автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Энергообеспечение орошения малоконтурных фермерских хозяйств в Судане

РГ6 од

1 АКАДЕМИЯ ОШЖ<ШШСТВЕНаЬ!Х ЙЙК

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧПС-'.'ССЛЕдОВАхЕЛЬСКИй ШСЯКУ2 ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА BÎ13CX

На прапах ¿укорпел

ХАЧ'ИМ Акмод Эль-Хассзн

ЭНЕРГООБЕСПШЕЕШЬ! OPŒEÏHfi МАЛОКОНТУРНЫХ ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ Б СУДАНЕ

05.20.02 - Элеигрификация сольскохозлйсгввкаого производства

05.14,08 - Преобразование возобновляемых видов энергии и установка на их основа

А в г о.р е ф а р а г диссертации ни соискание ученей сгепени кандидата технических паук

Москва 1993

Рабога выполнена на кафедрз Электротехники, эдектра-якадг я автоматизации Гл'С, Московского гидромелиоративного инссигума (ЫГЫИ)

Научяий руководитель - аиадамяк РАСХЫ, доктор технических ¡хаук,

профессор Л.Г.ПРИЩЕП

Офицкальние оппонекты: - доктор ггехначеских наук, .профессор

В.И.ВИССАРИОНОВ

- камдкдаг технических наук, старший цадчный согрудоин А.К.СОКОЛЬСКИй

Ведущая организация - ШУЖр.И

Зада га сосгоигся '' 1993 года в часо!

на заседании специализированного сОЕега Д 020.15.01 при Всероссийском научно-исследовательском аисгитуге элок?рк<Т,икации сел!--ского хозяйства но адресу: 109455, ¡¿ооУЛа, 1-ый Вэшняковский проезд, г, ВЛЭСХ.

С диссертацией истю- ознакомиться з библиотеке ЗКЗСХ. •Сгзивн и замечание по автореферату, заверенные печатью в двух экземплярах просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан " 5 " 1293 года

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ специа/маьроьышого совета кандидат технических наук, сгаршаи научлпй сотрудник

ОЪЩАЯ ХАРЛКИМСТША РАЪОТЫ

Актуальность темы

Диссертация посвящена актуальной для Судана проблема - выбору оптимальных способов энергообеспечения орошаемого малоконтурного'' земледелия с использованием ¡возобновляемых источников энергии (ВИЗ), в том число солнечно;! радиации, ветроэнерпш, гравитационной энергии вода горних рак, энергии тяглового скота и человека.

В связи с непрерывным ростом энергозатрат, повышением стоимости и дефицита органического топлива и их отрицательном влиянием на 'окружающую среду и здоровье человека, в последние годы значительно возрос интерес к проблеме использования. ВИЗ. Этот интерес обусловлен главным образом экологической чистотой этих источников, огромными запасами и неисчерпаемостью по сравнению с традиционными энергоносителями;

Очень актуальным является ознакомление и изучение обширной литературы по данной проблеме-совроменного состояния энергетики• орошаемого земледелия в Судане, а также технологий возделывания основных зорновых а овощных культур, и оценка в первом приближении перспективы использования различных источников возобновляв-мой энергии и технических средств.

Цель работы

В условиях большого набора выращиваемых культур, источников вода, энергии, технологий выращивания-возникает проблема оптимизации энергообеспечения малоконтурного орошаемого земледелия с помощью ВИЗ. Решение этой проблемы и являотся целью диссертационной работы.

Здесь возникает целый спектр задач, подлежащих решению.

К числу этих задач мог:но отнести следующее:

- обосновать критерий оптимизации энергообеспечения малоконтурного оросаемого земледелия;

- обосновать характеристики возобновляемых источников энергии для градационного оптимального до площади и набору культур малоконгурного орошаемого земледелия Судана;

.- обосновать метод проведения оптимизации энергообеспечения малоконгурного орошаемого земледелия и оценить ожидаемые результаты;

- освоить расчетно-г.онструкторскую практику для. приобретения опцга и'методические подходи, используя местнне ресурсы;

- научно обосновать рекомендации для фермеров разных регионов страны. '.

Метода и сродства знполнеш-я исследования

Исследования вшолиялись ас единому плану, включающему reo-ретическую постановку задачи, разработку методики расчога с последующей реализацией задачи на ЭВМ. Исследования проводились на основе методов .'системного анализа с использованием математического моделирования и математического программирования, численных методов решения задач оптимизации, а также методадетерминирован-ной задачи с применением матричного аппарата для расчета приведенных энергетических затрат, и наконец метода перебора возможных вариантов для сельскохозяйственных объектов.

Научная новизна

Состоит в использовании критерия энергетической конверсии для оптимизации•технологии выращивания сорго в Судане, анализа водоподъемных установок с энергообеспечением от ВИЗ. Разработана методика согласования параметров ВИЗ, водоподъемного оборудована, и накопителя воды для условий Судана

П ра к т и'ч о с к ая з на чим ость

Ее имеют алгоритмы: оптимизаций технического оснащения и энергообеспечения малоконгурнкх сельскохозяйственных участков; определения условий оптимальности способов заполнения технологических процессов; определения условий оптимальности источников энергообеспечения. ! I

Разработан алгоритм и получены результаты машинного анализа технологических параметров и эффективности использования ВПЭ для орошения в Судане.

Разработана техническая документация опытного образца гпд-ротарана ТР -I и определены его технологические параметра.

Внедрение

Изготовленный по документации опытный образец гидрогарана внедрен в учебный процесс(Ш1Р)кафедры гидравлики МГММ.

Министерство ирригации Судана предлагает к немедленному внедрению методики оптимизации и гидравлического тарана в опытных хозяйствах страны.

Апробация работы

Основные положения .диссертации были доложены и одобрены ка научных конференциях МГШ в 1990-1993 гг. По материала« диссертации написано пять научных статей, дзе аз которых депонированы, а остальные находятся в печати.

Структура п объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста, иллюстрирована 27 рисунками, 23 таблицами. Список ллторагурц имеет 140 наименований, 36 - на иностранном языке.

. СОДЕРЕАНШ РАБОТЫ

В первой главе выполнена оценка существующих я перспективных легочников возобновляемой энергии и технических средств для энергообеспечения орошаемого земледелия в Судане.

Обзор литературы показал, что природно-климатические условия на территории'Судана позволяют поднять объем производства сельскохозяйственной'продукции минимум в 2 раза. Состояние олек-снабжения определяется в основном импортом жидкого топлива, а производство электроэнергии за последило 20 лег возросло всего на 2o/i (в среднем 1,2$ в год). В стране с каждом годом усиливается энергетический кризис. И в ближайшие. 10 лег ситуация существенно не изменится.

Энерговооруженность сельского хозяйства очень низкая, энергетическая база слабо развита, потребление составляет всего 2% от общего (рис.1).

Но второй глава дано обоснование критерия оптимизации энергообеспечения малоконтурного орошаемого земледелия; эноргосборе-гаящай технологии производства сорго, характеристик возобновляемых источников энергии для традиционного малоконтурного орошаемого земледелия Судана.

При обоснования критерия оптимизации энергообеспечения малоконтурного орошаемого земледелия мы столкнулись с тем, что абсолютное большинство существующих энергетических критериев, освещаемых в работах Л.Юшкова, М.И.Дрогодьякова, С.Кукель-Краевс-кого, А.Лурье, В.В.Новожилова (минимум затрат максимум продукции), Я.А.Ваага, В.С.Немчинова, Т.С.Хаматурова, Л.В.Коитаровича и др. (минимум приведенных затрат), Е.Капустина и В.Рыбина (экономия прошлого и живого груда) но раскрывают реальную картину

знергозатрат на всех стадиях производства (сырье - техника -Зраг:'.а2), не учитывают конкретность различных видов энергии и их ограниченность (гозсбноьяяемость энергии) "к рассматривают разомкнута экономические системы (деньги - товар).

1сл;: рассматривать сельскохозяйственное производство как анесгодобыва-зщую отрасль, то система становится замкнутой (энергия - урожай' - энергия), а критерий оптимизации энергообеспечения • получает.реалъьый £азичоскяП смысл и размерность к.п.д.

к работах К./I.Базарова дана методика применения данного критерия к сравнительной оценке эффективности сельскохозяйственных технологий в-СНГ, которая црзасисна нами для сравнительной оценки ' градационных технолог;:':! выращивания -сорго в Судане: индивидуальное богарнге на ллощадох 0,4-1; га; механизированное богарное на ялодадях &;5--С2500 га, ороиаеыое земледелие (госсектор) на площадях 1&-30 га (таблица I).

Разработана математическая модель технологических ларамег-рсв и эффективность использования возобновляемых источников энергии. для чтой цели бал использован следующий алгоритм расчета:

- годовое водопотребленке культур находится ; суммированием ерзднедекадного расхода золя всеми культурами севооборота за весь год и умножением па 10 (число дней з декаде):

1,-1

- среднемесячную водояоддчу иаходаг как

- мапигдальнуа емкость аккумулирующего водоема АКУ иаходкг как полусумму превышения реального месячного водопотребления культур относительного среднего

Расчет затрат совокупной энергий на сенека, электроэнергию, голлвзо, удобрения, :кивой труд, воду, ядохимикаты, механизацию; по секторил I, П я В в Судане

Таблица I

Статья затрат

ьдпницн

Энергетический" Эдвива-

Икдйвпдуальное ."еханизлрозак-

Оропаемое земледелие

- к:;я лент На I га затраты энергии на I га загсаты энергии на I га затсати энергии

Семена . кг 34,4 • 8 275,2 10 344 15 513

Жидкое топливо _и_ 79,5 ■ I 79,5 125 9861 - 120,3 9564

Удобрения; органические —и_ 0,42 150 ■ 67,2 - - 50 21,0

минеральные 39,4 - - - - 20 787,8

Ядохимикаты к 35 СО - - - - 5 17500

2;:зо1] груд: человека чед/час 0,5/0,55 ' 2400 1205 1920 1236 2340 1512

аавотнкх л. с./час 2,7 1200 3240 960 2592 1X20 3024

¡л'еханизацзя мал.час 60,8 - - 20 1216 '" 25 15 20

Вода м3 2,3/2.17 ' 0,288 80 184 103 234,36 4056,7 1171,2

Затраты энергии - 5050,7 - 15543,33 - 35615,8

Энергия урожая 16,5 4 00 6563,1 650 10723,9 1400 23103,4

Показатель энергетической конверсии - - _ 1,3 - 0,69 _ 0,65

Показатель энергетической рац:;онаЬ.но-стн технолог::;; ¡.¡¿Л - - 85с2 - 7402 - 15020

I

«э ]

» энергетическую ценность культур (ТС) определяют как произведение 'урозгайкосги (кг/<хеддан), энергетического эквивалента Сш/^Укг), влажности (отн.ед), а энергию урожая (ЕСУ) определяют

¿57"

-.КчП.д. технического средства определяю как произведение расхода-на напор и.деляг па мощность:

КР'В = *уг'У3 /3'6 *у 1

.где: У- - мощность водоподъема ЬЙЗ, Вт; - расход, м3/ч; 73 - кодер, :л.

подачу как:

Р]]-У2-У4 ■

где У4 - загрузка з часах.

- энергию згграченнуэ на водоподъем как:

£"Д/ - У1 . У4 * 0,0036,

- показатель энергетической конверсии:

Ы-ТЭ = ЕС Г/ 16800. {ЕИ/Р1) + 1,05 • АКУ

где 16800 - коэфрциэиг перевода площади 4 фэддана в метрическую размерность (мА/4 феддан); 1,0о ГАКУ - пересчет приведенного объема аккумулятора в затраты энергии на его строительство и эксплуатацию (иЛа/м3/;

- энергию на строительство и эксплуатацию определяем как: АКУ х 3600 х 9,8 х 3 х 12 х Ю~6

'де: 3600 - плотность грунта, кг/и3;

9,8 - ускорение свободного падения, м/сек;

3 - средняя высота подъема грунта, м;

12 - коэффициент преобразования работы (учет возвратно-яоступагелыюго двикония механизмов и ах веса; .

о

10 - перевод ДК, МДк.

Третья глава посвящена разработке эксперт,юнтальнсго образца гидротарана я исследованию его параметров.

Юг страна - это регион рек по площади занимаемый треть страны, здесь - благоприятнее условия д/ш широкого использования гидротаранного водоподъемного оборудования. Главное преимущество тарана - его относительная конструктивная простота, возможность изготовления в мелких мастерских, отсутствие дефицитных'запчастей, долговечность я простота в обслуживании. Это делает его' перспективным на первом этапе освоения ВИЭ в Судане для орошения мелких фермерских хозяйств.

До сих пор гидрогаракпш установки в Судане не использовались, отсутствует опыт их применения. В отличие от этого в СНГ накоплен большой научный и практический опыт применения таранов. В трудах В.М.Бубекина, С.¿.Чистопольского, У.Д.Соколова, ВЛ.Ов-сепяна, В.М.Усаковского, Д.В.Штеронлпхта, В.;,'¡.Алисова и многих других приводена теория и-практика использования таранов.

Перед наш стояла задача использовать существующий опыт при разработке тирана для условии Судана.

Экспериментальный осразец ТК5-1 разработан автором па базе гидротарана ТГ-1. Ира' создании.рабочих чертежей и изготовлении их учитывались возможности сельских мастерских (сварка, токарные и

слесарные работы, исклЬчая литье и дефицитные комплектующие).

Параметры тарана - к.п.д., высота нагнетания, масса ударного клапана, длина ударной трубы - исследованы на базе лаборатории кафедры гидравлики ЖМ и материалов ШО "Радуга" в Коломне (рис.2 а £).

Автор получил исходные данные (рабочие чертежи, документацию, фотографии, зависимости конструктивно-технологических параметров) для Енедсения тарана в различных услоьиях южной и центральной части Судану (на 6-ти порогах Нила севернее Хартума).

Параллельно проработаны варианты использования гидротахза-ков фирм: FL/ЛШб(США), S1QМй(Чехия), TKS-I и характеристики, к.п.д. (рис.2 и 3).

Четвертая'глава содержит методику выбора накопительной емкости в системе орошения от ВКЭ.

■ Вопроси резервирования при использовании ЗЮ шроко и всесторонне рассмотрены в работах И.К.Будзко, Я.Ь.Шефтора, К.Д.Абрамова к др.; по для климатических особенностей Судана и принятой технологии полива задача резервирования потребовала дополна-тельного изучения.

Динамика обеспеченности возобновляемыми видами энергии в течение года (рис.4) и годовое потребление доливкой воды находятся з протизофазе, что усложняет энергообеспечение с/х объектов, выбор мощности ВИЗ, параметров насосного оборудования и емкости гидроаккумулятора.

для' поливного земледелия Судана характерен неравномерный график суточного зодопогребленля, аппроксимированный нами треугольником, где А - максимум суточного водопотреблепия, м3/сутки; X - подача насосного оборудования, м3/сутки; Т - поливной период, сутки; % - продолжительность использования накопителя воды, суг-

б,Я

0,1 о,е

0,4 93 с, г

ч ч ■и

ч ОС •ч/ У 0

\\ . гч. л с ч / Л

1/

:

——

Г^4

1 **

ж

/У/

г. !{ в 2 /о л? у'г /6 щ го Рис.2. Эмпирические кривис к.п.д. тарана

1 - кривая получена при исследовании тарана ТР -I;

2 - получена Б.Н.Ьубоушшм на таране догяас 2-А (1905г.);

3 - но Эпгольвейщ, где = 1,12-0,¿(//¿/Ж

0/1 0,1 41

0,Ь

45

V

0,3 0,2 о,1

1

— Г

г\ \

\

'! 1 / \ \

N V ч / ° / 1/ \

1 1 / \ \

7 чу \ \ \

/ / /

1 / г

К

0,1 0,1 % °44' 4 У

Рис.3. Теоретические кривые к.п.д. по С.¿.Чистопольскому К - по Соколовскому ¡0. Д.

i г з $ б 7 з з- м и &

Рис.4, динами:-;а обеспеченности возобновляемыми источниками энергии з течение года

1 - аппроксимированный суточный график

водопогребления; Му^уг.

2 - уровень солнечной радиации;

3 - поток гидроресурсов (Нила); Мм^с*/.

4 - среднемесячная плотность '

потенциальная мощюсть ветра кит./М£

т

Eil А/(А - X) = T/t;.

Из подобия трэугслышкоз имеем и виражем Т, = Т (А - Х)/А. Объем накопителя S = 0,5 (А - X) К = 0,5 ï (А - X)VA = = 0,5 AT - ТХ + 0,5 ÏX2/A.

Затраты на насосное оборудование и ВИЗ принимаем пропорциональными ого суточной производительности Зх = KIX, затраты на накопиголь вода 3s - егс объему K2S , а общие затраты на накопитель являются их суммой:

3 = Зх + 36 = KIX + Ii~S(0,5 АТ-ТХ + 0,5 ТХ~/А) ; окстремум (минимум) общих затрат найден из производной данной функции по X: с/3 /с/Х = (KÜTX/A) + KI - ЮЗТ, при экстремуме функции величина X составляет: Х = (I—(KI/K2T))/Л; область допустимых значений X лежит в диапазоне от 0,5 А до Л (рис.4).

Для вогро- и гидроподъемник установок, з связи с несовпадением максимумов водопотреоленкя и водододачп целесообразно .максимальное резервирование, то есть X—>-0,5 А, при возможности работы ВИЗ на мннпмумо обеспеченности энергией. Тогда экспериментальный объем гидроаккумулятора - максимален - АТ/3 или около четверти годового расхода воды. Это случаи длительного безветрия и безводья в Ниле.

Для гелиоводоподъемников выбор производительности насосного оборудования рогламснгируотся сравнительно высокими затратами Зх и поэтому целесообразно также максимальное резервирование - аналогично X—>-0,5 A; S = Aï/8. Для случат, когда стоимость насосного оборудования в голиоводоподъомнико но рогламонгируег ого выбор, целесообразно чтобы "X—и объем гидроаккумулятора тогда определялся с учетом времени восстановления насосного оборудования

оборудования (БКЭ) по минимуму затрат: Зх - затраты на насосное оборудование, ф ; об - затраты ка накопитель воды, ^ ; А - максимум суточного водолотреблекия, м3/сут; X - подача насосного оборудования, м3/суг; ■Т - поливкой период^Сулгм

С П - суток) до формуле & = 0,5 1 • (рпс.з).

Расчетная подача насосного оборудования:

X = А (I - - (Я/ Т)); оптимальное соотношение затрат: 3.^/3^ = (2 - 2 \}1 ~ (П/ Т)/П ; для раскрытия характеристик ВИЗ вводим: Р = КЗ • С^ * Н, X = • , где: О, - часовая подача, мь/ч и напор (I!) насосного оборудования;

*Х/ - суточная загрузка ВИЗ, ч/еуткп;

9 - мощность ВИЗ, кВт;

КЗ = Р /С1 • Н- коэффициент пропорцзопалыюегв, 1йг«ч/и3. Тогда Р = К2Е! • У-'С к соси:о:иегшо ма.:ду сугочгоЛ подачей насосного оборудования и объемом накопителя вода регламзнгнруегся среднем временем восстановления оборудования П (оугоз).

.ВЫВОДУ

1. 1..'аяоконгурнои орокнемов землздзляо в Судане в значительной мере может быть обеспечено энергией от возобновляемых источников, в том числе за счет энергии речного стока, а так:;;;; за счет ветровой и солнсчноП энергии. При выборе приоритетного возобновляемого источника по минимуму затрат главными статьями расхода средств являются набор технических средств при ка-кдом источнике энергообеспечения и выбор технических средств для выполнения технологических процессов.

2. Па способы энергообеспечения малоконгурных объектов сказывает влияние множество таких местных природных и хозяйственных факторов кик требования к агротехнике воздолшзпомпх под посоз зерновых культур, температурные ре;:;:шы, уровни солнечно-:: редпа-ции, климатические факторы, скорость ветра, интенсивность речного

• г

сгока, расстояние о; объектов орспевяя до водоясгочпиков. Ыкого-образие {?акторов, здиянздкс на овт^иззацшэ способов энергообеспечения моако учесть путем рошняя детерминированных задач с применением матрица, кагтай элемент которой вырат.еа в виде функциональ ной зависимости пряведашисс затрат па выполнение технологического процесса конкретно с учетом масгншс природно-хозяйственпнх условий.

3. При централизовавшем-электроснабжении основную часть затрат на производство продукции составляет затрата на устройство электрических сетей. Поэтому условием экономической' оправданности -централизованного электроснабжения является такая прогжен-кость раснроделителыгах сета!;, при которой постоянная составляющая приведенных затрат не превши:: разности суммарных затрат на выполнение технологических процессов при централизованном и автономном способах опорго- или электроснабжения.

4. Применение матричного аппарата для расчета пряведонкмх затрат на заполнение технологических процессов и использование метода перебора возможных вариантов для рассредоточенных объектов, природнах и хозяйственных условий требует использования ЭВМ я соотззтствузцпх 'алгоритмов расчета.

'о. Сравнительный анализ методов энергообеспечения показал, что в мадокентурном орошении Судана большое место займут энергетические устройства о использованием возобновляемых источников энергии, в том числе:

- вегроеидевпе установки, которое могут использоваться на 6С/Д территории Судана и иметь установленную мовдость до I и более кВт;

- солнечнае сияовне установки имеют приоритет гам., где

ютребная мощность составляет 100-150 Вт;

- мелкие фермерские гидросиловые установки приоритетны гам, где имеет место перепад речного стока от I до 10 м;

- особый интерес для Суданских фермеров представляют установки гидравлического тарана, использование когорпх наиболее эффективно в горнстих районах вдоль Била л ого лритокоз.

6. Учитывая неравномерность движения водных масс в течение года, в период затишья ветра пли длительной облачной погоды в каждом отдельном хозяйстве целесообразно иметь аккумуляторы (накопители - бассейны, баки) води.

7. Показатель энергетической эффективности технологии выращивания сорго в Судане составляет для богарного земледелия -1,3; для механизированного - 0,59; для орошаемого земледелия -0,65. Таким образом, новая технология по сравнению с традиционной богарной значительно более эноргоемка. Однако учитывая ограниченность посевных площадей в стране наиболее важным и определяющим фактором здось является повышенно урожайности.

8. В составляющих энергозатратах в госсекторе с технологией орошаемого земледелия значительные доли имеют: химические средства защиты растений - 50Д, удобрения - ЗО/з, жидкое топлл-зо - 1Ъ%, поэтому реальное повышение энорготпческой эффективности зернопроизводства возможно за счет сокращения этих статей.

9. Механизированное богарное земледелие является более эффективным, чем богарное индивидуальное на большей части территории страны где нет условий для орошения. Кроме того, ого преимущество в том, что единичная площадь воздолывания больше в 20-30 раз, чем у индивидуального. Оно по экономии энергоресурсов превосходит в 2 раза орошаемое земледелие, нуждающееся в дорогостоящих химических препаратах и удобрешьчх.

10. Срок окупаемости расходов на технические средства для орошения участка с использованием возобновляемых источников составляет от ОД до 2 лет.

X. Прищеп Л.Г., Хашим А.Э..Оценка автономных потенциальных ресур сов ВИЗ Судана для целей орошения, -производства и бита в сель ских районах. - 0',5 п.л. Депонировано.

2. Прищеп Л.Г., Хащим А.З. Оценка существующих и перспективных источников и технических средств для энергообеспечения оро-иаемого земледелия в Судане.- 0,5 п.л. Депонировано.

3. Соргованцев A.B., Хашим А.Э. Энергетическая оценка сорго -

. основной зерновоз культуры Судана //Сб.научных трудов ЫИИСП (в печати).

4. Сергованцев A.B., Хащим А.Э. Согласование параметров технологического оборудования для поливного земледелия Судана при энергоснабжении от ВИЗ / Сб.научных трудов !:ШСЛ (в печати).

5. Хашм А.Э. Критерии энергообеспечения малоконтурного орошаемо го земледелия с использованием возобновляемых источников энер

• гии // Сб.научных трудов ШУШ (в печати).'

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: i