Высокоточное измерение расхода циркуляционной воды на ТЭЦ и АЭС в сложных гидравлических условиях. Акустический расходомер Волга МЛ.

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

Введение

            Учет воды в системах технического водоснабжения на современных тепловых и атомных станциях преследует несколько основных целей:

•  удовлетворение требованиям природоохранного законодательства
•  коммерческий учет для расчетов за используемую воду с государством
•  технологический учет для контроля работы энергетического оборудования
•  непрерывный мониторинг КПД

            При этом, зачастую, встает вопрос выбора средств измерения расхода, способных измерять объемный расход воды с необходимой точностью. Негативным фактором может служить сложность установки расходомеров традиционных типов в условиях недостаточных длин прямых участков, а также с учетом стесненности расположения существующих трубопроводов, особенно внутри здания машинного зала ТЭС. Для внедрения расходомеров на таких участках необходимо использовать современные подходы, которые будут описаны ниже.

Цель работы

            Целью настоящего доклада является обзор средств измерения и подходов, позволяющих решить задачи измерения объемного расхода воды в системах технического водоснабжения ТЭС для определения водного баланса.

Метод измерения

Для измерения объемного расхода воды на всех циклах технического водоснабжения тепловых и атомных электростанций лучшим выбором является времяимпульсный метод измерения расхода (в зарубежной терминологии «transit-time»), который 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 1. 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 2. 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».

Значительно 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 3. Двухплоскостное (перекрестное) расположение акутических лучей

Количество, расположение лучей и метод интегрирования расхода подробно описан в российских и международных стандартах ISO6416, МЭК (IEC) 60041, ASME PTC-18 и ГОСТ Р 51657.5-2002.

В случае если в створе измерения возможен безнапорный или комбинированный режим течения для вычисления объемного расхода используется метод «площадь-скорость» с применением уравнения неразрывности

Q=S*V

Где

S – площадь живого сечения потока

V – средняя скорость по сечению

В этом случае, кроме акустических преобразователей, использующихся для измерения скорости потока, устанавливаются один или несколько первичных преобразователей глубины.

Установка расходомеров на ТЭС

            Рассмотрим типичную схему водоснабжения прямоточного типа

Рисунок 4. Схема технического водоснабжения ТЭС прямоточного типа

На станциях такого типа необходимо обеспечить технологический и коммерческий учет на следующих водоводах:

Qовк – линия подогрева водозаборного ковша. Работает только в холодное время года и предотвращает образование шуги и льда вблизи водозаборного ковша береговой насосной станции. Чаще всего представляет собой безнапорный водовод круглого или прямоугольного сечения.

Qвпу – трубопровод подачи чистой воды на водоподготовительные установки для подпитки теплосети и восполнения потерь. Чаще всего это напорный трубопровод небольшого диаметра. Иногда, для обеспечения необходимого уровня чистоты воды, линия подачи воды на ВПУ устраивают от отдельного насоса, а точка забора воды из реки или пруда-охладителя выбирают подальше от берега. Чаще всего используют двухлучевую сзему установки первичных преобразователей.

Qцв – трубопроводы циркуляционной воды (циркводоводы). Чаще всего имеют сравнительно большой диаметр, зависящий от мощности используемых турбин (до 3000 мм) и проложены под землей. Для установки расходомеров устраивают камеру расходомеров. В зависимости от конфигурации и длин прямых участков используют двух или четырех лучевую схему

Qкс1, Qкс2 – линии подачи воды в конденсаторы, причем учет ведется раздельно на каждом потоке и, при наличии, на встроенном пучке. Для этих трубопроводов свойственно наличие очень малых прямых участков, поскольку ни при проектировании, ни при строительстве не предполагалось установка расходомеров, особенно для старых электростанций. Поэтому времяимпульсные многолучевые расходомеры являются по сути безальтернативным методом измерения объемного расхода воды в таких сложных условиях. Для мониторинга КПД ПТУ необходимо обеспечить измерение расхода воды с высокой точностью (до 0,5%), поэтому количество устанавливаемых первичных преобразователей в некоторых случаях доходит до восьми, формируя схемы 4 луча в двух плоскостях (всего 8 лучей).

Qсб – сбросные каналы, отводящие нагретую воду из конденсаторов в открытый водный объект (река, водохранилище или пруд-охладитель). Чаще всего представляют собой безнапорные подземные водоводы, чаще прямоугольного сечения. Площадь поперечного сечения сбросных каналов зависит от мощности ТЭС и достигают нескольких квадратных метров. Затем сбросные водоводы переходят в открытый сбросной канал. Для установки расходомера применяют первичные преобразователи внутреннего монтажа на боковые стенки водоводов и датчик глубины. Число акустических лучей определяется конфигурацией сбросных водоводов и длинами прямых участков до и после створа измерения, обычно используют от 2 до 4 акустических лучей.

Схема установки средств измерения объемного расхода на станциях с оборотной системой технического водоснабжения с прудами-охладителями аналогична.

Если рассмотреть схему оборотного водоснабжения ТЭС с градирнями, то вместо измерения расхода воды на сбросном канале Qсб устанавливают расходомеры на подводящих водоводах к градирням, что позволяет постоянно отслеживать их производительность.

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 5. Реализация 8 лучевой перекрестной схемы используя акустическй 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 6. Акустический преобразователь П9210.

П9211 – низкопрофильный акустический преобразователь для внутреннего монтажа.

Рисунок 7. 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 8. Акустический  преобразователь П9510

Реализованные проекты

Нижне-Туринская ГРЭС

            Нижне-Туринская ГРЭС является единственной ТЭС в РФ, где нами внедрены ультразвуковые многолучевые расходомеры на всех циклах системы технического водоснабжения, в том числе на всех трубопроводах подачи воды в конденсаторы, где для достижения требуемой точности была выбрана восьмилучевая перекрестная схема на каждом трубопроводе (Поток 1, Поток 2 и на встроенном пучке) каждой паровой турбины.

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 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

Измерение объемного расхода воды на энергетических предприятиях с использованием инновационного отечественного оборудования возможно даже в тех сложных случаях, где до недавнего времени подобные измерения казались невозможными. Применяя современные многолучевые системы для сложных гидравлических условий, эксплуатационный персонал получает достоверные точные надежные данные о расходах воды для принятия решений и управления работой энергетического оборудования. 

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).
2. ГОСТ Р 51657.5-2002 Водоучет на гидромелиоративных и водохозяйственных системах. Способ измерения расходов воды с использованием ультразвуковых (акустических) измерителей скорости. Общие технические требования.
3. СО 153-34.20.501-2003 Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации.
4. Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений: М.: Энергоатомиздат, 1988.
5. ASME PTC 18-2002. Hydraulic turbines performance test codes. (Американская ассоциация инженеров-механиков: Гидравлические турбины и насос-турбины. Коды испытаний производительности).
6. 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.