VYSOKÉ UČENĺ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ

VYSOKÉ UČENĺ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ DISERTAČNÍ PRÁCE oboru

KONSTRUKČNĺ A PROCESNĺ INŽENÝRSTVĺ Ing. Richard Mach

EXPERIMENTÁLNĺ ZJIŠŤOVÁNĺ PARAMETRŮ VELKÝCH HYDRAULICKÝCH STROJŮ EXPERIMENTAL RECOGNITION PARAMETER OF BIG HYDRAULIC MACHINE Oponenti: Prof. Ing. Jaroslav Bláha,DrSc. Prof. Ing. Přemysl Janíček, DrSc. Prof. Ing. Jaroslav Janalík, CSc.

Školitel: Doc. Ing. Milan Šrutka, CSc. Datum odevzdání práce: srpen 1999 Datum obhajoby : 12. června 2000

ČVUT Praha ÚMT FSI VUT v Brně VŠB TU Ostrava

ABSTRAKT Předložená práce se zabývá problematikou zjišťování hydraulických parametrů velkých hydraulických strojů s důrazem na technicky a ekonomicky dosažitelnou přesnost určení průtoku objemovou metodou pro konkrétní lokalitu. Velkými hydraulickými stroji jsou myšlena soustrojí, jejichž rozměry a dosahované parametry znemožňují jejich laboratorní určení.

ABSTRACT The presented work deals with the problems of finding out hydraulic parameters of big hydraulic machines with the emphasis on their technologically and economically attainable accuracy is determining the rate of flow with a volume method for a particular locality. Under big hydraulic machines are meant aggregates which due to their dimensions and the range of parameters unable their laboratory designation and use.

OBSAH 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

ÚVOD..........................................................................…………………………... 3 SOUČASNÝ STAV MĚŘENÍ PRŮTOKU....…………………………………. 3 CÍL DISERTAČNÍ PRÁCE …………………………………………………… 5 ANALÝZA MOŽNOSTI MĚŘENÍ PRŮTOKU OBJEMOVOU METODOU ……………………………………………………………………… 5 ROZBOR DOSAŽITELNÉ PŘESNOSTI MĚŘENÍ PRŮTOKU OBJEMOVOU METODOU……………………………………………………. 8 NAVRŽENÝ POSTUP MĚŘENÍ PRŮTOKU OBJEMOVOU METODOU. 18 VÝBĚR METODY MĚŘENÍ PRŮTOKU PRO GAR. MĚŘ. PVE DS…… 20 NÁVRH METODY K URČENÍ ČASOVĚ PROMĚNNÉHO RYCHLOSTNÍHO POLE……………………………………………………… 21 ZÁVĚR…………………………………………………………………………… 25 SEZNAM POUŽITÝCH OZNAČENÍ…………………………………………. 25 POUŽITÁ LITERATURA…………………………………………………….. 27

2

1 ÚVOD Výzkum a další rozvoj výroby hydraulických strojů je kromě jiného především určován požadavky na dosažení vysoké účinnosti přeměny energie v širokém rozsahu provozních parametrů. Pro rozvoj hydraulických strojů je nutno provádět měření na vodních dílech, ať již nových při uvádění do provozu, tak i u starších děl v rámci rekonstrukcí. Rozbor dosažitelné přesnosti objemové metody měření průtoku, provedený v této práci, byl vypracován pro objektivní stanovení účinnosti konkrétního významného díla – přečerpávací vodní elektrárny Dlouhé Stráně. Práce se zabývá určením dosažitelné přesnosti měření průtoku, protože průtok je jeden z hlavních parametrů a současně je jeho hodnota a dosažená přesnost měření kritická pro další výpočty a úvahy. V odborné veřejnosti je značný zájem na hledání nových metod měření průtoku u velkých vodních děl a na zpřesňování těchto měření.

2 SOUČASNÝ STAV MĚŘENÍ PRŮTOKU S ohledem na rozsah a zaměření disertační práce se v autoreferátu zaměřuji pouze na základní popis současného stavu měření průtoku a měření dalších hlavních veličin je podrobně rozvedeno ve výše zmíněné práci. Absolutními metodami měření průtoku dle mezinárodní normy IEC 60041 jsou tyto metody: - metoda pro měření rychlostního pole pomocí hydrometrických vrtulí nebo pomocí Pitotových trubic - metoda tlak - čas ( Gibsonova metoda ) - indikační metoda ( metoda rychlostní nebo metoda vstřikovací ) - měření pomocí normalizovaných přepadů - měření pomocí stanovení hodnoty diferenčního tlaku - objemová metoda Dalšími běžně používanými metodami pro měření průtoku je dále: - měření pomocí magneto-indukčních průtokoměrů - měření pomocí ultrazvukových průtokoměrů Z pochopitelných se nezabývám průtokoměry pracujícími na objemovém principu. Pro měření velkých průtoků v průtočných průřezech kruhového tvaru (nad Ø 3000mm) a nekruhových průřezů podobných rozměrů je rozšířena metoda měření průtoku pomocí hydrometrických vrtulí. 3

Spočívá v umístění měřícího kříže s hydrometrickými vrtulemi do měrného profilu a na základě rychlosti otáčení vrtulí stanovení bodové rychlosti kapaliny v místě vrtule. Měření vyžaduje poměrně dlouhé rovné úseky před a za měrným profilem. Je sporný a dosud ne zcela objasněný vliv instalace hydrometrického kříže na průtok. Metoda Gibsonova. vychází z Newtonova zákona hybnosti, z něhož je odvozen vztah mezi změnou tlaku a rychlosti sloupce vody v potrubí při jeho uzavírání. Popsaná metoda stejně jako metody indikační jsou vhodné pro použití u elektráren s dlouhými přivaděči. Principem indikačních metod je měření času potřebného k průchodu označených částic kapaliny hydraulickou cestou známé délky. K označení části kapaliny lze použít solného roztoku, radioaktivních látek a podobně. Měření průtoku z naměřené tlakové diference na určitém škrtícím prvku v potrubí ( nebo z tlakové diference na části potrubí, kde dochází k vhodné změně průtočného průřezu - konfuzor před kulovým uzávěrem, klapkou, spirálou,... ) má často nevýhodu v obtížné kalibraci. Měření normalizovanými přepady je naopak vhodné pro uplatnění u elektráren s krátkými přivaděči, kde je často jednou s mála použitelných metod. Uplatnění této metody je však velmi omezené. Objemová metoda měření průtoku vody na díle spočívá ve stanovení změny objemu vody akumulované v horní nebo dolní nádrži na základě změny výšky vodní hladiny. Pro použití této metody vyhovují nejlépe umělé nádrže. V současné době jsou očekávané relativní chyby měření průtoku při použití výše uvedených metod následující: vodoměrné vrtule v uzavřených kanálech δ(Q) = 1.0 - 1.5 % vodoměrné vrtule v otevřených kanálech δ(Q) = 1.2 - 2.3 % vodoměrné vrtule ve vtokových objektech δ(Q) = 1.0 - 2.0 % Pitotovy trubice v uzavřených přivaděčích δ(Q) = 1.5 - 2.5 % metoda tlak - čas δ(Q) = 1.5 - 2.3 % metoda indikační δ(Q) = 1.2 - 2.0 % přeliv δ(Q) = 1.7 - 3.0 % zařízení pro měření dif. tlaku δ(Q) = 1.5 - 2.0 % objemová metoda δ(Q) = 1.0 - 2.0 % *) *) Převzato s normy ČSN IEC 60041 Výše popsané metody jsou v současnosti považovány za primární a použitelné pro garanční, přejímací a jim na roveň postavená podobná měření. Měření pomocí magnetoindukčních průtokoměrů je ve vodní energetice a vodním hospodářství rozšířeno. Magnetoindukční průtokoměry slouží jako provozní a etalonová měřidla. Průtokoměry produkuje řada výrobců v široké škále ( světlosti běžně do 3000 mm, chyba měření je dle provedení v rozsahu od 3% do 0,2

4

% s okamžité měřené hodnoty ). Moderní magnetoindukční průtokoměry umožňují měření průtoku i při ne zcela zaplněném průřezu potrubí. Ultrazvukové průtokoměry pracují na principu vektorového porovnání rychlosti šíření ultrazvukového signálu v kapalině a rychlosti měřené kapaliny. Použití je analogické jako u indukčních průtokoměrů . DN do 3000 mm, chyba měření 3% 0,15 % z naměřené hodnoty.

3. CÍL DISERTAČNÍ PRÁCE Cílem práce je řešení konkrétního technického úkolu. Výběr optimálních metod pro měření průtoku a výpočet některých základních hydraulických parametrů soustrojí TG1 a TG2 přečerpávací vodní elektrárny Dlouhé Stráně. Konkrétními cíli práce je následující: 1/ Analýza realizovatelnosti měření průtoku vody při turbínovém a čerpadlovém provozu soustrojí objemovou metodou v podmínkách PVE Dlouhé Stráně, s výsledky platnými pro podobné případy. 2/ Vypracovat algoritmus měření objemovou metodou. 3/ Provést rozbor dosažitelné přesnosti, stanovit omezující faktory. 4/ Porovnat uvedenou metodu měření průtoku s běžně používanými hydrometrickými vrtulemi 5/ Vypracovat návrh metody k určení časově proměnného rychlostního pole kapaliny v podmínkách velkých vodních děl.

4.

ANALÝZA MOŽNOSTI MĚŘENÍ PRŮTOKU OBJEMOVOU METODOU

V původním projektu garančního měření PVE DS byla uvažována objemová metoda měření průtoku jako druhá metoda, která se jevila výhodná pro lokalitu PVE DS pro vhodný tvar umělé horní nádrže s těmito parametry: - maximální délka nádrže 730 m - maximální šířka nádrže 260 m - maximální provozní hladina 1348 m.n.m. - minimální provozní hladina 1326.2 m.n.m - provozní kolísání hladiny 21.8 m - výška dna nádrže 1322.2 - 1325.2 m.n.m. Podmínkou je určení objemu nádrže jako funkce nejlépe nadmořské výšky vodní hladiny. Toto měření bylo provedeno v roce 1994 s graficky znázorněným výsledkem. Křivka závislosti objemu na výškové kótě hladiny vody v horní nádrži je určena regresí, kde podrobný rozbor dosažitelné přesnosti volené metody regrese je v práci proveden. 5

plocha hladiny horní nádrže [m2]

1,800E+05 1,600E+05 1,400E+05 1,200E+05 1,000E+05 8,000E+04 6,000E+04 4,000E+04 2,000E+04

ho riz on t 13 26 ,0 0 13 28 ,0 0 13 30 ,0 0 13 32 ,0 0 13 34 ,0 0 13 36 ,0 0 13 38 ,0 0 13 40 ,0 0 13 42 ,0 0 13 44 ,0 0 13 46 ,0 0 13 48 ,0 0 13 49 ,5 0 13 50 ,1 8

0,000E+00

kóta hladiny [m.n.m]

Graf č.: 1

Závislost objemu akumulované vody na výšce hladiny Horní nádrž PVE tvoří hydraulický obvod s dolní nádrží těchto parametrů: - maximální provozní hladina 822.7 m.n.m. - minimální provozní hladina 800.5 m.n.m. - celkový objem 3 405 000 m3 Geodetický spád / rozdíl hladin / je dán rozdílem hladin vody v horní a dolní nádrži. H = Hh - Hd Pro přesné nastavování geodetického spádu během měření je vhodné určit závislost geodetického spádu na výšce hladiny v některé z nádrží hydraulického obvodu. S ohledem na instalované přesné měření hladiny, absenci přirozeného přítoku nebo odtoku, kontrolovatelného odtoku průsakem a charakteru povrchu je logicky nejvhodnější zvolit horní nádrž. Konkrétní výsledky pro danou lokalitu při normálním množství vody v obvodu shrnuje následující tabulka: hladina v horní nádrži [ m.n.m. ]

příslušná hladina geodetický spád v dolní nádrži [ m.n.m. ] [ m. ]

1326,2 1327 1328 1329 1330 1331

822,7 822,2 821,8 821,0 820,5 819,7

503,5 504,8 506,2 508,0 509,5 511,3

6

1332 1333 1334 1335 1336 1337 1338 1339 1340 1341 1342 1343 1344 1345 1346 1347 1348

819,2 818,3 817,6 816,8 816,0 815,0 5184,2 813,3 812,4 811,2 809,9 808,6 807,1 805,6 802,3 801,5 800,5

512,8 514,7 516,4 518,2 520,0 522,0 523,8 525,7 527,6 529,8 532,1 534,4 536,9 539,4 543,7 545,5 547,5

Tab.: 2 Polohy hladin a geodetický spád Výše uvedené hodnoty představují geodetický spád, nikoli čistý spád. Pro výpočet čistého hydraulického spádu nebo dopravní výšky je nutná znalost hydraulických ztrát v hydraulickém obvodu. Hodnota Hz je závislá na okamžitém průtoku závislostí Hz = F(Q2).. Pro náš konkrétní případ je změřená závislost uvedena v grafu č. 2 Hz [ m ] 14 12 10 8 6 4 2 0 0

10

20

30

40

50

60

70

Q [m3s-1 ]

Graf č.: 2 Závislost Hz na průtoku hydraulickým obvodem při turbínovém provozu Pro organizaci měření je nutno určit rychlost klesání hladiny v horní nádrži pro jednotlivé průtoky při různých horizontech hladiny, z čehož lze odhadnout čas pro který je žádaný spád k dispozici. 7

[ m .hod-1 ]

3,500 3,000 2,500 2,000

40 m3s-1

1,500

50 m3s-1

1,000

68 m3s-1

60 m3s-1

0,500 0,000 1320,00

1330,00

1340,00

1350,00

1360,00

[ m .n.m ]

Graf č.: 3 Rychlost klesání hladiny v jednotlivých horizontech Stavebním, nikoli technickým problémem je instalace dostatečného počtu /minimálně 4/ limnigrafických šachet pro snímání polohy hladiny. Podmínku dostatečně dlouhého chodu stroje při konstantním nastavení regulačního orgánu lze snadno docílit spoluprací s dispečerem el. soustavy a přepnutím regulátoru turbíny do režimu manuální regulace otevření. Podstatnou nevýhodou objemové metody při měření průtoku je nutnost dlouhodobého chodu strojů v ustáleném provozu, během níž lze provést měření garantovaných hodnot pouze jednoho bodu.

5. ROZBOR DOSAŽITELNÉ PŘESNOSTI MĚŘENÍ PRŮTOKU OBJEMOVOU METODOU Přesnost měření objemovou metodou je závislá na měření několika základních fyzikálních veličin a technické realizovatelnosti tohoto měření. Největší vlivnost na přesnost měření průtoku mají především tyto faktory: 1/ Přesnosti geometrického zaměření horní nádrže ovlivněné a z tohoto zaměření výpočtem získané závislosti okamžitého objemu vody na výšce hladiny. Dosažitelná výsledná přesnost je dána dílčími následujícími přesnostmi: - přesností určení hladinových ploch v jednotlivých horizontech - přesnosti stanovení polohy výše uvedených hladinových horizontů - přesnosti stanovení objemů nádrže pro jednotlivé polohy hladiny 2/ Přesnosti určení polohy skutečné vodní hladiny ovlivněné - přesností snímačů hladiny - vlivu vlnění hladiny vody 8

- vlivu deformace hladiny v důsledku přítoku nebo odtoku vody - vlivu umístění a počtu snímačů polohy hladiny 3/ Další vlivy: - vliv průsaku vody z horní nádrže - vliv zakřivení zemského povrchu - vliv odparu vody během měření - vliv srážek - vliv deformace povrchu nádrže 4/ Přesnost stanovení času ustáleného chodu hydraulického stroje 5/ Přesnost určení proteklého množství při nestacionárních pochodech. 6/ Přesnost realizovatelné regrese závislosti objemu kapaliny v nádrži použité pro realizaci měření změn objemu.

5.1. Rozbor přesnosti geometrického zaměření horní nádrže Určení teoretického objemu vody akumulované v horní nádrži při různých polohách hladiny a přesnosti s jakou je tento objem určitelný je závislý na proměření a zpracování takto získaných dat, popisujících tvar nádrže. Výpočet ploch s dosažitelnou přesností je geodetickou záležitostí, která je zatížena především těmito chybami: - chyba určení geodetického podkladu ( polygonová síť ) - chyby měřické při určení polohy bodů sítě - chyby interpolace hladinových bodů - chyby přesnosti stanovení jednotlivých horizontů - chyby výpočtu obsahu hladinových ploch S odvoláním na geodetické zaměření [ 7 ] a [ 10 ] lze očekávat absolutní chybu stanovení plochy hladiny dS = 3 m2 při absolutní velikosti plochy S = 100 000 m2 (přibližně střední hodnota plochy hladiny horní nádrže). Lze tedy plochy hladiny pokládat za určené s přesností v rozsahu δ(s)= 3 . 10-5. Vertikální určení polohy bodů hladinových ploch je při použití současné geodetické techniky a rozměrech nádrže při geometrické trigonometrii realizovatelné se střední chybou: σ(y) = ( 0.003 ÷ 0.006 ) m Tato střední chyba ovlivní výpočet objemu celé nádrže daný vztahem pro určení objemu komolých jehlanů:

9

Dalším rozborem vychází relativní chyba určení objemu: δ(Vn) = 0.00599 δ(Vn) = 0.599 %

5.2. Přesnost určení polohy skutečné hladiny Přesnost stanovení hladiny vody je opět závislá na použité měřící aparatuře, jejich technických možnostech a způsobu zhodnocení získaných informací. Přesnost především závisí na: - přesnosti snímačů hladiny - vlivu umístění a počtu snímačů hladiny - chybách při vytyčování vodorovné polohy - chybách daných nepřesnou montáží přístroje ve vytyčené rovině - vlivu umístění a počtu snímačů hladiny - vlivu vlnění hladiny vody - deformaci hladiny v důsledku přítoku nebo odtoku vody Pro měření polohy hladiny vzhledem k určité pevně dané rovině lze použít řadu metod a přístrojů. Přístroje založené na měření hydrostatického tlaku vody pracují běžně s relativní chybou 0.25 % z maximálního rozsahu. Při měření připadá v úvahu změna hladiny v našem konkrétním případě maximálně o 1 - 1.5 metru. Radiolokační přístroje pracují s chybou větší, mohou však pracovat s touto konstantní absolutní chybou ve větším rozsahu. Plovákové přístroje se vyznačují značnou hysterezí a neschopností snímat rychlé změny, i když absolutní chyba určení polohy hladiny v rozsahu 2 - 3 mm poskytuje srovnatelnou přesnost měření.

Pro měření polohy hladin lze doporučit tyto přístroje: 1/ Radarový snímač hladiny ROSEMONT APEX měřící rozsah: 0.5 - 17 metru přesnost: ± 5 mm při měřícím rozsahu 0.5 - 10 m nebo 0.05 % měřícího rozsahu 10 - 17 m frekvence snímání: 10 Hz Lze tedy měřit hladinu s chybou 5 mm, výhodou přístroje je přímé měření hladiny bez vlivu změn hustoty vlivem teploty a vlivu atmosférického tlaku. 2/ Ponorný snímač tlaku ROSEMONT LMP 308 / 808 10

měřící rozsah 0 - 2.5 metru přesnost ± 0.25 % měřícího rozsahu frekvence snímání 10 Hz Přístroj tedy může snímat hladinu s chybou 6.2 mm. Přístroje uvedené výše mají velmi malý rozsah, umožňující měřit změny hladiny pouze v oblasti zájmového spádu. Pro měření v jiném rozsahu je nutno provést jejich přeinstalování. 3/ Snímač hladiny KROHNE BM 100 měřící rozsah: 0 - 60 metru přesnost: ± 3 mm frekvence snímání: 5 Hz Snímač pracuje na principu měření doby průchodu elektromagnetického impulsu mezi snímačem a rozhraním vzduch - kapalina. Přístroj je neovlivňován teplotou ani dalšími vlivy. Dalším problémem je přesné ustavení přístrojů pro snímání výšky hladiny vzhledem k dokonale vodorovné rovině. Odchylku od roviny lze rozdělit na dvě nezávislé složky: - chyby při vytyčování vodorovné polohy - chybu danou nepřesnou montáží přístroje ve vytyčené rovině Relativní chyba určení hladiny přístrojem pro její měření je dána vztahem:

Relativní chyba vytyčení přístroje vzhledem k vodorovné rovině je dána:

Relativní chyba polohy přístroje vzniklá montážní chybou od vytyčené polohy

Uvedené chyby jsou zjevně vzájemně nezávislé, pro potřeby 95 % pravděpodobnosti lze pro jejich kumulaci použít vztahu pro výslednou chybu:

Vliv umístění a počtu snímačů hladiny je především určen legislativními požadavky a technicky logickou snahou snížit vznikající chyby použitím více přístrojů a stanovením střední hodnoty. 11

Mezinárodní norma IEC striktně požaduje měření hladiny na nejméně čtyřech místech po obvodu nádrže. Pro tvar rozvlnění hladiny lze doporučit neumísťovat měřící přístroje jakéhokoli principu přímo u břehu, ale v určité vzdálenosti od okraje nádrže. Technicky nejschůdnějším řešením je umístění měřící šachtice v tělese hráze nebo břehu a provést spojení s vodním prostorem v určité vzdálenosti od břehu, pro potlačení jeho vlivu. Za hodnotu výšky hladiny v horní nádrži je pak nutno považovat aritmetický průměr čtyř údajů jednotlivých snímačů dle vztahu:

V případě, že budou k dispozici údaje z více měřících míst, je vhodné provést vyloučení měření s zatížených značnější chybou podle Grubbsova T kriteria. Vlnění hladiny vody je další faktor se značným vlivem na realizovatelnost měření. Pozorováním vodní hladiny při měření a z údajů snímačů hladiny lze vyvodit následující závěr, že vlnění hladiny je dáno interferencí dvou základních vlivů: 1/ vlnění vlivem atmosférických vlivů /větrem/ 2/ pohyb hladiny vyvolané přítokem nebo odtokem ad 1/ Vlnění vyvolané větrem je závislé na okamžité rychlosti větru, na jeho směru a na konfiguraci terénu v blízkosti břehu. Značně se projevuje rozdíl na závětrné a návětrné straně nádrže. Pozorováním a měřením pomocí limnigrafické tyče jsem došel následujícím závěrům: Při rychlosti větru cca 1 - 3 m.s-1: výška vln – ( 0.05 ÷ 0.1 ) m perioda nárazu vln na břeh ( 2.0 ÷ 0.75 ) s Tvar vlnění hladiny je zhruba stejný po celém obvodu nádrže, lze pozorovat rozdíl výše vln na návětrném a závětrném břehu v poměru 1 : 1.5 až 1 : 2. Při rychlosti větru cca ( 3 - 5 ) m.s-1: výška vln ( 0.13 ÷ 0.35 ) m perioda nárazu vln na břeh ( 1 ÷ 0.5 ) s Začíná se markantně projevovat rozdílnost tvaru vlnění po obvodu nádrže. Subjektivně je pozorovatelný jiný charakter povrchu hladiny ve větší vzdálenost od břehu ( 10 ÷ 20 ) m, závislé na okamžité výšce kladiny, je zde zřetelná závislost, analogická Saint-Venantovu principu, platnému pro poddajná tuhá tělesa. Měření výšky hladiny je věrohodnější v určité vzdálenosti od břehu.

12

Při rychlosti větru nad cca 4 m.s-1 se tvoří vlny vysoké nad 0.35 m, vytváří se vodní tříšť, rotující vlny či vlny s přepadávajícími vrcholy. Rozdílnost tvar vlnění po obvodu nádrže je zcela zřetelná. Poměrně značné rozvlnění hladiny nádrže v porovnání s jinými vodními plochami podobných rozměrů je zapříčiněno umístěním na vrcholu horského hřebene. Dochází k charakteristickému obtékání horského hřebene. ad 2/ Přítok nebo odtok vody způsobený chodem strojů v čerpadlovém nebo turbínovém provozu vyvolává stojaté vlnění s periodou Tv a amplitudou Ev, které se začne vyvíjet ihned po spuštění stroje, po ustálení se prakticky nemění a po odstavení stroje velmi pomalu odeznívá. Tv = 60 -70 s při minimální hladině 1326.5 m.n.m. Tv = 90 -100 s při maximální hladině 1349.0 m.n.m. Nepozoroval jsem závislost na množství vody odtékající nebo naopak přitékající do nádrže. Amplituda vlnění Ev je naopak závislá na průtoku vody Q = ( 40 - 65 m3.s-1 ) a výšce hladiny vody v nádrži - s klesajícím akumulovaným objemem stoupá a naopak. Tento jev je pozorován v podélné ose nádrže, tedy přibližně v ose odtoku nebo přítoku vody. Deformace teoretické vodní hladiny odtokem či přítokem vody při čerpadlovém provozu je často diskutovaný jev. Deformace jsou lokálního typu, pozorovatelné v blízkosti vtokového a výtokového objektu. Tyto deformace jsou původcem stojatého vlnění a které se šíří po celé nádrži, jak bylo již zmíněno výše. S ohledem na nutnost přesného měření polohy vodní hladiny je zřejmé bezpodmínečně nutné měření hladiny při ustáleném stavu, tedy při odstavených strojích, po ustálení hladiny, při rychlosti větru do zhruba 2 ms-1, dokud má tvar vlnění pravidelný tvar umožňující vyhodnocení střední polohy. Uvedené vlivy prakticky vylučují možnost měření polohy hladiny při provozu hydraulických strojů a tedy znemožňují použít objemové metody s letmým startem.

5.3. Další vlivy na přesnost objemové metody - vliv průsaku vody z horní nádrže má zanedbatelně malou hodnotu vůči průtoku strojem, a proto přesnost jeho stanovení má zanedbatelně malou vlivnost. Do výpočtu je zahrnut dle vztahu: Q = Qt - q pro turbínový režim Q = Qč + q pro čerpadlový režim hodnota průsaku q je u většiny nádrží měřená pomocí přepadů instalovaných na svodech prosáklé vody. V případě PVE DS se jedná o hodnotu ( 9 - 12 ) l s-1. 13

- vliv odparu vody během měření z dostupných pramenů je udávána hodnota odparu na území naší republiky za 24 hodin: 1 ÷ 2 mm v zimních měsících 3 ÷ 4 mm v letních měsících Vzhledem k maximálně uvažované době jednoho měření 1.5 hod, lze očekávat maximální chybu měření polohy hladiny zanedbáním odparu δ(o) = 0.025 % Tedy více než 10 krát menší než teoretická přesnost snímače hladiny. Přesné stanovení odparu pro konkrétní lokalitu a daný okamžik je značně komplikované a i uvedené hodnoty jsou obtížně přenosné na lokalitu s extrémními klimatickými podmínkami. - vliv zakřivení zemského povrch Teoreticky by tvar hladiny měl tvořit část povrchu koule o poloměru přibližně 6.38 . 106 m. Tedy s odchylkou 6 mm na 300 délkových metrů. Podle výzkumů uskutečněných na velkých vodních plochách má na tvar hladiny vliv také místní hloubka, reliéf dna, rozložení místních magnetických anomálií. Pokud vyjdeme z předpokladu malých změn výšky hladiny, můžeme předpokládat zakřivení hladiny na začátku a na konci měření stejné. Změna objemu před a po ukončení měření bude tedy představovat určitou tloušťku velmi zhruba kulové stěny s zanedbatelným zakřivením proti délce a šířce. - vliv srážek Teoreticky lze vyhodnotit měřením okamžitého množství vody, které spadlo během měření na několika místech po obvodu nádrže. - vliv vsakování vody do pláště a břehů nádrže Při turbínovém chodu / klesání hladiny / bude docházet nad hladinou k vytékání vody proniklé do spár zpět do nádrže. Při čerpadlovém chodu dojde k opačnému jevu. Množství pohlcené vody břehem je nejvyšší při nejvyšší poloze hladiny pro největší omočenou plochu břehu. - vliv deformace povrchu nádrže na základě měření pohybu hráze horní nádrže při provozu se deformace sypaných částí pohybují řádově v centimetrech. Vliv těchto deformací není postižitelný pro malý soubor nutných údajů a je s ohledem na rozměry nádrže neměřitelný.

5.4. Přesnost určení doby ustáleného provozu Objemová metoda je založená na výpočtu průtoku z vyteklého nebo nateklého objemu vody za časový interval. Při měření reálného hydraulického stroje jsou významné následující časové hraniční body a intervaly: o - počátek měření, okamžik otevření kulového uzávěru, zaměřena počáteční poloha hladiny T1 - interval odtoku průsakem přes uzavřený rozvaděč 14

1 - počátek otevírání rozvaděče turbíny, začátek najížděcího procesu T2 - interval neustáleného průtoku při zvyšování otáček do nominální hodnoty, přifázování stroje, zvyšování výkonu dalším otevíráním rozvaděče do žádané polohy 2 - ustálení stroje při žádaném provozním stavu - otevření rozvaděče Y T3 - interval měření ustáleného režimu 4 - začátek uzavírání rozvaděče, zahájení odstavovacího procesu T4 - interval proměnného průtoku při odstavování 5 - odstavení stroje, rozvaděč uzavřen 6 - uzavření kulového uzávěru T5 - doba ustalování hladiny rozkývané provozem 7 - měření konečné polohy hladiny Při současném stavu techniky lze měření času pokládat za bezchybné, problém je s definováním počátku a konce měřeného intervalu, které může být pouze do jisté míry smluvní s ohledem na přítomnost tlakových pulsací v přivaděči a odpadním kanále vlivem vodního rázu. Celková relativní chyba vznikající nepřesným určením délky intervalu T3 je dána při předpokladu stejné absolutní chyby na konci a na začátku intervalu vztahem:

5.5. Určení proteklého množství při nestacionárních pochodech Během intervalu T2 dochází k neustálenému, postupně se zvyšujícímu průtoku od hodnoty qr do hodnoty Q v důsledku otevírání rozvaděče. Množství takto proteklé vody je dáno vztahem:

kde proměnná K1 = f(Y,H) vyjadřující závislost průtoku Q hydraulickým strojem v závislosti na otevření Y a čistém spádu H. Vzhledem k neznalosti přesné Q - H charakteristiky stroje v době měření je nutno vycházet z modelové charakteristiky přepočtené na skutečný stroj. Výpočet této integrální závislost vyžaduje snímání otevření rozvaděče Y a rozdílu tlaku na vstupu do hydraulického stroje a na jeho výstupu. Rozdíl těchto tlaků přímo určuje čistý hydraulický spád, a proto uvedené přístroje není nutno instalovat pro potřeby oběmové metody, ale jsou použity pro určení měrné hydraulické energie. 15

Analogický jev nastává v intervalu T4 při uzavírání rozvaděče. Závisí především na programu zavírání rozvaděče a stejně jako v předchozím případě na charakteru přívodního a odpadního potrubí. Oproti otevírání rozvaděče, kdy dochází k poklesu statického tlaku vlivem ztrát a dále k dočasnému poklesu tlaku odběrem energie pro urychlení kapaliny v hydraulickém obvodu, dochází při zavírání rozvaděče naopak k zvýšení tlaku na hodnotu statického tlaku a k dalšímu dočasnému zvýšení tlaku vlivem vodního rázu. Uvedený objem kapaliny představuje změna výšky hladiny vlivem rozběhu a odstavení stroje v závislosti na hodnotě ustáleného průtoku a okamžité výši hladiny v nádrži v rozsahu 10 ÷ 30 mm u PVE DS.

5.6. Určení přesnosti regrese objemu vody v horní nádrži Podrobný rozbor dosažené přesnosti regrese a očekávatelné chyby je uveden na straně 45 až 61 disertační práce.

5.7. Výpočet přesnosti měření průtoku objemovou metodou Přesnost výpočtu jednoho provozního bodu měření je závislá na dílčích výše uvedených vlivech. Potom relativní chyba polohy hladiny δ(p) lze určit dle :

hodnota výrazu t / √a je daná funkcí dle Studentova rozložení v závislosti na počtu měřených bodů. Relativní chyba určení objemu kapaliny v horní nádrži je při předpokladu známé relativní chyby určení geometrického objemu nádrže δ(Vn) následující:

Analogická relativní chyba vzniká při určení objemu kapaliny na konci měření: Celková relativní chyba určení změny objemu vody v horní nádrži při jednom měření můžeme přibližně předpokládat následovně:

Potom relativní chyba určení průtoku:

16

K této relativní chybě je však nutno přiřadit i chybu která vzniká nepřesností určení proteklého množství při nestacionárních pochodech. Postup určení tohoto množství vody je naznačen v kapitole 5.5. dizertační práce. Absolutní chybu určení objemu při nestacionárních pochodech vyjádřit:

Tato absolutní odchylka objemu ovlivní absolutní odchylka průtoku:

Dodatečná relativní chyba určení průtoku je potom dle vztahu:

Celková relativní chyba určení průtoku je potom dána vztahem:

Příklad dosažitelné přesnosti v závislosti na vstupních hodnotách Použitím výše uvedených vztahů lze určit dosažitelnou přesnost pro příklad měření průtoku strojem. Výpočtem jednotlivých chyb a jejich zřetězením je možno posoudit vlivnost těchto chyb na výpočet celkové přesnosti výpočtu. Příklad : Vstupní veličiny: počáteční poloha hladiny.....................………. 1337.0 konečná poloha hladiny.......................………. 1336.0 změna výšky hladiny..........................……….. 1 doba ustáleného provozu......................……… 1730 dosažitelná chyba určení polohy hladiny x ..... ..3 předpokládaný průtok hydraulickým strojem při turbínovém režimu........................……….. 60

m.n.m. m.n.m. m s mm m3s-1

Výstupní veličina: relativní chyba určení průtoku...............………. 0.01081 Předpokládáme odchylku σ(zg )při vytyčování vodorovné roviny při použití geometrické hodnoty nivelace ve výši 3 mm. 17

6.

NAVRŽENÝ POSTUP MĚŘENÍ PRŮTOKU OBJEMOVOU METODOU

Postup realizace měření jednoho provozního bodu Na základě předchozí kapitoly připadá v úvahu měření průtoku při turbínovém provozu objemovou metodou tento po stup: 1/ Načerpat hladinu v horní nádrži na hladinu pro zahájení měření. Hh = Hgar + Hz + 0.5 . dHm 2/ Počkat na ustálení hladiny pro vyloučení kývání kladiny vlivem provozu, minimálně podle zkušeností však 20 až 30 min Provést zaměření výšky hladiny. 3/ Během ustalování hladiny provést zahřátí stroje na provozní teplotu chodem v kompenzačním provozu 4/ Otevřít kulový uzávěr 5/ Pootevřít rozvaděč, rozběhnout stroj na volnoběh, provést přifázování, s maximální přípustnou rychlostí zatěžování ( dP/dt ) najet na žádané otevření stroje. Je nutno zaznamenat průběh tlaku před spirálou p1 a tlaku p2 v savce. 6/ Sledovat klesání hladiny během provozu a po žádaném poklesu zahájit odstavení stroje 7/ Provést rychlé odstavení stroje. Během odstavování zaznamenat průběh tlaku p1 a p2 pro pozdější výpočet objemů vody při neustáleném proudění. 8/ Po uzavření rozvaděče provést uzavření kulového uzávěru 9/ Po ustálení hladiny provést zaměření její nové polohy. 10/ Provést výpočet příslušného průtoku dle následujícího postupu:

6.1. Postup výpočtu průtoku objemovou metodou Postup výpočtu z naměřených hodnot je nutno provést současně s výpočtem přesnosti měření v daném bodě. Vstupní veličiny: Kóta hladiny v HN před zahájením měření Hhi΄ [ m.n.m. ] Kóta hladiny v HN po ukončení měření Hhi˝ [ m.n.m. ] délka intervalů T1,T2,T3,T4,T5 [s] Časové průběhy hodnot: p1 = f(t) v intervalu T2 p2 = f(t) v intervalu T2 p1 = f(t) v intervalu T4 p2 = f(t) v intervalu T4 Průsak přes rozvaděč: qr [m3s-1] Průsak stavební částí q [m3s-1] Výstupní veličina: Průtok Q [m3s-1] 18

Kóty hladiny v horní nádrži před a po ukončení měření jsou pochopitelně výsledky snímání hladiny během delšího časového intervalu / zhruba 200 sekund / jednotlivých snímačů hladiny po obvodu nádrže, tedy minimálně čtyř. Postup výpočtu: 1/ Výpočet počátečního objemu nádrže Počáteční objem nádrže je závislý pouze na určené výšce hladiny, přesněji její střední hodnotě, kterou budeme pokládat za konvenčně správný údaj a budeme z ní vycházet v dalších výpočtech. Je dán vztahem vycházející ze závislosti objemu na kótě hladiny:

2/ Výpočet konečného objemu vody v nádrži je zcela shodný s výpočtem počátečního objemu hladiny. 3/ Změna objemu vody v nádrži je dána logicky vztahem:

4/ Výpočet proteklého množství vody při nestacionárních pochodech je určitelný dle postupu provedeného v kapitole 5.5. práce.. Celkové množství vody při rozběhu a odstavení je dáno součtem:

5/ Výpočet proteklého množství průsakem přes rozvaděč Množství vody proteklé přes rozvaděč je dáno součinem průsaku přes uzavřený rozvaděč a času T1 klidu stroje při otevřeném kulovém uzávěru. Hodnotu qr je nutno změřit nebo kvalifikovaně odhadnout na základě proměření rozvaděče a porovnáním s podobnými stroji. Běžná hodnota u radiálního rozvaděče je (0.01 ÷ 0.02) Qnom. U soustrojí PVE DS je odhadována na 0.5 - 0.7 m3s-1.Neznalost přesné hodnoty nemá velkou vlivnost na přesnost výpočtu pro krátkou dobu po kterou je rozvaděč uzavřen při otevřeném kulovém uzávěru. 6/ Výsledný průtok strojem při ustáleném turbinovém provozu vychází ze změny objemu vody v horní nádrži:

Pro čerpadlový provoz

19

Průtok v turbínovém režimu lze potom určit vztahem:

Pro čerpadlový provoz platí analogický, mírně upravený vztah

7. VÝBĚR METODY MĚŘENÍ PRŮTOKU PRO GAR. MĚŘENÍ PVE DS Kromě jiných faktorů, nejen technických, byla pro potřeby garančního měření soustrojí PVE DS objemová metoda měření průtoku zamítnuta, a bylo použito klasické měření pomocí hydrometrických vrtulí. Objemová metoda měření průtoku je plánována pro PVE Markesbach. Pro zamítnutí měření průtoku objemovou metodou byly rozhodující kritéria: 1/ Objemová metoda slibuje sice teoreticky dosažení vyšší přesnosti měření průtoku vzhledem k měření pomocí hydrometrických vrtulí, toto zvýšení přesnosti je však očekávatelné za optimálních podmínek, a je podmíněno značnými stavebními úpravami v již dokončené stavební části. Samotné měření slibuje zmenšení relativní chyby průtoku o cca 0.3%. 2/ Pro získání plynulé křivky průběhu základních parametrů (průtok, účinnost, výkon, ....) v závislosti na nastavení regulačního orgánu hydraulického stroje pro jeden předepsaný spád je nutno uskutečnit minimálně 12 až 15 měření. Tento nutný počet měření lze uskutečnit při jediné počáteční hodnotě nastaveného geodetického spádu postupným měřením od největšího výkonu k minimálnímu a tedy i od největšího průtoku k nejmenšímu. Snižování geodetického spádu bude kompenzováno zmenšováním hodnoty ztrátové výšky, což se plně potvrdilo během měření. Celkový čistý čas nutný pro provedení měření byl zhruba 2 hodiny při turbínovém chodu bez nutnosti soustrojí odstavovat, pouze při postupném snižování výkonu. V čerpadlovém provozu byl čistý čas měření pouze cca 1 hodinu při zhruba stejném příkonu (reverzní turbína při manipulaci s rozvaděčem v oblasti provozního bodu nemění podstatným způsobem hodnotu odebíraného výkonu). Samotné měření jednoho provozního bodu po ustálení trvalo 200 sekund. Aplikace objemové metody by vyžadovala při každém novém nastavení regulačního orgánu provést po změně hladiny odstavení stroje a načerpání vody do nové výchozí hladiny v horní nádrži. Samotné měření jednoho provozního bodu trvá přibližně jednu hodinu, ustálení po měření nutné pro rozkyv hladiny zhruba 30 minut, vyčerpání vody na novou počáteční hodnotu také minimálně jednu hodinu, opětné ustálení pro přesné zaměření polohy 20

horní hladiny dalších zhruba 30 minut. Hydraulické parametry pro jediné nastavení provozního režimu je tedy možno získat zhruba za čtyři hodiny při uvažování nutných prostojů. 3/ Provedení výše naznačeného postupu vyžaduje vzhledem k velkým a rychlým změnám dodávaného a ihned poté odebíraného elektrického výkonu značný problém pro elektrizační soustavu a pro její dispečerské řízení. Prakticky by byla nutná spolupráce s další přečerpávací elektrárnou podobného výkonu ( PVE Dalešice ). 4/ Provedení zkoušek soustrojí znamená při každé metodě dlouhodobé podřízení provozu elektrárny jejich průběhu. Délka požadovaného vynětí elektrárny z dispečerského řízení značným způsobem diskvalifikuje objemovou metodu měření průtoku a současně prodražuje provádění zkoušek. 5/ Z výše provedeného rozboru je jasná závislost provedení garančního měření na okamžitých klimatických podmínkách, které lze jen velmi obtížně předpokládat. 6/ Při projektové přípravě, ani při provádění stavebních prací nebylo pamatováno na výběr jiných metod měření průtoku, čímž byla později znemožněna jejich realizace. Metoda měření průtoku příložnými ultrazvukovými průtokoměry a metody indikační byly vyloučeny pro nepřístupnost k přivaděči hydraulických strojů, termodynamická metoda měření účinnost nepřináší při praktických realizacích často opakovatelné a reprodukovatelné výsledky. 7/ Měření průtoku jinými metodami než metodou objemovou lze v případě pochybností o jejím výsledku opakovat, chybu měření v případně nalezení odstranit nebo eliminovat bez enormních nákladů. Základem objemové metody je přesné zaměření jedné z nádrží, což je rozsáhlý geodetický úkol. Při práci s výsledky této práce je nutno předpokládat jejich správnost. 8/ V neposlední roli hraje při rozhodování o volbě měřící metody i dosavadní známé výsledky a zkušenosti u podobných již provedených měření. Používat měřící metodu v našich podmínkách nevyzkoušenou, byť slibující vyšší přesnost může být při závažném měření velmi riskantní.

8.

NÁVRH METODY K URČENÍ ČASOVĚ PROMĚNNÉHO RYCHLOSTNÍHO POLE.

Časově proměnné rychlostní pole lze získat průběžným měřením otáček hydrometrické vrtule a z nich určením okamžité rychlost kapaliny. Navržená metoda přibližného určení rychlostního pole proudící kapaliny poskytuje aplikovatelné informace o předpokládaných změnách rychlostí například u vtokového objektu vodní elektrárny s malými průtočnými rychlostmi. Především ve vtokových objektech bývají v rámci různých měření instalovány hydrometrické vrtule na rozličných konstrukcích. Kromě určení hodnoty průtoku a 21

rozložení rychlosti je možno určit i fluktuace rychlostí a tak získat o další stupeň kvalitativnější informaci o charakteru proudění. Další možnosti uplatnění navrhované metody je například: - vyšetření rozložení rychlostí při nestacionárních pochodech - vyšetření rychlostí v derivačních kanálech a vodních tocích při změnách charakteru proudění - určení změn rychlostí při zahrazování a vyhrazování - určení tvaru rychlostních polí v plavebních komorách - určení změn rychlostních polí při pomalejších změnách charakteru proudění /zanášení česlí na vstupech vodních turbín a v podobných případech /.

8.1. Rozbor návrhu průběžného měření rychlosti kapaliny Rychlost kapaliny v místě vrtule je daná její výše uvedenou rovnicí: Konstanty α a β jsou získány při cejchování vrtule v hydrometrické laboratoři. Pro rotující hydrometrickou vrtuli přibližně platí rovnice rovnováhy v následujícím tvaru: Na základě této rovnice lze určit čas Tu nutný k dosažení ustáleného provozního stavu, tedy okamžiku, kdy zrychlení rotujících hmot je rovno nule. Je logické, že pro sledování velmi rychlých dynamických změn je nutno použít snímače s co nejkratší dobou ustálení. Pro odhad s jakou maximální frekvencí lze provádět měření, aby bylo možno provést určité vyhodnocení časově proměnného jevu /v našem případě rychlosti proudění v daném bodě v závislosti na čase/ lze vycházet z následujících předpokladů: a/ hydrometrická vrtule průměru 60 mm po ponoření do kapaliny o rychlosti proudu 5 - 7 ms-1 dosáhne ustálených otáček do 4 sekund b/ při cejchování dosáhne vozík s hydrometrickou vrtulí téže rychlosti v čase přibližně 8 sekund, od tohoto okamžiku je rychlost vozíku konstantní a probíhá samotné cejchování, můžeme tedy předpokládat 8 sekund za krajní dobu, kterou potřebuje vrtule k ustálení otáček Výsledkem zde neuvedeného rozboru je tedy předpoklad časové konstanty T v hodnotě cca 0.8 sekund. Z tohoto výsledku lze odvodit horní mezní frekvenci měření fluktuací změn rychlosti proudu kapaliny dle doporučení [ 9 ].

22

Horní mezní frekvence fmax = 0.625 Hz není zjevně vhodná pro rychlá měření, lze ji však použít při aplikacích v případech naznačených výše.. Změny rychlosti s větší frekvencí budou skresleny případně zcela zatlumeny. Pro měření je dále nutno zvolit vhodnou vzorkovací frekvenci fs. Dle Shannon Kotelnikova teorému nutno volit vzorkovací frekvenci tak aby splňovala nerovnost:

Při praktických aplikacích, aby se předešlo zkreslení signálu volíme fsmin dle doporučení:

Pro náš příklad je tedy vhodná hodnota vzorkovací frekvence fs = 5 Hz. Pokud budeme měřit v těchto intervalech rychlost otáčení hydrometrické vrtule, můžeme určit průtok v daném okamžiku, ale především lze určit místní rychlosti v místě instalovaných hydrometrických vrtulí. Problémem je však okamžité snímání otáček hydrometrické vrtule, je jasná nemožnost snímat otáčky měřením počtu impulzů za časový interval, řešením / při stávajících hydrometrických vrtulích / je měřit délku časového intervalu mezi dvěma impulzy od snímače otáček a z nich určit okamžitou rychlost otáčení. Lze realizovat pomocí jednoduchého zapojení logických obvodů s minimálními náklady. Pro informaci uvádím několik variant blokového zapojení i přes to, že to není náplní této práce. MULTIPLEX ER

Převodník Úprava na TTL

MKO

•íta• •asova•

PAM••

SO

•O JEDNO•IPOVÝ MIKROPROCESOR GEN. m••.F

Varianta A Postupné měření přes multiplexer Výhodou je naprosto jednoduché zapojení s jedním čítačem a s ním spolupracující obvody. Nevýhodou je však postupné připojování jednotlivých měřicích míst a tím delší doba měření. Dobu měření pak lze definovat: Tměř = n.T.doba řízení a zápisu do paměti 23

Kde n je počet měřicích míst. Přepis do PC je možné realizovat po seriové nebo paralelní lince přes jednočipový mikroprocesor. V PC pak lze vytvořit tabulku hodnot kterou pak zpracujeme dle potřeby. Varianta B Každý vstup má samostané obvody, nepoužíváme multiplexer. Společné zustává pouze ŘO tedy jednočip a pamět s dostatečnou kapacitou. V současné době při vysoké integraci el. obvodů náklady jsou zanedbatelné . Získáme však měření v reálném čase a vytvoříme tabulku hodnot téměř současně. Pokud zanedbáme dobu přenosu a čas pro zpracování v PC vzhledem k počtu otáček Varianta C Využití průmyslové výpočetní techniky Použijeme multifunkční měřicí karty A/D výstupy a digitální I/O. Tyto multifunkční karty jsou určeny pro rychlá mutikanálová měření analogových signálů pomocí 8 až 16 DC vstupů. Kromě multiplexovaných vstupů obsahují 1 až 2 D/A převodníky a 16 +16 digitálních V/ V kanálů TTL úrovní. Karty se instalují do ISA/PCI slotů počítače a komunikaci zajišťuji I/O adresy IRO ,DMA . Vzorkovací frekvence je 30-300 kHz na kanál. Například lze použít pro zjištění otáček jednotlivých měřených vrtulí kartu PCL 836 – digitální karta obsahuje 6 kanálů čítač/časovač produktu ADVANTECH a ovladač pro WINDOWS 95/98 ADAM 4000 (5000) K další konfiguraci je možné použít celou řadu nabízených produktů pomocí kterých přizpůsobíme měřicí kanál k PC. V nabídce je samozřejmě i Software. Postup vyhodnocení rychlosti otáčení hydrometrické vrtule. Signal od vysílače otáček po vybrání multiplexerem upravíme na TTL logiku a obvodem SO (Schmituv obvod) upravíme nástupní hrany. Obvodem MKO (monostabilní klopný obvod) definujeme periodu měření T , kterým otevíráme čítač. Po tuto dobu čítač načítá pulsy měřící frekvence. Měřící frekvenci volíme dle požadované přesnosti. Po skončení doby měření provedeme přenos obsahu čítače do paměti k dalšímu zpracování v PC. V další fázi je nutno přesně určit dynamické vlastnosti hydrometrických vrtulí pro získání přesnějších podkladů k rozboru dynamických chyb měření. Logicky lze navrhnou následující doporučení pro zkrácení časové konstanty vrtule T: - volit vrtuli s malým momentem setrvačnosti - navrhnout lopatkování pro dosažení nízkých otáček

24

9. ZÁVĚR Výsledkem této práce je rozbor hlavních faktorů majících vliv na dosažitelnou přesnost určení průtoku objemovou metodou v podmínkách konkrétního vodního díla PVE - DS. Potvrdila se teoretická možnost dosažení vyšší přesnosti než u dosud používaných hydrometrických vrtulí, bylo však i objektivně poukázáno na těžkosti spojené s realizací tohoto měření. Limitujícím faktorem této metody stále zůstává přesné určení objemu nádrže, především problém přesnosti geometrické nivelace hladinových bodů . Chyba určení polohy hladiny není tak markantní, měření je však náročné ne technicky, nýbrž finančně pro stavební úpravy. V každém případě lze při pečlivé přípravě podobného měření počítat s vyšší dosaženou přesností měření průtoku vůči stávajícím metodám. Tento předpoklad snad bude prokázán při připravovaném měření průtoku VE Markesbach v Německé spolkové republice. V následující části práce je proveden návrh metody k získání časově proměnného rozložení rychlostí v měrném profilu pomocí hydrometrických vrtulí, tedy měřícího čidla, které není na první pohled vhodné k měření nestacionárních stavů. Dynamické, časově závislé změny charakteru proudění se však u vodních děl vyskytují vždy a je nutno jim věnovat pozornost.

10. SEZNAM POUŽITÝCH OZNAČENÍ Označení

Jednotka

Význam

A B C Ew F( ) H Hd Hh Hh Hnet Hz K Q Qturbiny Qčerpadla

[1] konstanta rovnice [1] konstanta rovnice [1] konstanta rovnice [m] amplituda vlnění [-] funkční závislost [m] spád [m] hladina dolní nádrže [m] hladina horní nádrže [m] konvenčně správná hladina [m] čistý spád [m] strátová výška [1] proměnná 3 -1 [m .s ] průtok 3 -1 [m .s ] průtok turbiny 3 -1 [m .s ] průtok čerpadla 25

Qi Q* S Si So S′ S″ T Tsm Tu Tw T1 T2 T3 T4 T5 V Vo Vz Vmin Vmax V′ V″ dHm dHo dVm f fmax fs f( ) k1 k2 k3 n n x α β σ(Q*) σ(y) δ(Q) δ(Q*)

[m3.s-1 ] [m3.s-1 ] [m2] [m2] [m2] [m2] [m2] [s] [s] [s] [s] [s] [s] [s] [s] [s] [m3] [m3] [m3] [m3] [m3] [m3] [m3] [m] [-] [m3] [Hz] [Hz] [Hz] [-] [1] [1] [1] [s-1] [-] [m,mm] [m.s-1 ] [m] [ m3s-1] [ m] [1] [1]

průtok okamžitý průtok doplňkový plocha plocha hladiny plocha omočená plocha hladiny před měřením plocha hladiny po měření čas perioda měření čas ustálení perioda vlnění doba odtoku rozvaděčem doba rozběhu stroje doba ustáleného provozu doba odstavení doba ustalování hladiny objem objem kapaliny pro rozběh objem kapaliny pro odstavení objem minimální objem maximální objem počáteční objem konečný změna hladiny při měření změna hladiny odparem změna objemu při měření frekvence frekvence maximální frekvence měřící funkční závislost konstanta konstanta konstanta otáčky počet měření absolutní chyba snínače hladiny součinitel hydr. vrtule součintel hydr. vrtule absolutní chyba dopl. průtoku absolutní chyba výšky hladinového bodu relativní chyba průtoku relativní chyba doplňkovéh průtoku 26

δ(Q)final δ(T) δ(V) δ(Vn) δ(V΄) δ(V″) δ(h) δ(m) δ(p) δ(z)

[1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1]

relativní chyba měření průtoku relativní chyba času relativní chyba jedn. objemu relativní chyba objemu nádrže relativní chyba poč. objemu relativní chyba kon. objemu relativní chyba určení hladiny relativní chyba montáže relativní chyba polohy hladiny relativní chyba zaměření

11. POUŽITÁ LITERATURA [ 1] Nechleba M., Druckmüller M.:Vodní turbíny I. VUT - FS Brno, 1990. [ 2] Nechleba M.:Teorie indirektní regulace. SNTL, 1982. [ 3] Bednář J.: Měření tekutinových systémů. VUT - FS Brno, 1982. [ 4] Rajniak I., Zavodnov P., Kučak L.,: Meranie v tepelnej energetike. Alfa Bratislava, 1989. [ 5] Kopeček J.: Technická diagnostika hydraulických mechanizmů. SNTL, 1990. [ 6] Němec Z.:Měření průtoku vody objemovou metodou. - výzkumná zpráva VUT - FS Brno, 1996. [ 7] Berka K.: Určování ploch a objemu horní nádrže PVE DS. - výzkumná zpráva Geodézie Šumperk, 1994. [8 ] Sládek Z., Vdoleček F.: Technické měření, VUT 1992 [9 ] Jenčík J., Kuhn L.:Technická měření ve strojírenst SNTL Praha 1982 [10] Ing. Šmíd A.: Odborný a oponentský posudek pro posouzení přesnosti geodetického stanovení ploch provozních hladin [11] Trávníček J.: Návrh měření průtoku turbínou objemovou metodou. Orgrez 1992 [12] Šob F., Mach R.: Modelové zkoušky turbíny fy Pavelka 3 - PKT - 200. - výzkumná zpráva VUT - FS Brno, 1994. [13] Mach R. a kol.: Komplexní zkoušky soustrojí TG 2 PVE Dlouhé Stráně - výzkumná zpráva VUT - FS Brno, 1995. 27

[14] Mach R.: Výpočet přesnosti měření průtoku vody objemovou metodou PVE DS. - výzkumná zpráva VUT - FS Brno, 1995. [15] Mach R.:Komplexní zkoušky soustrojí PVE DS. - výzkumná zpráva VUT - FS Brno, 1996. [16] Mach R a kol.: Komplexní zkoušky soustrojí TG 2 PVE Dlouhé Stráně rok 1996 - výzkumná zpráva VUT - FS Brno, 1996. [17 ] Meranie prietokov TG2-PVE Dlouhé Stráně Hydrometrics Bratislava rok 1996 [18 ] Meranie prietokov TG1-PVE Dlouhé Stráně Hydrometrics Bratislava rok 1997 [19 ] Scientific American, květen 1983 [20 ] Prigo, R.E. . Manley T.O., Connel B.H.: Linear, one-dimensional models of the surface and internal standing waves for a long and narrow lake [21] Am. Association of Physics Teacher březen 1996 [22] WATER POWER * Dam Construction: časopis ročníky: 1990. [23] HYDRO REVIEW WORDWIDE: časopis ročníky: 1990 - 1996 . [24] ČSN EN 60041 Přejímací zkoušky na díle pro určení hydraulických charakteristik vodních turbín, akumulačních čerpadel a čerpadlových turbín TKN č 48 srpen, 1995. [25] ČSN 257710 Měření průtoku kapalin škrtícími orgány. [26] ČSN 08 5012 Hydraulické zkoušky pro přejímání akumulačních čerpadel a čerpadlových turbín na modelu [27] ČSN ISO 2537 Vodoměrné vrtule s rotačním prvkem [28] ČSN ISO 3354 Metoda měření rychlostního pole pomocí vodoměrných vrtulí [29] ČSN ISO 5168 Určení nejistoty měření průtoku [30] ČSN 35 00 15 Metody určování ztrát a účinností [31] ČSN 35 02 04 Synchronní stroje, Metody zkoušení [32] P.A. March Flow measurements at Raccoon Mountain Water Power and Dam Construction říjen 1982 [33] Katalogy a nabídkové podklady výrobců měřící techniky. [34] R. Reisenauer, Metody matematické statistiky a její aplikace SNTL, Praha 1965 28

[35] Další nespecifikovaná literatura.

Autor: Ing. Richard Mach, po absolvování VUT – FS Brno, katedry hydraulických a pneumatických strojů v roce 1988 pracoval při přípravě a realizaci velkých vodních děl / Slezská Harta, ÜV Podhradí, ČOV /. Po konkurzním řízení v roce 1991 nastoupil jako odborný asistent na katedru V. Kaplana, kde se kromě pedagogické činnosti věnoval problematice měření parametrů hydraulických strojů. Pracoval jako vedoucí garančního měření PVE Dlouhé Stráně, na přípravě tohoto i dalších měření se aktivně účastnil. Je autorem více než 15 samostatných výzkumných prací a konstrukčních návrhů. Dalších výzkumných prací se účastnil jako spoluautor /8/, Byl řešitelem dvou mezinárodních grantových úkolů. Je autorem několika publikací a příspěvků na konferencích, včetně tří přednášek v zahraničí. V současné době pracuje jako projektant u renomované mezinárodní společnost.

29