Проектирование Абазинской ГЭС на реке Абакан. Механические напряжения в сердечнике статора гидрогенератора
|
СОКРАЩЕННЫЙ ПАСПОРТ АБАЗИНСКОЙ ГЭС 7
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Общая часть 10
1.1 Природные условия 10
1.1.1 Климатические данные 10
1.1.2 Гидрологические данные 10
1.1.3 Инженерно-геологические условия 12
1.2 Энерго-экономическая характеристика района 12
2 Водно-энергетические расчеты 14
2.1 Регулирование стока реки 14
2.1.1 Построение эмпирических кривых обеспеченности 14
2.2 Выбор расчетных маловодного и средневодного лет 17
2.2.1 Расчёт конкурирующих режимов работы ГЭС по бытовому стоку и по
требованиям ВХК 18
2.2.2 Водно-энергетический расчет режима ГЭС в маловодном году 21
2.3 Определение рабочих мощностей и построение интегральных кривых
нагрузок 23
2.4 Расчет резервов, планирование капитальных ремонтов оборудования. ... 27
2.5 Водно-энергетический расчет режима работы ГЭС в средневодном году29
3 Основное и вспомогательное оборудование 29
3.1 Выбор системы и количества гидроагрегатов 29
3.2 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 33
3.3 Выбор типа серийного генератора 35
3.4 Расчет вала и подшипников 36
3.5 Гидромеханический расчет бетонной спиральной камеры, и определение
ее геометрических размеров проточной части 38
3.6 Выбор маслонапорной установки 40
3.7 Выбор электрогидравлического регулятора 41
4 Электрическая часть 41
4.1 Выбор главной схемы электрических соединений 41
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 42
4.2.1 Выбор синхронного генератора 42
4.2.2 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с одиночным
блоком 42
4.2.3 Выбор повышающих трансформаторов для схем с укрупнённым
блоком 45
4.3 Распределительное устройство 46
4.3.1 Выбор трансформаторов собственных нужд 46
4.3.2 Выбор количества отходящих воздушных линий, распределительного
устройства и марки проводов воздушной линий 46
4.4 Выбор главной схемы ГЭС на основании технико- экономического
расчета 48
4.5 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 49
4.6 Расчёт токов трехфазного и однофазного коротких замыканий в главной
схеме при помощи программного обеспечения «RastrWin» с выбором оборудования 50
4.6.1 Расчёт исходных данных 50
4.6.2 Расчёт токов короткого замыкания на СШ и генераторном
напряжении в ПК RastrWin 52
4.6.3 Результаты расчёта токов КЗ 54
4.7 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима 54
4.8 Выбор электротехнического оборудования на генераторном напряжении
10,5 кВ 55
4.8.1 Выбор выключателей и разъединителей 55
4.8.2 Выбор синхронизаторов и анализаторов 57
4.8.3 Выбор трансформатора тока 58
4.8.4 Выбор трансформатора напряжения 59
4.9 Выбор параметров КРУЭ 60
5 Устройства релейной защиты и автоматизации энергетических систем 60
5.1 Технические данные защищаемого оборудования 60
5.1.1 Перечень защит основного оборудования 61
5.2 Расчет номинальных токов 63
5.2.1 Выбор системы возбуждения и выпрямительного трансформатора .. 64
5.3 Защита трансформатора возбуждения 65
5.3.1 Максимальная токовая защита выпрямительного трансформатора ... 66
5.3.2 Токовая отсечка (ТО) выпрямительного трансформатора 67
5.4 Защита гидрогенератора 68
5.4.1 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (UN
(UO)) 68
5.4.2 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 70
5.4.3 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 70
5.4.4 Защита от несимметричных КЗ и перегрузок (I2) 73
5.4.5 Защита от симметричных перегрузок обмотки статора (II) 76
5.4.6 Дистанционная защита генератора Z1 <,Z2 < 78
5.4.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 81
5.5 Выбор комплекса защит блока генератор - трансформатор 83
6 Компоновка и сооружения гидроузла 84
6.1 Состав сооружений гидроузла 84
6.2 Определение отметки гребня грунтовой плотины 84
6.2.1 Расчет параметров волнового воздействия при 1% обеспеченности . 84
6.3 Гидравлические расчеты 86
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 86
6.3.2 Определение отметки гребня водослива и гребня быка 87
6.4 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 90
6.4.1 Гашение энергии способом свободно отброшенной струи 92
6.5 Конструирование плотины 94
6.5.1 Определение ширины подошвы плотины 94
6.6 Разрезка бетонных плотин швами 94
6.7 Быки 95
6.8 Устои 95
6.9 Дренаж в теле бетонных плотин 95
6.10 Галереи в теле плотины 95
6.11 Конструирование отдельных элементов подземного контура плотины . 96
6.11.1 Противофильтрационная завеса 96
6.11.2 Дренажные устройства в основании 96
6.12 Определение основных нагрузок на плотину 96
6.12.1 Вес плотины 96
6.12.2 Расчёт гидростатического давления воды 97
6.12.3 Равнодействующая взвешивающего давления 98
6.12.4 Сила фильтрационного давления 98
6.12.5 Давление грунта 99
6.12.6 Расчёт волнового давления 99
6.13 Оценка прочности плотины 100
6.13.1 Критерии прочности плотины 102
6.13.2 Расчёт устойчивости плотины 103
7 Мероприятия по охране окружающей среды 104
7.1 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 104
7.2 Мероприятия по подготовке зоны водохранилища, влияющие на
состояние водных ресурсов 106
7.3 Отходы, образующиеся при строительстве 108
7.4 Охрана окружающей среды в период эксплуатации 109
8 Мероприятия по пожарной безопасности. Охрана труда 111
8.1 Безопасность гидротехнических сооружений 111
8.2 Охрана труда и техника безопасности 111
8.3 Пожарная безопасность 113
8.3.1 Общие требования 113
8.3.2 Пожарная безопасность силовых трансформаторов и масляных
реакторов 115
9 Технико-экономические показатели 117
9.1 Производство электроэнергии и расходы в период эксплуатации 117
9.1.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 117
9.1.2 Текущие расходы по гидроузлу 117
9.1.3 Налоговые расходы 120
9.2 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности .... 120
9.3 Анализ денежных потоков 121
9.4 Оценка инвестиционного проекта 122
9.4.1 Методология, исходные данные 122
9.4.2 Коммерческая эффективность проекта 122
9.4.3 Бюджетная эффективность проекта 123
9.5 Анализ чувствительности проекта 123
10 Механические напряжения в сердечнике статора гидрогенератора 125
10.1 Причины возникновения повреждений сердечника статора 125
10.2 Распространенные дефекты 126
10.3 Осмотр стальных конструкций статора 127
10.4 Вибрационный контроль стальных конструкций статора 129
10.4.1 Режим работы гидрогенератора при испытаниях, установка
датчиков, места измерения 129
10.4.2 Оценка вибрационного состояния 130
10.5 Тепловые испытания активной стали гидрогенератора СВ 780/190-32 131
10.5.1 Краткая характеристика генератора 131
10.5.2 Проведение испытаний 132
10.6 Проблема внецентренного сжатия сердечника 135
10.7 Механический расчет сердечника гидрогенератора Абазинской ГЭС . 136
10.7.1 Исходные данные для расчета 136
10.7.2 Расчет нажимных плит, пальцев и шпонок 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 140
ПРИЛОЖЕНИЕ А 143
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 145
ПРИЛОЖЕНИЕ В 151
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 153
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 155
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Общая часть 10
1.1 Природные условия 10
1.1.1 Климатические данные 10
1.1.2 Гидрологические данные 10
1.1.3 Инженерно-геологические условия 12
1.2 Энерго-экономическая характеристика района 12
2 Водно-энергетические расчеты 14
2.1 Регулирование стока реки 14
2.1.1 Построение эмпирических кривых обеспеченности 14
2.2 Выбор расчетных маловодного и средневодного лет 17
2.2.1 Расчёт конкурирующих режимов работы ГЭС по бытовому стоку и по
требованиям ВХК 18
2.2.2 Водно-энергетический расчет режима ГЭС в маловодном году 21
2.3 Определение рабочих мощностей и построение интегральных кривых
нагрузок 23
2.4 Расчет резервов, планирование капитальных ремонтов оборудования. ... 27
2.5 Водно-энергетический расчет режима работы ГЭС в средневодном году29
3 Основное и вспомогательное оборудование 29
3.1 Выбор системы и количества гидроагрегатов 29
3.2 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 33
3.3 Выбор типа серийного генератора 35
3.4 Расчет вала и подшипников 36
3.5 Гидромеханический расчет бетонной спиральной камеры, и определение
ее геометрических размеров проточной части 38
3.6 Выбор маслонапорной установки 40
3.7 Выбор электрогидравлического регулятора 41
4 Электрическая часть 41
4.1 Выбор главной схемы электрических соединений 41
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 42
4.2.1 Выбор синхронного генератора 42
4.2.2 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с одиночным
блоком 42
4.2.3 Выбор повышающих трансформаторов для схем с укрупнённым
блоком 45
4.3 Распределительное устройство 46
4.3.1 Выбор трансформаторов собственных нужд 46
4.3.2 Выбор количества отходящих воздушных линий, распределительного
устройства и марки проводов воздушной линий 46
4.4 Выбор главной схемы ГЭС на основании технико- экономического
расчета 48
4.5 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 49
4.6 Расчёт токов трехфазного и однофазного коротких замыканий в главной
схеме при помощи программного обеспечения «RastrWin» с выбором оборудования 50
4.6.1 Расчёт исходных данных 50
4.6.2 Расчёт токов короткого замыкания на СШ и генераторном
напряжении в ПК RastrWin 52
4.6.3 Результаты расчёта токов КЗ 54
4.7 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима 54
4.8 Выбор электротехнического оборудования на генераторном напряжении
10,5 кВ 55
4.8.1 Выбор выключателей и разъединителей 55
4.8.2 Выбор синхронизаторов и анализаторов 57
4.8.3 Выбор трансформатора тока 58
4.8.4 Выбор трансформатора напряжения 59
4.9 Выбор параметров КРУЭ 60
5 Устройства релейной защиты и автоматизации энергетических систем 60
5.1 Технические данные защищаемого оборудования 60
5.1.1 Перечень защит основного оборудования 61
5.2 Расчет номинальных токов 63
5.2.1 Выбор системы возбуждения и выпрямительного трансформатора .. 64
5.3 Защита трансформатора возбуждения 65
5.3.1 Максимальная токовая защита выпрямительного трансформатора ... 66
5.3.2 Токовая отсечка (ТО) выпрямительного трансформатора 67
5.4 Защита гидрогенератора 68
5.4.1 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (UN
(UO)) 68
5.4.2 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 70
5.4.3 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 70
5.4.4 Защита от несимметричных КЗ и перегрузок (I2) 73
5.4.5 Защита от симметричных перегрузок обмотки статора (II) 76
5.4.6 Дистанционная защита генератора Z1 <,Z2 < 78
5.4.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 81
5.5 Выбор комплекса защит блока генератор - трансформатор 83
6 Компоновка и сооружения гидроузла 84
6.1 Состав сооружений гидроузла 84
6.2 Определение отметки гребня грунтовой плотины 84
6.2.1 Расчет параметров волнового воздействия при 1% обеспеченности . 84
6.3 Гидравлические расчеты 86
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 86
6.3.2 Определение отметки гребня водослива и гребня быка 87
6.4 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 90
6.4.1 Гашение энергии способом свободно отброшенной струи 92
6.5 Конструирование плотины 94
6.5.1 Определение ширины подошвы плотины 94
6.6 Разрезка бетонных плотин швами 94
6.7 Быки 95
6.8 Устои 95
6.9 Дренаж в теле бетонных плотин 95
6.10 Галереи в теле плотины 95
6.11 Конструирование отдельных элементов подземного контура плотины . 96
6.11.1 Противофильтрационная завеса 96
6.11.2 Дренажные устройства в основании 96
6.12 Определение основных нагрузок на плотину 96
6.12.1 Вес плотины 96
6.12.2 Расчёт гидростатического давления воды 97
6.12.3 Равнодействующая взвешивающего давления 98
6.12.4 Сила фильтрационного давления 98
6.12.5 Давление грунта 99
6.12.6 Расчёт волнового давления 99
6.13 Оценка прочности плотины 100
6.13.1 Критерии прочности плотины 102
6.13.2 Расчёт устойчивости плотины 103
7 Мероприятия по охране окружающей среды 104
7.1 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 104
7.2 Мероприятия по подготовке зоны водохранилища, влияющие на
состояние водных ресурсов 106
7.3 Отходы, образующиеся при строительстве 108
7.4 Охрана окружающей среды в период эксплуатации 109
8 Мероприятия по пожарной безопасности. Охрана труда 111
8.1 Безопасность гидротехнических сооружений 111
8.2 Охрана труда и техника безопасности 111
8.3 Пожарная безопасность 113
8.3.1 Общие требования 113
8.3.2 Пожарная безопасность силовых трансформаторов и масляных
реакторов 115
9 Технико-экономические показатели 117
9.1 Производство электроэнергии и расходы в период эксплуатации 117
9.1.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 117
9.1.2 Текущие расходы по гидроузлу 117
9.1.3 Налоговые расходы 120
9.2 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности .... 120
9.3 Анализ денежных потоков 121
9.4 Оценка инвестиционного проекта 122
9.4.1 Методология, исходные данные 122
9.4.2 Коммерческая эффективность проекта 122
9.4.3 Бюджетная эффективность проекта 123
9.5 Анализ чувствительности проекта 123
10 Механические напряжения в сердечнике статора гидрогенератора 125
10.1 Причины возникновения повреждений сердечника статора 125
10.2 Распространенные дефекты 126
10.3 Осмотр стальных конструкций статора 127
10.4 Вибрационный контроль стальных конструкций статора 129
10.4.1 Режим работы гидрогенератора при испытаниях, установка
датчиков, места измерения 129
10.4.2 Оценка вибрационного состояния 130
10.5 Тепловые испытания активной стали гидрогенератора СВ 780/190-32 131
10.5.1 Краткая характеристика генератора 131
10.5.2 Проведение испытаний 132
10.6 Проблема внецентренного сжатия сердечника 135
10.7 Механический расчет сердечника гидрогенератора Абазинской ГЭС . 136
10.7.1 Исходные данные для расчета 136
10.7.2 Расчет нажимных плит, пальцев и шпонок 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 140
ПРИЛОЖЕНИЕ А 143
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 145
ПРИЛОЖЕНИЕ В 151
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 153
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 155
Электроэнергетика имеет большое значение, как для простого потребителя, так и для крупной промышленности. В настоящее время показатель потребления электрической энергии растет вверх за счет развивающихся технологий, поэтому необходимо строительство новых генерирующих мощностей.
Гидроэлектростанции являются одним из самых эффективных источников энергии, за счет высокого коэффициента полезного действия, а также выполняют основную роль регулирования параметров энергосистемы при неравномерных режимах, покрывают пиковую часть графика нагрузки.
Строительство Абазинской ГЭС позволит:
- Обеспечить потребителей энергосистемы Хакасии электроэнергией;
- Повысить надёжность и качество электроснабжения;
- Обеспечить необходимые пропуски воды для нужд водохозяйственного комплекса;
- Обеспечить значительные поступления налоговых выплат в бюджеты всех уровней.
Целью проекта является проектирование Абазинской ГЭС на реке Абакан, её сооружений и электрической части, выбор основного гидротурбинного, гидромеханического и вспомогательного оборудования, разработка правил охраны труда и окружающей среды, а также технико-экономическое обоснование эффективности проекта. В рамках специального вопроса рассмотрены механические напряжения в сердечниках статора гидрогенератора
Гидроэлектростанции являются одним из самых эффективных источников энергии, за счет высокого коэффициента полезного действия, а также выполняют основную роль регулирования параметров энергосистемы при неравномерных режимах, покрывают пиковую часть графика нагрузки.
Строительство Абазинской ГЭС позволит:
- Обеспечить потребителей энергосистемы Хакасии электроэнергией;
- Повысить надёжность и качество электроснабжения;
- Обеспечить необходимые пропуски воды для нужд водохозяйственного комплекса;
- Обеспечить значительные поступления налоговых выплат в бюджеты всех уровней.
Целью проекта является проектирование Абазинской ГЭС на реке Абакан, её сооружений и электрической части, выбор основного гидротурбинного, гидромеханического и вспомогательного оборудования, разработка правил охраны труда и окружающей среды, а также технико-экономическое обоснование эффективности проекта. В рамках специального вопроса рассмотрены механические напряжения в сердечниках статора гидрогенератора
В проекте рассчитаны и определены основные элементы и параметры Абазинской ГЭС на реке Абакан, являющимся сооружением I класса.
В ходе водно-энергетических расчетов на основе исходных данных по энергосистеме и гидрологии была выбрана установленная мощность Абазинской ГЭС, а также определена зона ее работы в суточных графиках нагрузки для зимы и лета.
Так же 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 Hmax = 49,7 м;
Расчетный Нрасч = 35,8 м;
Минимальный Hmin = 26,8 м.
По результатам расчетов был определен оптимальный вариант с четырьмя гидроагрегатами, диаметром рабочих колес 5,3 м (ПЛ50-В-530).
По справочным данным для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 136,4 об/мин был выбран гидрогенератор CB 794/100-44 с номинальной активной мощностью 60 МВт.
Далее была выбрана структурная схема ГЭС с одиночными блоками и принята схема распределительного устройства КРУЭ 220кВ - «две рабочие системы сборных шин».
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики компании «ЭКРА» в соответствии с ПУЭ.
Компоновка здания ГЭС принята приплотинного типа.
Произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном сочетаниях нагрузок. Плотина Абазинского 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 подсчетам получены следующие показатели:
- срок окупаемости - 13 лет;
- себестоимость - 0,44 руб/кВт-ч;
- удельные капиталовложения - 104767 руб./кВт.
Из этого можно сделать вывод, что строительство Абазинской ГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей
В ходе водно-энергетических расчетов на основе исходных данных по энергосистеме и гидрологии была выбрана установленная мощность Абазинской ГЭС, а также определена зона ее работы в суточных графиках нагрузки для зимы и лета.
Так же 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 Hmax = 49,7 м;
Расчетный Нрасч = 35,8 м;
Минимальный Hmin = 26,8 м.
По результатам расчетов был определен оптимальный вариант с четырьмя гидроагрегатами, диаметром рабочих колес 5,3 м (ПЛ50-В-530).
По справочным данным для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 136,4 об/мин был выбран гидрогенератор CB 794/100-44 с номинальной активной мощностью 60 МВт.
Далее была выбрана структурная схема ГЭС с одиночными блоками и принята схема распределительного устройства КРУЭ 220кВ - «две рабочие системы сборных шин».
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики компании «ЭКРА» в соответствии с ПУЭ.
Компоновка здания ГЭС принята приплотинного типа.
Произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном сочетаниях нагрузок. Плотина Абазинского 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 подсчетам получены следующие показатели:
- срок окупаемости - 13 лет;
- себестоимость - 0,44 руб/кВт-ч;
- удельные капиталовложения - 104767 руб./кВт.
Из этого можно сделать вывод, что строительство Абазинской ГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей