Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
The article presents the results of comprehensive experimental bench studies of the SSM-200 steam screw machine, considered as a key component of an autonomous power plant for remote forest terminals. The creation of such terminals, designed for deep processing of wood directly at its production sites, is an urgent task in the context of developing the resources of the northern and Arctic regions of the Russian Federation, characterized by poorly developed energy and transport infrastructure. The purpose of the work is to verify the theoretical linear model of power dependence on steam flow by establishing and analyzing the real power dependence on steam flow. The SSM-200 bench tests were conducted under conditions close to industrial operation, at five fixed modes, uniformly covering the working range of the incoming steam pressure. Based on the natural data array, a refined approximating dependence in the form of a power function was obtained using the least squares method. Statistical analysis of the agreement of the new empirical model with the original theoretical model was performed using Pearson's criterion (χ2). The analysis results showed a statistically significant discrepancy between the models: theoretical power values do not fall within the confidence intervals of the experimental data. This indicates insufficient accuracy of the initial linear model due to unaccounted for mechanical and thermal losses. The degree dependence established during the tests has a high degree of reliability with a determination coefficient of R2 = 0.98 and can be used in the future to develop an improved mathematical model of an independent energy system of a forest terminal, which will increase the accuracy of its energy supply calculations and overall efficiency.
forest terminal, biofuel, steam screw machine, energy stability, statistical analysis, mathematical model, experimental verification
Введение
Актуальность исследований в области автономной энергетики на древесных отходах обусловлена необходимостью энергообеспечения удалённых лесозаготовительных терминалов, стремлением к снижению углеродного следа и максимальному использованию местных ресурсов [1-3].
Фундаментальные исследования подтверждают экологическую и операционную выгоду перехода на древесное топливо. Мехренцев и Корж [4] подчёркивают, что использование нормированного древесного топлива (щепа, пеллеты) обеспечивает низкие выбросы CO₂ и повышает энергоэффективность лесопромышленного производства. Ключевыми организационными решениями они видят создание топливно-технологических терминалов, что позволяет оптимизировать логистику и вовлекать в оборот низкосортную древесину.
Экономический анализ, представленный Марченко и Соломиным [5,6], демонстрирует конкурентоспособность газогенераторных электростанций (ГГЭС) на древесном топливе. Их расчёты показывают, что мини-ТЭЦ на щепе становятся эффективнее дизельных электростанций, а при введении платы за выбросы CO₂ могут конкурировать и с установками на угле и газе.
Эти выводы методологически опираются на ряд работ по оценке ресурсов и эффективности возобновляемых источников энергии в России [7-9]. Конкурентоспособность напрямую зависит от оптимизации всей логистической цепочки топливообеспечения, где критически важен выбор техники и минимизация транспортных затрат [10,11].
Исследования в области технологий газификации биомассы для автономных объектов развиваются от концептуального анализа к детальному проектированию. Куницкая и соавт. [12] провели комплексный обзор газогенерирующих систем, сравнив различные типы реакторов (с плотным, псевдоожиженным слоем, с увлечённым потоком) и обосновав выбор установок малой мощности (1–10 МВт) для лесных терминалов. Они отмечают, что стоимость энергии от таких установок может быть в 15 раз ниже, чем при использовании дизельного топлива.
Это направление получило развитие в работах Анисимова и коллектива, которые сфокусировались на создании высокоэффективных гибридных установок мегаваттного класса. В их исследованиях представлена эволюция от имитационного моделирования схемы, сочетающей газовую турбину (ГТУ) на генераторном газе и турбину органического цикла Ренкина (ОЦР) для утилизации тепла, до детального проектирования мобильной энергоустановки на этой основе. Результаты моделирования показывают, что такая установка может достигать электрического КПД около 30.5% при температуре -10°C, однако её эффективность значительно падает в тёплом климате, что требует адаптации режимов работы. Проектное решение характеризуется интегрированной системой подготовки топлива (сушка щепой уходящими газами) и оптимизированными параметрами, что делает его пригодным для энергоснабжения крупных перерабатывающих комплексов [13-15].
Для малых и удалённых терминалов с потребностями в сотни киловатт более перспективными могут быть менее сложные и капиталоёмкие решения. В качестве таковых рассматриваются энергоустановки на основе паровых винтовых машин (ПВМ), таких как модель ПВМ-200, работающих в простом паровом цикле [14].
Современные исследования в области ПВМ развиваются в направлении создания цифровых двойников и уточнения физических моделей с учётом реальных процессов [15, 16]. Применение CFD-моделирования позволяет проводить трёхмерный анализ течения с учётом фазового перехода [17]. В России разработали методику расчёта характеристик ПВМ для лесопромышленного комплекса. Несмотря на обилие теоретических и лабораторных исследований, в литературе отмечен существенный пробел: отсутствуют комплексные работы по экспериментальной верификации моделей конкретных промышленных образцов (например, ПВМ-200) в составе реальных энергокомплексов лесных терминалов. Ценными предшественниками таких исследований являются работы по экспериментальной идентификации механизмов потерь [19], проверке цифровых двойников [20] и, в особенности, результаты опытно-промышленной эксплуатации энергокомплекса на базе ПВМ-150 на лесозаготовительном предприятии [21-22]. Восполнение данного пробела путём натурной верификации моделей является важной научно-практической задачей для надёжного внедрения подобных локальных энергоисточников.
Анализ литературы выявляет последовательную эволюцию исследований в области автономной биоэнергетики для лесного комплекса: от обоснования экономической и экологической целесообразности перехода на древесное топливо к глубокому технологическому анализу и сравнительной оценке различных методов преобразования энергии. Современный этап характеризуется активным применением методов математического и имитационного моделирования для проектирования сложных гибридных систем (ГТУ+ОЦР) и совершенствования моделей более простых агрегатов, таких как паровые винтовые машины. Ключевой тенденцией является движение от теоретических расчётов и стендовых испытаний к созданию инженерных решений, адаптированных к суровым условиям эксплуатации и направленных на практическую реализацию.
Несмотря на значительный научный задел в области моделирования винтовых машин и наличие отдельных примеров их применения, выявлен чёткий пробел: отсутствие верифицированной на натурных данных теоретической модели промышленного образца ПВМ-200, работающего в реальных условиях лесозаготовительного комплекса.
Таким образом, целью настоящей работы является восполнение данного пробела путём проведения натурной экспериментальной верификации уточнённой теоретической модели ПВМ-200, интегрированной в реальный технологический процесс энергообеспечения лесозаготовительного терминала. Решение этой задачи позволит создать достоверный инструмент для проектирования, оптимизации и прогнозирования работы подобных локальных энергоисточников, снизив риски их внедрения.
Материалы и методы
Объектом исследования являлась паросиловая микротурбинная установка (ПВМ) ПВМ-200, рассматриваемая в качестве базового источника энергоснабжения автономных лесных терминалов. Целью экспериментальной работы была оценка энергетических характеристик установки, количественный анализ влияния параметров парового цикла на её мощность и верификация адекватности существующей теоретической модели на основе сравнения с массивом натурных данных.
Испытания проводились в условиях, приближенных к промышленной эксплуатации, на производственной площадке ООО «Промышленные компоненты КАМАЗ» (г. Набережные Челны). Температура окружающего воздуха составляла 20–25°C, атмосферное давление — нормальное. Программа испытаний включала три этапа: предварительную проверку оборудования, испытания без нагрузки (обкатка) и испытания под нагрузкой. Для построения нагрузочной характеристики были установлены пять фиксированных режимов, равномерно охватывающих рабочий диапазон входного давления пара. Продолжительность работы на каждом режиме составляла 5 часов для обеспечения выхода на установившийся тепловой режим. Параметры режимов испытаний представлены в Таблице 1.
Таблица 1
Режимы испытаний ПВМ-200
Table 1
SSM-200 Test Modes
|
№ режима / Mode No. |
Давление пара на входе, Рвх (МПа абс.) / Steam inlet pressure, P_in (MPa abs.) |
Температура пара на входе, tвх (°C) / Steam inlet temperature, t_in (°C) |
Давление пара на выходе, Рвых (МПа абс.) / Steam outlet pressure, P_out (MPa abs.) |
Частота вращения, n (об/мин) / Rotation speed, n (rpm) |
Продолжительность, τ (ч) / Duration, τ (h) |
|
1 |
0.216 |
121 |
0.15 |
3000 |
5 |
|
2 |
0.35 |
134 |
0.15 |
3000 |
5 |
|
3 |
0.43 |
125 |
0.15 |
3000 |
5 |
|
4 |
0.54 |
152 |
0.15 |
3000 |
5 |
|
5 |
0.60 |
158 |
0.15 |
3000 |
5 |
|
Итого / Total |
25 |
Источник: собственные вычисления авторов
Source: own calculations
Для контроля и регистрации параметров использовался комплекс поверенных средств измерений. Измерение давления проводилось с помощью манометров класса точности 1.0, температуры — термопарами типа K (ТХА) с погрешностью ±1.5°C. Частота вращения вала контролировалась цифровым тахометром класса 0.5, а уровень вибрации и шума — шумомером-виброметром ШИ-01B класса 1. Синхронная запись значений с интервалом 5 секунд обеспечивалась автоматизированной системой сбора данных. В Таблице 2 представлены основные измеряемые параметры и средства контроля.
1. Maganov I., Tihonov E., Petrusha S., Trushevskiy P., Morkovin V., Kunitskaya O. Study of the energy balance of forest terminals operating on biofuel energy sources. Forestry Engineering Journal, 2024; 14: 5-22. – DOI: https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2024.3/1.
2. Vasković S., Tanić Lj., Gvero P., Husika A. Operational Analysis and Optimization of a District Heating Plant Using Wood Chips. Power Engineering and Engineering Thermophysics, 2025; 3: 254-265. – DOI: https://doi.org/10.56578/peet030403.
3. Derezińska A., Redosz K. A Model-Driven Engineering Approach to the Evaluation of a Remote Controller of a Movement Assistant System. In: Gruca A., Brachman A., Kozielski S., Czachórski T. (eds.). Man–Machine Interactions 4. Cham: Springer, 2016: 69-78. – (Advances in Intelligent Systems and Computing; 391). – DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-23437-3_7.
4. Mekhrentsev A.V., Korzh M.A. Teplogeneratsiya na osnove drevesnogo topliva kak baza dlya povysheniya energoeffektivnosti v lesopromyshlennom proizvodstve. [Heat generation based on wood fuel as a basis for improving energy efficiency in timber industry]. Lesa Rossii i khozyaystvo v nikh = [Forests of Russia and their Management], 2019; 3(70): 78-86.
5. Marchenko O.V., Solomin S.V. Sravnitel'naya stoimostnaya otsenka energeticheskogo ispol'zovaniya drevesnykh otkhodov i traditsionnykh topliv dlya proizvodstva elektroenergii i tepla. [Comparative cost assessment of energy use of wood waste and traditional fuels for electricity and heat generation]. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov = [Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering], 2021; 332(7): 34-42.
6. Marchenko O., Solomin S., Kozlov A. Vozmozhnosti ispol'zovaniya drevesnykh otkhodov v energetike Rossii. [Potential for using wood waste in the Russian energy sector]. Ekologiya i promyshlennost' Rossii = [Ecology and Industry of Russia], 2019; 23(6): 7-21. – DOI: https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-6-17-21.
7. Kozyr' D.A., Gubin V.E., Yankovskiy S.A. Otsenka ekologicheskoy effektivnosti resursosberegayushchikh proektov toplivno-energeticheskogo kompleksa. [Assessment of environmental efficiency of resource-saving projects in the fuel and energy sector]. Energeticheskie ustanovki i tekhnologii = [Power Plants and Technologies], 2023; 9(3): 86-93.
8. Vodozhdokova Z.A., Kurmalieva Z.Kh., Gisheva S.Sh. Razvitie bioekonomiki v ramkakh realizatsii strategicheskikh klasternykh initsiativ v lesopromyshlennom komplekse regiona. [Development of bioeconomy within the framework of implementing strategic cluster initiatives in the regional forestry sector]. Vestnik Adygeyskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya 5: Ekonomika = [Bulletin of the Adyghe State University. Series 5: Economics], 2020; 3(265): 15-22.
9. Guzović Z., Duic N., Piacentino A., Markovska N., Mathiesen B.V., Lund H. Recent advances in methods, policies and technologies at sustainable energy systems development. Energy, 2022; 245: 123276. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.123276.
10. Omidkar A., Es’haghian R., Song H. Predicting biomass transportation costs: A machine learning approach for enhanced biofuel competitiveness. Cleaner Logistics and Supply Chain, 2025; 16: 100252. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.clscn.2025.100252.
11. Cheng W., Zhang Y., Wang P. Effect of spatial distribution and number of raw material collection locations on the transportation costs of biomass thermal power plants. Sustainable Cities and Society, 2020; 55: 102040. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.scs.2020.102040.
12. Kunitskaya O.A., Pomiguev A.V., Kalita E.G., Shvetsova V.V., Tikhonov E.A. Analiz gazogeneriruyushchikh sistem dlya avtonomnogo energosnabzheniya lesnykh terminalov. [Analysis of gas generating systems for autonomous power supply of forest terminals]. Resources and Technology, 2021; 18(3): 53-76.
13. Anisimov P.N., Medyakov A.A. Razrabotka i chislennoe modelirovanie energoustanovki s gazovoy turbinoy otkrytogo tsikla i parovoy turbinoy s organicheskim rabochim telom. [Development and numerical modeling of a power plant with an open-cycle gas turbine and an organic Rankine cycle steam turbine]. Energosberezhenie i vodopodgotovka = [Energy Saving and Water Treatment], 2022; 6(140): 42-46.
14. Anisimov P.N., Shirnin Yu.A., Petukhov I.V. [i dr.]. Razrabotka mobil'noy energoustanovki na drevesnom toplive dlya avtonomnogo energoobespecheniya ob"yektov lesnogo kompleksa. [Development of a mobile wood-fueled power plant for autonomous energy supply of forestry complex facilities]. Izvestiya Sankt-Peterburgskoy lesotekhnicheskoy akademii = [News of the Saint Petersburg State Forest Technical Academy], 2024; 248: 206-219. – DOI: https://doi.org/10.21266/2079-4304.2024.248.206-219.
15. Galashov N.N., Tsibul'skiy S.A. Parametricheskiy analiz skhemy parogazovoy ustanovki s kombinatsiey trekh tsiklov dlya povysheniya KPD pri rabote v severnykh gazodobyvayushchikh rayonakh. [Parametric analysis of a combined-cycle power plant scheme with a combination of three cycles to improve efficiency in northern gas production regions]. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov = [Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering], 2019; 330(5): 44-55. – DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2019/5/274.
16. Sukmanova T.V., Belov N.S. Tsifrovoy dvojnik kak instrument modelirovaniya i optimizatsii slozhnykh prirodnykh i tekhnicheskikh sistem. [Digital twin as a tool for modeling and optimizing complex natural and technical systems]. Vestnik Baltiyskogo federal'nogo universiteta im. I. Kanta. Ser.: Estestvennye i meditsinskie nauki = [Bulletin of the Baltic Federal University named after I. Kant. Ser.: Natural and Medical Sciences], 2025; 1: 40-57. – DOI: https://doi.org/10.5922/vestniknat-2025-1-3.
17. El Azzaoui A., Kim T.W., Loia V., Park J.H. Blockchain-based secure digital twin framework for smart healthy city. In: Park J., Loia V., Yi G., Sung Y. (eds.). Advanced Multimedia and Ubiquitous Engineering. Singapore: Springer Singapore, 2021: 107-113. – DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-15-9309-3_15.
18. Giuffrida N., Fajardo-Calderin J., Masegosa A.D., Werner F., Steudter M., Pilla F. Optimization and Machine Learning Applied to Last-Mile Logistics: A Review. Sustainability, 2022; 14 (9): 1-16.
19. Dzuban A.V., Galstyan A.A., Kovalenko N.A., Uspenskaya I.A. Thermodynamic Modeling of Multicomponent Rare Earth Nitrates Aqueous Systems. Russian Journal of Physical Chemistry A, 2021; 95 (12): 2394-2404. – DOI: https://doi.org/10.1134/S0036024421120074.
20. Schweizer F., Fürst M., Wachtmeister G. Modeling and Validation of a Two-Phase Flow Valve for Expanders in Waste Heat Recovery. Journal of Thermal Science and Engineering Applications, 2021; 13 (3): 031022. – DOI: https://doi.org/10.1115/1.4048675.
21. Zhao Z., Zhang J., Wang G., Yuan H., Tian Y. Research and clearance analysis on of steam twin-screw expander employed in industrial waste heat recovery. Energy, 2024; 312: 133439. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.133439.
22. Lee S., Kim D., Ha H., Kim M.S. Pressure energy recovery of LNG integrated with multi-stage feedwater fuel preheaters in a combined cycle power plant. Energy, 2023; 285: 128694. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.128694.
