Анализ операций по производству топливной щепы с помощью

Анализ операций
по производству топливной щепы
с помощью имитационного
моделирования
Ю.В. Суханов
21.09.11
1
ПЛАН ПРЕЗЕНТАЦИИ
ВВЕДЕНИЕ
Цели и задачи
Методы и средства
Описание структуры системы
Модель делянки и окружающей среды
Модель работы харвестера
Модель работы форвардера
Подпрограмма обработки данных и расчета
экономической целесообразности
 Предварительные результаты
 ЗАКЛЮЧЕНИЕ








21.09.11
2
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время во всем мире растет интерес к биоэнергетике,
который стимулируется ухудшением экологической обстановки,
ростом цен на ископаемые виды топлива и истощением их запасов.
Одним из перспективных видов биотоплива является древесное
топливо в виде топливной щепы, гранул и брикетов.
Российская Федерация, имея самые большие в мире лесные
ресурсы, обладает огромным потенциалом в области лесной
биоэнергетики. Только на Северо-Западе России возможно
заготавливать значительные объемы древесной биомассы, которые
могли бы позволить покрыть до 20% от общих нужд региона в
энергоносителях. Кроме этого, развитие биоэнергетики позволит
создать рабочие места, увеличить поступление налогов в
муниципалитеты, оздоровить социальный климат в лесных поселках.
Наиболее перспективным источником биомассы следует признать
порубочные остатки и низкосортную (в том числе дровяную)
древесину, которые в значительных количествах образуются при
проведении сплошных рубок леса.
21.09.11
3
Цели и задачи
В настоящее время производство топливной щепы из
порубочных остатков и дровяной древесины не возможно без
применения современных высокопроизводительных машин.
Такая техника имеет высокую цену и её покупка должна быть
обоснована. Дополнительной проблемой является то, что на
сегодняшний день цена на щепу держится на достаточно низком
уровне, а затраты на производство щепы достаточно велики.
Возникает
необходимость
нахождения
возможного
экономического эффекта от переработки древесной биомассы в
щепу и выбора оптимальной технологии и системы машин.
Основной целью работы является разработка системы
поддержки принятия решения, которая позволит, в зависимости
от введенных пользователем исходных данных, рассмотреть
несколько вариантов систем машин и технологий производства
топливной щепы, сравнить эти варианты, выявить слабые
стороны каждого из вариантов и границы их применения.
21.09.11
4
Методы и средства
В России опыт применения современных систем машин для
производства топливной щепы из древесной биомассы крайне скуден.
Переносить опыт европейских стран в области биоэнергетики
напрямую невозможен из-за отличия природно-производственных и
экономических условий. Поэтому, при решении поставленной задачи,
было решено использовать имитационное моделирование работы
лесных машин.
Изначально имитационные модели планировалось полностью
реализовать на языке MapBasic из пакета программного обеспечения
MapInfo,
который
позволяет
эффективно
работать
с
пространственной информацией. Но, по мере усложнения
алгоритмов, оказалось, что быстродействие моделей крайне низкое,
что не позволяло решить поставленную задачу. Для увеличения
быстродействия значительные части кода были переписаны на языке
С++ с использованием Borland Builder и инструментария Qt.
В настоящий момент все модели переписаны на С++, частично
MapBasic и пакет MapInfo используется в модели лесосеки и
окружающей среды.
21.09.11
5
Система позволяет произвести сравнение четырех вариантов:
 В качестве базового предлагается вариант без сбора лесосечных
отходов после проведения сплошнолесосечной заготовки деловой
древесины сортиментами. На основе сравнения с этим вариантом
будет приниматься решение о целесообразности производства
топливной щепы.
 Первый вариант — это сбор и трелевка древесной биомассы на
погрузочную площадку с помощью форвардера, рубка биомассы в
щепу передвижной рубительной 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.
21.09.11
6
Описание структуры системы
Система поддержки принятия решения включает в себя
имитационную модель делянки и окружающей среды, имитационные
модели работы лесных машин, а также программу, позволяющую
оценить эффективность базового и альтернативных решений при
заданных пользователем условиях.
21.09.11
7
Модель делянки и окружающей среды
Модель позволяет работать с данными карт лесохозяйственных ГИС
формата MapInfo или производить расчет на некоторой произвольной
площадке не привязанной к местности. Программа позволяет считать
характеристики древостоя непосредственно из связанных с картой
данных или данные, необходимые для моделирования, могут быть
введены пользователем вручную. Основные исходные данные при
моделировании вертикальной структуры древостоя: породный состав
древостоя,
запас,
возраст
древостоя.
Для
моделирования
горизонтальной структуры древостоя дополнительно задается тип
размещения.
Кроме сплошных рубок,
моделирование выборочных.
программа
позволяет
произвести
Вне зависимости от типа моделирования, пользователь заполняет
данные по климатическим условиям и рельефу. Климатические условия
моделируются для конкретного месяца.
Кроме моделирования древостоя, модель позволяет размечать
магистральный и пасечные волока и выбирать размещение
погрузочной площадки.
21.09.11
8
21.09.11
9
Модель работы харвестера
Технические характеристики лесных машин хранятся в базе
данных, что позволяет не вводить при каждом моделировании
параметры
машины,
а
только
выбирать
технику
по
идентификационному номеру.
Исходными данными для работы имитационной модели
харвестера являются: идентификационный номер машины из базы
данных по технических характеристикам и результаты моделирования
делянки и окружающей среды.
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.
Работа машины условно показывается на экране компьютера, что
удобно при тестировании программы, но несколько замедляет
моделирование.
21.09.11
10
Пока все деревья, назначенные в рубку, не будут свалены и
обработаны,
последовательно
в
цикле
выполняются
три
подпрограммы:
1) Подпрограмма расчета координат следующей технологической
остановки.
2) Подпрограмма передвижения, которая учитывает время,
затраченное харвестером на перемещение между технологическими
остановками.
3) 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.
В результате работы программы заполняются несколько таблиц, в
которых отмечаются координаты расположения сортиментов, их
количество, координаты скоплений порубочных остатков и их объем.
21.09.11
11
Модель работы форвардера
В связи с тем, что алгоритмы работы форвардера, машины для
пакетирования порубочных остатков и передвижной рубительной
машины с контейнером во многом схожи, то для моделирования
работы машин используется одна программа.
Программа позволяет моделировать работу передвижной
рубительной машины, пакетирующей машины и работу форвардера
для трех вариантов:
а) Сбор сортиментов.
б) Сбор порубочных остатков.
в) Сбор пакетов с порубочными остатками за пакетирующей
машиной.
Для форвардера, в зависимости от задач моделирования,
рассчитываются объемы стрелеванных сортиментов, отходов или
пакетов. При моделировании работы пакетирующей машины
рассчитывается количество пакетов, их суммарный объем,
координаты расположения. Для передвижной рубительной машины на
базе форвардера с контейнером рассчитывается объем нарубленной
и вывезенной щепы.
21.09.11
12
21.09.11
13
Подпрограмма обработки данных и расчета
экономической целесообразности
Оценка целесообразности принятия того или иного решения
производится на основании данных, полученных по результатам
имитационного моделирования. Кроме затрат на сбор и трелевку,
программа позволяет рассчитать затраты на вывозку автомобильным
транспортом сортиментов, щепы или пакетов порубочных остатков, а
также затраты на производство щепы рубительной машиной.
Пользователю программы требуется ввести недостающие данные,
такие как, действующие цены на виды лесной продукции, а также
данные, позволяющие рассчитать постоянные и переменные затраты
на один час работы по машинам.
При сравнении результатов расчетов по всем вариантам,
пользователь может сделать вывод о рентабельности сбора и
переработки порубочных остатков в щепу, выбрать оптимальную
технологию для смоделированных условий. Пользователь может,
варьируя исходными данными, найти границы применения
выбранного решения, определить факторы, наиболее сильно
влияющие на результат.
21.09.11
14
Предварительные результаты
По результатам предварительных расчетов были получены
структуры затрат в цене щепы из порубочных остатков по разным
вариантам. На рисунке 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.
МРУ — мобильная
рубительная машина;
АЩ — автощеповоз;
ФВ — форвардер;
РУ — рубительная
машина на погрузочной
площадке;
ПМ — пакетирующая
машина;
СВ — сортиментовоз;
РУ — стационарная
рубительная машина у
потребителя.
Красная черта —
среднеконтрактная цена
на топливную щепу по
Республике Карелия за
2010 год.
21.09.11
15
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.
3) Транспортировка пакетов порубочных остатков по дорогам общего
пользования выгоднее, чем транспортировка щепы. При росте цен на
щепу и расстоянии до потребителя 100 км или более, наиболее
выгодным оказывается вариант с машиной, пакетирующей
порубочные остатки в пакеты.
21.09.11
16
При использовании низкосортной и дровяной древесины в
качестве сырья для производства топливной щепы, необходимо
решить вопрос о месте переработки древесной биомассы в щепу.
Одна из возможностей заключается в переработке дров на
погрузочной площадке и транспортировка полученной щепы до
потребителя
в
автощеповозах.
Второй
вариант
—
это
транспортировка
дровяной
древесины
до
потребителя
на
сортиментовозах, а сама рубка в щепу производится на стационарной
рубительной машине потребителя. По результатам предварительных
расчетов была получена диаграмма структуры затрат в цене щепы из
низкосортной древесины.
Погрузочная площадка:
а — затраты на работу форвардера при трелевке
дровяной древесины;
b — затраты на рубку дровяной древесины в щепу;
с — затраты на вывозку в щеповозе до потребителя.
Потребитель:
а — затраты на работу форвардера при трелевке
дровяной древесины;
b — затраты на вывозку дровяной древесины до
потребителя;
с — затраты потребителя на рубку щепы из дровяной
древесины.
21.09.11
17
В
результате
предварительного
моделирования
удалось
рассчитать влияние выбранного варианта на количество проходов
техники по одному и тому же месту волока.
Наименьшее число проходов по магистральному волоку
необходимо вариантам с рубительной машиной на базе форвардера
и с машиной, пакетирующей порубочные остатки. Для варианта с
форвардером на сборе порубочных остатков требуется проходов на
17% больше.
Наименьшее число проходов по пасечным волокам требуется
вариантам с рубительной машиной на базе форвардера и при сборе
порубочных остатков с помощью форвардера. Для варианта с
пакетирующей машиной + форвардер требуется на 20% больше
проходов техники.
Порубочные остатки, использованные для укрепления волока, не
целесообразно использовать в качестве сырья для получения
топливной щепы, в связи с высокой степенью загрязнения, поэтому на
грунтах с низкой несущей способностью порубочные остатки не
следует рассматривать как источник биомассы для производства
топливной щепы. В этом случае в качестве сырья можно использовать
только низкосортную древесину.
21.09.11
18
Во время командировок вместе с коллегами производился
хронометраж работы техники, а также работа техники записывалась на
видеокамеру. Для получения данных по продолжительности операций, из
видео файлов, была использована программа, 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 операций.
21.09.11
19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время имитационные модели находятся на
стадии проверки адекватности. Для завершения работы над
системой, необходимо создать управляющую программу для
удобного запуска моделей в своей очередности и вывода
промежуточных результатов на экран. А также полностью
перевести модель делянки и окружающей среды с MapBasic на
С++, что позволит моделировать делянки большей площади,
упростить использование и улучшить управление программы.
Основной сложностью является поддержка работы с картами, за
которую отвечали части на MapBasic (MapInfo). Для решения
этой задачи в модели будет задействована свободно
распространяемая система Quantum GIS.
21.09.11
20
Спасибо за внимание !
21.09.11
21