На правах рукописи

БРЮХАНОВ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАВОЗА ПУТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВАРИАНТОВ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ И ИХ ВНЕСЕНИЯ В ПОЧВУ.

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук.

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник
Афанасьев Вячеслав Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Калюга Василий Васильевич;

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Мороз Александр Карпович

Ведущая организация - Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации животноводства Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита состоится 9 июля 2009 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 006.054.01 при СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии по адресу: 196625, Санкт-Петербург, Тярлево, Фильтровское шоссе, д. 3., факс (812) 466-56-66, E-mail: niokr@sznii.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии.

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Черей Н. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Как указывает отечественный и зарубежный опыт эксплуатации животноводческих предприятий, обеспечение благоприятной экологической обстановки в районах их расположения определяется рядом факторов, среди которых основной Ч эффективность применяемых технологий удаления, обработки, хранения и использования навоза.

В последние годы большой объем неиспользованного навоза приводит к его накоплению на территориях предприятий, интенсивному засорению семенами сорной растительности, потере в навозе питательных веществ и его органической массы. Это обстоятельство связано с неудовлетворительным состоянием материально-технической базы хозяйств, отсутствием адаптивных вариантов технологий переработки навоза, что ведет к увеличению себестоимости органических удобрений. Повышение эффективности использования навоза достигается при помощи научно-обоснованных методов формирования рациональных вариантов машинных технологий приготовления органических удобрений и их внесения в почву. Для решения этих задач могут быть применены оптимизационные методы, обеспечивающие получение органических удобрений при минимальных затратах в конкретных условиях сельхозтоваропроизводителя.

Цель исследований - повышение эффективности использования навоза и обеспечения экологической безопасности сельскохозяйственного производства путём разработки методологических основ автоматизированного формирования адаптивных машинных технологий приготовления органических удобрений и их внесения в почву.

Научную новизну работы составляют:

• методика определения технологических параметров сооружений и машин, необходимых для обеспечения экологически безопасной переработки навоза в органические удобрения;
• алгоритм формирования машинных технологий;
• метод автоматизированного проектирования машинных технологий производства органических удобрений с элементами экспертной оценки;

Практическую значимость имеют:

• сформированные базы данных по технологиям и техническим средствам производства органических удобрений на основе навоза;
• программа формирования машинных технологий получения органических удобрений с оценкой их экологической эффективности.

Реализация результатов исследования.

Предложенные методы и алгоритмы использовались при разработке программы обеспечения экологически безопасного производства сельскохозяйственной продукции для ряда животноводческих предприятий Лужского района Ленинградской области; для разработки промышленной технологии переработки помета в удобрение по Государственному контракту Разработка микробиологической технологии производства экологически безопасных биологических удобрений на основе отходов птицеводства № 02.515.11.5102

на 2009 г. с Федеральным агентством по науке и инновациям.

Апробация работы. Основное содержание диссертации доложено и обсуждено на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов в Санкт-Петербургском Государственном аграрном университете и Всероссийском научно-исследовательском и Проектно-технологическом институте механизации животноводства в 2006, 2007 и 2009 г.г.,

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных статьях, в том числе в журнале, рекомендованным ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 101 наименования и 4 приложений. Текстовая часть работы содержит 148 страниц машинного текста, 14 таблиц и 31 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и определена цель исследований.

В первой главе Состояние вопроса и задачи исследования рассмотрены состояние, перспективы переработки и использования навоза. Представлен анализ существующих технологий переработки навоза в органические удобрения. Рассмотрены вопросы экологической безопасности животноводческих комплексов. Сделан обзор методов выбора оптимальных решений в различных отраслях сельскохозяйственного производства.

На основе обзора и анализа состояния вопроса сформулированы следующие задачи исследований:

• обосновать основные принципы формирования машинных технологий и разработать метод проектирования технологических линий переработки навоза;
• разработать методику формирования машинных технологий с использованием ПЭВМ;
• сформировать базы данных по технологиям и техническим средствам переработки навоза;
• обосновать выбор модельных (типичных) хозяйств;
• обосновать критерии оценки технологий и технических средств переработки навоза;
• разработать алгоритм выбора технологий и технических средств переработки навоза;
• апробировать разработанную методику автоматизированного выбора технологий и технических средств переработки навоза и оценить её эффективность.

Во второй главе Теоретические предпосылки формирования методики автоматизированного проектирования машинных технологий производства органических удобрений из навоза представлен принцип формирования методики выбора технологий и технических средств производства органических удобрений.

Экскременты животных под воздействием операций, технологических процессов и технологий преобразуются в органические удобрения в соответствии с фазами их превращений.

Для описания такой системы в виде информационной модели может быть использована структурная схема многомерного многозвенного технологического процесса, представленная на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема многомерного многозвенного технологического процесса.

Изучение сложных систем требует применения самых разнообразных методов исследования операций. В ряде случаев роль человека, принимающего решения в системе, невозможно достаточно точно описать, так что удается выразить в явном виде его функцию с помощью модели. Этот вид моделирования носит название операционных игр. Таким образом, при выборе элементов технологий переработки навоза, необходима экспертная оценка специалиста.

Важным этапом формирования машинной технологии производства и использования органических удобрений является определение технологических параметров линий переработки навоза, количества и качества органических удобрений. Цель расчета заключается в том, чтобы определить объем и характеристики образующегося навоза, потребность во влагопоглощающем материале, объем и качество органических удобрений, размер площадей для экологически безопасного их использования.

При определении качества полученных органических удобрений важной характеристикой является наличие питательных веществ, которое определяется следующим выражением:

(1)

где j и i - вид навоза и влагопоглощающего материала соответственно;

- содержание питательных веществ в готовом удобрении, %;

- потери NPK в процессе обработки навоза, в долях единицы;

- содержание питательных веществ в смеси навоза с влагопоглощающим материалом, %;

МСМ и WСМ - масса и влажность смеси, т и %;

Мк и WК - масса и влажность готового удобрения, т и %.

Количество питательных веществ, поступивших в почву, определим по формуле:

(2)

- количество питательных веществ, поступивших в почву, %;

- потери NPK при внесении, в долях единицы;

Поскольку определение технологических характеристик связано с большим количеством вычислений, расчет целесообразно выполнять на ПЭВМ. На рис. 2 показана схема автоматизированной системы формирования машинных технологий производства органических удобрений, в которую входят алгоритмы по расчету технологических параметров линий переработки навоза и характеристик полученных органических удобрений.

Рис. 2. Схема автоматизированной системы формирования машинных технологий производства органических удобрений.

Для выбора технических средств разработан ряд алгоритмов, которые позволяют выбрать наиболее эффективный комплекс машин для заданных условий. На рис. 3 приведен алгоритм оценки эффективности технических средств для транспортировки и внесения органических удобрений.

Рис. 3. Алгоритм выбора оптимального состава технических средств для транспортировки и внесения органических удобрений.

Критериями оценки, а, следовательно, и выбора технологий, служат технико-экономические, энергетические и экологические показатели.

Важнейшим критерием является показатель экологической безопасности применяемых технологий и комплексов машин. На современном этапе в качестве коэффициента экологической безопасности предлагается использовать отношение объема питательных веществ, доведенных до растения, к объему NPK в навозе, выходящем с фермы.

, (3)

где Кэкб - коэффициент экологической безопасности;

Q1NPK - сумма питательных веществ (NPK) доведенных до растения, %

QNPK - сумма питательных веществ (NPK) в свежем навозе, %.

Сформированные машинные технологии оцениваются по методу Парето. В качестве критерия может быть использован показатель, определяемый величиной затрат, приходящихся на единицу объема питательных веществ, доведенных до растения:

(4)

где Зуд.к - величина затрат на единицу объема питательных веществ, доведенных до растения, руб/т;

Зуд - удельные приведенные затраты (на 1 т произведенных органических удобрений), руб/т.

В качестве дополнительного критерия мы предлагаем ввести понятие экологического эффекта от повышения продуктивности сельскохозяйственных угодий (или от предотвращения ее снижения), который определяется по формуле:

(5)

где Эзпр - эффект от повышения продуктивности сельскохозяйственных угодий, руб.;

Q1, Q2 - годовой объем продукции с единицы земельных угодий до и после проведения мероприятий, руб/га;

Sз - площадь, на которую распространяется действие средозащитных мероприятий, га.

Нахождение рациональных вариантов машинных технологий представлено методом Парето. При Парето-оценке предпочтения лиц принимающих решение (ЛПР) выражаются так: вариант x предпочтительнее x тогда и только тогда, когда оценка f(x) первого варианта строго больше (меньше) оценки f(x) второго варианта, где f заданная числовая функция, определённая на множестве X и называемая целевой функцией или критерием оптимальности.

Расчет выполняется до тех пор, пока не будет определен предпочтительный вариант машинной технологии приготовления органических удобрений и их внесения в почву, более стабильный в заданных условиях.

В третьей главе Разработка методики проектирования технологий производства органических удобрений из навоза освещены вопросы методики получения и обработки исходной информации, выбора информационного обеспечения и пошаговой процедуры проектирования технологий приготовления и внесения органических удобрений.

В наших условиях применен экспериментально-статистический метод, то есть метод машинного эксперимента без вмешательства в характер протекания процессов.

Для проведения комплексных расчетов по системе математических моделей необходима различная нормативно-справочная и техническая информация. Применение системы управления базами данных (СУБД) с перечнем технологий переработки навоза и его внесения, перечнем операций, наименованием и характеристиками технических средств и сооружений позволяет адаптировать технологию к конкретным производственным условиям сельхозтоваропроизводителя.

Программа представляет собой информационную систему, состоящую из СУБД (MySQL) и web-интерфейса (реализован на языке программирования PHP). Программа допускает два режима работы. Первый - служебный (подготовительный) - работа с БД, характеризующих технологии, операции и технические средства (добавление, редактирование и удаление данных). Второй режим - рабочий (основной), непосредственно позволяет оценить характеристики использования технологий (технических средств).

В соответствии с приведенным на рисунке 4 алгоритмом процесс формирования машинной технологии включает в себя следующие, последовательно осуществимые шаги - обследование хозяйства, сбор исходных данных; определение перечня предпочтительных технологий приготовления органических удобрений и их внесения; определение последовательности технологических операций и состава технических средств; принятие решения о возможности проектирования машинной технологии для условий конкретного хозяйства.

В разработанной методике применены следующие методы решения задач: метод экспертной оценки (применен для выбора технологии переработки навоза, предложенных из перечня технологий); метод операционных игр (применен для выбора состава сооружений и технических средств); метод Парето (применен для выбора рационального варианта машинной технологии).