Повышение эффективности мобильных оросительных систем путем обоснования рациональных параметров разборных трубопроводов и применения современных методов компоновки

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Повышение эффективности мобильных оросительных систем путем обоснования рациональных параметров разборных трубопроводов и применения современных методов компоновки

Олейник Р.А.

Саратов - 2007

Диссертационная работа выполнена в отделе гидротехнических сооружений и гидравлики ФГНУ «Российский НИИ проблем мелиорации»

Научный руководитель

- академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Щедрин Вячеслав Николаевич

- доктор технических наук Кошкин Николай Михайлович

- кандидат технических наук, доцент Столбушкин Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»

Ведущая организация Защита диссертации состоится «17» мая 2007 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета К 220.061.01 при ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60 ауд. 241.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ».

Автореферат разослан « » апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ф.К. Абдразаков

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. В сельском хозяйстве под влиянием реформ началось и продолжается ныне ослабление крупных сельхозпредприятий и раздробление их угодий на множество мелких акционерных обществ и фермерских хозяйств, финансовое состояние которых не позволяет тратиться на ремонт и обустройство внутрихозяйственных сетей. К тому же сотни километров трубопроводов и каналов стали межхозяйственными для образовавшихся после распада крупных сельхозпредприятий.

Только межхозяйственная сеть и мощные насосные станции регионального значения финансируются из федерального бюджета, и то при условии, если они находятся в федеральной собственности.

В таких условиях применение мобильных оросительных систем для реконструкции внутрихозяйственной сети или ввода новых орошаемых земель выглядит достаточно обоснованным по ряду причин, а именно: малый срок окупаемости, меньшие работы по планировке и прокладке разборных трубопроводов, высокая мобильность оросительных сетей, сравнительно низкая стоимость всей мобильной системы в целом по сравнению со стационарной.

Наиболее перспективным решением в этом направлении может стать применение оросительных комплектов, состоящих из сборно-разборных трубопроводов, располагаемых на поверхности поля, передвижных насосных станций и набора различной дождевальной техники. Наличие таких комплектов в хозяйстве позволит оперативно решить вопрос орошения необходимого участка при значительной экономии средств на проектные и строительные работы. При применении мобильных оросительных систем появляется возможность переброски комплекта мобильной оросительной сети с одного поля на другое даже в поливной период, либо использовать на одном месте потребное число лет.

Научные исследования по совершенствованию мобильных оросительных систем осуществлялись в рамках выполнения НИР за 2004-2005 год по теме 3.2 «Разработать научные принципы создания мобильных оросительных систем», 2005-2006 год по теме 2.3 «Провести исследования и разработать рекомендации по реконструкции внутрихозяйственной оросительной сети с использованием мобильного оросительного оборудования».

Цель исследований - повышение эффективности существующих мобильных оросительных систем путем обоснования рациональных параметров разборных трубопроводов и применения современных методов компоновки системы.

Задачи исследований:

-провести анализ состояния закрытых и мобильных трубопроводных сетей эксплуатируемых на оросительных системах;

-обосновать выбор параметров разборных трубопроводов с дождевальными установками на основании установленных зависимостей приведенных затрат;

-обосновать рациональные схемы расположения разборных трубопроводов в дождевальных установках;

-провести экспериментальные исследования гидравлических характеристик полимерного трубопровода с различными соединительными узлами;

-разработать блок-схемы формирования мобильной оросительной системы на основе блочно-модульного принципа компоновки с обоснованием выбора дождевальной техники;

-дать технико-экономическую оценку мобильной оросительной системы.

Методика исследований предусматривает теоретические предпосылки и их экспериментальную проверку в лабораторных условиях. Теоретические исследования проводились на основе известных законов и методов математического анализа. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими методиками. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики с применением ЭВМ.

Научная новизна.

Обоснованы рациональные схемы расположения разборных трубопроводов с дождевальными установками и определены условия их применения. Установлена зависимость приведенных затрат разборных трубопроводов с дождевальными установками от радиуса дождевального аппарата. Установлены расчетные зависимости для определения коэффициента местного сопротивления при фланцевом и муфтовом соединении полиэтиленового трубопровода. На основании модульного принципа разработаны блок-схемы компоновки мобильных оросительных систем и на основании предложенных схем выделены основные типы и типоразмеры составляющих дождевального модуля.

Объект исследований - мобильные оросительные системы и дождевальные установки с разборными трубопроводами в хозяйствах Ростовской области.

Научные положения, выносимые на защиту:

-зависимость приведенных затрат дождевальных установок с разборными трубопроводами от радиуса дождевального аппарата;

-рациональные схемы расположения разборных трубопроводов и условия их применения;

-уточненные расчетные зависимости для определения коэффициента местного сопротивления в полиэтиленовом трубопроводе;

-разработанные блок-схемы мобильных оросительных систем на основе блочно-модульного принципа компоновки.

Практическая значимость работы: Практические результаты могут быть использованы при проектировании оросительной трубопроводной сети, а также в научных целях при модернизации существующих разборных трубопроводов и усовершенствовании конструктивных элементов оросительных систем.

Реализация результатов исследований. В 2006 году в хозяйствах ООО «Агросфера» Азовского района и СПК «Горизонт» Мартыновского района Ростовской области были внедрены рекомендации по технологии применения мобильных оросительных комплексов.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и получили положительную оценку на научно-практических конференциях, проводимых в ФГНУ «РосНИИПМ» (Новочеркасск, 2003-2006 гг.), ФГОУ ВПО «Новочеркасской государственной мелиоративной академии (Новочеркасск, 2005 г.), на расширенном заседании отдела гидротехнических сооружений и гидравлики ФГНУ «РосНИИПМ» (2007 г.), а также на межкафедральном семинаре ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» (Саратов 2007, г.).

Публикация работ. По результатам исследований опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 в перечне журналов и изданий, определенных Высшей аттестационной комиссией. Общий объем публикаций составляет 1,81 печ. л., из них лично соискателя - 1,4.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц, 4 приложения и 46 рисунков. Список используемой литературы включает 110 наименований.

2. Содержание работы

Во «Введении» обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость проведенных исследований, основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса исследований» приведен анализ современного состояния оросительных систем, в том числе большое внимание уделено современному состоянию мобильных оросительных систем. Проведен анализ мобильных оросительных систем на территории Ростовской области. На основании проведенного анализа, а так же на основании трудов З.И.Метельского, Б.М. Лебедева, В.Н. Щедрина, Н.П. Бредихина и др. обоснована перспективность применения и необходимость совершенствования мобильных оросительных систем и оборудования.

Проведенный анализ литературных источников показал отсутствие эффективного выпускаемого мобильного оросительного оборудования.

Проведенные в Ростовской области исследования показали, что силами хозяйств устраиваются мобильные системы с разборными трубопроводами от широкозахватной техники, а также с помощью ранее выпускаемых разборных трубопроводов, состояние которых оценивается нами как удовлетворительное. Несмотря на простоту и недостатки конструкций (рис. 1), применение мобильных оросительных систем характеризуется хозяйствами как эффективное и рентабельное.

Рис.1. Недостатки мобильных трубопроводов, применяемых в хозяйствах Ростовской области

Во второй главе «Теоретическое обоснование рациональных параметров мобильной оросительной сети» приведено сравнение существующих материалов при проектировании мобильных оросительных трубопроводов. На основании проведенного технико-экономического анализа, который показал, что применение полимерных материалов позволит снизить массу трубопровода, исключить коррозию и существенно снизить потери напора на транспортировку воды (рис. 2), был сделан вывод о том, что при проектировании разборных трубопроводов наиболее приемлемым является применение современных полимерных материалов, таких как ПВХ, ПНД и др.

Рис.2. Зависимость потерь напора в трубах из различных материалов от расхода 100i=f(Q)

На основании технико-экономического анализа определены оптимальные параметры (длина и диаметры распределительных и поливных трубопроводов, радиусы действия дождевальных аппаратов) дождевальных установок с разборными трубопроводами (как наиболее распространенных в мобильной оросительной технике). В результате расчетов получены зависимости для определения приведенных затрат дождевальной установки с разборными трубопроводами.

Полученные зависимости имеют вид:

Стоимость поливных трубопроводов с гидрантами и дождевальными аппаратами на 1 га орошаемых земель:

,

стоимость крестовин на 1 га орошаемых земель:

,

стоимость распределительных трубопроводов на 1 га орошаемой площади:

.

Приведенная стоимость дождевальных установок с разборными трубопроводами:

.

В результате обработки данных с применением полученных зависимостей построен график зависимости стоимости мобильной оросительной системы с дождевальными установками от радиуса R дождевального аппарата (рис. 3). В качестве исследуемых были выбраны полиэтиленовые трубопроводы и дождевальные аппараты «Perazzi», выбор последних обусловлен практически полным отсутствием на рынке сельскохозяйственной техники средне- и дальнеструйных дождевальных аппаратов отечественного производства.

Рис. 3. График зависимости С=f(R)

В результате сравнений и проведенных расчетов различных схем расположения трубопроводов с дождевальными установками, выбрали схемы, которые наиболее применимы для большинства случаев (расположение источника орошения, конфигурация орошаемого участка и т.д.) (рис. 4, 5). Сравнение производили с точки зрения протяженности разборных трубопроводов, необходимой для орошения площади F (где F - площадь орошаемого массива), захватываемой установкой с одной позиции.

Рис. 4. Схема применения оросительных трубопроводов 1: 1 - водоисточник с насосной станцией; 2 - распределительный трубопровод; 3 - оросительный трубопровод

Рис. 5. Схема применения оросительных трубопроводов 2: 1 - водоисточник с насосной станцией; 2 - распределительный трубопровод; 3 - оросительный трубопровод.

Для выбранных схем были определены уравнения минимально необходимой длины труб для орошения площади орошаемого массива F с одной позиции. трубопроводной сеть оросительный гидравлический

Для схемы 1:

.

На основании математической обработки выражений (5) и (6) определили условие, при котором протяженность трубопроводов, при равной орошаемой площади F, будет одинаковой для обеих схем. В результате получили зависимость:

.

По полученной зависимости построен график определения области применения схем 1 и 2 (рис. 6). Область расположения под кривой является областью, где выгодно применять первую схему, а область над кривой определяет выгодность применения второй схемы, т.е. при малых значениях z и относительно больших F схема 1, очевидно, будет экономичнее по числу труб, при больших z и относительно малых F экономичнее оказывается схема 2.

Рис. 6 График для определения области применения схем 1 и 2

Эксперимент проводили на трубопроводе из ПНД диаметром 90,110, 160 мм с фланцевым и муфтовым соединительным узлом.

Т - типоразмер дождевального модуля.

Использование полученных схем позволило выделить 92 типа функциональных дождевальных модулей и около 256 типоразмеров, характеризующихся общностью: модификации дождевальной техники, технологических схем ее работы, технических решений водопроводящей сети и др. (рис. 11).

Рис. 11. Блок-схема мобильной оросительной системы с дождевальной техникой на основе модульного принципа

Каждый функциональный дождевальный модуль характеризуется регламентирующими таблицами: состава, применимости и монтажа, в которых для каждого модуля задействованы основные показатели характеристик.

Номенклатура модулей охватывает в основном все технически осуществимые и экономически целесообразные решения механизированного подвода и распределения воды на поле (типы дождевальной техники, технологии работы, схемы сети и подвода воды, материал и т.п.). Число типоразмеров принято минимально необходимым и достаточным для применения модуля в широком диапазоне изменения природно-хозяйственных показателей.

В пятой главе «Расчет экономического эффекта» установлены показатели экономической эффективности от внедрения мобильного трубопровода из полимерных материалов по сравнению со стационарной оросительной трубопроводной сетью из стали. Результаты расчетов отражены в выводах.

Общие выводы

1. Комплексный анализ, проведенный в Ростовской области, показал рентабельность и эффективность мобильных трубопроводных систем, используемых вместе с дождевальными машинами, что говорит о существенной перспективе данных систем, так же анализ показал практически полное отсутствие готовых решений мобильных трубопроводов. Дальнейшее усовершенствование мобильной оросительной техники необходимо вести с учетом уменьшения энергозатрат на транспортировку оросительной воды и сокращения времени развертывания мобильной оросительной системы.

2. В результате математических преобразований установлены зависимости приведенной стоимости полиэтиленового трубопровода от радиуса действия дождевального аппарата, на основании установленных зависимостей обоснован выбор рациональных параметров (диаметр, длина и др.) разборных трубопроводов с дождевальными аппаратами.

3. На основании технико-экономического сравнения параметров трубопроводов при различных схемах расположения установлены наивыгоднейшие схемы и на основании полученной зависимости обоснованы условия их применения.

4. Проведенные экспериментальные исследования позволили уточнить зависимости коэффициента местного сопротивления от диаметра при фланцевом и муфтовом соединениях полиэтиленового трубопровода применительно к 50<d<300 мм.

5. На основании модульного принципа предложены блок-схемы формирования мобильной оросительной системы, а также схемы, по которым производили формирование дождевальных модулей и их типоразмеров, которые позволяют формировать мобильную оросительную систему с различной дождевальной техникой в широком диапазоне природно-климатических условий.

6. Годовой приведенный экономический эффект мобильного трубопровода из полимерных материалов по сравнению со стационарной оросительной трубопроводной сетью из стали составил 512958,3 руб., снижение расходов на систему при внедрении мобильной оросительной сети составило 30,64 %.

Предложения производству

1. Для хозяйств, испытывающих временные экономические трудности, а также для введения в строй незначительных оросительных площадей (10-100 га), необходимо применять мобильные оросительные системы как наиболее рентабельные в данных условиях.

2. Для увеличения срока службы мобильного трубопровода, а так же для уменьшения потерь напора в трубопроводе по длине, необходимо применять современные полимерные материалы ПВХ, ПНД с фланцевым или муфтовым соединением.

3. Формирование мобильных оросительных систем, (при проектировании) нужно проводить на основе блочно-модульного принципа компоновки, позволяющего при минимуме составляющих мобильной оросительной системы охватывать широкий диапазон изменения природно-хозяйственных показателей.

1. Олейник Р.А. Разборные соединения труб при проектировании мобильной оросительной системы / Р.А. Олейник, В.Н. Курьянов // Современные проблемы мелиорации земель, пути и методы их решения (по материалам науч.-практ. семинаров по проблемам мелиорации 2005 г.): Сб. науч. тр. / ФГНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск, 2005.- С. 105-109. (0,24 печ. л., авторские - 0,18).

2. Олейник Р.А. Выбор труб из различных материалов при проектировании мобильной оросительной системы / Р.А. Олейник, А.С. Штанько // Сборник научных трудов (по материалам научно-практических семинаров по проблемам мелиорации 2005 г.)/ ФГНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск, 2005.- С. 109-111. (0,24 печ. л., авторские - 0,12).

3. Олейник Р.А. Модульный принцип компоновки при проектировании мобильных оросительных систем / Р.А. Олейник, А.С. Штанько // Проблемы информационного и метрологического обеспечения эксплуатации оросительных систем, пути и методы их решения (по материалам Российских науч.-практ. семинаров 2005 г.): Сб. науч. тр. / ФГНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск, 2005. - С. 113-117. (0,24 печ. л., авторские - 0,18).

4. Олейник Р.А. Условие применения мобильного оборудования при периодическом орошении / Р.А. Олейник, А.С. Штанько // Проблемы информационного и метрологического обеспечения эксплуатации оросительных систем, пути и методы их решения (по материалам Российских науч.-практ. семинаров 2005 г.): Сб. науч. тр. / ФГНУ «РосНИИПМ».- Новочеркасск, 2005. - С. 117-122. (0,3 печ. л., авторские - 0,18).

5. Олейник Р.А. Перспективы использования мобильных оросительных систем / Р.А. Олейник // Проблемы водопользования на оросительных системах юга России: материалы конференции: секция «Эксплуатация гидромелиоративных систем»: Сб.науч. тр. / ФГОУ ВПО «НГМА» - Новочеркасск, 2005. - с.44-48 (0,24 печ. л., авторские - 0,24).

6. Олейник Р.А. Перспективы использования мобильного оросительного оборудования / Р.А. Олейник // Научный электронный журнал КубГАУ. - 2005. - № 05(13).

7. Олейник Р.А. Сравнительный анализ тупиковой и кольцевой схем расположения трубопроводной оросительной сети / Р.А. Олейник // Мелиорация и водное хозяйство. - 2006. - № 6. - С. 32-33. (0,25 печ. л., авторские - 0,25).

8. Олейник Р.А. Надежность мобильной внутрихозяйственной оросительной сети / А.С. Штанько, Р.А. Олейник // Вопросы мелиорации. Научно-практический журнал/ ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ». - М.,2006. - № 7-8. - С. 37-45. (0,3 печ. л., авторские - 0,15).

Размещено на Allbest.ru