ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОБЕДНОЙ ГЭС НА РЕКЕ КУР. СХЕМЫ СОБСТВЕННЫХ НУЖД, ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ. ЗАЩИТА ОБОРУДОВАНИЯ СОБСТВЕННЫХ НУЖД
|
Технический паспорт Победной ГЭС 7
ВВЕДЕНИЕ 8
1 Общая часть 9
1.1 Природные условия 9
1.1.1 Климат в районе проектируемого гидроузла 9
1.1.2 Гидрологические данные 9
1.1.3 Геологические данные 9
1.1.4 Сейсмология гидроузла 9
1.1.5 Энерго-экономическая характеристика района 10
2 Водно-энергетические расчеты 11
2.1 Исходные данные 11
2.2 Выбор расчетных гидрографов для маловодного и среднего по водности
года при заданной обеспеченности стока 12
2.3 Определение максимального расчетного расхода 15
2.4 Построение интегральных кривых нагрузок энергосистемы и годовых
графиков максимальных и среднемесячных нагрузок энергосистемы 16
2.4.1 Интегральные кривые нагрузки (ИКН) 16
2.4.2 Годовые графики максимальных и среднемесячных нагрузок
энергосистемы 16
2.5 Определение типа регулирования ГЭС 18
2.5.1 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в маловодном
году 18
2.6 Баланс энергии 23
2.7 Определение установленной мощности ГЭС 25
2.8 Определение среднегодовой выработки 25
2.9 Баланс мощности 26
3 Основное и вспомогательное оборудование 28
3.1 Построение режимного поля 28
3.2 Выбор гидротурбин по главным универсальным характеристикам 28
3.3 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины для
обеспечения её бескавитационной работы 33
3.4 Гидромеханический расчёт спиральной камеры 35
3.5 Расчет деталей и узлов гидротурбины 38
3.5.1 Расчет вала на прочность 38
3.5.2 Расчет подшипника 39
3.6 Выбор типа серийного генератора 40
3.7 Выбор вспомогательного оборудования 41
3.7.1 Выбор типа маслонапорной установки 41
4 Электрическая часть 42
4.1 Выбор структурных схем электрических соединений ГЭС 42
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 42
4.2.1 Выбор синхронного генератора 42
4.2.2 Выбор повышающих трансформаторов для схем с одиночным
блоком 43
4.2.3 Выбор повышающих трансформаторов для схем с укрупненным
блоком 45
4.2.4 Выбор трансформатора собственных нужд 46
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий, распределительного
устройства и марки проводов воздушных линий 47
4.4 Выбор главной схемы ГЭС на основании технике-экономического
расчета 48
4.5 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 50
4.6 Расчёт токов трехфазного и однофазного короткого замыкания в главной
схеме с помощью программного обеспечения RastrWin 50
4.6.1 Расчет исходных данных 50
4.6.2 Внесение исходных данных в программный комплекс и расчет токов
короткого замыкания на СШ и генераторном напряжении в программном комплексе «RastrWin» 52
4.6.3 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима ... 53
4.6.4 Выбор электротехнического оборудования на генераторном
напряжении 10,5 кВ 54
4.7 Выбор трансформаторов тока и напряжения 57
4.8 Выбор параметров КРУЭ 57
5 Релейная защита и автоматика 59
5.1 Расчет номинальных токов 59
5.2 Перечень защит основного оборудования 61
5.3 Описание защит и расчет их уставок 63
5.3.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 63
5.3.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора
(UN (UO)) 66
5.3.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 69
5.3.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок
и внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 69
5.3.5 Защита от симметричных перегрузок (I1) 74
5.3.6 Дистанционная защита генератора Zl <, Z2 < 76
5.3.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 79
5.4 Выбор комплекса защит блока генератор - трансформатор 80
5.5 Таблица уставок и матрица отключений 80
6 Компоновка сооружения 81
6.1 Определение отметки гребня бетонной и грунтовой плотины 81
6.1.1 Грунтовая плотина 81
6.1.2 Бетонная плотина 85
6.2 Расчет пропускной способности водосливной плотины 85
6.2.1 Определение расчетных расходов при пропуске воды для основного и поверочного расчетного случая 86
6.2.2 Определение расхода через другие водопропускные сооружения
гидроузла (донные отверстия и глубинные водосбросы) 87
6.2.3 Определение ширины водосливного фронта 88
6.2.4 Определение напора на водосливе 89
6.2.5 Определение отметки гребня водослива 90
6.2.6 Проверка пропуска расчетного расхода при поверочном расчетном
случае 90
6.2.7 Построение профиля водосливной грани 91
6.3. Расчет сопряжения потока в НБ 92
6.3.1 Расчет водобойной плиты 93
6.3.2 Расчет водобойной стенки 93
6.3.3 Проверка сопряжения потоков за водобойной стенкой 94
6.3.4 Расчет водобойного колодца 96
6.4 Конструирование бетонной плотины 98
6.4.1 Определение ширины подошвы плотины 98
6.4.2 Быки 100
6.4.3 Устои 100
6.4.4 Галереи в теле плотины 100
6.5 Определение основных нагрузок на плотину 101
6.5.1 Вес сооружения и затворов 101
6.5.2 Сила гидрастатического давления 101
6.5.3 Равнодействующая взвешивающего давления 102
6.5.4 Сила фильтрационного давления 102
6.5.5 Давление грунта 102
6.5.6 Расчет волнового давления 104
6.6 Оценка прочности плотины 105
6.6.1 Критерии прочности плотины и ее основания 107
6.6.2 Обоснование устойчивости плотины 108
7 Пожарная безопасность. Охрана труда. Охрана окружающей среды 110
7.1 Пожарная безопасность 110
7.2 Охрана труда 113
7.3 Охрана окружающей среды 118
7.3.1 Общие сведения о районе строительства 118
7.3.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 119
7.3.3 Отходы, образующиеся при строительстве 121
7.3.4 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 121
7.3.5 Мероприятия по охране атмосферного воздуха 122
8 Технико-экономические показатели 123
8.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 123
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 124
8.3 Налоговые расходы 126
8.4 Оценка прибыли 126
8.5 Анализ денежных потоков 128
8.6 Оценка инвестиционного проекта 128
8.7 Коммерческая эффективность 129
8.8 Бюджетная эффективность 129
8.9 Анализ чувствительности 130
9 Схемы собственных нужд ГЭС, достоинства и недостатки. Защита оборудования собственных нужд 132
9.1 Собственные нужды гидроэлектростанции 132
9.2 Ответственные потребители 134
9.3 Особенности схем исполнения 135
9.3.1 Схемы собственных нужд переменного тока ГЭС 135
9.3.2 Схемы собственных нужд постоянного тока ГЭС 136
9.4 Требования к оборудованию собственных нужд постоянного тока 137
9.4.1 Аккумуляторные батареи 137
9.4.2 Щиты постоянного тока 138
9.4.3 Освещение 139
9.4.4 Виды ламп 141
9.5 Стабилизация напряжения 142
9.5.1 Типы стабилизаторов напряжения 143
9.6 Достоинства и недостатки электрической схемы Победной ГЭС 144
9.7 Защита оборудования собственных нужд 145
9.7.1 МТЗ с направленной защитой 145
9.7.2 Защита минимального напряжения 149
9.7.3 Логическая защита шин (ЛЗШ) 150
9.7.4 Защита двигателя 151
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 156
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 157
ПРИЛОЖЕНИЕ А Анализ исходных данных 160
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Водно-энергетические расчеты 163
ПРИЛОЖЕНИЕ В Основное и вспомогательное оборудование 188
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Таблица уставок и матрица отключений 198
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Разновидности схем собственных нужд 200
ВВЕДЕНИЕ 8
1 Общая часть 9
1.1 Природные условия 9
1.1.1 Климат в районе проектируемого гидроузла 9
1.1.2 Гидрологические данные 9
1.1.3 Геологические данные 9
1.1.4 Сейсмология гидроузла 9
1.1.5 Энерго-экономическая характеристика района 10
2 Водно-энергетические расчеты 11
2.1 Исходные данные 11
2.2 Выбор расчетных гидрографов для маловодного и среднего по водности
года при заданной обеспеченности стока 12
2.3 Определение максимального расчетного расхода 15
2.4 Построение интегральных кривых нагрузок энергосистемы и годовых
графиков максимальных и среднемесячных нагрузок энергосистемы 16
2.4.1 Интегральные кривые нагрузки (ИКН) 16
2.4.2 Годовые графики максимальных и среднемесячных нагрузок
энергосистемы 16
2.5 Определение типа регулирования ГЭС 18
2.5.1 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в маловодном
году 18
2.6 Баланс энергии 23
2.7 Определение установленной мощности ГЭС 25
2.8 Определение среднегодовой выработки 25
2.9 Баланс мощности 26
3 Основное и вспомогательное оборудование 28
3.1 Построение режимного поля 28
3.2 Выбор гидротурбин по главным универсальным характеристикам 28
3.3 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины для
обеспечения её бескавитационной работы 33
3.4 Гидромеханический расчёт спиральной камеры 35
3.5 Расчет деталей и узлов гидротурбины 38
3.5.1 Расчет вала на прочность 38
3.5.2 Расчет подшипника 39
3.6 Выбор типа серийного генератора 40
3.7 Выбор вспомогательного оборудования 41
3.7.1 Выбор типа маслонапорной установки 41
4 Электрическая часть 42
4.1 Выбор структурных схем электрических соединений ГЭС 42
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 42
4.2.1 Выбор синхронного генератора 42
4.2.2 Выбор повышающих трансформаторов для схем с одиночным
блоком 43
4.2.3 Выбор повышающих трансформаторов для схем с укрупненным
блоком 45
4.2.4 Выбор трансформатора собственных нужд 46
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий, распределительного
устройства и марки проводов воздушных линий 47
4.4 Выбор главной схемы ГЭС на основании технике-экономического
расчета 48
4.5 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 50
4.6 Расчёт токов трехфазного и однофазного короткого замыкания в главной
схеме с помощью программного обеспечения RastrWin 50
4.6.1 Расчет исходных данных 50
4.6.2 Внесение исходных данных в программный комплекс и расчет токов
короткого замыкания на СШ и генераторном напряжении в программном комплексе «RastrWin» 52
4.6.3 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима ... 53
4.6.4 Выбор электротехнического оборудования на генераторном
напряжении 10,5 кВ 54
4.7 Выбор трансформаторов тока и напряжения 57
4.8 Выбор параметров КРУЭ 57
5 Релейная защита и автоматика 59
5.1 Расчет номинальных токов 59
5.2 Перечень защит основного оборудования 61
5.3 Описание защит и расчет их уставок 63
5.3.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 63
5.3.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора
(UN (UO)) 66
5.3.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 69
5.3.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок
и внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 69
5.3.5 Защита от симметричных перегрузок (I1) 74
5.3.6 Дистанционная защита генератора Zl <, Z2 < 76
5.3.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 79
5.4 Выбор комплекса защит блока генератор - трансформатор 80
5.5 Таблица уставок и матрица отключений 80
6 Компоновка сооружения 81
6.1 Определение отметки гребня бетонной и грунтовой плотины 81
6.1.1 Грунтовая плотина 81
6.1.2 Бетонная плотина 85
6.2 Расчет пропускной способности водосливной плотины 85
6.2.1 Определение расчетных расходов при пропуске воды для основного и поверочного расчетного случая 86
6.2.2 Определение расхода через другие водопропускные сооружения
гидроузла (донные отверстия и глубинные водосбросы) 87
6.2.3 Определение ширины водосливного фронта 88
6.2.4 Определение напора на водосливе 89
6.2.5 Определение отметки гребня водослива 90
6.2.6 Проверка пропуска расчетного расхода при поверочном расчетном
случае 90
6.2.7 Построение профиля водосливной грани 91
6.3. Расчет сопряжения потока в НБ 92
6.3.1 Расчет водобойной плиты 93
6.3.2 Расчет водобойной стенки 93
6.3.3 Проверка сопряжения потоков за водобойной стенкой 94
6.3.4 Расчет водобойного колодца 96
6.4 Конструирование бетонной плотины 98
6.4.1 Определение ширины подошвы плотины 98
6.4.2 Быки 100
6.4.3 Устои 100
6.4.4 Галереи в теле плотины 100
6.5 Определение основных нагрузок на плотину 101
6.5.1 Вес сооружения и затворов 101
6.5.2 Сила гидрастатического давления 101
6.5.3 Равнодействующая взвешивающего давления 102
6.5.4 Сила фильтрационного давления 102
6.5.5 Давление грунта 102
6.5.6 Расчет волнового давления 104
6.6 Оценка прочности плотины 105
6.6.1 Критерии прочности плотины и ее основания 107
6.6.2 Обоснование устойчивости плотины 108
7 Пожарная безопасность. Охрана труда. Охрана окружающей среды 110
7.1 Пожарная безопасность 110
7.2 Охрана труда 113
7.3 Охрана окружающей среды 118
7.3.1 Общие сведения о районе строительства 118
7.3.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 119
7.3.3 Отходы, образующиеся при строительстве 121
7.3.4 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 121
7.3.5 Мероприятия по охране атмосферного воздуха 122
8 Технико-экономические показатели 123
8.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 123
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 124
8.3 Налоговые расходы 126
8.4 Оценка прибыли 126
8.5 Анализ денежных потоков 128
8.6 Оценка инвестиционного проекта 128
8.7 Коммерческая эффективность 129
8.8 Бюджетная эффективность 129
8.9 Анализ чувствительности 130
9 Схемы собственных нужд ГЭС, достоинства и недостатки. Защита оборудования собственных нужд 132
9.1 Собственные нужды гидроэлектростанции 132
9.2 Ответственные потребители 134
9.3 Особенности схем исполнения 135
9.3.1 Схемы собственных нужд переменного тока ГЭС 135
9.3.2 Схемы собственных нужд постоянного тока ГЭС 136
9.4 Требования к оборудованию собственных нужд постоянного тока 137
9.4.1 Аккумуляторные батареи 137
9.4.2 Щиты постоянного тока 138
9.4.3 Освещение 139
9.4.4 Виды ламп 141
9.5 Стабилизация напряжения 142
9.5.1 Типы стабилизаторов напряжения 143
9.6 Достоинства и недостатки электрической схемы Победной ГЭС 144
9.7 Защита оборудования собственных нужд 145
9.7.1 МТЗ с направленной защитой 145
9.7.2 Защита минимального напряжения 149
9.7.3 Логическая защита шин (ЛЗШ) 150
9.7.4 Защита двигателя 151
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 156
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 157
ПРИЛОЖЕНИЕ А Анализ исходных данных 160
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Водно-энергетические расчеты 163
ПРИЛОЖЕНИЕ В Основное и вспомогательное оборудование 188
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Таблица уставок и матрица отключений 198
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Разновидности схем собственных нужд 200
Гидроэнергетика предоставляет системные услуги (частоту, мощность) и является ключевым элементом обеспечения системной надежности Единой Энергосистемы страны, располагая более 90 % резерва регулировочной мощности. Из всех существующих типов электростанций именно ГЭС являются наиболее маневренными и способны при необходимости быстро существенно увеличить объемы выработки, покрывая пиковые нагрузки.
У России большой гидроэнергетический потенциал, что подразумевает значительные возможности развития отечественной гидроэнергетики. На территории России сосредоточено около 9 % мировых запасов гидроресурсов. По обеспеченности гидроэнергетическими ресурсами Россия занимает второе место в мире, опережая США, Бразилию, Канаду. В настоящее время общий теоретический гидроэнергопотенциал России определён в 2900 млрд кВт-ч годовой выработки электроэнергии или 170 тыс. кВт-ч на 1 кв. км территории. Однако сейчас освоено лишь 20 % этого потенциала. Одним из препятствий развития гидроэнергетики является удалённость основной части потенциала, сконцентрированной в центральной и восточной Сибири и на Дальнем Востоке, от основных потребителей электроэнергии.
Задача выпускной квалификационной работы изучить основные дисциплины, позволяющие будущему специалисту-гидроэнергетику освоить приёмы ведения режима водохранилищ, проектирование гидроузла в условиях, максимально приближенных к реальным. Целью является обоснование в заданном створе реки параметров проектируемой ГЭС, в частности установленной мощности и среднемноголетней выработки, предназначенной для работы в объединённой энергетической системе с учётом требований водохозяйственного комплекса.
У России большой гидроэнергетический потенциал, что подразумевает значительные возможности развития отечественной гидроэнергетики. На территории России сосредоточено около 9 % мировых запасов гидроресурсов. По обеспеченности гидроэнергетическими ресурсами Россия занимает второе место в мире, опережая США, Бразилию, Канаду. В настоящее время общий теоретический гидроэнергопотенциал России определён в 2900 млрд кВт-ч годовой выработки электроэнергии или 170 тыс. кВт-ч на 1 кв. км территории. Однако сейчас освоено лишь 20 % этого потенциала. Одним из препятствий развития гидроэнергетики является удалённость основной части потенциала, сконцентрированной в центральной и восточной Сибири и на Дальнем Востоке, от основных потребителей электроэнергии.
Задача выпускной квалификационной работы изучить основные дисциплины, позволяющие будущему специалисту-гидроэнергетику освоить приёмы ведения режима водохранилищ, проектирование гидроузла в условиях, максимально приближенных к реальным. Целью является обоснование в заданном створе реки параметров проектируемой ГЭС, в частности установленной мощности и среднемноголетней выработки, предназначенной для работы в объединённой энергетической системе с учётом требований водохозяйственного комплекса.
В данном дипломном проекте запроектирован Победный гидроузел энергетического назначения, расположенный в Хабаровском крае на реке Кур, протяжённостью 434 км с площадью водосбора - 13,7 тыс. км2. При возведении русловой ГЭС решаются народно-хозяйственные задачи:
- развитие рыболовства;
- появление новых рабочих мест;
- зарегулированность стока
Строительство Победного гидроузла не нарушает экологическое равновесия в регионе и позволяют получать дешевую, "экологически чистую" электроэнергию.
Климатические условия существенно изменяются с характером рельефа, близостью к морю и с севера на юг. Так, например, средняя температура января в континентальных районах колеблется от -22 °C- на юге, до -40 °C -на севере; на морском побережье — от -18 °C до -24 °C. Средняя температура июля на юге +20 °C, на севере +15 °C. Максимальная зафиксированная температура воздуха +39 °C, минимальная температура -48°C.
В основании предполагаемого гидроузла залегают горные подзолистые, кислые неоподзоленные, бурые лесные типы почв.
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 = 29,1 м;
- расчетный Нрасч =26,26 м;
- минимальный Hmin = 25,89 м.
Было принято решение, установить гасящее энергию воды в нижнем бьефе устройство - водобойную плиту и две водобойные стенки. Также в проектируемом гидроузле две грунтовые плотины: левобережная длиной 538,8 м по гребню, правобережная длиной 1623 м. Длина створа 2298,3 м. Верховой и низовой откосы имеют заложение 1,5. Сама плотина каменно-земляная из ПГС с ядром из песка и суглинка.
Таким образом, влияние Победного гидроузла на социально - экономические условия Хабаровского края заключается в максимальном использовании гидроэнергетических ресурсов реки Кур, что позволит существенно сократить дефицит электроэнергии.
- развитие рыболовства;
- появление новых рабочих мест;
- зарегулированность стока
Строительство Победного гидроузла не нарушает экологическое равновесия в регионе и позволяют получать дешевую, "экологически чистую" электроэнергию.
Климатические условия существенно изменяются с характером рельефа, близостью к морю и с севера на юг. Так, например, средняя температура января в континентальных районах колеблется от -22 °C- на юге, до -40 °C -на севере; на морском побережье — от -18 °C до -24 °C. Средняя температура июля на юге +20 °C, на севере +15 °C. Максимальная зафиксированная температура воздуха +39 °C, минимальная температура -48°C.
В основании предполагаемого гидроузла залегают горные подзолистые, кислые неоподзоленные, бурые лесные типы почв.
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 = 29,1 м;
- расчетный Нрасч =26,26 м;
- минимальный Hmin = 25,89 м.
Было принято решение, установить гасящее энергию воды в нижнем бьефе устройство - водобойную плиту и две водобойные стенки. Также в проектируемом гидроузле две грунтовые плотины: левобережная длиной 538,8 м по гребню, правобережная длиной 1623 м. Длина створа 2298,3 м. Верховой и низовой откосы имеют заложение 1,5. Сама плотина каменно-земляная из ПГС с ядром из песка и суглинка.
Таким образом, влияние Победного гидроузла на социально - экономические условия Хабаровского края заключается в максимальном использовании гидроэнергетических ресурсов реки Кур, что позволит существенно сократить дефицит электроэнергии.
