ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕРЕКСКОЙ ГЭС-2 НА РЕКЕ ТЕРЕК. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
|
СОКРАЩЕННЫЙ ПАСПОРТ ТЕРЕКСКОЙ ГЭС-2 8
ВВЕДЕНИЕ 10
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий функционирования ГЭС 11
1.1 Климат в районе проектируемой ГЭС 11
1.2 Гидрологические данные 11
1.3 Инженерно-геологические условия 12
1.4 Сейсмические условия 13
1.5 Данные об энергосистеме 13
1.6 Кривые связей 13
1.6.1 Кривые связей расхода от уровня воды 13
1.6.2 Кривые связей расхода от уровня воды 14
2 Водно-энергетические расчеты 16
2.1 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года при заданной обеспеченности стока 16
2.2 Построение суточных графиков нагрузки с интегральной кривой нагрузки энергосистемы 18
2.3 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных нагрузок энергосистемы 20
2.4 Водно-энергетические расчёты режима работы ГЭС 22
2.5 Определение рабочей мощности ГЭС и планирование капитальных ремонтов 23
2.6 Определение среднемноголетней выработки 25
3 Основное и вспомогательное оборудование 27
3.1 Построение режимного поля 27
3.2 Выбор системы и количества гидроагрегатов 28
3.3 Выбор отметки расположения рабочего колеса гидротурбины 31
3.4 Выбор типа серийного гидрогенератора 33
3.5 Расчет вала на прочность 34
3.6 Выбор маслонапорной установки и электрогидравлического регулятора ... 34
3.7 Выбор кранов 35
4 Компоновка и сооружения гидроузла 36
4.1 Выбор класса гидротехнического сооружения 36
4.2 Состав и компоновка гидротехнических сооружений гидроузла 36
4.3 Определение отметки гребня бетонной плотины 37
4.4 Гидравлические расчеты 40
4.4.1 Определение ширины водосливного фронта 40
4.4.2 Определение отметки гребня водослива 41
4.4.3 Проверка на пропуск расчетного расхода при поверочном расчетном случае 43
4.4.4 Построение профиля водосливной плотины 43
4.4.5 Расчет сопряжений потока в нижнем бьефе 45
4.4.6 Расчет водобойного колодца 46
4.5 Конструирование плотины 48
4.5.1 Определение ширины и отметки подошвы плотины 48
4.5.2 Определение ширины гребня плотины 48
4.5.3 Разрезка плотины швами 48
4.5.4 Быки 49
4.5.5 Дренаж тела бетонной плотины 49
4.5.6 Галереи в теле плотины 50
4.5.8 Цементационная завеса 50
4.5.9 Дренажные устройства в основании 51
4.6 Конструирование устройств нижнего бьефа 51
4.6.1 Водобойная плита 51
4.6.2 Рисберма 52
4.7 Определение основных нагрузок на плотину 52
4.7.1 Вес сооружения и затворов 52
4.7.2 Сила гидростатического давления воды 53
4.7.3 Сила взвешивающего и фильтрационного давления 54
4.7.4 Давление грунта 55
4.7.5 Волновое давление 56
4.8 Оценка прочности плотины 56
4.9 Критерии прочности плотины 60
4.10 Обоснование устойчивости плотины 62
5 Технология строительства 64
5.1 Организация строительства 64
5.2 Первый этап 64
5.2.1 Расчет пропуска расходов I очереди через стесненное русло 65
5.2.2 Пропуск строительных расходов II очереди через донные отверстия в водосбросе 66
5.2.3 Конструкция перемычек 67
5.2.4 Технология возведения перемычек 68
5.3 Осушение котлована I очереди 69
5.3.1 Первоочередная откачка воды 69
5.3.2 Водопонижение 70
5.4 Цикл земельно-скальных работ в котловане I очереди 70
5.4.1 Буровзрывные работы 71
5.4.2 Производство земляных работ 72
5.5 Производство бетонных работ 74
5.5.1 Определение объемов бетонных работ 74
5.5.2 Приготовление бетонной смеси 75
5.5.3 Горизонтальный транспорт бетонной смеси 75
5.5.4 Вертикальный транспорт бетонной смеси 76
5.5.6 Опалубочные работы 76
5.5.7 Арматурные работы 77
5.5.8 Вибрирование бетона 77
5.6 Второй этап: перекрытие русла 78
5.7 Третий этап 78
5.8 Четвертый этап 79
5.9 Пятый этап 79
5.10 Определение технологии и времени проходки деривационного туннеля .. 79
6 Мероприятия по охране окружающей среды в зоне влияния Терекской ГЭС -2. Охрана труда и противопожарная безопасность 82
6.1 Общие сведения о районе строительства 82
6.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период строительства 83
6.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 84
6.4 Отходы, образующиеся при строительстве 86
6.4.1 Лом бетонных изделий, отходы бетона в кусковой форме 86
6.4.2 Лом и отходы, содержащие незагрязненные черные металлы в виде изделий, кусков, несортированные 87
6.5 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период эксплуатации 87
6.6 Охрана труда 88
6.7 Пожарная безопасность 90
7 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации 92
7.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 92
7.2 Текущие расходы по гидроузлу 92
7.3 Налоговые расходы 94
7.4 Оценка суммы прибыли 95
7.5 Оценка инвестиционного проекта 95
7.5.1 Коммерческая эффективность 95
7.5.2 Бюджетная эффективность 96
7.6 Анализ чувствительности 96
8 Гидравлический расчет конструкционных элементов деривационной ГЭС ... 99
8.1 Выбор типа и гидравлический расчет водоприемника 99
8.1.1 Выбор типа водоприемника водопроводящего тракта 99
8.1.2 Определение основных параметров водоприемника 99
8.1.3 Определение потерь напора в водоприемнике 101
8.2 Выбор типа и гидравлический расчет деривационного водовода 103
8.2.1 Выбор типа деривационного водовода 103
8.2.2 Определение диаметра туннеля 103
8.2.3 Гидравлический расчет стального напорного трубопровода 107
8.3 Гидравлический расчет турбинных водоводов 109
8.3.1 Общие сведения о турбинных водоводах 109
8.3.2 Определение диаметра турбинного водовода 109
8.3.3 Определение местных потерь на развилке напорного трубопровода 113
8.4 Устройство и гидравлический расчет уравнительного резервуара 114
8.4.1 Обоснование необходимости устройства уравнительного резервуара .... 114
8.4.2 Выбор типа уравнительного резервуара 114
8.4.3 Гидравлический расчет уравнительного резервуара 115
8.5 Построение напорной и пьезометрической линии 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 121
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Водно-энергетические расчеты 124
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Основное и вспомогательное оборудование 133
ВВЕДЕНИЕ 10
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий функционирования ГЭС 11
1.1 Климат в районе проектируемой ГЭС 11
1.2 Гидрологические данные 11
1.3 Инженерно-геологические условия 12
1.4 Сейсмические условия 13
1.5 Данные об энергосистеме 13
1.6 Кривые связей 13
1.6.1 Кривые связей расхода от уровня воды 13
1.6.2 Кривые связей расхода от уровня воды 14
2 Водно-энергетические расчеты 16
2.1 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года при заданной обеспеченности стока 16
2.2 Построение суточных графиков нагрузки с интегральной кривой нагрузки энергосистемы 18
2.3 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных нагрузок энергосистемы 20
2.4 Водно-энергетические расчёты режима работы ГЭС 22
2.5 Определение рабочей мощности ГЭС и планирование капитальных ремонтов 23
2.6 Определение среднемноголетней выработки 25
3 Основное и вспомогательное оборудование 27
3.1 Построение режимного поля 27
3.2 Выбор системы и количества гидроагрегатов 28
3.3 Выбор отметки расположения рабочего колеса гидротурбины 31
3.4 Выбор типа серийного гидрогенератора 33
3.5 Расчет вала на прочность 34
3.6 Выбор маслонапорной установки и электрогидравлического регулятора ... 34
3.7 Выбор кранов 35
4 Компоновка и сооружения гидроузла 36
4.1 Выбор класса гидротехнического сооружения 36
4.2 Состав и компоновка гидротехнических сооружений гидроузла 36
4.3 Определение отметки гребня бетонной плотины 37
4.4 Гидравлические расчеты 40
4.4.1 Определение ширины водосливного фронта 40
4.4.2 Определение отметки гребня водослива 41
4.4.3 Проверка на пропуск расчетного расхода при поверочном расчетном случае 43
4.4.4 Построение профиля водосливной плотины 43
4.4.5 Расчет сопряжений потока в нижнем бьефе 45
4.4.6 Расчет водобойного колодца 46
4.5 Конструирование плотины 48
4.5.1 Определение ширины и отметки подошвы плотины 48
4.5.2 Определение ширины гребня плотины 48
4.5.3 Разрезка плотины швами 48
4.5.4 Быки 49
4.5.5 Дренаж тела бетонной плотины 49
4.5.6 Галереи в теле плотины 50
4.5.8 Цементационная завеса 50
4.5.9 Дренажные устройства в основании 51
4.6 Конструирование устройств нижнего бьефа 51
4.6.1 Водобойная плита 51
4.6.2 Рисберма 52
4.7 Определение основных нагрузок на плотину 52
4.7.1 Вес сооружения и затворов 52
4.7.2 Сила гидростатического давления воды 53
4.7.3 Сила взвешивающего и фильтрационного давления 54
4.7.4 Давление грунта 55
4.7.5 Волновое давление 56
4.8 Оценка прочности плотины 56
4.9 Критерии прочности плотины 60
4.10 Обоснование устойчивости плотины 62
5 Технология строительства 64
5.1 Организация строительства 64
5.2 Первый этап 64
5.2.1 Расчет пропуска расходов I очереди через стесненное русло 65
5.2.2 Пропуск строительных расходов II очереди через донные отверстия в водосбросе 66
5.2.3 Конструкция перемычек 67
5.2.4 Технология возведения перемычек 68
5.3 Осушение котлована I очереди 69
5.3.1 Первоочередная откачка воды 69
5.3.2 Водопонижение 70
5.4 Цикл земельно-скальных работ в котловане I очереди 70
5.4.1 Буровзрывные работы 71
5.4.2 Производство земляных работ 72
5.5 Производство бетонных работ 74
5.5.1 Определение объемов бетонных работ 74
5.5.2 Приготовление бетонной смеси 75
5.5.3 Горизонтальный транспорт бетонной смеси 75
5.5.4 Вертикальный транспорт бетонной смеси 76
5.5.6 Опалубочные работы 76
5.5.7 Арматурные работы 77
5.5.8 Вибрирование бетона 77
5.6 Второй этап: перекрытие русла 78
5.7 Третий этап 78
5.8 Четвертый этап 79
5.9 Пятый этап 79
5.10 Определение технологии и времени проходки деривационного туннеля .. 79
6 Мероприятия по охране окружающей среды в зоне влияния Терекской ГЭС -2. Охрана труда и противопожарная безопасность 82
6.1 Общие сведения о районе строительства 82
6.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период строительства 83
6.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 84
6.4 Отходы, образующиеся при строительстве 86
6.4.1 Лом бетонных изделий, отходы бетона в кусковой форме 86
6.4.2 Лом и отходы, содержащие незагрязненные черные металлы в виде изделий, кусков, несортированные 87
6.5 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период эксплуатации 87
6.6 Охрана труда 88
6.7 Пожарная безопасность 90
7 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации 92
7.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 92
7.2 Текущие расходы по гидроузлу 92
7.3 Налоговые расходы 94
7.4 Оценка суммы прибыли 95
7.5 Оценка инвестиционного проекта 95
7.5.1 Коммерческая эффективность 95
7.5.2 Бюджетная эффективность 96
7.6 Анализ чувствительности 96
8 Гидравлический расчет конструкционных элементов деривационной ГЭС ... 99
8.1 Выбор типа и гидравлический расчет водоприемника 99
8.1.1 Выбор типа водоприемника водопроводящего тракта 99
8.1.2 Определение основных параметров водоприемника 99
8.1.3 Определение потерь напора в водоприемнике 101
8.2 Выбор типа и гидравлический расчет деривационного водовода 103
8.2.1 Выбор типа деривационного водовода 103
8.2.2 Определение диаметра туннеля 103
8.2.3 Гидравлический расчет стального напорного трубопровода 107
8.3 Гидравлический расчет турбинных водоводов 109
8.3.1 Общие сведения о турбинных водоводах 109
8.3.2 Определение диаметра турбинного водовода 109
8.3.3 Определение местных потерь на развилке напорного трубопровода 113
8.4 Устройство и гидравлический расчет уравнительного резервуара 114
8.4.1 Обоснование необходимости устройства уравнительного резервуара .... 114
8.4.2 Выбор типа уравнительного резервуара 114
8.4.3 Гидравлический расчет уравнительного резервуара 115
8.5 Построение напорной и пьезометрической линии 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 121
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Водно-энергетические расчеты 124
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Основное и вспомогательное оборудование 133
Гидроэлектростанции занимают особо важное место в современных энергетических системах, выполняя главную роль по регулированию ее 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.
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 все Единой электроэнергетической системы страны.
Все эти преимущества подталкивают к строительству новых гидроэлектростанций.
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 все Единой электроэнергетической системы страны.
Все эти преимущества подталкивают к строительству новых гидроэлектростанций.
Рассчитаны и определены показатели, выбраны элементы и параметры Терекской ГЭС-2, с плотиной высотой 41,89 м на реке Терек, являющейся сооружением II класса.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчётных расходов для основного обеспеченностью 1% и поверочного 0,1% обеспеченности случаев: Qi% = 296,83 м3 /с., Q0,i% = 327,22 м3/с.
В ходе водно-энергетических расчётов выбрана установленная мощность Терекской ГЭС-2, а также определена зона её работы в суточных графиках нагрузки. Установленная мощность составила 102 МВт. Определён уровень мёртвого объёма, отметка которого составила 1015,3 м. Полезный объём при отметке НПУ составляет 0,00131 км3 . Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 532 млн. 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 - 127,7 м;
расчётный - 121,5 м;
минимальный - 113,5 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчётному напору, составляет 102,2 м3 /с.
Выбрана гидротурбина РО140-В. По результатам расчётов оптимальным оказался вариант с 2 гидроагрегатами, диаметрами рабочих колёс 2,24 м.
Для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 375 об/мин подобран серийный гидрогенератор СВ465-210-16.
Терекская ГЭС-2 спроектирована по плотинно-деривационной схеме.
В состав сооружений входят:
- водосливная бетонная плотина;
- правобережная и левобережная бетонная плотина головного узла деривации;
- береговой глубинный водоприёмник деривационного туннеля;
- деривационный туннель;
- стальной деривационный трубопровод;
- турбинные водоводы.
На данном этапе расчётным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины головного узла деривации:
- ширина подошвы - 27,64 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 990,51 м;
- отметка гребная водослива - 1026 м;
- число пролетов - 2;
- ширина пролетов - 8 м;
- отметка гребня плотины - 1032,4 м.
В качестве гасителей энергии потока выбран водобойный колодец. Отметка пола водобойного колодца составила 994,85 м.
В этом же разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном сочетании нагрузок. При расчёте плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Таким образом, водосливная плотина Терекской ГЭС-2 отвечает требованиям надёжности.
Выбран способ пропуска строительных расходов на начальном этапе. Пропуск расходов осуществляется через стесненное русло. Рассчитаны параметры перемычек, а так же определены объемы бетонных и земельных работ и составлен календарный план, согласно которому, строительство Терекской ГЭС-2 будет длиться около 6 лет.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
Рассчитан срок окупаемости Терекской ГЭС-2, который составил около
10 лет. По технико-экономическим расчётам получены следующие показатели:
- удельные капителовложения - 74734,62 руб./кВт;
- индекс прибыльности - 1,18
- себестоимость производства электроэнергии - 0,19 руб./кВт-ч;
Из этого можно сделать вывод, что строительство Терекской ГЭС-2 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 1% и поверочного 0,1% обеспеченности случаев: Qi% = 296,83 м3 /с., Q0,i% = 327,22 м3/с.
В ходе водно-энергетических расчётов выбрана установленная мощность Терекской ГЭС-2, а также определена зона её работы в суточных графиках нагрузки. Установленная мощность составила 102 МВт. Определён уровень мёртвого объёма, отметка которого составила 1015,3 м. Полезный объём при отметке НПУ составляет 0,00131 км3 . Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 532 млн. 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 - 127,7 м;
расчётный - 121,5 м;
минимальный - 113,5 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчётному напору, составляет 102,2 м3 /с.
Выбрана гидротурбина РО140-В. По результатам расчётов оптимальным оказался вариант с 2 гидроагрегатами, диаметрами рабочих колёс 2,24 м.
Для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 375 об/мин подобран серийный гидрогенератор СВ465-210-16.
Терекская ГЭС-2 спроектирована по плотинно-деривационной схеме.
В состав сооружений входят:
- водосливная бетонная плотина;
- правобережная и левобережная бетонная плотина головного узла деривации;
- береговой глубинный водоприёмник деривационного туннеля;
- деривационный туннель;
- стальной деривационный трубопровод;
- турбинные водоводы.
На данном этапе расчётным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины головного узла деривации:
- ширина подошвы - 27,64 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 990,51 м;
- отметка гребная водослива - 1026 м;
- число пролетов - 2;
- ширина пролетов - 8 м;
- отметка гребня плотины - 1032,4 м.
В качестве гасителей энергии потока выбран водобойный колодец. Отметка пола водобойного колодца составила 994,85 м.
В этом же разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном сочетании нагрузок. При расчёте плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Таким образом, водосливная плотина Терекской ГЭС-2 отвечает требованиям надёжности.
Выбран способ пропуска строительных расходов на начальном этапе. Пропуск расходов осуществляется через стесненное русло. Рассчитаны параметры перемычек, а так же определены объемы бетонных и земельных работ и составлен календарный план, согласно которому, строительство Терекской ГЭС-2 будет длиться около 6 лет.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
Рассчитан срок окупаемости Терекской ГЭС-2, который составил около
10 лет. По технико-экономическим расчётам получены следующие показатели:
- удельные капителовложения - 74734,62 руб./кВт;
- индекс прибыльности - 1,18
- себестоимость производства электроэнергии - 0,19 руб./кВт-ч;
Из этого можно сделать вывод, что строительство Терекской ГЭС-2 является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.
