Россия
Россия
Россия
В статье представлены результаты комплексных экспериментальных стендовых исследований паровой винтовой машины ПВМ-200, рассматриваемой в качестве ключевого компонента автономной энергоустановки для удалённых лесных терминалов. Создание таких терминалов, предназначенных для глубокой переработки древесины непосредственно в местах её заготовки, является актуальной задачей в контексте освоения ресурсов северных и арктических регионов Российской Федерации, характеризующихся слаборазвитой энергетической и транспортной инфраструктурой. Целью работы являлась верификация теоретической линейной модели зависимости мощности от расхода пара путем установления и анализа реальной зависимости мощности от расхода пара. Стендовые испытания ПВМ-200 проводились в условиях, приближенных к промышленной эксплуатации, на пяти фиксированных режимах, равномерно охватывающих рабочий диапазон входного давления пара. На основе массива натурных данных методом наименьших квадратов получена уточнённая аппроксимирующая зависимость в виде степенной функции. Статистический анализ согласия новой эмпирической модели с исходной теоретической выполнен с использованием критерия Пирсона (χ2). Результаты анализа показали статистически значимое расхождение между моделями: теоретические значения мощности не попадают в доверительные интервалы экспериментальных данных. Это свидетельствует о недостаточной точности первоначальной линейной модели, обусловленной неучтёнными механическими и тепловыми потерями. Установленная в ходе испытаний степенная зависимость обладает высокой степенью достоверности с коэффициентом детерминации R2 = 0,98 и может быть использована в будущем для разработки усовершенствованной математической модели независимой энергетической системы лесного терминала, что повысит точность расчётов её энергообеспечения и общую эффективность.
лесной терминал, биотопливо, паровая винтовая машина, энергетическая устойчивость, статистический анализ, математическая модель, экспериментальная верификация
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. Мехренцев А.В., Корж М.А. Теплогенерация на основе древесного топлива как база для повышения энергоэффективности в лесопромышленном производстве. Леса России и хозяйство в них. – 2019. – № 3 (70). – С. 78–86.
5. Марченко О.В., Соломин С.В. Сравнительная стоимостная оценка энергетического использования древесных отходов и традиционных топлив для производства электроэнергии и тепла. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2021. – Т. 332. – № 7. – С. 34–42.
6. Марченко О., Соломин С., Козлов А. Возможности использования древесных отходов в энергетике России. Экология и промышленность России, 2019; 23 (6): 17-21. – DOI: https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-6-17-21.
7. Козырь Д.А., Губин В.Е., Янковский С.А. Оценка экологической эффективности ресурсосберегающих проектов топливно-энергетического комплекса. Энергетические установки и технологии. – 2023. – Т. 9. – № 3. – С. 86-93.
8. Водождокова З.А., Курмалиева З.Х., Гишева С.Ш. Развитие биоэкономики в рамках реализации стратегических кластерных инициатив в лесопромышленном комплексе региона. Вестник Адыгейского государственного университета. Серия 5: Экономика. – 2020. – № 3(265). – С. 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. Ali Omidkar, Razieh Es’haghian, Hua Song. 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. 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.
13. Анисимов П.Н., Медяков А.А. Разработка и численное моделирование энергоустановки с газовой турбиной открытого цикла и паровой турбиной с органическим рабочим телом. Научный журнал. – 2022. – С. 3–6.
14. Анисимов П.Н., Ширнин Ю.А., Петухов И.В., и др. Разработка мобильной энергоустановки на древесном топливе для автономного энергообеспечения объектов лесного комплекса. Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – 2024. – № 248. – С. 206-219. – DOI: https://doi.org/10.21266/2079-4304.2024.248.206-219.
15. Галашов Н.Н., Цибульский С.А. Параметрический анализ схемы парогазовой установки с комбинацией трех циклов для повышения КПД при работе в северных газодобывающих районах. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2019. – Т. 330. – № 5. – С. 44–55. – DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2019/5/274.
16. Сукманова Т.В., Белов Н.С. Цифровой двойник как инструмент моделирования и оптимизации сложных природных и технических систем. Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Сер.: Естественные и медицинские науки. – 2025. – № 1. – С. 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.
