U. CERAR

Uroš CERAR*

POVZETEK

- 154 - AKTUALNI VODNOGOSPODARSKI PROJEKTI IN OBJEKTI

MERITVE PRETOKA IN GLADIN V DOVODNEM KANALU MALE HE

V sklopu preverjanja parametrov obratovanja male HE so bile izvršene meritve pretoka in gladin v njenem dovodnem kanalu . Dovodni kanal je širok ca. 10m in ima dolžino 170 m. Vtočni objekt je izveden z zajezitvijo Save Bohinjke z vrečastim jezom in vtokom na desnem bregu zajezitve. Merski profil je bil izbran na odseku pred vtokom v strojnico, kjer smo pričakovali največjo enakomernost toka oz. razporeditve hitrosti. V času meritve smo zagotavljali konstanten turbinski pretok pri delovanju novega agregata elektrarne in konstantno koto gladine na jezu. Pri izvedbi in obdelavi meritev smo uporabili smernice standardov ISO. Meritev smo izvajali s pomočjo petih hidrometričnih kril , pritrjenih na nosilnem drogu Naenkrat smo izmerili hitrosti v polovici ene vertikale v merskem profilu . Skupno smo izmerili hitrosti v 10 točkah na 22 vertikalah , kar pomeni 220 točk v celotnem profilu . Pretok je bil izračunan s pomočjo integracije izmerjenih točkovnih hitrosti po pripadajočih delnih ploskvah in je znašal 18.28 m3/s. Napaka meritve je znašala po standardu ISO +- 5%. Iz polja hitrosti v prerezu je razvidna dokaj velika neenakomernost tokovnih razmer, saj je jedro toka premaknjeno v smeri od sredine profila proti desnemu bregu. Dodatno analizo tokovnih razmer v profilu smo izvršili s kontinuirano meritvijo hitrosti v izbrani kontrolni točki prereza na sredini prereza na globini 20 cm. Meritev je pokazala dokaj velike oscilacije vrednosti hitrosti od 0.35 mIs do 0.95 mIs s povprečno vrednostjo 0.67 mIs. Povprečna vrednost hitrosti v celotnem prerezu je bila 0.6 mIs, kar se ujema z dejstvom, da so hitrosti na obmOČju od 0.6 vrednosti globine do gladine nekoliko večje od povprečnih . Sočasno z meritvijo pretoka smo izvajali tudi meritev gladin vzdolž levega in desnega brega dovod nega kanala na skupno 13 lokacijah. Največji padec gladine je bil zabeležen na prvih 10m dovod nega kanala do grobih rešetk in je znašal 40 cm. Gladina se je od grobih rešetk do zapornice ponovno dvignila za 17 cm zaradi povečanja prečnega preseka in zmanjšanja hitrosti, nato pa je bila gladina do turbinskega vtoka praktično horizontalna, saj je bil padec gladine le 2 cm. Celotni padec gladine v dovodnem kanalu pri pretoku 18.28 m3/s je znašal 25 cm . Opazili smo tudi izrazit prečni nagib gladine na začetnem odseku zaradi pojava makro vrtincev in celo protitokov. Druga meritev gladin je potekala ob istočasnem obratovanju obeh agregatov s skupnim pretokom 21 m3/s. Najizrazitejši padec gladine je bil zopet na odseku do sredine grobih rešetk tj .60 cm , nato pa se je gladina do zapornice dvignila za 20 cm in do turbinskega vtoka še za 2 cm . Padec gladine na celotnem odseku je znašal 37 cm. Prečni nagib gladine na začetnem odseku je bil še izrazitejši. Veliki .padci gladine na začetnem odseku do grobih rešetk kažejo na prehajanje režima toka iz mirnega proti deročemu toku tj . povečevanje Froudeovega števila proti 1.

1.0 UVOD

Objekt male HE se nahaja na reki Savi Bohinjki . Ima dva agregata. Za novejši agregat je po projektu predvideno, da daje pri pretoku 18 m3/s in neto padcu 7.55 m 1600 kW moči. Stari agregat ima pri pretoku 6m3/s ca 250 kw moči. Natok na elektrarno je izveden z zajezitvijo z vrečastim jezom in dovodnim kanalom dolžine 170 m. Vtočni objekt z grobimi grabljami in zapornico se nahaja na desnem bregu zajezitve. 105 m dolvodno od vtoka se od dovod nega kanala odcepi dovodni kanal za stari agregat

• Uroš CERAR, univ, dipl. ing. gradb., HIDROINSTITUT - JRZ, Inštitut za hidravlične raziskave Ljubljana, Hajdrihova 28

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2000

U. CERAR

1-

- 155- AKTUALNI VODNOGOSPODARSKI PROJEKTI IN OBJEKTI

--_______ BOH8IsmICA - celto - alfO

Slika 1 : Situacija male HE z merskimi mesti meritev gladin in merskim profilom meritve pretoka

2.0 PRIPRAVE NA MERITVE

2.1 Meritev pretoka

Priprave na hidrometrično meritev pretoka v dovodnem kanalu so obsegale pripravo merskega profila, opreme in obdelave podatkov neposredno po meritvi. V dovodnem kanalu je bil kot najugodnejši izbran merski profil za merjenje pretoka tik pred strojnico tj . ca. 145 m od vtoka v kanal. Naročnik je izdelal premostitev kanala z mostičem in jekleno pletenico za pritrditev merilnega droga s hidrometričnimi krili. Na dno kanala je bil po celotni širini pritrjen naslon merilne palice z utori na mestih merskih vertikal

Za pritrditev merskih kril smo izdelali merilni drog prilagojen kanalu , globini in hitrosti vode v kanalu .

Uporabljena je bila merska metoda z merjenjem hitrosti v posameznih točkah prereza in integracijo hitrosti po prerezu za izračun pretoka (postopek ISO 8363). Meritev pretoka je bila izvršena po smernicah navedenih v standardu ISO 748 (Liquid flow measurement in open channels - velocity -area methods).

Merski profil širine 9.45 m in globine ca 3.20 m je bil razdeljen na 22 vertikal s po 10 merskimi točkam i. Širina med posameznimi vertikalami je znašala 0.5 m, ob dnu in robovih kanala ter ob vodni površini kanala pa so bile merske točke ustrezno zgoščene . Meritve hitrosti so bile izvedene s hidrometričnimi krili. Izračun pretokov je bil izveden z programom, ki omogoča integracijo vertikalnih profilov merjenih hitrosti po pripadajoči površini . Omenjeni postopek je omogočil izračun pretoka takoj po izvršeni meritvi hitrostnega profila .

Na podlagi analize napake v skladu s standardom ISO 5168 smo ocenili , da so izmerjeni pretoki določeni z natančnostjo ±5% merjenega pretoka s 95% mejo zaupanja.

2.2 Meritve gladin v dovodnem kanalu

Na levi in desni zid dovodnega kanala so bile v območju pričakovanih nivojev gladin pritrjene merske late. Višina merskih lat je bila po pritrditvi geodetsko določena z navezavo na ustrezne reperje. Na mestih, kjer pritrditev merskih lat ni bila možna, smo uporabili plavače ali piezometre. Izbranih je bilo 13 merskih mest, ki so prikazana na situaciji in sicer :

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2000

+

- 156 -U. CERAR

• mersko mesto št. 1 - na levem bregu jezu

AKTUALNI VODNOGOSPODARSKI PROJEKTI IN OBJEKTI

• mersko mesto št.2 - desni breg zajezbe pred vtokom v dovodni kanal • mersko mesto št.3 - na desnem bregu jezu • mersko mesto št.4 - na levem bregu ob vtoku v dovodni kanal • mersko mesto št.S - na desnem bregu ob vtoku v dovodni kanal; • mersko mesto št.6 - v območju grobe rešetke na desnem bregu; • mersko mesto št. 7 - na desnem bregu dovod nega kanala pred mostom do jezu • mersko mesto št. 8 - na levem bregu dovodnega kanala za mostom do jezu • mersko mesto št.9 - na desnem bregu dovodnega kanala pred vtokom v stari agregat • mersko mesto št.19 - na levem bregu dovodnega kanala pred vtokom v stari agregat • mersko mesto št. 1 O - na desnem bregu dovod nega kanala pred mostom za dostop do

elektrarne • mersko mesto št.11 - na desnem bregu dovodnega kanala v profilu meritve pretoka • mersko mesto št.18 - na desnem bregu dovodnega kanala tik pred finimi rešetkami

Meritev gladine s pomočjo plavačev smo izvajali na merskih mestih 1 in 2. Na merskih mestih 3 in 4 smo namestili piezometra z odčitavanjem preko merskih lat. Na vseh ostalih merskih mestih v dovodnem kanalu smo meritve gladin izvajali neposredno z odčitavanjem z merskih lat.

2.3. Hidrološke razmere

Za izvedbo meritev sta morala biti izpolnjena dva robna pogoja : dovolj visok pretok Save Bohinjke, vsaj 24 m3/s konstantnost pretoka v času meritve.

Pretoki okrog 24 m3/s so zagotavljali biološki minimum z delnim prelivanjem preko vrečastega jezu. Mala HE je razmeroma visoko instalirana glede na srednji pretok Save Bohinjke, zato je bilo potrebno izvajati meritve v času padavin oz. neposredno po njih. Zaradi pogoja čim večje konstantnosti pretoka smo se odločili za izvedbo meritev v času upadanja visokovodnega vala. V času meritve je bilo potrebno vzdrževati stalno koto zajezitve 474.90. Konstanten pretok skozi turbino smo vzdrževali s prilagajanjem moči agregata na podlagi školjčnega diagrama.

3.0 MERITEV PRETOKA

Meritve smo, po predhodnih pripravljalnih delih, izvršili dne 09.05.2000 v času od 11 15 do 1230

pri obratovanju novega agregata male HE.

Vreme je bilo zelo primerno za izvedbo meritev, bilo je sončno , brez vetra, s temperaturo zraka okrog 18° C. Pretok Save Bohinjke je bil praktično idealen za izvedbo nameravane meritve in je znašal okrog 26 m3/s . Enakomernost pretoka reke je bila zagotovljena zaradi povišane gladine Bohinjskega jezera in visokega vodostaja Savice in pritokov zaradi topljenja snega.

Z vrečastim jezom je bila neprekinjeno vzdrževana normalna gladina zajezitve na koti Kj = 474,90 m n.m. Pri tem se je v času meritev preko jezu prelivalo od 3 m3/s do 8 m3/s vod~ .

Terensko meritev hitrostnega profila smo opravili v dovodnem kanalu pred turbinskim vtokom nove strojnice. Uporabili smo pet hidrometričnih kril , pritrjen ih na meril nem drogu z možnostjo pomikanja navzgor in navzdol. Čas trajanja meritve za pet merskih točk naenkrat je bil 30 sekund. Meritev smo izvajali sukcesivno s pomikanjem kril od levega proti desnemu bregu kanala. Skupno je bilo izmerjenih 22 vertikal x 10 točk = 220 hitrostnih točk . Na podlagi interpolacije vrednosti izmerjenih hitrosti v posameznih točkah smo določili potek vrednosti enakih hitrosti oz. izotah v prerezu. Hitrostno polje je prikazano na spodnji sliki. Izotahe so prikazane z resolucijo 0.1 mIs, maksimalna vrednost hitrosti na desni strani merskega profila znaša 0,8 mIs.

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2000

- 157 -U. CERAR

AKTUALNI VODNOGOSPODARSKI PROJEKTI IN OBJEKTI

(m) 3.28 m----, ,,.--, - .------,------,.,---.--------.------",------- - ------,------;-,..,! 1""'--'"

I ; .' I ' 3.00 , , I

iii '-'--./ , ,1 , il

, 2.00

; I

1.00

2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 9.45 [m)

Levi breg Desni breg

Slika 2 : Polje hitrosti v profilu dovodnega kanala HE meritev 9.5.0011 :15-12:30

Iz slike je razvidna dokaj velika neregularnost tokovnih razmer. Jedro toka je premaknjeno v smeri od sredine profila proti desnemu bregu, kar je podobno hidravl ičn im razmeram na vtočnem delu kanala, čeprav se je merski profil za merjenje hitrostnega polja nahajal ca. 145 m dolvodno od vtoka vdovodni kanal. Sklepamo lahko, da se v tem profilu še vedno pojavljajo vrtinci , ki povzročajo dodatne hidravlične izgube poleg izgub zaradi trenja in lokalnih izgub.

Pomik težišča toka proti desnemu bregu je razviden tudi iz grafa povprečn i h hitrosti po posameznih vertikalah (graf 1), Skupno težišče hitrostnega polja (toka) v prerezu se nahaja 4.82 m od levega brega.

r-----------------------------------,

Razpored povprečnih hitrosti po vertikalah

0 . 8

0 .7

0 .6

"ij 0 .5

~ -;; 0 .4

e ~ 0 .3 3 94

"'" 0 . 2

0 . 1

o o 2 4 6 8

Levi breg [m) De s ni breg

-"-Povpr e čne hi t ro st i p o ve r t ik a la h -Povpre č n a hitros t cele g a p rereza

Graf 1: Razpored povprečnih hitrosti po širini merskega profila v dovodnem kanalu male HE

Analizo tokovnih razmer v profilu smo vršili s kontinuirano meritvijo hitrosti z dodatnim hidrometričnim krilom v izbrani točki na sredini merskega prereza in 20 cm pod vodno površino. V času od 11 : 15 do 12:30, kolikor je trajala meritev pretoka, so bile zabeležene oscilacije vrednosti hitrosti v merski točki od 0.35 mIs do 0.95 mIs (graf 2) .

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2000

U. CERAR - 158 - AKTUALNI VODNOGOSPODARSKI

PROJEKTI IN OBJEKTI

Merski profil : slaciona!a +145m od vloka, vertikala V11 , globina 0.2 m Mersko krilo SEBA

1.2 ,--------------------------------------------------------------.

~ 0.8 fi)

~ u; 0 .6 g J: 0.4

0.2

IV povpr. = 0.67 m/sl

o +-----------~----------~------------~----------~----------~ 11 :15:00 11 :30 :00 11 :45:00 12 :00 :00 12:15:00 12:30 :00

Čas [h :min]

Graf 2 : Kontrolna meritev hitrosti

Povprečna vrednost izmerjenih hitrosti znaša 0.67 mIs, kar se ujema z dejstvom, da so hitrosti v točkah bližje vodni površini nekoliko večje od povprečne hitrosti celega prereza (0.6 mIs), ki se nahaja na 0.4 globine vode, kar je v našem primeru 1.31 m pod vodno gladino. Pretok v merskem profilu je bil izračunan z integracijo vertikalnih profilov hitrosti (skupno 22 vertikalnih profilov) po pripadajoči površini. Analizirana je bila tudi vrednost napake meritve pretoka po standardu ISO 748 in ISO 5168. Velikost naključne in sistematične napake skupaj je znašala ±5%. Končna vrednost izmerjenega pretoka je bila 18.28 ± 0.91 m3/s.

4.0 MERITEV GLADIN

4.1 Obratovanje novega agregata Q = 18.28 m3/s

Meritev gladin pri obratovanju novega agregata male HE smo izvajali na 13 lokacijah istočasno z meritvami pretoka na vsakih 5 minut. V času meritve smo zagotavljali konstanten pretok skozi turbino in konstantno koto gladine na jezu 474.90. Izmerjene vrednosti nivojev gladin na merskih mestih vzdolž dovodnega kanala smo povprečili za celotno merjeno obdobje. Pri pretoku Q = 18,3 m3/s je največji padec gladine v prvih 10m dovod nega kanala , od vtoka do sredine grobe rešetke (MM6), kjer je gladina vode ob desnem zidu 0,40 m nižja od zajezitve, globina vode pa znaša 1,1 metra. Hitrost toka se je od vtoka do grabelj zviševala, kar pomeni , da se je režim toka v območju grabelj približeval deročemu toku.

I '" O

.>t:

'" c: "5 ci ul .a «

Kota zajezbe 474 90 474.9

474 .8 MMS-- -

(474 75) MM7

Potek gladin v dovodnem kanalu HE Meritev dne 09.05.00 11 :00 - 12:30

QHES2 = 18.3 m3/sek

pa~ec glad --dH=25cr

ne !

MM9 474 .7 \ f47 .• t 67T (474.66) "=+ 474 .6

474 .5

474.4

474 .3

-20

MM4 (47459)

o

./ -~ ' (4( 4 . JI

20

MM8 ",J1n 47464) ~74 .65) (474.63)

- -

40 60 80 100

Stacionaža [ml

!-+-desni breg -- levi breg I

.-

-vlok MM ~ M1 8 (47 4 6 74.64) (4 4 64)

120 140 160 180

Graf 3 Povprečne vrednosti izmerjenih gladin na dovodnem kanalu pri obratovanju novega agregata

MI~ICEV VODARSKI DAN 2000

- 159 - AKTUALNI VODNOGOSPODARSKI U. CERAR PROJEKTI IN OBJEKTI

Od rešetke do zapornice (MM7) se gladina zaradi povečanja prečnega preseka in zmanjšanja hitrosti toka oz. višine kinetične energije toka ponovno dvigne za 17 cm.

Od zapornice do turbinskega vtoka je bila vodna gladina v dovodnem kanalu praktično horizontalna, padec gladine je znašal le 2 cm.

Pri pretoku Q = 18,3 m3/s je znašal celotni padec gladine v kanalu llH = 25 cm. Potek gladine vzdolž desnega in levega zidu dovodnega kanala je prikazan na zgornjem grafu.

4.2 Obratovanje obeh agregatov Q = 21 m3/s

Pri obratovanju obeh agregatov so bile gladine v dovodnem kanalu merjene v času od 1350 do 14°5, pri ustaljenem neto padcu in moči turbin ter stabiliziranem stanju gladin v dovodnem kanalu . Merjenje gladin je potekalo na istih merskih mestih in na enak način kot pri prejšnji meritvi , ko je obratoval le en agregat. Potek gladin prikazuje spodnji graf.

'Potek gladin v dovodnem kanalu HE Meritev dne 09 .05.0013:50 - 14:05

QHESZ =14 m3/sek, QHES1+Z=21 m3/sek

Kota zajezbe 474.90 474 .9 paaec g /laine

dH = 3 cm 474 .8

:[ :1 474 .7 < MM ... o .oo: \ (474.67) tli 474 .6 .5 \ MM7 :l

147.4.50\ MM .A.A 'o 474 .5 k ol 1 V \'H'" ~uJ MM11 M ",,18 '" .Q MM4 _:...o MM10 ~2 < 1474.40\ - MM1 9 .... r'" 474.51,47 ~.52) 474 474.4

.~ 'N:>I'I . "/

I'-1M8

474 .3 ~6 ( 709)

(474.30) -20 O 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Staclonaža [ml

I ~desni breg -O- levi breg I

Graf 4 : Izmerjene gladine v dovodnem kanalu pri obratovanju obeh agregatov HE

Največji padec gladine je bil spet izmerjen v prvih 10m dovod nega kanala in sicer na odseku od vtoka do sredine grobe rešetke (MM6), kjer je bila izmerjena gladina ob desnem zidu za 0,60 m nižja od zajezitve, globina vode nad pragom ob desnem bregu pa le H = 0.9 metra. Režim toka v območju grobe rešetke se je še bolj približal deročemu toku oz. je bil že skoraj enak kritičnemu , kar pomeni , da pri tej globini vode ni mogoče evakuirati preko profila grobe rešetke večjega pretoka od obravnavanega.

Od grobe rešetke do vtočnih zapornic (MM7) se gladina zopet zaradi povečanja prečnega preseka in zmanjšanja hitrosti toka oz. zmanjšanja kinetične energije toka ponovno dvigne za 20 cm.

Od profila vtočnih zapornic do turbinskega vtoka starega agregata je vodna gladina v dovodnem kanalu horizontalna, od vtoka starega agregata pa do turbinskega vtoka novega agregata pa se dvigne za 2 cm.

Celotni padec gladine v dovodnem kanalu znaša llH = 37 cm pri skupnem pretoku Q = 21 m3/s.

5.0. ZAKLJUČEK

Izvedena je bila meritev hitrostnega polja v merskem profilu dovodnega kanala male HE v skladu s smernicami standardov ISO

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2000

- 160 -U. CERAR

AKTUALNI VODNOGOSPODARSKI PROJEKTI IN OBJEKTI

Izvedene so bile meritve gladin v dovodnem kanalu pri obratovanju novega agregata in obeh agregatov Meritev hitrostnega polja je pokazala nesimetrične tokovne razmere tudi v profilu 145 m dolvodno od vtoka v dovodni kanal oz. 15 m pred turbinskim vtokortl Kontrolna neprekinjena meritev hitrosti v izbrani točki merskega profila je potrdila prisotnost makro vrtincev in opletanje matice toka. Primerjava povprečne hitrosti v kontrolni točki in povprečne hitrosti celega prereza je pokazala, da je bila meritev kljub prisotnosti makro vrtincev kvalitetno izvedena. Z meritvami gladin smo v obeh primerih obratovanja ugotovili velik padec gladine na odseku od vtoka do grobe rešetke, nato se gladina zopet zviša do zapornice in ostaja praktično horizontal na do turbinskega vtoka.

VIRI PODATKOV:

[1] Poročilo o meritvah pretoka in stanju vtočnega objekta HE Soteska, Inštitut za hidravlične raziskave, junij 2000; Dušan Ciuha , univ.dipl.inž.gr., Uroš Cerar, univ.dipl.inž.gr.

[2] ISO 748 (Liquid flow measurement in open channels - Velocity area methods)

[3] ISO 5168 (Measurement of fluid flow - Evaluation of uncertainties)

[4] ISO 8363 (Measurement of liquid flow in open channels - General guidelines for selection of method)

Zgoraj navedene naloga je bila izdelana po naročilu Elektro Gorenjska d.d., Kranj

MI$IČEV VODARSKI DAN 2000