Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние вопроса. цель и задачи исследований 8
1.1 Современное состояние мелиорации в Саратовском Заволжье 8
1.2 Анализ открытых оросительных систем с забором воды фронтальными дождевальными машинами 16
1.3 Анализ существующих способов и средств регулирования водоподачи на открытой оросительной сети 19
1.4 Состояние и перспективы полива дождевальными машинами фронтального перемещения на открытой сети 27
1.5 Техническая характеристика и технологические схемы полива ДДА-100МА 29
1.6 Постановка цели и задачи исследований 38
2 Совершенствование технологического процесса ДДА-100МА 41
2.1 Обоснование необходимости совершенствования орошения 41
2.2 Основные требования совершенствования процесса полива 43
2.3 Анализ состояния существующей оросительной сети 47
2.4 Существующие средства автоматизации технологических процессов на оросительных каналах 50
2.5 Анализ процесса регулирования водоподачи в канале-оросителе при работе ДДА-100МА 54
2.6 Анализ и выбор рациональных способов регулирования расходов воды 56
2.7 Математическая модель канала-оросителя 57
2.7.1 Начальные и граничные условия 59
2.7.2 Уравнения Сен-Венана и условия применимости 61
2.7.3 Автомодельные решения уравнений Сен-Венана 66
2.8 Обоснование необходимости следящей системы 73
2.9 Выводы 82
3 Программа и методика проведения экспериментальных исследований 84
3.1 Программа экспериментальных исследований 84
3.2 Изучение поля 84
3.3 Замеры параметров оросителя 87
3.4 Изучение водоподачи в ороситель 89
3.5 Установка шкафа с источником питания и передающим устройством 91
3.6 Установка поплавка 91
3.7 Настройка режимов уровня воды в оросителе 93
3.8 Подача команд на систему автоматического регулирования 94
3.9 Методика обработки результатов исследований 95
4 Результаты экспериментальных исследований 97
4.1 Полевые исследования с применением следящей системы 97
4.2 Формирование кодированных команд 99
4.3 Подача команд на систему автоматического регулирования 102
4.4 Обработка принятых кодированных сигналов 103
4.5 Выводы 110
5 Экономическая эффективность модернизированной дождевальной машины дда-юома 112
5.1 Рекомендации производству 118
общие выводы 119
Список литературы
- Анализ открытых оросительных систем с забором воды фронтальными дождевальными машинами
- Основные требования совершенствования процесса полива
- Установка шкафа с источником питания и передающим устройством
- Подача команд на систему автоматического регулирования
Введение к работе
В Саратовском Заволжье ведение эффективного сельского хозяйства и получение гарантированных высоких и стабильных урожаев без мелиорации земель невозможно. В регионе распространена внутрихозяйственная оросительная сеть с каналами-оросителями, предназначенными для полива дождевальными машинами ДДА-100МА (фронтального перемещения). Для эффективной работы дождевальной машины ДДА-100МА необходима спланировал-ная трасса, по которой движется дождевальный агрегат, а в последние годы ввиду недофинансирования отрасли, работы по планировки трассы не проводились, так как на эти мероприятия требуются большие затраты и специализированная дорожная техника. При движении по неспланированной трассе всасывающий клапан водозаборного устройства дождевального агрегата может забрать уменьшенный объем воды или засосать ил из канала.
Повышения эффективности орошения можно достичь в результате внедрения средств автоматизации для управления процесса водораспределения. При этом более перспективным и оправданным является автоматизация работы дождевальной машины.
Планами перспективного развития мелиорации в нашей области предусматривается реконструкция Энгельсской и Приволжской оросительных систем, поэтому актуальной задачей в настоящее время является обновление и совершенствование дождевальных машин и технических средств водораспределения, что позволит получить высокие урожаи сельскохозяйственных культур и обеспечить продовольственную безопасность области и страны в целом.
Разработаны и предложены множество различных конструкций, устройств автоматизированной водоподачи в каналы-оросители, но как показывает практика эксплуатации и опыт проектирования, производство не располагает еще достаточно эффективной и надежной конструкцией таких устройств. Таким образом, проблема постоянного слежения уровня воды в оросителе и автоматизация её регулирования в настоящее время требует дополнительных ис-
5 следований, теоретических и конструкторских решений. Все это предопределило необходимость дальнейшего развития средств автоматизированного регулирования уровня воды в оросителе. С учетом всего выше изложенного тема диссертационной работы является актуальной.
Цель работы - повышение урожайности сельскохозяйственных культур и сбережение водных ресурсов, путем совершенствования технологического процесса ДДА-1ООМА.
Задачи исследований;
Исследовать состояние оросительной сети и провести анализ автоматизированных устройств для водоподачи и водозабора дождевальных машин.
Определить пути совершенствования процесса водораспределения, направленных к повышению уровня эксплуатации оросительной сети, экономии ресурсов воды и улучшению мелиоративного состояния орошаемых земель.
Составить модель переходного процесса в каналах-оросителях с подвижным водопотребителем для выбора оптимальных параметров регулирующего устройства водозабора и режимов его настройки.
Разработать автоматизированное устройство к рабочему органу дождевальной машины ДДА-ЮОМА и методику инженерного расчета элементов оросительной системы.
Провести полевые испытания усовершенствованной ДДА-ЮОМА и разработать рекомендации для производства.
Объект исследования - временные оросители и технологический процесс работы ДДА-ЮОМА на орошаемых землях Энгельсского района Саратовской области.
Методика исследования - проведение теоретических и экспериментальных исследований с экономической оценкой полученных результатов. Теоретические исследования выполнялись на основе известных положений, законов, за-
висимостей гидравлики и методов математики, организационно-технологического моделирования.
Экспериментальные исследования выполнялись с применением стандартных элементов автоматики с учетом действующих стандартов и нормативных документов. Расчет и обработка результатов исследования выполнялись на ЭВМ методами математики с использованием соответствующих пакетов прикладных программ.
Научная новизна. В результате проведенных исследований с целью повышения надежности эксплуатации оросительных систем Заволжья разработана автоматизированная следящая система по регулированию уровня воды в оросителе, что позволило сэкономить ресурсы и повысить урожайность сельскохозяйственных культур. Разработана модель переходного процесса в каналах. Научные положения, выносимые на защиту:
автоматизированное устройство к рабочему органу дождевального агрегата;
теоретические положения по рациональному обеспечению поливной водой орошаемого участка;
уточненная методика проведения экспериментальных исследований в полевых условиях с экономической оценкой полученных результатов;
структурная схема для слежения водоподачи в канале-оросителе с элементами автоматики и телемеханики.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследования.
Полученные результаты исследований могут быть использованы в НИИ и проектными организациями для разработки проектов орошаемых участков в комплексе с автоматизацией их полива ДДА-ЮОМА, а также производственными организациями для автоматизации технологических процессов поливов с целью сбережения водных и энергетических ресурсов и повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Годовая экономия при внедрении автомати-
7 зированной следящей системы на ДДА-ЮОМА составила 315 руб./га, при этом урожайность повысилась на 15 %.
Апробация работы. Усовершенствованная ДДА-ЮОМА со следящей системой апробирована на орошаемом участке ЗАО «Новое» Энгельсского района Саратовской области.
Результаты исследований по теме диссертационной работы ежегодно докладывались в период 2003-2006 гг. на научных конференциях СГАУ имени Н.И. Вавилова, Саратовском ГТУ, Поволжском филиале Саратовского государственного университета путей сообщения, ФГУ Управление «Саратовмелио-водхоз», ФГУП «НИПИгипропромсельстрой».
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 работах. Общий объем публикаций составляет 2,64 печ.л., из них лично соискателя -2,22.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 132 страницах, состоит из введения, 5 глав и общих выводов, имеет 12 таблиц, 38 рисунков, 4 приложений. Список литературы включает в себя 137 наименования.
Анализ открытых оросительных систем с забором воды фронтальными дождевальными машинами
В настоящее время открытая оросительная сеть Саратовской области преобладающее используется для полива дождевальными машинами ДДА-ЮОМА. Анализ открытой оросительной сети проводился с точки зрения ее автоматизации по следующим вопросам: - конструктивные схемы и технические показатели оросительной сети; - режим работы каналов; конструкция водораспределительных сооружений и режим их работы. На основе этой информации планируется сформулировать технические требования к способу и средствам автоматизации.
Учитывая общность конструкции изучаемой оросительной сети для условий равнинной зоны, техническое описание ее будет дано на примере оросительных систем Саратовского Заволжья [Прил. 3].
Мутность потока в каналах незначительная. Крупные фракции наносов отсутствуют. Однако через головные водозаборы оросительных систем в каналы попадают мелкие наносы речного песка. Большое количество этих наносов осаждается не только в участковых каналах, но и в оросителях.
В безуклонных оросителях спокойный режим движения потока происходит со скоростью 0,3 м/с.
Водовыпуски в оросители оснащены клапанными затворами типа «хлопушка» и плоскими затворами. Режим работы водовыпусков напорный, истечение затопленное, происходит оно при полностью открытом затворе, а при больших перепадах из-под затвора.
Во время проведения поливов процессом водораспределения управляют регулировщики. Они, вручную маневрируя затворами водораспределительных сооружений, должны обеспечивать подачу нужного расхода воды к дождевальным машинам. Это достигается путем регулирования уровней в участковом канале и оросителях. В канале должен поддерживаться командный уровень, а в оросителях - уровень необходимый для нормальной работы водозаборного устройства дождевальных машин.
При таком управлении процессом водораспределения наибольшую трудность вызывает обеспечение баланса между подачей воды и потреблением ее дождевальными машинами.
Очень часто баланс нарушается из-за внезапных остановок дождевальных машин на некоторый период времени, в течение которого прекращается водозабор. Основные причины таких остановок - технические неполадки дождевальных машин и засорение всасывающего клапана, дефицит водоподачи в ороситель.
Кроме того, при самотечном водозаборе на оросительную сеть нарушение баланса может возникнуть по причине колебания уровня в источнике водозабора.
Из приведенной обобщенной характеристики открытой оросительной сети для названной дождевальной машины можно отметить следующие особенности ее, как объекта автоматического управления.
1. При рассредоточенном расположении объектов регулирования (водораспределительных сооружений) и дискретной работе водопотребителей (дождевальных машин) регулировщики вручную не обеспечивают оперативное (рациональное) водораспределение. Поэтому во время полива, очень часто возникают нежелательные явления: переполняются оросители и каналы; большой объем воды идет на сброс или наоборот к дождевальным машинам не подается необходимый расход воды. В результате чего нарушается нормальная эксплуатация оросительной сети, и срываются сроки проведения поливов, что в свою очередь отрицательно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур.
2. Распределительные каналы имеют малые уклоны, что обеспечивает гидравлическую связь между водораспределительными сооружениями и способствует созданию резервных объемов в их бьефах.
3. Распределительные каналы и безуклонные оросители подвержены заи-лению, причем последние не имеют сбросов.
4. Из водораспределительных сооружений самыми массовыми являются трубчатые водовыпуски в оросители, поэтому на наш взгляд, их следует отнести к первоочередным объектам автоматизации.
5. Водовыпуски в оросители имеют характерный гидравлический перепад от 0,2 до 0,6 м, что создает запас гидравлической энергии для работы средств гидроавтоматики.
Основные требования совершенствования процесса полива
Расчетные расходы внутрихозяйственных каналов определяют, исходя из суточной площади полива поля, которая должна соответствовать возможной площади послеполивной его обработки.
Расход воды в распределителе последнего порядка должен быть увязан с сезонной производительностью дождевальной или поливной техники и межполивным периодом ДГ. Площадь суточного полива, га/сут, л=— (2Л) d AT где Av - площадь, обслуживаемая одной дождевальной машиной, га. Далее вычисляют число временных оросителей, исходя из их оптимальной длины. Связь между расходом воды в канале, работающем периодически, и площадью суточного полива выражают зависимостью где Qnl - расход воды в канале, м/с; т - поливная норма, м /га; 86,4 - переводной коэффициент, учитывающий число секунд в сутках (86400); / - время полива, сут. Расход хозяйственного распределителя, м3/с, определяют: =&+ЕЄГ. С2-3) где YjQnt " сумма расходов воды в каналах на севооборотные участки, м3/с; YJQM - сумма расходов каналов, подающих воду на участки, м /с.
Поливная норма - количество воды, которое подают на поле за один полив, измеряется в м3/га или мм слоя воды. В общем случае величина поливной нормы зависит от водно-физических свойств почвы, степени ее иссушения, к моменту полива, необходимой глубины промачивания, способа и технологии полива.
Предельную поливную норму вычисляют по формуле А.Н.Костякова m = WFC-WCT=\0yh:{f3FC-fic.r), (2.4) где т - расчетная поливная норма, мм; WFC - наименьшая влагоемкость или во-доудерживающая способность расчетного слоя почвы, мм; Wcr- допустимый или фактический запас влаги в том же слое почвы, мм; k - расчетный слой увлаж з -І нения почвы, мм; у - объемная масса расчетного слоя почвы, т/м или г/см ; Pi-c.Pcr влажность почвы, соответствующая наименьшей влагоемкости и допустимому порогу иссушения, % массы.
Согласно этой зависимости, поливную норму устанавливают исходя из условия доведения влажности в расчетном слое почвы до наименьшей влагоемкости. При поливе дождеванием поливную норму назначают с учетом интенсивности и качества дождя, впитывающей способности почвы, состояния агро-фона, рельефа и уклона поверхности. Так как необходимое качество и эффективность дождевания обеспечиваются только при поливе достоковыми нормами, то в отличие от поверхностного полива поливная норма при дождевании может быть меньше на тяжелых и больше на легких по механическому составу почвах, в связи с чем режим орошения дождеванием должен базироваться на технологически возможных поливных нормах [110, 112].
Во всех случаях технологическая норма полива дождеванием не должна превышать достоковую норму (мм) где Р - показатель, характеризующий впитывающую способность почвы, мм, который в зависимости от водопроницаемости (по Н.С.Ерхову), мм; р - интс: і сивность дождя, мм/ми; е - основание натурального логарифма, ? = 2,72; d -средний диаметр капель дождя, мм.
Если достоковая поливная норма получается меньше расчетной, вычисленной по формуле, то расчетную норму реализуют за несколько приемов технологическими нормами, не превышающими достоковую. При орошении дождеванием разовая норма полива зависит не только от глубины корневой системы, а в первую очередь от интенсивности и качества дождя, впитывающей способности почвы. При этом максимальное приближение реализуемой поливной нормы к расчетной должно обеспечиваться за счет оптимизации технологических схем полива. В конкретных условиях достоковая норма зависит в определенной степени также от уклона орошаемой поверхности, предполивной влажности почвы и состояния агрофона, который можно корректировать.
При дождевании вода подается на поля в виде искусственного дождя, переходя из состояния водяного тока в состояние воздушной и почвенной влажности без образования на поверхности луж и стока. Искусственный дождь, создаваемый машинами и установками, характеризуется интенсивностью, размером и спектром капель, слоем осадков за один цикл полива, равномерностью распределения осадков по орошаемому полю.
Установка шкафа с источником питания и передающим устройством
В качестве источника питания представляет собой аккумуляторная батарея с ЭДС 12 Вольт и емкостью 60 А/час. Передающее устройство представляет собой передатчик в диапазоне ультракоротких волн (УКВ), способный передавать кодированные сигналы, в зависимости от уровня воды в канале-оросителе.
Форма сигнала меняется с изменением уровня воды в канале-оросителе. При снижении уровня воды до минимально-допустимого, передатчик работает с появлением контакта с нижней шины и наоборот - при повышении уровня воды (до максимально-возможного) передатчик работает от контакта со средней шиной. Такое состояние будет сохранено до тех пор, пока не изменится уровень воды в канале-оросителе, т.е. при повышении уровня подразумевается снижение, а при понижении уровня воды - повышение.
Поплавок с контрольной стойкой контактов верхнего и нижнего уровня воды в канале-оросителе был установлен на канале и механически закреплен с поплавком водозаборной трубы дождевального агрегата ДДА-1 ООМа. Контакты верхнего и нижнего уровня смонтированы на контрольной стойке поплавка, положение их при монтаже регулируется.
Монтаж шин вдоль канала-оросителя На исследуемом канале-оросителе были установлены на электрически изо-лированных опорах три алюминиевые шины сечением 0,25 мм вдоль канала. Верхняя шина электрически связана с помощью скользящего контакта с одной из клемм источника питания (аккумуляторная батарея). Напряжение с верхней шины подается на контрольную группу нормально разомкнутых контактов верхнего и нижнего уровня воды. Допустимая высота нижнего и верхнего уровней воды в канале устанавливается с помощью перемещения на контрольной стойке контактных групп.
Минимально допустимый уровень устанавливается контрольным контактом со средней шиной. Максимальный уровень определяет положение другой контрольной группы при соединении с нижней шиной.
Регулировка положения контактных групп на контрольной стойке дает возможность устанавливать значения верхнего и нижнего уровней воды в канале. Расстояние между шинами и контрольной группой определяет заданные значения уровней со сравнительно высокой точностью. Настройка осуществляется от уровня воды в оросителе, как минимальной, так и максимальной, уровни можно управлять автоматически. Перед началом полива контрольную группу необходимо поставить в нейтральное (исходное) положение, а затем контакт нижнего уровня устанавливаем на определенную высоту, а контакт верхнего уровня наоборот опускаем на определенную величину, а затем сигнализирует на панели тракториста.
Предложенная следящая система опробована в полевых условиях на орошаемом поле совхоза «Новый» Энгельсского района Саратовской области
Подача команд осуществляется с помощью контактных групп расположенных на стойке поплавка. При замыкании контактной группы с нижней шиной ниже минимально допустимых значений, подается сигнал на автоматизированную систему регулирования подачи воды. Этот сигнал позволяет корректировать уровень воды в оросителе.
Аналогично при повышении уровня воды в канале-оросителе до макси-мально допустимых значений, также подается сигнал на автоматизированную систему регулирования подачи воды. Этим сигналом обеспечивается восстановление нормального уровня воды в оросителе, Полученную в результате экспериментальных исследований информацию обрабатывали следующим образом. Определяли: Среднее значение выборочной совокупности данных х по формуле [87]:
Полевые исследования показали, что подача воды на орошаемый участок дождевальной машиной ДДА-100МА-М с применением автоматизированной следящей системы, расход потребления точно соответствует режиму орошения. Наблюдения показали, что отклонения водозаборного устройства от всасывающей линии при применении следящей системы практически не наблюдаются. При работе серийного дождевателя по старой технологии происходят отклонения всасывающего клапана водозаборного устройства от всасывающей линии на недопустимые пределы, что нарушает режим орошения, а с применением следящей системы отклонения составляют не более 15 см.
Одновременно с помощью поплавка с установленными на нём контактами осуществляется слежение за уровнем воды в канале. В зависимости от установленного уровня воды, формируются соответствующие коды сигналов, которые подаются в систему автоматического регулирования и сигнализации.
Регулировка положения контактных групп на контрольной стойке дает возможность устанавливать предельные значения верхнего и нижнего уровней воды в канале. Регулировка осуществляется автоматически с кабины тракториста, а установка водоприемника визуально контролируется.
Модулятор передающего устройства формирует кодированный частотно-импульсный сигнал в диапазоне УКВ.
При превышении уровня воды в оросителе выше предельно допустимого срабатывает контакт со средней шиной. Модулятор передающего устройства формирует кодированный сигнал 0010, который расшифровывается дешифраторами и подается на системы автоматического управления подачи воды и сигнализации. Сигнализация введена в кабину машиниста дождевального афегата ДДА-ЮОМА.
Подача команд на систему автоматического регулирования
Во многих работах, одним из основных источников экономической эффективности автоматизации оросительных систем является экономия оросительной воды и ее рациональное использование [4,69,89]. Однако количественная оценка этого источника эффективности связана с целым рядом трудностей, главная из которых - отсутствие достоверных данных о фактических потерях воды на сброс из каналов и полей орошения. Получение таких данных имеет большое значение для практической реализации алгоритма построения автоматизированных оросительных систем как при разработке оптимальной структуры управления всей оросительной системой [66,101, 107, 113].
В настоящее время трудно представить точные цифры максимально возможной экономии оросительной воды (с учетом подачи оптимальных оросительных норм), достигаемой в результате автоматизации процесса водораспре-деления и других факторов. Для этого требуются дополнительные исследования, прогнозы. Вместе с тем имеющиеся данные свидетельствуют о том, что при правильной реализации автоматизированных систем на основе использования средств автоматики экономия оросительной воды составляет в размере 15-20% [107].
Экономическая эффективность внедрения автоматизации определяется экономией воды за счет сокращения непроизводительных сбросов, увеличением выхода валовой продукции, а также уменьшением затрат на эксплуатацию систем [53, 89].
Экономическая эффективность капитальных вложений определяется путем сопоставления полученного эффекта от их применения с величиной вложений. В зависимости от целей анализа определяют общую (абсолютную) и сравнительную экономическую эффективность капитальных вложений.
Общую экономическую эффективность капитальных вложений рассчитывают при определении целесообразности их осуществления. Для оценки экономической эффективности внедрения научных разработок, с учетом основных положений была разработана следующая методика.
Для модернизированного дождевального агрегата ДДА-100МА-М изготавливаются дополнительные устройства, причем их постановка не влияет на основные характеристики машины, а значит, сравнение вариантов по основным характеристикам не будет. Таким образом экономический эффект от внедрения следящей системы, целесообразно определять по сокращению сбросов воды. Для сравнения были взяты серийный двухконсольный дождевальный агрегат ДДА-100МА и модернизированный дождевальный агрегат ДДА-100МА-М.
Для оценки экономической эффективности внедрения следящей системы, необходимо определить стоимость ее изготовления, с учетом затрат на материалы и оплату труда. Стоимость изготовления можно определить по следующей формуле: Su„=S3n+SMam+%HP.SoJ\00, (5.1) где Sm- затраты на заработную плату, руб.; Svam- затраты на материалы для изготовления, руб.; %НР - процент накладных расходов (принимается 250-300%); Som- основная заработная плата, руб. Для определения затрат на заработную плату при изготовлении устройства необходимо рассчитать основную заработную плату по видам работ. В нашем случае, для изготовления устройства автоматизированного регулирования уровня воды в оросителе необходимы монтажные работы. Затраты на заработную плату рассчитываются по формуле: где Som - затраты на основную заработную плату; Sam - затраты на дополнительную заработную плату; SC(m - затраты на начисления по социальному страхованию; 5 -затраты на выплату премий. Дополнительная заработная плата, руб.: Sdon = 0,hSO3n (5.3) Начисления по социальному страхованию, руб. =0,356-(5 +.) (5.4) где 0,356 - процент начислений по социальному страхованию от суммы основной и дополнительной заработной платы. Затраты на выплату премий, руб. S =0,4-5 (5.5) прем озп V/
В настоящее время в условиях рыночной экономики оросительная вода является тоже товаром, имеющим определенную стоимость. Потери оросительной воды при платном водопользовании - это фактически потери денег хозяйством, поскольку каждый кубометр воды подаваемой потребителю заранее оплачивается, в ЗАО «Новое» Энгельсского района Саратовской области, равен 0,7 руб.
В комплект следящей системы входит: радиопередающее, приемные устройства, шины, поплавок, стойки, источник питания, металлический шкаф и общая стоимость составляет 3500 рублей с учетом монтажных работ.
Ежегодные мелиоративные издержки делятся на две группы: сельскохозяйственные и мелиоративные. Мелиоративные издержки на оросительных системах делятся на межхозяйственные и внутрихозяйственные. Межхозяйственные мелиоративные издержки складываются из затрат на содержание управления систем и на эксплуатацию межхозяйственной части мелиоративной системы, а внутрихозяйственные - из затрат сельскохозяйственных предприятий на техническое обслуживание и текущий ремонт внутрихозяйственной части мелиоративной системы, на проведение поливов и т.д.
