Повышение энергетической эффективности производства пилопродукции

На правах рукописи

АГЕЕВ Сергей Петрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ПРОИЗВОДСТВА ПИЛОПРОДУКЦИИ

Специальность 05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование

деревопереработки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Архангельск

2011

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет».

Научный консультант:	Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Мелехов Владимир Иванович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Рыкунин Станислав Николаевич доктор технических наук, профессор Копейкин Адольф Михайлович доктор технических наук, профессор Любарский Дмитрий Романович
Ведущая организация:	ЗАО «Архгипродрев», 163000, г. Архангельск, пр. Троицкий,106

Защита состоится «___» _________ 2011 г. в 1000 часов на заседании диссертационного Совета Д.212.008.01 в Северном (Арктическом) федеральном университете (163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины,17, ауд. 1228)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северного (Арктического) федерального университета.

Автореферат разослан «___»_________ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Земцовский А.Е.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Деревообрабатывающая отрасль является одной из основополагающих отраслей промышленности России. Лесопильное производство во многом определяет эффективность отрасли. Выработка пиломатериалов производится на специализированном оборудовании, по различным технологиям с применением круглопильных, ленточнопильных, агрегатных станков и лесопильных рам. Большая часть пиломатериалов вырабатывается по технологии с применением лесопильных рам. Классическая технология производства пиломатериалов предусматривает сортировку, окорку пиловочного сырья, продольный раскрой бревен и двухкантных брусьев, обрезку пиломатериалов, переработку на технологическую щепу кусковых отходов, сортировку пиломатериалов. Все эти операции выполняются на энергоемком оборудовании с электроприводом с установленной мощностью до 200 кВт и иногда необоснованно завышенной с низким коэффициентом загрузки, доходящим до 0,2-0,3 (С.Н. Рыкунин). При этом можно отметить, что энергопотребление на отдельных участках и операциях процесса неэффективно согласуется с технологическими факторами. Особенно это проявляется на участках лесопильных рам, окорочных станков, рубительных машин. К сожалению, до настоящего времени вопросу повышения энергоэффективности процесса производства пиломатериалов, проведению специальных исследований в этом направлении уделялось недостаточно внимания и проблема остается нерешенной. В связи с этим проведение целенаправленных исследований для решения проблемы является своевременным. Повышение энергоэффективности лесопильного производства не может быть достигнуто без комплексного рассмотрения взаимосвязей энергетических и технологических процессов производства. Это может быть выполнено на основе всестороннего исследования закономерностей энергопотребления технологическим оборудованием с учетом влияния технологических факторов, характеризующих процесс лесопильного производства. В настоящее время многие из этих закономерностей неизвестны или изучены недостаточно. Комплексный характер проблемы обуславливает актуальность работы, которая может быть выполнена с применением методов математического моделирования и оптимизации технологического процесса лесопиления с учетом режимов энергопотребления на отдельных участках.

Цель исследования: повышение энергетической эффективности производства пилопродукции путем комплексной оптимизации технологического процесса и энергопотребления.

Основные задачи исследования:

1.Определить структуру и провести анализ энергетических характеристик и балансов энергоемкого оборудования лесопильного потока;

2.Установить стохастические закономерности отдельных технологических операций и процесса лесопиления в целом;

3.Провести анализ режимов энергопотребления основного оборудования поточной линии производства пилопродукции;

4.Построить математические модели работы основного энергоемкого оборудования технологической линии;

5.Разработать теоретико-игровую модель многокритериальной задачи оптимизации объемного выхода пиломатериалов с учетом энергетических факторов.

6.Разработать имитационную модель технологического процесса лесопиления с учетом показателей энергопотребления;

7.Выполнить корреляционно-регрессионный анализ основных показателей энергопотребления и производительности технологического потока;

Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы инструментальное сопровождение процессов энергопотребления механизмов, аппарат теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания и случайных процессов, методы линейного программирования и многокритериальной оптимизации, имитационное моделирование, теория планирования эксперимента.

Научная новизна.

1.Установлены энергетические характеристики и балансы основного энергоемкого оборудования лесопильного производства и определены технологические факторы, влияющие на показатели энергопотребления.

2.Разработаны математические модели основного энергоемкого оборудования и поточной линии производства пиломатериалов как систем массового обслуживания.

3.Установлены вероятностные закономерности технологических и энергетических показателей отдельных операций и технологического процесса лесопиления в целом.

4.Разработана алгоритмическая модель решения многокритериальной задачи оптимизации объемного выхода пиломатериалов с учетом энергетических факторов.

Практическая значимость. Количественная оценка степени влияния технологических факторов на показатели энергопотребления и нахождение области их оптимальных значений позволяет выделить основные из них и создать единую базу для определения зависимости расхода энергии и построения энергетических характеристик энергоемкого оборудования и технологического процесса лесопиления в целом. Учет энергетических факторов при оптимизации объемного выхода пиломатериалов позволяет снизить удельное энергопотребление технологического процесса в целом на 1-2% в расчете на 1000 м3 пиловочного сырья.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях и семинарах АЛТИ-АГТУ-С(А)ФУ, международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (г. Вологда, ВоГТУ, 2003, 2007 -2009 г.г.), научно-технической и методической конференции «Электроснабжение, электросбережение, электрооборудование» (г. Новомосковск, Новомосковский институт РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1996 г), научно-технической конференции «Электроснабжение, энергосбережение и электроремонт» (г. Новомосковск, Новомосковский институт РХТУ им. Д.И. Менделеева, Московский энергетический институт (технический университет), 2000 – 2004 г.г.).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 360 страницах, списка литературы, включающего 175 наименований, содержит 40 рисунков и 20 таблиц, приложения.

Содержание работы

Во введении представлена общая характеристика работы, ее актуальность, научная новизна и основные задачи исследования.

В первой главе приведен обзор современного состояния вопросов моделирования и оптимизации технологических процессов деревообработки. Как показала практика, применение современных математических методов в управлении деревообрабатывающим производством невозможно без алгоритмизации основных технологических процессов. К основным направлениям, получившим развитие в научных исследованиях процессов деревообработки, следует отнести: оптимизацию процессов механической обработки древесины, математическое моделирование и оптимизацию технологических процессов.

Большой вклад в исследование и разработку оптимальных режимов процессов механической обработки древесины внесли М.А. Дешевой, С.А. Воскресенский, А.Л.Бершадский, А.Э. Грубе, В.И. Санев, В.И. Любченко, Ф.М. Манжос, А.А. Пижурин, Н.Ф. Пигильдин, М.И. Симонов, В.Р. Фергин, С.Н. Рыкунин и др. В основе этих работ лежит изучение физико-технологических возможностей процессов обработки и их оптимизация с целью получения максимальной надежности качественных характеристик оборудования, максимальной производительности.

Математическое моделирование и оптимизация технологических процессов деревообработки получило отражение в работах Р.Е. Калитеевкого, А.Н. Песоцкого, Х.Л. Фельдмана, Д.Ф. Шапиро, П.П. Аксенова, Г.Д. Власова Г.Т. Титкова, Н.А. Батина, А.А. Пижурина, В.Р. Фергина, М.С. Розенблита, В.Г. Турушева, И.В. Соболева, Б.И. Кошуняева, С.Н. Рыкунина, А.М. Копейкина и др. В основе этих работ лежит изучение закономерностей технологических процессов деревообработки с целью повышения качества и объемного выхода пиломатериалов.

Общей особенностью этих работ является то, что при рассмотрении вопросов моделирования и оптимизации процессов деревообработки в них не рассматривался фактор энергопотребления механизмов, который приобретает исключительно большую значимость в настоящее время.

Исследования энергетических свойств механизмов и поиск способов экономии энергии проводятся по двум принципиально различным методам. При первом методе потери энергии определяются через коэффициент полезного действия, который изменяется в функции нагрузки на валу приводного двигателя. Способы измерения этой нагрузки могут быть различными, но при этом всегда требуется соответствующие аппаратурное сопровождение, т.к. непосредственно в производственных условиях нагрузка на валу обычно не измеряется.

При втором методе, предложенном чл.-корр. РАН Вейцем В.И., потери и полезное потребление энергии определяются через некоторые коэффициенты потерь и производительность агрегата. В результате были получены аналитические зависимости между потребляемой мощностью или удельным потреблением энергии и производительностью исследуемого механизма, получившие название энергетических характеристик. В диссертационной работе используется второй метод, как более предпочтительный, так как полезная нагрузка на агрегат выражается через производительность – показатель, по которому оцениваются результаты работы агрегата, участка и т.д.

Дальнейшее развитие теоретические и практические вопросы методики нормирования и анализа энергопотребления на базе энергетических характеристик получили в работах И.В.Гофмана и А.А.Тайца. Эти исследования позволили выявить общие закономерности энергопотребления и создали основу для исследования и построения энергетических характеристик и анализа электропотребления в различных отраслях промышленности. Важным в этих работах является указание на необходимость определения энергетических характеристик для каждого механизма отдельно, поскольку ввиду разнообразных режимов работы и других условий зависимость расхода электроэнергии от их производительности имеет различный характер.

В области электроэнергетики вопросам анализа и моделирования процессов энергопотребления посвящены работы Н.В. Копытова, В.П. Тихонова, Г.М. Каялова, Б.Н. Авилова-Карнаухова, И.В. Жежеленко, В.И. Гордеева, Э.Г. Куренного, Ю.А. Фокина, Б.И. Кудрина, Надтоки И.И., Г.С. Хронусова.

Потребление энергии приемниками лесопильного производства зависит от многих технологических факторов, большинство из которых не учитываются в настоящее время при анализе и планировании электропотребления. Поэтому при анализе энергопотребления, как производственных участков, так и отдельных механизмов необходимо одновременно учитывать и влияние основных факторов, характеризующих как сам процесс лесопиления в целом, так и его отдельные операции.

Характерной особенностью технологического процесса лесопиления является то, что в нем постоянно проявляется воздействие различных случайных факторов: форма и размеры бревен не являются стабильными, продолжительность технологических операций также непостоянна. Это приводит к тому, что подача сырья к технологическим агрегатам происходит не через постоянные интервалы времени, а с некоторым отклонением их от средних значений. В связи с этим такие процессы не могут быть детерминированными и их необходимо рассматривать как случайные. Среди множества различных типов случайных процессов особое место для математического описания производственных систем имеют марковские процессы с непрерывным временем. Вероятностная точка зрения отражает объективно существующие отношения в производственных системах. В этих условиях детерминированные модели обладают недостатком, заключающимся в том, что не учитывается естественная биологическая изменчивость предмета труда – сырья.

Во второй главе представлены результаты построения и анализа энергетических балансов и характеристик энергоемкого оборудования лесопильного производства. Первичным звеном в производстве и энергопотреблении деревообрабатывающего предприятия является отдельная технологическая операция, осуществляемая на определенном станке – приемнике энергии. Без изучения энергетических балансов отдельных механизмов в связи с физико-механическими основами соответствующих технологических операций и техническими свойствами самих механизмов невозможно осуществление нормирования и планирования энергопотребления отдельных производств и предприятия в целом. В табл.1 представлен энергетический баланс технологического процесса получения пиломатериалов в лесопильном рамном потоке на Соломбальском ЛДК г. Архангельска. Наиболее энергоемкими технологическими операциями являются распиловка бревен и брусьев (более 66%), обрезка досок (20,53%) и т.д. В связи с этим при анализе режимов энергопотребления поточной линии, определении рациональных энергетических режимов ее работы в первую очередь следует уделить внимание работе головного лесопильного оборудования - лесопильным рамам (ЛР).

Наряду с энергетическими балансами, в нормировании и анализе энергопотребления важную роль играют энергетические характеристики. Их построение основано на разделении всех элементов энергобаланса агрегата на постоянные элементы (не зависящие от его производительности) и переменные (зависящие от производительности) и на установлении функциональных зависимостей переменных элементов баланса от производительности. В диссертационной работе построены энергетические характеристики наиболее энергоемких приемников лесопильного производства. При этом всякое оборудование (станок, конвейер)

Таблица 1

Энергетический баланс процесса производства пиломатериалов

Технологическая операция	Среднесменные показатели по поточной линии
	Потребление электроэнергии, кВт*ч	Энерго-емкость, %	Суммарная номинальная мощность, кВт	Коэффициент использования номинальной мощности
Окорка бревен Распиловка бревен Распиловка брусьев Обрезка досок Транспортные операции Итого	29,65 198,65 284,8 149,85 66,82 729,77	4,06 27,22 39,03 20,53 9,16 100	44 110 120 94 58,4 426,4	0,08 0,23 0,3 0,2 0,14 0,21