Измерение расхода воды в подводящих и отводящих каналах ГРЭС, ТЭЦ, АЭС. Технологии и практический опыт.

Бирюков В.В., технический директор ООО НКФ «Волга», Панкратов С.А., заместитель директора ООО НКФ «Волга»

Введение

Учет воды на подводящих и отводящих каналах систем технического водоснабжения современных тепловых и атомных станций осуществляется главным образом в целях удовлетворения требований приказа Минприроды России от 08 июля 2009 № 205 «Об утверждении порядка ведения собственниками водных объектов и водопользователями учета объема забора (изъятия) водных ресурсов из водных объектов и объема сброса сточных вод и (или) дренажных вод, их качества» и исключения административных штрафов на предприятие за отсутствие приборов учета воды, сверхлимитных платежей за пользование водными ресурсами. При этом зачастую встает вопрос выбора метода и средства измерения расхода, способного измерять объемный расход воды с необходимой точностью с учетом гидравлических условий, свойственных подводящим и отводящим каналам электростанций. Учитывая широкий ассортимент выпускающихся в настоящее время средств измерения объемного расхода воды, правильный выбор технологии измерения становится сложной задачей для технического персонала предприятий.

Цель работы

Целью настоящего доклада является обзор технологий, средств измерения и подходов, позволяющих решить задачи измерения объемного расхода воды в безнапорных подводящих и отводящих водоводах систем технического водоснабжения ТЭС.

Схема технического водоснабжения

В Российской Федерации работают сотни тепловых и атомных электрических станций, имеющих различные типы схем технического водоснабжения в зависимости от природных, климатических и гидрогеологических условий:

прямоточная система циркуляционного водоснабжения
оборотная система с использованием градирен
оборотная система с использованием прудов-охладителей
оборотная система с использованием брызгальных бассейнов
смешанные

Рассмотрим схему прямоточной системы технического водоснабжения более подробно.

Рисунок 1. Схема прямоточной системы технического водоснабжения тепловых электростанций

Чаще всего подводящий канал представляет собой безнапорный открытый или закрытый подземный водовод с прямоугольной, трапецеидальной или естественной формой поперечного сечения. Режим течения – безнапорный или комбинированный, с постоянным подпором для обеспечения необходимого вакуума на всасывающих оголовках циркуляционных насосов.

Отводящий канал представляет собой безнапорный открытый или закрытый подземный водовод с прямоугольной, трапецеидальной или естественной формой поперечного сечения. Режим течения – безнапорный или комбинированный. Уровень поверхности потока определяется НПУ водоема, в который отводится нагретая вода.

В зимний период для предотвращения попадания шуги и льда в подводящий канал и насосы используют часть нагретой воды из отводящего канала для подогрева забираемой воды в подводящем канале или водозаборном ковше через канал рециркуляции. Канал рециркуляции – закрытый водовод прямоугольного или круглой формой поперечного сечения. Режим течения – безнапорный или комбинированный.

Таким образом вопрос измерения объемного расхода воды в подводящем и отводящем каналах это вопрос измерения объемного расхода воды в открытых и закрытых водоводах с безнапорным или комбинированным режимом течения. Далее будут рассмотрены технологии измерения.

Методика измерения

Итак, для определения объемного расхода воды необходимо знать два параметра потока: площадь живого сечения потока и среднюю по сечению скорость потока

где:

Q – объемный расход воды, м3/с
S – площадь поперечного сечения потока, м2
V_ср– средняя скорость потока, м/с.

Очевидно, что площадь сечения зависит от глубины, а сама зависимость определяется формой поперечного сечения, например, площадь поперечного сечения в канале прямоугольной формы

где:

h – глубина воды (расстояние от дна или уровня наносов до свободной поверхности потока), м
w – ширина канала, м.

Таким образом средство измерения объемного расхода в безнапорном режиме течения должно измерять или определять среднюю скорость по сечению и глубину.

Средняя скорость, метод Доплера

Для измерения скорости потока Доплеровским методом в поток устанавливают акустический преобразователь, который излучает навстречу потоку ультразвуковой сигнал и получает отраженный сигнал от имеющихся в потоке частиц и пузырьков воздуха. Согласно принципу Доплера, частота излучаемого и отраженного ультразвуковых сигналов отличаются на величину, пропорциональную скорости частицы, от которой сигнал отразился. Таким образом, после обработки сигналов от всех частиц в потоке становится возможным определить среднюю скорость частиц, что соответствует средней скорости потока в створе измерения.

Частным случаем метода также является импульсный метод Доплера, на основе которого ряд зарубежных производителей разработали расходомеры-профилографы, позволяющие определять не только скорость частицы от которой отразился сигнал, но и ее плоское пространственное положение (принадлежность одному из слоев на которые делит расходомер толщу воды).

Несомненным преимуществом метода является необходимость использование одного первичного преобразователя, установленного на дне или боковой стенке водовода. Однако, сам принцип измерения накладывает определенные ограничения: вода должна содержать достаточное количество равномерно распределенных твердых частиц или пузырьков воздуха. Корректные измерения доплеровских расходомеров возможны при содержании твердых частиц в потоке не менее 0,01% от объема. Изначально расходомеры данного типа предназначались для измерения объема средне- и сильно загрязнённых жидкостей (неочищенные сточные воды, пульпа, и т.д.), поэтому для измерения расхода чистой речной воды в подводящем и отводящем каналах не предназначены.

Средняя скорость. Радарные расходомеры

При выборе средства измерения расхода для больших каналов очень велик соблазн использования бесконтактных расходомеров, измеряющих поверхностную скорость течения. Однако в этом типе расходомеров не учитывается реальное распределение скоростей по сечению потока, расходомер просто об этом не знает. Для пересчета средней скорости при измерении поверхностной проводят либо натурную калибровку другими средствами измерения, либо с использованием расчетных методик на основании формы сечения, уклона и шероховатости. Поскольку определение шероховатости стенок таких водоводов достоверно невозможно (многим из них более 50 лет), достоверность определения распределения скоростей можно под очень большим вопросом. Кроме того, в открытых каналах на показания негативно влияют рябь при сильном ветре. Все эти факторы в сумме говорят о том, что измерение данным методом возможно только в очень ограниченных случаях, а погрешность измерения может быть непредсказуема.

Рисунок 2. Принцип работы бесконтактного радарного расходомера

Средняя скорость. Времяимпульсные ультразвуковые расходомеры

Времяимпульсный метод измерения расхода (в зарубежной терминологии «transit-time»), основан на разности времени прохождения акустического сигнала под углом к вектору скорости потока в прямом и обратном направлении. В этом случае поток жидкости, проходящей через акустический луч, увеличивает скорость звука вдоль луча в прямом направлении и уменьшает скорость звука вдоль луча в обратном направлении.

Рисунок 3. Принцип измерения

где:

Т_прям – время прохождения УЗ сигнала от АП1 до АП2;
Т_обр – время прохождения УЗ сигнала от АП2 до АП1;
с – скорость звука в воде;
V – средняя скорость течения вдоль акустического луча;
L – длина акустического луча (расстояние между АП1 и АП2);
Θ – угол между акустическим лучом и направлением потока.

Измерив, время прохождения сигнала Т_прям и Т_обр, можно определить среднюю скорость течения жидкости вдоль акустического луча V:

Основной проблемой при вычислении расхода через наполненный водовод является неопределенность профиля скоростей по сечению, что препятствует вычислению средней по сечению скорости. При этом неопределенность профиля скоростей и возможные допущения при его прогнозировании – это основные источники погрешностей измерения расхода. Существуют два основных подхода к определению средней по сечению скорости. Первый подход предусматривает измерение средней скорости по одному лучу (однолучевая схема) проходящему по центру сечения (см. Рис.3 «а»). Второй подход связан с размещением нескольких акустических лучей по сечению потока так, чтобы описать профиль скоростей как можно более точно (Рис.3, «б», «в»). В этом случае применяют специальные математические алгоритмы с тем, чтобы определить расход через измерительный створ на основе информации от нескольких акустических лучей. Отсюда пошло название «многолучевой (multipath) времяимпульсный метод».

Рисунок 4. Сравнение количества лучей

При этом, чем больше лучей по сечению, тем точнее можно описать профиль скорости, и, следовательно, тем меньше 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».

Сократить необходимую длину прямых участков позволяет использование так называемой «перекрестной» схемы, когда лучи расположены в двух плоскостях. Такая схема позволяет нивелировать асимметрию эпюры скоростей.

Рисунок 5. Двухплоскостное (перекрестное) расположение акустических лучей

Количество, расположение лучей и метод интегрирования расхода для безнапорных водоводов подробно описан в российских и международных стандартах ISO6416 и ГОСТ Р 51657.5-2002.

Рисунок 6. Распределение четырех акустических лучей в безнапорном трапецеидальном водоводе

Расходомер Волга МЛ

Прислушиваясь к потребностям предприятий энергетического сектора (ТЭЦ, ГРЭС, АЭС, ГЭС, ГАЭС) мы разработали уникальный для своего класса прибор – акустический многолучевой расходомер «Волга МЛ». Расходомер полностью разработан российскими специалистами в области акустики, гидравлики и электроники, и предназначен для измерения объемного расхода и объема воды в водоводах, преимущественно среднего и большого размера, в условиях напорного, безнапорного и комбинированного (напорно-безнапорного) режимов течения. В основе работы расходомера лежит ультразвуковая «времяимпульсная» многолучевая технология измерения скорости течения в измерительном створе. Для измерения расхода в водоводах с комбинированным или безнапорным режимом течения дополнительно используются датчики (первичные преобразователи) глубины - гидростатические, радарные бесконтактные, ультразвуковые подводные или ультразвуковые бесконтактные. При наличии отложений, влияющих на форму и площадь живого сечения потока, используются датчики уровня наносов.

Расходомер может устанавливаться на всех участках цикла технического водоснабжения ТЭС, благодаря широкому выбору типов первичных преобразователей и передовым подходам к обработке результатов измерения.

Типы используемых акустических преобразователей:

П9111 – самый популярный тип акустического преобразователя, предназначенный для установки врезным способом через стенку водовода. Используется тогда, когда стенка водовода доступна снаружи для монтажа. Является наиболее предпочтительным способом установки акустических преобразователей. Монтажный элемент имеет в своем составе шаровой кран, что позволяет, используя специальный механизм, извлекать акустический преобразователь для замены или обслуживания под напором.

Рисунок 7. Реализация 8 лучевой перекрестной схемы используя акустический преобразователь П9111

П9210 – акустический преобразователь для установки внутри водовода. Используется в том случае, если стенки водовода снаружи недоступны для монтажа, например, подземные сбросные бетонные водоводы или открытые подводящие, или отводящие каналы. Особенностью данного типа является наличие дублированного излучающего элемента, что позволяет повысить надежность измерительной системы в целом. Применяется в случаях, когда опорожнение водовода для обслуживания или замены акустического преобразователя сопряжено с определенными трудностями или невозможно

Рисунок 8. Акустический преобразователь П9210

П9211 – низкопрофильный акустический преобразователь для внутреннего монтажа.

Рисунок 9. Акустический преобразователь П9211

П9510 – первичный преобразователь, имеющий подвижный излучающий элемент. Применение данного акустического преобразователя оправдано в том случае, если стенки прямоугольного канала не параллельны.

Рисунок 10. Акустический преобразователь П9510

П9320-500 – первичный акустический преобразователь для прямоугольных и трапецеидальных каналов, имеет две степени свободы излучающего элемента и может использоваться в качестве первичного преобразователя глубины при расположении излучающей поверхности параллельно уровню потока.

Рисунок 11. Акустический преобразователь П9320-500

ТЭЦ-12 ПАО «Мосэнерго»

В 2020 году нами был реализован уникальный проект по установке многолучевого расходомера «Волга МЛ» на подводящих каналах ТЭЦ-12 ПАО «Мосэнерго». Подводящие каналы ТЭЦ-12 представляют собой четыре подземных бетонных водовода, работающие в комбинированном напорно-безнапорном режиме (режим течения зависит от уровня реки Москва). В данном проекте были воплощены сразу несколько уникальных для России решений:

- подводная установка первичных преобразователей промышленными водолазами (состояние гидротехнических сооружений ТЭЦ не позволило осушить водовод)

- установка измерителя уровня твердых наносов в каналах

- объемный расход во всех четырех каналах измеряется одним расходомером

- измерение расхода в комбинированном напорно-безнапорном режиме течения.

В водозаборных каналах установлены первичные преобразователи П9210 расходомера «Волга МЛ» с реализацией 4 лучевой схемы измерения.

Подробное освещение этого выдающегося инженерного проекта выходит за рамки данного доклада и достойно отдельного выступления, которое мы обязательно сделаем в одном из следующих мероприятий.

Выводы

Задаче измерения объемного расхода воды на открытых и закрытых подводящих и отводящих безнапорных водоводах тепловых и атомных станций наилучшим образом отвечает многолучевой акустический времяимпульсный метод измерения. Использование данного метода позволит измерять объемный расход в широких каналах любой формы поперечного сечения с высокой точностью.

Список литературы

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).
ГОСТ Р 51657.5-2002 Водоучет на гидромелиоративных и водохозяйственных системах. Способ измерения расходов воды с использованием ультразвуковых (акустических) измерителей скорости. Общие технические требования.
СО 153-34.20.501-2003 Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации.
Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений: М.: Энергоатомиздат, 1988.
ASME PTC 18-2002. Hydraulic turbines performance test codes. (Американская ассоциация инженеров-механиков: Гидравлические турбины и насос-турбины. Коды испытаний производительности).
Staubli T, Luescher B, Gruber P, Widmer M. Optimization of acoustic discharge measurement using CFD. International Journal on Hydropower & Dams 2008; 15(2):109–12.