В статье рассматриваются устройства и приборы для контроля максимальных и минимальных пороговых значений уровней на гидроэлектрических станциях и обосновывается перспективность использования тепловых поплавковых датчиков уровня воды.
Ключевые слова: уровнемеры, погрешности измерений, нижний и верхний бьефы, водомерная рейка, стока воды, электродные и тросово- поплавковые датчики.
Измерение уровня жидкостей играет важную роль при автоматизации технологических процессов, особенно если поддержание уровня связано с условиями безопасной работы оборудования. Уровнемеры могут использоваться либо для контроля отклонения уровня от номинального и в этом случае они имеют двустороннюю шкалу, либо для определения количества жидкости (в сочетании с известными размерами емкости) и в этом случае они имеют одностороннюю шкалу. В зависимости от условий измерения, характера контролируемой среды используются различные методы измерения уровня. Если нет необходимости в дистанционной передаче показаний, уровень жидкости можно измерять уровнемерами с визуальным отсчетом (указательных стекол). При необходимости дистанционного измерения уровня используются более сложные уровнемеры: гидростатические (дифманометрические и барботажные), буйковые и поплавковые, емкостные, индуктивные, радиоизотопные, волновые, акустические, термокондуктометрические [1].
Погрешности измерений уровней воды в бьефах зависит как от места установки измерительных приборов, так и от их конструкции. Влияние места установки на точность измерений в большей степени относятся к первичному прибору, место для которого должно выбираться особенно тщательно. Желательно, чтобы в этом месте были минимальные ветровые и волновые колебания уровня воды, чтобы за счет скоростей потока не было местных (локальных)понижений или повышений уровней. Место установки должно быть удобным для осмотра прибора, по возможности защищенным от плавающих бревен, топляков, сора и др. Прибор должен обеспечивать надежную работу при ледоставе и не повреждаться при подвижке льда или ледоходе, при заиливании бьефов. Показания приборов должны характеризовать положение уровня бьефа по всему фронту водосбросного сооружения или ГЭС. Последнее требование для правильного измерения напора в ряде случаев трудновыполнимо, особенно при широких бьефах, при которых не исключено, что в ряде мест, значительно удаленных от измерительного прибора, будет наблюдаться отклонение фактического положения воды от измеряемого.
Все перечисленные факторы обязательно должны учитываться при выборе и оборудовании приборами поста наблюдения за уровнем воды, что обеспечит получение надежные результатов и предохранит сами приборы от преждевременного выхода их из строя.
Погрешность измерения из-за приборов характеризуется из классом и условиями эксплуатации. Возможные погрешности из-за смешения нуля отсчета и из-за неправильной установки или наладки их не рассматриваются, так как они не характеризуют точность самого прибора, а свидетельствуют только о его неисправности, недостатках его наладки или эксплуатации. Периодическими ревизиями и калибровкой такие погрешности необходимо выявлять и устранять.
Установленные на гидроэлектростанции различные типы уровнемеров и перепадомеров имеют класс 2,0 и 2,5 и, как правило, не вызывают каких-либо серьезных претензии со стороны обслуживающего персонала. Опыт эксплуатации приборов, измеряющих уровни и напоры, показывает, что погрешности их обычно находятся в пределах класса точности, оцениваемые в ±(1–2) % измеряемого напора.
В соответствии с требованиями уровни воды в бьефах, а также перепады напоров на сороудерживающих решетках должны измеряться приборами с дистанционной передачей информации на центральный пульт управления гидроэлектростанции. Системы измерения уровней воды в бьефах и перепадов напоров на решетках должны проверяться два раза в год-до и после прохождения паводка.
Отметки нулей водомерных реек или устройств должны быть приведены к единой системе отметок и периодически (не реже одного раза в 5 лет) проверяться нивелированием. Поэтому контроль за исправностью уровнемеров желательно рядом с первичным прибором устанавливать обычную водомерную рейку. Очень удобно рейка, установленная на самом гидротехническом сооружении-бычке, береговом устое и т. п. В реле случаев вместо установки водомерной рейки (когда имеется угроза ее повреждения) целесообразно измерительную шкалу нанести непосредственно на гидросооружение, используя несмываемую краски.
Сток воды, проходящей через створ гидроузла, складывается из расходов воды через гидроагрегаты; расходов, сбрасываемых через различные водопропускные сооружения (холостые водосбросы, шлюзы, промывные галереи и т. д.); расходов на фильтрацию и различного рода протечек (через не плотности затворов, закрытые направляющие аппараты гидротурбин, ворота шлюзов и т. п.)и расходов на собственные нужды. В общем балансе стока воды через гидроузел эти компоненты не равноценны. Подавляющее большинство ГЭС, особенно входящих в состав каскадов и имеющих водохранилища достаточного объема, пропускает в основном весь расход воды через гидротурбины. Водосбросные сооружения работают непродолжительное время в паводочный период или во время останова гидроагрегатов (планового или аварийного) и только в том случае, если отсутствует свободный объем водохранилища. На ряде ГЭС водосбросы включаются в работу даже не каждый год, а лишь в многоводные паводки.
Фильтрационные расходы воды под сооружениями гидроузла и через земляные плотины, а также протечки через не плотности затворов и закрытые направляющие аппараты гидротурбин, как правило, ежесуточно не измеряются, а принимаются в качестве постоянной составляющей. Фильтрационные расходы определяются расчетным путем или принимаются из проектных данных, или устанавливаются на основании опыта эксплуатации либо натурных испытаний. Следует отметить сложность определения данного вида расходов воды через створ гидроузла, а в некоторых случаях, когда истечение происходит под уровень, практическую невозможность их определения.
Суммарные фильтрационные расходы от всех видов протечек воды на ГЭС при исправных уплотнениях затворов и направляющих аппаратов гидротурбин обычно невелики и составляют незначительную часть общего расхода через гидроузел; в некоторых случаях эти расходы целесообразно не учитывать вообще, поскольку их значение находится в переделах точности измерений расходов гидротурбин и водосбросов. В случаях, когда протечки учитываются как постоянное значение (независимо от того, каким путем оно определяется), ошибка в учете стока воды от протечек практически не влияет на общую погрешность определения стока воды в створе гидроузла. Поэтому с точки зрения увеличения точности учета тока воды на ГЭС нецелесообразно рассматривать каждый фильтрационный расход в отдельности. Существующая в настоящее время практика учета этих расходов суммарным значением может быть рекомендована и в дальнейшем при составлении водного баланса ГЭС.
На малых ГЭС, где иногда фильтрационные расходы составляют значительную долю общего стока, рекомендуется натурное уточнение их значения.
Для правильного учета стока воды на ГЭС необходимо, чтобы эксплуатационный персонал знал, с какой точностью в тех или иных условиях работы ГЭС определяется среднесуточный расход воды. Для этого при составлении местных эксплуатационных инструкций необходима оценка погрешностей, как отдельных частей, так и всего суммарного расхода воды в створе гидроузла. Как показывает опыт эксплуатации, неправильно выбранная методика даже при наличии достоверных расходных характеристик гидроагрегатов и водопропускных сооружений приводит к значительным погрешностям в учете стока воды на ГЭС.
Электродные датчики просты, надежны и широко применяются для определения дискретных значений уровней. Вода сравнительно хорошо проводит электрический ток. Поэтому, когда она поднимается до данного электрода или опускается ниже его, возникает сигнал, по которому судят об уровне воды. Кроме того, при изменении уровня воды изменяется высота проводящего слоя, а значит, и его электрическое сопротивление, что также дает возможность определить уровень воды. Электродные датчики используют для фиксации дискретных уровней, для двухпозиционного регулирования, а в более сложных регуляторах — для определения скорости изменения уровня.
Поплавковые датчики — самый распространенный тип измерителей уровня в открытых каналах и закрытых резервуарах. Чувствительный элемент такого датчика — поплавок, перемещение которого при изменении контролируемого уровня передается стрелке измерительного прибора, сельсину-датчику, датчику телеизмерения, датчику автоматического регулятора и т. п. Форма поплавка может быть различной; при ее выборе стремятся к тому, чтобы поплавок действовал устойчиво и надежно, а чувствительность датчика была максимальной [2].
Схема широко применяемого тросового поплавкового датчика [3] изображена на рисунке1.
На одном конце гибкого троса 2, расположенного на свободно вращающемся шкиве или барабане /, подвешен поплавок 7, а на другом — груз-противовес 5. Изменения уровня воды воспринимаются поплавком и передаются по тросу задатчику уровней 6, который в определенные моменты воздействует на контактную систему 3, 4, формирующую сигнал управления. В общем виде уравнение равновесия такой системы
Fвыт + Fпр= Fп + Fтр + Fк + Fт + Fотр,
где Fвыт — выталкивающая сила среды, воздействующая на поплавок; Fпр— веспротивовеса; Fn— вес поплавка; Fтр— усилия трения в системе; Fк—усилие, которое необходимо для переключения контактов и перемещения элементов, связанных с передачей показаний по назначению; Fт— вес неуравновешенной части троса; Fотр—усилие отрыва поплавка от жидкости.
Рис. 1. Схема тросового поплавкового датчика: 1 — барабан; 2 — гибкий трос; 3, 4 — контактная система; 5 — груз-противовес; 6 — задатчик уровней; 7 — поплавок
Из уравнения видно, что равновесие системы при прочих равных условиях зависит от усилия трения и от суммарного веса всех ее подвижных элементов. Так как сюда входит и вес троса, то очевидно, что этим в большой степени определяется максимально возможная длина его для данной системы. Поэтому с целью расширения диапазона измерения все подвижные элементы системы стремятся сделать как можно легче. В выпускаемых промышленностью поплавковых датчиках максимальный диапазон контролируемого уровня достигает 20 м.
Кроме того, современные системы контроля и управления уровнем жидкостей требуют, чтобы датчики уровня были многофункциональными и позволяли одной конструкцией контролировать уровень, температуру, наличие или отсутствие жидкости. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют поплавковые датчики, так как в их конструкции имеется термочувствительный элемент, который контролирует температуру жидкости и эффективно используется для контроля уровня, наличия и отсутствия жидкости.
Литература:
- Иванова Г. М. Теплотехнические измерения и приборы. Издательство: МЭИ, 2005.
- Ганкин М. З. Комплексная автоматизация и АСУТП водохозяйственных систем. — М.: Агропромиздат, 1991. — 432 с.
- Ташматов Х. К. Тепловой преобразователь уровня воды. «Датчики и системы», № 3, 2006,-с.41.-42.
