Контроль роботи гідротехнічних споруд

Пристрої контролю роботи гідротехнічних споруд призначені для забезпечення економічної роботи гідроелектростанцій, виявлення ненормальностей в роботі споруд і захисту цих споруд від пошкоджень.

До таких пристроїв відносяться:

· вимірювання рівнів і витрати води;

· контроль засмічення сміттєзатримуючих грат, переохолодження води і появи шуги;

· захисту при розриві напірних трубопроводів.

Вимірювання рівнів води проводиться на ГЕС для визначення запасів води у водосховищах і басейнах регулювання її припливності з метою планування роботи гідроелектростанції, витрат води в каналах дериватів, натиску ГЕС, а також для попередження чергового персоналу про неприпустимі для експлуатації відхилення рівнів.

Інформація про рівні води у водосховищі і басейнах регулювання нерідко передається на диспетчерський пункт енергосистеми, де проводяться розрахунки, пов'язані з плануванням режиму роботи гідроелектростанцій. На диспетчерський пункт також передаються результати замірів рівня нижнього б'єфу ГЕС в тих випадках, коли коливання рівня обмежені і певних межах по умові судноплавства або роботи інших споживачів води. Вимірювання витрати води через турбіни і скидні отвори необхідне для підтримки економічного режиму роботи гідроелектростанції і визначення правильності її експлуатації.

Контроль засмічення сміттєзатримуючих грат необхідний для забезпечення економічної роботи гідроелектростанцій, оскільки при засміченні грат плаваючими предметами або її обмерзанні зростає перепад рівнів на ній, натиск, на турбіні знижується і зменшується потужність агрегату. При надмірному засміченні грат перепад на ній може вирости до такої величини, при якій виникне загроза пошкодження самих грат; в цьому випадку пристрій контролю засмічення грат повинен діяти на зупинку агрегату.

Переохолодження води і поява шуги в створі ГЕС, як правило, приводять до аварійного режиму роботу гідротехнічних споруд. У експлуатації гідроелектростанцій мали місце випадки, коли шуга повністю забивала грати перед турбінами, внаслідок чого агрегати не могли нести навантаження. На дериватах ГЕС були також випадки, коли в результаті шуги і переохолодження води повністю промерзали канали дериватів, що приводило до виходу станції з роботи на тривалий час. Контроль переохолодження води і появи шуги має на меті попередження персоналу про ненормальний режим роботи гідротехнічних споруд і необхідності вживання заходів, що забезпечують надійну роботу ГЕС. До їх числа відносяться: включення обігріву грат, створення підвищених витрат води в каналах за рахунок збільшення навантаження турбіни, пропуск шуги через спеціальні споруди - шугоскиди, підтримка постійної витрати води в підходящому каналі, при якому утворюється крижаний покрив, сприяючий підвищенню температури води і т.п. На ГЕС, де з'являється шуга досить часто, пристрої контролю переохолодження води і появи шуги автоматично включають обігрів сміттєзатримуючих грат, попереджаючи їх обмерзання.

Захист при розриві напірних трубопроводів здійснюється, як правило, на всіх гідроелектростанціях, що мають відносно довгі напірні трубопроводи. Не дивлячись на спеціальні заходи, направлені на зменшення величин гідравлічних ударів в напірних трубопроводах (зрівняльні резервуари, холості спуски і т. п.) і підвищення міцності їх конструкцій, в умовах тривалої експлуатації можлива поява додаткової напруги унаслідок нерівномірності осідання окремих вузлів споруд, сейсмічних явищ, ненормальної роботи холостих спусків і інших причин, що викликають пошкодження трубопроводів і появу значних витоків води, що представляють небезпеку для споруд гідроелектростанцій. У цих випадках дуже важливо, щоб пошкодження трубопроводу було своєчасно виявлене спеціальними пристроями і аварія локалізована в початковій стадії закриттям затвора, що перегороджує доступ води в пошкоджений трубопровід.

Основні принципи роботи і особливості цих пристроїв стосовно автоматизованих ГЕС.

Вимірювання рівнів і натиску. Залежно від мети виміру рівнів води і меж їх зміни пристрою вимірювання повинні мати відповідну точність. Так, наприклад, при автоматичному регулюванні рівня в напірному басейні ГЕС з несаморегульованим дериватом коливання рівня в нормальному режимі, як правило, не перевищують 1 м. В цьому випадку точність вимірювання повинна бути порядку ±1%. Вимірювання рівня водосховища сезонного або багаторічного регулювання з коливанням до 10 м бажано проводити з точністю ±0,1%, або ±11 см, оскільки при великій площі водосховища зміні його рівня на 1 см відповідає значна витрата запасів енергії. Досягнення такої точності, як ±0,1% коливання рівня, вимагає спеціальних методів вимірювання і передачі вимірюваних величин.

Для вимірювання рівнів води застосовуються пристрої з поплавцевими датчиками, з диференціальними манометрами, а також пневматичні пристрої. Частіше для вимірювання рівнів води застосовуються поплавцеві датчики з гнучким зв'язком між поплавцем, вантажем (противагою), що врівноважує його, і виконавчим механізмом. Ці датчики використовуються для вимірювання рівня при діапазоні його коливання від декількох десятків сантиметрів до 10 м і більш.

При використанні поплавцевих датчиків для контролю рівня відкритих водоймищ поплавці зазвичай поміщаються або в труби, або в шахти, що сполучаються з водоймищами через труби з вентилем, що дроселює. Така установка захищає поплавець від дії випадкових хвиль. Проте слід враховувати, що при великому дроселюванні пристрій вимірювання рівня працює з деяким запізнюванням. Це запізнювання може виявитися небажаним, якщо вимірювання рівня проводиться для цілей автоматичного регулювання.

Контроль рівнів води диференціальними манометрами має ту перевагу, що робота самих диференціальних манометрів залежить від стану поверхні води (лід, сміття і ін.). Проте вони відносно складно сполучаються з виконавськими органами. Тому застосування диференціальних манометрів виявляється доцільним у випадках великого діапазону коливання рівня (20-30 м), що може мати місце тільки на високонапірних ГЕС. Інші способи вимірювання в цих умовах дають велику погрішність і вимагають приладів громіздкіших конструкцій.

Спрощена схема пристрою вимірювання рівня з застосуванням пневматики приведена на рис. 3.7. Принцип дії цього пристрою полягає в наступному.

У трубу 1, опущену у водоймище, подається через діафрагму 2 стисле повітря. В результаті цього вода витісняється з труби через її нижній кінець, а тиск повітря в трубі зростає у міру зниження рівня води в ній.

У сталому режимі тиск повітря в трубі буде рівний стовпу води, відповідному довжині відрізка труби Н від її нижнього кінця до поверхні води у водоймищі. Надлишок повітря, що поступає в трубу, йтиме через її нижній кінець.

Завдяки цьому тиск повітря в трубі залишатиметься незмінним до тих пір, поки не зміниться рівень води у водоймищі, і датчик тиску ДД одночасно вимірюватиме і тиск повітря в трубі і зміну рівня води у водоймищі. Пристрої вимірювання рівнів пневматичного типу застосовуються для вимірювання рівнів, натиску і перепаду тиску на гратах. У останніх двох випадках перепад тиску вимірюється як різниця тиску повітря в трубах, що встановлюються в двох різних пунктах.

Рисунок 3.7 - Схема пневматичного датчика рівня.

 

Вимірювальним органом служить диференціальний ртутний або мембранний манометр. Недоліком пневматичних пристроїв вимірювання рівнів є необхідність в резервуарі стислого повітря і компресорної установки, що допускає їх застосування для вимірювання рівнів води або натиску тільки за умови, якщо вимірювальні пости знаходяться поблизу від будівлі ГЕС, де є установки стислого повітря.

Не дивлячись на ряд переваг пристроїв вимірювання рівнів манометричного і пневматичного типів, найбільш широкого поширення набули вимірники рівнів і натиску поплавцевого типу. Це пояснюється в основному тим, що останні пристрої дозволяють простіше і точніше здійснювати вимірювання і дистанційну передачу даних на пункт управління ГЕС.

Вимірювання витрат води. Вимірювання витрат води через турбіни, якщо воно проводиться з достатньою точністю, дозволяє оцінювати економічність роботи, агрегатів гідроелектростанції, задавати їм і підтримувати оптимальний режим роботи, визначати витратні характеристики агрегатів. Знання витратних характеристик агрегатів необхідне для вибору оптимального числа працюючих агрегатів при заданому режимі гідроелектростанції, для розподілу навантаження між електростанціями енергосистеми і визначення плану її роботи протягом доби, тижня і тривалішого періоду регулювання.

В даний час практично всі гідроелектростанції оснащуються приладами, що дозволяють одночасно з вимірюванням потужності станції, енергії, що виробляється, і натиску вимірювати витрату через турбіни. Найбільш поширено вимірювання витрати води через турбіни за допомогою дифманометра, що вимірює перепад тиску в двох точках спіральної камери. Інші відомі пристрої - трубки Вентурі, вертушки і ін. застосовуються тільки для вимірювання витрати в турбінних установках малої потужності з невеликою витратою води або в установках, що не мають спіральних камер.

Принцип вимірювання витрати води через турбіну по різниці тиску в двох точках спіральної камери заснований на тому, що перепад тиску між двома точками порожнини спіральної камери, що знаходяться на різному віддаленні від осі агрегату, створюється унаслідок відмінності швидкостей руху води в цих точках. Між витратою води, що протікає через турбіну, і перепадом тиску існує залежність

,

 

де Q --витрата води через турбіну;

Н - перепад тиску;

с - постійний коефіцієнт, визначуваний при таруванні.

Для вимірювання перепаду тиску в системі вимірювання витрати води через турбіну застосовуються дифманометри різних типів. В даний час найбільш прийнятним способом обліку витрат води при плануванні режимів роботи ГЕС і розподілі навантажень між ними слід рахувати облік по витратних характеристиках, визначуваних на підставі випробувань гідроагрегатів. Для перевірки цих характеристик і періодичної їх корекції необхідно оснащувати гідроагрегати рідинними трубними манометрами, що забезпечують високу точність вимірювання перепаду тиску. Оскільки зміна витратних характеристик гідротурбін відбувається тільки за рахунок повільного зносу робочих коліс і їх проточної частини, то корекція характеристик може проводитися, як правило, не частіше за 1-2 рази на рік або навіть рідше - після проведення поточного або капітального ремонту агрегатів.

Захист при розриві напірних трубопроводів. Основною функцією автоматичних пристроїв, що діють при розриві напірних трубопроводів, є, як указувалося вище, подача команди на закриття затворів, що перегороджують доступ води в пошкоджені трубопроводи. Такі пристрої повинні мати достатньо високу чутливість, тобто повинні надійно спрацьовувати при витоку води з пошкодженого трубопроводу, значно меншою, ніж нормальна витрата турбін, підключених до даного трубопроводу. Імпульс на закриття затвора повинен подаватися після появи пошкодження без істотної затримки за часом, причому помилкова робота пристрою практично повинна бути виключена.

На гідроелектростанціях можливе застосування наступних типів автоматичних пристроїв, що діють при розриві трубопроводу і реагують на збільшення витрати води на початку трубопроводу (максимальні захисту) і на різницю витрат на початку і кінці трубопроводу (диференціальні захисту) і на підвищення рівня води в контрольних точках, розташованих в зоні прокладки трубопроводів.

Диференціальний захист має два чутливі органи, що реагують на витрату води в контрольованому трубопроводі. Один з них встановлюється у верхній частині трубопроводу, на його початку, інший - в кінці, у будівлі ГЕС. Чутливими органами вимірників витрат перетворяться неелектричні величини в пропорційні їм електричні (е. д. с., струм). Різниця цих величин дозволяє судити про наявність витоки води з трубопроводу.

При пошкодженні трубопроводу витрати води на початку і в кінці його не рівні, тому коли різниця витрат досягає заданої уставки, захист спрацьовує і подає імпульс на закриття затвора.

Контроль появи шуги. Автоматичні пристрої для контролю появи шуги в каналах і водоймищах розділяються за принципом дії на дві групи. До першої групи відносяться пристрої, що фіксують початок переохолодження води, що є причиною появи в ній кристалічного льоду (шуги). Переохолодження води виявляється за допомогою електротермометрів, що вимірюють температуру води в зоні, близькій до нульової температури, з великою точністю. Такі термометри отримали назву мікроелектротермометрів (або мікротермометрів).

Термометр може вимірювати температуру води за двома шкалами, одна з яких має межі вимірювання від 0 до +20°С з ціною ділення 0,6°С, а друга від - 0,5 до +1°С з ціною ділення 0,02°С.

Датчиком електротермометрів є міст, плечі якого виконані з двох різнорідних металів, наприклад міді і константана. При зміні температури води опір плечей змінюється, унаслідок чого змінюється напруга, що підводиться до вказуючого приладу, включеного в діагональ моста. При необхідності ця напруга може бути посилена і використана для приведення в дію сигнального реле.

До другої групи пристроїв відносяться прилади, що безпосередньо фіксують початок виділення кристалічного льоду. Прикладом такого пристрою є прилад, контролюючий появу у водотоке шуги. Цей прилад отримав назву автоматичного шугосигналізатора типа АСШ-3. Слід зазначити, що шугосигналізатори, дія яких заснована на різній електропровідності води і льоду, а також і мікротермометри достатньо надійно фіксують появу шуги, якщо вона утворюється в результаті переохолодження води безпосередньо в зоні установки контролюючих пристроїв.

На ГЕС з малим об'ємом водосховищ і особливо на дериватах ГЕС, що використовують водоток гірських річок, поява шуги в каналах дериватів і у турбінних грат можливо при нульовій і навіть при позитивній температурі. Це відбувається з тієї причини, що у таких ГЕС центром інтенсивного утворення шуги зазвичай є верхній басейн річки з швидким перебігом води і нижчою температурою. Велика маса шуги, переміщаючись вниз за течією, не встигає розтанути і підходить до напірного басейну станції, знаходячись у верхніх шарах води, не переохолоджучи всього потоку. У цих умовах описані вище пристрої, як правило, не працюють. Для попередження шуги в таких випадках слід встановлювати контролюючі пристрої (шугосигналізатори) не тільки в напірному басейні, але і на головній споруді. Обігрів грат повинен автоматично включатися як при спрацьовуванні шугосигналізаторов, так і при початку засмічення грат.

 

Контрольні запитання:

1. Перелік та характеристика пристроїв автоматизації гідромеханічної схема допоміжного обладнання турбіни.

2. Гідравлічний поршневий привід управління затвором: склад, принцип роботи.

3. Маслонапірна установка: склад, призначення.

4. Яке призначення датчиків маслонапірної установки.

5. Схема управління двигунами насосів МНУ, принцип роботи.