Повышение энергоэффективности в технологиях мобильных автономных агрегатов (на примере дождевальных машин фронтального действия) Юлдашев Зарифджан Шарифович

Введение к работе

Актуальность темы. Агропромышленный комплекс (АПК) Российской Федерации (РФ) является одним из крупнейших потребителей топливно-энергетических ресурсов, в том числе дизельного топлива, которое часто используется неэффективно. В АПК РФ доля мобильных процессов, потребляющих в качестве энергии дизельное топливо, велика и составляет более 50%.

Основной критерий энергоэффективности – энергоемкость продукции – определяется как отношение всей потребленной энергии (включая топливо) к объему произведенной продукции. Кроме основного критерия энергоэффективности, профессором В.Н. Карповым введен для энерготехнических систем новый критерий – относительная энергоемкость, определяемый как отношение подведенной к техническому элементу энергии к энергии, отводимой от него (для передающих и преобразующих энергию элементов). Этот системный показатель линейно связан с основным показателем – энергоемкостью продукции Q_п.

Одним из энергоемких технологических процессов в АПК является орошение дождеванием, которое остается приоритетным способом полива сельскохозяйственных культур. Парк отечественной дождевальной техники составляет около 25 тыс. широкозахватных дождевальных машин (ШДМ), структура которого состоит, в основном, из следующих типов: «Кубань-Л», «Днепр», «Коломенка-100» и другие. ШДМ «Кубань-Л» фронтального действия, предназначена для полива дождеванием сельскохозяйственных культур, включая высокостебельные. Особенность мобильного автономного агрегата ШДМ «Кубань-Л», как действующей технической системы, заключается в том, что технологический процесс выполняется в движении, и в качестве источника энергии используется дизельное топливо, а в качестве ресурса – оросительная вода.

Задача повышения энергоэффективности энерготехнологического процесса (ЭТП) полива ШДМ «Кубань-Л» путем использования интегрального подхода – проектирования системы как единого целого – является актуальной. Цель диссертационной работы – научное и методологическое обоснование повышения энергоэффективности на мобильных автономных агрегатах АПК (на примере действующей технической системы – ШДМ «Кубань-Л» фронтального действия с дизельной энергетической установкой) и повышения энергоэффективности выполнения ЭТП полива по алгоритмам адаптированного метода конечных отношений (МКО), обоснованного для нестационарных процессов. Задачи исследования. Для достижения поставленной цели исследования сформулированы следующие основные научные задачи:

1. Адаптация научных положений теории энерго- и ресурсосбережения для не
стационарных процессов на примере ШДМ «Кубань-Л» фронтального действия.

1. Анализ ПЭС ШДМ для определения системной структуры показателей энергоэффективности ЭТП полива.

2. Обоснование критериев оценки энергоэффективности ЭТП полива, установление зависимости энергоемкости полива от энергетических параметров оборудования и режимов движения ШДМ.

3. Разработка методики проведения экспериментальных исследований по опре-делению энергоэффективности энергетических процессов и ШДМ в целом.

5. Разработка математической модели движения ШДМ, раскрывающая влияние параметров ее движения на показатели энергоэффективности и качества полива.

6. Разработка технических средств по совершенствованию конструкции и алгоритмов движения и полива ШДМ, для измерения и регистрации энергетических параметров в энергетических элементах и ЭТП.

7. Технико-экономическая оценка внедрения технических разработок, направленных на повышение энергоэффективности ЭТП полива ШДМ и технических средств для проведения экспериментальных исследований.

Объект исследований: мобильный автономный агрегат - ШДМ «Кубань-Л» фронтального действия.

Предмет исследования: показатели энерго- и ресурсоэффективности выполнения ЭТП полива ШДМ «Кубань-Л».

Методы исследований: в исследовании использовались модифицированный МКО, элементы системного интегрального подхода к инжинирингу, закон сохранения энергии и методы математического моделирования с использованием современных программно-технических средств.

Достоверность результатов работы: научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационном исследовании, базируются на теоретических положениях и научных принципах, разработанных ведущими учеными по фундаментальным и прикладным аспектам электрификации сельского хозяйства. Основные выводы диссертационного исследования обоснованы теоретическими исследованиями и результатами экспериментальных исследований в полевых, производственных и лабораторных условиях, применением разработанных апробированных методик проведения энергетических исследований и экспертизой разработанных технических решений и способов в Роспатенте.

Научную новизну работы составляют:

1. Научные положения прикладной теории энергоэффективности в АПК - модифицированный МКО, адаптированный для нестационарных мобильных автономных агрегатов (на примере ШДМ «Кубань-Л»).

2. Повышение энергоэффективности ПЭС путем разработки альтернативного варианта энергоснабжения ШДМ.

3. Разработанная математическая модель движения ШДМ, раскрывающая влияние параметров ее движения на показатели энергоэффективности и качество полива.

4. Метод энергетической эксплуатационной диагностики состояния энергетических элементов, устройство для контроля эффективности энергоиспользования в ПЭС и способ энергетической экспертизы элементов ЭТП ПЭС для определения перерасхода энергии.

5. Расчетные зависимости энергоемкости удельных технологических показателей - подачи 1 м³ оросительной воды и полива 1 га площади от производительности и напора водяного насоса при различных режимах движения ШДМ для сравнения с результатами измерений при эксплуатации ШДМ.

Новизна предложенных технических решений подтверждена 9 авторскими свидетельствами СССР, 7 патентами РФ на изобретение, 4 патентами на полезную модель РФ и 11 малыми патентами Республики Таджикистан (РТ).

Практическая значимость работы. Разработанные научно-методические обеспечения энерго- и ресурсосбережения на мобильных автономных агрегатах (на примере действующей технической системы ШДМ «Кубань-Л») позволяют определять энергоэффективность выполнения ЭТП полива и наметить резервы энергосбережения, в частности:

6. Подтверждается теория и методы МКО, основанные на численных измерениях и расчетах, применимые для всех мобильных автономных агрегатов АПК, которые позволяют повышать энергоэффективность выполнения ЭТП.

7. Разработаны метод энергетической эксплуатационной диагностики состояния энергетических элементов, устройство для контроля эффективности энергоиспользования в ПЭС и способ энергетической экспертизы элементов ЭТП ПЭС для создания энергетического паспорта ЭТП ПЭС и определения перерасхода энергии.

8. Разработаны принципиально различные виды информационно-измерительных систем (ИИС), которые обеспечивают мониторинг и регистрацию энергетических параметров энергетических элементов и ЭТП по определению показателей энергоэффективности ШДМ.

9. Разработана математическая модель движения ШДМ, раскрывающая влияние параметров ее движения на показатели энергоэффективности и качество полива, позволяющая исследовать различные алгоритмы управления и формы дождевого облака.

10. В использовании конструкций устройств и алгоритмов управления движением и поливом ШДМ.

11. При использовании испытательного стенда для определения энергетических параметров электродвигателя и относительной энергоемкости, выполненной им работы.

12. При замене источника механической энергии - ДВС на электрическую энергию снижается энергоемкость выполнения ЭТП полива и повышается уровень автоматизации и дистанционного управления ШДМ.

Реализация и внедрение результатов исследований: основные результаты диссертации опубликованы в пяти монографиях, которые используются в учебном процессе на занятиях с бакалаврами и магистрантами, направления подготовки «Агроинженерия».

Результаты, разработанные программы и методики, патенты на изобретения, полученные на основании теоретических и экспериментальных исследований, переданы в организации и хозяйства РФ и РТ и подтверждены соответствующими актами:

ООО «Вибратор-Электроникс-Сервис» (РФ);

Ассоциация Энергетиков РТ;

Государственная служба по надзору в области энергетики РТ;

Таджикский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации;

Центр исследования и использования возобновляемых источников энергии (ЦИИВИЭ) при ФТИ имени С.У. Умарова АН РТ;

ЗАО «ЭНЕРГОРЕМОНТ» РТ;

Дехканское (фермерское) хозяйство «Хазрати Султон» Яванского района РТ;

- СКБ ДМ «ДОЖДЬ» ПО «Компрессор» (РФ).

Результаты исследований могут быть использованы при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ при разработке перспективных современных энергоэффективных ШДМ.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практ. конференциях ППС и аспирантов Ленинградского СХИ (1985-1988 гг.), научно-практ. семинаре «Внедрение разработок ученых Таджикистана в промышленность» (г. Душанбе, 2001), междунар. научно-практ. конференции «Математические проблемы технической гидромеханики, теории фильтрации и орошаемого земледелия» (г. Душанбе, 2008 г.), 5-й междунар. научной конференции Ирана и России по проблемам развития сельского хозяйства (г. Санкт-Петербург-Пушкин, 2009 г.), 2-й научно-практ. конференции «Энергетика и образование: модернизация и кадры» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), IV Инновационном форуме «Энергоэффективные и энергосберегающие техника и технологии» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), форуме «Автоматизация-2010» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), VII междунар. научно-практ. конференции «Экология и сельскохозяйственные технологии: аг-роинженерные решения» (г. Санкт-Петербург, СЗ НИИМЭСХ Россельхозакаде-мии, 2011 г.), междунар. научной конференции «Социально-экономическое измерение европейской интеграции: проблемы, решения, перспективы» (Латвия, 2011 г.), международных конгрессах «Агрорусь-2009, 2010, 2011, 2016» (г. Санкт-Петербург, междунар. научных конференциях ППС СПбГАУ (г. Санкт-Петербург-Пушкин, 2011-2018 гг.), междунар. научно-практ. конференции «Наука и инновации в ХХ1 веке: актуальные вопросы, достижения и тенденции развития» (г. Душанбе, 2017 г.) и круглом столе Российского международного энергетического форума (г. Санкт-Петербург, 2018 г.).

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методология анализа и совершенствования энергоэффективности ЭТП по
лива и алгоритмов управления поливом, обеспечивающих повышение эффектив
ности использования энергии и оросительной воды на нестационарном мобиль
ном автономном агрегате, на примере ШДМ «Кубань-Л».

2. Адаптация теории метода конечных отношений в АПК для нестационарных мобильных автономных агрегатов на примере ШДМ «Кубань-Л».

3. Разработанные ПЭС мобильного автономного агрегата – для существующего (базового) и альтернативного вариантов энергоснабжения ШДМ.

4. Разработанная математическая модель движения и полива ШДМ, раскрывающая влияние параметров ее движения на показатели энергоэффективности и качества полива, позволяющие оптимизировать настроечные параметры машины.

5. Предложенные методы энергетической эксплуатационной диагностики состояния энергетических элементов и контроля эффективности энергоиспользования в ПЭС и способ энергетической экспертизы элементов ЭТП ПЭС для создания энергетического паспорта и определения перерасхода энергии.

6. Разработанные технические средства по совершенствованию алгоритмов управления движением и поливом ШДМ.

7. Разработанные четыре вида ИИС, которые обеспечивают мониторинг энерге-

тических параметров и математическую обработку данных по определению энергоэффективности ЭТП полива на мобильных автономных агрегатах. 8. Полученные расчетные зависимости энергоемкости удельных технологичес-ких показателей подачи 1 м³ оросительной воды и полива 1 га площади от производительности и напора водяного насоса при различных режимах движения ШДМ для сравнения с результатами измерений при эксплуатации ШДМ. Место выполнения работы. В диссертации приведены результаты исследований, проводившихся лично соискателем и при его непосредственном участии на кафедре «АСХП» ЛСХИ (1983-1988 гг.) под руководством проф. В.С. Зарицкого при выполнении хоздоговорной работы №34-2 «Разработка и исследование модели системы управления движением ШДМ и обоснование на их основе практических рекомендаций по оптимизации параметров ШДМ «Кубань» и «Каравелла»» и при научной школе «Эффективное использование энергии» кафедры «ЭОП и ЭТ» СПбГАУ (2009-2018 гг.) под руководством проф. В.Н. Карпова. Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 200 печатных работах автора, в том числе: 46 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, 5 монографий, 31 изобретение (9 авторских свидетельств СССР, 7 патентов РФ на изобретение, 4 патента РФ на полезную модель, 11 малых патентов РТ), свидетельство о гос. регистрации программы на ЭВМ и 21 публикация в научных сборниках статей и материалах различных конференций в странах ближнего и дальнего зарубежья.

Существенную техническую помощь в проведении экспериментальных и лабораторных исследований и компьютерной обработки материалов оказали соавторы, указанные в перечне основных работ, опубликованных по теме диссертации. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Работа содержит 320 страниц основного текста, включая 85 рисунка и 37 таблиц, 325 библиографических наименований и 13 приложений.