ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИЛЮЙСКОЙ ГЭС НА РЕКЕ ГИЛЮЙ. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ЗАЩИТЫ ГИДРОАГРЕГАТА - ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, НОРМЫ И ТРЕБОВАНИЯ
|
СОКРАЩЁННЫЙ ПАСПОРТ ГИЛЮЙСКОЙ ГЭС 6
ВВЕДЕНИЕ 8
1 Анализ исходных данных и определения внешних условий
функционирования ГЭС 9
1.1 Климат 9
1.2 Гидрологические данные 9
1.3 Инженерно-геологические условия 12
1.4 Сейсмические условия 12
2 Водно-энергетические расчёты 13
2.1 Исходные данные 13
2.2 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года при
заданной обеспеченности стока 13
2.3 Определение типа регулирования 16
2.4 Построение суточных графиков нагрузки с интегральной кривой нагрузки
энергосистемы 17
2.5 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных нагрузок
энергосистемы 19
2.6 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственной системы 20
2.7 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в маловодном году . 22
2.8 Определение установленной мощности проектируемой ГЭС 23
2.9 Баланс мощности 23
2.10 Водно-энергетические расчеты работы ГЭС в средневодном году 24
3 Основное и вспомогательное оборудование 25
3.1 Построение режимного поля 25
3.2 Выбор системы и количества гидроагрегатов 27
3.3 Выбор отметки расположения рабочего колеса гидротурбины 28
3.4 Выбор типа серийного гидрогенератора 30
3.5. Расчет вала на прочность 30
3.6. Выбор маслонапорной установки и электрогидравлического регулятора 31
4 Электрическая часть 32
4.1 Выбор главной схемы электрических соединений и схемы собственных
нужд 32
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 32
4.2.1 Выбор синхронных генераторов 32
4.2.2 Выбор повышающих трансформаторов 33
4.2.3 Выбор трансформаторов собственных нужд 33
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий распределительного
устройства высшего напряжения и марки проводов воздушных линий 34
4.4 Расчёт токов трехфазного и однофазного короткого замыкания в главной
схеме с помощью программного обеспечения RastrWin 35
4.5 Внесение исходных данных в программный комплекс и расчет токов
короткого замыкания на СШ и генераторном напряжении в программном комплексе «RastrWin» 36
4.6 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима 37
4.7 Выбор электротехнического оборудования на генераторном напряжении
10,5 кВ 38
4.8 Выбор трансформаторов тока и напряжения 40
4.9 Выбор параметров ОРУ 40
4.9.1 Выбор выключателей и разъединителей 40
4.9.2. Выбор трансформаторов тока и напряжения 41
5 Релейная защита и автоматика 42
5.1 Перечень защит основного оборудования 42
5.2 Расчёт номинальных токов 43
5.3 Описание защит и расчет их уставок 44
5.3.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 44
5.3.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (UN (UO)) 46
5.3.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 49
5.3.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 49
5.3.5 Защита от симметричных перегрузок (I1) 53
5.3.6 Дистанционная защита генератора (Zi<),(Z2<) 55
5.3.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 58
5.4 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 59
5.5 Таблица уставок и матрица отключений защит 60
6 Компоновка и сооружения гидроузла 62
6.1 Определение класса гидротехнического сооружения 62
6.2 Определение отметки гребня плотины 62
6.3 Определение ширины водосливного фронта 64
6.4 Определение отметки гребня водослива 65
6.5 Проверка пропуска проверочного расхода 66
6.6 Построение оголовка профиля водосливной грани по координатам
Кригера - Офицерова 68
6.7 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 69
6.8 Расчет водобойной стенки 70
6.9 Расчет водобойного колодца 71
6.10 Конструирование бетонной плотины 72
6.10.1 Определение ширины подошвы 72
6.10.2 Разрезка плотины швами 72
6.10.3 Быки 73
6.10.4 Галереи 73
6.10.5 Элементы подземного контура плотины 73
6.11 Конструирование и расчет устройств нижнего бьефа 74
6.11.1 Водобой 74
6.11.2 Рисберма 75
6.12 Пропуск расходов через донные отверстия и глубинные водосбросы .... 75
6.13 Определение основных нагрузок на плотину 76
6.13.1 Вес сооружения и затворов 76
6.13.2 Сила гидростатического давления воды 77
6.13.3 Волновое давление 77
6.13.4 Фильтрационное и взвешивающее давление 78
6.14 Расчет прочности плотины 79
6.15 Критерии прочности плотины 81
6.16 Расчёт устойчивости плотины 82
7 Охрана труда. Пожарная безопасность. Охрана окружающей среды 84
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 84
7.2 Охрана труда 84
7.3 Пожарная безопасность 88
7.4 Мероприятия по охране окружающей среды в зоне влияния ГЭС 90
7.4.1 Мероприятия по подготовке зоны водохранилища, влияющие на
состояние водных ресурсов 91
7.4.2 Отходы, образующиеся при строительстве 92
7.4.3 Водоохранная зона 93
7.4.4 Водоохранные мероприятия на гидроэлектростанции 94
8 Технико-экономические показатели 96
8.1 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации 96
8.1.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 96
8.1.2 Текущие расходы на производство электроэнергии 96
8.1.3 Налоговые расходы в первые годы эксплуатации 99
8.2 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности 99
8.3 Оценка инвестиционного проекта 101
8.3.1 Методология и исходные данные 101
8.3.2 Коммерческая эффективность 102
8.3.3 Бюджетная эффективность 102
8.4 Анализ чувствительности 103
9 Гидромеханические защиты гидроагрегата - принцип действия, нормы и
требования 105
9.1 Условия работы гидромеханических защит 106
9.2 Ступени срабатывания гидромеханических защит 107
9.3 Команды Стоп1, Стоп2, Стоп 3 и Стоп4 108
9.4 Проверка работы гидромеханических защит 109
9.5 Назначение САУ ГА 109
9.6 Контроль нормального состояния оборудования 110
9.7 Общие требования 111
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 114
ПРИЛОЖЕНИЕ А Водно-энергетические расчеты 118
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Параметры и характеристики гидротурбины 121
ВВЕДЕНИЕ 8
1 Анализ исходных данных и определения внешних условий
функционирования ГЭС 9
1.1 Климат 9
1.2 Гидрологические данные 9
1.3 Инженерно-геологические условия 12
1.4 Сейсмические условия 12
2 Водно-энергетические расчёты 13
2.1 Исходные данные 13
2.2 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года при
заданной обеспеченности стока 13
2.3 Определение типа регулирования 16
2.4 Построение суточных графиков нагрузки с интегральной кривой нагрузки
энергосистемы 17
2.5 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных нагрузок
энергосистемы 19
2.6 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственной системы 20
2.7 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в маловодном году . 22
2.8 Определение установленной мощности проектируемой ГЭС 23
2.9 Баланс мощности 23
2.10 Водно-энергетические расчеты работы ГЭС в средневодном году 24
3 Основное и вспомогательное оборудование 25
3.1 Построение режимного поля 25
3.2 Выбор системы и количества гидроагрегатов 27
3.3 Выбор отметки расположения рабочего колеса гидротурбины 28
3.4 Выбор типа серийного гидрогенератора 30
3.5. Расчет вала на прочность 30
3.6. Выбор маслонапорной установки и электрогидравлического регулятора 31
4 Электрическая часть 32
4.1 Выбор главной схемы электрических соединений и схемы собственных
нужд 32
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 32
4.2.1 Выбор синхронных генераторов 32
4.2.2 Выбор повышающих трансформаторов 33
4.2.3 Выбор трансформаторов собственных нужд 33
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий распределительного
устройства высшего напряжения и марки проводов воздушных линий 34
4.4 Расчёт токов трехфазного и однофазного короткого замыкания в главной
схеме с помощью программного обеспечения RastrWin 35
4.5 Внесение исходных данных в программный комплекс и расчет токов
короткого замыкания на СШ и генераторном напряжении в программном комплексе «RastrWin» 36
4.6 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима 37
4.7 Выбор электротехнического оборудования на генераторном напряжении
10,5 кВ 38
4.8 Выбор трансформаторов тока и напряжения 40
4.9 Выбор параметров ОРУ 40
4.9.1 Выбор выключателей и разъединителей 40
4.9.2. Выбор трансформаторов тока и напряжения 41
5 Релейная защита и автоматика 42
5.1 Перечень защит основного оборудования 42
5.2 Расчёт номинальных токов 43
5.3 Описание защит и расчет их уставок 44
5.3.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 44
5.3.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (UN (UO)) 46
5.3.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 49
5.3.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 49
5.3.5 Защита от симметричных перегрузок (I1) 53
5.3.6 Дистанционная защита генератора (Zi<),(Z2<) 55
5.3.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 58
5.4 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 59
5.5 Таблица уставок и матрица отключений защит 60
6 Компоновка и сооружения гидроузла 62
6.1 Определение класса гидротехнического сооружения 62
6.2 Определение отметки гребня плотины 62
6.3 Определение ширины водосливного фронта 64
6.4 Определение отметки гребня водослива 65
6.5 Проверка пропуска проверочного расхода 66
6.6 Построение оголовка профиля водосливной грани по координатам
Кригера - Офицерова 68
6.7 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 69
6.8 Расчет водобойной стенки 70
6.9 Расчет водобойного колодца 71
6.10 Конструирование бетонной плотины 72
6.10.1 Определение ширины подошвы 72
6.10.2 Разрезка плотины швами 72
6.10.3 Быки 73
6.10.4 Галереи 73
6.10.5 Элементы подземного контура плотины 73
6.11 Конструирование и расчет устройств нижнего бьефа 74
6.11.1 Водобой 74
6.11.2 Рисберма 75
6.12 Пропуск расходов через донные отверстия и глубинные водосбросы .... 75
6.13 Определение основных нагрузок на плотину 76
6.13.1 Вес сооружения и затворов 76
6.13.2 Сила гидростатического давления воды 77
6.13.3 Волновое давление 77
6.13.4 Фильтрационное и взвешивающее давление 78
6.14 Расчет прочности плотины 79
6.15 Критерии прочности плотины 81
6.16 Расчёт устойчивости плотины 82
7 Охрана труда. Пожарная безопасность. Охрана окружающей среды 84
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 84
7.2 Охрана труда 84
7.3 Пожарная безопасность 88
7.4 Мероприятия по охране окружающей среды в зоне влияния ГЭС 90
7.4.1 Мероприятия по подготовке зоны водохранилища, влияющие на
состояние водных ресурсов 91
7.4.2 Отходы, образующиеся при строительстве 92
7.4.3 Водоохранная зона 93
7.4.4 Водоохранные мероприятия на гидроэлектростанции 94
8 Технико-экономические показатели 96
8.1 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации 96
8.1.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 96
8.1.2 Текущие расходы на производство электроэнергии 96
8.1.3 Налоговые расходы в первые годы эксплуатации 99
8.2 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности 99
8.3 Оценка инвестиционного проекта 101
8.3.1 Методология и исходные данные 101
8.3.2 Коммерческая эффективность 102
8.3.3 Бюджетная эффективность 102
8.4 Анализ чувствительности 103
9 Гидромеханические защиты гидроагрегата - принцип действия, нормы и
требования 105
9.1 Условия работы гидромеханических защит 106
9.2 Ступени срабатывания гидромеханических защит 107
9.3 Команды Стоп1, Стоп2, Стоп 3 и Стоп4 108
9.4 Проверка работы гидромеханических защит 109
9.5 Назначение САУ ГА 109
9.6 Контроль нормального состояния оборудования 110
9.7 Общие требования 111
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 114
ПРИЛОЖЕНИЕ А Водно-энергетические расчеты 118
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Параметры и характеристики гидротурбины 121
Гидроэнергетика - одна из ведущих составляющих электроэнергетики России. Преимуществом ГЭС перед другими электростанциями является способность быстро увеличивать объем выработки электроэнергии для покрытия пиковых нагрузок в энергосистеме. Вода, постоянно возобновляемая, в отличие от нефти, газа, твердого топлива и ядерного горючего. Лидером в развитии электроэнергетики на ближайшие десятилетия станет гидроэнергетика, как наиболее развитая, экологически безопасная и инвестиционная отрасль народного хозяйства.
Развитие Дальнего Востока - сегодня одна из наиболее приоритетных задач государства. Для ее решения разработана Федеральная целевая программа по развитию региона, создано Министерство по развитию дальнего востока. В энергетике региона ситуация осложнена наличием государственного регулирования тарифов на тепло и электроэнергию. Строительство новых станций необходимо для повышения надежности электроснабжения региона и сдерживания роста тарифов.
Целью бакалаврской работы является проработка основных этапов проектирования гидроэлектростанции с применением теоретических знаний, а также путем инженерного подхода к решению конкретных задач, с сопоставлением вариантов для выбора наилучших технических решений.
Развитие Дальнего Востока - сегодня одна из наиболее приоритетных задач государства. Для ее решения разработана Федеральная целевая программа по развитию региона, создано Министерство по развитию дальнего востока. В энергетике региона ситуация осложнена наличием государственного регулирования тарифов на тепло и электроэнергию. Строительство новых станций необходимо для повышения надежности электроснабжения региона и сдерживания роста тарифов.
Целью бакалаврской работы является проработка основных этапов проектирования гидроэлектростанции с применением теоретических знаний, а также путем инженерного подхода к решению конкретных задач, с сопоставлением вариантов для выбора наилучших технических решений.
В дипломном проекте рассчитаны и определены основные элементы и параметры Гилюйской ГЭС на реке Гилюй, являющейся сооружением II класса.
В ходе водно-энергетических расчетов была рассчитана установленная мощность, равная 183 МВт и среднемноголетняя выработка 594 млн. кВт-ч.
Было определено оптимальное число и тип гидроагрегатов электростанции. Для этого была построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
максимальный - 53 м;
расчетный - 43,4 м;
минимальный - 30,3 м.
По результатам расчетов был определен оптимальный вариант с тремя гидротурбинами ПЛ60-В-475.
По справочным данным для выбранной турбины с синхронной частотой вращения 166,7 об/мин был подобран серийный гидрогенератор СВ - 780/13736 с номинальной активной мощностью 63 МВт.
Далее была выбрана структурная схема ГЭС с одиночными блоками и принята схема распределительного устройства с двумя системами сборных шин. По справочным данным и каталогам было выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы: ТДЦ-80000/220, трансформаторы общестанционных собственных нужд: ТСЗГЛ 1000/10/0,4, для ВЛЭП - сталеалюминевые провода марки АС-300/48.
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ. Компоновка гидроузла была принята приплотинная.
В состав сооружений входят:
- водосбросная бетонная плотина с поверхностным водосливом практического профиля;
- левобережная глухая бетонная плотина;
- станционная часть бетонной плотины;
- правобережная глухая бетонная плотина.
На данном этапе расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- ширина подошвы - 39,2 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 409 м;
- число водосливных отверстий - 2;
- отметка гребня - 468,6 м;
- ширина гребня - 13 м.
Для гашения кинетической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применяется водобойный колодец.
Во избежание недопустимо больших напряжений, появляющихся при неравномерных осадках основания и при температурных деформациях, в различных частях тела бетонной плотины, она разделена на секции постоянными температурно-осадочными швами.
Также в этом разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основных нагрузках. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,28 для основных нагрузок (нормативное значение для сооружений II класса - 1,20). Таким образом, плотина Гилюйского гидроузла отвечает требованиям надежности. При расчете плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Плотина отвечает всем требованиям, предусмотренными СНиП.
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 - 10,8 лет;
- себестоимость - 0,95 руб/кВт-ч;
- удельные капиталовложения - 66230 руб./кВт.
Таким образом, строительство Гилюйского гидроузла в настоящее время является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.
В ходе водно-энергетических расчетов была рассчитана установленная мощность, равная 183 МВт и среднемноголетняя выработка 594 млн. кВт-ч.
Было определено оптимальное число и тип гидроагрегатов электростанции. Для этого была построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
максимальный - 53 м;
расчетный - 43,4 м;
минимальный - 30,3 м.
По результатам расчетов был определен оптимальный вариант с тремя гидротурбинами ПЛ60-В-475.
По справочным данным для выбранной турбины с синхронной частотой вращения 166,7 об/мин был подобран серийный гидрогенератор СВ - 780/13736 с номинальной активной мощностью 63 МВт.
Далее была выбрана структурная схема ГЭС с одиночными блоками и принята схема распределительного устройства с двумя системами сборных шин. По справочным данным и каталогам было выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы: ТДЦ-80000/220, трансформаторы общестанционных собственных нужд: ТСЗГЛ 1000/10/0,4, для ВЛЭП - сталеалюминевые провода марки АС-300/48.
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ. Компоновка гидроузла была принята приплотинная.
В состав сооружений входят:
- водосбросная бетонная плотина с поверхностным водосливом практического профиля;
- левобережная глухая бетонная плотина;
- станционная часть бетонной плотины;
- правобережная глухая бетонная плотина.
На данном этапе расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- ширина подошвы - 39,2 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 409 м;
- число водосливных отверстий - 2;
- отметка гребня - 468,6 м;
- ширина гребня - 13 м.
Для гашения кинетической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применяется водобойный колодец.
Во избежание недопустимо больших напряжений, появляющихся при неравномерных осадках основания и при температурных деформациях, в различных частях тела бетонной плотины, она разделена на секции постоянными температурно-осадочными швами.
Также в этом разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основных нагрузках. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,28 для основных нагрузок (нормативное значение для сооружений II класса - 1,20). Таким образом, плотина Гилюйского гидроузла отвечает требованиям надежности. При расчете плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Плотина отвечает всем требованиям, предусмотренными СНиП.
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 - 10,8 лет;
- себестоимость - 0,95 руб/кВт-ч;
- удельные капиталовложения - 66230 руб./кВт.
Таким образом, строительство Гилюйского гидроузла в настоящее время является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.
