Измерение расхода воды на ГЭС ультразвуковыми расходомерами – современное состояние, проблемы, перспективы

Панкратов Сергей Александрович, заместитель директора,
Бирюков Вячеслав Владимирович, технический директор,
Научная консалтинговая фирма «Волга», Москва

Аннотация. Проведены исследования по измерению объемного расхода воды на ГЭС многолучевым ультразвуковым расходомером. Построена численная модель турбинного водовода. Проведена валидация численной модели на основе полученных натурных данных по каждому из акустических лучей ультразвукового времяимпульсного расходомера. Разработана и применена методика, позволяющая исключить дополнительную систематическую погрешность измерений, вызванную переформированием профиля осредненных скоростей в створе расходомера.

Ключевые слова: измерение расхода воды на ГЭС, ультразвуковой расходомер, времяимпульсный метод, численное моделирование течения жидкости (CFD).

Времяимпульсный метод измерений с использованием ультразвуковых расходомеров является абсолютным методом измерений «площадь-скорость». Акустические многолучевые расходомеры (acoustic transit time multipath flow meters) повсеместно применяются в мировой практике на гидроэлектростанциях с 1960-х годов. Они обеспечивают непрерывные и максимально точные, на сегодняшнем уровне развития технологий, измерения объемного расхода воды в водоводах с большим размером поперечного сечения - как с напорным, так и безнапорным режимами течения. Створы систем измерения расхода устанавливаются на турбинных и деривационных водоводах ГЭС и ГАЭС. Цифровые данные мониторинга расхода и объема воды отображаются на мониторе расходомера, хранятся в его архиве, передаются на внешние устройства и в автоматизированные системы управления.

Ультразвуковые расходомеры жидкостей и газов имеют широкий спектр применений - от промышленного до бытового. Однако, при использовании их на ГТС предъявляются повышенные требования к функционалу, точности измерений, прочности, надежности и долговечности при работе в тяжелых условиях, а также конструктивным особенностям и достаточному набору монтажных элементов. Поэтому, производителей, специализирующихся на производстве расходомеров для ГЭС не так много. Среди них можно выделить: ADS, США (Accusonic); Rittmeyer, Швейцария (RISONIC); GWF, Германия (Ductus); НКФ Волга, Россия (Волга МЛ) и Взлет, Россия (Взлет МР УРСВ). При разработке первичных акустических преобразователей и других элементов измерительной системы, находящихся в потоке, профессиональными компаниями уделяется особое внимание обтекаемости подводных элементов для достижения минимально возможного гидравлического сопротивления.

Основными целями измерения расхода воды на ГЭС являются:

• приемочные и эксплуатационные испытания гидротурбин;
• увеличение выработки электроэнергии на ГЭС посредством оптимизации эксплуатационно-технических характеристик гидроагрегатов за счет учета достоверных данных о расходах воды;
• оптимизация режимов управления гидроагрегатами;
• учет расходования воды на выработку электроэнергии;
• расчет мгновенных и усредненных значений КПД;
• контроль фактического состояния оборудования по КПД;
• оценка потерь воды при неработающем оборудовании;
• контроль попусков в нижний бьеф, оптимизация управления каскадом;
• оценка потерь воды на подземных деривационных водоводах и локализация места восстановительных работ;
• мониторинг данных для определения протечек и разрывов напорных водоводов – построение ПТК МРВ (монитор разрыва водоводов) с возможностью выдачи управляющего воздействия на закрытие затворов в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах, для предотвращения или уменьшения последствий от наступления аварийной ситуации.

Установка систем мониторинга расхода на ГЭС зачастую дает дополнительные возможности для оценки особенностей работы ГТС (например: оценки затухания колебаний в уравнительных резервуарах), а зачастую и позволяет выявить ошибки проектирования и эксплуатации (например: фиксации факта засасывания воздуха в напорные водоводы).

Основные требования при измерении расхода воды в водоводах ГЭС ультразвуковыми расходомерами описаны в международных стандартах [1, 2].

Принцип времяимпульсных измерений основан на фиксации времени транзита волнового импульса в акустическом диапазоне между парными первичными преобразователями в прямом (по потоку) и обратном (против потока) направлениях. В водоводах ГЭС преобразователи устанавливаются на стенки водовода так, чтобы акустический луч (отрезок между центрами излучателей-приемников) находился под углом к оси водовода, поэтому в алгоритм расчета вводится вычисление проекции на ось водовода.

Рис. 1.
Иллюстрация время и мпульсного принципа измерений.

Количество акустических лучей влияет на точность описания эпюры распределения осредненных скоростей турбулентного потока. Для получения значений объемного расхода, скорости по лучам интегрируются при помощи различных методов в зависимости от формы поперечного сечения водовода. Действующим стандартом МЭК60041 [1] определены методы интегрирования Гаусс-Якоби для круглого поперечного сечения и Гаусс-Лежандр - для прямоугольного. В разрабатываемых в настоящее время новых версиях стандартов также предполагается использование таких методов интегрирования, как OWICS и OWIRS.

Основными ограничениями для использования времяимпульсной технологии при измерениях объемного расхода являются: гетерогенность жидкости (наличие в ней большого количества инородных частиц: твердых взвесей, нерастворенных газов, масел и т.п.) и несформировавшееся течение, под которым здесь понимается процесс переформирования объемного профиля осредненных скоростей по длине водовода и связанное с ним наличие поперечных составляющих векторов осредненных скоростей потока в измерительном сечении. Несформировавшееся течение реализуется при недостаточных длинах прямых участков водовода до и после створа измерений по направлению потока. Наличие поперечных составляющих вектора осредненных скоростей влияет на скорость распространения акустического импульса и тем самым вносит систематическую погрешность в измерения скорости и расхода потока расходомером. Данное влияние мы называем «паразитным».

Рис. 2.

Схема влияния поперечных составляющих вектора осредненной скорости на распространение акустического импульса.

Для иллюстрации влияния геометрии проточной части водовода на распределение скоростей в створе измерений приводим сравнение фактической эпюры, полученной на натурном объекте, который будет описан ниже, с эпюрой в «идеальном» водоводе, представляющим из себя прямолинейный водовод с аналогичной по форме и размеру геометрией поперечного сечения и шероховатостью поверхности, но большой длины - достаточной для формирования неизменной по длине водовода эпюры скорости.

Рис. 3.
Сравнение эпюр скорости в створе измерений и в «идеальном» водоводе.

К сожалению, в отечественной практике есть примеры установки измерительных систем, когда исполнитель не учитывает фактор несформировавшегося течения, что, при отсутствии должного анализа и корректировок, приводит к существенным систематическим погрешностям измерений. Одним из примеров является установка створов измерений на горизонтальном участке турбинного водовода ГЭС перед спиральной камерой после поворота из наклонной части с использованием стандартных весовых коэффициентов.

Для достижения максимально возможной точности измерений расхода во всем эксплуатационном диапазоне, и в первую очередь – в зоне максимального КПД гидротурбины, необходимо купировать «паразитное» влияние поперечных составляющих скорости. С этой целью проводятся физические (натурные и модельные) и численные гидродинамические (CFD) исследования для определения распределения осредненных скоростей в каждой точке потока.

Данные CFD исследований на современном программном обеспечении (Ansys, SolidWorks, COMSOL, OpenFOAM, STAR-CCM+…) априори не могут служить эталоном для целей измерения расхода в силу несовершенства как их построителей расчетных сеток и используемых моделей турбулентности, так и точности определения пользователем граничных условий модели. Такие данные могут служить лишь рабочей гипотезой, требующей дополнительных проверок. Качество численной модели может быть существенно улучшено при ее валидации с использованием данных физических исследований (натурных и модельных). Результатом подобных исследований является определение истинных значений скорости и расхода, и введение в алгоритм вычислений расходомера поправочного коэффициента, как отношения истинного расхода к расходу, измеренному при стандартных настройках. Примеры подобных исследований описаны в работах Университета прикладных наук Люцерна [3] и Национального института метрологии КНР для ГЭС «Три ущелья» [4]. Данный подход увеличивает точность измерений, однако введение линейного коэффициента дает качественную поправку только в узком диапазоне расходов. При увеличении расхода эпюра скорости вытягивается, изменение её формы приводит к изменению вклада поперечных составляющих вектора осредненных скоростей потока в скорость распространения акустического импульса, что, в свою очередь, для расширения диапазона качественных измерений, определяет необходимость вводить в алгоритм расчета вычислителя расходомера не единый коэффициент, а в общем случае – корректирующую функцию для каждого из лучей многолучевого расходомера. С этой целью авторы настоящей статьи провели сравнительные натурные и численные исследования для всего эксплуатационного диапазона расходов гидроагрегата.

Объектом исследований являлась крупная приплотинная ГЭС. Металлические турбинные водоводы круглого сечения по всей длине имеют постоянный диаметр 7,0 м и вынесены за пределы тела плотины на низовую грань.

Положение и конфигурация измерительного створа подбирались с использованием предварительной CFD модели, построенной на теоретических (проектных) сведениях о геометрии и шероховатости внутренней поверхности. водовода. Критерием оптимизации являлось минимальное влияние асимметрии пространственной эпюры скорости на погрешность измерений. В результате было выбрано положение измерительного створа на наклонной части турбинного водовода.

Рис. 4.
Варианты расположения створа измерений.

Рис. 5.
Выбор положения створа измерений с использованием численной модели.

Измерение геометрии внутренней поверхности натурного водовода, а также разметка и измерение финального положения элементов измерительного створа ультразвукового расходомера производилось электронным тахеометром (точность измерения углов 2", расстояний без отражателя ±2 мм +2•10-6·L). Результаты измерений были использованы для первичных настроек расходомера и уточнения CFD модели.

Рис. 6.
Уточнение геометрии модели на основе данных натурных измерений.

Измерение расхода воды производилось многолучевым акустическим расходомером «Волга МЛ» производства НКФ Волга. Необходимой для данного исследования особенностью расходомера является возможность получения, архивирования и передачи данных измерений по каждому из акустических лучей. Для измерительного створа была выбрана 8 лучевая конфигурация (по 4 луча в каждой из двух пересекающихся плоскостей), что соответствует стандарту МЭК60041 [1] и требованиям технического задания по точности измерений ±1,0%. Данная конфигурация также является минимально необходимой в планируемой новой редакции вышеуказанного стандарта. Авторам известно максимальное количество лучей створов измерений ультразвуковых расходомеров, установленных на турбинных водоводах крупных ГЭС в мире - 18 (по 9 лучей в каждой из двух пересекающихся плоскостей) [4].

Рис. 7.
Конфигурация измерительного створа ультразвукового расходомера.

CFD модель дорабатывалась до тех пор, пока данные средней скорости потока по каждому из 8 лучей многолучевого расходомера для всего диапазона расходов на CFD модели и на натурном объекте отличались друг от друга в пределах заданного референтного диапазона. По сведениям авторов, такой подход применяется впервые.

Рис. 8.
Эпюра средней скорости по каждому лучу валидированной CFD модели и данные натурных измерений для серии расходов гидротурбины.

Рис. 9.
Переформирование потока при переходе от наклонной части турбинного водовода к спиральной камере.

Рис. 10.
Переформирование потока при переходе от наклонной части турбинного водовода к спиральной камере. Продольный разрез.

Рис. 11.
Анализ отклонения средней скорости по каждому акустическому лучу валидированной CFD модели от данных натурных измерений.

Очевидно, что максимально возможная погрешность измерений расхода не превышает максимальное отклонение по каждому из лучей с учетом его весового коэффициента, однако статистическая оценка фактического отклонения выходит за рамки данной работы и является предметом для дальнейших исследований.

Полученные на валидированной численной модели данные влияния пространственной эпюры осредненных скоростей турбулентного потока на распространение акустической волны по длине каждого из восьми лучей измерительного створа с выделением интегрального по длине луча «паразитного» влияния поперечных к оси водовода составляющих скорости для серии расходов во всем эксплуатационном диапазоне работы гидроагрегата позволило внести соответствующие корректировки в настройки расходомера, гарантирующие максимальную точность и надежность измерений.

Выводы, перспективы развития.

Погрешность измерительной системы, установленной на реальном объекте, и погрешность прибора, подтвержденная в результате метрологических испытаний, могут существенно разниться, если установка створа произведена некорректно и некачественно. Применение описанных выше современных технологий позволяет получить существенно более точные и надежные результаты измерений, а также оптимизировать количество лучей расходомера и, соответственно, стоимость внедрения системы.

В отдельных случаях возможно проведение испытаний с большим количеством лучей и последующее уменьшение количества лучей после получения необходимого набора данных испытаний – «цифрового отпечатка» измерительной системы, «цифрового двойника» водовода. Это также позволяет продолжать измерения практически без потери точности при выходе из строя отдельных лучей расходомера с использованием автоматического и/или ручного механизма замещения лучей в программном обеспечении прибора.

Применение гибридных данных (натурные, модельные и численные исследования, аналитические зависимости гидродинамики) позволяет существенно расширить область применения ультразвуковой времяимпульсной технологии измерения расхода с высокой точностью, например – для измерения расхода на русловых ГЭС с короткими полигональными подводящими водоводами.

Развитие алгоритмов самообучения приборов на базе полученных данных измерений и аналитических зависимостей гидравлики («интеллектуальные» расходомеры), отчасти уже внедренных в линейке приборов НКФ Волга, также расширяет диапазон их применения, увеличивает точность и надежность измерений.

Соблюдение этических норм
Конфликт интересов: от имени всех авторов автор-корреспондент заявляет, что конфликта интересов нет.

Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Финансирование: Авторы не получали поддержки от какой-либо организации в отношении представленной работы.

Declarations
Conflict of interest. On behalf of all authors, the corresponding author states that there is no conflict of interest.
Contribution of the authors: all of the authors made equivalent contributions to the publication.
Funding: The authors did not receive support from any organization for the submitted work.

Список литературы

1. IEC 60041:1991 Field acceptance tests to determine the hydraulic performance of hydraulic turbines, Storage, pumps and pump turbines, IEC 1991. (Международная электротехническая комиссия - МЭК: Турбины гидравлические, гидроагрегаты ГАЭС и турбонасосы. Полевые приемочные испытания для определения пропускной способности). — М.: Стандартинформ, 2016. - С. 428.
2. ISO 6416:2004 Гидрометрия. Измерение расхода ультразвуковым методом по времени пробега (времени пролета), Hydrometry -- Measurement of discharge by the ultrasonic transit time (time of flight) method 17.120.20 TC 113/SC — М.: 2017. - С. 66.
3. Staubli T, Luescher B, Gruber P, Widmer M. Optimization of acoustic discharge measurement using CFD. International Journal on Hydropower & Dams 2008; Vol. 15 - Issue 2:109–12. (Оптимизация акустического измерения расхода с использованием CFD).
4. Chi Wang, Tao Meng, He-ming Hu, Liang Zhang. Accuracy of the ultrasonic flow meter used in the hydroturbine intake penstock of the Three Gorges Power Station. National Institute of Metrology, Beijing, China, 2012. Proceeding of the 15th Flow Measurement Conference (FLOMEKO) October 13-15, 2010 Taipei, Taiwan (Погрешность ультразвукового расходомера, установленного в турбинном водоводе ГЭС «Три ущелья»). Перевод НКФ Волга: https://volgaltd.ru/info1/stati/_/.
5. Бирюков В.В., Панкратов С.А., Времяимпульсная ультразвуковая технология измерения расхода воды через гидроагрегаты ГЭС. Журнал «Гидротехника» - Наука и технологии. — СПб.: 2021/февраль – апрель - УДК 627.8.03; 62-5.