Flow and efficiency measurements by use of clamp-on ultrasonic equipment

Abstract

Hydrauliske virkningsgradsmålinger er nødvendig for å få informasjon om ytelsen til hydrauliske maskiner i vannkraftverk. Virkningsgradsmålinger utføres vanligvis før og etter rehabilitering av vannkraftverk. Det er ofte ikke et problem å måle virkningsgraden på høytrykksturbiner, ettersom det er flere IEC godkjente metoder som kan benyttes. Virkningsgradsmålinger på lavtrykksturbiner har derimot vist seg å være utfordrende på grunn av vanskeligheter knyttet til måling av vannføringer. Dette kompliseres av rørgeometrier og korte vannveier rett før målingspunktet som medfører problemer med å anvende absolutte målemetoder. I slike tilfeller er det mulig å benytte metoder som ikke gir et mål på absolutt virkningsgrad men kan likevel gi et svar på hvor mye bedre en hydraulisk maskin har blitt etter oppgraderingen. IEC41 navngir disse metodene som indeksmetoder.

Målet med oppgaven er å evaluere clamp-on ultralydmåler for bruk som indeksmåling av vannføring i vannkraftverk. Clamp-on ultralydmåler er enkel å installere og har veldig lav pris i forhold til andre volumstrømsmålere. En ultralydmåler beregner strømningshastighet basert på tidsdifferansen mellom ultralydsignal som beveger seg mellom oppstrømstransduser og nedstrømstransduser festet på et rør.

Det ble utført eksperimenter med clamp-on ultrydmåler nedstrøms for et dobbelt bend ved Vannkraftlaboratoriet på NTNU. Et dobbelt bend er en vanlig rørgeometri i vannkraftverk. Vannstrømningen nedstrøms for et bend er preget av sekundær strømning i tillegg til kontraroterende virvler og asymmetrisk strømningsprofil. En én-stråle clamp-on ultralydmåler ble plassert 5 og 10 rørdiameter (5D og 10D), nedstrøms for dobbelt bendet, og forsøkene ble utført ved fire forskjellige omkretsvinkler i hver posisjon. CFD-simuleringer ble utført på forhånd for å kartlegge strømningsprofiler nedstrøms for dobbelt bendet. CFD ga en idé om omkretsvinklene hvor clamp-on måleren kunne plasseres for å få mest korrekte målinger.

Den totale måleusikkerheten av clamp-on ultralydmåleren ble beregnet i hver posisjon ved å sammenligne vannstrømningshastigheter målt av denne måleren med referanseverdier. De totale usikkerhetene i målingene ved 5D nedstrøms for dobbelt bendet var høyere enn ved 10D nedstrøms for bendet. Tilfeldige måleusikkerheter av målingene var også store ved 5D nedstrøms for dobbelt bendet, og dette resulterte i lav repeterbarhet av målingene.

De simulerte CFD resultatene er ikke i samsvar med måleresultatene fra clamp-on ultralydmåleren. Denne strømningsmåleren gir stor vekt på strømningsprofil i midten av røret når den beregner vannføringen. Forskjell mellom de simulerte og eksperimentelle resultatene er mest sannsynligvis fordi clamp-on ultralydmåler fungerer bare når strømningsprofil er fullt utviklet. Det er imidlertidig noen likheter mellom CFD resultatene og måleresultatene. For å trekke frem en bestemt konklusjon om disse likhetene, er det nødvendig med flere målinger på forskjellige rørgeometrier.

Hydraulic efficiency measurements are essential for performance testing of hydro-mechanical components in hydropower plants. Efficiency measurements are necessary to verify the increase in efficiency after the refurbishments of power plants. It is usually not a problem to measure efficiency in high head turbines as several code-accepted methods can be implemented in such machines. However, the efficiency measurements in low head turbines have shown to be challenging because of the difficulties in measuring discharge. The complex pipe geometries and short water inlets near the discharge measurement section complicate the implementation of traditional measurement methods. Index (relative) methods can be used in these situations. The index methods do not give the exact value of absolute hydraulic efficiency, but they are able to indicate the efficiency gain after upgrading a hydraulic machine.

The scope of this thesis is to investigate the accuracy of clamp-on ultrasonic methods, which can be used as index methods for flow and efficiency measurements in hydropower plants. Clamp-on ultrasonic flowmeters (UFM) are easy to install and are very cheap relative to other index methods. A clamp-on UFM calculates the average fluid velocity based on the difference in time required for ultrasonic pulses to travel between the upstream and downstream transducer.

Experiments in the laboratory were performed downstream of a double bend, which is one of the most common pipe geometries in hydropower plants. A flow downstream of a bend is characterised by a secondary flow in addition to counter-rotating vortices and an asymmetric flow profile. A single-beam clamp-on UFM was placed at 5 and 10 pipe diameters (5D and 10D) downstream of the double bend, and the experiments were performed at four different circumferential angles at each position from the double bend. CFD simulations were carried out in advance to gain deeper insight into the flow profile downstream of the double bend. CFD provided an idea of appropriate circumferential angles where the clamp-on UFM could be placed in order to determine the correct mean velocities of the flow.

At each position, the overall error of the clamp-on UFM was estimated by comparing the volumetric flow rates obtained by the clamp-on UFM with reference values. The overall errors of the measurements at 5D downstream of the double bend were higher than at 10D downstream. The random uncertainties of the measurements were also high at 5D downstream, which resulted in low repeatability of the measurements at this point.

The CFD results do not show good agreement with the measurement results of the clamp-on UFM. The clamp-on UFM gives heavy emphasis to the flow at the centre of the pipe while calculating the mean velocity. Difference between the CFD and experimental results is most probably due to the clamp-on UFM being unable to distinguish asymmetric flow profile and work accordingly. However, some similarities are absorbed between the CFD and experimental results. In order to draw a correct conclusion of these similarities, several measurements are required on different pipe geometries.