ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГУСЕЛЬНИЧЕСКОЙ ГЭС НА РЕКЕ ИРТЫШ. СТАНДАРТ МЭК 61850. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ В ЧАСТИ РЗА
|
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирования ГЭС 10
1.1 Климат в районе проектируемого гидроузла 10
1.2 Гидрологические данные проектируемого гидроузла 10
1.3 Инженерно геологические условия 13
1.4 Сейсмические условия 13
1.5 Энергоэкономическая характеристика района 14
1.6 Аналоги проектируемого гидроузла 14
2 Водно-энергетические расчеты 15
2.1 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года при
заданной обеспеченности 15
2.2 Построение суточных графиков нагрузки с интегральной кривой
нагрузки энергосистемы 18
2.3 Построение суточных графиков максимальных и среднемесячных
нагрузок энергосистемы 23
2.4 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственной системы 25
2.5 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в маловодном году .. 27
2.6 Расчет рабочей мощности Гусельнической ГЭС и баланс мощности 29
2.7 График сработки и наполнения водохранилища в малых и средних по
водности условиях 32
3 Основное и вспомогательное оборудование 33
3.1 Выбор числа и типа агрегатов 33
3.1.1 Построение режимного поля 33
3.1.2 Построение режимного поля 34
3.1.3 Построение режимного поля 35
3.2 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 39
3.3 Гидромеханический расчёт спиральной камеры 41
3.4 Расчет деталей и узлов гидротурбины 44
3.4.1 Расчет вала на прочность 44
3.4.2 Расчет подшипника 44
3.5 Выбор типа серийного генератора 45
3.5.1 Основные параметры гидрогенератора 46
3.6 Выбор типа маслонапорной установки 46
3.7 Выбор кранового оборудования 47
3.8 Выбор электрогидравлического регулятора 47
4 Электрическая часть 48
4.1 Выбор структурной схемы ГЭС 48
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 49
4.3 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с укрупненным
блоком 49
4.4 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с укрупненным
блоком 51
4.5 Выбор трансформаторов собственных нужд 52
4.6 Выбор количества отходящих ВЛ РУ высшего напряжения, марки
проводов ВЛ 52
4.7 Выбор главной схемы ГЭС на основании технике-экономического
расчета 53
4.8 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 54
4.9 Расчет токов короткого замыкания для выбора электрических аппаратов, ,55
4.9.1 Расчет исходных данных 55
4.9.2 Внесение исходных данных в программный комплекс и расчет токов
короткого замыкания на СШ и генераторном напряжении в программном комплексе «RastrWin» 56
4.9.3 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима 57
4.9.4 Выбор электротехнического оборудования на генераторном
напряжении 13,8 кВ 58
4.9.4.1 Выбор анализаторов и синхронизаторов 59
4.9.4.2 Выбор трансформаторов тока и напряжения 59
4.10 Выбор параметров ОРУ 60
4.10.1 Выбор выключателей и разъединителей 60
4.10.2 Выбор трансформаторов тока и напряжения 60
5 Устройства РЗиА 62
5.1 Технические данные защищаемого оборудования 62
5.2 Перечень защит блока генератор-трансформатор 63
5.3 Расчёт номинальных токов 64
5.4 Описание защит и расчет их уставок 65
5.4.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора 67
5.4.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 69
5.4.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок
и внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 70
5.4.5 Защита от симметричных перегрузок ( I 1 ) 73
5.4.6 Дистанционная защита генератора Z 1 < , Z2 < 75
5.4.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 78
5.5 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 80
5.6 Таблица уставок и матрица отключений защит 80
6 Компоновка и сооружение гидроузла 83
6.1 Определение класса гидротехнического сооружения 83
6.2 Определение отметки гребня плотины 83
6.2.1 Бетонная плотина 83
6.3 Гидравлические расчеты 85
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 85
6.3.2 Определение отметки гребня водослива 86
6.3.3 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 87
6.3.4 Расчет водобойной стенки 88
6.3.5 Расчет водобоя 89
6.3.6 Построение профиля водосливной грани 90
6.3.7 Проверка ФПУ 91
6.4 Конструирование плотины 93
6.4.1 Определение ширины подошвы плотины 93
6.4.2 Разрезка плотины швами 95
6.4.3 Быки 95
6.4.4 Устои 96
6.4.5 Дренаж тела бетонных плотин 96
6.4.6 Галереи в теле плотины 96
6.4.7 Конструирование отдельных элементов подземного контура
плотины 96
6.4.7.1 Противофильтрационные завесы 97
6.4.7.2 Дренажные устройства в основании 97
6.4.8 Конструктивные элементы нижнего бьефа 98
6.4.8.1 Водобой 98
6.4.8.2 Рисберма 98
6.5 Определение основных нагрузок на плотину 98
6.5.1 Вес сооружения и затворов 98
6.5.2 Сила гидростатического давления воды 99
6.5.3 Равнодействующая взвешивающего давления 100
6.5.4 Сила фильтрационного давления 100
6.5.5 Давление грунта 100
6.5.6 Волновое давление 101
6.5.7 Оценка прочности плотины 102
6.5.8 Критерий прочности плотины 105
6.5.9 Расчёт устойчивости плотины 105
6.6 Пропуск расходов через донный аварийный водосброс 106
7 Охрана труда, пожарная безопасность, техника безопасности, мероприятия
по охране окружающей среды 108
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 108
7.2 Противопожарная безопасность 108
7.3 Охрана труда 109
7.4 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 110
7.5 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 111
7.6 Отходы, образующиеся при строительстве 112
7.6.1 Лом бетонных изделий, отходы бетона в кусковой форме 112
7.6.2 Лом и отходы, содержащие незагрязненные черные металлы 113
7.7 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 113
8 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период
эксплуатации 115
8.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 115
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 115
8.3 Налоговые расходы 118
8.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности 119
8.5 Оценка инвестиционного проекта 121
8.5.2 Коммерческая эффективность 121
8.5.3 Бюджетная эффективность 122
8.6 Анализ чувствительности 123
9 Стандарт МЭК 61850. Область применения в части РЗА 125
9.1 Требования к системе связи 125
9.2 Общий обзор и область применения стандарта МЭК 61850 125
9.3 Метод моделирования 128
9.4 Преобразование в реальные протоколы 129
9.5 Сравнение стандартов МЭК 61850 и МЭК 60870-5-104 130
9.5.1 МЭК 60870-5-104 130
9.5.2 Преимущества МЭК 61850 над МЭК 60870-5-104 131
9.6 Область применения в части РЗА 132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 139
ПРИЛОЖЕНИЕ А-В 143-146
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирования ГЭС 10
1.1 Климат в районе проектируемого гидроузла 10
1.2 Гидрологические данные проектируемого гидроузла 10
1.3 Инженерно геологические условия 13
1.4 Сейсмические условия 13
1.5 Энергоэкономическая характеристика района 14
1.6 Аналоги проектируемого гидроузла 14
2 Водно-энергетические расчеты 15
2.1 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года при
заданной обеспеченности 15
2.2 Построение суточных графиков нагрузки с интегральной кривой
нагрузки энергосистемы 18
2.3 Построение суточных графиков максимальных и среднемесячных
нагрузок энергосистемы 23
2.4 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственной системы 25
2.5 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в маловодном году .. 27
2.6 Расчет рабочей мощности Гусельнической ГЭС и баланс мощности 29
2.7 График сработки и наполнения водохранилища в малых и средних по
водности условиях 32
3 Основное и вспомогательное оборудование 33
3.1 Выбор числа и типа агрегатов 33
3.1.1 Построение режимного поля 33
3.1.2 Построение режимного поля 34
3.1.3 Построение режимного поля 35
3.2 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 39
3.3 Гидромеханический расчёт спиральной камеры 41
3.4 Расчет деталей и узлов гидротурбины 44
3.4.1 Расчет вала на прочность 44
3.4.2 Расчет подшипника 44
3.5 Выбор типа серийного генератора 45
3.5.1 Основные параметры гидрогенератора 46
3.6 Выбор типа маслонапорной установки 46
3.7 Выбор кранового оборудования 47
3.8 Выбор электрогидравлического регулятора 47
4 Электрическая часть 48
4.1 Выбор структурной схемы ГЭС 48
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 49
4.3 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с укрупненным
блоком 49
4.4 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с укрупненным
блоком 51
4.5 Выбор трансформаторов собственных нужд 52
4.6 Выбор количества отходящих ВЛ РУ высшего напряжения, марки
проводов ВЛ 52
4.7 Выбор главной схемы ГЭС на основании технике-экономического
расчета 53
4.8 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 54
4.9 Расчет токов короткого замыкания для выбора электрических аппаратов, ,55
4.9.1 Расчет исходных данных 55
4.9.2 Внесение исходных данных в программный комплекс и расчет токов
короткого замыкания на СШ и генераторном напряжении в программном комплексе «RastrWin» 56
4.9.3 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима 57
4.9.4 Выбор электротехнического оборудования на генераторном
напряжении 13,8 кВ 58
4.9.4.1 Выбор анализаторов и синхронизаторов 59
4.9.4.2 Выбор трансформаторов тока и напряжения 59
4.10 Выбор параметров ОРУ 60
4.10.1 Выбор выключателей и разъединителей 60
4.10.2 Выбор трансформаторов тока и напряжения 60
5 Устройства РЗиА 62
5.1 Технические данные защищаемого оборудования 62
5.2 Перечень защит блока генератор-трансформатор 63
5.3 Расчёт номинальных токов 64
5.4 Описание защит и расчет их уставок 65
5.4.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора 67
5.4.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 69
5.4.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок
и внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 70
5.4.5 Защита от симметричных перегрузок ( I 1 ) 73
5.4.6 Дистанционная защита генератора Z 1 < , Z2 < 75
5.4.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 78
5.5 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 80
5.6 Таблица уставок и матрица отключений защит 80
6 Компоновка и сооружение гидроузла 83
6.1 Определение класса гидротехнического сооружения 83
6.2 Определение отметки гребня плотины 83
6.2.1 Бетонная плотина 83
6.3 Гидравлические расчеты 85
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 85
6.3.2 Определение отметки гребня водослива 86
6.3.3 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 87
6.3.4 Расчет водобойной стенки 88
6.3.5 Расчет водобоя 89
6.3.6 Построение профиля водосливной грани 90
6.3.7 Проверка ФПУ 91
6.4 Конструирование плотины 93
6.4.1 Определение ширины подошвы плотины 93
6.4.2 Разрезка плотины швами 95
6.4.3 Быки 95
6.4.4 Устои 96
6.4.5 Дренаж тела бетонных плотин 96
6.4.6 Галереи в теле плотины 96
6.4.7 Конструирование отдельных элементов подземного контура
плотины 96
6.4.7.1 Противофильтрационные завесы 97
6.4.7.2 Дренажные устройства в основании 97
6.4.8 Конструктивные элементы нижнего бьефа 98
6.4.8.1 Водобой 98
6.4.8.2 Рисберма 98
6.5 Определение основных нагрузок на плотину 98
6.5.1 Вес сооружения и затворов 98
6.5.2 Сила гидростатического давления воды 99
6.5.3 Равнодействующая взвешивающего давления 100
6.5.4 Сила фильтрационного давления 100
6.5.5 Давление грунта 100
6.5.6 Волновое давление 101
6.5.7 Оценка прочности плотины 102
6.5.8 Критерий прочности плотины 105
6.5.9 Расчёт устойчивости плотины 105
6.6 Пропуск расходов через донный аварийный водосброс 106
7 Охрана труда, пожарная безопасность, техника безопасности, мероприятия
по охране окружающей среды 108
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 108
7.2 Противопожарная безопасность 108
7.3 Охрана труда 109
7.4 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 110
7.5 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 111
7.6 Отходы, образующиеся при строительстве 112
7.6.1 Лом бетонных изделий, отходы бетона в кусковой форме 112
7.6.2 Лом и отходы, содержащие незагрязненные черные металлы 113
7.7 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 113
8 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период
эксплуатации 115
8.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 115
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 115
8.3 Налоговые расходы 118
8.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности 119
8.5 Оценка инвестиционного проекта 121
8.5.2 Коммерческая эффективность 121
8.5.3 Бюджетная эффективность 122
8.6 Анализ чувствительности 123
9 Стандарт МЭК 61850. Область применения в части РЗА 125
9.1 Требования к системе связи 125
9.2 Общий обзор и область применения стандарта МЭК 61850 125
9.3 Метод моделирования 128
9.4 Преобразование в реальные протоколы 129
9.5 Сравнение стандартов МЭК 61850 и МЭК 60870-5-104 130
9.5.1 МЭК 60870-5-104 130
9.5.2 Преимущества МЭК 61850 над МЭК 60870-5-104 131
9.6 Область применения в части РЗА 132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 139
ПРИЛОЖЕНИЕ А-В 143-146
Развитие гидроэнергетики способствует развитию инфраструктуры регионов, производя электроэнергию с меньшими издержками, по сравнению с ТЭС и АЭС, также, данная отрасль является экологически безопасной при соблюдении соответствующих норм и правил при возведении, а также эксплуатации плотины. Таким образом, необходимо уделять внимание и развивать гидроэнергетику в настоящее время.
Гидроэлектростанции имеют ряд преимуществ перед другими объектами выработки электроэнергии. Основное - это низкая себестоимость производства электроэнергии. Источником энергии является текущая вода, которая постоянно возобновляется. Еще одним преимуществом является быстрая маневренность, что положительно сказывается на балансе электроэнергии в сети. По этим показателям можно сделать вывод, что лидером в развитии электроэнергетики должна стать гидроэлектростанция.
В ходе курсового проектирования произведен обоснованный выбор гидротурбины, а именно класс, система, тип гидротурбины и выбрано количество гидроагрегатов с соответствующими размерами рабочего колеса, проточной части.
Целью выпускной работы является проектирование гидроэлектростанции с проработкой всех основных этапов, с применением и закреплением теоретических знаний, а также путем творческого подхода к решению поставленных задач и инженерной мысли.
Гидроэлектростанции имеют ряд преимуществ перед другими объектами выработки электроэнергии. Основное - это низкая себестоимость производства электроэнергии. Источником энергии является текущая вода, которая постоянно возобновляется. Еще одним преимуществом является быстрая маневренность, что положительно сказывается на балансе электроэнергии в сети. По этим показателям можно сделать вывод, что лидером в развитии электроэнергетики должна стать гидроэлектростанция.
В ходе курсового проектирования произведен обоснованный выбор гидротурбины, а именно класс, система, тип гидротурбины и выбрано количество гидроагрегатов с соответствующими размерами рабочего колеса, проточной части.
Целью выпускной работы является проектирование гидроэлектростанции с проработкой всех основных этапов, с применением и закреплением теоретических знаний, а также путем творческого подхода к решению поставленных задач и инженерной мысли.
В ходе дипломного проекта рассчитаны и определены показатели, выбраны элементы и параметры Гусельнической ГЭС, плотина которой высотой 25,5 м на реке Иртыш, являющейся сооружением I класса.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчётных расходов для основного обеспеченностью 1% и поверочного 0,1% обеспеченности случаев: Q1% = 3413 м3/с., Q0,1% = 4771 м3/с.
В ходе водно-энергетических расчётов выбрана установленная мощность Гусельнической ГЭС, а также определена зона её работы в суточных графиках нагрузки. Установленная мощность составила 316 МВт.
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 - 19,9 м;
расчётный - 13,7 м;
минимальный - 11,9 м.
После этого был произведен выбор основного и вспомогательного оборудования. После сравнения ряда турбин, была вобрана поворотно лопастная ПЛ 20-В-1000 с 4 гидроагрегатами, диаметрами рабочих колёс 10 м.
Далее был подобран серийный гидрогенератор СВН 1340/150-96 с номинальной активной мощностью 79 МВт для поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 62,5 об/мин.
Далее выбран класс напряжения и тип РУ ОРУ 220 кВ, а также структурная схема ГЭС с одиночными блоками. По справочным данным и каталогам выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ-125000/220-У1, УХЛ1, трансформаторы собственных нужд ТСЗ-4000/13,8/6.
В качестве генераторного выключателя, принят элегазовый
выключатель ВГГ-15 производства компании ОАО ВО «Электроаппарат.
Рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
-водосбросная бетонная плотина с поверхностным водосливом;
-здание ГЭС;
-левобережная глухая бетонная плотина;
-правобережная глухая бетонная плотина;
На данном этапе расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
-ширина подошвы;
-отметка подошвы водосливной плотины -322,47 м;
-отметка гребня -347,50 м;
-ширина гребня -18,25 м.
Для гашения кинетической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применяется водобойная стенка. Во избежание недопустимо больших напряжений, появляющихся при неравномерных осадках основания и при температурных деформациях, в различных частях тела бетонной плотины, она разделена на секции постоянными температурно¬осадочными швами.
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. Следовательно, спроектированный ГУ отвечает требованиям надёжности.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
Оценка эффективности капиталовложений в такое масштабное производство, как гидроэнергетика показывает, в лучшем случае, окупаемость около 13 лет. Проект Гусельническая ГЭС имеет оценку рисков в условиях меняющейся экономической обстановки такую, что проект достаточно устойчив в рамках рыночной экономики, поэтому строительство данной электростанции требует благоприятных условий, но в случае их несоблюдения требуется корректировка показателей, что учтено при анализе чувствительности.
Из этого можно сделать вывод, что строительство Гусельнической 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 1% и поверочного 0,1% обеспеченности случаев: Q1% = 3413 м3/с., Q0,1% = 4771 м3/с.
В ходе водно-энергетических расчётов выбрана установленная мощность Гусельнической ГЭС, а также определена зона её работы в суточных графиках нагрузки. Установленная мощность составила 316 МВт.
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 - 19,9 м;
расчётный - 13,7 м;
минимальный - 11,9 м.
После этого был произведен выбор основного и вспомогательного оборудования. После сравнения ряда турбин, была вобрана поворотно лопастная ПЛ 20-В-1000 с 4 гидроагрегатами, диаметрами рабочих колёс 10 м.
Далее был подобран серийный гидрогенератор СВН 1340/150-96 с номинальной активной мощностью 79 МВт для поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 62,5 об/мин.
Далее выбран класс напряжения и тип РУ ОРУ 220 кВ, а также структурная схема ГЭС с одиночными блоками. По справочным данным и каталогам выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ-125000/220-У1, УХЛ1, трансформаторы собственных нужд ТСЗ-4000/13,8/6.
В качестве генераторного выключателя, принят элегазовый
выключатель ВГГ-15 производства компании ОАО ВО «Электроаппарат.
Рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
-водосбросная бетонная плотина с поверхностным водосливом;
-здание ГЭС;
-левобережная глухая бетонная плотина;
-правобережная глухая бетонная плотина;
На данном этапе расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
-ширина подошвы;
-отметка подошвы водосливной плотины -322,47 м;
-отметка гребня -347,50 м;
-ширина гребня -18,25 м.
Для гашения кинетической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применяется водобойная стенка. Во избежание недопустимо больших напряжений, появляющихся при неравномерных осадках основания и при температурных деформациях, в различных частях тела бетонной плотины, она разделена на секции постоянными температурно¬осадочными швами.
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. Следовательно, спроектированный ГУ отвечает требованиям надёжности.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
Оценка эффективности капиталовложений в такое масштабное производство, как гидроэнергетика показывает, в лучшем случае, окупаемость около 13 лет. Проект Гусельническая ГЭС имеет оценку рисков в условиях меняющейся экономической обстановки такую, что проект достаточно устойчив в рамках рыночной экономики, поэтому строительство данной электростанции требует благоприятных условий, но в случае их несоблюдения требуется корректировка показателей, что учтено при анализе чувствительности.
Из этого можно сделать вывод, что строительство Гусельнической ГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.
