Система моделирования лесозаготовок с учетом потребностей биоэнергетики

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

ных плотин в зависимости от класса капитальности находится в пределах от 1,05 до 1,3.

На рис. 2 показана зависимость коэффициента запаса устойчивости к низконапорной плотины (Н = 1,7 м; Н = 0,7 м, l = 2,5 м) от коэффициента С, характеризующего фильтрационные свойства грунтов в ее основании.

Из приведенного графика видно, что при использовании в качестве наполнителя воды без каких-либо дополнительных утяжелителей сдвигающая сила Р значительно превышает удерживающую силу F. Для обеспечения устойчивости сооружения на сдвиг с коэффициентом запаса устойчивости к дополнительная удерживающая сила AF должна составить

AF = кР - F, Н.

Дополнительная удерживающая сила может быть обеспечена несколькими способами.

1. Путем помещения вместе с водой внутрь оболочки более тяжелого наполнителя.

2. Путем крепления сооружения за береговые опоры непосредственно за концы оболочки (рис. 3, слева), либо с помощью системы: лежень - ремни-подвески (рис. 3, справа);

3. С помощью дополнительных подпорных элементов со стороны нижнего бьефа в виде металлических или деревянных опор, либо емкостей с грунтом

4. Путем установки двух и более соединенных между собой емкостей (рис. 4, в).

Опыт эксплуатации плотины с лежнем и ремнями-подвесками показал недостатки данной конструкции. В местах соприкосновения ремней-подвесок с оболочкой в ней возникают значительные деформации и местные напряжения. Это приводит к протечкам воды под сооружением в местах образования складок и повышает вероятность повреждения оболочки.

Библиографический список

1. Комяков, А.Н. Гидротехническое сооружение / А.Н. Комяков, М.А. Сорокин, С.П. Карпачев, И.Л. Шевелев. - Патент на полезную модель № 86601 от 01.06. 2009 г.

2. Комяков, А.Н. Гидродинамические характеристики плавучих контейнеров и контейнерных составов для водной доставки измельченных лесных грузов / А.Н. Комяков, М.А. Сорокин // Вестник МГУЛ-Лесной вестник, № 4(73) - М.: МГУЛ, 2010. - С. 102-104.

3. Сорокин, М.А. Транспортные качества мобильных гидротехнических сооружений наполняемого типа в условиях безграничного потока и мелководья / М.А. Сорокин, А.Н. Комяков // Вестник МГУЛ-Лесной вестник, № 3. - М.: МГУЛ, 2011. - С. 81-84.

4. Комяков, А.Н. Гидротехническое сооружение / А.Н. Комяков, А.Г. Евсеев, И.Л. Шевелев. - Патент РФ № 62615 от 20.04.2006 г.

5. Комяков А.Н. Плавучесть и остойчивость контейнера для водной доставки лесных грузов / А.Н. Комяков, И.Л. Шевелев // Вестник МГУЛ-Лесной вестник, № 4. - М.: МГУЛ, 2010. - С. 99-101.

СИСТЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛЕСОЗАГОТОВОК

с учетом потребностей биоэнергетики

Ю.В. СУХАНОВ, ст. преподаватель каф. ТОЛКПетрГУ

Повышение цен на ископаемые энергоносители, запас которых непрерывно сокращается, и ухудшение экологической обстановки вынудили многие развитые страны обратить внимание на биоэнергетику и современные технологии, позволяющие эффективно использовать возобновляемые источники энергии для получения тепла и электричества. Одним из перспективных видов возобновляемого биотоплива, в странах

suhanov@karelia.ru с обширными лесными массивами, является древесное топливо в виде дров, топливной щепы, гранул и брикетов. Например, в Финляндии уже сегодня в энергетическом балансе страны доля древесного биотоплива доходит до 20 % [1].

Россия, занимающая ведущее место в мире по покрытой лесами площади, обладает огромным потенциалом в области лесной биоэнергетики. Но из-за наличия относи-

152

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»

тельно недорогих ископаемых энергоносителей биоэнергетика в России только начинает развиваться. Опыт применения в России современных систем машин для производства древесного биотоплива достаточно скуден. Поэтому большой интерес представляет зарубежный опыт, прежде всего стран Скандинавии, где производство энергии из древесины уже сегодня играет существенную роль в жизни общества. Но следует принять во внимание, что отличия природно-производственных и экономических условий не позволяют без соответствующей адаптации использовать опыт зарубежных стран в России. Например, в отличие от стран Скандинавии, при заготовках леса в России образуются значительные объемы низкосортной и дровяной древесины, которые можно использовать в качестве недорогого источника биомассы для производства древесного биотоплива [2].

На сегодняшний день в Финляндии и Швеции производство древесного топлива тесно интегрировано во все системы лесопользования. В качестве источников сырья используются порубочные остатки, тонкомерная древесина, в том числе от рубок ухода, а также древесина пней и корней [6]. В России, на первых этапах развития биоэнергетики, технологии производства древесного топлива должны быть интегрированы с процессами заготовки деловой древесины, а в качестве источника биомассы для производства древесного топлива следует рассматривать низкосортную и дровяную древесину, а также, в перспективе, порубочные остатки.

Потребителями древесного топлива могут быть котельные и мини-ТЭц, вырабатывающие тепло и электроэнергию для лесных поселков и предприятий лесного комплекса. Как показывает опыт европейских стран, в этом случае оптимальным видом древесного топлива является топливная щепа [3].

Переход на местные виды топлива приведет к снижению затрат на отопление и электроэнергию, к большей независимости от поставщиков энергии, к созданию рабо-

чих мест для местного населения, к улучшению состояния лесов и увеличению поступления налогов в муниципалитеты.

В настоящее время во многих регионах Северо-Запада России сортиментная технология постепенно вытесняет заготовку в хлыстах, а в Республике Карелия и Ленинградской области уже доминирует [7]. Поэтому наибольший интерес представляют технологии заготовки топливной щепы, которые можно встроить в процессы сплошнолесосечной заготовки деловой древесины сортиментами. Комплексная заготовка деловой древесины и древесной биомассы для производства топливной щепы позволяет снизить затраты на планирование, управление и другие затраты в расчете на произведенный кубический метр лесопродукции. Кроме того, это дает возможность задействовать одни и те же лесозаготовительные машины для выполнения различных видов работ, что позволяет минимизировать затраты.

Наибольший интерес вызывают следующие варианты технологических цепочек получения топливной щепы (рис. 1).

- Первый вариант - это сбор и трелевка древесной биомассы на погрузочную площадку с помощью форвардера, рубка биомассы в щепу передвижной рубитель-ной машиной и вывозка готовой топливной щепы автощеповозом до потребителя.

- Второй вариант рассматривает применение при сборе порубочных остатков специальной пакетирующей машины (типа John Deere 1490D). В этом варианте потребителю доставляется не щепа, а плотно обвязанные пакеты отходов лесозаготовок.

- Третий вариант базируется на применении мобильной рубительной машины с контейнером (типа Амкодор 2902). В этом случае биомасса рубится в щепу непосредственно на делянке, перегружается в контейнер на погрузочной площадке и вывозится потребителю.

- Четвертый вариант рассматривает возможность производства топливной щепы только из низкосортной и дровяной древесины, без использования порубочных остатков.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

153

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

Все порубочные остатки идут на укрепление волока.

Все вышеназванные варианты требуют изменений в технологии заготовки деловой древесины [4] и приобретения специализированных машин и оборудования, поэтому выбор той или иной технологии должен быть обоснован.

При решении вопроса о целесообразности комплексной заготовки деловой и топливной древесины на рубках главного пользования, а также при выборе технологии и системы машин, необходимо учитывать следующие факторы: технические характеристики машин, задействованных на заготовке; возможность и расстояние доставки древесного топлива до потребителя; характеристики древостоя; цены на продукцию лесной отрасли. Попробовать на практике все существующие технологии и машины по заготовке древесной биомассы и производству топливной щепы в различных условиях невозможно. Помочь в решении вопроса о целесообразности комплексной заготовки деловой и топливной древесины, а также оптимально подобрать технологию и систему машин, с учетом условий конкретного предприятия или региона может имитационное моделирование работы лесных машин.

Над построенными имитационными моделями можно проводить вычислительные эксперименты взамен экспериментов с реальными лесными машинами. Выводы и закономерности, полученные в результате работы адекватной имитационной модели, можно использовать в качестве рекомендаций для выбора технологий и машин для заготовки и производства древесного биотоплива. Кроме того, имитационная модель дает возможность производить вычислительные эксперименты целенаправленно, в виде активного эксперимента, что позволяет найти граничные условия применения того или иного решения, а также найти решения, улучшающие работу существующей системы машин.

Имитационные модели работы лесных машин, модель делянки и окружающей среды, модель транспортировки биомассы

или готовой щепы с помощью автотранспорта до потребителя будут создавать основу системы поддержки принятия решения о целесообразности комплексной заготовки деловой и топливной древесины на рубках главного пользования. Структура системы представлена на рис. 2.

Пользователями такой системы могут стать как лесозаготовительные предприятия, так и органы местного самоуправления, решающие вопрос о целесообразности применения местных видов топлива на котельных и мини-ТЭц региона.

Для проведения имитационных экспериментов с моделями лесных машин была разработана модель делянки. Условия работы лесной техники на делянке характеризуются множеством факторов, в первую очередь это таксационные показатели лесного насаждения, характеристики рельефа и грунта, климатические условия, сезон проведения работ. Модельная лесосека формируется на основе генерации горизонтальной и вертикальной структуры древостоя, а также климатических, грунтовых условий и рельефа.

Основные исходные данные при моделировании вертикальной структуры древостоя: породный состав древостоя, запас древесины на лесосеке, класс возраста древостоя, бонитет, средний диаметр на высоте груди по составляющим породам, средние высоты по составляющим породам.

В связи с тем, что необходимо получение данных, связанных с объектами карт формата MapInfo, модель делянки разбита на несколько частей. Одна часть, реализованная на языке MapBasic, отвечает за графический интерфейс пользователя, за ввод данных о делянке и древостое, а также позволяет размечать магистральный и пасечные волока, выбирать размещение погрузочной площадки. Вторая часть на основе информации, полученной от первой части, генерирует вертикальную и горизонтальную структуру древостоя, рельеф, климатические условия. Она реализована на языке С++, что позволило значительно сократить время моделирования.

154

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»

Программа на MapBasic: Программа на C++:

- получение информации - моделирование горизонтальной

о характеристиках древостоя структуры древостоя;

it. ” Ш и рельефа из базы данных - моделирование вертикальной

Информация о делянке ГИС (формат Maplnfo) связанных с картой; - взаимодействие с пользователем. структуры древостоя; - моделирование климатических условий и рельефа местности.

Программа на C++: Программа на C++:

Имитационное моделирование *

работы форвардера на трелевке oo*Cr

сортиментов, порубочных Имитационное моделирование

остатков и пакетов; D работы харвестера.

пакетирующей и мобильной Учет времени, количества

рубительной машины. деловых и дровяных

сортиментов, а также

порубочных остатков.

Программа на C++:

- сбор и обработка данных работы моделей;

- расчет стоимости транспортировки древесной биомассы и щепы до потребителя;

- расчет стоимости переработки биомассы в щепу на рубительной машине.

- расчет себестоимости топливной щепы.

Результаты моделирования экспортируются в таблицы формата DBF

Рис. 1. Технологические цепочки получения топливной щепы

Рис. 2. Структура системы

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

155

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

В зимний период движение лесной машины будет зависеть от характеристик снежного покрова, в первую очередь от его высоты. Высота снежного покрова моделируется в зависимости от месяца проведения работ в лесу. Учитываются климатические особенности региона и разница в высоте снежного покрова на открытой местности и в лесу. В остальное время года, в зависимости от месяца, определяется влажность грунта.

Характеристики рельефа пользователем задаются как перепад высот в метрах и максимальная крутизна склонов в градусах. На основании этих данных строится специальная таблица, по которой, при моделировании работы лесных машин, определяются продольный и поперечный крен.

Модель позволяет моделировать насаждения, состоящие из четырех пород деревьев: сосна, ель, береза, осина. При необходимости моделирования других пород необходима небольшая модификация модели.

По результатам моделирования создается таблица, в которую заносятся характеристики каждого дерева, а также отмечается дерево в рубку. Программа позволяет моделировать как сплошные, так и несплошные рубки.

Имитационные модели лесных машин выполнены на языке С++.

Исходными данными для работы имитационной модели харвестера являются идентификационный номер машины из базы данных по технических характеристикам и результаты моделирования делянки и окружающей среды. По номеру из базы данных считываются все характеристики харвестера и харвестерной головки, необходимые для моделирования.

Моделирование работы возможно для колесных машин и машин на базе экскаватора. В программе ведется расчет времени по операциям, учет количества сортиментов и их характеристики, расчет объема порубочных остатков. Программа позволяет указывать процент порубочных остатков, которые будут укладываться на укрепление волока,

остальные будут собраны и использованы как сырье для производства топливной щепы.

Моделирование происходит по следующему алгоритму.

Пока все деревья, назначенные в рубку, не будут свалены и обработаны, последовательно в цикле выполняются три подпрограммы:

- Подпрограмма расчета координат следующей технологической остановки рассчитывает оптимальное место остановки.

- Подпрограмма передвижения, учитывающая время, затраченное харвестером на перемещение между технологическими остановками. Дополнительно подпрограмма запоминает количество проходов техники по волоку, рассчитывает глубину колеи (без учета армирования порубочными остатками) и уплотнение почво-грунта.

- Подпрограмма обработки дерева, в которой ведется расчет времени наводки манипулятора, зажима, срезания (с учетом валки), подтаскивания дерева, обрезки сучьев и раскряжевки на сортименты. Также в этой подпрограмме ведется учет срубленных деревьев, сортировка сортиментов по диаметру в верхнем отрезе на группы, расчет объема порубочных остатков. Заполняется таблица с координатами расположения сортиментов и порубочных остатков.

В связи с тем, что алгоритмы работы форвардера, машины для пакетирования порубочных остатков и мобильной руби-тельной машины с контейнером во многом схожи, то для моделирования работы машин используется одна программа.

Программа позволяет моделировать работу мобильной рубительной машины, пакетирующей машины и работу форвардера для трех вариантов:

- Сбор сортиментов.

- Сбор порубочных остатков.

- Сбор пакетов с порубочными остатками за пакетирующей машиной.

В модели учитывается количество проходов техники по волоку и рассчитывается глубина колеи и уплотнение. Если глу-

156

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»

бина колеи превысит клиренс машины, то моделирование останавливается и делается вывод о недостаточной несущей способности грунта. В этом случае порубочные остатки должны идти на укрепление волока.

Для форвардера, в зависимости от задач моделирования, рассчитываются объемы стрелеванных сортиментов, отходов или пакетов, а также время работы.

При моделировании работы пакетирующей машины рассчитывается количество пакетов, их суммарный объем, координаты расположения пакетов, время работы.

Для мобильной рубительной машины на базе форвардера с контейнером рассчитывается объем нарубленной и вывезенной щепы, а также время работы.

Система позволяет произвести сравнение четырех вышеназванных вариантов и помочь выбрать оптимальный для конкретных природно-производственных условий. В качестве базового рассматривается вариант без сбора лесосечных отходов после проведения сплошнолесосечной заготовки деловой древесины сортиментами. На основе сравнения с базовым вариантом можно принять решение о целесообразности производства топливной щепы для данных условий.

Подпрограмма обработки данных собирает результаты моделирования работы всех машин в цепочке и рассчитывает затраты на их работу по методике расчета эксплуатационных затрат лесосечных машин [5]. На основе дополнительных данных, введенных пользователем, программа рассчитывает затраты на вывозку автомобильным транспортом сортиментов, щепы или пакетов порубочных остатков, а также затраты на производство щепы рубительной машиной. В программе заложена возможность выбора места переработки биомассы в щепу. Это может быть погрузочная площадка у делянки или переработка биомассы в щепу будет производиться у потребителя.

Для каждой машины в технологической цепочке пользователь может задать данные, необходимые для расчета постоянных и переменных затрат. Также пользователь

может назначить цены на лесную продукцию, указать затраты на уборку делянки и на страховку машин. В программе есть возможность гибко определить сортименты, которые будут считаться низкосортными и дровяными и использоваться для переработки в топливную щепу.

Работа выполняется при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФцП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», тема НИР «Система поддержки принятия решений по стимулированию рационального использования древесной биомассы и отходов лесозаготовок в биоэнергетике» и в рамках проекта «Техникоэкономическая и эколого-социальная оценка перспективности заготовки древесной биомассы для нужд местной энергетики с использованием логистического подхода и ГИС-технологий».

Библиографический список

1. Каръялайнен, Т. Поставки древесного топлива в

Финляндии / Т. Каръялайнен, Ю. Герасимов // Материалы семинара «Лесная энергия» НИИ леса Финляндии (METLA). Интерлес Карелия. Петрозаводск, 2011. http://www.infobio.ru/sites/default/ files/Karjalainen_Gerasimov_interles_Karelia_2011_ web______presentation_0.pdf, свободный.

2. Соколов, Д.Л. О развитии рынка биотоплива в России и за рубежом / Д.Л. Соколов, В.С. Холодков // IV региональный Лесной форум. Матер. конф. - Архангельск, 2010. http://bis-media.ru/dl/ forum2010/sokolov.pdf, свободный.

3. Передерий, С. Щепа как твердое биотопливо в Европе / С. Передерий // ЛесПромИнформ. -2010. - № 5. - С. 132-135.

4. Ууситало, Й. Основы лесной технологии / Й. Уу-ситало. - Оу FEG. Йоэнсуу, 2004. - 228 с.

5. Ананьев, В.А. Промежуточное пользование лесом на Северо-Западе России / В.А. Ананьев, А. Аси-кайнен, Э. Вяльккю, Ю.Ю.Герасимов и др. - НИИ леса Финляндии. 2005. - 150 с.

6. Hakkila, P. Developing technology for large-scale production of forest chips. Wood Energy Technology Programme 1999 - 2003 // Tekes Technology Programme Report, 2004. - № 6. - 98 p.

7. Gerasimov, Y, Senkin V, V^tainen K. Productivity of single-grip harvesters in clear-cutting operations in the northern European part of Russia // European Journal of Forest Research. 2011. DOI:10.1007/ s10342-011-0538-9. 8 p.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

157