Giải pháp đo mực nước hồ chứa thủy điện dùng cảm biến đo khoảng cách bằng chùm tia laser

Quan trắc mực nước hồ có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với nhà máy thủy điện trong vận hành và điều tiết hồ chứa. Hạn chế sai số đo mực nước giúp các chủ hồ thủy điện quản lý hiệu quả hơn nguồn nước cấp cho hạ du trong mùa kiệt, tính toán chính xác diễn biến lưu lượng về hồ và dung tích phòng lũ trong mùa mưa lũ, góp phần điều tiết - xả lũ các hồ chứa một cách hợp lý, hạn chế tối đa những thiệt hại do mưa, lũ gây ra.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giải pháp đo mực nước hồ chứa thủy điện dùng cảm biến đo khoảng cách bằng chùm tia laser PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 287 GIẢI PHÁP ĐO MỰC NƯỚC HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN DÙNG CẢM BIẾN ĐO KHOẢNG CÁCH BẰNG CHÙM TIA LASER Trần Kỳ Hải, Tạ Đức Thọ Công ty Thủy điện Buôn Kuốp – Tổng công ty Phát điện 3 Tóm tắt: Quan trắc mực nước hồ có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với nhà máy thủy điện trong vận hành và điều tiết hồ chứa. Hạn chế sai số đo mực nước giúp các chủ hồ thủy điện quản lý hiệu quả hơn nguồn nước cấp cho hạ du trong mùa kiệt, tính toán chính xác diễn biến lưu lượng về hồ và dung tích phòng lũ trong mùa mưa lũ, góp phần tiều tiết - xả lũ các hồ chứa một cách hợp lý, hạn chế tối đa những thiệt hại do mưa, lũ gây ra. Tình hình chung của thiết bị quan trắc mực nước kiểu áp lực nhúng chìm lắp tại các hồ chứa do Công ty quản lý là làm việc đúng trong thời gian đầu, nhưng theo thời gian thiết bị làm việc không còn chính xác, cho dù thiết bị được tăng cường công tác kiểm tra, hiệu chuẩn. Điều này gây khó khăn cho công tác quan trắc tại hồ chứa, đặc biệt là hồ chứa có dung tích lớn (dung tích hữu ích 522,6 triệu m3) và độ thay đổi mực nước lớn (22,5 m) và có chế độ điều tiết năm như hồ Buôn Tua Srah. Trong mùa mưa lũ chỉ cần mực nước hồ sai từ 1 đến 2 cm là gây ra sai số tính toán lưu lượng nước về hồ lên đến hàng trăm m3/s; Như vậy, nhu cầu đặt ra là cần thiết bị đo có độ chính xác cao và ổn định theo thời gian. Việc tiếp tục sử dụng cảm biến áp lực cho thấy không còn đem lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật. Trong khi đó kỹ thuật đo khoảng cách bằng chùm tia laser ngày càng hoàn thiện về độ chính xác và giá thành cảm biến ngày càng giảm. Do đó, chúng tôi thay đổi phương pháp đo mực nước, chuyển từ kiểu đo áp lực sang kiểu đo khoảng cách sử dụng chùm tia laser. 1. GIỚI THIỆU Theo thiết kế cũ, tại ba nhà máy thủy điện Buôn Tua Srah, Buôn Kuốp, Srêpốk 3 do Công ty quản lý đều được trang bị cảm biến đo mực nước kiểu áp lực nhúng chìm dạng màng. Nguyên lý đo dựa trên sự biến dạng của màng cảm biến áp lực (vật liệu Ceramic hoặc 316L) được chuyển đổi thành tín hiệu điện. Trong suốt năm năm vận hành, thiết bị có những ưu, khuyết điểm sau:  Ưu điểm: Thiết bị nhỏ gọn, lắp đặt dễ dàng, thường được lắp trong các lỗ khoan hoặc ống đặt sẵn. Độ chính xác 0,001 ~ 0,05% trên toàn dải đo, tín hiệu đầu ra 4 ~ 20 mA kết nối đến PLC thuận tiện trong công tác đo lường giám sát từ xa.  Khuyết điểm: Nguyên lý đo mực nước gián tiếp qua đo cột áp thủy tĩnh có độ chính xác phụ thuộc vào màng cảm biến áp suất và suy giảm sau thời gian dài làm việc. Nguyên nhân gây sai biệt ở màng áp lực do bùn, phù sa (lắng và bám lên bề 288 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 mặt của lớp màng); mạch bù nhiệt độ môi trường và bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số của PLC. Do đó, thường xuyên bảo trì và hiệu chuẩn khi tín hiệu trả về sai lệch so với thủy chí. Hình 1: Mô hình nguyên lý đo áp lực của cảm biến dạng màng Quan sát việc đo độ võng dầm cầu trục bằng thước đo laser, thiết bị này đo khoảng cách bằng chùm tia laser mà kết quả của phép đo chính xác tới từng mm. Đây là lý do chúng tôi thay đổi phương pháp do mực nước truyền thống từ kiểu đo áp lực sang kiểu đo khoảng cách sử dụng chùm tia laser. 2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Máy đo khoảng cách laser sử dụng một chùm tia laser để xác định khoảng cách đến một đối tượng. Hình thức phổ biến nhất của máy đo khoảng cách laser hoạt động dựa trên nguyên tắc thời gian bay (TOF1) bằng cách gửi một xung laser dưới dạng chùm tia hẹp hướng thẳng đến đối tượng và đo thời gian từ lúc phát xung đến lúc nhận được xung phản xạ từ mục tiêu. 1 Khoảng cách được tính như sau: L = .c.TOF , trong đó: c = 300.000 m/s là tốc 2 độ ánh sáng, không thay đổi theo nhiệt độ hoặc độ ẩm. Khi ánh sáng tác động vào đối tượng, tín hiệu phản hồi đo được chỉ là một phần nhỏ của tín hiệu ban đầu. Năng lượng còn lại phản xạ theo các hướng khác nhau phụ thuộc vào đặc tính bề mặt và góc tới của chùm sóng và có thể được hấp thụ hoặc đi xuyên qua đối tượng. Nếu góc tiếp cận của nguồn phát tín hiệu bằng hoặc lớn hơn một giá trị ngưỡng nào đó thì năng lượng phản xạ sẽ bị lệch hướng ra ngoài vùng của bộ thu. 1 TOF (Time of Fly): Thời gian bay PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 289 (1) Cảm biến laser (2) Mặt bích lắp thiết bị (3) Ống dẫn hướng (4) Phao phản xạ (5) Côn tiết lưu Hình 2: Mô hình đo Qua quá trình thử nghiệm, chúng tôi nhận thấy nếu chiếu chùm tia laser tới đối tượng phản xạ là chất lỏng có chiết quang cao sẽ gây ra sai số lớn. Vì ánh sáng bị khúc xạ qua bề mặt làm tăng TOF. Để khắc phục điều này, chúng tôi tạo bề mặt phản xạ gắn trên phao nổi. Thêm vào đó để có góc phản xạ tốt thì bề mặt phản xạ phải vuông góc với đường cao của hình nón tạo bởi chùm tia, để chống kẹt phao khi mực nước thay đổi thì phương pháp lắp ống đo thẳng đứng là tốt nhất. Độ chính xác phụ thuộc vào mạch định thời. Với kỹ thuật hiện nay bộ định thời được chế tạo ở mức pico giây cho phép xác định một đối tượng trong cự li 50 m với sai số ±2,5 mm; Trong ba hồ thủy điện do công ty quản lý, thì hồ Buôn Tua Srah lớn nhất và mực nước thay đổi lên đến 25 m. Do vậy, chọn tầm đo 30 ...