ПРОЕКТИРОВАНИЕ ХЕМЧИНСКОЙ ГЭС НА РЕКЕ ХЕМЧИК. СОВРЕМЕННЫЕ НКУ - 0,4 кВ. СОСТАВ, НАЗНАЧЕНИЕ. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТ
|
Сокращенный паспорт Хемчинской ГЭС 7
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Общие сведения 10
1.1 Природные условия 10
1.1.1 Климат района 10
1.1.2 Гидрологические данные 10
1.1.3 Сейсмологические условия 13
1.2 Энергоэкономическая характеристика региона 13
1.3 Аналог проектируемого гидроузла 14
2 Водно-энергетические расчеты 15
2.1 Регулирование стока воды 15
2.1.1 Исходные данные 15
2.1.2 Построение эмпирических кривых обеспеченности 15
2.1.3 Выбор расчетных гидрографов 17
2.1.4 Определение типа регулирования 19
2.2 Определение установленной мощности на основе водно -энергетических
расчетов 20
2.2.1 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственного комплекса 20
2.3 Определение установленной мощности 21
2.3.1 Водно-энергетические расчеты 21
2.3.2 Определение установленной мощности ГЭС 24
2.3.3 Определение среднемноголетней выработки 24
2.4 Баланс мощности 24
2.5 Баланс энергии 26
3 Основное и вспомогательное оборудование 27
3.1 Выбор числа и типа гидроагрегатов 27
3.1.1 Построение режимного поля 27
3.1.2 Выбор гидротурбин по главным универсальным универсальным
характеристикам 29
3.1.3 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 32
3.2 Выбор основного и вспомогательного оборудования 35
3.2.1 Выбор типа серийного гидрогенератора 35
3.2.2 Расчет на прочность вала гидроагрегата и подшипника гидротурбины .... 36
3.2.3 Выбор типа маслонапорной установки 37
3.2.4 Выбор электрогидравлического регулятора 37
3.3 Гидромеханический расчет и построение плана спиральной камеры 37
4 Электрическая часть 41
4.1 Исходные данные 41
4.2 Выбор структурной схемы электрических соединений ГЭС 41
4.3 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 41
4.3.1 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с одиночным блоком . 41
4.3.2 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с комбинированными
блоками 43
4.3.3 Выбор трансформаторов собственных нужд 45
4.4 Выбор количества отходящих воздушных линии распределительного
устройства высшего напряжения и марки проводов воздушных линии 45
4.5 Выбор главной схемы ГЭС на основании технико-экономического
расчета 47
4.6 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 48
4.7 Расчет токов трехфазного и однофазного короткого замыкания в главной
схеме с помощью программного комплекса «RastrWin» 49
4.7.1 Расчет исходных данных 49
4.7.2 Внесение исходных данных в программный комплекс и расчетов токов
короткого замыкания на сборных шинах и на генераторном напряжении в программном комплексе «RastrWin» 50
4.8 Определение расчетных токов рабочего и утяжеленного режима 52
4.9 Выбор и проверка электрооборудования 52
4.9.1 Выбор генераторных выключателей и разъединителей 52
4.9.2 Выбор трансформаторов тока и напряжения 53
4.9.3 Выбор генераторного анализатора и синхронизатора 53
4.9.4 Выбор электрооборудования на напряжение класса 220 кВ 54
4.10 Выбор вспомогательного электрооборудования 54
5 Релейная защита и автоматика 55
5.1 Технические данные защищаемого оборудования 55
5.2 Перечень защит основного оборудования 55
5.3 Расчет номинальных токов 57
5.4 Описание защит и выбор уставок 57
5.4.1 Продольная дифференциальная защита генератора 57
5.4.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (UN(UO)) 60
5.4.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 62
5.4.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 62
5.4.5 Защита от симметричных перегрузок (I1) 65
5.4.6 Дистанционная защита генератора (ZI <), (Z2 <) 67
5.5 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 71
5.6 Таблица уставок и матрица отключений защит 72
6 Компановка и сооружения гидроузла 74
6.1 Определение класса сооружений 74
6.2 Проектирование сооружений напорного фронта 74
6.2.1 Определение отметки гребня плотины 74
6.2.2 Определение ширины водосливного фронта 76
6.2.3 Определение отметки гребня водослива 78
6.2.4 Пропуск расчетного расхода при поверочном расчетном случае 79
6.2.5 Построение профиля водосливной грани 80
6.2.6 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 81
6.2.7 Расчет энергогасящего сооружения 82
6.2.8 Расчет водобоя 84
6.3 Конструирование плотины 85
6.3.1 Определение ширины подошвы плотины 85
6.3.2 Разрезка бетонных плотин швами 87
6.3.3 Устои 87
6.3.4 Галереи в теле бетонной плотины 87
6.3.5 Элементы подземного контура плотины 88
6.4 Конструктивные элементы нижнего бьефа 88
6.5 Определение основных нагрузок на плотину 89
6.5.1 Вес сооружения и затворов 89
6.5.2 Сила гидростатического давления воды 90
6.5.3 Расчет волнового давления 90
6.5.4 Фильтрационное и взвешивающее давление 91
6.6 Оценка прочности плотины 91
6.6.1 Определение напряжений 91
6.6.2 Критерий прочности плотины 94
6.6.3 Расчет устойчивости плотины 95
7 Охрана труда. Пожарная безопасность 96
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 96
7.2 Пожарная безопасность 96
7.3 Охрана труда 98
8 Охрана окружающей среды 100
8.1 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 100
8.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в зоне влияния
ГЭС 100
8.3 Охрана атмосферного воздуха 101
8.4 Отходы, образующиеся при строительстве 102
8.5 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 102
8.6 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 103
9 Технико-экономические показатели 104
9.1 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации 104
9.1.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 104
9.1.2 Текущие расходы на производство электроэнергии 104
9.1.3 Налоговые расходы в первые годы эксплуатации 106
9.2 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности 107
9.3 Оценка инвестиционного проекта 108
9.3.1 Методология и исходные данные 108
9.3.2 Коммерческая эффективность 109
9.3.3 Бюджетная эффективность 109
9.4 Анализ чувствительности 110
10 Современные НКУ-0,4 кВ. Состав, назначение. Принцип действия защит 112
10.1 Современные НКУ 112
10.2 Назначение НКУ и его состав 113
10.2.1 Назначение НКУ 113
10.2.2 Конструкция шкафов НКУ 113
10.2.3 Состав НКУ 114
10.3 Система АВР 117
10.4 Основные защиты НКУ-0,4 кВ и их принцип действия 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 122
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 124
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Водно-энергетические расчеты 126
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Основное и вспомогательное оборудование 137
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Технико-экономическое обоснование 138
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Общие сведения 10
1.1 Природные условия 10
1.1.1 Климат района 10
1.1.2 Гидрологические данные 10
1.1.3 Сейсмологические условия 13
1.2 Энергоэкономическая характеристика региона 13
1.3 Аналог проектируемого гидроузла 14
2 Водно-энергетические расчеты 15
2.1 Регулирование стока воды 15
2.1.1 Исходные данные 15
2.1.2 Построение эмпирических кривых обеспеченности 15
2.1.3 Выбор расчетных гидрографов 17
2.1.4 Определение типа регулирования 19
2.2 Определение установленной мощности на основе водно -энергетических
расчетов 20
2.2.1 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственного комплекса 20
2.3 Определение установленной мощности 21
2.3.1 Водно-энергетические расчеты 21
2.3.2 Определение установленной мощности ГЭС 24
2.3.3 Определение среднемноголетней выработки 24
2.4 Баланс мощности 24
2.5 Баланс энергии 26
3 Основное и вспомогательное оборудование 27
3.1 Выбор числа и типа гидроагрегатов 27
3.1.1 Построение режимного поля 27
3.1.2 Выбор гидротурбин по главным универсальным универсальным
характеристикам 29
3.1.3 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 32
3.2 Выбор основного и вспомогательного оборудования 35
3.2.1 Выбор типа серийного гидрогенератора 35
3.2.2 Расчет на прочность вала гидроагрегата и подшипника гидротурбины .... 36
3.2.3 Выбор типа маслонапорной установки 37
3.2.4 Выбор электрогидравлического регулятора 37
3.3 Гидромеханический расчет и построение плана спиральной камеры 37
4 Электрическая часть 41
4.1 Исходные данные 41
4.2 Выбор структурной схемы электрических соединений ГЭС 41
4.3 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 41
4.3.1 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с одиночным блоком . 41
4.3.2 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с комбинированными
блоками 43
4.3.3 Выбор трансформаторов собственных нужд 45
4.4 Выбор количества отходящих воздушных линии распределительного
устройства высшего напряжения и марки проводов воздушных линии 45
4.5 Выбор главной схемы ГЭС на основании технико-экономического
расчета 47
4.6 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 48
4.7 Расчет токов трехфазного и однофазного короткого замыкания в главной
схеме с помощью программного комплекса «RastrWin» 49
4.7.1 Расчет исходных данных 49
4.7.2 Внесение исходных данных в программный комплекс и расчетов токов
короткого замыкания на сборных шинах и на генераторном напряжении в программном комплексе «RastrWin» 50
4.8 Определение расчетных токов рабочего и утяжеленного режима 52
4.9 Выбор и проверка электрооборудования 52
4.9.1 Выбор генераторных выключателей и разъединителей 52
4.9.2 Выбор трансформаторов тока и напряжения 53
4.9.3 Выбор генераторного анализатора и синхронизатора 53
4.9.4 Выбор электрооборудования на напряжение класса 220 кВ 54
4.10 Выбор вспомогательного электрооборудования 54
5 Релейная защита и автоматика 55
5.1 Технические данные защищаемого оборудования 55
5.2 Перечень защит основного оборудования 55
5.3 Расчет номинальных токов 57
5.4 Описание защит и выбор уставок 57
5.4.1 Продольная дифференциальная защита генератора 57
5.4.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (UN(UO)) 60
5.4.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 62
5.4.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 62
5.4.5 Защита от симметричных перегрузок (I1) 65
5.4.6 Дистанционная защита генератора (ZI <), (Z2 <) 67
5.5 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 71
5.6 Таблица уставок и матрица отключений защит 72
6 Компановка и сооружения гидроузла 74
6.1 Определение класса сооружений 74
6.2 Проектирование сооружений напорного фронта 74
6.2.1 Определение отметки гребня плотины 74
6.2.2 Определение ширины водосливного фронта 76
6.2.3 Определение отметки гребня водослива 78
6.2.4 Пропуск расчетного расхода при поверочном расчетном случае 79
6.2.5 Построение профиля водосливной грани 80
6.2.6 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 81
6.2.7 Расчет энергогасящего сооружения 82
6.2.8 Расчет водобоя 84
6.3 Конструирование плотины 85
6.3.1 Определение ширины подошвы плотины 85
6.3.2 Разрезка бетонных плотин швами 87
6.3.3 Устои 87
6.3.4 Галереи в теле бетонной плотины 87
6.3.5 Элементы подземного контура плотины 88
6.4 Конструктивные элементы нижнего бьефа 88
6.5 Определение основных нагрузок на плотину 89
6.5.1 Вес сооружения и затворов 89
6.5.2 Сила гидростатического давления воды 90
6.5.3 Расчет волнового давления 90
6.5.4 Фильтрационное и взвешивающее давление 91
6.6 Оценка прочности плотины 91
6.6.1 Определение напряжений 91
6.6.2 Критерий прочности плотины 94
6.6.3 Расчет устойчивости плотины 95
7 Охрана труда. Пожарная безопасность 96
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 96
7.2 Пожарная безопасность 96
7.3 Охрана труда 98
8 Охрана окружающей среды 100
8.1 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 100
8.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в зоне влияния
ГЭС 100
8.3 Охрана атмосферного воздуха 101
8.4 Отходы, образующиеся при строительстве 102
8.5 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 102
8.6 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 103
9 Технико-экономические показатели 104
9.1 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации 104
9.1.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 104
9.1.2 Текущие расходы на производство электроэнергии 104
9.1.3 Налоговые расходы в первые годы эксплуатации 106
9.2 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности 107
9.3 Оценка инвестиционного проекта 108
9.3.1 Методология и исходные данные 108
9.3.2 Коммерческая эффективность 109
9.3.3 Бюджетная эффективность 109
9.4 Анализ чувствительности 110
10 Современные НКУ-0,4 кВ. Состав, назначение. Принцип действия защит 112
10.1 Современные НКУ 112
10.2 Назначение НКУ и его состав 113
10.2.1 Назначение НКУ 113
10.2.2 Конструкция шкафов НКУ 113
10.2.3 Состав НКУ 114
10.3 Система АВР 117
10.4 Основные защиты НКУ-0,4 кВ и их принцип действия 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 122
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 124
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Водно-энергетические расчеты 126
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Основное и вспомогательное оборудование 137
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Технико-экономическое обоснование 138
Потребление электроэнергии является обязательным условием существования человечества. В настоящее время количество потребителей электрической энергии стремительно растет за счет развития технологий, поэтому необходимо наращивать генерирующие мощности. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях различного типа.
Гидроэлектростанции занимают фундаментальное место в современных энергосистемах, выполняя основную роль регулирования их параметров в нестабильных режимах, а также покрывая пиковые части графиков нагрузки.
Республика Тыва так же, как и другие регионы Российской Федерации на сегодняшний день интенсивно развивается. Энергосистема республики становится остродефицитной. Собственное производство электроэнергии в регионе составляет 10% от общего потребления. Потребление электроэнергии в республике в течение дня активно меняется, поскольку основным потребителем электроэнергии является население, поэтому данной системе крайне необходим мощный и маневренный источник электроэнергии.
Этот регион также имеет уникальную речную систему, но их гидроэнергетический потенциал еще не использовался.
Все это способствует созданию на территории республики современной мощной гидроэлектростанции, которая решит практически все проблемы электроэнергетики этого региона. Также стоит отметить экологическую составляющую вопроса. Несмотря на создание водохранилищ, которые сопровождаются затоплением территорий, гидроэлектростанции являются одним из самых экологически чистых источников энергии.
В данном проекте рассмотрен проект Хемчинской ГЭС на реке Хемчик. В состав проекта входит: определение установленной мощности, выбор основного и вспомогательного оборудования, расчет гидротехнических сооружений, расчет защит гидрогенератора, экономическое обоснование строительства Хемчинской ГЭС.
Гидроэлектростанции занимают фундаментальное место в современных энергосистемах, выполняя основную роль регулирования их параметров в нестабильных режимах, а также покрывая пиковые части графиков нагрузки.
Республика Тыва так же, как и другие регионы Российской Федерации на сегодняшний день интенсивно развивается. Энергосистема республики становится остродефицитной. Собственное производство электроэнергии в регионе составляет 10% от общего потребления. Потребление электроэнергии в республике в течение дня активно меняется, поскольку основным потребителем электроэнергии является население, поэтому данной системе крайне необходим мощный и маневренный источник электроэнергии.
Этот регион также имеет уникальную речную систему, но их гидроэнергетический потенциал еще не использовался.
Все это способствует созданию на территории республики современной мощной гидроэлектростанции, которая решит практически все проблемы электроэнергетики этого региона. Также стоит отметить экологическую составляющую вопроса. Несмотря на создание водохранилищ, которые сопровождаются затоплением территорий, гидроэлектростанции являются одним из самых экологически чистых источников энергии.
В данном проекте рассмотрен проект Хемчинской ГЭС на реке Хемчик. В состав проекта входит: определение установленной мощности, выбор основного и вспомогательного оборудования, расчет гидротехнических сооружений, расчет защит гидрогенератора, экономическое обоснование строительства Хемчинской ГЭС.
В данной работе были рассчитаны и определены основные параметры и элементы Хемчинского гидроузла на реке Хемчик, являющимся сооружением III класса.
В ходе водно-энергетических расчетов была определена установленная мощность, равная 147 МВт и среднемноголетняя выработка 0,7 млрд. кВт •ч.
Следующим этапом работы был выбор основного и вспомогательного оборудования, в ходе которого было определено число и тип гидроагрегатов электростанции. Для этого была построена область допустимых режимов работы ГЭС (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
- максимальный - 27,83 м;
- расчетный - 24,83 м;
- минимальный - 23,99;
При выборе турбин рассматривалось два варианта: ПЛ30а-В и ПЛ30б-В. В результате расчетов был выбран оптимальный вариант с тремя гидротурбинами ПЛ30а-В-560. По справочным данным для данной турбины с синхронной частотой вращения 115,4 об/мин подобран серийный гидрогенератор СВ - 840/150-52 с номинальной активной мощность 50 МВт.
Затем была выбрана структурная схема ГЭС с одиночными блоками и принята схема распределительного устройства на 5 присоединений (3 одиночных блока, 2 отходящие воздушные линии) с двумя рабочими системами шин. По справочным данным и каталогам было выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ 80000/220-У1, трансформаторы собственных нужд ТСЗ-400/10/0,4, для ВЛЭП - сталеалюминевые провода марки АС-240/32.
Далее был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
Компоновка гидроузла была принята русловой с водосбросами совмещенного типа. В состав сооружения входят:
- левобережная грунтовая плотина;
- водосливная бетонная плотина;
- здание ГЭС;
- правобережная глухая бетонная плотина.
Расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- ширина подошвы водосливной плотины - 22,8 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 523 м;
- число водопропускных отверстий - 6;
- ширина водопропускных отверстий - 18 м;
- отметка гребня плотины - 557,6 м;
- ширина гребня - 20 м.
Для гашения кинетической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применяется водобойный колодец. Бетонная плотина разделяется по длине постоянными температурными швами на отдельные секции, для обеспечения монолитности бетона секций плотины при температурной деформации в различных частях тела плотины и при неравномерных осадках основания.
Также в этом разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основных нагрузках. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,62 для основных нагрузок (нормативное значение для сооружений III класса - 1,15). Таким образом, плотина Хемчинского гидроузла соответствует всем требованиям надежности и другим требованиям предусмотренными СНиП.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия по охране окружающей среды, охране труда и пожарной безопасности.
По технико-экономическим расчетам были получены следующие показатели:
- срок окупаемости - 135 месяцев;
- себестоимость электроэнергии - 1,23 руб/кВтш;
- удельные капиталовложения - 73129 руб/кВт.
Таким образом строительство Хемчинского гидроузла в настоящее время является актуальным и выгодным с точки зрения технико -экономических показателей.
В ходе водно-энергетических расчетов была определена установленная мощность, равная 147 МВт и среднемноголетняя выработка 0,7 млрд. кВт •ч.
Следующим этапом работы был выбор основного и вспомогательного оборудования, в ходе которого было определено число и тип гидроагрегатов электростанции. Для этого была построена область допустимых режимов работы ГЭС (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
- максимальный - 27,83 м;
- расчетный - 24,83 м;
- минимальный - 23,99;
При выборе турбин рассматривалось два варианта: ПЛ30а-В и ПЛ30б-В. В результате расчетов был выбран оптимальный вариант с тремя гидротурбинами ПЛ30а-В-560. По справочным данным для данной турбины с синхронной частотой вращения 115,4 об/мин подобран серийный гидрогенератор СВ - 840/150-52 с номинальной активной мощность 50 МВт.
Затем была выбрана структурная схема ГЭС с одиночными блоками и принята схема распределительного устройства на 5 присоединений (3 одиночных блока, 2 отходящие воздушные линии) с двумя рабочими системами шин. По справочным данным и каталогам было выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ 80000/220-У1, трансформаторы собственных нужд ТСЗ-400/10/0,4, для ВЛЭП - сталеалюминевые провода марки АС-240/32.
Далее был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
Компоновка гидроузла была принята русловой с водосбросами совмещенного типа. В состав сооружения входят:
- левобережная грунтовая плотина;
- водосливная бетонная плотина;
- здание ГЭС;
- правобережная глухая бетонная плотина.
Расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- ширина подошвы водосливной плотины - 22,8 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 523 м;
- число водопропускных отверстий - 6;
- ширина водопропускных отверстий - 18 м;
- отметка гребня плотины - 557,6 м;
- ширина гребня - 20 м.
Для гашения кинетической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применяется водобойный колодец. Бетонная плотина разделяется по длине постоянными температурными швами на отдельные секции, для обеспечения монолитности бетона секций плотины при температурной деформации в различных частях тела плотины и при неравномерных осадках основания.
Также в этом разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основных нагрузках. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,62 для основных нагрузок (нормативное значение для сооружений III класса - 1,15). Таким образом, плотина Хемчинского гидроузла соответствует всем требованиям надежности и другим требованиям предусмотренными СНиП.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия по охране окружающей среды, охране труда и пожарной безопасности.
По технико-экономическим расчетам были получены следующие показатели:
- срок окупаемости - 135 месяцев;
- себестоимость электроэнергии - 1,23 руб/кВтш;
- удельные капиталовложения - 73129 руб/кВт.
Таким образом строительство Хемчинского гидроузла в настоящее время является актуальным и выгодным с точки зрения технико -экономических показателей.
