Выбор системы машин для производства
топливной щепы из порубочных остатков
(ПетрГУ, г. Петрозаводск, РФ)
The article focuses on the choice of machines for production wood chip from logging residues.
При сплошных рубках леса образуются большие объемы порубочных остатков, которые потенциально могут применяться в качестве сырья для нужд биоэнергетики. В настоящее время применение порубочных остатков, в качестве сырья для производства щепы энергетического назначения, осложнено значительными затратами на сбор, переработку в щепу и доставку до потребителя, при достаточно низкой цене на щепу. По данным Министерства экономического развития Республики Карелия за 2010 год среднеконтрактные цены (FCA в рублях) на топливную щепу за плотный кубический метр составили 787 рублей. При этом сбор порубочных остатков и их рубка в щепу требует применения специализированных машин, имеющих высокую стоимость.
При использовании сортиментной технологии заготовки древесины можно выделить три основных технологии заготовки отходов и переработки их в щепу:
1) Производство щепы на лесосеке (у пня). При этом потребителю готовую топливную щепу доставляют щеповозами.
2) Производство щепы на погрузочной площадке (у дороги). В этом варианте применяется передвижная рубительная машина, работающая на погрузочной площадке. Порубочные остатки на лесосеке собираются и транспортируются на погрузочную площадку с помощью форвардера. Потребителю топливная щепа доставляется автощеповозами.
3) Производство щепы у потребителя из пакетов порубочных остатков. Для пакетирования остатков необходима специальная пакетирующая машина, которая собирает и обвязывает отходы. Пакеты транспортируются до дороги форвардером. Доставляться до потребителя пакеты могут сортиментовозом.
У каждого из трех вариантов есть свои сильные и слабые стороны.
Для работы по первой технологической схеме необходима специальная мобильная рубительная машина. Такие машины производят серийно на базе узлов форвардера. На таких машинах устанавливается контейнер для щепы. Из-за того, что контейнер мобильной машины вмещает значительно меньше щепы, чем перевозит за один рейс щеповоз, это может привести к простою щеповоза. Выходом может быть как выгрузка рубительной машиной щепы в сменные контейнеры автощеповоза, так и выгрузка щепы на погрузочной площадке с последующей загрузкой в щеповоз с помощью погрузчика. Отрицательными сторонами данного варианта являются необходимость приобретения дорогой специализированной мобильной рубительной машины и не высокая производительность машины из-за вынужденных перемещений вдоль волока за следующим скоплением порубочных остатков.
Второй вариант производства щепы из порубочных остатков требует применения на погрузочной площадке передвижной рубительной машины и автощеповоза для транспортировки полученной щепы. До погрузочной площадки, где работает рубительная машина, порубочные остатки доставляются форвардером. Полученная в результате работы рубительной машины щепа загружается в щеповоз и отвозится потребителю. Погрузку щепы в автощеповоз может производить фронтальный ковшевый погрузчик.
Третий вариант предусматривает применение специальной машины, пакетирующей порубочные остатки в пакеты. Такие машины выпускаются серийно на базе узлов форвардера, но имеют сложный механизм пакетирования и высокую цену, что затрудняет их применение в условиях России. Плотность пакета значительно выше плотности порубочных остатков, что позволяет форвардеру значительно быстрее переместить порубочные остатки на погрузочную площадку. На погрузочной площадке пакеты порубочных остатков перегружаются на сортиментовозы и доставляются до потребителя. Применение обычных сортиментовозов и большая плотность пакета, делают перевозку до потребителя дешевле. Пакет порубочных остатков перерабатывается в щепу на стационарной рубительной машине потребителя.
Использование в первом и втором варианте для транспортировки щепы потребителю автощеповозов также несет определенные трудности. Дорожные условия при подъезде к лесосеке могут осложнять использование автощеповозов большой вместимости. Большую маневренность и проходимость имеют легкие автощеповозы. Но использование последних не эффективно на больших расстояниях транспортировки.
Спецификой второго и третьего вариантов является необходимость использования форвардеров. В связи с тем, что основной задачей лесозаготовителя является заготовка деловой древесины, отвлечение форвардера с основных работ может негативно сказаться на себестоимости деловой древесины. Поэтому необходимо рассматривать вопрос сбора порубочных остатков совместно с рубкой деловой древесины. Оптимальным является использование форвардера на сборе порубочных остатков в то время года, когда интенсивность его использования на трелевке сортиментов уменьшается.
При решении вопроса о целесообразности сбора отходов лесозаготовок и переработки их в щепу, необходимо учитывать, что из-за низкой несущей способности грунтов, не со всех делянок возможен сбор порубочных остатков, так как при этом значительно повышается количество проходов техники по волокам. На грунтах с низкой несущий способностью порубочные остатки приходится использовать для укрепления волоков. При этом, порубочные остатки с волоков в дальнейшем не могут использоваться для производства щепы, в связи с тем, что они загрязнены минеральными включениями. Также следует исключить сбор порубочных остатков на лесосеках с бедными почвами, где наблюдается недостаток питательных веществ.
Окончательный выбор оптимального решения невозможен без расчетов себестоимости щепы при доставке ее до потребителя.
В зависимости от таксационных характеристик лесного насаждения, объемов рубки, используемых машин, расстояния до потребителя щепы, оптимальным вариантом может оказаться любой из вышерассмотренных.
Для решения данного вопроса предлагается применить систему поддержки принятия решения, которая позволит, в зависимости от введенных исходных данных, рассмотреть несколько вариантов систем машин, сравнить эти варианты, выявить слабые стороны и границы применения каждого из вариантов.
Система поддержки принятия решения включает в себя имитационную модель лесосеки и условий работы, имитационные модели работы лесных машин, и программу, позволяющую оценить целесообразность сбора порубочных остатков и переработки их в щепу, в заданных пользователем условиях.
Имитационные модели лесосеки и работы лесных машин выполнены на языках С++ и MapBasic из пакета MapInfo. В настоящее время имитационные модели находятся на стадии проверки на адекватность.
Для получения данных по продолжительности операций, из видео файлов, записанных при проведении хронометража лесной техники, была использована программа (рисунок 1), позволяющая значительно уменьшить время на отметку фиксажных точек и нахождения времени продолжительности каждой операции. Фиксажные точки отмечаются пользователем при просмотре видео фрагмента посредством нажатия клавиш клавиатуры, а программа автоматически рассчитывает время начала и окончания операций. Записанный хронометражный ряд из программы выгружается в текстовый файл с разделителями, который в последующем может быть открыт в любом из современных табличных процессоров для окончательной обработки результатов. Для быстропротекающих процессов скорость проигрывания видео фрагмента может быть замедлена.
Рисунок 1 – Программа для хронометража по видео фрагменту
По результатам тестовых прогонов моделей были получены предварительные результаты на нескольких делянках. На рисунке 2 приведена диаграмма структуры затрат в себестоимости щепы из порубочных остатков для насаждения с формулой состава 7E3Б, 80 лет, 4 бонитет, запас 170 кубических метров на гектар, расстояние трелевки менее 200 метров.
Рисунок 2 — Структура затрат в цене 1 плотного м3 щепы, руб.
МРУ — мобильная рубительная машина, АЩ — автощеповоз, ФВ — форвардер, РУ — рубительная машина на погрузочной площадке, ПМ — пакетирующая машина, СВ — сортименто-воз, РУ — стационарная рубительная машина у потребителя.
По результатам предварительных расчетов можно сделать выводы:
1) Значительной составляющей в себестоимости щепы является транспортировка до потребителя. При текущих ценах, сбор порубочных остатков рентабелен, если расстояние до потребителя менее 50 км.
2) При заготовке щепы из порубочных остатков в небольших объемах, наименьшие затраты на сбор порубочных остатков будут при использовании форвардеров, но только если последние не отвлекаются от работ по заготовке деловой древесины (Вар. 2*). Это может быть возможно в летние месяцы, в связи с сезонностью лесозаготовок.
