Výzkumná zpráva TH01020982-2015V007 Zefektivnění akumulace energie a zajištění stability rozvodné sítě rozšířením provozního pásma přečerpávacích vodních elektráren Autoři: M. Kotek, D. Jašíková, V. Kopecký, J. Primas, M. Malík Cíle části projektu: Příprava na měření kavitujícího vírového copu elektrickou impedanční tomografií a kvantitativní vizualizací (návrh a výroba transparentní měřené části, výroba impedančních sond, testování), měření na testovací trati Postup řešení projektu: 1. Přípravné práce pro konstrukci měřicí tratě 2. Sestavení metodiky pro vyhodnocení vírového copu impedanční tomografie 3. Měření a vyhodnocení výsledků 4. Závěr a diskuze výsledků 1. Přípravné práce pro konstrukci měřicí tratě V prvním roce řešení projektu probíhaly mimo realizace experimentální tratě s monitoringem veličin rovněž přípravy a ověřovací experimenty měřicí metodiky elektrickou impedanční tomografií. Tato metoda měření bude nasazena na skutečných provozních testech modelu oběžného kola. Metoda byla vybrána zejména z toho důvodu, že do provozních měření není možné zajistit dostatečný optický přístup. V prvním kroku proběhly testy k ověření schopnosti metody měřit vírové copy plynného skupenství uvnitř potrubí s proudící kapalinou. Před dokončením velké experimentální tratě však bylo třeba metodu rozvíjet a 1
stanovovat její limity, omezení, popřípadě připravovat korelaci s optickými měřeními, tam kde je optický přístup dostatečný. Byla tedy realizována jednoduchá vodní trať se světlostí 53mm a průtokem 0,5l/s. Diagram měřicího okruhu je na následujícím obrázku. Proudění v trati bylo dosaženo gravitačním principem mezi vrchní a spodní nádrží s rozdílem hladin 200cm. Voda byla do horní nádrže zpětně dodávána ponorným čerpadlem. Před měřicím prostorem byl umístěn kavitační člen, který měl za úkol generovat uprostřed potrubí vírový cop s charakterem chování podobný kavitačnímu jevu. Pro regulaci průměru copu byl před kavitační člen umístěn přívod vzduchu. V závislosti na zvoleném tlaku bylo možno regulovat průměr vznikajícího copu za kavitačním členem. Cop dále procházel měřicí oblastí. Tento segment potrubí byl z transparentního materiálu, aby bylo možné provádět optickou inspekci vznikajícího copu. Potrubí bylo ve vzdálenosti 50mm a 450mm od kavitačního členu osazeno vyrobenými elektrodami senzoru impedančního tomografu. 2
2. Sestavení metodiky pro vyhodnocení vírového copu impedanční tomografie Jako měřicí metoda byla tedy zvolena elektrická impedanční tomografie, což je fyzikální zobrazovací a měřicí metoda, která využívá soustavy elektrod umístěných na povrchu zkoumaného objektu k získání celkového obrazu impedance (příp. vodivosti) uvnitř tohoto objektu. Toho je dosaženo postupným měřením impedance (příp. vodivosti) "elektrického obvodu" tvořeného jednotlivými elektrodami v dané měřicí rovině. První elektroda je tedy nejprve měřena vůči elektrodě druhé, následně třetí, atd. až k elektrodě šestnácté. Dále je jako základní použita elektroda druhá. Ta je měřena vůči elektrodě třetí, čtvrté atd. až opět k šestnácté elektrodě. Ve chvíli kdy se takto dojde až k poslední elektrodě, je dokončeno jedno "celé" měření. Tento proces probíhá s frekvencí 50 Hz. Z této baterie naměřených hodnot se následně matematickou rekonstrukcí prováděnou obslužným programem tomografu p2+ získá komplexní obraz ukazující rozložení impedance (příp. vodivosti) ve zkoumaném objektu v rovině, ve které byly přiloženy měřicí elektrody. Technika vlastního měření je následující: Prvním krokem je kalibrace měřicího tomografického systému. Při ní zaplníme testovací trubici zcela vodou. Ta musí být bez bublin a zajistíme také, aby v ní nedocházelo k žádnemu proudění. Potom připojíme pomocí dvojice kabelů soustavu měřicích elektrod k vlastnímu tomografickému přístroji. Přístroj zapneme nejprve pomocí hlavního vypínače na zadní straně přístroje, poté také tlačítkem na přední desce. Tomograf musí být propojen pomocí USB kabelu s PC, které má nainstalovaný obslužný software p2+. Tuto aplikaci dvojklikem spustíme, zvolíme nové měření (single data set) a nastavíme počet požadovaných snímků na 1 snímek, počet rovin elektrod na 1 rovinu, počet vzorků na jeden snímek na 4 vzorky, počet snímků pro stáhnutí na 1 snímek, proud přibližně na 4 ma, frekvenci na 19200 Hz, počáteční rovinu elektrod na 1 a zpoždění na 20. V záložce Sensor zvolíme kruhovou nevodivou nádobu a parciální zisk. Hodnota Baudrate musí být shodná s hodnotou frekvence ze záložky Configuration. Po potvrzení počáteční konfigurace se v dalším okně objeví požadavek na určení uložení hodnot, vyberem si cestu, kam je chceme ukládat. Dále zvolíme, aby se příliš malé naměřené hodnoty automaticky nulovaly. Následně v menu ITS zvolíme Auto Current Calibration a první hodnotu, která se nám objeví, vložíme do kolonky proud v položce DAS a menu Calibrate Current. Nakonec provedeme akci v položce DAS, menu Calibrate Gain. 3
Nyní již můžeme pomocí zeleného tlačítka provést kalibraci přístroje. Přístroj je tímto zkalibrován a připraven k měření. Pomocí červeného tlačítka již můžeme zahájit vlastní měření. To probíhá v reálném čase, je tedy na nás, abychom měření provedli po požadovaný časový interval, pak měření ukončíme tlačítkem Stop. Po skončení měření můžeme získaná data v témže programu ihned vizulizovat (typicky jako rozložení vodivosti) a prohlédnout si jednotlivé kroky měření, případně pomocí pravého tlačítka myši změnit škálu zobrazovaných hodnot. V našem případě je trubice, ve které mělo tomografické měření probíhat, vyrobena z velmi dobře izolujícího materiálu. Proto bylo potřeba elektrody tvořící měřicí rovinu umístit na vnitřním obvodu trubice. Dále bylo nutné elektrody vyrobit z nerezového materiálu, aby se zajistila delší životnost měřicí aparatury a zároveň se tím předešlo kontaminaci měřeného media v případě koroze elektrod. Každý senzor se skládá z 16 elektrod napojených na zdroje a měřicí prvky impedančního tomografu. Postupným proměřením a následnou rekonstrukcí dojde k získání obrazu rozložení vodivosti uvnitř potrubí. Takto naměřené hodnoty je však nutné vhodně interpretovat. Proto musí být provedena kalibrace přístroje (při ní musí být trubice zcela zaplněná vodou bez jakéhokoliv proudění a vzduchových bublin) a následně zvolena vhodná metodika pro fyzikální reprezentaci výsledků. Měřený cop dosahuje rozmezí průměrů 1,6mm až 3,2mm. To představuje vzhledem k průměru potrubí 53mm velmi malou oblast v celkovém průřezu. Zde se již plně projeví limity impedanční tomografie zejména v prostorovém rozlišení. Toto rozlišení dle dostupných parametrů dosahuje přibližně 5%. Vírový cop se tudíž nezobrazuje jednoznačně, nemá jasné obrysy a je zapotřebí jeho interpretaci stanovit zpočátku pomocí korelace s optickou měřicí metodou. I to je jeden z hlavních důvodů provádění těchto pilotních měření a testů. 3. Měření a vyhodnocení výsledků Na následující sérii obrázku je znázorněna podoba vírového copu zaznamenaná stínovou metodou. Díky této metodě bylo možno přesně rozlišit okraje vírového copu a měřit jeho průměr. Tato obrazová data budou dána do korelace s rekonstruovanými mapami vodivostí z impedančního tomografu Vždy v první rovně (měřené 50 mm za kavitačním členem) a druhé rovině (měřené 450 mm za kavitačním členem). 4
Obrazový záznam a výsledek tomografického měření vírového copu o průměru 3,2mm Obrazový záznam a výsledek tomografického měření vírového copu o průměru 2,6mm Obrazový záznam a výsledek tomografického měření vírového copu o průměru 1,6mm Na rekonstruovaných datech impedančního tomografu je ukázán předpokládaný fakt, že tenký prostorově minoritní vírový cop je téměř na samé hranici jednoznačné identifikace. Ovšem je důležité, že jej tomograf je schopen zaznamenat, tudíž že i při tak malém průměru 5
odlišného media (vzduch x voda) je možné rozlišit oblasti s rozdílnou impedancí (příp. vodivostí). Druhým pozitivním zjištěním je fakt, že různě velké vzduchové copy zanechávají výrazně rozdílné obrazy ve vodivostní mapě i přesto, že je relativní změna jejich velikosti vůči velikosti celého měřeného průřezu výrazně minoritní. Nyní je nutné navrhnout vhodnou metodu pro korelování těchto dat se skutečným obrazem copu a zejména pro kvantifikaci. Byly proto vytvořeny grafy, ve kterých jsou vyneseny hodnoty z příčných řezů rekonstruované vodivostní mapy. Takto vzniklé profily je již možné snáze vzájemně porovnávat a zároveň dobře srovnat s vizuálními daty. Tento graf popisuje naměřenou vodivost v řezu senzoru umístěném 450mm za tryskou. Kalibrace byla provedena pro běžnou vodu, její vodivost se v našem případě pohybuje v blízkosti 1mS/cm. Vírový cop se projevuje poklesem této vodivosti. Z tvaru grafu a podoby minima lze vypočítat přesnou polohu copu v potrubí. Dále je jasně patrný rozdíl v minimální naměřené konduktivitě (vertikální poloha minima grafu - vrcholu) pro různé průměry vírového copu. Pomocí prahování a dalších analytických funkcí bude možné korelovat podobu vrcholu se skutečným průměrem vírového copu. 6
Poslední graf ukazuje pro porovnání podobu profilů konduktivity v blízkosti kavitačního členu. V něm se ukazuje ovlivnění vodivostního pole v případě nejsilnějšího copu (3,2 mm) velkým množstvím bublin. V tomto režimu je již oblast těsně za tryskou přesycena bublinami ne jen v okolí vírového copu ale téměř v celém průřezu. Z tohoto důvodu je výrazně odlišná ne jen pozice minima/vrcholu, ale i celý průběh vodivostního řezu je výrazně strmější a posunutý. Pro průměr copu 2,6mm a 1,6mm se bubliny vzduchu v okolí copu neobjevovaly, jeho podoba je velmi stabilní a odpovídá měření na dalším vzdálenějším senzoru 450mm od kavitačního členu. 4. Závěr a diskuze výsledků Z doposud získaných výsledků lze doložit, že metoda elektrické impedanční tomografie je po úpravách vhodná k měření i takto malých vírových plynných copů v kapalinách. Je však zapotřebí dokončit metodu analýzy dat a jejich interpretaci v korelaci s reálným stavem. Poté bude možné naměřená data kvantifikovat a získané průměry a pozice vírových copů považovat za validní. Dalším krokem bude nasazení této metodiky na trati s generátorem kavitace, kde již bude měřena pouze plynná kavitující složka proudícího média bez přidaného vzduchu. Rovněž budou rozvíjeny metody analýzy dat a interpretace vodivostních map, aby bylo možno jednoznačně a přesně určit geometrii a chování vírových kavitačních copů. 7