Измерение расхода воды в гидротехнических сооружениях промышленных предприятий. Разработка и применение оборудования для работы в сложных гидравлических условиях

Измерение расхода воды в гидротехнических сооружениях промышленных предприятий. Разработка и применение оборудования для работы в сложных гидравлических условиях.

ООО НКФ «Волга». Бирюков В.В., технический директор; Панкратов С.А., заместитель генерального директора по управлению проектами в энергетическом секторе.

Введение

Эффективное и рациональное использование водных ресурсов на промышленных предприятиях и при генерации электрической энергии невозможно без высокоточного учета воды. Внедрение узлов учета потребляемой и сбрасываемой воды позволяет решить три основные задачи: водохозяйственный учет, обеспечение безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений и оптимизация производственных процессов, направленная на снижение водопотребления при заданных технических характеристиках промышленного объекта. Однако зачастую конструкция имеющихся ГТС, особенно на крупных объектах, таких как транспортные водные магистрали и электростанции, не позволяет использовать обычные расходомеры и стандартные способы их установки. Поэтому вопрос разработки надежных инновационных методов и технологий для решения такого рода задач стоит как никогда остро. Разработки НКФ «Волга», позволяют в течение многих лет непрерывно с высокой точностью измерять расход воды в водоводах большого и среднего размера там, где еще вчера это было практически невозможно.

Описание проблемы

Большинство стандартных существующих методов измерения расхода в водоводах основаны на предположении, что течение в створе измерения является равномерным и установившимся. Это обеспечивается только при наличии достаточно больших длин прямых участков водовода до и после створа измерения при неизменной площади поперечного сечения водовода. Однако реальный конструктив ГТС в большинстве случаем не позволяет обеспечить подобные условия. Это означает, что в измерительном створе течение не установилось, эпюра скорости продолжает изменяться по длине, и в каждой точке потока присутствуют поперечные составляющие вектора осредненной скорости турбулентного потока, которые могут вносить существенную погрешность в измерения. В таких условиях использование стандартных методик измерений невозможно, и для решения измерительных задач необходимо использовать научный и инженерный инструментарий, который позволяет отсечь влияние на результаты измерений компонент вектора скорости, не отвечающих за расход. Таким инструментом являются специальные комплексные гидравлические исследования, как модельные (физические и численные), так и натурные. Данные натурных измерений используются для валидации результатов, полученных ранее на физической и/или численной модели. Наиболее современным и точным способом непрерывного измерения расхода на водоводах большого и среднего сечения является измерение с использованием акустических (ультразвуковых) многолучевых времяимпульсных расходомеров.

Основы времяимпульсного метода измерения расхода

Времяимпульсный метод измерения расхода (в зарубежной терминологии «Transit-Time») основан на разности времени прохождения акустического сигнала под углом к оси водовода между акустическими преобразователями (АП) в прямом и обратном направлениях.

где:

• Т_{i прям} – время прохождения акустического сигнала от АП2 до АП1 на i-ом луче;
• Т_{i обр} – время прохождения акустического сигнала от АП1 до АП2 на i-ом луче;
• с – скорость звука в неподвижной воде;
• v_i – средняя скорость течения вдоль i-го акустического луча;
• L_i – длина i-го акустического луча (расстояние между АП1 и АП2);
• Θ – угол между акустическим лучом и осью водовода.

Объемный расход через створ измерения равен сумме элементарных расходов по всей площади сечения.

где:

• Qi – элементарный расход i-ой области;
• vi – осредненная продольная скорость через i-й акустический луч;
• Dz – высота i-го участка;
• Li – проекция i-го акустического луча.

Для вычисления объемного расхода применяются различные методы интегрирования, основные из них на сегодня: Гаусса-Якоби для круглого поперечного сечения и Гаусса-Лежандра - для прямоугольного поперечного сечения.

Соответственно выбранному методу интегрирования назначаются весовые коэффициенты для каждого акустического луча расходомера. Однако эти коэффициенты верны только при условии наличия равномерного установившегося течения. Если это условие не выполнено, появляются поперечные составляющие вектора осредненной скорости, не отвечающие за расход, и весовые коэффициенты каждого луча должны быть скорректированы. Как же определить поправочные коэффициенты?

Применение времяимпульсных расходомеров для измерения расхода в напорных и безнапорных водоводах со сложными гидравлическими условиями

Современное специальное программное обеспечение для решения задач гидродинамики (CFD) позволяет построить 3D модель водовода, смоделировать течение в нем и определить все три составляющие вектора осредненной скорости турбулентного потока v_x, v_y, v_z в каждой его точке. Установив многолучевой расходомер, можно достоверно определить интегральную величину проекции вектора скорости потока на каждый акустический луч многолучевой системы и проверить численную модель на соответствие реальному физическому явлению. Интегральная проекция скорости на каждом акустическом луче, полученная на модели, и измеренная на натурном объекте, должны соответствовать друг другу. Знание всех трех составляющих осредненной скорости в каждой точке акустического луча позволяет скорректировать весовые коэффициенты таким образом, чтобы исключить «паразитное» влияние на измерения поперечных составляющих скорости потока.

Пример 1. Шульбинская ГЭС

Шульбинская ГЭС на реке Иртыш в республике Казахстан - классическая низконапорная русловая гидроэлектростанция. Турбинный водовод каждого из гидроагрегатов ГЭС разделен на два водовода, представляющих из себя полигональные сужающиеся по вертикали и горизонтали железобетонные каналы, соединяющиеся непосредственно перед спиральной камерой. НКФ «Волга» были установлены акустические расходомеры со створами измерения в каждом из каналов на гидроагрегате № 4. Учитывая отсутствие протяженных прямых участков, было принято решение построить численную модель течения и использовать данные модели для корректировки весовых коэффициентов. В результате проведенных для различных режимов работы ГЭС исследований было установлено, что «паразитные» составляющие вектора скорости вносят погрешность в суммарный расход более 20%.

Пример 2. Насосная станция № 31 Волго-Донского судоходного канала

Насосная станция имеет три насосных агрегата с отдельными подводящими сужающимися по высоте и ширине водоводами. Для обеспечения максимальной точности при проектировании, монтаже и наладке расходомера, а также построения численной модели, специалисты НКФ «Волга» провели сканирование внутренней поверхности всасывающих камер. CFD модель включала в себя также часть подводящего канала с длинной, необходимой для учета гидравлического влияния на измерительный створ. Гидродинамические исследования для различных режимов работы насосной станции, в том числе при ассиметричной работе насосных агрегатов, позволили уточнить положение измерительных створов таким образом, чтобы весовые коэффициенты соответствовали стандартному методу интегрирования Гаусса-Лежандра.

Расходомер Волга МЛ

Акустический многолучевой времяимпульсный расходомер Волга МЛ собственной разработки НКФ «Волга» является воплощением опыта и профессиональных знаний в области гидротехники, гидравлики, акустики и приборостроения. При его создании мы опирались на ведущие мировые тренды в расходометрии для средних и крупных ГТС, российские и международные стандарты, а также на собственный многолетний опыт проектирования, установки и наладки расходомеров иностранных и российских производителей. Расходомер Волга МЛ производится в портативном и стационарном исполнении и может применяться как для временных, так и для постоянных измерений, в водоводах с напорным, безнапорным и переменным (напорно-безнапорным течением) в т.ч. в сложных гидравлических условиях.

Основные сферы применения

• Станции водоподготовки, транспортировки и распределения воды.
• Турбинные водоводы высоко-, средне- и низконапорных (в том числе русловых) ГЭС, деривационные каналы и водосбросы.
• Водоводы систем технического водоснабжения ТЭС (КЭС, ТЭЦ и пр.) и АЭС.
• Объекты ЖКХ и транспортной инфраструктуры (очистные сооружения, станции водоподготовки, судоходные и транспортные магистрали, канализационные системы, насосные станции и др.).
• Системы ирригации и мелиорации, естественные русла рек.
• Узлы коммерческого учета для взаиморасчетов между хозяйствующими субъектами.

Преимущества

• Разработан специально для условий многолетней эксплуатации на гидротехнических сооружениях в любой климатической зоне и в сейсмоопасных районах.
• Может быть использован в коротких водоводах сложной изменяющейся по длине формы.
• Гибкая модульная разветвленная архитектура позволяет существенно снизить стоимость системы при большом количестве измерительных створов.
• Интеллектуальная функция натурного измерения гидравлических характеристик течения позволяет получать точные данные измерений даже тогда, когда уровень воды существенно снижается, а акустические лучи (часть или даже все) оказываются над водным потоком.
• Высокая точность измерений.
• Полноцветный сенсорный экран с интуитивно понятным интерфейсом.
• Широкий ряд высоконадежных акустических преобразователей для водоводов различной формы, выполненных из разных конструкционных материалов, как скрытых в скале и грунте, так и открытых.
• Полное соответствие требованиям стандартов МЭК IEC60041, ASME РТС-18, IS06416, ГОСТ Р 51657.5-2002.
• Возможность имитационной периодической поверки на объекте без демонтажа расходомера.
• Режим самодиагностики.
• Регистрация времени наработки, ведение журналов событий и ошибок.
• Широкие проводные и беспроводные коммуникационные возможности.
• Доступны общепромышленное, компактное, портативное и встраиваемое исполнение вторичного измерительного преобразователя

Технические и метрологические характеристики

* - в зависимости от скорости течения, схемы измерения и особенностей водовода

** - в зависимости от скорости течения, схемы измерения, особенностей водовода и погрешности датчика глубины

Высокая точность измерения объемного расхода была неоднократно подтверждена в испытательных лабораториях ВНИИМ им. Менделеева (г. Санкт-Петербург), ООО «КРОНЕ-Автоматика» (г. Самара)

Заключение

Измерение объемного расхода с достаточной точностью в водоводах со сложными гидравлическими условиями возможно при соблюдении ряда условий, а именно:

• Позиционирование первичных акустических преобразователей расходомеров должно быть выполнено с максимальной точностью с применением высокоточного измерительного оборудования. В отдельных случаях необходимо выполнять сканирование водоводов. Это обусловлено тем, что в настоящее время отсутствует физическая возможность калибровки расходомерных систем на больших водоводах каким бы то ни было методом.
• Выполнение модельных (физических и/или численных) исследований с последующей валидацией натурными измерениями многолучевыми акустическими расходомерами.
• Исполнение первичных преобразователей должно быть максимально надежным, оказывающим минимальное воздействие на структуру течения, имеющее минимально возможное гидравлическое сопротивление.

НКФ «Волга» обладает необходимыми знаниями, многолетним опытом и оборудованием собственной разработки для оказания услуг по внедрению и эффективной эксплуатации систем измерения расхода как на водоводах со нормальными гидравлическими условиями, так и в сложных случаях.

Список литературы

1. Tresch, P. Gruber, T. Staubli. Comparison of integration methods for multipath acoustic discharge measurements, IGHEM 2006, Portland, http://www.ighem.org/Papers_IGHEM/185.pdf.
2. Marushchenko, P. Gruber, T. Staubli. Approach for Acoustic Transit Time flow measurement in sections of varying shape: Theoretical fundamentals and implementation in practice, Flow Measurement and Instrumentation, Volume 49, June 2016.
3. IEC 60041: Field acceptance tests to determine the hydraulic performance of hydraulic turbines, Storage, pumps and pump turbines, IEC 1991.
4. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений: М.: Энергоатомиздат, 1988.
5. 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.