ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЕЛЕНГИНСКОЙ ГЭС НА РЕКЕ СЕЛЕНГА. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К МОНИТОРИНГУ, ДИАГНОСТИКЕ И УПРАВЛЕНИЮ СОСТОЯНИЕМ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ ГЭС
|
СОКРАЩЕННЫЙ ПАСПОРТ СЕЛЕНГИНСКОЙ ГЭС 7
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Общая часть 10
1.1 Природные условия 10
1.1.1 Климатические данные 10
1.1.2 Г идрологические данные 10
1.1.3 Инженерно-геологические условия 12
1.2 Энергоэкономическая характеристика района 12
2 Водно-энергетические расчеты 13
2.1 Исходные данные для расчета 13
2.2 Определение расходов маловодного и средневодного года в заданном
створе 13
2.2.1 Выбор расчетного средневодного (P=50%) и маловодного года 15
2.3 Выбор установленной мощности на основе водно-энергетических
расчетов 17
2.3.1 Построение суточных графиков нагрузки энергосистемы и
интегральных кривых нагрузки (ПКИ) 17
2.3.2 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных
нагрузок энергосистемы 19
2.3.3 Перераспределение стока с полноводного периода на зимний
период 20
2.3.4 Водно-энергетический расчет режима работы ГЭС в маловодном
году 23
2.4 Определение установленной мощности ГЭС и планирование
капитальных ремонтов 23
2.5 Водно-энергетический расчет (ВЭР) режима работы ГЭС в средневодном
год 25
2.6 Построение режимного поля 25
3 Основное и вспомогательное оборудование 27
3.1 Выбор числа и типа гидроагрегатов 27
3.2 Определение отметки расположения рабочего колеса гидротурбины 30
3.3 Гидромеханический расчет и построение плана бетонной спиральной
камеры 31
3.4 Выбор серийного типа генератора 36
3.5 Расчет вала и подшипников гидротурбины 36
3.6 Выбор маслонапорной установки 38
3.7 Выбор электрогидравлического регулятора 39
4 Электрическая часть гидроэлектростанции 40
4.1 Выбор главной схемы электрических соединений 40
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 40
4.2.1 Выбор синхронных генераторов 40
4.2.2 Выбор повышающих трансформаторов для схем с одиночным
блоком 40
4.2.3 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с укрупненным
блоком 42
4.2.4 Выбор трансформаторов собственных нужд 43
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий распределительного
устройства высшего напряжения и марки проводов воздушных линий 44
4.4 Выбор главной схемы ГЭС на основании технике-экономического
расчета 45
4.5 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 46
4.6 Расчет токов трехфазного и однофазного замыкания в главной схеме с
помощью программного обеспечения RastrWin 47
4.6.1 Расчет исходных данных 47
4.6.2 Внесение исходных данных в программный комплекс и расчет токов
короткого замыкания на СШ и генераторном напряжении в программном комплексе «RastrWin» 48
4.7 Определение расчетных токов рабочего и утяжеленного режима 49
4.8 Выбор выключателей и разъединителей 50
4.9 Выбор трансформаторов тока и напряжения 51
4.10 Выбор параметров ОРУ 52
4.10.1 Выбор выключателей и разъединителей 52
4.10.2 Выбор трансформаторов тока и напряжения 53
5 Устройства релейной защиты и автоматики 54
5.1 Перечень защит основного оборудования 54
5.2 Расчет номинальных токов 55
5.3 Описание защит и расчет их уставок 56
5.3.1 Продольная дифференциальная защита 56
5.3.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора
(Un (Uo)) 59
5.3.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 61
5.3.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок
и внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 62
5.3.5 Защита от симметричных перегрузок (/1) 65
5.3.6 Дистанционная защита генератора Z1 <,Z2 < 67
5.3.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 70
5.4 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 72
5.5 Т аблица уставок и матрица отключений защит 72
6 Компоновка и сооружения гидроузла 73
6.1 Компоновка гидроузла 73
6.2 Проектирование сооружений напорного фронта 73
6.2.1 Определение отметки гребня глухой грунтовой плотины 73
6.3 Г идравлические расчеты 75
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 75
6.3.2 Определение отметки гребня водослива 76
6.3.3 Построение оголовка профиля водосливной грани 77
6.3.4 Проверка на пропуск поверочного расхода при отметке ФПУ 78
6.3.5 Пропуск расходов через донный водосброс 80
6.3.6 Расчет водобойной стенки 82
6.3.7 Расчет второй водобойной стенки 83
6.3.8 Расчет сопряжения потока после второй водобойной стенки 84
6.3 Конструирование плотины 84
6.3.1 Определение ширины подошвы плотины 84
6.3.2 Разрезка бетонной плотины швами 86
6.3.3 Быки 86
6.3.4 Устои 87
6.3.5 Дренаж тела бетонных плотин 87
6.3.6 Галереи в теле плотины 88
6.3.7 Конструирование отдельных элементов подземного контура
плотины 88
6.3.8 Конструктивные элементы нижнего бьефа 90
6.4 Определение основных нагрузок на плотину 90
6.4.1 Вес сооружения и затворов 90
6.4.2 Сила гидростатического давления воды 91
6.6.3 Равнодействующая взвешивающего давления 92
6.6.4 Сила фильтрационного давления 92
6.6.5 Давление грунта 92
6.6.6 Волновое давление 94
6.6.7 Оценка прочности плотины 94
6.6.8 Критерии прочности плотины 97
6.9 Расчёт устойчивости плотины 98
7 Мероприятия по охране окружающей среды в зоне влияния Селенгинского гидроузла. Охрана труда и противопожарная безопасность ... 100
7.1 Общие сведения о районе строительства 100
7.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 100
7.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 101
7.4 Отходы, образующиеся при строительстве 102
7.5 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 102
7.6 Пожарная безопасность 103
7.7 Требования по охране труда и технике безопасности 106
8 Технико-Экономические показатели 108
8.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 108
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 108
8.3 Налоговые расходы 110
8.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности ... 111
8.5 Анализ денежных потоков 112
8.6 Оценка инвестиционного проекта 113
8.6.1 Методология, исходные данные 113
8.6.2 Коммерческая эффективность 113
8.6.3 Бюджетная эффективность 114
8.7 Анализ чувствительности 114
9 Современные подходы к мониторингу, диагностике и управлению состоянием гидротехнических сооружений ГЭС 117
9.1 Основные понятия и определения 117
9.2 Основные действующие нормативные документы 118
9.3 Современные варианты для ведения мониторинга, диагностики и
управления состоянием ГТС 119
9.3.1 Информационно-диагностическая система 119
9.3.2 BIM - модель 121
9.3.3 Методы Data Mining и МГУА 122
9.3.4 PLM - управления жизненным циклом сооружения 123
9.4 Использование новых технологий в передаче данных 124
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 129
ПРИЛОЖЕНИЕ А Анализ исходных данных 132
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Водно-энергетические расчеты 134
ПРИЛОЖЕНИЕ В Основное и вспомогательно оборудование 139
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Релейная защита и автоматика 142
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Общая часть 10
1.1 Природные условия 10
1.1.1 Климатические данные 10
1.1.2 Г идрологические данные 10
1.1.3 Инженерно-геологические условия 12
1.2 Энергоэкономическая характеристика района 12
2 Водно-энергетические расчеты 13
2.1 Исходные данные для расчета 13
2.2 Определение расходов маловодного и средневодного года в заданном
створе 13
2.2.1 Выбор расчетного средневодного (P=50%) и маловодного года 15
2.3 Выбор установленной мощности на основе водно-энергетических
расчетов 17
2.3.1 Построение суточных графиков нагрузки энергосистемы и
интегральных кривых нагрузки (ПКИ) 17
2.3.2 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных
нагрузок энергосистемы 19
2.3.3 Перераспределение стока с полноводного периода на зимний
период 20
2.3.4 Водно-энергетический расчет режима работы ГЭС в маловодном
году 23
2.4 Определение установленной мощности ГЭС и планирование
капитальных ремонтов 23
2.5 Водно-энергетический расчет (ВЭР) режима работы ГЭС в средневодном
год 25
2.6 Построение режимного поля 25
3 Основное и вспомогательное оборудование 27
3.1 Выбор числа и типа гидроагрегатов 27
3.2 Определение отметки расположения рабочего колеса гидротурбины 30
3.3 Гидромеханический расчет и построение плана бетонной спиральной
камеры 31
3.4 Выбор серийного типа генератора 36
3.5 Расчет вала и подшипников гидротурбины 36
3.6 Выбор маслонапорной установки 38
3.7 Выбор электрогидравлического регулятора 39
4 Электрическая часть гидроэлектростанции 40
4.1 Выбор главной схемы электрических соединений 40
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 40
4.2.1 Выбор синхронных генераторов 40
4.2.2 Выбор повышающих трансформаторов для схем с одиночным
блоком 40
4.2.3 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с укрупненным
блоком 42
4.2.4 Выбор трансформаторов собственных нужд 43
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий распределительного
устройства высшего напряжения и марки проводов воздушных линий 44
4.4 Выбор главной схемы ГЭС на основании технике-экономического
расчета 45
4.5 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 46
4.6 Расчет токов трехфазного и однофазного замыкания в главной схеме с
помощью программного обеспечения RastrWin 47
4.6.1 Расчет исходных данных 47
4.6.2 Внесение исходных данных в программный комплекс и расчет токов
короткого замыкания на СШ и генераторном напряжении в программном комплексе «RastrWin» 48
4.7 Определение расчетных токов рабочего и утяжеленного режима 49
4.8 Выбор выключателей и разъединителей 50
4.9 Выбор трансформаторов тока и напряжения 51
4.10 Выбор параметров ОРУ 52
4.10.1 Выбор выключателей и разъединителей 52
4.10.2 Выбор трансформаторов тока и напряжения 53
5 Устройства релейной защиты и автоматики 54
5.1 Перечень защит основного оборудования 54
5.2 Расчет номинальных токов 55
5.3 Описание защит и расчет их уставок 56
5.3.1 Продольная дифференциальная защита 56
5.3.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора
(Un (Uo)) 59
5.3.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 61
5.3.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок
и внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 62
5.3.5 Защита от симметричных перегрузок (/1) 65
5.3.6 Дистанционная защита генератора Z1 <,Z2 < 67
5.3.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 70
5.4 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 72
5.5 Т аблица уставок и матрица отключений защит 72
6 Компоновка и сооружения гидроузла 73
6.1 Компоновка гидроузла 73
6.2 Проектирование сооружений напорного фронта 73
6.2.1 Определение отметки гребня глухой грунтовой плотины 73
6.3 Г идравлические расчеты 75
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 75
6.3.2 Определение отметки гребня водослива 76
6.3.3 Построение оголовка профиля водосливной грани 77
6.3.4 Проверка на пропуск поверочного расхода при отметке ФПУ 78
6.3.5 Пропуск расходов через донный водосброс 80
6.3.6 Расчет водобойной стенки 82
6.3.7 Расчет второй водобойной стенки 83
6.3.8 Расчет сопряжения потока после второй водобойной стенки 84
6.3 Конструирование плотины 84
6.3.1 Определение ширины подошвы плотины 84
6.3.2 Разрезка бетонной плотины швами 86
6.3.3 Быки 86
6.3.4 Устои 87
6.3.5 Дренаж тела бетонных плотин 87
6.3.6 Галереи в теле плотины 88
6.3.7 Конструирование отдельных элементов подземного контура
плотины 88
6.3.8 Конструктивные элементы нижнего бьефа 90
6.4 Определение основных нагрузок на плотину 90
6.4.1 Вес сооружения и затворов 90
6.4.2 Сила гидростатического давления воды 91
6.6.3 Равнодействующая взвешивающего давления 92
6.6.4 Сила фильтрационного давления 92
6.6.5 Давление грунта 92
6.6.6 Волновое давление 94
6.6.7 Оценка прочности плотины 94
6.6.8 Критерии прочности плотины 97
6.9 Расчёт устойчивости плотины 98
7 Мероприятия по охране окружающей среды в зоне влияния Селенгинского гидроузла. Охрана труда и противопожарная безопасность ... 100
7.1 Общие сведения о районе строительства 100
7.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 100
7.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 101
7.4 Отходы, образующиеся при строительстве 102
7.5 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 102
7.6 Пожарная безопасность 103
7.7 Требования по охране труда и технике безопасности 106
8 Технико-Экономические показатели 108
8.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 108
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 108
8.3 Налоговые расходы 110
8.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности ... 111
8.5 Анализ денежных потоков 112
8.6 Оценка инвестиционного проекта 113
8.6.1 Методология, исходные данные 113
8.6.2 Коммерческая эффективность 113
8.6.3 Бюджетная эффективность 114
8.7 Анализ чувствительности 114
9 Современные подходы к мониторингу, диагностике и управлению состоянием гидротехнических сооружений ГЭС 117
9.1 Основные понятия и определения 117
9.2 Основные действующие нормативные документы 118
9.3 Современные варианты для ведения мониторинга, диагностики и
управления состоянием ГТС 119
9.3.1 Информационно-диагностическая система 119
9.3.2 BIM - модель 121
9.3.3 Методы Data Mining и МГУА 122
9.3.4 PLM - управления жизненным циклом сооружения 123
9.4 Использование новых технологий в передаче данных 124
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 129
ПРИЛОЖЕНИЕ А Анализ исходных данных 132
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Водно-энергетические расчеты 134
ПРИЛОЖЕНИЕ В Основное и вспомогательно оборудование 139
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Релейная защита и автоматика 142
Ежегодно происходит общий рост потребления электроэнергии в связи с ростом промышленных предприятий, с развитием экономики. Гидроэнергия является восполняемым, чистым, эффективным и, что немаловажно, видом энергии с низкой себестоимостью. Именно гидроэлектростанции имеют очень большой, по сравнению с другими типами электростанций, КПД. А также ГЭС являются экологически безопасными генерирующими станциями.
В Бурятии располагается множество малых промышленных предприятий, золотодобывающее предприятие, производство самолетов и другие крупные предприятия. Территория республики богата полезными природными ресурсами, есть потенциал для развития туристического бизнеса, сельского хозяйства, горнодобывающей отрасли. Также вырабатываемая электроэнергия Селенгинской ГЭС рассматривается для электроснабжения запланированного мусороперерабатывающего завода в Улан-Удэ, проект которого уже имеется.
Можно сделать вывод, что строительство Селенгинской ГЭС позволит облегчить ситуацию с электроснабжением, так как республика находится на достаточно большом расстоянии от ближайшей электростанции.
Целью проекта является проработка основных этапов проектирования гидроэлектростанции с применением и закреплением теоретических знаний, а также путем инженерной мысли и творческого подхода к решению конкретных задач, найти оптимальные проектные решения.
В Бурятии располагается множество малых промышленных предприятий, золотодобывающее предприятие, производство самолетов и другие крупные предприятия. Территория республики богата полезными природными ресурсами, есть потенциал для развития туристического бизнеса, сельского хозяйства, горнодобывающей отрасли. Также вырабатываемая электроэнергия Селенгинской ГЭС рассматривается для электроснабжения запланированного мусороперерабатывающего завода в Улан-Удэ, проект которого уже имеется.
Можно сделать вывод, что строительство Селенгинской ГЭС позволит облегчить ситуацию с электроснабжением, так как республика находится на достаточно большом расстоянии от ближайшей электростанции.
Целью проекта является проработка основных этапов проектирования гидроэлектростанции с применением и закреплением теоретических знаний, а также путем инженерной мысли и творческого подхода к решению конкретных задач, найти оптимальные проектные решения.
В данном дипломном проекте рассчитаны и определены показатели, выбраны основные элементы и параметры Селенгинской ГЭС на реке Селенга, которая является сооружением II класса.
В ходе проведения водно-энергетических расчетов была рассчитана установленная мощность электростанции, равная 283 МВт и среднемноголетняя выработка 1,931 млрд. кВт-ч. Также были определены такие параметры, как полезный объем водохранилища, равный 9,3 км3, уровень мертвого объема, отметка которого 550,02 м. Для последующего расчета было построено режимное поле (область допустимых режимов работы), по которому были определены напоры:
• максимальный - 37,37 м;
• расчетный - 31,10 м;
• минимальный - 25,70 м.
В результате расчетов была выбрана гидротурбина ПЛ 40а-В-600, с диаметром рабочего колеса 6 м. Выбрано оптимальное количество устанавливаемых гидротурбин - 4. По справочным данным для выбранной поворотно-лопастной гидротурбины с синхронной частотой вращения 125 об/мин был подобран серийный гидрогенератор СВ-850/190-48 с номинальной активной мощностью 72,5 МВт.
Далее была выбрана главная электрическая схема гидроэлектростанции с одиночными блоками и принята схема распределительного устройства с двумя системами сборных шин и одной обходной. По справочным данным и каталогам было подобрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы: ТДЦ-125000/220-У1, трансформаторы собственных нужд: TC3-3200/20, для ВЛЭП - сталеалюминевые провода марки АС-240/32.
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
Компоновка гидроузла - русловая. В состав Селенгинского гидроузла входят:
• водосбросная бетонная плотина с поверхностным водосливом практического профиля;
• правобережная грунтовая плотина;
• станционная часть бетонной плотины;
• левобережная глухая бетонная плотина.
На данном этапе расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
• ширина подошвы - 32 м;
• отметка подошвы водосливной плотины - 515 м;
• число водосливных отверстий - 6;
• ширина водосливных отверстий в свету - 10 м;
• отметка гребня - 564,64 м;
• ширина гребня - 24,73 м.
Для гашения энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применяются гасители энергии - 2 водобойные стенки. Также в этом разделе в результате расчетов определили, что выбранный профиль плотины удовлетворяет условиям прочности и устойчивости при основном сочетании нагрузок и воздействий. Рассчитанные сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Плотина отвечает всем требованиям надежности.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
По технико-экономическим расчетам получены следующие показатели:
• срок окупаемости - 7 лет 9 месяцев;
• себестоимость - 1,26 руб/кВт-ч;
• индекс прибыльности -1,94;
• удельные капиталовложения - 44717,31 тыс. руб./кВт.
Таким образом, строительство Селенгинского гидроузла в настоящее время является обоснованным, в том числе и с точки зрения экономических показателей.
В ходе проведения водно-энергетических расчетов была рассчитана установленная мощность электростанции, равная 283 МВт и среднемноголетняя выработка 1,931 млрд. кВт-ч. Также были определены такие параметры, как полезный объем водохранилища, равный 9,3 км3, уровень мертвого объема, отметка которого 550,02 м. Для последующего расчета было построено режимное поле (область допустимых режимов работы), по которому были определены напоры:
• максимальный - 37,37 м;
• расчетный - 31,10 м;
• минимальный - 25,70 м.
В результате расчетов была выбрана гидротурбина ПЛ 40а-В-600, с диаметром рабочего колеса 6 м. Выбрано оптимальное количество устанавливаемых гидротурбин - 4. По справочным данным для выбранной поворотно-лопастной гидротурбины с синхронной частотой вращения 125 об/мин был подобран серийный гидрогенератор СВ-850/190-48 с номинальной активной мощностью 72,5 МВт.
Далее была выбрана главная электрическая схема гидроэлектростанции с одиночными блоками и принята схема распределительного устройства с двумя системами сборных шин и одной обходной. По справочным данным и каталогам было подобрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы: ТДЦ-125000/220-У1, трансформаторы собственных нужд: TC3-3200/20, для ВЛЭП - сталеалюминевые провода марки АС-240/32.
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
Компоновка гидроузла - русловая. В состав Селенгинского гидроузла входят:
• водосбросная бетонная плотина с поверхностным водосливом практического профиля;
• правобережная грунтовая плотина;
• станционная часть бетонной плотины;
• левобережная глухая бетонная плотина.
На данном этапе расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
• ширина подошвы - 32 м;
• отметка подошвы водосливной плотины - 515 м;
• число водосливных отверстий - 6;
• ширина водосливных отверстий в свету - 10 м;
• отметка гребня - 564,64 м;
• ширина гребня - 24,73 м.
Для гашения энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применяются гасители энергии - 2 водобойные стенки. Также в этом разделе в результате расчетов определили, что выбранный профиль плотины удовлетворяет условиям прочности и устойчивости при основном сочетании нагрузок и воздействий. Рассчитанные сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Плотина отвечает всем требованиям надежности.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
По технико-экономическим расчетам получены следующие показатели:
• срок окупаемости - 7 лет 9 месяцев;
• себестоимость - 1,26 руб/кВт-ч;
• индекс прибыльности -1,94;
• удельные капиталовложения - 44717,31 тыс. руб./кВт.
Таким образом, строительство Селенгинского гидроузла в настоящее время является обоснованным, в том числе и с точки зрения экономических показателей.
