Измерение расхода воды гидроагрегатов русловых ГЭС акустическим способом

Одной из сложных и важных проблем гидроэнергетики является разработка расходоизмерительных систем, отвечающих требованиям надежности и необходимой точности определения величин расходов и объeмов водопотребления.

Каримов Альберт Музагитович, главный инженер Нижнекамской ГЭС

Харчев Юрий Константинович, начальник турбинного цеха Нижнекамской ГЭС

Практически все отечественные ГЭС оснащены спиральными турбинными расходомерами, действующими по принципу измерения перепада давления в спиральной камере по методу Винтера-Кеннеди.
Расход по данному методу вычисляется в виде: Q=K·hⁿ где: 
K -  постоянный коэффициент;
h – перепад давления в двух точках спиральной камеры;
n – показатель степени.
Этот метод рекомендован отечественными и международными стандартами [1, 2], однако имеет существенные недостатки, к которым, в первую очередь, следует отнести:
- значительный разброс величин K и n даже на однотипных гидротурбинных установках многоагрегатных гидроэлектростанций;
- инерционность измерительной системы при изменении нагрузок агрегата;
- потерю со временем герметичности импульсных трубок, соединяющих ниппели отбора давлений с вторичной аппаратурой;
- восстановление работоспособности  импульсных трубок практически исключено, поскольку они прокладываются в бетонном массиве и недоступны для ремонта;
- кроме того, такая система обладает, помимо низкой надежности, высокой погрешностью.
В настоящее время штатные спиральные расходомеры утратили работоспособность на более чем 90% гидроэнергетических объектов РФ, и инструментальное измерение расхода турбин практически не производится, что не отвечает требованиям энергосбережения и рациональной эксплуатации гидроэнергетического оборудования.
В связи с этим в последние годы стали получать распространение ультразвуковые системы определения расхода, лишенные недостатков традиционных спиральных расходомеров.
Особая проблема возникает при применении ультразвуковых расходомеров на гидроэлектростанциях русловой компоновки. Особенность таких объектов  заключается в том, что они не имеют водоводов, разделяющих водоприемник и спиральную камеру  (рис.1). Это исключает возможность использования ультразвуковых расходомеров методами, применяемыми для установок с достаточно длинными трубопроводами постоянного сечения.

Рис.1 Поперечный разрез по зданию ГЭС
Известен способ применения ультразвуковых расходомеров на низконапорных гидроэлектростанциях, не имеющих подводящих водоводов [5]. При этом способе ультразвуковой расходомер устанавливается на раме, размещаемой в пазах сороудерживающих решеток или в пазах аварийно-ремонтных затворов. Такой способ может быть использован только для испытаний гидротурбинного оборудования и не может являться эксплуатационным, когда требуется выполнять непрерывный контроль за величинами расхода и объемом стока в течение длительного времени, так как пазы сороудерживающих решеток и аварийно-ремонтных затворов не могут быть длительно заняты посторонним оборудованием.
В настоящее время на Нижнекамской ГЭС впервые в практике отечественной гидроэнергетики произведено оснащение гидроагрегата русловой ГЭС акустической расходоизмерительной системой.
Нижнекамская ГЭС имеет типичную компоновку русловой ГЭС. Штатные спиральные расходомеры большинства агрегатов Нижнекамской ГЭС были неработоспособны практически с самого начала эксплуатации ГЭС и в настоящее время выведены из эксплуатации. Ультразвуковой расходомер установлен в спиральной камере на одном из  гидроагрегатов. Работа была выполнена ОАО «НИИЭС» при активном участии специалистов Нижнекамской ГЭС.
Ультразвуковой расходомер УЗР-2 разработан ОАО «НИИЭС».
В состав расходомера входят:
- два акустических преобразователя (АП);
- электронный блок, изготовленный на базе микроконтроллера промышленного типа;
- линии связи.
Расходомер может работать в автономном режиме, а также передавать результаты измерений в автоматизированную систему измерений через интерфейс RS485 и токовый выход 4+20 мА.

Рис.2 Разрез спиральной камеры
На рис. 2 приведена схема размещения акустических преобразователей в спиральной камере.
Один из акустических преобразователей АП1 устанавливается  на стенке спиральной камеры, второй преобразователь АП2 - на одной из статорных колонн. Выбор мест установки акустических преобразователей определился исходя из оптимального сочетания условий расположения акустического луча в области спиральной камеры со стабильно сформировавшимся потоком и минимальной протяженности кабелей при выводе их из проточной части. После проведения обследования спиральной камеры было установлено, что таким условиям отвечает створ, проходящий через входную кромку статорной колонны №11.
Акустический преобразователь  АП2 устанавливался в торце статорной колонны таким образом, чтобы акустический луч был направлен горизонтально на стенку спирали с углом установки статорной колонны. В месте пересечения оси акустического луча с бетонной стенкой спирали устанавливался акустический преобразователь АП1. Длина акустического луча составила около 6 м.
АП2 монтировался в накладную крепежную конструкцию, прикрепляемую к статорной колонне с помощью сварки. Преобразователь АП1 устанавливался на бетонной стенке спиральной камеры в накладную крепежную конструкцию, прикрепляемую к бетонной поверхности анкерами.
Прокладка кабелей на бетонной поверхности выполнялась в стальных защитных трубах, привариваемых к металлической полосе. Полосы закреплялись к бетонной поверхности анкерами. Вывод кабелей из спиральной камеры в помещение здания ГЭС производился через неиспользуемую закладную трубу пьезометра спиральной камеры.
Электронный блок ультразвукового расходомера устанавливался на панели гидротехнических сооружений агрегатного щита управления.
Оценка работоспособности расходомера производилась в процессе энергетических испытаний.
 Энергетические испытания были выполнены при двух значениях напора турбины 8,2м и 11,5 м. Испытания проводились при работе агрегата по существующей комбинаторной зависимости и в пропеллерных режимах.

Рис. 3 Энергетические характеристики турбины при напоре турбины 10,9 м
Результаты  измерений расхода стабильны, опытные точки не имеют большого разброса и образуют плавные, типичные для поворотно-лопастных турбин зависимости (рис. 3). Отмечено существенное отличие характеристик, полученных  при оптимальной и проектной комбинаторных зависимостях. При проектной комбинаторной зависимости для некоторых режимов отмечено снижение КПД от 2 до 4%, а завышение величины расхода более чем на 10%. Подобные результаты характерны для поворотно-лопастных турбин и объясняются тем, что проектные комбинаторные зависимости определяются на основе результатов испытаний на модели. 
В первые годы эксплуатации Нижнекамской ГЭС НИС’ом Гидропроекта (ныне ОАО «НИИЭС») в 1982-1983 гг. проводились испытания турбин индексным методом с использованием традиционного спирального расходомера практически при таких же напорах. Эти результаты подобны полученным с применением ультразвукового расходомера, обеспечивающим стабильное и более точное измерение величины расхода. Отсюда следует, что ультразвуковой расходомер можно использовать не только при энергетических испытаниях с целью определения оптимальных комбинаторных зависимостей, но и в качестве штатного расходомера.
Ультразвуковой расходомер прошел пробную эксплуатацию в компьютерной сети Нижнекамской ГЭС. Замечаний по работе не выявлено. Прибор надежно работал при разных гидравлических режимах, пусках, наборах и снижениях нагрузки на гидроагрегате. По результатам применения ультразвукового расходомера на русловой низконапорной гидроэлектростанции можно сделать выводы и рекомендации.

Выводы
1. Впервые в отечественной практике на русловой ГЭС реализовано измерение расхода турбины акустическим способом с помощью ультразвукового расходомера, установленного в спиральной камере.
2. Применение ультразвукового расходомера позволяет оптимизировать комбинаторную зависимость, что повышает КПД турбины на 2-4%.
3. Ультразвуковой расходомер в спиральной камере функционально полностью заменяет традиционный спиральный расходомер, имея при этом ряд преимуществ:
• акустическая система монтируется накладным способом в короткие сроки и при необходимости может быть отремонтирована или заменена;
• ультразвуковой расходомер отвечает современным требованиям автоматизации измерений.
4. Опытная эксплуатация ультразвукового расходомера показала возможность его использования  для постоянного учета расхода и стока воды с передачей показаний в компьютерную сеть.

Список литературы:
1. СО 153-34.20.161-2003. Рекомендации по проектированию технологической части гидроэлектростанций и гидроаккумулирующих электростанций.
2. Международный стандарт IEC 41:1991.
3. Золотов Л.А., Клабуков В.М., Владимирский В.М., Дмитриев С.Г. Натурные испытания турбины Братской ГЭС //Сборник трудов Гидропроекта, 1986 г., выпуск 109.
4. Брайцев В.В., Дмитриев С.Г., Клабуков В.М., Северов А.П. Автоматизированная система определения КПД гидромашин. //Гидротехническое строительство, 1999 г., №11.
5. Estimating uncertainties in discharge measurements at low-head powerplants. LemonD. D., Lampa J. Int. J. Hydropower and Dams. 2002.9, №2. Точное измерение расхода на низконапорных ГЭС.
6. Способ измерения расходов воды в гидравлических установках, Патент №2201579, 2003 г.
7. Михайлов И.Е., Турбинные камеры гидроэлектростанций, Издательство «Энергия», 1970 г.