ispltaИзвестия Санкт-Петербургской лесотехнической академииIzvestia Sankt-Peterburgskoj lesotehniceskoj akademii2079-43042658-5871СПбГЛТУ10.21266/2079-4304.2024.248.206-219isplta-305Research ArticleТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕСОЗАГОТОВОКTECHNOLOGY AND EQUIPMENT OF LOGGING INDUSTRIESРазработка мобильной энергоустановки на древесном топливе для автономного энергообеспечения объектов лесного комплексаDevelopment of a mobile wood burning power plant for autonomous power supply of forestry facilitieshttps://orcid.org/0000-0002-7789-2399АнисимовП. Н.AnisimovP. N.

Анисимов Павел Николаевич – доцент кафедры энергообеспечения предприятий,кандидат технических наук,

424000, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола

Anisimov Pavel N. – PhD (Technical), Associate Professor of the Department of Enterprises Power Supply,

424000. Lenin sq. 3. Joshkar-Ola

AnisimovPN@volgatech.nethttps://orcid.org/0000-0003-4509-1324ШирнинЮ. А.ShirninJ. A.

Ширнин Юрий Александрович – заведующий кафедрой лесопромышленных и химических технологий, доктор технических наук, профессор,

424000, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола

Shirnin Jurij A. – DSc (Technical), Professor, Head of the Department of Forest-industry and Chemical Technology,

424000. Lenin sq. 3. Joshkar-Ola

ShirninYA@volgatech.netПетуховИ. В.PetuhovI. V.

Петухов Игорь Валерьевич – ректор, доктор технических наук, профессор,

424000, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола

Petuhov Igor V. – DSc (Technical), Professor, Rector,

424000. Lenin sq. 3. Joshkar-Ola

PetuhovIV@volgatech.nethttps://orcid.org/0000-0002-9956-5081РукомойниковК. П.RukomojnikovK. P.

Рукомойников Константин Павлович – профессор кафедры лесопромышленных и химических технологий, доктор технических наук,

424000, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола

Rukomojnikov Konstantin P. – DSc (Technical), Professor, Professor of the Department of Forest-industry and Chemical Technology,

424000. Lenin sq. 3. Joshkar-Ola

RukomojnikovKP@volgatech.netАлибековС. Я.AlibekovS. Ya.

Алибеков Сергей Якубович – заведующий кафедрой машиностроения и материаловедения, доктор технических наук, профессор,

424000, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола

Alibekov Sergei Ya. – DSc (Technical), Professor, Head of the Department of Machine Building and Material Science,

424000. Lenin sq. 3. Joshkar-Ola

AlibekovSY@volgatech.nethttps://orcid.org/0000-0002-6500-5377ШараповЕ. С.SharapovE. S.

Шарапов Евгений Сергеевич – профессор кафедры строительных конструкций и водоснабжения, доктор технических наук,

424000, пл. Ленина, д. 3, г. Йошкар-Ола

Sharapov Evgenii S. – Professor, DSc (Technical), Head of the Department of Building Structures and Water Supply,

424000. Lenin sq. 3. Joshkar-Ola

SharapovES@volgatech.netПоволжский государственный технологический университетРоссияVolga State University of TechnologyRussian Federation2024180620240248206219Copyright © Анисимов П.Н., Ширнин Ю.А., Петухов И.В., Рукомойников К.П., Алибеков С.Я., Шарапов Е.С., 20242024Анисимов П.Н., Ширнин Ю.А., Петухов И.В., Рукомойников К.П., Алибеков С.Я., Шарапов Е.С.Anisimov P.N., Shirnin J.A., Petuhov I.V., Rukomojnikov K.P., Alibekov S.Y., Sharapov E.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestiya-lta.spbftu.ru/jour/article/view/305

Актуальность автономного энергообеспечения объектов лесного комплекса обусловлена большими ресурсами древесины на удаленных от сетей централизованного электроснабжения и газоснабжения территориях. Целью работы является повышение эффективности автономного энергообеспечения объектов лесного комплекса путем разработки и оптимизации миниэлектростанций на древесном топливе. При решении поставленных задач применены методы численного моделирования технических систем с использованием среды динамического моделирования SimInTech. Выполнен анализ результатов серии имитационных экспериментов функционирования технологической схемы мини-электростанции. В статье предложена имитационная модель автономной энергоустановки на древесном топливе, выполненная в программе SimInTech с применением инструментов модуля «Теплогидравлика». Представлены результаты численного моделирования работы мини-электростанции электрической мощностью 3,8 МВт, на базе газовой турбины открытого цикла, турбины органического цикла Ренкина и термохимической газификации древесного топлива. Получены результаты численного моделирования в виде основных номинальных режимных параметров мини-электростанции. Определены давления, температуры и массовые расходы потоков рабочих тел циклов энергоустановки и теплоносителей. Определены механические мощности: компрессора и турбины газотурбинной установки, вентилятора системы конденсации органического рабочего тела, турбины цикла Ренкина на фреоне R113 и насоса подачи фреона в испаритель при заданном режиме работы мини-электростанции. Предложенная модель позволяет исследовать режимы работы энергоустановки, при переменных параметрах древесного топлива и окружающей среды, подбирать оптимальные конструктивные и режимные параметры компонентов миниэлектростанции. В частности, были определены оптимальные значения расхода охлаждающего конденсатор органического рабочего тела воздуха по условию максимизации КПД нетто электростанции. Полученные результаты способствуют дальнейшей технологической и конструктивной проработке энергоустановок, могут быть использованы для обоснования эффективности и реализуемости проектов автономного энергообеспечения промышленных объектов.

The relevance of the theme is due to the large resources of wood in areas remote from centralized power supply and gas supply networks. Autonomous energy supply of such objects of the forestry complex can be organized using wood fuel. The aim of the study is to increase the efficiency of autonomous energy supply of timber complex objects by developing and optimizing wood-fired mini-power plants. The method is to numerical modeling. For this, a simulation model of a mini-power plant was developed using the SimInTech dynamic simulation program. We have made the numerical experiments using this mathematical model. The article presents a technological scheme of a mini-power plant based on an open cycle gas turbine, a Rankine organic cycle turbine and wood fuel gasification. The results of numerical simulation of the operation of a mini-power plant with an electric power of 3,8 MW in the SimInTech program using the tools of the Thermal Hydraulics module are presented. The main technological parameters of the power plant in the nominal operation conditions are calculated: pressures, temperatures and mass flow rates of working fluid flows of power plant cycles and heat carriers. We have also calculated the rated mechanical powers of the units: the compressor of the gas turbine plant and the gas turbine, the fan of the organic working fluid condensation system, the Rankine cycle turbine running on R113 freon, and the pump for supplying freon to the evaporator. The proposed model allows you to explore the operating modes of the power plant, with variable environmental parameters, to select the optimal design and operating parameters of the components of the mini-power plant. In particular, the dependence of the net efficiency of the power plant on the consumption of cooling air for the condenser of the organic working fluid was studied. As a result, the optimal values of the cooling air consumption were determined according to the condition of maximizing the net efficiency of the power plant. The obtained results contribute to further technological and constructive improvement of power plants. The results of the study can be used to substantiate the effectiveness and feasibility of projects for autonomous power supply of industrial facilities.

автономное энергообеспечение объектов лесного комплексадревесное топливомини-электростанциячисленное моделированиеautonomous energy supply of timber complex objectswood fuelmini power plantcomputational modelingИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-26-00129, https://rscf.ru/project/24-26- 00129/ReferencesАнисимов П.Н., Медяков А.А. Разработка и численное моделирование энергоустановки с газовой турбиной открытого цикла и паровой турбиной с органическим рабочим телом // Энергосбережение и водоподготовка. 2022. № 6(140). С. 42–46.Anisimov P.N., Medjakov A.A. Development and numerical simulation of a power plant with an open-cycle gas turbine and a steam turbine with an organic working fluid. Jenergosberezhenie i vodopodgotovka, 2022, no. 6(140), pp. 42–46. (In Russ.)Беляев С.В., Левина М. О роли биомассы в повышении топливноэнергетического потенциала регионов // Resources and Technology. 2019. Т. 16. № 4. С. 25–36. DOI: 10.15393/j2.art.2019.4882Beljaev S.V., Levina M. The role of biomass in increasing the fuel and energy potential of regions. Resources and Technology, 2019, vol. 16, no. 4, рр. 25–36. DOI: 10.15393/j2.art.2019.4882. (In Russ.)Глуховский В.М., Ильин А.М., Каляшов В.А. Автономное энергоснабжение лесоперерабатывающих предприятий // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2009. № 188. С. 172–179.Boyaghchi F.A. Chavoshi M., Sabeti V. Multi-generation system incorporated with PEM electrolyzer and dual ORC based on biomass gasification waste heat recovery: Exergetic, economic and environmental impact optimizations. Energy, 2018, vol. 145, pp. 38–51. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.12.118Жуйков А.В., Матюшенко А.И. Способы получения и практического применения синтез-газа (обзор) // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. 2020. Т. 13. № 4. С. 383–405.Feron P., Cousins A., Jiang K., Zhai R., Shwe Hla S., Thiruvenkatachari R., Burnard K. Towards Zero Emissions from Fossil Fuel Power Stations. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2019, vol. 87, pp 188–202. ISSN 1750-5836, URL: https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2019.05.018.Кольниченко Г.И., Лавриченко В.А., Тарлаков Я.В., Сиротов А.В. Использование топливной древесины в условиях распределенной энергетики // Лесной вестник. 2020. Т. 24. № 2. С. 74–80. DOI: 10.18698/2542-1468-2020-2-74-80Gluhovskij V.M., Il'in A.M., Kaljashov V.A. Independent power supply of wood enterprises. Izvestija Sankt-Peterburgskoj lesotehnicheskoj akademii, 2009, iss. 188, pp. 172–179. (In Russ.)Куницкая О.А., Помигуев А.В., Калита Е.Г., Швецова В.В., Тихонов Е.А. Анализ газогенерирующих систем для автономного энергоснабжения лесных терминалов // Resources and Technology. 2021. Т. 18. № 3. С. 53–76.Kol'nichenko G.I., Lavrichenko V.A., Tarlakov Ja. V., Sirotov A.V. Fuel wood for distributed power generation. Lesnoj vestnik. Forestry bulletin, 2020, vol. 24, no. 2, pp. 74–80. DOI: 10.18698/2542-1468-2020-2-74-80. (In Russ.)Медведев С.О., Мохирев А.П. Отдельные аспекты развития транспортной инфраструктуры в лесной отрасли // Актуальные вопросы строительства: взгляд в будущее: сб. науч. ст. по матер. Всерос. научно-практич. конф., посвящ. 40-летию создания Инженерно-строительного института. Красноярск, 2022. С. 46–49.Kunickaja O.A., Pomiguev A.V., Kalita E.G., Shvecova V.V., Tihonov E.A. Analysis of gas generating systems for autonomous power supply of forest terminals. Resources and Technology, 2021, vol. 18, no. 3, pp. 53–76. (In Russ.)Митрофанов А.В. Разработка модели термического разложения доломита в кипящем слое для обеспечения сорбционных систем газогенераторных установок // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2017. № 4. С. 56–61.Medvedev S.O., Mohirev A.P. Aspects of the development of transport infrastructure in the forest industry. Aktual'nye voprosy stroitel'stva: vzgljad v budushhee: sb. nauch. st. po materialam Vseros. nauchno-praktich. konf., posvjashhjonnoj 40-letiju sozdanija Inzhenerno-stroitel'nogo instituta. Krasnojarsk, 2022, рр. 46–49. (In Russ.)Мохов С.П., Арико С.Е., Кононович Д.А., Протас П.А. Методика оценки эффективности применения комплекса машин для сбора и транспортировки лесосечных отходов // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2020. № 231. С. 76–90. DOI: 10.21266/2079-4304.2020.231.76-90Mitrofanov A.V. Development of a model of thermal decomposition of dolomite in fluidized bed for providing sorbent systems of gas-plants. Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo jenergeticheskogo universiteta, 2017, no. 4, pp. 56–61. (In Russ.)Онучин Е.М., Анисимов П.Н. Математическая модель функционирования измельчающе-транспортной машины для производства топливной щепы на лесосеке с энергообеспечением от газогенераторного двигателя Стирлинга // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2017. № 221. С. 258–270. DOI: 10.21266/2079-4304.2017.221.258-270Mohov S.P., Ariko S.E., Kononovich D.A., Protas P.A. Method of evaluating the efficiency of application complex machines for collection and transportation logging waste. Izvestija Sankt-Peterburgskoj lesotehnicheskoj akademii, 2020, iss. 231, рр. 76–90. DOI: 10.21266/2079-4304.2020.231.76-90. (In Russ.)Петухов В.Н. Отечественная среда динамического моделирования SimInTech – это очень просто. Конечные автоматы в среде динамического моделирования SimInTech // Автоматизация и IT в энергетике. 2018. № 1 (102). С. 4–13.Onuchin E.M., Anisimov P.N. Mathematical model of Mobile wood chipper with the autonomous power supply from the Stirling engine. Izvestija Sankt-Peterburgskoj lesotehnicheskoj akademii, 2017, iss. 221, pp. 258–270. DOI: 10.21266/2079- 4304.2017.221.258-270. (In Russ.)Помигуев А., Бурмистрова Д., Куницкая О. Автономное энергоснабжение лесных терминалов // ЛесПромИнформ. 2022. № 3 (165). С. 112–122.Petuhov V.N. Domestic environment of dynamic simulation simintech – this is very easy. final automatics in the medium of dynamic simulation SimInTech. Avtomatizacija i IT v jenergetike, 2018, no. 1 (102), pp. 4–13. (In Russ.)Птичников А.В., Шварц Е.А. Современная климатическая повестка: какие изменения актуальны в лесном хозяйстве России? // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2023. Вып. 242. С. 129–142. DOI: 10.21266/2079-4304.2023.242.129-142Pomiguev A., Burmistrova D., Kunickaja O. Autonomous power supply for forest terminals. LesPromInform, 2022, no. 3 (165), pp. 112–122. (In Russ.)Boyaghchi F.A. Chavoshi M., Sabeti V. Multi-generation system incorporated with PEM electrolyzer and dual ORC based on biomass gasification waste heat recovery: Exergetic, economic and environmental impact optimizations // Energy. 2018. Vol. 145. P. 38–51. DOI: 10.1016/j.energy.2017.12.118Ptichnikov A.V., Shvarc E.A. Modern climate agenda: what changes are relevant in Russian forestry? Izvestija Sankt-Peterburgskoj lesotehnicheskoj akademii, 2023, iss. 242, pp. 129–142. DOI: 10.21266/2079-4304.2023.242.129-142. (In Russ.)Feron P., Cousins A., Jiang K., Zhai R., Shwe Hla S., Thiruvenkatachari R., Burnard K. Towards Zero Emissions from Fossil Fuel Power Stations // International Journal of Greenhouse Gas Control. 2019. Vol. 87. P 188–202. ISSN 1750-5836, https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2019.05.018.Zhujkov A.V., Matjushenko A.I. Methods for producing and practical use of synthesis gas. Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Tehnika i tehnologii, 2020, vol. 13, no. 4, pp. 383–405. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.