Обоснование выбора системы лесосечных машин для рубок ухода с учетом биоэнергетики

• Автор: Суханов, Юрий Владимирович
• Шифр специальности: 05.21.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Петрозаводск
• Количество страниц: 221 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Рубки ухода и их место в системе лесоэксплуатации

1.2 Обоснование необходимости проведения рубок ухода

1.3 Технологии и машины для проведения рубок ухода с учетом биоэнергетики

1.3 Л Технологии и машины заготовки сырья для биотоплива в деревьях

1.3.2 Технологии и машины заготовки сырья для биотоплива в щепе

1.3.3 Технологии и машины заготовки сырья для биотоплива в сортиментах

1.3.4 Технологии с использованием пакетирующих машин

1.3.5 Возможности использования тракторов сельскохозяйственного назначения
1.4 Воздействие лесных машин на почву и оставляемый на доращивание древостой
1.5 Проблема оптимального выбора техники и технологий для проведения рубок
ухода с учетом биоэнергетики
1.6 Обзор научных работ, посвященных рациональному выбору техники для
рубок ухода
1.7 Обоснование необходимости разработки модели
1.8 Выводы и основные задачи исследования
2 ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛА ЭНЕРГИИ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ ОТ РУБОК
УХОДА
2.1 Источники сырья для лесной биоэнергетики
2.2 Особенности лесного фонда Республики Карелия
2.3 Рубки ухода в Республике Карелия
2.4 Использование древесной биомассы в качестве топлива
2.5 Потенциал энергии древесной биомассы от рубок ухода
3 СТРУКТУРА СИСТЕМЫ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МЕТОДЫ
3.1 Основные критерии (факторы)
3.2 Методы и средства
3.3 Структура системы принятия решения
3.4 Методика расчета производительности лесных машин и производственных
затрат
3.4.1 Методика расчета производственных затрат
3.4.2 Методика расчета производительности лесных машин

3.5 Методика расчета экологических факторов, характеризующих последствия применения различных технологических цепочек по производству топливной щепы
3.6 Методика расчета факторов, характеризующих качество щепы
3.7 Методика расчета социальных факторов и условий труда
РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ
4.1 Моделирование лесосеки и рабочих условий
4.1.1 Моделирование вертикальной структуры древостоя
4.1.2 Моделирование горизонтальной структуры древостоя
4.1.3 Моделирование выбора деревьев в рубку
4.1.4 Моделирование рельефа
4.1.5 Моделирование климатических условий
4.1.6 Моделирование почвенно-грунтовых условий
4.2 Проектирование имитационных моделей операций валки, пакетирования
и первичной обработки спиленных деревьев
4.2.1 Моделировании работы колесного харвестера
4.2.2 Отличия в моделировании работы харвестера на базе экскаватора
4.2.3 Отличия в моделировании работы машины, оснащенной харвестерной головкой и накопительным устройством
4.2.4 Отличия в моделировании работы машины, оснащенной валочной головкой
4.2.5 Отличия в моделировании работы машины, оснащенной валочной головкой
с накопителем
4.2.6 Имитационное моделирование работ с использованием бензомоторного
инструмента
4.3 Проектирование имитационных моделей передвижения машин
4.3.1 Модель нахождения координат технологической остановки
4.3.2 Модель передвижения для машин с колесным движителем
4.3.3 Модель передвижения для машин с гусеничным движителем
4.4 Проектирование имитационных моделей операций трелевки
4.4.1 Имитационные модели работы форвардера
4.4.2 Имитационное моделирование работы харвардера
4.4.3 Имитационное моделирование работы сельскохозяйственного трактора с прицепом и манипулятором
4.4.4 Имитационное моделирование работы трактора с канатно-чокерным оборудованием

4.5 Имитационное моделирование работы мобильной рубительной машины на базе
форвардера
4.6 Имитационное моделирование работы пакетирующей машины на базе форвардера
4.7 Моделирование работы передвижной рубительной машины на погрузочной площадке
4.8 Алгоритмы расчета основных факторов
4.8.1 Производительность лесных машин и затраты
4.8.2 Урон оставляемым на доращивание деревьям и лесной среде
4.8.3 Расчет изменения таксационных характеристик древостоя в течение определенного промежутка времени
4.9 Управление системой моделирования работы лесных машин и взаимодействие с
другими системами
4.10 Реализация моделей в виде готовых программ
5 ПРОВЕРКА ПРИМЕНИМОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ ИМИТАЦИОННЫХ
МОДЕЛЕЙ
5.1 Цель и задачи экспериментальной проверки
5.2 Проведение хронометражных наблюдений за техникой
5.3 Результаты обработки хронометражных данных
5.4 Организация и результаты компьютерных экспериментов
5.4.1 Сопоставимость данных хронометража и компьютерных экспериментов
5.4.2 Сравнение данных по комплексам от предприятия и компьютерных экспериментов
5.5 Применение разработанной системы для расчета эффективности цепочек лесозаготовительных машин при заготовке деловой древесины и сырья для
биоэнергетики
5.6 Применение разработанной системы для расчета особенностей работы машин при
проведении рубок ухода
5.7 Результаты проверки применимости разработанных моделей
6 ВЫБОР СИСТЕМЫ МАШИН ДЛЯ РУБОК УХОДА С УЧЕТОМ БИОЭНЕРГЕТИКИ.
6.1 Выбор технологии заготовки древесины
6.2 Расчет себестоимости переработки древесной биомассы в топливную щепу и себестоимости транспортировки лесопродукции до потребителя
6.3 Моделирование проведения рубок ухода по сортиментной технологии

В ходе проведения проходных рубок ухода и поздних прореживаний получают деловые сортименты и дровяную древесину, которая должна рассматриваться как сырье для биоэнергетики.
При проведении прочисток и ранних прореживаний производится удаление нежелательной части древостоя. В результате этого получают тонкомерную древесину, размеры которой не позволяют получить деловые сортименты, и поэтому, ее традиционно рассматривают как древесину, не представляющую коммерческой ценности, но, с точки зрения биоэнергетики, такая древесина представляет собой ценный источник сырья.
На ранних этапах развития лесной биоэнергетики в России, заготовку тонкомерной древесины следует рассматривать как способ снижения затрат на проведение рубок ухода, расчистки дорог и трасс. По мере развития лесной биоэнергетики, как показывает опыт стран Скандинавии, тонкомерная древесина в качестве сырья для производства щепы будет использоваться достаточно широко. Например, в 2010 году 40% топливной щепы (из древесины, заготовленной в лесу), используемой в Финляндии на ТЭЦ и котельных, было произведено из тонкомерной древесины [43].
Кроме древесного биотоплива, в качестве еще одной альтернативы нефти, газу и углю часто рассматривают торф. Серьезной проблемой применения торфа, как топлива, является то, что специалистами Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) торф приравнен к ископаемым видам топлива по такой характеристике как выброс парниковых газов [47]. Поэтому, с учетом торговли квотами на выбросы парниковых газов, себестоимость электроэнергии из торфа значительно возрастает. Древесное биотопливо не имеет такой проблемы.
2.2 Особенности лесного фонда Республики Карелия
Площадь земель лесного фонда Карелии - 14,5 млн. га. Общий запас древесины с 2003 по 2008 годы постоянно возрастал из-за неполного освоения расчетной лесосеки и в 2008 составил 943 млн. м3. Одной из причин неполного освоения расчетной лесосеки является слабая доступность новых участков лесного фонда [48]. Наблюдается значительное снижение удельного веса насаждений с преобладанием хвойных пород (за период с 2003 по 2008 годы произошло снижение на 0.5%) [7], таким образом, происходит постепенная замена лесов с преобладанием хвойных пород на леса с преобладанием лиственных пород. Кроме этого, в результате интенсивной эксплуатации лесов, за последние годы значительно уменьшилась площадь спелых наса-