Анализ одного варианта обеспечения древесным топливом строящейся котельной

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛИЗ ОДНОГО ВАРИАНТА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДРЕВЕСНЫМ ТОПЛИВОМ СТРОЯЩЕЙСЯ КОТЕЛЬНОЙ

Герасимов Юрий Юрьевич

Введение

В лесных регионах древесное топливо может вполне стать одним из важнейших энергетических ресурсов, причем возобновляемым, в отличие от ископаемых видов. Это подтверждается уже существующим на сегодняшний день достаточно большим опытом многих стран. Одним из лидеров в использовании древесного топлива является Финляндия, где доля энергии, получаемой от сжигания древесного топлива, составляет 20% [2, 4, 14, 15]. Наряду с возобновляемостью, преимуществом этих видов топлива является то, что они делают местную энергетику более устойчивой с точки зрения энергобезопасности, т. к. заготавливаются вблизи мест потребления и не требуют длительной транспортировки.

Республика Карелия является перспективным регионом с точки зрения широкого внедрения технологий использования древесного топлива. Уже сейчас во многих районах работают котельные на древесном топливе. Как правило, это небольшие по своей мощности объекты, использующие в качестве топлива дрова и топливную щепу. В последнее время рассматриваются проекты строительства более мощных энергостанций на древесном топливе. Важным моментом при проектировании таких объектов является организация бесперебойного снабжения их необходимым топливом.

В настоящее время в стадии завершения находится проект строительства в г. Суоярви теплостанции общей мощностью 18 МВт, работающей на щепе, древесных опилках и торфе. Предполагается установка двух котлоагрегатов на 12 и 6 МВт.

По всей видимости, для обеспечения такой теплостанции топливом должны будут задействованы сырьевые ресурсы не только Суоярвского района, но и соседних с ним.

Методы, инструменты, исходные данные

заготовка топливный древесина котельная

В ходе выполнения проектов «Новые трансграничные решения в области интенсификации ведения лесного хозяйства и повышения степени использования топливной древесины в энергетике», выполняемого в соответствии с программой добрососедства и партнерства KARELIA ENPI CBC, и «Технико-экономическая и эколого-социальная оценка перспективности заготовки древесной биомассы для нужд местной энергетики с использованием логистического подхода и ГИС-технологий», выполняемого по заданию Минобрнауки в рамках Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012-2016 г. в Петрозаводском государственном университете был выполнен детальный анализ различных вариантов организации производства древесного топлива в условиях ОАО Ладэнсо - крупного лесозаготовительного предприятия, оперирующего на территории Питкярантского и Сортавальского районов [1, 5].

Анализ выполнялся с помощью разработанного комплекса компьютерных программ, подробно описанного в работах [1, 3, 5, 7-12, 17-20]. Для осуществления этой работы был собран большой объем информации и выполнено моделирование. При этом основной сделанный вывод заключался в том, что в рассматриваемых условиях наиболее эффективной является технология заготовки древесного топлива, при которой щепа из лесосечных отходов производится на погрузочных площадках в лесу с помощью мобильных рубительных машин и доставляется потребителям автомобилями-щеповозами, а дровяная древесина либо используется непосредственно, либо перерабатывается в щепу уже у потребителя [6, 13-15].

Тот факт, что Питкярантский и Сортавальский районы соседствуют с Суоярвским, а также то, что потенциальные ресурсы древесного топлива лесосырьевой базы ОАО Ладэнсо на сегодняшний день используются не полностью, дает основание полагать интересным исследование уровня эффективности такого потенциального производства с учетом возможности поставок на проектируемую энергостанцию в Суоярви.

Первым этапом работы стало определение баланса возможных объемов производства и потребления. ОАО Ладэнсо традиционно поставляет дровяную древесину для достаточно большого числа котельных Питкярантского и Сортавальского районов, некоторые из которых уже переведены на топливную щепу. При моделировании необходимо учесть необходимость полностью обеспечивать их сырьем и в дальнейшем. Кроме того, часть дров обычно реализуется населению. Это также должно быть учтено. На сегодняшний день все потребности в древесном топливе удовлетворяются за счет дровяной древесины. Топливная щепа из лесосечных отходов не производится. Цель описываемой работы заключается в оптимизации лесной логистической системы ОАО Ладэнсо, моделировании ее функционирования и анализе полученных результатов с учетом внедрения производства топливной щепы, организации поставок древесного топлива на энергостанцию в Суоярви и при условии сохранения необходимых объемов поставок топлива традиционным потребителям.

По данным, предоставленным Министерством строительства, жилищно-коммунального хозяйства и энергетики Республики Карелия были определены существующие потребители древесного топлива, а также объемы потребления. Для удобства моделирования объемы были приведены к населенным пунктам (табл. 1).

Табл. 1. Потребление древесного топлива в Пикярантском и Сортавальском районах

Потребление топлива не происходит равномерно в течение года. Львиная его доля приходится на отопительный сезон (с октября по май). Причем практически на полную мощность котельные работают только в декабре и январе, а в октябре, апреле и, особенно, в мае потребление в разы меньше. Поэтому моделирование функционирования логистической системы выполнялось для полугодового периода с октября по март включительно.

При моделировании использовались те же исходные данные, что и в предыдущей работе [1, 5]. При этом использовался вариант с применением комплекса машин на производстве топливной щепы из лесосечных отходов, состоящий из одной мобильной рубительной машины и двух автомобилей-щеповозов. Параметры всех машин были заданы такими же, как и в работе [1]. На основании данных Министерства строительства, жилищно-коммунального хозяйства и энергетики Республики Карелия были уточнены необходимые объемы поставок древесного топлива каждому потребителю по месяцам. К числу потребителей был добавлен город Суоярви с указанием, что он принимает как дрова, так и топливную щепу. Объем потребления в Суоярви не был ограничен с целью определения того максимального объема, который сможет поставить ОАО Ладэнсо при условии первоочередного обеспечения текущих потребителей.

На момент начала моделирования (1 октября) предполагалось, что у каждого потребителя имеется запас топлива, достаточный для работы в течении одного месяца при максимальной нагрузке. Также в состав делянок были внесены делянки, на которых работы производились в течение полугодия, предшествующего моделируемому. Причем в состав продукции, находящейся на верхних складах этих делянок были внесены только лесосечные отходы в объемах полученных при использовании одного из компонентов разработанного комплекса компьютерных программ - калькулятора объемов лесосечных отходов [19]. Эти объемы были сокращены на 10% с учетом наличия небольшого летнего потребления, а также необходимости формирования запасов у потребителей.

Дровяная древесина на склады летних делянок не добавлялась. Предполагается, что весь ее объем ушел на обеспечение спроса населения, формирование запасов у потребителей, а также на обеспечение горячего водоснабжения в летний период.

Результаты

В результате оптимизации работы логистической системы и имитационного моделирования был получен баланс потребления и поставок, представленный в табл. 2.

Табл. 2. Баланс потребления и поставок, пл. куб. м.

В целом, в рассматриваемом периоде по результатам моделирования потребителям было поставлено 34943 пл. куб. м энергетической древесины. Из них, 19310 пл. куб. м - в виде дров и 15633 пл. куб. м - в виде топливной щепы. Все потребности традиционных покупателей топлива в рассматриваемом периоде удовлетворяются. Это подтверждается положительным остатком топлива на складах всех потребителей в каждом месяце с октября по март. Динамика изменений объемов остатков также представлена на рис. 1.

Рис. 1. Динамика изменения запасов топлива на складах потребителей, пл. куб. м.

Более того, в подавляющем большинстве случаев накопленных запасов хватает для завершения отопительного сезона. Это подтверждается положительными остатками на конец апреля и мая для большинства потребителей, хотя заготовка для этих месяцев не моделировалась. Это говорит о наличии некоторого запаса прочности рассматриваемой логистической системы, ведь на самом деле и в апреле и в мае заготовка вестись будет. Как правило, ее объем в эти месяцы составляет около 50% от обычного в связи с закрытием дорог, но все-таки он не равен нулю. Только в двух населенных пунктах не удастся закончить отопительный сезон, используя только накопленные запасы. В Хийденсельге запасы закончатся в районе 20 апреля, в Калаамо - в районе 15 апреля. Однако, даже в случае отсутствия заготовки в апреле и мае возможно обеспечить эти населенные пункты топливом за счет перераспределения запасов, накопленных на территориях других муниципальных образований.

Суоярви обеспечивалось топливом, что называется, по остаточному принципу - туда доставлялось все то, что не могли принять традиционные близко расположенные потребители. Поэтому распределение объемов поставок в Суоярви по месяцам достаточно неравномерное (рис. 2 б) в сравнении с распределением общего объема (рис. 2 а). Кроме того, на распределение объемов оказывало влияние взаимное пространственное расположение делянок и потребителей в каждый конкретный день.

Для определения объемов остатков на складе в Суоярви было сделано предположение, что на долю ОАО Ладэнсо приходится 1/3 обеспечения этого предприятия топливом, что соответствует максимальной мощности в 6 МВт. Было определено, что это примерно соответствует 9000 пл. куб. м. древесного топлива. Этот объем и был распределен по месяцам в соответствии с прогнозируемой нагрузкой. В таблице 2 - это значения в колонках «Расход» для Суоярви.

А

б

Рис. 2. Объемы поставок, пл. куб. м: а - общие; б - в Суоярви

Изменение объемов остатков на складе в Суоярви (конечно, здесь речь идет только об остатках топлива, поставляемого ОАО Ладэнсо, а другие возможные поставщики не учитываются) показывает, что поставки ОАО Ладэнсо вполне могут обеспечить эти 6 МВт (табл. 2, верхняя кривая на рис.1). Остаток всегда положителен и на конец мая примерно равен начальному. Учитывая же наличие заготовки в апреле и мае можно даже увеличить потребление. Так, если поставить целью свести все остатки к нулю к концу марта, то окажется, что поставки ОАО Ладэнсо могут обеспечить долю мощности котельной в 8, 6 МВт; при условии сведения остатков к нулю к концу мая - в 7, 5 МВт.

Наличие необходимых объемов и возможности их переработки и транспортировки еще не гарантируют высокой эффективности функционирования предприятия. Разработанный в петрозаводском государственном университете комплекс компьютерных программ позволяет проанализировать параметры производственных процессов, происходящих при реализации сгенерированного плана поставок.

Сначала приведем параметры, характеризующие работу комплекса машин на заготовке и транспортировке топливной щепы. На рис. 3. показано изменение заготавливаемых объемов в течение рассматриваемого периода.

Рис. 3. Изменение заготавливаемых и перерабатываемых в щепу объемов лесосечных отходов, пл. куб. м.

Из данного графика видно, что комплекс машин работает практически в течение всего полугодового периода. Имеется простой с 15 по 31 октября, связанный с полным выполнением плана поставок, т. к. в октябре котельные еще работают далеко не на полную мощность. С этой же причиной связан простой в конце периода - с 24 по 31 марта.

Заготовленный объем колеблется от 40, 5 до 324 пл. куб. м в сутки. В среднем он составляет 100 пл. куб. м в сутки, что в целом соответствует значениям, которые были получены при моделировании работы без учета поставок топливной древесины в Суоярви. Заготовленный объем в первую очередь зависит от расстояния транспортировки, т. е. от числа рейсов, которое автомобили-щеповозы успевают сделать в рассматриваемых сутках. Изменение расстояния транспортировки приведено на рис. 4.

Рис. 4. Изменение расстояния транспортировки, км.

Расстояние транспортировки имеет очень большой разброс и распределено от 14 до 183 км, в среднем оно составляет 89 км. Это превосходит значения, полученные при моделировании без учета поставок в Суоярви, когда максимальное расстояние составляло 151 км, а среднее 75 км. Вообще, минимальное расстояние при поставках в Суоярви составило 77 км, максимальное - 183 км, среднее - 124 км.

Большое расстояние транспортировки серьезно влияет на такой важный показатель эффективности работы, как средний пробег автомобилей-щеповозов на один заготовленный кубометр лесосечных отходов, который в нашем случае составил 4, 87 км/пл. куб. м, а в случае без учета Суоярви - составлял только 4, 31 км/пл. куб. м, что на 11, 5% меньше. Таким образом, в свою очередь, следует ожидать роста транспортных издержек на 1 куб. м также приблизительно на 10%.

Число рейсов выполняемых автомобилями-щеповозами за сутки колеблется от 1 до 8 и в среднем составляет 2, 5. Общее число рейсов, выполненных за весь рассматриваемый период равняется 386.

Общий пробег автомобилей-щеповозов за сутки изменяется от 99 до 950 км со средним значением 485 км. Суммарный пробег автомобилей за анализируемое полугодие составляет 76181 км.

Значения коэффициента использования машин внутри смены примерно соответствуют случаю без учета поставок в Суоярви. Распределение этого коэффициента по дням расчетного периода показано на рис. 5.

Рис. 5. Изменение коэффициента использования машин внутри смены

Средние значения составляют 0, 25 для рубительной машины и 0, 52 - для щеповозов.

Перевозку дровяной древесины осуществляют те же самые автомобили-сортиментовозы, которые перевозят деловую древесину. Т. к. часть дровяной древесины в рассматриваемом варианте также доставляется в Суоярви для переработки в щепу на месте, это оказывает влияние и на эффективность работы автомобилей-сортиментовозов. В целом среднее расстояние транспортировки увеличивается, что в нашем случае приводит к сокращению коэффициента использования сортиментовозов с 0, 8 до 0, 78, число перевезенных куб. м на один км пробега сокращается с 0, 44 до 0, 37, а доля грузового пробега увеличивается с 0, 41 до 0, 44.

Выводы

При условии сохранения годовых объемов заготовки и внедрении технологий производства щепы из лесосечных отходов на погрузочных площадках делянок, ОАО Ладэнсо может обеспечить около трети потребности в топливе новой энергостанции в г. Суоярви. При этом будут также в полном объеме сохранены поставки топливной древесины традиционным потребителям в Сортавальском и Питкярантском районах.

При внедрении поставок в Суоярви следует ожидать повышения транспортных издержек на 1 куб. м приблизительно на 10%.

С другой стороны проведенный анализ показал, что в Сортавальском и Питкярантском районах существуют большие возможности для использования древесного топлива внутри самих этих районов. Даже с учетом того, что крупные котельные районных центров должны быть в скором времени переведены на газ, возможные объемы потребления древесного топлива при переходе на него всех остальных малых котельных в рассматриваемых районах оцениваются в размере 75000 пл. куб. м в год без учета потребностей населения в дровах. Тогда как доступные ресурсы ОАО Ладэнсо при сохранении объемов заготовки составляют примерно 56000 пл. куб. м в год. В таком случае использование древесных топливных ресурсов непосредственно на территориях районов будет значительно эффективнее за счет сокращения расстояний перевозки.

Литература

1. Герасимов Ю. Ю., Давыдков Г. А., Катаров В. К., Кильпеляйнен С. А., Перский С. Н., Рожин Д. В., Селиверстов А. А., Соколов А. П., Суханов Ю. В., Сюнёв В. С. Апробация системы поддержки принятия решений в лесной биоэнергетике: технико-технологическое обоснование // Научный журнал КубГАУ. - 2012. - №8 (82). - С. 564-588.

2. Герасимов Ю. Ю., Селиверстов А. А., Суханов Ю. В., Сюнёв В. С. Основные факторы планирования производства древесного топлива из древесной биомассы. // Ученые записки ПетрГУ. - 2011. - № 8. - C. 73-76.

3. Герасимов Ю. Ю., Соколов А. П. Методика принятия решений по оптимизации лесозаготовительных планов // Научный журнал КубГАУ. - 2011. - №5 (69). - С. 320-334.

4. Герасимов Ю. Ю., Сюнёв В. С., Соколов А. П., Селиверстов А. А., Катаров В. К., Суханов Ю. В., Рожин Д. В., Тюрлик И. И., Фирсов М. В. Рациональное использование древесины и лесосечных отходов в биоэнергетике: оценка потенциалов и технологических подходов // Научный журнал КубГАУ. - 2011. - №9 (73). - С. 576-587.

5. Герасимов, Ю.Ю. Апробация системы поддержки принятия решений по использованию древесины в биоэнергетике: технико-экономическое обоснование / Ю.Ю. Герасимов, А.П. Соколов, В.С. Сюнёв, Ю.В. Суханов // Ученые записки ПетрГУ. - Петрозаводск, 2012. - Т.1, №.8 (128). - С.90-94.

6. Селиверстов А. А., Сюнёв В. С., Герасимов Ю. Ю., Суханов Ю. В., Катаров В. К. Оценка эффективности производства топливной щепы на лесном терминале // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. - № 8. - С. 25-27.

7. Соколов А. П., Герасимов Ю. Ю. Геоинформационная система для решения оптимизационной задачи транспортной логистики круглых лесоматериалов // Известия высших учебных заведений «Лесной журнал». - 2009. - № 3. - С. 78-85.

8. Соколов А. П., Герасимов Ю. Ю. Система поддержки технологий по производству и логистике древесного топлива: алгоритмы и оптимизация // Хвойные бореальной зоны. - 2013. - Т. 31, №.1-2. - С.208-214.

9. Соколов А. П., Герасимов Ю. Ю. Система поддержки технологий по производству и логистике древесного топлива: методика и модели // Хвойные бореальной зоны. - 2013. - Т. 31, №.1-2. - С.200-207.

10. Соколов А. П., Герасимов Ю. Ю., Селиверстов A. А. Методика оптимизации парка автомобилей на вывозке сортиментов на основе имитационного моделирования в среде ГИС // Ученые записки ПетрГУ. - 2009. - №11(105). - С. 72-77.

11. Соколов А.П., Герасимов Ю.Ю., Сюнёв В.С., Карьялайнен Т. Оптимизация логистики лесозаготовок // Resources and Technology. - Петрозаводск: ПетрГУ, 2012. - №9 (2). - С.117-128.

12. Соколов А.П., Герасимов Ю.Ю. Система лесозаготовительной логистики для сортиментной технологии с учетом возможности заготовки топливной древесины // Лесной вестник МГУЛ. - М: МГУЛ, 2013. - №1(93). - С.145-149.

13. Суханов Ю. В., Герасимов Ю. Ю., Селиверстов А. А., Соколов А. П. Технологические цепочки и системы машин для сбора и переработки древесной биомассы в топливную щепу при сплошнолесосечной заготовке в сортиментах // Системы Методы Технологии. - 2011. - №4(12). - С. 101-107.

14. Суханов Ю. В., Герасимов Ю. Ю., Селиверстов А. А., Сюнёв В. С. Системы машин для производства топливной щепы из древесной биомассы по технологии заготовки деревьями // Тракторы и сельхозмашины, - 2012. - № 1. - C. 7-13.

15. Суханов Ю.В. Оценка экономической эффективности систем машин для производства топливной щепы в Республике Карелия [Электронный ресурс] / Ю.В. Суханов, А.П. Соколов, Ю.Ю. Герасимов // Resources and Technology. - 2013. - Т.10, №.1. - С.1-23. - Режим доступа: http://rt.petrsu.ru/files/pdf/1941.pdf.

16. Gerasimov Y, Karjalainen T. Energy wood resources in Northwest Russia // Biomass and Bioenergy. - 2011. - 35. - P. 1655-1662.

17. Gerasimov Y. Y., Sokolov A. P., Karjalainen T. GIS-based Decision-Support Program for Planning and Analyzing Short-Wood Transport in Russia // Croatian Journal of Forest Engineering. - 2008. - Vol. 29, Issue 2. - P. 163-175.

18. Gerasimov Y., Sokolov, A. & Siounev, V. Optimization of industrial and fuel wood supply chain associated with cut-to-length harvesting. // Systems. Methods. Technologies - №3 (11) - 2011. - P. 118-124.

19. Gerasimov Yu.Yu. Development Trends and Future Prospects of Cut-to-length Machinery [Text] / Yu.Yu. Gerasimov, A.P. Sokolov, V.S. Syunёv // Advanced Materials Research. - 2013. - vol.705. - P.468-473.

20. Gerasimov Yu.Yu. Improving Cut-to-length Operations Management in Russian Logging Companies Using a New Decision Support System / Yu.Yu. Gerasimov, A.P. Sokolov, D.. Fjeld // Baltic Forestry. - 2013. - vol.19, №.1(36). - P.89-105.

Размещено на Allbest.ru