1151

Субмаринная разрузка пресных подземных вод

Отчет о прохождении практики

География, геология и геодезия

Технические средства системы поиска субмаринных источников. Технические средства системы управления волновой энергоустановки. Описание алгоритма поиска субмаринных источников. Волнонасос поршневого типа. Гидротурбина с радиально-осевым приводом.

Русский

2013-01-06

285 KB

14 чел.

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Севастопольский национальный технический университет

                     Кафедра ИС

Отчет о прохождении преддипломной практики на предприятии:

«Исполнительный комитет Гришинского совета».

Выполнил:

ст. гр. И-53д

Сошнянин С.О.

Проверил:

Чернега В.С.

Севастополь

2012

Содержание

  1.  Обоснование выбора темы Дипломного проекта.
  2.  Постановка задачи Дипломного проекта.
  3.  Выбор технических средств.
    1.  Технические средства системы поиска субмаринных источников.
    2.  Технические средства волновой энергосистемы.

 3.3Технические средства системы управления волновой энергоустановки.

4. Описание алгоритма поиска субмаринных источников.


1. Обоснование выбора темы Дипломного проекта

В наше время одной из самых интересных задач для ученых-экологов является исследование пресноводных подземных ресурсов. Подземные воды являются одним из основных источников пресной воды. На их долю приходится около 14% одноразовых емкостных запасов пресных вод, в то время как озера и реки содержат менее 1%. К тому же качество подземных вод значительно выше. В городе Севастополе проблема водоснабжения стоит особенно остро. Поэтому на базе Севастопольского Морского Гидрофизического института ведутся исследования источников субмаринной разгрузки подземных вод вдоль побережья Чёрного моря.

Субмаринная разгрузка пресных подземных вод – это одна из составляющих подземного водообмена между сушей и морем, представлена в виде источников, выход которых происходит ниже уровня моря в шельфовой зоне. Характер и тип разгрузки подземных вод ниже уровня моря существенным образом контролируется геологическими факторами. Подземные воды, поступающие в морские бассейны формируются в пределах сопредельной с морем  суши. В  этой связи важнейшим этапом в исследовании такого феномена,  как субмаринная разгрузка,  является изучение коллекторов подземных вод в пределах суши.

В настоящее время в Украине, как и во всем мире, в связи со значительным антропогенным и техногенным влиянием на открытые акватории, роль пресных подземных вод (в частности, вод субмаринной разгрузки) в общих водных ресурсах и водном балансе значительно возросла. В последние годы усилилось внимание к проблемам рационального использования альтернативных источников пресной воды, в частности, подземных вод и источников их субмаринной разгрузки. Назрела необходимость региональной оценки, прогноза и картирования естественных ресурсов субмаринных вод, а также оценка площади водосбора, формирующего режим и ресурсы подземных вод.

Исследования субмаринных источников пресной воды в районе м. Фиолент – м. Сарыч показали необходимость создания измерительного комплекса нового поколения, способного работать в режиме зондирования и буксировки на малой глубине, в расщелинах и гротах с маломерных плавсредств.

Проведение мониторинга позволяет установить пределы изменения дебита источника, помогая определить среднее значение стока в море. Также это способствует оценке параметров потока пресной воды, таких как минеральный состав, соленость, скорость течения и ряд других. Это позволяет оценить целесообразность использования обнаруженного источника в экономических целях и выбору приемлемого метода построения каптирующих сооружений.

В связи с изложенным в работе предлагается система поиска и каптажа субмаринных источников, разработано необходимое программное обеспечение.

Для поиска субмаринных источников разработана ИИС, содержащая измеритель скорости течения «ИСТ-1», буксируемый измерительный комплекс «Гидрозонд» и GPS навигатор. Данная система отличается от своих аналогов эффективностью обработки данных, простотой и удобством интерфейса, а также компактностью,  что немаловажно при поиске субмаринных источников с маломерных плавсредств.

Для каптажа предлагается волновая энергетическая установка поршневого типа. В основе работы станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков. Движение поплавков передаётся на насос и вода под давлением закачивается в резервуар. По мере необходимости вода сбрасывается обратно в море через гидротурбину микро ГЭС.

Во многих странах Европы субмаринные источники успешно применяются при решении проблем обеспечения водоснабжения жителей отдаленных прибрежных районов чистой и качественной питьевой водой. Каптирующие сооружения построены и эксплуатируются в течение длительного времени в таких странах, как Италия, Франция, Греция, их сложность зависит от геологических условий данной местности.

Хотя, величина стока пресной воды большинства субмаринных источников не остается достаточно стабильной или не достигает минимального значения, необходимого для успешной эксплуатации, в целом их использование является перспективным средством решения проблем водообеспечения.


2.
 Постановка задачи дипломного проекта

Украина по запасам подземных вод занимает одно из последних мест среди республик бывшего Союза. Особенно остро проблема дефицита пресных вод стоит для ЮБК, где подземные воды юрского водоносного комплекса являются практически единственным источником питьевого водоснабжения. Значительная часть этих вод, соизмеримая с речным стоком, безвозвратно теряется здесь в виде подземных источников. На основании анализа объем вод, разгружающихся между мысами Фиолент и Сарыч был оценен в 5 млн. м3 в год, были локализованы два подводных источника распресненных вод в гроте №5 мыса Айя. Только из одной карстовой полости на мысе Айя за сутки в море вытекает 3,6 – 4,5 млн. литров воды, прошедшей под землей через мощный природный фильтр и полностью соответствующей ГОСТу «Вода питьевая». Поэтому в условиях возрастающего дефицита пресных питьевых вод на ЮБК привлечение альтернативных источников водоснабжения, каковыми здесь могут стать субмаринные воды, является актуальной задачей.

Для поиска субмаринных источников предлагается информационно-измерительная система (ИИС), содержащая измеритель скорости течения ИСТ-1, буксируемый измерительный комплекс Гидрозонд и GPS навигатор. Характеристики ИСТ-1 и Гидрозонд указаны в таблице 4.1 и таблице 4.2.

Таблица 1 - Характеристики прибора ИСТ-1

Наименование параметра,

Диапазон измерений

Разрешение

Предельная погрешность

Скорость течения,  м/с

0,004 - 5

0,01

0,05

Температура, С

2 - 35

0,002

0,1

Таблица 2 -  Характеристики прибора  Гидрозонд

Наименование  параметра

Диапазон измерений

Разрешение

Предельная погрешность

Тип датчика

Температура

-1 – (+35)

0,01

0,04

Медный термометр

Электрическая проводимость:

Относительная

Удельная,мСм/см

трансформаторный

0-1,1

0,035

0,001

0-45

0,015

0.04

Гидростатическое давление, Мпа

0-0,6

0,002

0,003

Тензомост “кремний на сапфире ”

Согласно заданию, к системе поиска субмаринных источников были предъявлены следующие требования:

– осуществление первичной обработки информации, поступающей от измерителей, заключающуюся в переводе кодов, поступающих от измерителя в общепринятые единицы измерения гидрофизических величин;

– создание файла данных, предназначенного для последующей обработки полученных данных в лабораторных;

– отображение полученной информации на экране, а также текущего положения на спутниковой карте.

Для каптажа предлагается использовать установку волнонасосного типа, как наиболее надёжной и многоцелевой. В основе установки притопленный буй, который, совершая под действием волны возвратнопоступательные движения, приводит в рабочий режим насос. Вода по трубопроводу закачивается в терминал (бассейн, расположенный на суше, в горах), в котором вода накапливается и выпускается обратно в море, по пути вращая турбину электростанции, идентичной традиционной ГЭС, но без дамбы.

Рисунок 3 – Структурная схема системы поиска субмаринных источников

 

К волновой энергетической установке, а также системе управления данной установкой были предъявлены следующие требования:

– надёжность и простота эксплуатации;

– повышенная устойчивость к внешним воздействиям;

– стабильное выходное напряжение;

– слежение за параметрами всей системы;

автоматическое реагирование на выход из строя элементов системы;

аварийное прекращение накачки

Рисунок 4 - Структурная схема распределённой волноэнергосистемы


3. Выбор технических средств

3.1 Технические средства системы поиска субмаринных источников.

В качестве ПЭВМ предлагается ноутбук или нетбук со следубщими минимальными характеристиками:

Экран - TFT 14,1 дюймов 1024 x 768 пикселей;

Процессор - Mobile Pentium III processor 600 MHz;

Память - 256Mb;

Видеокарта - 64Mb;

Жёсткий диск - 12GB IDE;

Привод - DVD-ROM + FDD 3,5;

Интерфейсы: USB, COM, PS/2;

Время автономной работы: 2 часа.

Как упоминалось выше, в качестве основной измерительной аппаратуры используются измеритель скорости течения ИСТ-1 и буксируемый измерительный комплекс «Гидрозонд». Оба устройства хорошо себя зарекомендовали при исследованиях на Южном берегу Крыма (мыс Айя), проводимых МГИ НАН Украины. Сопряжение с компьютером осуществляется через интерфейс RS-232.

В качестве GPS модуля предлагается использование либо внешнего проводного модуля, подключаемого через USB (GlobalSat ND-100), либо беспроводного, подключаться к ноутбуку по технологии Wi-Fi (Archos 605 WiFi GPS) или BlueTooth (Navicore Bluetooth GPS Receiver). Некоторые ноутбуки изначально комплектуются внутренними HSPA/GPS-модулями.

Т.к. навигация ведётся по спутниковой карте Google, необходимо подключение к Интернет. Наиболее простой вариант – использование встраиваемого (SIMCOM SIM5210) или внешнего (UTstarcom PC5740) 3G модуля. Выбор конкретной модели зависит  от покрытия в области исследования различных операторов мобильного 3G Интернета.

В случае, если в ноутбуке отсутствует 2 COM-порта, возможно использование внешнего USB-СОМ преобразователя (в своем составе имеют USB-СОМ преобразователь, поддерживают эмуляцию работы COM порта). Например Premium FTDI Chip 4-Port USB to RS232 Serial Converter Cable содержит 4 COM-порта. Для нас это более удобное решение, чем использование 2-х простых USB-СОМ преобразователей.

Для длительной работы рекомендуется использовать внешний источник питания 12в (например автомобильный аккумулятор) совместно с автоадаптером для ноутбука. Ёмкость источника питания необходимо выбирать из расчёта на 10 часов автономной работы.

3.2 Технические средства волновой энергосистемы.

Структура распределённой волновой энергосистемы изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Распределённая волновая энергосистема.

1 – притопленный буй;

2 – насос;

3 – трубопровод накачки;

4 – терминал;

5 – трубопровод сброса;

6 – гидротурбина.

Принцип функционирования: притопленный буй, совершая под воздействием волны возвратно-поступательные движения, приводит в рабочий режим насос, который закачивает воду по трубопроводу накачки в терминал, потом вода по трубопроводу сброса «падает» на гидротурбину с генератором, вырабатывая при этом электрический ток. Рассмотрим каждый элемент данной системы в отдельности.

 

Рисунок 2 - Волнонасос поршневого типа

Притопленный буй и насос вместе образуют волнонасос поршневого типа (рисунок  2). Поплавок выполнен в виде герметичного металлического цилиндра, наполненного воздухом, толщина стенок до 3 мм. Балласт представлен в виде чаши из тяжелого бетона с плотностью 1800...2500 кг/ куб.м. Поршень реализован по аналогии с глубинным штанговым насосом для нефтедобывающей промышленности. Основные отличия: камера выполнена из нержавеющей стали, длинна не более 2 метров.

Для трубопровода рекомендуется использовать обычные стальные водопроводные трубы диаметра 200 мм с максимальным давлением до 25 атм. или полиэтиленовые с максимальным давлением до 50 атм (для высот более 200 метров).

Гидротурбина (рисунок  3) выбирается в зависимости от расчётного режима работы всей системы. Рекомендуется использование ковшовых гидротурбин мощностью до 100 кВт, т.к. они рассчитаны на небольшой расход (от 15л/с) и напоры от 40 метров.

Рисунок 3 - Гидротурбина с радиально-осевым приводом

Для расчёта эффективности данной системы были использованы следующе исходные данные:

высота резервуара над уровнем моря h – 50 м;

объём бассейна VБ – 1000 м3;

высота волны среднегодовая hB – 0.5 м (см.  таблицу 3.1);

частота прибоя Т – 0.2 Гц;

плотность морской воды r – 1000 кг/м3;

масса балласта m – 2 т;

плотность бетона rБ - 2500 кг/м3;

диаметр насоса d - 16 см (S=2*10-2);

высота насоса hН – 1.5 м;

ускорение свободного падения g – 10 Н/м2.

Таблица  1 – Повторяемость высоты волн для северо-западного региона Чёрного моря, %

Давление в нижней части трубопровода накачки (это давление необходимо преодолеть, чтобы вода начала поступать в резервуар):  

Р=r*g*h=5*105 Па=5 атм

Объём балласта:

V=m/r=0,8 м3

Сила, с которой воды выталкивает балласт (сила Архимеда):

FА=r*g*V=8000 Н

Сила тяжести, действующая на балласт:

FT=m*g=25000 Н

Сила, действующая на балласт в воде (полезное усилие, при помощи которого происходит накачка воды в резервуар):

FР= FT -FА =13000 Н

Давление, создаваемое насосом при воздействии на него балласта (давление накачки):

РН= FР/S=6,5*105 Па=6,5 атм.

Объём поплавка, необходимый для поднятия балласта, составляет 2 м3 (способен поднять до 3,5 тонн), масса поплавка 250 кг, масса вместе с обвесом до 400 кг.

Количество воды, накачиваемое за один цикл движения насоса (за 5 с):

VH=S* hН=10 л

 Следовательно за 1 с насос закачает в резервуар 2 л воды.

Исходя из того, что гидротурбина рассчитана на расход 15-60 литров, делаем вывод, что для стабильной работы желательно установить 15 волнонасосов поршневого типа с вышеуказанными характеристиками. Тогда гидротурбина сможет вырабатывать 30-50 кВт электроэнергии. Подходящей гидротурбиной является Мигро ГЭС 100К производства МНТО «ИНСЭТ».

3.3 Технические средства системы управления волновой энергоустановки.

Персональная ЭВМ идеально подходит в качестве устройства обработки данных для решения поставленной задачи.

Существенным недостатком портативных компьютеров является их высокая цена, которая в 2 – 2,5 раза выше, чем у стационарных компьютеров. Но в связи с тем, что объемы вычислений, которые проводятся при решении поставленной задачи, сравнительно невелики, нет необходимости приобретать сверхскоростной и соответственно очень дорогой NOTEBOOK и можно обойтись компьютером следующей конфигурации:

Процессор

Pentium 100

Оперативная память

16 Мб

Видеоадаптер

SVGA с 1 Мб видеопамяти

Накопитель на жёстких магнитных дисках (НЖМД)

500 Мб

Рекомендуются следующие дополнительные устройства:

Накопитель на гибких магнитных дисках

3.5’’,  5.25’’

Рисунок  2 – Схема расположения районов

  1.  
    Описание алгоритма поиска субмаринных источников

Рисунок 1 – Блок-схема алгоритма для системы поиска  

субмаринных источников.


Работа с разработанным комплексом начинается с подготовки технических средств и программного обеспечения. При запуске программы производится инициализация устройств (проверка их наличия и правильной установки). При положительном результате проверки оборудования производится опускание зондов за борт плавсредства и погружение их на определённую глубину.

При готовности системы к приему данных по соединительному кабелю следует команда запуска датчиков.

Поток данных можно прервать в любой момент путём нажатия кнопки в окне приема или при приеме определенного числа значений он прерывается автоматически. Так как данные от датчиков идут в закодированном виде, то для их приема и последующей обработки в персональной ЭВМ необходимо разработать блок сопряжения ИСТ-1 и Гидрозонда с компьютером. В данной работе в качестве модуля сопряжения использован прототип программного модуля, который осуществляет преобразование данных, идущих от датчиков. Для правильной работы с данными необходимо указать в каком виде поступают данные с датчиков. Это делает программу более универсальной, т.к. не составит труда переписать данный прототип под любой другой измерительный прибор, аналогичный ИСТ-1 или Гидрозонд.

Обрабатывая информационные блоки, получаем список параметров морской воды в данной точке, который затем усредняется и результат выдается пользователю. После приёма каждого блока осуществляется преобразование блока в компьютерную форму представления данных. Далее производится проверка блока на правильность. То есть осуществляется проверка всех величин на неравенство 0, на попадание в диапазон допустимых значений («ворота»). При неуспешной проверке блок отбрасывается как неправильный и производится анализ нового блока. Иначе осуществляется динамическая коррекция рядов полученных данных.

Происходит считывание текущих координат с модуля GPS-навигации и отображение текущего положения плавсредства на спутниковой карте.

Полученные результаты запоминаются в оперативной памяти компьютера в виде линейного списка.

Результатом работы программы является файл данных в текстовом виде с расширением .dat, предназначенный для последующей обработки полученных данных в лабораторных условиях пакетами Surfer, Grads или другими средствами автоматизированной постройки графиков различной сложности  для отображения распределения измеряемых характеристик.

Чтобы с достаточной точностью определить расположение субмаринного источника необходимо сопоставить распределения солёности, температуры, напраления и скорости течения.


Притопленный буй

Волнонасос поршневого типа

змерение параметров волнонасоса

Трубопровод

Накопительная ёмкость

Трубопровод

Гидротурбина с генератором

Пульт управления

Измерение параметров накопительной системы

Измерение параметров электрогенератора

Система регулирования

Запорная арматура

Измерение параметров трубопровода

начало

проверка входных

сигнавлов с ИСТ-1, гидрозонда и GPS-навигатора

чтение данных с ИСТ-1,               GPS-навигатора, гидрозонда

вывод

результатов

измерений

создание записи в

файле данных

измерения завершены?

конец

_

+

преобразование блока данных, проверка на правильность


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80072. СТОЇТЬ В СКОРБОТІ МАТИ – УКРАЇНА, БІЛЯ МОГИЛ СВОЇХ ДІТЕЙ СТОЇТЬ… 69.5 KB
  Світ мав би розколотися надвоє, сонце мало б перестати світити, земля перевернутися від того, що це мало місце! Але світ не розколовся і сонце сходить, Земля обертається, як їй належить. І ми ходимо по цій землі зі своїми тривогами і надіями, ми, єдині спадкоємці всього, що було.
80073. Дзвони Чорнобиля 31.5 KB
  Звичайний день. Всі люди йдуть у своєму напрямку: хто на роботу, хто до школи, а хто просто у своїх справах. Лише один вчений, відчувши погіршення самопочуття та плітки про вибух на АЕС, вирішив перевірити повітря на радіаційний фон.
80074. Природознавство. Річки 35 KB
  Мета: Поглибити знання учнів про кругообіг води в природі, ознайомити з складовими частинами річки, вміти знаходити лівий та правий берег, розвивати світогляд учнів, виховувати любов до рідного краю. Тип урока: Комбінований. Наочність: «Чарівна квітка», зошит з дидактичними завданнями, «Ніч на Дніпрі».
80075. Моя родина (урок довкілля в 3 класі) 43 KB
  Сім’я, мов сонечко, зігріває дитину від народження і до кінця днів. Сім’я – це гніздечко любові і тепла для кожного з нас. У родині має панувати злагода і повага до близьких, менші повинні шанувати старших, особливо бабусь і дідусів.
80076. Н у що б, здавалося, слова… 62.5 KB
  Яка прекрасна українська мова Виплекана колоссям землею виспівана птахами звеличена письменниками. Мова Яка ти багатогранна ніжна чиста як промінчики сонця що яскравим сяйвом осипають землю добром радістю плодами Ти квітуєш пелюстками слів у морозних думах полину даєш поетові дужі крила...
80077. Складання розповіді з елементами опису калини 62 KB
  Вчити дітей складати і записувати розповідь з елементами опису за планом. Розвивати усне та писемне мовлення; уміння описувати рослину, зокрема, калину, використовуючи прикметники, порівняння, слова, вжиті в переносному значенні; пізнавальну діяльність, творчі здібності.
80078. Раз добром налите серце – вік не прохолоне А. Дімаров «Для чого людині серце» 60.5 KB
  Мета: удосконалювати навички правильного свідомого виразного читання читання за особами; учити самостійно визначати головну думку твору; формувати вміння прогнозувати розвиток подій у казці аналізувати порівнювати доводити свою думку; розвивати творчу уяву усне зв’язне мовлення...
80079. Вічне і живе Шевченкове слово 48.5 KB
  Збагатити знання учнів про життя і творчість Тараса Григоровича Шевченка. Шевченка ілюстрації малюнки запис пісень на вірші Шевченка виставка творів поета для дітей Кобзар карта України. рушник з портретом Шевченка Хід уроку Організація класу до уроку Емоційне налаштування на урок...
80080. Квітами барвистими луг цвіте 61 KB
  Мета: Вдосконалювати вміння правильно, виразно читати, за допомогою інтерактивних методів навчання; Формувати елементарні аналітико-синтетичні вміння у роботі над текстом; Розвивати усне мовлення першокласників; Виховувати дбайливе ставлення до рослин, бажання доглядати й оберігати їх.