ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛЕСОВСКОЙ ГЭС НА РЕКЕ ВОЛГА. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ МАЛЫМИ ГЭС И СОЛНЕЧНЫМИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯМИ
|
СОКРАЩЁННЫЙ ПАСПОРТ ЛЕСОВСКОЙ ГЭС 6
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирования ГЭС 9
1.1 Природные условия 9
1.1.1 Климат 9
1.1.2 Гидрологические данные 9
1.1.3 Инженерно-геологические условия 12
1.1.4 Сейсмические условия 12
1.2 Энерго - экономическая характеристика района 12
1.3 Аналоги проектируемого гидроузла 12
2 Водноэнергетические расчеты 13
2.1 Регулирование стока воды 13
2.1.1 Исходные данные 13
2.1.2 Кривые обеспеченности расходов 13
2.1.3 Выбор расчётного маловодного и средневодного года 14
2.2 Построение суточных графиков нагрузки энергосистемы 16
2.3 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных
нагрузок энергосистемы 17
2.4 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС по маловодному году 18
2.5 Определение установленной мощности ГЭС, баланс мощностей 19
2.6 Водноэнергетические расчёты по условию средневодного года 20
3 Основное и вспомогательное оборудование 21
3.1 Выбор числа и типа агрегатов 21
3.1.1 Построение режимного поля 21
3.1.2 Выбор номинального диаметра и основных характеристик
гидротурбины, определение частоты вращения, рабочей зоны на универсальной характеристике 22
3.2 Гидротурбины и их проточная часть 25
3.2.1 Определение заглубления рабочего колеса гидротурбины 25
3.2.2 Определение геометрических размеров проточной части 26
3.3 Выбор гидрогенератора 29
3.4 Выбор типа и габаритных размеров маслонапорной установки 30
4 Электрическая часть 32
4.1 Выбор главной схемы электрических соединений и схемы СН 32
4.2 Выбор трансформаторов 32
4.2.1 Главные повышающие трансформаторы 32
4.2.2 Выбор трансформаторов собственных нужд 33
4.3 Распределительное устройство 33
4.3.1 Выбор проводов отходящих воздушных линий 33
4.3.2 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 34
4.4 Расчёт токов трехфазного и однофазного короткого замыкания
распределительного устройства высшего напряжения с применением программного комплекса RastrKZ 35
4.4.1 Расчёт исходных данных 35
4.4.2 Внесение исходных данных в программный комплекс
RastrKZ 36
4.5 Выбор электрических аппаратов 36
4.5.1 Определение расчетных токов 37
4.5.2 Выбор электротехнического оборудования на генераторном
напряжении 15,75 кВ 38
4.5.3 Выбор трансформаторов тока и напряжения 38
4.5.4 Выбор выключателей и разъединителей 500 кВ 39
5 Релейная защита и автоматика 41
5.1 Перечень защит основного оборудования 41
5.2 Параметры защищаемого оборудования 42
5.3 Расчет номинальных параметров 43
5.4 Описание защит и расчет их уставок 44
5.4.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 44
5.4.2 Поперечная дифференциальная защита (IA>) 46
5.4.3 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (Un
(Uo)) 46
5.4.4 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 49
5.4.5 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 49
5.4.6 Защита от симметричных перегрузок (/1) 53
5.4.7 Дистанционная защита генератора Z1 <,Z2 < 55
5.4.8 Защита от перегрузки обмотки ротора 58
5.5 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 59
6 Состав и компоновка сооружений 60
6.1 Исходные данные 60
6.2 Состав и компоновка сооружений гидроузла 60
6.3 Проектирование сооружений напорного фронта 60
6.3.1 Определение отметки гребня плотины 61
6.3.2 Гидравлический расчёт бетонной водосливной плотины 63
6.4 Конструирование бетонной плотины 73
6.4.1 Определение ширины подошвы плотины 73
6.4.2 Определение ширины подошвы плотины 73
6.4.3 Дренаж в теле бетонной плотины 74
6.4.4 Дренажные устройства в основании 75
6.4.5 Разрезка бетонной водосливной плотины швами 76
6.4.6 Быки 76
6.4.7 Устои 76
6.4.8 Галереи в теле плотины 77
6.4.9 Рисберма 77
6.5 Определение основных нагрузок на плотину 77
6.5.1 Вес сооружения 78
6.5.2 Сила гидростатического давления воды 78
6.5.3 Взвешивающее и фильтрационное давления 79
6.5.4 Давление наносов 80
6.5.5 Волновое воздействие 82
6.6 Расчёт прочности плотины 82
6.8 Расчёт устойчивости плотины 85
7 Мероприятия по охране окружающей среды Лесовского гидроузла 87
7.1 Охрана природы 87
7.1.1 Общие сведения, охрана окружающей среды 87
7.1.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 87
7.1.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 89
7.1.4 Отходы, образующиеся при строительстве 91
7.1.5 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 91
8 Безопасность гидротехнических сооружений, охрана труда 93
8.1 Пожарная безопасность 95
8.2.1 Объекты водяного пожаротушения на ГЭС 96
8.2.2 Пожарная безопасность в кабельных помещениях 97
9 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период
эксплуатации 99
9.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 99
9.2 Текущие расходы по гидроузлу 99
9.3 Налоговые расходы 103
9.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности ... 103
9.5 Оценка инвестиционного проекта 104
9.5.1 Методология, исходные данные 104
9.5.2 Коммерческая эффективность проекта 105
10 Взаимодействие между малыми ГЭС и солнечными электростанциями .. 106
10.1 Малые ГЭС 106
10.2 Солнечные электростанции 106
10.3 Взаимодействие между ГЭС и солнечными электростанциями 107
10.4 Значение малых сетей энергоснабжения 108
10.5 Вывод 108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 111
ПРИЛОЖЕНИЕ А_ Анализ исходных данных 114
ПРИЛОЖЕНИЕ Б_Основное и вспомогательное оборудование 119
ПРИЛОЖЕНИЕ В_Геологический разрез по створу плотины реки Волга 121
ПРИЛОЖЕНИЕ Г_Таблица уставок и матрица отключений защит 123
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирования ГЭС 9
1.1 Природные условия 9
1.1.1 Климат 9
1.1.2 Гидрологические данные 9
1.1.3 Инженерно-геологические условия 12
1.1.4 Сейсмические условия 12
1.2 Энерго - экономическая характеристика района 12
1.3 Аналоги проектируемого гидроузла 12
2 Водноэнергетические расчеты 13
2.1 Регулирование стока воды 13
2.1.1 Исходные данные 13
2.1.2 Кривые обеспеченности расходов 13
2.1.3 Выбор расчётного маловодного и средневодного года 14
2.2 Построение суточных графиков нагрузки энергосистемы 16
2.3 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных
нагрузок энергосистемы 17
2.4 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС по маловодному году 18
2.5 Определение установленной мощности ГЭС, баланс мощностей 19
2.6 Водноэнергетические расчёты по условию средневодного года 20
3 Основное и вспомогательное оборудование 21
3.1 Выбор числа и типа агрегатов 21
3.1.1 Построение режимного поля 21
3.1.2 Выбор номинального диаметра и основных характеристик
гидротурбины, определение частоты вращения, рабочей зоны на универсальной характеристике 22
3.2 Гидротурбины и их проточная часть 25
3.2.1 Определение заглубления рабочего колеса гидротурбины 25
3.2.2 Определение геометрических размеров проточной части 26
3.3 Выбор гидрогенератора 29
3.4 Выбор типа и габаритных размеров маслонапорной установки 30
4 Электрическая часть 32
4.1 Выбор главной схемы электрических соединений и схемы СН 32
4.2 Выбор трансформаторов 32
4.2.1 Главные повышающие трансформаторы 32
4.2.2 Выбор трансформаторов собственных нужд 33
4.3 Распределительное устройство 33
4.3.1 Выбор проводов отходящих воздушных линий 33
4.3.2 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 34
4.4 Расчёт токов трехфазного и однофазного короткого замыкания
распределительного устройства высшего напряжения с применением программного комплекса RastrKZ 35
4.4.1 Расчёт исходных данных 35
4.4.2 Внесение исходных данных в программный комплекс
RastrKZ 36
4.5 Выбор электрических аппаратов 36
4.5.1 Определение расчетных токов 37
4.5.2 Выбор электротехнического оборудования на генераторном
напряжении 15,75 кВ 38
4.5.3 Выбор трансформаторов тока и напряжения 38
4.5.4 Выбор выключателей и разъединителей 500 кВ 39
5 Релейная защита и автоматика 41
5.1 Перечень защит основного оборудования 41
5.2 Параметры защищаемого оборудования 42
5.3 Расчет номинальных параметров 43
5.4 Описание защит и расчет их уставок 44
5.4.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 44
5.4.2 Поперечная дифференциальная защита (IA>) 46
5.4.3 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (Un
(Uo)) 46
5.4.4 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 49
5.4.5 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 49
5.4.6 Защита от симметричных перегрузок (/1) 53
5.4.7 Дистанционная защита генератора Z1 <,Z2 < 55
5.4.8 Защита от перегрузки обмотки ротора 58
5.5 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 59
6 Состав и компоновка сооружений 60
6.1 Исходные данные 60
6.2 Состав и компоновка сооружений гидроузла 60
6.3 Проектирование сооружений напорного фронта 60
6.3.1 Определение отметки гребня плотины 61
6.3.2 Гидравлический расчёт бетонной водосливной плотины 63
6.4 Конструирование бетонной плотины 73
6.4.1 Определение ширины подошвы плотины 73
6.4.2 Определение ширины подошвы плотины 73
6.4.3 Дренаж в теле бетонной плотины 74
6.4.4 Дренажные устройства в основании 75
6.4.5 Разрезка бетонной водосливной плотины швами 76
6.4.6 Быки 76
6.4.7 Устои 76
6.4.8 Галереи в теле плотины 77
6.4.9 Рисберма 77
6.5 Определение основных нагрузок на плотину 77
6.5.1 Вес сооружения 78
6.5.2 Сила гидростатического давления воды 78
6.5.3 Взвешивающее и фильтрационное давления 79
6.5.4 Давление наносов 80
6.5.5 Волновое воздействие 82
6.6 Расчёт прочности плотины 82
6.8 Расчёт устойчивости плотины 85
7 Мероприятия по охране окружающей среды Лесовского гидроузла 87
7.1 Охрана природы 87
7.1.1 Общие сведения, охрана окружающей среды 87
7.1.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 87
7.1.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 89
7.1.4 Отходы, образующиеся при строительстве 91
7.1.5 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 91
8 Безопасность гидротехнических сооружений, охрана труда 93
8.1 Пожарная безопасность 95
8.2.1 Объекты водяного пожаротушения на ГЭС 96
8.2.2 Пожарная безопасность в кабельных помещениях 97
9 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период
эксплуатации 99
9.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 99
9.2 Текущие расходы по гидроузлу 99
9.3 Налоговые расходы 103
9.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности ... 103
9.5 Оценка инвестиционного проекта 104
9.5.1 Методология, исходные данные 104
9.5.2 Коммерческая эффективность проекта 105
10 Взаимодействие между малыми ГЭС и солнечными электростанциями .. 106
10.1 Малые ГЭС 106
10.2 Солнечные электростанции 106
10.3 Взаимодействие между ГЭС и солнечными электростанциями 107
10.4 Значение малых сетей энергоснабжения 108
10.5 Вывод 108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 111
ПРИЛОЖЕНИЕ А_ Анализ исходных данных 114
ПРИЛОЖЕНИЕ Б_Основное и вспомогательное оборудование 119
ПРИЛОЖЕНИЕ В_Геологический разрез по створу плотины реки Волга 121
ПРИЛОЖЕНИЕ Г_Таблица уставок и матрица отключений защит 123
Гидроэлектростанции занимают особо важное место в современных энергетических системах, выполняя главную роль по регулированию её параметров в нестационарных режимах, а также покрывая наиболее неравномерную часть графиков нагрузки. Кроме того, низкая стоимость товарной продукции ГЭС весьма положительно сказывается на ценообразовании электроэнергии на рынке её сбыта.
Гидростанции - один из самых эффективных источников энергии. Коэффициент полезного действия гидравлических турбин достигает 97%, что существенно выше КПД турбин других типов электростанций.
В себестоимости производства электроэнергии на гидростанциях отсутствует топливная составляющая, что делает энергию более конкурентоспособной в условиях рынка.
Гидростанции являются наиболее маневренными из всех типов электростанций. Гидростанции способны при необходимости увеличивать выработку и выдаваемую мощность в течение нескольких минут, тогда как тепловым станциям для этого требуется несколько часов, а атомным - сутки. Это позволяет ГЭС покрывать пиковые нагрузки и поддерживать частоту тока в энергосистеме.
Гидроэнергетические мощности вносят ощутимый вклад в обеспечение системной надежности и в конечном итоге надежной работы всей Единой электроэнергетической системы страны.
Все эти преимущества подталкивают к строительству новых гидроэлектростанций.
Гидростанции - один из самых эффективных источников энергии. Коэффициент полезного действия гидравлических турбин достигает 97%, что существенно выше КПД турбин других типов электростанций.
В себестоимости производства электроэнергии на гидростанциях отсутствует топливная составляющая, что делает энергию более конкурентоспособной в условиях рынка.
Гидростанции являются наиболее маневренными из всех типов электростанций. Гидростанции способны при необходимости увеличивать выработку и выдаваемую мощность в течение нескольких минут, тогда как тепловым станциям для этого требуется несколько часов, а атомным - сутки. Это позволяет ГЭС покрывать пиковые нагрузки и поддерживать частоту тока в энергосистеме.
Гидроэнергетические мощности вносят ощутимый вклад в обеспечение системной надежности и в конечном итоге надежной работы всей Единой электроэнергетической системы страны.
Все эти преимущества подталкивают к строительству новых гидроэлектростанций.
Рассчитаны и определены показатели, выбраны элементы и параметры Лесовской ГЭС, с плотиной высотой 54,8 м на реке Волга, являющейся сооружением I класса.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчётных расходов для основного обеспеченностью 0,1% и поверочного 0,01% обеспеченности случаев: Qo,i% = 9538 м3/с., Q0,01% - 11055 м3/с.
В ходе водно-энергетических расчётов выбрана установленная мощность Лесовской ГЭС, а также определена зона её работы в суточных графиках нагрузки. Установленная мощность составила 443 МВт. Определён уровень мёртвого объёма, отметка которого составила 107,0 м. Полезный объём при отметке НПУ составляет 6,26 млн.м3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 1,55 млрд. кВт-ч.
На следующем этапе определено оптимальное число и тип гидроагрегатов гидроэлектростанции. Для этого построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
максимальный - 38,0 м;
расчётный - 29,0 м;
минимальный - 22,2 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчётному напору, составляет 1736 м3/с.
Выбрана гидротурбина ПЛ40а-В-900. По результатам расчётов оптимальным оказался вариант с 4 гидроагрегатами, диаметрами рабочих колёс 9,0 м.
Для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 78,9 об/мин подобран серийный гидрогенератор СВ-1260/185-76 с номинальной активной мощностью 150 МВт.
Далее выбрана структурная схема ГЭС с единичными блоками и принята схема распределительного устройства на 5 присоединений (две воздушных линии, три генераторных присоединения) КРУЭ 500 кВ - полуторная цепочка (две системы шин с тремя выключателями на две цепи). По справочным данным и каталогам выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ 250000/500-УХЛ1, трансформаторы собственных нужд TC3-6300/20.
В качестве генераторного выключателя, принят элегазовый выключатель ВГГ-20/10000 У3 производства российской машиностроительной компании ОАО ВО «Электроаппарат».
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
Компоновка гидроузла была принята русловая.
В состав сооружений входят:
- водосбросная бетонная плотина - 240,0 м;
- станционная бетонная плотина - 153,0 м;
- правобережная бетонная плотина - 153,0 м;
- левобережная бетонная плотина - 131,0 м.
На данном этапе расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- отметка подошвы водосливной плотины - 70,6 м;
- число водосливных отверстий - 10;
- ширина водосливных отверстий - 16 м;
- отметка гребня - 125,4 м;
- ширина гребня - 27,0 м.
Также в этом разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном сочетаниях нагрузок. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,34 (нормативное значение для сооружений I класса - 1,25). Таким образом, плотина Лесовского 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 лет;
- себестоимость - 0,45 руб/кВтш;
- удельные капиталовложения - 72418,7 руб./кВт.
Из этого можно сделать вывод, что строительство Лесовской ГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчётных расходов для основного обеспеченностью 0,1% и поверочного 0,01% обеспеченности случаев: Qo,i% = 9538 м3/с., Q0,01% - 11055 м3/с.
В ходе водно-энергетических расчётов выбрана установленная мощность Лесовской ГЭС, а также определена зона её работы в суточных графиках нагрузки. Установленная мощность составила 443 МВт. Определён уровень мёртвого объёма, отметка которого составила 107,0 м. Полезный объём при отметке НПУ составляет 6,26 млн.м3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 1,55 млрд. кВт-ч.
На следующем этапе определено оптимальное число и тип гидроагрегатов гидроэлектростанции. Для этого построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
максимальный - 38,0 м;
расчётный - 29,0 м;
минимальный - 22,2 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчётному напору, составляет 1736 м3/с.
Выбрана гидротурбина ПЛ40а-В-900. По результатам расчётов оптимальным оказался вариант с 4 гидроагрегатами, диаметрами рабочих колёс 9,0 м.
Для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 78,9 об/мин подобран серийный гидрогенератор СВ-1260/185-76 с номинальной активной мощностью 150 МВт.
Далее выбрана структурная схема ГЭС с единичными блоками и принята схема распределительного устройства на 5 присоединений (две воздушных линии, три генераторных присоединения) КРУЭ 500 кВ - полуторная цепочка (две системы шин с тремя выключателями на две цепи). По справочным данным и каталогам выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ 250000/500-УХЛ1, трансформаторы собственных нужд TC3-6300/20.
В качестве генераторного выключателя, принят элегазовый выключатель ВГГ-20/10000 У3 производства российской машиностроительной компании ОАО ВО «Электроаппарат».
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
Компоновка гидроузла была принята русловая.
В состав сооружений входят:
- водосбросная бетонная плотина - 240,0 м;
- станционная бетонная плотина - 153,0 м;
- правобережная бетонная плотина - 153,0 м;
- левобережная бетонная плотина - 131,0 м.
На данном этапе расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- отметка подошвы водосливной плотины - 70,6 м;
- число водосливных отверстий - 10;
- ширина водосливных отверстий - 16 м;
- отметка гребня - 125,4 м;
- ширина гребня - 27,0 м.
Также в этом разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном сочетаниях нагрузок. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,34 (нормативное значение для сооружений I класса - 1,25). Таким образом, плотина Лесовского 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 лет;
- себестоимость - 0,45 руб/кВтш;
- удельные капиталовложения - 72418,7 руб./кВт.
Из этого можно сделать вывод, что строительство Лесовской ГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.
