Создание технических систем управляемого водопользования в сельском хозяйстве
Автор Гришин Александр Петрович, 27.01.2012
| Страницы: 1 2 3 4 5 6 |
ГРИШИН АЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ СОЗДАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЯЕМОГО
ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Специальность 05.20.01 – технологии и
средства механизации сельского хозяйства
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва 2011
Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИМ Россельхозакадемии) и Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Научный консультант Доктор технических наук, член-корреспондент
Россельхозакадемии
Измайлов Андрей Юрьевич Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор, академик
Россельхозакадемии
Кряжков Валентин Митрофанович
Доктор технических наук, профессор, чле
корреспондент Россельхозакадемии
Федоренко Вячеслав Филиппович
Доктор технических наук, профессор
Ведущая организация: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии).
Защита состоится 22 марта 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 006.020.01 при Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИМ Россельхозакадемии) по адресу: 109428, Москва, 1-й Институтский проезд, 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИМ Россельхозакадемии.
Автореферат разослан «_____» _______________ 20___г. и размещен на официальном сайте ВАК РФ в электронной базе диссертаций и авторефератов «_____» _______________ 20____г.
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. м3. 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 кВт·ч/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: ? определение основных характеристик машинных систем водообеспечения при их работе в различных системах (без противодавления и с противодавлением); ? методики: ? построения вероятностной модели системы водопотребления; ? определения энергопотребления машинных систем водообеспечения при случайном расходе; ? выбора машинных систем водообеспечения и компоновки насосных станций.
5. Разработать принципы построения объектов водопользования в сельском хозяйстве.
6. Проверить в производственных условиях и дать оценку эффективности новых систем водопользования в сельском хозяйстве.
Методы исследований: ? системный анализ технологической и технической базы водообеспечения с.-х. объектов; ? теория самоорганизации – синергетика и принцип энергетической экстремальности самоорганизации; ? 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; ? математическое моделирование и вычислительный эксперимент, в том числе и в программе Excel, совместно с теорией информации; ? методика математического планирования многофакторного эксперимента; ? 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; ? производственная проверка и оценка эффективности разработанных технологий и новых технических средств.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
1. 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.
2. Впервые получена вероятностная модель с элементами предпрогнозного анализа случайного потока водопотребления категориями социально-бытовых, животноводческих и растениеводческих потребителей.
3. Впервые выявлены и математически описаны закономерности функционирования элементов систем механизации управляемого водопользования в сельском хозяйстве:
? образования регулирующего объема буферных емкостей;
? образования регулируемого объема буферных емкостей;
? 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 электродвигателей насосов;
? расхода воды потребителями.
4. 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.
5. 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.
| Страницы: 1 2 3 4 5 6 |