Плотина Lower Monumental в Келотусе (шт. Вашингтон, США)

Latif Bouhadji, ASL-AQFlow, Inc. (Канада)

Водоприемники водозаборов ГЭС распо­лагаются перед турбинами и выравнивают поток на входе в них. Кроме того, для защиты водо­приемных устройств от мусора, который всегда присутствует в воде, наносов и т.п. используют­ся сороудерживающие решетки. Улучшая пара­метры течения в водозаборах, нельзя забывать, что вода — это среда обитания различных видов рыб, для которых необходимо предусмотреть возможность обхода водозаборов.

На плотине гидроэлектростанции Lower Monumental сороудерживающая решетка построена из шести панелей, установленных одна на другую. Каждая панель состоит из шести горизонтальных двутавровых балок и трех вертикальных брусьев

Компания ASL-AQFlow, Inc. разработала акустический сцинтилляционный расходомер (ASFM) для бесконтактного измерения скоро­сти и расхода жидкости через водоприемники низконапорных гидроэлектростанций. Эти из­мерения позволяют гидроинженерам оценивать эксплуатационную эффективность турбин и сте­пень влияния рыбозащитных устройств на про­изводительность водозаборов. Погрешность из­мерения полного расхода жидкости при помощи ASFM составляет приблизительно 1%.

Распределение средней горизонтальной скорости вблизи верхней (слева) и нижней плоскости измерений

На точность измерения расхода с помощью ASFM влияет множество факторов. В первую очередь это сложная структура течения в эле­ментах водозабора. Разнообразные препятст­вия в виде сороудерживающих и рыбозагради- тельных решеток, а также измерительных стоек вносят дополнительные возмущения в поток. Это увеличивает разброс значений замеров ско­рости на разных участках.

Для лучшего понимания данных процес­сов были выполнены численные исследования структуры течения в водозаборах (в двумерной и трехмерной постановке) с помощью программ­ного комплекса FLUENT. По результатам иссле­дования были определены оптимальные условия применения новой акустической измерительной системы.

Натурные испытания ASFM проводились на нескольких водозаборах североамерикан­ских ГЭС. Для каждого из них в ICEM CFD были построены отдельные расчетные сетки c локаль­ным измельчением. В качестве модели турбу­лентности были выбраны стандартная k-g- и SST k-ю-модели. Сравнивались их возможности по прогнозированию характеристик осредненного течения и турбулентности. Моделирование осу­ществлялось с использованием параллельных вычислений на небольшом кластере на плат­форме Linux.

Распределение средней горизонтальной скорости при расходе в водозаборе плотины Lower Monumental равном 113 м3/с. Видно, что сороудерживающая решетка вносит в поток большие возмущения, распространяющиеся далеко вниз по течению. Измерительные стойки располагались на расстоянии 20 м от решетки

Первый расчет был выполнен на модели водозабора ГЭС Lower Monumental (шт.Вашинг- тон, США), где ранее были получены очень хорошие результаты тестов ASFM. Сороудер- живающая решетка на входе в три пролета во­дозабора состоит из шести модулей размером 8 м в ширину и 3,94 м в высоту. Каждый модуль образован несколькими рядами горизонтальных и вертикальных балок. Плоскость измерений ус­тройства ASFM располагалась приблизительно на 22,25 м ниже по течению от сороудерживаю- щей решетки. Моделирование проводилось для трех значений расхода, который варьировался в пределах от 113 до 207 м3/с. Эти значения слег­ка отличались от данных измерений ASFM.

Ряд двумерных расчетов продемонстриро­вал хорошее согласование с результатами изме­рений ASFM для всех использовавшихся значе­ний расхода.

Оказалось, что сороудерживающая ре­шетка увеличивает скорость в придонной об­ласти водозабора и замедляет течение в верх­ней части. Уменьшение скоростей, вызванное толстыми горизонтальными балками, проявля­ется ниже по течению вплоть до плоскости из­мерений прибора ASFM. Чем больше расходы, тем более очевиден этот эффект. Трехмерные расчеты выявили, что пространственное вли­яние на пограничный слой на боковых стенках ограничивается областью в нижней части паза

гидротехнического затвора (на высоте до 1,5 м от дна). В оставшейся расчетной области прак­тически во всей плоскости измерений толщина пограничного слоя на боковых стенках почти не изменяется.

Гидроэлектростанция Hydro Kennebec состоит из двух блоков. Первый блок изображен на переднем плане слева. У него входной канал с большой кривизной завершается прямым водозабором. Второй блок расположен на заднем плане. Его отличительной особенностью является прямая стена перед входом. Оба блока разделены стеной толщиной 1,8 м, высотой на входе в водозабор около 15 м и шириной приблизительно 7 м. Сороудерживающая решетка состоит из пяти толстых двутавровых балок и ряда тонких вертикальных и горизонтальных брусьев, которые в расчет не принимались. Измерительные стойки располагались на расстоянии около 9 м за сороудерживающей решеткой.

Следующим объектом исследований стала ГЭС Hydro Kennebec (шт.Мэн, США). На ней име­ются два примыкающих друг к другу водозабора турбин с различной геометрией на входе.

Сравнение профилей нормализованных амплитудных значений скорости на водозаборах Hydro Kennebec, полученных с помощью ASFM и программного комплекса FLUENT. Различия для второго блока (слева) заставили повысить точность измерений при помощи устройства ASFM

Цель данного исследования — оценить важность условий на входе для результатов из­мерений, учитывая тот факт, что стенка одного из каналов является криволинейной.

Моделирование обнаружило большие воз­мущения в потоке за сороудерживающей решет­кой. На входе в водозабор второго блока, как и ожидалось, наблюдалась значительная рецир­куляция течения. В первом блоке отрыв потока отсутствовал, а профиль скорости, полученный в FLUENT, очень хорошо согласовывался как с данными прибора ASFM, так и с результатами доплеровских измерений.

Однако для второго блока были выявлены расхождения между данными измерений и чис­ленным прогнозом. Это потребовало проведе­ния тщательного анализа и изменения методики применения ASFM.

После этого исследовались водозаборы на еще одной крупной гидроэлектростанции. Их ре­зультаты использовались для оптимизации раз­мещения датчиков ASFM и предсказания воз­можной погрешности их показаний в сложных гидравлических условиях в каждом конкретном случае.

Плотина Hydro Kennebec в Уинслоу (шт. Mэн, США)