Создание технических систем управляемого водопользования в сельском хозяйстве Гришин, Александр Петрович

Введение к работе

Актуальность проблемы.

Развитие сельского хозяйства в значительной мере зависит от состояния и функционирования водохозяйственного комплекса, надежности обеспечения сельского населения и предприятий отрасли водой необходимого количества и качества.

В России насчитывается более 150 тысяч сельских поселений, в которых проживает около 40 млн. чел. Из них централизованным водоснабжением охвачено 73 тысяч поселений, где проживает 25,4 млн. чел., что составляет 64% сельских жителей. Более 30% сельского населения пользуется водой из шахтных и мелкотрубчатых колодцев, открытых водоемов, родников и привозной водой в объеме 130 тыс. м . Из общего количества систем централизованного водоснабжения 61,3 тыс.(66%) нуждаются в реконструкции, 9,5 тыс. (11%) - в восстановлении.

Изношенность систем водообеспечения является главной причиной загрязнения питьевой воды, в результате несвоевременного ремонта сети водопотери достигают 50%.

Удельный расход электроэнергии на подъем воды велик и превышает 0,9 кВтч/м³, что свидетельствует о низкой эффективности эксплуатации сооружений водоснабжения.

В производственной сфере основными потребителями воды являются мелиоративные системы растениеводства и системы водоснабжения животноводческих ферм и комплексов.

Наибольшие объемы воды используются в водных мелиорациях: в мире 70% общего объема отбора пресной воды применяется для орошения 17% посевной площади. Дополнительные ущербы сельскохозяйственное производство несет из-за неудовлетворительного функционирования мелиоративных систем, которые вследствие износа частично утратили работоспособность. Износ напорных гидротехнических сооружений в Ставропольском крае составляет 50-100%, Краснодарском крае - 50-70%, Республике Адыгея - 76-100%.

В системах водопользования независимо от сферы применения насосное оборудование является основным элементом технологических систем водообеспечения и потребителем 90% электроэнергии.

Неправильный подбор и установка насосного оборудования приводят к перерасходу электроэнергии до 30%, сокращению срока службы насосов в 1,5-2 раза. Отсутствие технологий и технических средств управления и защиты машинных систем для добычи и транспортирования вод, отсутствие учета и контроля подачи и потребления воды — к потерям более 30% воды и перерасходу электроэнергии. Низкое качество проектных и строительно-монтажных работ, приводят к перерасходу электроэнергии и капиталовложений на 20-30%.

Таким образом, на сегодняшний день имеется множество свидетельств того, что отрасль сельскохозяйственного водоснабжения находится в критическом состоянии и характеризуется огромными потерями электроэнергии и воды, а также большим числом аварий, способствующих нарушению экологии.

В силу актуальности проблема водообеспечения АПК в последние годы решается на государственном уровне. Правительство РФ в августе 2009 года приняло решение о реализации «Водной стратегии агропромышленного комплекса России на период до 2020 года».

В ней предусмотрено восстановление, реконструкция, модернизация и строительство новых водохозяйственных систем, в том числе оросительных, проведение фундаментальных и прикладных научных исследований, разработка, развитие и внедрение результатов научных исследований, инновационных научно - технических и технологических разработок.

Поэтому разработка технологий и закономерностей функционирования технических систем управляемого водопользования в сельском хозяйстве является актуальной проблемой для сельскохозяйственной науки и аграрной практики и соответствует целям реформирования агропромышленного комплекса страны.

Объект исследований: технологии и технические средства водообеспечения объектов социально-бытовой, животноводческой и растениеводческой категорий сельского хозяйства.

Предмет исследований закономерности функционирования, методы построения и оптимизации параметров технологических процессов и технических средств нового поколения для экологически безопасных и экономически эффективных машинных систем водопользования в сельском хозяйстве.

Научная проблема сформулирована как исследование закономерностей функционирования и создание технических систем управляемого водопользования в сельском хозяйстве.

Цель исследований - оптимизация параметров технологических процессов и технических средств, создание систем механизации управляемого водопользования для модернизации объектов сельского хозяйства на принципах их экосистемности.

Задачи исследований:

1. Обобщить и систематизировать взаимосвязанные базовые режимы функционирования систем водообеспечения и водопотребления сельскохозяйственных объектов.

2. Разработать вероятностную модель случайных потоков водопотребления категориями социально-бытовых, животноводческих и растениеводческих потребителей.

3. Выявить и математически описать закономерности функционирования элементов технических систем управляемого водопользования в сельском хозяйстве.

4. Разработать методологию проектирования технических систем управляемого водопользования в сельском хозяйстве, включая:

5. определение основных характеристик машинных систем водообеспечения при их работе в различных системах (без противодавления и с противодавлением);

6. методики:

7. построения вероятностной модели системы водопотребления;

8. определения энергопотребления машинных систем водообеспечения при случайном расходе;

9. выбора машинных систем водообеспечения и компоновки насосных станций.

   1. Разработать принципы построения объектов водопользования в сельском хозяйстве.

   2. Проверить в производственных условиях и дать оценку эффективности новых систем водопользования в сельском хозяйстве.

   Методы исследований:

   6. системный анализ технологической и технической базы водообеспечения с.-х. объектов;

   7. теория самоорганизации - синергетика и принцип энергетической экстремальности самоорганизации;

   8. фрактальный анализ, теория фазовых траекторий и агрегирования квазициклов ряда, теория неравновесных динамических систем и фазовых переходов для количественной оценки и прогноза случайных режимов водопотребления и эксэргетический анализ для оценки уровня потребления воды растением;

   9. математическое моделирование и вычислительный эксперимент, в том числе и в программе Excel, совместно с теорией информации;

   10. методика математического планирования многофакторного эксперимента;

   11. теории вероятности и математической статистики, включая оценку соответствия параметров потоков t-распределению Стьюдента, а также с использованием критериев Кохрена и Пирсона при проверке достоверности результатов исследований;

   12. производственная проверка и оценка эффективности разработанных технологий и новых технических средств.

   Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:

   Впервые выявлены, обобщены и систематизированы взаимосвязанные базовые режимы по условиям экологичного, отвечающего экологическим требованиям и ограничениям нарушения равновесия сложившихся экосистем и экономически эффективного их функционирования.

   Впервые получена вероятностная модель с элементами предпрогнозного анализа случайного потока водопотребления категориями социально-бытовых, животноводческих и растениеводческих потребителей.

   Впервые выявлены и математически описаны закономерности функционирования элементов систем механизации управляемого водопользования в сельском хозяйстве:

   13. образования регулирующего объема буферных емкостей;

   14. образования регулируемого объема буферных емкостей;

   15. управления техническими системами водоснабжения сельскохозяйственных объектов;

   16. согласования напора насоса в рабочей зоне с параметрами внешней сети;

   17. образования расхода насоса с частотным приводом в комбинированной компоновочной схеме;

   18. процесса образования избыточного давления в системе водообеспечения;

   19. процесса нагрева электродвигателей насосов;

   20. расхода воды потребителями.

   Впервые разработана методология технологического обеспечения экосистемного водопользования, включающая методики построения вероятностной модели расхода воды потреблями, определения энергопотребления машинных систем водообеспечения при случайном расходе, выбора машинных систем водообеспечения и компоновки насосных станций.

   Обоснованы принципы построения объектов экосистемного водопользования, включая технологию управляемого орошения растений туманом, как направление исследований на перспективу и инновационную прямоточную технологию водообеспечения, в основе которой лежит принцип частотно-каскадной комбинированной компоновки насосных агрегатов, учитывающей вероятностную модель внешнего воздействия потребителей воды.

   6. Разработано новое поколение технологий и систем механизации для обеспечения экосистемного и управляемого водопользования в сельском хозяйстве с оценкой их экономической эффективности.

   Положения, выносимые на защиту:

   Параметры взаимосвязанных базовых режимов и технологических процессов в системах водообеспечения и водопотребления следует оптимизировать по критериям экологичного, не нарушающего экосистемность агроландшафтов и энергоэффективного их функционирования, которые взаимосогласованы. Так оптимальная стабилизация давления в трубопроводах исключит утечки воды и водную эрозию почвы, и связанный с ними непроизводительный расход электроэнергии.

   Анализ случайного потока водопотребления категориями социально- бытовых, животноводческих и растениеводческих потребителей следует производить с использованием разработанной его вероятностной модели.

   Проектирование технологических и технических объектов обеспечения экосистемного водопользования следует осуществлять на основе: принципа экосистемности, отвечающего экологическим требованиям и ограничениям нарушения равновесия сложившихся экосистем; принципа оптимальности технических и технологических решений, отражающий переход на новые экологически безопасные и экономически эффективные водохозяйственные системы, технологии и конструкции. То есть на основе разработанных закономерностей функционирования элементов систем механизации управляемого водопользования в сельском хозяйстве:

   образования регулирующего объема;

   образования регулируемого объема;

   управления техническими системами водоснабжения сельскохозяйственных объектов;

   согласования напора насоса в рабочей зоне с параметрами внешней сети;

   образования расхода насоса с частотным приводом в комбинированной компоновочной схеме;

   процесса образования избыточного давления в системе водообеспечения;

   процесса нагрева двигателей насосов;

   расхода воды потребителями, а также инженерных методов построения вероятностной модели потребления воды, методов определения энергопотребления машинных систем водообеспечения при случайном расходе и выбора машинных систем водообеспечения и компоновки насосных станций.

   Построение систем технологического обеспечения экосистемного водопользования следует осуществлять с учетом предложенных принципов их проектирования.

   Эффективное функционирование объектов экосистемного водопользования - водохозяйственной деятельности и управления водопользованием в едином технологическом процессе, включающем потребление, использование и отведение воды с учетом экологических требований и ограничений по количественным и качественным показателям, снижения безвозвратного водопотребления и предупреждения загрязнения воды, почв, растений, можно обеспечить применением разработанных новых технологий и созданных систем механизации управляемого водопользования нового поколения.

   Практическая значимость заключаются в разработке и создании технического обеспечения нового поколения - контейнерных насосных станций заводской готовности, реализующих прямоточную технологию водообеспечения с комбинированной схемой компоновки машинных систем водоподачи на основе современной преобразовательной техники и сотовой связи протокола GSM. Технологическое обеспечение нового поколения использовано с участием автора в выполнении Федеральной целевой программы «Социальное развитие села до 2010 года» путем разработки рекомендаций, конструкторской документации и оборудования для технического обеспечения систем водоснабжения объектов АПК, включая:

   29. Методические рекомендации по выбору оборудования для частотно - регулируемой насосной станции второго подъема с комбинированной компоновочной схемой (2005 г.);

   30. Методические рекомендации по выбору оптимальной электронасосной установки для башенной системы водоснабжения с использованием четырехдюймовых погружных электронасосов (2005 г.);

   31. Методические рекомендации по выбору энергоэкономного электронасосного оборудования и применению контейнерных насосных станций, рекомендованные к применению НТС Минсельхоза РФ (2007 г.).

   32. конструкторскую документацию на изготовление павильонов контейнерного типа для станций подготовки и подачи воды

   производительностью 24 м /сут., 60 м /сут.;

   33. конструкторскую документацию на электрооборудование и средства управления для станции подготовки и подачи воды контейнерного типа производительностью 24 и 60 м /сут. с установленной мощностью от 0,75 до 1,5 кВт.

   За создание и внедрение инженерного оборудования нового поколения «Высота» автору в составе творческого коллектива присуждена Премия правительства РФ в области науки и техники 2003 года.

   Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на Ученых советах ВИЭСХ, заседании Бюро Отделения механизации, электрификации и автоматизации сельского хозяйства Россельхозакадемии (2005 г.), заседании НТС Минсельхоза РФ (2007 г.) на Международных научно-практических конференциях симпозиумах и конгрессах: «Автоматизация сельскохозяйственного производства» (г.Углич, 1997 г.), «Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве» (г. Минск, 1997 г.), «Вода: экология и технология» (г. Москва, 1998 г.), «Энергосбережение в сельском хозяйстве», (г. Москва, 1998 г.).«Вода: экология и технология» (г. Москва, 2000 г.), «Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве», (г.Минск, 2000 г.), «Энергосбережение в сельском хозяйстве. К 70-летию ВИЭСХ», (г. Москва, 2002 г.), «Вода: экология и технология» (г. Москва, 2002 г.), «Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии и техника орошения», (г. Коломна, , 2004 г.), «Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике» (г. Москва, 2004 г.), «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2004 г.), «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2006 г.), «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России - разработка высокоэффективных ресурсосберегающих технологий» (г. Москва, 2007 г.), «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве (г. Углич, 2008г.), «Нетрадиционное растениеводство. Селекция. Охрана природы. Эниология. Экология и здоровье» (г. Алушта, 2008 г.), «Научно- технический прогресс в животноводстве - ресурсосбережение на основе создания и применения инновационных технологий и техники». (г. Подольск, 2008 г.), «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2008г.), «Повышение использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции» (г. Тамбов, 2009 г.), «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2010 г.).

   Реализация результатов. Автором в 1991 году было организовано производственное предприятие для изготовления и внедрения технологий и технических средств защиты машинных систем для добычи и транспортирования воды «Высота» 105 различных модификаций и типоразмеров с объемом выпуска 800 шт./год.

   Всего выпущено более 20 тысяч комплектов, что подтверждено справкой о внедрении в период с 2004 по 2010 годы.

   Указанные комплекты использованы при выполнении «Мероприятий по развитию водоснабжения в сельской местности» в рамках 4 контрактов с Минсельхозом России.

   Публикации. Основные положения и результаты работы опубликованы в 80 печатных работах (из них 15 статей в изданиях, согласно списку ВАК РФ), 3 книгах и брошюрах. Новизна технических решений защищена 8 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения и четырьмя свидетельствами на государственную регистрацию программы для ЭВМ.

   Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Материалы изложены на 266 страницах компьютерного текста, содержат 24 таблицы, 67 рисунков; библиография включает 196 источников, в том числе 15 - на иностранных языках.

   Похожие диссертации на Создание технических систем управляемого водопользования в сельском хозяйстве

   

   Совершенствование технологий и создание системы технических средств для комплексной механизации доения и мониторинга молочного стадаВинников, Иван Кириллович

   Снижение энергопотребления на технологические и бытовые нужды в сельском хозяйстве путем создания и использования высокоэффективных гелиосистемКузьмич, Василий Васильевич

   Научно-технические основы создания автономных биоэнергетических установок для крестьянских хозяйств в горных районах КиргизииОсмонов, Орозмамат Мамасалиевич

   Повышение эффективности работы прицепов-разбрасывателей органических удобрений за счет создания систем оперативного контроля качества их работыМалаков, Юрий Федорович

   Технологические и технические основы создания управляемой модели системы агрофон-хлопкоуборочная машина-хлопковое волокноТашболтаев, Махамад Тожалиевич

   

   Повышение эффективности функционирования высевающих систем зерновых сеялок посредством создания устройств контроля качества их работы Молофеев Владимир Юрьевич

   Разработка моделей, методов и средств создания распределенных интегрированных информационных систем для управления городским хозяйством : На примере г. МосквыКовалевский, Сергей Станиславович

   

   Методический аппарат создания и применения информационно-обучающих систем подготовки персонала структурных подразделений жилищно-коммунального хозяйстваБуряк, Кирилл Валерьевич

   

   Рационализация машинно-тракторного парка сельского хозяйства на основе создания машинно-технологических станций : на примере республики ДагестанНисредов Нисред Нажмудинович

   Обоснование и принципы создания мобильных грузоподъемных средств на базе пространственных механизмов для работы в сельском хозяйствеПындак, Виктор Иванович