0,069 0,070 1,039
лесозаго-товок Внутренний 9,985 0,062 0,110 1,046
Щепа хвойная Наружный 7,746 0,104 0,017 1,060
Внутренний 7,736 0,102 0,020 1,048
Опилки хвойные Наружный 7,588 0,141 0,005 1,006
Внутренний 7,499 0,141 0,005 1,000
Кора Наружный 10,686 0,064 0,050 1,011
Внутренний 10,529 0,067 0,033 1,003
Отходы Наружный 8,829 0,134 0,011 1,044
лесозаготовок Внутренний 9,143 0,088 0,012 1,009
Одним из индикаторов процесса микробиологической (ферментативной) деструкции древесины является выделение метана. Этим процессам в большей степени подвержена лиственная древесина, поскольку она отличается повышенным содержанием полисахаридов. Хвойная имеет повышенное содержание смол, которые защищают ее от деструкции. Поэтому на первом этапе в результате физических и химических воздействий происходит разрушение смол, а далее начинает развиваться деструкция компонентов древесины.
Как показывает анализ результатов экспериментов с помощью логистической функции, при хранении на открытом воздухе на протяжении одного года в древесном топливе доминируют процессы химической и микробиологической деструкции. Колебания влажности имеют
периодический сезонный характер.
Технология подготовки и хранения запасов топлива в условиях ЛЭТ с учетом разработанных моделей предполагает паспортизацию каждой поступающей партии топлива определенного вида. С учетом имеющихся объемов топлива и динамики запросов ТЭЦ далее с помощью экономико-математических моделей определяется оптимальный вариант стратегии нахождения конкретной партии топлива на ЛЭТ. Учитывая широкий диапазон различия видов древесного топлива, его размерно-качественных характеристик, динамику запросов ТЭЦ, можно констатировать, что ЛЭТ в плане технологической гибкости должен иметь довольно существенный набор виртуальных технологий переработки и хранения топлива, каждая из которых при определенных условиях может быть реализована. В этом состоит
Summary
The article is dedicated to development innovative concepts of the flexible terminal for providing small electric station by wood fuel. In work on base given industrial and laboratory experiment are built mathematical models, describing loss fuel as a result of processes physical, chemical and microbiological breach of the structure of wood. For mathematical description dynamics of destruction is used logistic function.
инновационная составляющая концепции ЛЭТ, которая не свойственна складам классических деревообрабатывающих предприятий.
Таким образом, разработанный комплекс моделей на основе логистической функции решает фундаментальную часть обоснования работы ЛЭТ, а именно прогнозирование влияния физических, химических и микробиологических процессов на древесное топливо при его переработке и хранении в условиях таких терминалов.
Статья поступила в редакцию 25.05.2012 г.
Михаил Кулак,
завкафедрой полиграфических производств Белорусского государственного технологического университета, доктор физико-математических наук, профессор
Александр Федоренчик,
профессор кафедры лесных машин и технологии лесозаготовок БГТУ, кандидат технических наук, доцент
Евгений Леонов,
ассистент кафедры
лесных машин и технологии лесозаготовок БГТУ
Литература
1. Свириденок А.И. Роль местных ресурсов в устойчивом развитии государст-ва // Наука и инновации. 2010, №6(88). С. 5-8.
2. Древесное топливо - альтернатива традиционным источникам энергии / ПРООН, ГЭФ, Комитет по энергоэффективности при Совете Министров Республики Беларусь. - Мн., 2008.
3. Леонов Е.А. Исследование хранения древесного топлива у потребителей // Тр. Белорусского гос. технолог. ун-та. Сер. II. Лесная и деревообрабатывающая промышлен-ность, 2009. Вып. XVII. С. 89- 93.
4. Кулак М.И. Теория организаций на основе моделей жизненного цик-ла / М.И. Кулак, С.А. Ничипорович, Е.С. Мирончик // Наука и инновации. 2009, №8(78). С. 37-40.
5. Овчинников И.Г. Применение логистического уравнения для описания процесса коррозионного разрушения / И.Г. Овчинников, Л.Л. Елисеев // Физико-химическая меха-ника материалов. 1981, Т. 17, №6. С. 30-35.
6. Варфоломеев А.Ю. Динамика биологической деструкции древесины // Строительные материалы. 2010, №6. С. 54-55.
