Измерение расхода воды для каналов большого сечения гидроагрегатов ГЭС

1. Система “ПОТОК” Измерение расхода воды для каналов большого сечения гидроагрегатов ГЭС Жуковский – Саров – Москва - Заволжье 2012

2. Знание расхода важно при решении различных задач, например, но не ограничиваясь: • проверка заводских показателей при пуске турбины, • - периодический контроль текущего технического состояния агрегата в процессе эксплуатации, • - измерение расхода воды для фискальных и иных целей. Постановка задачи

3. Постановка задачи • Основные технические требования • максимальноеиспользование именно измерений и минимизация средств математической интерполяции и экстраполяции, в идеале сведение их до уровня, принципиально не позволяющего внести ошибку выше закладываемой точности измерений • получение результатов в псевдо реальном времени, с задержками, не существенными, как минимум, для наблюдения за процессами в системе «гидроагрегат-водоток» • достижение точности измерения расхода не хуже 0,5% • Эксплуатационные требования • возможность оперативного монтажа и демонтажа оборудования без осушения каналов и даже без остановки гидроагрегата • программная настройка на различные варианты каналов

4. Сравнительный анализ распространенных методов измерения расхода Направление улучшения параметров

5. Линия измерения 3 В3 В2 В1 1м Испытания ADCP в лаборатории НИИЭС Таблица 1 Сравнительные результаты измерения скорости Таблица 2. Результаты измерения расхода • Точность измерения скорости в центре в пределах ошибок вертушек. У стен точность падает. • Значительные ограничения в узких каналах.

6. Критика ADCP 40º Точки реального измерения Точка учета данных Принцип измерения скорости потока с помощью ADCP не является прямым измерением. Основан на представлении скорости в некоторой точке по результатам измерений скорости не в самой этой точке, а в точках значительно (на несколько метров) отстоящих от нее. Потенциально большой размер слепых зон из-за принципиального наличия расходящихся под значительным углом лучей.

7. Продольное сканирование Принцип действия Продольное сканирование (предложение) Решетка гидрометрических вертушек, или иных датчиков Используется как эталон

8. R4 R2 R1 Продольное сканирование Принцип действия R1 R2 R3 R7 Внешний вид сегментированной сферы. 7 сегментов Сечение сегментированной сферой. 7 сегментов

9. Выбор варианта размещения датчика в протоках Принципы размещения. Датчик в целях безопасности турбины должен располагаться перед сороудерживающей решеткой. Установка должна осуществляться без остановки гидроагрегата Отказаться от использования техники с высокой грузоподъемностью. Минимизация ошибки измерения расхода.

10. Выбор варианта размещения датчика в протоках Вариант 1 размещения датчика. Предполагаемое место установки – пазы ходовых колес грейфера. Направление потока Датчик Специальная рама-ферма

11. Выбор варианта размещения датчика в протоках Предполагаемое место установки – сороудерживающая решетка. Вариант 2 размещения датчика.

12. Выбор варианта размещения датчика в протоках Вариант 3 размещения датчика. Рельс грейфера Трос Предполагаемое место установки – паз ходовых колес грейфера.

13. Моделирование 7 перекрывающихся сфер. Моделирование 7 перекрывающихся сфер. Моделирование 7 перекрывающихся сфер. Условия моделирования: 4 луча по ,  = 1, L = 0.1m Обозначения: 0 - отклонение первого луча от стены  - отклонение оси вращения от перпендикуляра Условия моделирования: 4 луча по ,  = 1, L = 0.1m Обозначения: 0 - отклонение первого луча от стены  - отклонение оси вращения от перпендикуляра Условия моделирования: 4 луча по ,  = 1, L = 0.1m Обозначения: 0 - отклонение первого луча от стены  - отклонение оси вращения от перпендикуляра Перебор вариантов • Проверены десятки вариантов координации датчика относительно канала. Подобрана комбинация параметров минимизирующая погрешности измерения. • Испытаны различные комбинации параметров сканирования. Выбран режим с минимальным влиянием мешающих факторов. • Проанализированы несколько вариантов измерительной поверхности и выбрана сегментированная сфера Ошибка по расходу (%)

14. R4 R2 R1 Параметры режима сканирования. Выбраны по итогам моделирования Число сегментов измерительной сферы 7 Число лучей в горизонтальной плоскости 4. Шаг по углу в горизонтальной плоскости 11°. Угол наклона оси вращения относительно перпендикуляра к стене в горизонтальной плоскости 10°. Шаг по вертикали при сканировании 3° . Разрешение по дальности 0,5м Диапазон сканирования по вертикали ±70º Место положения датчика по глубине середина обозреваемого сечения Положение измерительного сечения у входа в протоку со стороны верхнего бьефа.

15. Структурная схема системыПОТОК В информационную сеть ГЭС Пост оператора АРМ оператора «HyFlow» Пульт приема информации «HyScan» Пульт приема информации «HyScan» Пульт приема информации «HyScan» Монтажный комплект Погружаемые элементы Датчик «Гидра4F» Водовод 1 Датчик «Гидра4F» Водовод 2 Датчик «Гидра4F» Водовод 3 Питание: 220В 50ГЦ. Общее потребление: 500 Вт.

16. Датчик «Гидра4F» Масса датчика - 9кгна воздухе Диаметр кабеля – 10 мм Число лучей - 4, задается аппаратной конфигурацией. Угол сканирования ±70˚ с шагом 3˚, настраивается программно.

17. Основные технические характеристики акустического датчика. Диапазон частот 720-1000 кГц Ширина каждого луча 3°х3° Предельное разрешение по дальности 2,5 см Возможность регулировки разрешения 2,5-500 см шаг 1 см по дальности Возможность регулировки 5 -100 м шаг 0,5 м дальности зондирования Диапазон измерения скорости воды ±5 м/сек Точность измерения скорости воды 1% Диапазон сканирования по вертикали ±110° Шаг сканирования по вертикали задается программно с точностью 0,1°

18. Размещение датчика Специальная тележка, перемещаемая по рельсам в пазу грейфера

19. Размещение оборудования на ГЭС Пост спуска подъема Кабель информационный Трос несущий Рабочее место оператора Кабельный канал

20. Моделирование течений Плоскость сканирования 2 1 Допущения - Вода - несжимаемая жидкость с постоянной плотностью- Концентрация примесей и газов пренебрежимо мала- В один и тот же момент расход жидкости через любое сечение канала есть величина постоянная Результаты - Расчеты ОРГРЭС (1967 г.) практически совпадают с расчетами авторов разработки - Результаты испытаний близки к расчетам

21. Поверхность интегрирования потока

22. Моделирование сканирования Расчетный профиль нормальных скоростей Профиль восстановленный по измерениям

23. 3 2 1 Восстановленное по результатам измерений поле скоростейв сечении проток 3 2 1

24. 3 2 1 Восстановленное по результатам измерений поле скоростейв сечении проток в виде изолиний

25. Вид на протоку сверху Первая измерительная сфера Вторая измерительная сфера Один из вариантов минимизации слепых зон Установка датчиков на обоих берегах протоки снижает влияние слепой зоны противоположного берега.

26. Экспериментальные данные по расходу, полученные системой ПОТОК. Данные экспериментальных измерений системой ПОТОК Данные по отчету ОРГРЭС. Совпадают с собственным расчетом. Телеметрические данные на 4-ом гидроагрегате • Результат. • Расчет и эксперимент дают близкие результаты (5%) • При изменении электрической нагрузки измеритель регистрирует соответствующее увеличение расхода • Телеметрические данные отличаются от расчетных и измеренных. 4ГА

27. Сравнительный анализ распространенных методов измерения расхода и предлагаемого решения Направление улучшения параметров

28. Типовой алгоритм внедрения системы измерения турбинного расхода на основе датчиков ПОТОК Этап 1. Разработка проекта привязки системы к конкретному объекту: - предварительная компоновка датчиков и моделирование процесса измерения в конкретных условиях, - разработка архитектурной привязки системы ПОТОК к объекту, - разработка монтажных комплектов, - проработка информационной совместимости с объектом, - согласование технических требований и комплекта поставки. Этап 2. Изготовление и поставка компонентов системы ПОТОК. Этап 3. Монтаж и пусконаладочные работы: - собственно монтаж оборудования, - юстировка оптимального места и ориентации датчиков, - отработка режимов сканирования, - информационная стыковка, - тарировка эксплуатационного варианта системы ПОТОК. Этап 4. Обслуживание на протяжении всего жизненного цикла: - периодическая тарировка, - поддержка и развитие информационной аспектов эксплуатации системы, - разовые технические мероприятия.

29. Общие итоги работ. Проведены сравнительные испытания доплеровских методов измерения скорости воды и на экспериментах, как лабораторных так и полевых, подтверждена возможность создания на их основе систем измерения расхода силами Российских компаний. Разработан вариант доплеровской системы измерения расхода ПОТОК с оптимальной комбинацией свойств, сочетающих высокие технические и эксплуатационные характеристики. На практических испытаниях на реальном объекте Русгидро продемонстрирована принципиальная работоспособность системы ПОТОК для гидроагрегатов, высокие эксплуатационные характеристики. Точностные характеристики системы ПОТОК необходимо проверить в рамках сертификационных испытаний. Программа сертификации должна быть одобрена Заказчиком. Коллектив разработчиков считает возможным в течении 2013 г. провести все необходимые мероприятия по сертификации и техническому совершенствованию системы ПОТОК вплоть до готовности к поставкам.

30. Предложения. • Рассмотреть возможность организации совместных работ по сертификации системы измерения турбинных расходов «Поток». • Рассмотреть создание системы ПОТОК в 2-ух функционально-стоимостных вариантах: • - относительно дорогой и очень точный вариант для проведения торировочных мероприятий или им подобным путем прямых измерений, • - относительно дешевый вариант с частичной возможностью использования косвенных измерений для повседневной эксплуатации. • Организовать работу с окончанием сертификационных и технических мероприятий в 2013 г. и перейти к поставке с конца 2013 г. Искренняяблагодарность Сотрудникам НИИЭС и Нижегородской ГЭС за помощь и конструктивное сотрудничество как в теоретической области, так и в практической деятельности.