книги из ГПНТБ / Орлова, В. В. Гидрометрия учебник

С п о с о б и о н н о г о п а в о д к а применяется при расходах до 5 м3/с н состоит в том, что приготовленный объем раствора пова­ ренной соли сразу выпускается в поток. В створе, где произошло полное перемешивание раствора с речной водой, через равные промежутки времени (15—20 с) определяется электропроводность воды, которая сначала резко возрастает, а затем медленно падает, напоминая ход уровня при прохождении наводка, откуда способ и получил название.

Для измерения расхода воды служит прибор ИРВ-52 (измери­ тель расхода воды), состоящий из электроизмерительного мо­ стика 1, электродной ячейки 2, двух 10-литровых баков 3, стеклян­ ной банки 4 емкостью 20—30 мл и пипетки емкостью 1 мл

(рис. 104).

Магазин сопротивлений

Рис. 105. Принципиальная схема электроизмерительного мостика.

Электроизмерительный мостик представляет собой линейный равновесный мост (рис. 105), два плеча которого образованы рео­ хордом. Третьим плечом является магазин сопротивлений на 10 000 Ом, а четвертым плечом служит электродная ячейка, погру­ жаемая в поток. Магазин сопротивлений служит для первоначаль­ ного уравновешивания естественной электропроводности речной воды. Линейный реохорд предназначен для измерения прироста электропроводности воды в результате выливания раствора.

Электродная ячейка, являющаяся датчиком измерительной цепи, состоит из двух электродов, изготовленных из нержавеющей стали. С помощью двухпроводного шнура электроды подключа­ ются к измерительному мостику.

Мерные баки снабжены измерительными иглами, при помощи которых они заполняются точно в объеме 10 л; один из баков служит для точного отмеривания приготовленного раствора, а дру­ гой— для разведения раствора в 10000 раз при определении рас­ четной электропроводности раствора.

210

Стеклянная банка используется для отбора пробы раствора ин­ дикатора.

Пипетка служит для точного отмеривания исходного раствора

в основном от бурности течения и может быть 0,3—1,0 км.

На пусковом створе приготавливается раствор поваренной соли из расчета 1—2 кг на 1 м3/с измеряемого расхода воды; в 1 л при этом растворяется 200—300 г соли. Приготовленным раствором на­ полняется мерный 10-литровый бак, и из него отбирается проба объемом 20—30 мл для определения расчетной электропроводности этого раствора. Раствор из мерного бака резким опрокидыванием выливается в реку.

На измерительном створе перед пуском раствора производится компенсация естественной электропроводности. Для этого элект­ родная ячейка помещается в поток и включается в цепь моста. Подключив питание, набирают такое сопротивление, чтобы стрелка гальванометра установилась на нуле. После пуска раствора, ко­ гда стрелка начинает отклоняться от нуля вправо, включается се­ кундомер и через каждые 15 с по шкале реохорда отсчитывается значение относительной электропроводности воды, которая сначала быстро возрастает, а затем начинает падать до нуля. Как только четыре—шесть отсчетов будут одинаковыми, измерение прекра­ щается.

По окончании наблюдений за ходом ионного паводка определя­ ется расчетная электропроводность раствора. Для этого чистой реч­ ной водой наполняется второй мерный бак и в него помещается электродная ячейка. После компенсации естественной электропро­ водности в бак вводится 1 мл раствора и после тщательного пере­ мешивания отсчитывается по шкале реохорда значение относитель­ ной электропроводности Р с разбавленного в 10000 раз исходного раствора. Расчетная электропроводность раствора Рр вычисляется

по формуле

Вычисление расхода воды производится в следующей последо­ вательности.

1.'Вычерчивается график ионного паводка, по горизонтальной оси которого откладывается время в минутах (через 15 с), а по вертикальной — значения относительной электропроводности Р

в промилле (рис. 106). Обычно после прохождения ионного па­ водка относительная электропроводность падает до нуля, но если естественная электропроводность речной воды за время измерения расхода изменилась, то линия, соединяющая начало и конец гра­ фика, пройдет не по оси абсцисс, а выше или ниже нее. Естест­ венная электропроводность изменяется в основном вследствие

повышения или понижения температуры воды за время прохожде­ ния ионного паводка.

2. Вычисляется площадь графика ионного паводка по формуле

где Y.P — сумма всех значений относительной электропроводности, полученных за время прохождения ионного паводка; A t — проме­

жуток времени между сроками наблюдений (Azf= 15 с).

3. Вычисляется поправка к площади графика ионного паводка AF (в случае изменения естественной электропроводности) по фор­

муле

где АР — величина, на которую изменилась естественная электро­ проводность воды; Т — продолжительность ионного паводка в се­

кундах.

Рис. 106. График ионного паводка с отрицательной поправкой.

Если относительная электропроводность установилась выше нуля, то значение поправки AF вычитается из площади графика,

аесли ниже — прибавляется.

4.Вычисляется расход воды по формуле

W Pp

212

Одни концы шнура подключаются к прибору, а другие закрепля­

при этом растворяется 100—200 г соли. Мерный бак наполняется приготовленным раствором и из него отбирается проба для та­ рировки электродов. В момент начала введения раствора в поток включается секундомер, и через каждые 5 с отсчитываются пока­ зания прибора. Наблюдения заканчиваются, когда значения элект­ ропроводности не будут изменяться в течение 40—60 с.

После измерения электропроводности речной воды производится тарировка электродов. Для этого ту часть шнура, которая находи­ лась в потоке, наматывают в один слой на катушку и помещают ее в мерный бак, наполненный водой. По истечении 10 мин электроды подключаются к прибору и, включив питание, производится отсчет Эц — по шкале микроамперметра. Затем в бак вводится 1 мл рас­ твора и после перемешивания снова делается отсчет Эр по прибору.

По разности отсчетов вычисляется приращение электропроводности

АЭ = ЭР— Эв.

Расход воды вычисляется по формуле

разбавления раствора, в литрах; Wp— объем раствора, введенного в мерный бак при тарировке электродов, в миллилитрах; At — про­

межуток времени между отсчетами электропроводности при изме­ рении расхода в секундах; — объем раствора, введенного в по­ ток, в литрах; АЭ — приращение электропроводности, полученное

при тарировке электродов; S — сумма приращений электропровод­ ности за время прохождения раствора через створ, вычисляется по формуле

электропроводность речной воды.

Электролитический способ имеет ряд недостатков, квторые при неблагоприятных условиях измерения могут дать большие погреш­ ности.

Одним из недостатков является неустойчивость во времени электрических параметров цепочных электродов. Помещенный внутрь потока электродный шнур часто выбрасывается на поверх­ ность воды и оголяется, сбивая при этом первоначальную настройку

214

прибора. Кроме того, после ряда измерений оголенная площадь проводов увеличивается, что отражается на общем сопротивлении каждой пары электродов. Ошибки также могут быть значитель­ ными из-за неточного отмеривания объемов воды и раствора при тарировке электродов.

§62. Определение расходов воды на гидроэлектростанциях

Всвязи с сооружением гидроэлектростанций (ГЭС) и созда­ нием в их верхних бьефах водохранилищ естественный режим мно­ гих рек оказался в значительной мере нарушенным. В верхнем бьефе гидроузлов уровни и другие элементы водного режима нахо­ дятся в условиях переменного подпора от плотины, а в нижнем

бьефе сооружений вследствие суточного регулирования мощности ГЭС наблюдаются резко выраженные явления неустановившегося движения воды, т. е. резкие колебания уровня, скорости течения

иуклонов водной поверхности.

Вусловиях искусственного зарегулирования рек выбрать уча­ сток для гидрометрических наблюдений, где не сказывалось бы влияние переменного подпора или неустановившегося движения воды, затруднительно, а иногда и невозможно, например при нали­ чии на реке каскада ГЭС. В таких случаях для измерения расхода воды используются водопропускные отверстия гидроузла: турбин­ ные тракты, водосливные отверстия плотины и отверстия специ­ ального назначения (рыбоходы, шугосбросы, промывные устрой­ ства и пр.), транспортные сооружения (шлюзы, плотоходы).

Суммарный расход воды в створе ГЭС слагается из следующих составляющих:

Q r 3 C = Q t - !- Q w - )- Q n p ~ r Qcf»

где QT— расход воды через турбины; Qm — расход воды через во­

досливные отверстия плотины; Qnp — расход воды на прочих потре­ бителей (на шлюзование, лесосплав, орошение и т. д.); Q$ — рас­ ход воды на фильтрацию и утечки.

Основной составляющей в суммарном расходе обычно является расход воды через турбины. Другие составляющие могут отсут­ ствовать вовсе или в известные периоды года. Например, на ряде ГЭС воду сбрасывают через плотину только в половодье, на малых ГЭС прочих потребителей совсем может не быть.

Организация учета стока и способы определения расходов воды через водопропускные отверстия гидроэлектростанций зависят от типа ГЭС. В зависимости от мощности различают малые (мощ­ ность менее 20 тыс. кВт) и крупные ГЭС (мощность более 100 тыс. кВт). По способу получения напора ГЭС делятся на приплотинные (русловые), деривационные и смешанные. На практике смешанные ГЭС часто называют деривационными.

Приплотинными (русловыми) называют ГЭС, где напор обра­ зуется за счет подпора воды плотиной; здание ГЭС обычно распо­ лагается в одном створе с плотиной (рис. 108).

215

Деривационными считаются ГЭС, на которых напор создается за счет разности уровней в реке и на деривационном канале (тру-

Рис. 108. Схема гидроузла с приплотинной ГЭС.

1 — земляная дамба, 2 — судоходный шлюз, 3 — земляная пло­ тина, 4 — сопрягающие устои, 5 — раздельная стенка, 6 — здание ГЭС, 7 — водосливная плотина.

бопроводе, тоннеле); здание ГЭС располагается в конце дерива­ ционного канала (рис. 109).

створами.

/ — плотина, 2 — головное сооружение деривационного канала, 3 — деривационный канал, 4 — напорный бассейн, 5 — аварийный водосброс деривации, 6 — трубопровод, 7 — здание ГЭС, 8 — от­ водящий канал ГЭС; а — основной створ для тарирования отвер­ стий плотины, б — створ в отводящем канале ГЭС, в — створ для тарирования отверстий аварийного водосброса, г — суммирующий

(контрольный) створ.

На смешанных ГЭС напор образуется как плотиной в русле реки, так и за счет разности уровней реки и обходного (дерива­

216

ционного) канала. Здание ГЭС в этом случае располагается в конце деривации.

Для учета стока воды через ГЭС раздельно определяют рас­ ходы через турбины, водопропускные отверстия плотины, судоход­ ные шлюзы и отверстия специального назначения, а также учиты­ ваются расход воды, теряемой на фильтрацию через сооружения и в обход их, и утечки через неплотности в затворах турбин и водо­ сливных отверстий. Общий расход получается суммированием от­ дельных составляющих за каждые сутки.

Определение расходов воды через турбины ГЭС. Расход воды через турбины может быть определен следующими способами: 1) тарированием турбин, 2) по эксплуатационным характеристикам турбин, 3) с помощью расходомеров.

На малых ГЭС расход через турбины в большинстве случаев определяется тарированием, в результате которого устанавлива­ ется зависимость между расходом воды через турбину, мощностью (или степенью открытия направляющего аппарата турбины) и на­ пором.

Перед проведением тарировочных работ производится обследо­ вание ГЭС, устраиваются водомерные посты и гидрометрические створы. В процессе обследования выполняется обмер водосливных частей, составляется схема тарируемого сооружения и выясняется состояние турбин и плотины. Все дефекты в отдельных частях со­ оружения, обнаруженные при обследовании (перекосы щитов, не­ плотности закрытия затворов), должны быть устранены до тари­ ровки.

с помощью дистанционных приборов, передающих показания на пульт управления.

Выбор места для гидрометрических створов зависит от типа ГЭС. На приплотинных ГЭС гидроствор для тарировки турбин следует устраивать в подводящем канале, где обычно более спот койный водный режим, а для тарировки водосливных отверстий плотины — в русле реки в нижнем бьефе, возможно ближе к пло­ тине (100—400 м), так как это обеспечит надежность тарировкипри резко выраженном неустановившемся движении воды. Схема расположения тарировочных створов на деривационной ГЭС по-, казана на рис. 109.

В процессе проведения тарировочных работ организуются регу­ лярные наблюдения на ГЭС, заключающиеся в следующем: еже­ часно и в моменты открытия и закрытия щитов и направляющих аппаратов турбины измеряется высота уровня воды в верхнем

инижнем бьефах ГЭС; регистрируется время и величина открытия

изакрытия турбин, водосливных отверстий плотины и других водосбросов; записываются все изменения в режиме реки и работе

21?

ГЭС (остановки ГЭС, нарушения в работе водопропускных отвер­ стий, вскрытие реки, ледостав, шугоход и пр.).

Т а р и р о в а н и е т у р б и н заключается в измерении расходов воды, пропускаемых турбиной при различных величинах ее откры­ тия и напора.

Измерение расхода воды производится вертушкой в тарировочном створе. Одновременно с определением расхода регистрируется степень открытия направляющего аппарата турбины, напор и мощ­ ность.

Обработка результатов тарирования заключается в построении графиков водопропускной способности турбин и составлении расчет­ ных зависимостей для них.

Рис. НО. Кривые зависимости расходов воды через турбину.

При работе ГЭС на базисной постоянной нагрузке за основную независимую переменную принимается открытие турбины а, отме­

чаемое по шкале, нанесенной на регуляторе турбины, в условных единицах. В этом случае при постоянном напоре устанавливается зависимость между расходом воды через турбину QT и степенью ее открытия а. При значительных колебаниях напора устанавливается

зависимость между расходом воды через турбину QT, степенью ее открытия а и напором Я (рис. ПО а).

При работе ГЭС с переменной нагрузкой за независимую переменную принимается средняя часовая мощность N. Зависи­ мость при этом может быть установлена в виде кривой Q=f ( N)

при незначительном колебании напора или в виде кривой Q=f (N, Н ) при меняющемся напоре (рис. ПО б).

По полученной зависимости Q —f(N, Я), называемой характери­

стикой пропускной способности турбины, расход воды определяется следующим способом. С электросчетчика снимается показание выработанной энергии за определенный промежуток времени

218

в киловатт-часах; разделив это значение на количество часов, по­ лучим среднюю мощность в киловаттах (кВт).

За этот же период времени вычисляется среднее значение напора по данным наблюдений в верхнем и нижнем бьефах ГЭС. По полученным величинам средней мощности и напора с графика Q = /(iV, Я) снимается значение расхода воды.

На крупных пришгатинных ГЭС гидрометрическая тарировка турбин представляет собой сложное дело и проводится она в редких случаях. Трудности непосредственного измерения расхода создаются большими глубинами (15—20 м) и сечениями каналов, что требует одновременного измерения скорости несколькими вертушками, опускаемыми на специальных рамах. Наиболее рас­ пространенным способом определения расхода воды через турбину

изводится следующим образом.

По приборам на пульте ГЭС снимаются для данной турбины значения мощности и напора. За определенный период времени вычисляется средняя мощность и действующий напор (напор с уче­ том потерь в турбинном тракте). По этим величинам с эксплуата­ ционной характеристики снимается значение к. п. д. агрегата в долях единицы. Расход воды через турбину вычисляется по формуле

На крупных деривационных ГЭС расход воды через турбину определяется преимущественно по графикам зависимости расхода от мощности Q=f ( N) или напора Q =f (H), полученным по данным

непосредственных измерений расходов вертушкой в сбросном канале ГЭС и в створе деривационного канала. Использование экс­ плуатационных характеристик турбин деривационных ГЭС может дать значительные погрешности, так как к. п. д. их непостоянны

219