СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОГО РАСХОДА ТУРБИН НИЗКОНАПОРНЫХ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF DETERMINING TURBINE VOLUME FLOW RATE OF LOW-PRESSURE HYDRAULIC POWER PLANTS

Изобретение относится к способам измерения расхода турбин русловых гидроэлектростанций для непрерывного эксплуатационного контроля его величины.
Из рекомендаций международного стандарта IEC 41:1991 /1/ известен способ измерения расходов турбин низконапорных гидроэлектростанций, именуемый методом Винтера-Кеннеди.
Способ обладает рядом недостатков:
- низкой надежностью для обеспечения необходимого непрерывного эксплуатационного контроля водопотребления вследствие необходимости регулярного контроля за состоянием отборников давления и продувки импульсных трубок;
- неремонтоспособностью импульсных трубок в случае их выхода из строя, т.к. они прокладываются в бетонном массиве.
В настоящее время, в связи с широким применением точного и надежного акустического способа определения средней величины скорости потока, метод Винтера-Кеннеди применяется редко.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения объемного расхода воды турбин низконапорных гидравлических установок с железобетонными спиральными камерами трапецеидального сечения с неполным углом охвата и статорами в виде колонн, сверху и снизу объединенных поясами, заключающийся в измерении средней скорости потока с использованием акустического метода при формировании акустического луча акустическими преобразователями и определении объемного расхода воды по измеренному параметру скорости и постоянному коэффициенту расхода, определенному при энергетических испытаниях на конкретном объекте по патенту РФ 2201579 /2/. Этот способ предусматривает применение акустического способа определения средней скорости потока в сечении спиральной камеры с размещением акустических преобразователей в горизонтальной плоскости в пределах высоты статорных колонн. Один из акустических преобразователей (АП1) устанавливается на оголовке статорной колонны, а второй (АП2) - в горизонтальной плоскости на стенке спиральной камеры.
Этот способ имеет следующие недостатки:
- размещение акустического преобразователя и защитной трубы кабельной линии на входном оголовке статорной колонны искажает его профиль;
- на входе в статор имеют место наибольшие скорости, в связи с чем при лобовом натекании потока на акустический преобразователь вероятно его повреждение влекомыми потоком предметами;
- при вычислении коэффициента расхода принято равномерное распределение расхода по периметру статора. В действительности через открытую часть спиральной камеры поступает на 13-15% расхода больше, чем в спиральную часть (И.Е.Михайлов. Турбинные камеры гидроэлектростанций. М.: Энергия, 1970 г. /3/).
Кроме того, коэффициент расхода по способу вычисляется по геометрическим параметрам спиральной камеры и трассировке акустического луча из условия равномерного распределения расхода, что приводит к существенному завышению его величины.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в обеспечении высокой точности измерения расхода турбин русловых гидроэлектростанций и надежности измерительной системы, позволяющей выполнять непрерывный эксплуатационный контроль величины расхода.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается по первому варианту тем, что способ определения объемного расхода воды турбин низконапорных гидравлических установок с железобетонными спиральными камерами трапецеидального сечения с неполным углом охвата и статорами в виде колонн, сверху и снизу объединенных поясами, заключающийся в измерении средней скорости потока с использованием акустического метода при формировании акустического луча акустическими преобразователями и определении объемного расхода воды по измеренному параметру скорости и постоянному коэффициенту расхода, определенному при энергетических испытаниях на конкретном объекте, при этом один из акустических преобразователей (АП3 или АП5) устанавливают, минуя статорную колонну, на верхнем или нижнем поясе статора, а второй - на стене спиральной камеры в горизонтальной плоскости или под углом к ней.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается по второму варианту тем, что способ определения объемного расхода воды турбин низконапорных гидравлических установок с железобетонными спиральными камерами трапецеидального сечения с неполным углом охвата и статорами в виде колонн, сверху и снизу объединенных поясами, заключающийся в измерении средней скорости потока с использованием акустического метода при формировании акустического луча акустическими преобразователями и определении объемного расхода воды по измеренному параметру скорости и постоянному коэффициенту расхода, определенному при энергетических испытаниях на конкретном объекте, при этом на верхнем или нижнем поясе статора устанавливают отражатель акустического луча, а оба акустических преобразователя устанавливают на стенке спиральной камеры так, что одна ветвь акустического луча, отсеченного отражателем, трассируется в плане под углом установки статорных колонн, а вторая - под углом 90° к ней.
Для обоих вариантов постоянный коэффициент расхода определяют по результатам энергетических испытаний гидротурбины непосредственно на конкретном объекте при максимальной (расчетной) величине коэффициента полезного действия.
На Фиг.1 показано размещение акустических преобразователей (АП) и отражателей акустического луча (ОА) в плане спиральной камеры.
На Фиг.2 показано размещение акустических преобразователей (АП) и отражателей акустического луча (ОА) в поперечных сечениях спиральной камеры таврового сечения симметричного профиля.
На Фиг.3 представлено распределение средних величин радиальных скоростей по периметру статора в спиральной камере с углом охвата φ=180°.
На Фиг.4 показана схема определения величин проекций абсолютной величины скорости потока на акустический луч.
На Фиг.5 - проекция скорости на акустический луч в горизонтальной плоскости.
z
cp
На Фиг.6 - проекция скорости на акустический луч под углом к горизонтальной плоскости при (v)=0.
z
cp
1
2
На Фиг.7 - то же, что на Фиг.6, при (v)>0 в промежутке от АП4 до АП4.
На Фиг.8 приведено размещение акустических преобразователей в поперечном сечении спиральной камеры таврового сечения, развитого вниз.
На Фиг.9 - то же, что на Фиг.8, для сечения, развитого вверх.
На Фиг.10 показаны зависимости распределения относительных величин вертикальной составляющей скорости по высоте поперечного сечения (кривая 1 - для симметричного профиля, 2 - для профиля, развитого вверх, 3 - для профиля, развитого вниз).
На Фиг.11 представлена эксплуатационная характеристика турбины ПЛ 20/811 - В - 1000 Нижнекамской ГЭС.
Компоновка проточной части русловых гидроэлектростанций не содержит участков с круглым поперечным сечением. Водоприемник непосредственно сочленяется с входным сечением железобетонной спиральной камеры таврового сечения с неполным углом охвата (φ=180-200° /3/, Фиг.1). Здесь позицией 4 обозначена стенка спиральной камеры, позициями 5 и 6 - верхний и нижний пояса статора соответственно. На проекции O1 расположен АП1, на O2 - АП3, АП5, ОА1 и ОА2, на O3 - АПОА1, АПОА2 и АПТОА, на O4 - АП2, АП4i и АП6 (АП - акустические преобразователи, ОА - отражатели акустических импульсов, АПОА - акустические преобразователи, работающие с использованием отражателей акустических импульсов, АПТ - акустические преобразователи, размещенные на стенке спиральной камеры в горизонтальной плоскости на половине высоты статорных колонн).
1
2
3
Радиусы "r" на Фиг.1 обозначают: r - радиус внешнего контура верхнего и нижнего поясов статора, r - радиус окружности, проведенной по выходным кромкам статорных колонн, r - расстояние от центра до акустического преобразователя на стенке спиральной камеры в створе I.
0
ф
На чертежах высота статора обозначена "b", а "b" - высота сечения спиральной камеры при угле охвата "ф".
u
В отечественной и зарубежной практике преобладает расчет спиральных камер по закону площадей, т.е. по условию постоянства момента окружной составляющей скорости v:
где r - радиус, отсчитываемый от оси вращения турбины до расчетной точки в сечении спирали.
Предполагая равномерное распределение величины расхода по периметру и высоте статора, имеем:
r
где: v - радиальная составляющая скорости;
ст
α - угол установки статорных колонн.
Из уравнения (2) имеем /3/:
0
где b - высота статора;
Q - произвольная величина расхода.
u
Средняя величина окружной скорости v равна:
или
где:
- длина акустического луча;
1
R - расстояние от центра до места установки акустического преобразователя на статорной колонне (по патенту /2/) или на поясах статора (по заявленному способу);
2
R - расстояние от центра до места установки акустического преобразователя на стенке спиральной камеры.
Абсолютная величина скорости, проецируемая на акустический луч в горизонтальной плоскости, равна (Фиг.4, 5):
где  - средняя радиальная составляющая скорости.
1
1
1
1
Такая проекция абсолютной величины скорости на акустический луч будет, если акустический луч расположен в горизонтальной плоскости в пределах высоты статорных колонн от АП1 до АП2, от АП3 до АП4 или от АП5 до АП6 при тавровом сечении симметричного профиля спиральной камеры (Фиг.2), от АП3 до АП4 или от АП5 до АП6 в поперечных сечениях спиральных камер тавровых сечений, развитых вверх или вниз (Фиг.8, 9).
2
2
z
cp
При трассировке акустического луча под углом к горизонтальной плоскости - от АП3 до АП4 или от АП5 до АП6 для таврового сечения симметричного профиля (Фиг.2), вертикальная составляющая компенсируется и (v)=0 (Фиг.10, кривая 1).
Проекция абсолютной скорости на акустический луч (Фиг.4-7) будет равна:
1
2
1
2
При трассировке акустического луча, когда акустический преобразователь помещается на стенке спиральной камеры в промежутке между АП4 и АП4 или АП6 и АП6 (Фиг.2 и Фиг.8-9), проекция абсолютной скорости на акустический луч определяется с учетом вертикальной составляющей скорости (Фиг.10).
Проекция абсолютной скорости в этих случаях (Фиг.10) равна:
В заявленном способе применен акустический метод определения средней скорости потока, проецируемой на акустический луч. Величина проекции абсолютной величины скорости на акустический луч вычисляется по выражениям:
1
2
где: t и t - время распространения ультразвукового импульса по потоку и против него, с;
α
L - длина активной части акустического луча, м;
0
С - скорость ультразвука в неподвижной воде, м/с;
пр
v - проекция абсолютной скорости потока на акустический луч по уравнениям (5), (6) или (7), м/с.
Из уравнений (8) и (9) имеем:
0
α
1
2
где С=2 L/(t+t), принятая в расчетах равной 1447 м/с (11).
Уравнения (8), (9) и (10) отличаются от уравнений, принятых для водоводов с круглым поперечным сечением.
пр
Для определения объемного расхода измеряют время распространения ультразвукового импульса от одного акустического преобразователя к другому и обратно, вычисляют среднюю величину проекции абсолютной величины скорости потока на акустический луч v, производят на действующей установке энергетические испытания гидросилового агрегата, вычисляют постоянный коэффициент пропорциональности по выражению:
где: Р - измеренная активная мощность генератора в кВт;
Н - рабочий напор турбины в м;
т
η - гарантированная максимальная величина КПД турбины в расчетной точке;
г
η - гарантированная величина КПД генератора для измеренной активной мощности генератора при отсутствии реактивной составляющей (cos φ=1), вычисляют величину расхода:
пр
При трассировке акустического луча в горизонтальной плоскости v равна абсолютной величине скорости потока, а при трассировке под углом к горизонтальной плоскости меньше ее величины.
1
По данным экспериментальных исследований эпюры окружных, радиальных и вертикальных составляющих скоростей в сечении спиральной части турбинной камеры для различных величин расхода подобны. Изменяются только их абсолютные значения в соответствии с изменением величины расхода. Таким образом, безразмерные поля скоростей в турбинной камере не зависят от режима работы гидротурбины и определяются только размерами камеры, ее формой и условиями входа /3/. Это свойство обеспечивает постоянство коэффициента K во всем диапазоне изменения величины расхода (от режима холостого хода турбины до максимальной).
1
пp
В связи с этим, учитывая сложную форму потока в спиральной камере, точное значение коэффициента K в уравнении (13) может быть определено только экспериментом, при котором одновременно с определением v, определяется величина расхода Q другими методами.
В одном из них используется принцип «скорость - площадь» с применением гидрометрических вертушек, устанавливаемых на раме, размещаемой в пазах водоприемника.
Даже при хороших средствах измерений, однородности распределения скоростей по сечению и заполнению точками измерений всего сечения погрешность достигает ±2%. Для крупных низконапорных гидроэлектростанций с двумя-тремя пролетами водоприемника выполнение таких условий невозможно, и погрешность определения величин расхода значительно превышает указанную выше и достигает трех и более процентов.
В заявленном способе предусмотрено выполнение испытаний при режиме, соответствующем максимальной гарантированной с погрешностью не более ±1% величине КПД гидротурбины (точка А на Фиг.11).
1
т
т
В таблице 1 приведены результаты определения коэффициента K для режимных точек A (N=68 МВт, Н=16,8 м и η=94,5%) и В (N=62,5 МВт, Н=11,5 м и η=93%). Последний режим был испытан в 2005 году на агрегате №5 Нижнекамской ГЭС. В этой же таблице (колонка 4) приведены данные, вычисленные по геометрическим параметрам спиральной камеры (согласно способу /2/) применительно к условиям Нижнекамской ГЭС (Фиг.1).
2
Коэффициент К, приведенный в таблице, определен по выражению:
2
1
3
где: (t-t) приводится в мкс, а расход Q - в м/с.
1
Из результатов, приведенных в таблице 1, следует, что при вычислении коэффициента K только по геометрическим параметрам спиральной камеры и размещению акустических преобразователей по аналогу /2/ его величина значительно завышается. Так для условий Нижнекамской ГЭС завышение достигает 7,7%. Причина этого заключается в принятии концепции о равномерном распределении расхода по периметру статора.
1
2
В таблице 2 приведены величины K и К для различных схем трассировки акустического луча по первому варианту заявленного способа (Фиг.2, Фиг.4-7). Некоторое их изменение по сравнению с данными таблицы 1 обусловлено тем, что для защиты акустических преобразователей от лобового натекания потока и возможных повреждений они размещены не на оголовках статорных колонн, а на поясах статора.
По второму варианту в заявленном способе достижение указанных технических результатов обеспечивается тем, что для измерения расхода жидкости в спиральной камере с применением ультразвукового метода определения средней величины скорости потока на верхнем или нижнем поясах статора устанавливается отражатель акустического луча (ОА1 или ОА2, Фиг.1 и 2), а акустические преобразователи устанавливаются на стенке спиральной камеры в створах I и II (Фиг.1). В створе I акустический преобразователь может быть установлен в любой точке по вертикали между АП4 и АП6, которые размещаются в горизонтальных плоскостях, соответствующих размещению отражателей акустического луча ОА1 и ОА2 (Фиг.2).
В створе II акустический преобразователь АПОА устанавливается в той же плоскости, которая выбрана для установки акустического преобразователя на стенке спиральной камеры в створе I.
α
OA
α
OA
Полная длина акустического луча складывается из двух частей (L+L), где L - длина акустического луча от акустического преобразователя, установленного на стенке спиральной камеры в створе I, до отражателя акустического луча, установленного на поясе статора, а L - длина акустического луча от отражателя акустического луча до акустического преобразователя, установленного на стенке спиральной камеры в створе II.
α
ст
OA
Угол в плане между створами I и II равен 90°. В этом случае при трассировке акустического луча L в створе I под углом α установки статорных колонн на акустический луч проецируется абсолютная величина скорости потока, а на луч L проекция скорости равна нулю или при некоторых трассировках акустического луча практически равна нулю.
1
2
В таблице 3 приведены данные результатов определения коэффициентов K и K по второму варианту заявленного способа.
1
2
Для определения величин K и К по второму варианту заявленного способа использовались те же формулы, которые применялись для вычислений по первому варианту.
1
2
Исключением является вычисление величин t и t, которые для второго варианта заявленного способа определялись по уравнениям в виде:
пр1
α
где: V - проекция абсолютной величины скорости на акустический луч L;
пp2
z
cp
V - проекция вертикальной составляющей скорости (v) на акустический
OA
луч L.
z
cp
При трассировке акустических лучей в горизонтальной плоскости или на наклонной плоскости в спиральной камере таврового сечения симметричного профиля (Фиг.10, кривая 1) величина (v)=0.
z
cp
1
2
При трассировке акустического луча на наклонной плоскости от поясов статора до акустических преобразователей, установленных на стенке спиральной камеры в горизонтальной плоскости, проведенной через середину высоты статорных колонн, величина (v) незначительна (Фиг.10, кривые 2 и 3) и практически не влияет на определение коэффициентов K и К.
Из сравнения результатов, приведенных в таблицах 2 и 3 следует, что оба варианта обеспечивают достижение одинакового технического результата. То есть в равной степени обеспечивают высокую точность измерения расхода турбин русловых гидроэлектростанций и надежность измерительной системы.
ТАБЛИЦА 1
Параметры
По эксплуатационной характеристике
Аналог /2/
Режим А (Фиг.11)
Режим В (Фиг.11)
1
2
3
4
L<sub>α</sub>, м
6,0275
6,0275
6,0275
V<sub>u</sub>, м/с
3,02
4,12
3,02
(V<sub>u</sub>)<sub>cp</sub>, м/с
1,80
2,46
1,80
(V<sub>r</sub>)<sub>cp</sub>, м/с
1,19
1,63
1,19
v<sub>пp</sub>, м/с
2,16
2,95
2,16
t<sub>1</sub>, с
0,00415931
0,00415704
-
t<sub>2</sub>, c
0,00417174
0,00417408
-
t<sub>2</sub>-t<sub>1</sub>, мкс
12,43
16,98
-
K<sub>1</sub>
202,14
201,93
217,80
K<sub>2</sub>
35,126
35,082
-
ТАБЛИЦА 2
Параметры
Трассировка акустического луча по первому варианту заявленного способа
АП3-АП4<sub>1</sub> или AП5-AП6<sub>1 </sub>(β=0<sup>0</sup>)
АП3-АПТ или АП5-АПТ (β=22,84°)
АП3-АП4<sub>2</sub> или АП5-АП6<sub>2 </sub>(β+γ=40,11°)
L<sub>α</sub>, м
5,841
6,338
7,637
V<sub>u</sub>, м/с
2,95
2,95
2,95
(V<sub>u</sub>)<sub>cp</sub>, м/с
1,76
1,62
1,35
(V<sub>r</sub>)<sub>cp</sub>, м/с
1,16
1,07
0,89
(V<sub>z</sub>)<sub>cp</sub>, м/с
0
0,15
0
v<sub>пp</sub>, м/с
2,11
1,80
1,24
t<sub>1</sub>, с
0,00403006
0,00437465
0,00527330
t<sub>2</sub>, c
0,00404183
0,00438555
0,00528234
t<sub>2</sub>-t<sub>1</sub>, мкс
11,77
10,90
9,04
K<sub>1</sub>
206,93
242,57
352,11
К<sub>2</sub>
37,096
40,06
48,299
ТАБЛИЦА 3
Параметры
Трассировка акустического луча по второму варианту заявленного способа
АП4<sub>1</sub>-ОА<sub>1</sub>-АПОА<sub>1</sub> или АП4<sub>2</sub>-ОА<sub>2</sub>-АПОА<sub>2</sub> (Фиг.1 и 2)
АПТ-ОА<sub>1</sub>-АПТОА или АПТ-ОА<sub>2</sub>-АПТОА (Фиг.1 и 2)
АП4<sub>2</sub>-ОА<sub>1</sub>-АПОА<sub>2</sub> или АП4<sub>1</sub>-ОА<sub>2</sub>-АПОА<sub>1</sub> (Фиг.1 и 2)
1
2
3
4
L<sub>α</sub>, м
5,841
6,338
7,637
L<sub>αOA</sub>, м
3,876
4,206
5,068
(v<sub>u</sub>)<sub>cp</sub>, м/с
1,76
1,62
1,35
(v<sub>r</sub>)<sub>cp</sub>, м/с
1,16
1,07
0,89
(v<sub>z</sub>)<sub>cp</sub>, м/с
0
0,15
0
V<sub>пp</sub>, м/с
2,11
1,80
1,24
t<sub>1</sub>, c
0,00670939
0,00728165
0,00877572
t<sub>2</sub>, c
0,00672116
0,00729255
0,00878476
(t<sub>2</sub>-t<sub>1</sub>), мкс
11,77
10,90
9,04
K<sub>1</sub>
206,93
242,57
352,11
К<sub>2</sub>
37,096
40,06
48,299