Времяимпульсная ультразвуковая технология измерения расхода воды через гидроагрегаты ГЭС

В современном мире, как никогда остро, встает вопрос экономии природных ресурсов, и особенно пресной воды, запасы которой крайне ограничены. Серьезное внимание уделяется рациональному использованию воды для ирригации, водоснабжения, эффективной и безопасной генерации энергии. Законодательство  предъявляет к водопользователям все более жесткие требования по ведению водохозяйственного учета. Таким образом, точное непрерывное измерение расхода воды является одной из актуальных задач крупных водопользователей. Среди них выделяются объекты гидроэнергетики , которые используют самые большие объемы воды для своей производственной деятельности  Таким образом, вопрос организации учета воды, проходящей через гидроагрегаты ГЭС, становится для них очень актуальным. Внедрение узлов учета воды в турбинных и деривационных водоводах ГЭС преследует несколько основных целей:

• организацию расчетов с государством за потребленные водные ресурсы (водохозяйственный учет);
• создание одноканальных и дифференциальных систем обнаружения протечек и повреждений водоводов (во исполнение требований ГОСТ Р 55260.1.9-2013 «Гидроэлектростанции. Часть 1-9. Сооружения ГЭС гидротехнические. Требования безопасности при эксплуатации»);
• гарантийные и эксплуатационные энергетические испытания турбин;
• оптимизация выработки электроэнергии как отдельным гидроагрегатом (поворотно-лопастные турбины Каплана), так и всей ГЭС в целом;
• мониторинг работы гидромеханического оборудования гидроагрегата в составе систем предиктивной диагностики;
• рациональное использование водных ресурсов каскада ГЭС.

До недавнего времени самым популярным методом определения объемного расхода воды через гидроагрегаты был индексный метод по перепаду давления (метод Винтера-Кеннеди). Однако технический прогресс не стоит на месте и на сегодняшний день самым передовым и точным методом непрерывного измерения объемного расхода воды в турбинных и деривационных водоводах ГЭС является времяимпульсный ультразвуковой метод. Стремясь удовлетворить потребности объектов гидро- и теплоэнергетики и учитывая тот огромный опыт, который НКФ «Волга» накопила за период своей деятельности, мы разработали инновационный отечественный прибор – многолучевой акустический ультразвуковой расходомер «Волга МЛ».

Рис. 1. Многолучевой акустический ультразвуковой расходомер «Волга МЛ»

В расходомере «Волга МЛ» используется ультразвуковой времяимпульсный (transit-time) принцип измерения скорости течения жидкости. На противоположных стенках водовода устанавливаются пары первичных акустических преобразователей, которые попеременно испускают и принимают ультразвуковой сигнал друг от друга под углом к оси водовода. Текущая через акустический луч жидкость ускоряет прохождение сигнала в прямом направлении и замедляет его прохождение в обратном направлении. Разницей времени прохождения и определяется скорость течения жидкости через акустический луч.

Рис. 2. Принцип действия расходомера «Волга МЛ»

Основной проблемой при вычислении объемного расхода воды является неопределенность профиля скоростей по сечению водовода, что препятствует вычислению средней по сечению скорости. При этом неопределенность профиля скоростей и возможные допущения при его прогнозировании являются основными источниками погрешности измерения расхода. Для более точного определения формы эпюры скоростей и ее влияния на расход, в водоводе, по сечению потока, размещают нескольких акустических лучей. Специальные математические алгоритмы позволяют определить расход через измерительный створ на основе информации от нескольких акустических лучей. Отсюда пошло название «многолучевой времяимпульсный метод». Необходимо отметить, что чем больше лучей размещено по сечению водовода, тем точнее можно описать профиль скорости, и, следовательно, тем меньше будет погрешность определения расхода, особенно в сложных гидравлических условиях. Однако увеличение числа лучей ведет к увеличению стоимости оборудования и объемов монтажных работ, поэтому число лучей для каждого конкретного водовода должно определяться индивидуально исходя из оптимального соотношения «точность‐стоимость».

Расходомер Волга позволяет разместить в створе измерений до 10 акустических лучей в двух плоскостях. Количество лучей, их расположение и метод интегрирования полностью соответствует российским и международным стандартам  ISO6416, МЭК (IEC) 60041, ASME PTC‐18 и ГОСТ Р 51657.5‐2001. Расходомер также позволяет использовать так называемую перекрёстную схему, в которой акустические лучи располагаются в двух перекрещенных плоскостях. Эта особенность позволяет сократить длины прямых участков перед створом измерений без потери точности, поскольку компенсируется асимметричность эпюры скоростей, вызванная наличием конструктивных элементов (изгибов, поворотов, сужений и т.д.).

                В отличие от ультразвуковых фланцевых расходомеров небольшого диаметра, которые используются, например, в составе систем теплоучета на объектах ЖКХ, расходомеры для крупных водоводов невозможно откалибровать в лабораториях и на проточных стендах, поэтому предъявляются очень высокие требования к качеству и точности  установки (±1 мм) в строгом соответствии с требованиями стандартов.

                Первичные преобразователи расходомера Волга МЛ можно установить, как врезным способом при условии доступности наружных стенок водовода, так и накладным изнутри при расположении водоводов в скалах или грунтах и имеющих бетонную обделку или металлическую облицовку. При накладном изнутри водовода способе монтажа первичных преобразователей кабели выводятся за пределы водовода или через конструктивные элементы самого водовода (например, аэрационные шахты) или через специальные разработанные нами сальники, устанавливаемые в стенку водовода на открытом его участке (например, неподалеку от люка доступа). На открытых металлических водоводах для измерения расхода иногда используются также накладные снаружи акустические преобразователи, не имеющие непосредственный контакт с жидкостью. Однако, указанные выше стандарты не допускают данного применения на турбинных водоводах ГЭС в силу высокой погрешности изначально, а особенно – существенного и непредсказуемого роста погрешности со временем.

При разработке конструктива первичных преобразователей и кабельных каналов мы использовали методы численного 3D CFD моделирования чтобы сделать их как можно более обтекаемыми, ведь мы понимаем, как важно минимизировать потери напора в турбинных водоводах ГЭС.

Рис. 3. 3D CFD модель первичных преобразователей

                Расходомер «Волга МЛ» позволяет решать такую сложнейшую инженерную задачу, как измерение расхода воды в коротких турбинных водоводах низко- и средненапорных русловых ГЭС. Однако это требует специальных инженерных и научных подходов, в том числе:

• монтаж первичных преобразователей квалифицированными специалистами с повышенной точностью;
• использование результатов численных (3D CFD) и натурных исследований водовода;
• высокоточное сканирование поверхности водовода для учета его конструктивных особенностей;
• использование двухплоскостной многолучевой конфигурации створа измерений.

                Поскольку расходомер изначально разрабатывался для использования на объектах энергетики с большим количеством водоводов (ТЭЦ, ГРЭС, ГЭС, ГАЭС, АЭС), наши инженеры заложили модульную идеологию построения измерительных систем на базе «Волга МЛ». Это означает что на несколько водоводов может использоваться один вторичный преобразователь, что существенно экономит затраты на развертывание подобных систем. Такой подход также позволяет экономить на дорогостоящих высокочастотных кабелях первичных преобразователей, размещая промежуточный преобразователь (трансивер) неподалеку от створа измерения, что также позитивно сказывается на точности и надежности результатов измерений.

Рис. 4. Модульное построение измерительной системы

                Одним из уникальных преимуществ расходомера «Волга МЛ» является его способность измерять расход при напорном, комбинированном или безнапорном режиме течения. Режим течения определяется расходомером автоматически. Для измерения объемного расхода при безнапорном течении расходомер оснащается первичными преобразователями глубины потока.

Расходомер внесен в федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. В рамках испытаний в целях утверждения типа средств измерения мы успешно выполнили полный цикл натурных испытаний расходомера в лучших отечественных испытательных лабораториях (ВНИИМ им. Менделеева, ООО «Кроне-Автоматика в г. Самара), где подтвердили заявленные метрологические характеристики. В сотрудничестве с органами Росстандарта мы разработали методику поверки расходомера, допускающую периодическую поверку расходомера без демонтажа первичных преобразователей. Межповерочный интервал расходомера составляет 5 лет.

Рис. 5. Испытания расходомера в лаборатории «Кроне-Автоматика»

Акустический ультразвуковой расходомер "Волга МЛ" признан победителем в номинации Лучшая технология Международной экологической премии EWA Award 2020 и уже эксплуатируется на ряде ГЭС и ГРЭС в России и за рубежом.