Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса 7
1.1 Техническое состояние оросительных систем. 7
1.2 Обзор существующих методик оценки надежности . 20
1.3 Выводы по главе. 34
2. Выбор направления исследований в области оценки надежности элементов оросительных систем .
2.1 Выбор показателей надежности элементов оросительных систем.
2.2 Некоторые принципы математического моделирования для исследования надежности оросительных систем.
2.3 Структурная схема надежности открытой оросительной системы .
2.4 Выводы по главе 68
3. Методика оценки основных показателей надежности оросительных систем
3.1 Методика построения структурной иерархической схемы и расчета надежности каналов.
3.2 Методика оценки надежности технических элементов оросительной системы .
3.3 Обработка исходных данных 94
3.4 Определение минимального числа объектов наблюдения. 100
3.5 Выводы по главе. 104
4. Результаты исследований. 105
4.1 Характеристика Миусской ОС как объекта исследований. 105
4.2 Построение иерархической структурной схемы Миусской оросительной системы и оценка надежности водопрово дящей сети.
4.3 Оценка показателей надежности элементов насосных станций Миусской оросительной системы .
4.4 Расчет экономической эффективности применения методики оценки надежности и эксплутационной эффективности открытых оросительных систем.
4.5 Выводы по главе. 131
Общие выводы. 132
Предложения производству. 134
Список литературных источников.
- Обзор существующих методик оценки надежности
- Структурная схема надежности открытой оросительной системы
- Методика оценки надежности технических элементов оросительной системы
- Оценка показателей надежности элементов насосных станций Миусской оросительной системы
Обзор существующих методик оценки надежности
Ежегодная фактическая поливная площадь тесно связана с нормативной обеспеченностью дождевальной техникой. Так в 1985 году при нормативной обеспеченности техникой 92,8 %, политая площадь от всей площади, орошаемой дождеванием, составила 92,2 %. В 1998 году показатели уже имели значения 36,8 и 35,6 % соответственно.
Принимая за точку отсчета 1985 год, как наиболее благоприятный по обеспеченности поливной техникой и соответствующий пику развития оросительных мелиорации в области, наличие .поливной техники по её типам можно представить в убывающем порядке: ДДА-ЮОМА - 2268 шт., ДДН-70(100) - 868 шт., ДМ "Фрегат" - 606 шт., ДМ "Волжанка" - 132 шт., ДМ "Кубань" - 28 шт. Из них с истекшим нормативным сроком эксплуатации: ДДА-ЮОМА - 83 шт., ДДН-70(Ю0) - 89 шт., ДМ "Фрегат" - 32 шт., ДМ "Волжанка" - 5 шт., ДМ "Кубань" - нет.
К 1998 году ситуация кардинально изменилась. Продолжался резкий спад количества поливной техники с одновременным ростом количества техники с истекшим сроком эксплуатации. Общее количество техники к этому периоду составляло: ДДА-ЮОМА - 623 шт., ДДН-70(Ю0) - 135 шт., ДМ "Фрегат" - 694 шт., ДМ "Волжанка" - 13 шт., ДМ "Кубань" - 55 шт., в том числе с истекшим сроком эксплуатации: ДДА-ЮОМА - 280 шт., ДДН-70(Ю0) - 38 шт., ДМ "Фрегат" -179 шт., ДМ "Волжанка" - 2 шт., ДМ "Кубань" - 9 шт.
Таким образом, явно прослеживается тенденция катастрофического снижения количества поливной техники. В настоящее время из 254,9 тыс. га орошаемых площадей при самом высоком уровне организации поливов фактически поливаемая площадь не превышает 100-120 тыс. га.
Для улучшения мелиоративного состояния орошаемых земель, по оценке Ростовской гидрогеологомелиоративной партии, необходимо проведение реконструкции оросительных систем на площади более 100 тыс. га. (табл. 10). В 1996 году в области было реконструировано лишь 941 га, что в 10-12 раз меньше по сравнению с объемами работ по реконструкции в 80-е годы. Ввод в эксплуатацию новых площадей в 1996 году составил 75 га против 5,0 тьіс.га в 1990 году; в 1997 году строительство новых участков вообще не предусматривалось. По мере старения систем и при крайне низких темпах их переустройства в настоящее время скорость износа опережает темпы реконструкции.
В условиях продолжающегося экономического спада практически не обеспечивается на должном уровне содержание и ремонт межхозяйственной и магистральной сети, гидротехнических сооружений. В настоящее время эксплуатационные водохозяйственные предприятия финансируются из местного и федерального бюджетов, причем доля местного финансирования составляет 70-75%. Финансирование эксплуатационных водохозяйственных предприятий составляет 80-85% от запланированного на соответствующий период. Запланированные объемы финансирования сами по себе недостаточны для поддержания систем в работоспособном состоянии.
После 1991 года выделение операционных средств из федерального бюджета на поддержание производственного фонда в рабочем состоянии, на содержание и ремонт государственных мелиоративных систем уменьшилось в несколько раз. Существенно подорванной оказалась производственная и техническая база, обеспечивающая строительство, реконструкцию и ремонт-но-эксплуатационные работы мелиоративных систем. Техника, задействованная ранее в технологических процессах на мелиоративных системах в большинстве своем, по причине длительности срока службы, вышла из строя.
При недостаточности финансирования выделяемые средства сосредотачиваются на выполнении мероприятий, обеспечивающих в первую очередь жизнеспособность системы и выполнения своей главной задачи - забор, транспортировку и подачу оросительной воды в точки водовыдела: содержание эксплуатационного штата, содержание и ремонт гражданских и производственных зданий, насосных станций, транспортных средств.
Существенная доля затрат (9 - 12%) приходится на содержание транспортных средств, поскольку орошаемые площади на системах в степной зоне размещены отдельными массивами, требующими протяженной межхозяйственной сети. В сопоставимых ценах затраты на содержание транспортных средств снизились в 2 раза. Затраты на эксплуатацию и ремонт насосных станций с учетом затрат на электрическую энергию в сопоставимых ценах возросли на 10 - 15%. Затраты только на электроэнергию возросли более, чем в 2,5 раза.
Специфика и особенности эксплуатации государственных оросительных систем в Ростовской области обусловлены преобладанием машинного водоподъема (более 70 % всех площадей) и неравномерностью водопотребления в течение вегетационного периода. Следствием этого является высокая себестоимость оросительной воды и необходимость повышенной оперативности управления водораспределением в условиях недостаточной обеспеченности бассейнами суточного регулирования и водохранилищами внутрисистемного регулирования. На государственных оросительных системах на долю электроэнергии приходится в настоящее время 40-45% всех затрат.
Перераспределение средств по статьям расходов произведено за счет существенного сокращения затрат, и следовательно, и объемов работ по содержанию и ремонту гидротехнических сооружений и гидропостов, дамб каналов, трубопроводов, эксплуатационных дорог, очистке каналов, то есть непосредственно за счет самой системы. Затраты на проведение этих работ сократились почти в 8-Ю раз. Еще более значительно сократились объемы работ по ремонту сооружений на мелиоративной сети общего и индивидуального пользования; находящейся у землепользователей, а также работы по ремонту и восстановлению лотковой сети, очистке русел каналов, имеющих облицовку. Дальнейшая эксплуатация оросительных систем в таком режиме может привести к тому, что с течением времени их износ уже невозможно будет компенсировать средствами на капитальный ремонт и потребуется более существенные затраты на проведение реконструкции.
В сложившихся условиях наблюдается устойчивая тенденция сокращения фактически поливаемых площадей. На госсистемах поливается - 56%, на местном стоке - 23% сельхозиспользуемых орошаемых площадей.
Структурная схема надежности открытой оросительной системы
Математическая модель, реализованная на ЭВМ, является мощным средством для исследования, процессов влияющих на снижение надежности и эксплутационной эффективности элементов оросительных систем.
Математические модели, используемые при решении различных задач управления, планирования и проектирования в мелиорации, условно можно разбить на два класса - оптимизационные и имитационные /13,14/.
Оптимизационные модели предполагают наличие некоторого критерия оптимальности, который не всегда можно четко сформулировать и тем более построить. Сложность реальных оросительных систем для описания, которых требуется большое количество переменных и параметров, многие из которых носят случайный характер, нелинейность связей между различными элементами оросительных систем, приводит к тому, что и сами модели, на которых проводятся исследования, должны иметь сложную структуру. Однако методы оптимизации позволяют на сегодняшний день получать решения лишь для довольно узкого класса оптимизационных задач. "Подгонка" исходной модели под существующие численные методы сопровождается, как правило, значительными упрощениями, приводящими, в конечном счете, к тому, что результаты расчетов на оптимизационных моделях могут использоваться только там, где такие упрощения допустимы, т.е. для довольно узкого круга задач/19/.
Появление ЭВМ с колоссальным быстродействием и памятью, породило новое направление в исследовании сложных, народнохозяйственных и в их составе оросительных систем. Исследование вопросов имитационного моделирования, связанных с оценкой надежности и эксплутационной эффективности элементов оросительных систем связаны с большим объемом работ по сбору и обработке статистической информации о состоянии технических средств и инженерных сооружений. В данном контексте применение персональных ЭВМ для исследования вопросов надежности открывает новые возможности, как для эксплутационных служб оросительных систем, так и для ученого работающего с проблемой повышения надежности и эксплута-ционной эффективности. Вместе с тем необходимо признать, что применение компьютерных технологий в области мелиорации не получили должного развития. Отсутствие специфического программного обеспечения и опыта работы с современной вычислительной техникой тормозит решение задач, связанных с обработкой большого объема статистических данных, что является одним из важнейших аспектов исследований в имитации износовых процессов, возникающих при эксплуатации оросительных систем /31,40,41/.
В определении Т.Нейлора под имитацией понимается "численный метод проведения на цифровых вычислительных машинах экспериментов с математическими моделями, описывающими поведение сложных систем в течении продолжительных периодов времени".
Имитационное моделирование, как метод численных экспериментов, в мелиоративной практике используется издавна при обосновании различных мелиоративных мероприятий. Использование ЭВМ позволяет значительно сократить время на проведение такого рода расчетов, увеличить количество рассматриваемых вариантов. С одной стороны, такой аспект, машинного имитационного моделирования приводит лишь к количественным сдвигам, а с другой - количественные изменения позволяют осуществить и качественный скачок (например: более обоснованный выбор параметров элемента оросительной системы за счет рассмотрения большего количества вариантов). Другим и наиболее важным аспектом имитационного моделирования является возможность проведения исследований на математических моделях, разрабатываемых специально для этой цели /8,67,11/.
Основой машинного имитационного эксперимента является разрабатываемая математическая модель, сама запись которой отлична от привычных оптимизационных моделей. Математическая модель для имитационных экспериментов записывается обычно в виде моделирующего алгоритма, реализация которого есть имитация отдельных элементарных явлений, из которых состоит сам процесс, с сохранением их логической последовательности протекания во времени, взаимосвязей, характера и состава информации о протекании процесса". Одна из основных трудностей при построении математической модели для проведения имйггационных экспериментов это построение формализованной схемы исследуемой оросительной системы. Степень схематизации "определяется наличием исходной информации и перечнем задач исследований /76/.
Формализованная схема оросительной системы позволяет упростить взаимосвязь между информационной и математической моделью в ходе имитационного эксперимента.
Важное значение для эффективности использования имитационного моделирования при исследовании оросительных систем имеет степень формализации задач исследований, под которой подразумевается разработка такого алгоритма их решения, который содержал бы как можно большее количество универсальных блоков, общих для такого типа задач.
Трудности, связанные с формальным описанием процессов, влияющих на надежность оросительных систем и задач исследований, связаны, прежде всего, с уникальностью каждой системы, что не позволяет, видимо, построить некую универсальную имитационную модель с неограниченно широким классом задач исследований, которые можно на ней реализовать.
Поскольку имитация - это, прежде всего эксперимент, то особое внимание необходимо уделить вопросам планирования и обработки результатов эксперимента.
Исследование режимов функционирования оросительных систем на имитационной модели предполагает наличие одного или нескольких критериев оценки, позволяющих производить исследование влияния различных факторов на надежность системы. Критерия расчетной обеспеченности, получившего распространение на практике, при определении правил управления недостаточно, т.к. одно и то же значение обеспеченности может быть достигнуто различными способами управления /85/.
В связи с этим целесообразно оценку эффективности различных режимов производить одновременно по нескольким критериям.
Процесс построения имитационных моделей факторов влияющих на надежность оросительных систем очень сложный и трудоемкий, поэтому, в настоящее время целесообразно разрабатывать отдельные стандартные блоки, задачи и т. с тем, чтобы в дальнейшем упростить построение имитационных моделей для исследования сложных оросительных систем.
Методика оценки надежности технических элементов оросительной системы
Предлагаемая комплексная методика содержит элементы математической обработки статистической информации по наработкам на отказ сложных технических элементов оросительных систем. На основе существующих методик оценки надежности разработаны общие принципы и подходы к проблеме оценки эксплутационной надежности и гидравлической эффективности каналов различного-порядка. Применение данной методики на практике позволит провести оценку надежности элементов действующих оросительных систем.
Функциональный и структурный анализ открытых оросительных систем показывает наличие в них общности по назначению и выполняемым функциям при их различной структуре, достаточной для построения общей стратегии исследования их на надежность.
Открытые оросительные системы имеют структуру, которую можно представить состоящей из последовательно связанных подсистем: водозаборных сооружений, насосных станций, систем автоматизации, каналов различного порядка. В предлагаемом методе оросительная система рассматривается как совокупность элементов, которые подразделены на типа: сложные технические элементы (элементы 1-й группы) и инженерные сооружения (элементы 2-й группы). Подобное разделение обусловлено различным подходом к вопросу оценки надежности этих элементов.
При оценке технических элементов исследуемым объектом является некоторая совокупность функционирующих элементов, а критерием надежности средняя наработка на отказ. При таком подходе достаточно легко построить график функции изменения вероятности безотказной работы от времени эксплуатации и осуществлять прогноз на весь период эксплуатации, а также выбирать оптимальные схемы периодичности проведения ремонтно-профиЛактических работ.
При исследовании такого объекта как водопроводящая сеть исследуемым объектом может являться некоторая совокупность контрольных точек, критерием надежности может являться совокупность показателей (рис 3.3) замеряемых в этих точках на протяжении периода времени.
Таким образом, модель надежности открытого оросительного канала будет определяться осредненными значениями технических параметров (рис 3.3), замеряемых в контрольных точках с определенной периодичностью не менее 2 -х раз в году в начале эксплуатации системы весной в осенью.
Нами предложена следующая схема проведения контрольных мероприятий: - выбирается репрезентативный участок канала или водопроводящей сети; - на протяжении объекта наблюдения выбираются контрольные точки с таким расчетом, чтобы обеспечить необходимый объем статистической информации; - в выбранных точках проводят замеры контрольных технических параметров канала: скорость течения, фильтрация русла канала, КПД участка, а также контролируется УГВ в створах контрольных точек;
Полученные средние значения контрольных параметров заносятся в базу данных УОС, накапливаются и позволяют отслеживать динамику изменения тех параметров водопроводящей сети, описывать её математическими зависимостями и осуществлять прогноз их изменения с достаточной степенью вероятности.
Расчет надежности целесообразно начинать с определения понятия отказа. Период применения системы игр характеризуется временем, в течении которого осуществляется заданная программа полива. Обычно временной интервал tap МОДЕЛЬ НАДЕЖНОСТИ ОТКРЫТОГО КАНАЛА K(t Относительные значения параметров надежности оросительного канала Параметры надежности открытого оросительного канала Вероятность подъема УГВ А, В, С, D, Е -КОНТРОЛЬНЫЕ ТОЧКИ выбирается несколько большим, чем чистое время полива и равен t. Это делается с целью создания некоторого резерва времени, необходимого для внутренних нужд, используемого при переходном периоде: полив-агротехника. Резерв времени Q = lnp представляет собой максимально допустимую суммарную длительность всех неисправностей за время t. Следовательно, отказами системы будут считаться все те неисправности, суммарная длительность которых превышает Q. Величину Q можно назвать критерием отказа системы. 72/.
На практике понятие отказа применимо к сложным техническим объектам, таким как насосы, дождевальные машины, автоматика, и т.д. Однако, расчеты на надежность таких инженерные сооружения как каналы различного порядка, особенность которых заключается в больших сроках службы не может опираться на статистические исследования по наработке на отказ, так как на практике трудно зарегистрировать данное событие для таких сооружений как магистральный канал или межхозяйственный распределитель. Таким образом, основным критерием надежности каналов предлагается считать способность канала обеспечивать необходимый расход. Рассчитав требуемый и фактический КПД канала, мы можем сделать вывод о состоянии объекта. Важным показателем надежности облицованного канала является также состояние облицовки, которая характеризуется осредненным коэффициентом фильтрации. В зависимости от величины коэффициента фильтрации находятся такие важные показатели надежности канала как эксплутационная эффективности и величина поднятия уровня грунтовых вод вследствие фильтрации.
Основными причинами ненадежной работы каналов являются следующие отказы /31,27/: -конструктивные, обусловленные ошибками при проектировании (неправильный выбор схемы, конструкции технических параметров); -производственные, вызванные различными техническими недостатками в период строительства каналов (нарушение технологии строительства, недостаточный контроль качества работ); -эксплутационные, появляющиеся при нарушении требуемых режимов эксплуатации каналов и правил ухода за ними.
Причинами отказа канала и составляющих его элементов могут быть различные процессы, воздействующие на них: скорость течения, превосходящая в данном месте значения, допускаемые для данного грунта; местные размывы у отдельных сооружений; силы, нарушающие устойчивость откосов каналов; грунтовые воды; повышенная фильтрация; большая скорость опускания уровня воды в канале и т.д.
Одной из важнейших задач оценки состояния канала является определение показателей гидравлической эффективности и эксплутационной надежности каналов в контрольных точках (рис 3.3). В задачу исследователя входит сравнение фактических параметров с требуемыми, что позволит сделать вывод о состоянии канала.
Оценка показателей надежности элементов насосных станций Миусской оросительной системы
Анализ основных технических параметров Миусской оросительной системы показал достаточно сложную организацию водоснабжения орошаемых участков. Согласно разработанной комплексной методики, на первом этапе оценки надежности и эксплутационной эффективности системы была проведена работа по классификации элементов системы и построены иерархическая структура элементов рассматриваемой системы по методике приведенной в главе 3 рис. (4.2).
На втором этапе проведены вариационные расчеты основных параметров надежности участков каналов, составляющих водопроводящую сеть (МК, МР1, МР2). По данным расчетов были построены зависимости изменения скорости течения воды в канале от изменения шероховатости русла канала, Ill изменения гидравлической эффективности от изменения коэффициента фильт рации канала, подъема уровня грунтовых вод от изменения коэффици ента фильтрации облицовки русла канала. По графикам были выведены частные математические зависимости рассматриваемых параметров с достаточно высоким показателем величины достоверности аппроксимации (R2=0,92-0,99). Расчеты основных параметров гидравлической надежности и эксплутационной эффективности участков каналов Миусской оросительной системы проводились на персональном компьютере с использованием программного обеспечения Microsoft Excel, а также с использованием разработанной автором программы математической обработки статистических данных Nadejnost и программы расчета параметров надежности облицованных каналов Nchanel. Распечатка расчета параметров надежности и гидравлической эффективности приведена в приложении 1. Магистральный канал Миусской ОС берет начало от напорного бассейна головной насосной станции (ГНС), имеет длину 2660м. Магистральный канал рассчитан на номинальный расход 5,6м3/с (форсированный расход 6,34м3/с), уклон дна 0,0001, основание по дну канала 2.0.
Магистральный канал является одним из важнейших звеньев в системе во-доподачи Миусской оросительной системы. Ненадежная работа данного канала окажет большое негативное воздействие на эффективность функционирования всей системы в целом.
С использование ЭВМ и методов математического моделирования была выведена частные зависимости изменения показателей надежности магистрального канала Миусской оросительной системы от изменения состояния русла канала и построены графики, который рекомендованы к использованию эксплутационными службами Миусской оросительной системы. Данные графики и зависимости позволяют с высокой степенью достоверности провести оценку эффективности и надежности функционирования магистрального канала системы и сделать вывод о целесообразности проведения профилактических мероприятий. Расчеты и графики реализованы на ЭВМ в программной среде Microsoft Excel и являются частью программного пакета «Надежность» разработанного для использования на АРМ Миусской оросительной системы.
Проведенные расчеты позволили нам определить основные показатели надежности магистрального канала Миусской оросительной системы и определить основные показатели гидравлической надежности канала. Как видно из расчетов КПД МК является достаточно высоким, несмотря на высокую степень изношенности облицовки канала. Небольшая протяженность канала обуславливает небольшие потери на фильтрацию. Кроме того, наличие головной насосной станции обеспечивает необходимый расход в канале. Таким образом, подача необходимого расхода на участке МК в целом обеспечивается. Изношенность облицовки Магистрального канала оказывает большое влияние на экологическую надежность. Вследствие фильтрации из канала наблюдается подъем уровня грунтовых вод, что ведет к заболачиванию и за солению прилегающих земель.
Скорость движение воды в канале также ниже допустимого предела, вследствие высокого коэффициента шероховатости русла канала, что ведет к дальнейшему заилению и зарастанию канала.
Следующим за Магистральным каналом по важности в иерархической схеме водоснабжения является участок Межхозяйственного распределителя MP 1, S3.1 (Приложение 2).
Как и в случае магистрального канала КПД участка в целом принимает достаточно высокое значение, несмотря на большую изношенность облицовки русла канала. Таким образом, основными показателями, влияющими на состояние канала будут, показатель подъема грунтовых вод вследствие фильтрации и изменение шероховатости русла канала. Эти показатели не соответствуют допустимым значениям.
Участки межхозяйственных распределителей S2.1 и. S3.2 находятся на более низкой ступени в иерархической структурной схеме. В дальнейшем расчеты надежности и эксплутационной эффективности элементов водопро-водящей сети приводятся последовательно, согласно их положению в структурной схеме (рис4.2) и представлены в приложении 3,4,5,6,7,8,9.
В Румынии согласно КДэскэлеску (1982) приняты следующие градации эффективности каналов: магистральные (0,69-0,72 — необлицованные; 0,91-0,94 — облицованные), распределительные (0,74-0,80 — необлицованные; 0,95-0,97 — облицованные).
Следует отметить, что у нас в стране в соответствии со СНиП 2,06.03-85 «Мелиоративные системы и сооружения» приняты гораздо более жесткие требования к гидравлической эффективности (КПД) оросительной сети. Коэффициенты полезного действия магистрального канала, его ветвей должны быть не менее 0,90, а распределителей различных порядков и оросителей не менее 0,93. В случае же облицовки каналов КПД их в среднем в зависимости от типа покрытия повышается до значений 0,95-0,99.
Результирующими участками, состояние которых определяет общее состояние системы можно считать участки на протяженности MK-S2.3, МК-МРЗ, MK-S3.4 (таблица 4.1-4.3). Потери на фильтрацию на протяженности этих участков определяют общие потери из всей водопроводящей сети Миусской оросительной системы и обуславливают подъем уровня грунтовых вод на прилегающих территориях.
