Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОГО РАСХОДА ТУРБИН НИЗКОНАПОРНЫХ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ (ВАРИАНТЫ)

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.

На Фиг.6 - проекция скорости на акустический луч под углом к горизонтальной плоскости при (v_z)_cp=0.

На Фиг.7 - то же, что на Фиг.6, при (v_z)_cp>0 в промежутке от АП4₁ до АП4₂.

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).

Радиусы "r" на Фиг.1 обозначают: r₁ - радиус внешнего контура верхнего и нижнего поясов статора, r₂ - радиус окружности, проведенной по выходным кромкам статорных колонн, r₃ - расстояние от центра до акустического преобразователя на стенке спиральной камеры в створе I.

На чертежах высота статора обозначена "b₀", а "b_ф" - высота сечения спиральной камеры при угле охвата "ф".

В отечественной и зарубежной практике преобладает расчет спиральных камер по закону площадей, т.е. по условию постоянства момента окружной составляющей скорости v_u:

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:

где: v_r - радиальная составляющая скорости;

α_ст - угол установки статорных колонн.

Из уравнения (2) имеем /3/:

где b₀ - высота статора;

Q - произвольная величина расхода.

Средняя величина окружной скорости v_u равна:

или

где:

- длина акустического луча;

R₁ - расстояние от центра до места установки акустического преобразователя на статорной колонне (по патенту /2/) или на поясах статора (по заявленному способу);

R₂ - 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.

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 АП4₁ или от АП5 до АП6₁ при тавровом сечении симметричного профиля спиральной камеры (Фиг.2), от АП3 до АП4₁ или от АП5 до АП6₁ в поперечных сечениях спиральных камер тавровых сечений, развитых вверх или вниз (Фиг.8, 9).

При трассировке акустического луча под углом к горизонтальной плоскости - от АП3 до АП4₂ или от АП5 до АП6₂ для таврового сечения симметричного профиля (Фиг.2), вертикальная составляющая компенсируется и (v_z)_cp=0 (Фиг.10, кривая 1).

Проекция абсолютной скорости на акустический луч (Фиг.4-7) будет равна:

При трассировке акустического луча, когда акустический преобразователь помещается на стенке спиральной камеры в промежутке между АП4₁ и АП4₂ или АП6₁ и АП6₂ (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:

где: t₁ и t₂ - время распространения ультразвукового импульса по потоку и против него, с;

L_α - длина активной части акустического луча, м;

С₀ - скорость ультразвука в неподвижной воде, м/с;

v_пр - проекция абсолютной скорости потока на акустический луч по уравнениям (5), (6) или (7), м/с.

Из уравнений (8) и (9) имеем:

где С₀=2 L_α/(t₁+t₂), принятая в расчетах равной 1447 м/с (11).

Уравнения (8), (9) и (10) отличаются от уравнений, принятых для водоводов с круглым поперечным сечением.

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_пр, 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;

η_т - гарантированная максимальная величина КПД турбины в расчетной точке;

η_г - гарантированная величина КПД генератора для измеренной активной мощности генератора при отсутствии реактивной составляющей (cos φ=1), вычисляют величину расхода:

При трассировке акустического луча в горизонтальной плоскости v_пр равна абсолютной величине скорости потока, а при трассировке под углом к горизонтальной плоскости меньше ее величины.

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 K₁ во всем диапазоне изменения величины расхода (от режима холостого хода турбины до максимальной).

В связи с этим, учитывая сложную форму потока в спиральной камере, точное значение коэффициента K₁ в уравнении (13) может быть определено только экспериментом, при котором одновременно с определением v_пp, 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).

В таблице 1 приведены результаты определения коэффициента K₁ для режимных точек A (N=68 МВт, Н=16,8 м и η_т=94,5%) и В (N=62,5 МВт, Н=11,5 м и η_т=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).

Коэффициент К₂, приведенный в таблице, определен по выражению:

где: (t₂-t₁) приводится в мкс, а расход Q - в м³/с.

Из результатов, приведенных в таблице 1, следует, что при вычислении коэффициента K₁ 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.

В таблице 2 приведены величины K₁ и К₂ 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.

Полная длина акустического луча складывается из двух частей (L_α+L_OA), где L_α - длина акустического луча от акустического преобразователя, установленного на стенке спиральной камеры в створе I, до отражателя акустического луча, установленного на поясе статора, а L_OA - длина акустического луча от отражателя акустического луча до акустического преобразователя, установленного на стенке спиральной камеры в створе II.

Угол в плане между створами I и II равен 90°. В этом случае при трассировке акустического луча L_α в створе I под углом α_ст установки статорных колонн на акустический луч проецируется абсолютная величина скорости потока, а на луч L_OA проекция скорости равна нулю или при некоторых трассировках акустического луча практически равна нулю.

В таблице 3 приведены данные результатов определения коэффициентов K₁ и K₂ по второму варианту заявленного способа.

Для определения величин K₁ и К₂ по второму варианту заявленного способа использовались те же формулы, которые применялись для вычислений по первому варианту.

Исключением является вычисление величин t₁ и t₂, которые для второго варианта заявленного способа определялись по уравнениям в виде:

где: V_пр1 - проекция абсолютной величины скорости на акустический луч L_α;

V_пp2 - проекция вертикальной составляющей скорости (v_z)_cp на акустический

луч L_OA.

При трассировке акустических лучей в горизонтальной плоскости или на наклонной плоскости в спиральной камере таврового сечения симметричного профиля (Фиг.10, кривая 1) величина (v_z)_cp=0.

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_z)_cp незначительна (Фиг.10, кривые 2 и 3) и практически не влияет на определение коэффициентов K₁ и К₂.

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.