ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОКРОВСКОЙ ГЭС НА РЕКЕ АМГА. ОРГАНИЗАЦИЯ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ГЭС
|
СОКРАЩЕННЫЙ ПАСПОРТ ПОКРОВСКОЙ ГЭС 7
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Общая часть 10
1.1 Природные условия 10
1.1.1 Климат 10
1.1.2 Гидрологические данные 10
1.1.3 Сейсмические условия 10
1.2 Энергоэкономическая характеристика района 11
2 Водно-энергетические расчеты 12
2.1 Регулирование стока воды 12
2.2 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года при
заданной обеспеченности стока 12
2.2.1 Выбор расчетного средневодного года (Р=50%) 13
2.2.2 Выбор расчетного маловодного года (Р=90%) 13
2.3 Построение суточных графиков нагрузки и ИКН ЭС 14
2.4 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных нагрузок
энергосистемы 16
2.5 Расчет конкурирующих режимов работы ГЭС по бытовому стоку и по
требованиям ВХК 17
2.6 Водно-энергетический расчет режима работы ГЭС по условию
маловодного года 19
2.7 Определение рабочих мощностей ГЭС 20
2.8 Определение установленной мощности ГЭС. Расчёт резервов и
планирование капитальных ремонтов оборудования. Баланс мощности ... 22
2.9 Водно-энергетический расчёт режима работы ГЭС в среднем по водности
году 23
2.10 Построение режимного поля 24
3 Основное и вспомогательное оборудование ГЭС 27
3.1 Выбор гидротурбины по главным универсальным характеристикам 27
3.1.1 Выбор системы и типа гидротурбины 27
3.1.2 Выбор номинального диаметра рабочего колеса 27
3.2 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 30
3.3 Расчёт и построение плана бетонной спиральной камеры с плоским
потолком и неполным углом охвата 32
3.4 Выбор типа серийного гидрогенератора 35
3.5 Расчет деталей и узлов гидротурбины 36
3.5.1 Расчет вала на прочность 36
3.5.2 Расчет подшипника 36
3.5.3 Выбор типа маслонапорной установки 37
3.5.4 Выбор электрогидравлического регулятора 38
4 Электрическая часть 39
4.1 Выбор структурных схем электрических соединений ГЭС 39
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 39
4.2.1 Выбор синхронного генератора 39
4.2.2 Выбор повышающих трансформаторов для схем с одиночным блоком 39
4.2.3 Выбор повышающих трансформаторов для схем с укрупненным блоком
40
4.2.4 Выбор трансформатора собственных нужд 41
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий распределительного устройства высшего напряжения и марки проводов воздушных линий 42
4.4 Выбор главной схемы ГЭС на основании технико-экономического расчета 43
4.5 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 44
4.6 Расчёт токов трёхфазного и однофазного коротких замыканий в главной
схеме с помощью ПВК RastrWin 45
4.6.1 Расчет исходных данных 45
4.6.2 Внесение исходных данных в программный комплекс и расчет токов
короткого замыкания на СШ и генераторном напряжении в ПВК RastrWin 46
4.6.3 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима 48
4.7 Выбор электротехнического оборудования на генераторном напряжении
10,5 кВ 49
4.7.1 Выбор выключателей и разъединителей 49
4.7.2 Выбор синхронизаторов и анализаторов 49
4.7.3 Выбор трансформатора тока 50
4.7.4 Выбор трансформатора напряжения 50
4.8 Выбор КРУЭ 51
5 Релейная защита и автоматика 52
5.1 Перечень защит основного оборудования 52
5.2 Расчёт номинальных токов 53
5.3 Выбор типа и параметров системы возбуждения и параметров
выпрямительного трансформатора возбуждения 55
5.4 Защиты выпрямительного трансформатора 57
5.4.1 Максимальная токовая защита (МТЗ) в цепи выпрямительного
трансформатора 57
5.4.2 Токовая отсечка (ТО) в цепи выпрямительного трансформатора 58
5.5 Описание защит блока и расчет их уставок 59
5.5.1 Продольная дифференциальная защита генератора IAG 59
5.5.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (UN(UO)) 62
5.5.3 Защита от повышения напряжения (U1 >), (U2 >) 65
5.5.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 65
5.5.5 Защита от симметричных перегрузок (II) 70
5.5.6 Дистанционная защита генератора Zl <,Z2 < 72
5.5.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 75
5.6 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 78
6 Компоновка сооружения гидроузла 79
6.1 Проектирование водосливной плотины 79
6.1.1 Назначение класса ГТС 79
6.1.2 Определение отметки гребня грунтовой плотины 79
6.2 Гидравлические расчеты 82
6.2.1 Определение ширины водосливного фронта 82
6.2.2 Определение отметки гребня водослива 85
6.2.3 Определение отметки ФПУ и верха быка 86
6.2.4 Построение профиля водосливной грани и определение проектной
отметки гребня плотин напорного фронта 87
6.3 Расчёт сопряжения в нижнем бьефе 89
6.4 Расчёт отброса струи 90
6.5 Конструирование бетонной плотины 93
6.5.1 Определение ширины подошвы плотины 93
6.5.2 Разрезка бетонной водосливной плотины швами 94
6.5.3 Быки 94
6.5.4 Устои 94
6.5.5 Дренаж в теле бетонной плотины 94
6.5.6 Галереи в теле плотины 95
6.5.7 Основные элементы плотины 95
6.5.8 Противофильтрационная завеса 95
6.5.9 Дренажные устройства в основании 96
6.6 Определение основных нагрузок на плотину 96
6.6.1 Вес сооружения и затворов 96
6.6.2 Сила гидростатического давления воды 97
6.6.3 Равнодействующая взвешивающего давления 97
6.6.4 Сила фильтрационного давления 97
6.6.5 Давление грунта 97
6.6.6 Волновое давление 99
6.7 Оценка прочности плотины 99
6.8 Критерии прочности плотины и ее основания 101
6.9 Обоснование устойчивости плотины 102
7 Охрана труда, пожарная безопасность, охрана окружающей среды 104
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 104
7.2 Охрана труда 106
7.2.1 Общие положения 106
7.2.2 Требования к персоналу 108
7.3 Пожарная безопасность 108
7.3.1 Общие требования пожарной безопасности 108
7.3.2 Объекты водяного пожаротушения 110
7.3.3 Пожарная безопасность аккумуляторных установок 111
7.4 Охрана окружающей среды 112
7.4.1 Общие сведения о районе строительства 112
7.4.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 113
7.4.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 114
7.4.4 Отходы, образующиеся при строительстве 114
7.4.5 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 115
8 Технико-экономические показатели 116
8.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 116
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 116
8.3 Налоговые расходы 119
8.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности 119
8.5 Анализ денежных потоков 120
8.6 Оценка инвестиционного проекта 121
8.6.1 Методология, исходные данные 121
8.6.2 Коммерческая эффективность 122
8.6.3 Бюджетная эффективность 122
8.7 Анализ чувствительности 123
9 Организация мониторинга технического состояния оборудования ГЭС 125
9.1 Общие сведения 125
9.2 Причины возникновения колебательных процессов в узлах гидроагрегата ..
125
9.2 Мониторинг вибрации 129
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 138
ПРИЛОЖЕНИЕ А Общая часть 141
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Водно-энергетические расчеты 143
ПРИЛОЖЕНИЕ В Основное и вспомогательное оборудование 160
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Таблица уставок и матрица отключений 166
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Компоновка сооружения гидроузла
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Общая часть 10
1.1 Природные условия 10
1.1.1 Климат 10
1.1.2 Гидрологические данные 10
1.1.3 Сейсмические условия 10
1.2 Энергоэкономическая характеристика района 11
2 Водно-энергетические расчеты 12
2.1 Регулирование стока воды 12
2.2 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года при
заданной обеспеченности стока 12
2.2.1 Выбор расчетного средневодного года (Р=50%) 13
2.2.2 Выбор расчетного маловодного года (Р=90%) 13
2.3 Построение суточных графиков нагрузки и ИКН ЭС 14
2.4 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных нагрузок
энергосистемы 16
2.5 Расчет конкурирующих режимов работы ГЭС по бытовому стоку и по
требованиям ВХК 17
2.6 Водно-энергетический расчет режима работы ГЭС по условию
маловодного года 19
2.7 Определение рабочих мощностей ГЭС 20
2.8 Определение установленной мощности ГЭС. Расчёт резервов и
планирование капитальных ремонтов оборудования. Баланс мощности ... 22
2.9 Водно-энергетический расчёт режима работы ГЭС в среднем по водности
году 23
2.10 Построение режимного поля 24
3 Основное и вспомогательное оборудование ГЭС 27
3.1 Выбор гидротурбины по главным универсальным характеристикам 27
3.1.1 Выбор системы и типа гидротурбины 27
3.1.2 Выбор номинального диаметра рабочего колеса 27
3.2 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 30
3.3 Расчёт и построение плана бетонной спиральной камеры с плоским
потолком и неполным углом охвата 32
3.4 Выбор типа серийного гидрогенератора 35
3.5 Расчет деталей и узлов гидротурбины 36
3.5.1 Расчет вала на прочность 36
3.5.2 Расчет подшипника 36
3.5.3 Выбор типа маслонапорной установки 37
3.5.4 Выбор электрогидравлического регулятора 38
4 Электрическая часть 39
4.1 Выбор структурных схем электрических соединений ГЭС 39
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 39
4.2.1 Выбор синхронного генератора 39
4.2.2 Выбор повышающих трансформаторов для схем с одиночным блоком 39
4.2.3 Выбор повышающих трансформаторов для схем с укрупненным блоком
40
4.2.4 Выбор трансформатора собственных нужд 41
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий распределительного устройства высшего напряжения и марки проводов воздушных линий 42
4.4 Выбор главной схемы ГЭС на основании технико-экономического расчета 43
4.5 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 44
4.6 Расчёт токов трёхфазного и однофазного коротких замыканий в главной
схеме с помощью ПВК RastrWin 45
4.6.1 Расчет исходных данных 45
4.6.2 Внесение исходных данных в программный комплекс и расчет токов
короткого замыкания на СШ и генераторном напряжении в ПВК RastrWin 46
4.6.3 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима 48
4.7 Выбор электротехнического оборудования на генераторном напряжении
10,5 кВ 49
4.7.1 Выбор выключателей и разъединителей 49
4.7.2 Выбор синхронизаторов и анализаторов 49
4.7.3 Выбор трансформатора тока 50
4.7.4 Выбор трансформатора напряжения 50
4.8 Выбор КРУЭ 51
5 Релейная защита и автоматика 52
5.1 Перечень защит основного оборудования 52
5.2 Расчёт номинальных токов 53
5.3 Выбор типа и параметров системы возбуждения и параметров
выпрямительного трансформатора возбуждения 55
5.4 Защиты выпрямительного трансформатора 57
5.4.1 Максимальная токовая защита (МТЗ) в цепи выпрямительного
трансформатора 57
5.4.2 Токовая отсечка (ТО) в цепи выпрямительного трансформатора 58
5.5 Описание защит блока и расчет их уставок 59
5.5.1 Продольная дифференциальная защита генератора IAG 59
5.5.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (UN(UO)) 62
5.5.3 Защита от повышения напряжения (U1 >), (U2 >) 65
5.5.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 65
5.5.5 Защита от симметричных перегрузок (II) 70
5.5.6 Дистанционная защита генератора Zl <,Z2 < 72
5.5.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 75
5.6 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 78
6 Компоновка сооружения гидроузла 79
6.1 Проектирование водосливной плотины 79
6.1.1 Назначение класса ГТС 79
6.1.2 Определение отметки гребня грунтовой плотины 79
6.2 Гидравлические расчеты 82
6.2.1 Определение ширины водосливного фронта 82
6.2.2 Определение отметки гребня водослива 85
6.2.3 Определение отметки ФПУ и верха быка 86
6.2.4 Построение профиля водосливной грани и определение проектной
отметки гребня плотин напорного фронта 87
6.3 Расчёт сопряжения в нижнем бьефе 89
6.4 Расчёт отброса струи 90
6.5 Конструирование бетонной плотины 93
6.5.1 Определение ширины подошвы плотины 93
6.5.2 Разрезка бетонной водосливной плотины швами 94
6.5.3 Быки 94
6.5.4 Устои 94
6.5.5 Дренаж в теле бетонной плотины 94
6.5.6 Галереи в теле плотины 95
6.5.7 Основные элементы плотины 95
6.5.8 Противофильтрационная завеса 95
6.5.9 Дренажные устройства в основании 96
6.6 Определение основных нагрузок на плотину 96
6.6.1 Вес сооружения и затворов 96
6.6.2 Сила гидростатического давления воды 97
6.6.3 Равнодействующая взвешивающего давления 97
6.6.4 Сила фильтрационного давления 97
6.6.5 Давление грунта 97
6.6.6 Волновое давление 99
6.7 Оценка прочности плотины 99
6.8 Критерии прочности плотины и ее основания 101
6.9 Обоснование устойчивости плотины 102
7 Охрана труда, пожарная безопасность, охрана окружающей среды 104
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 104
7.2 Охрана труда 106
7.2.1 Общие положения 106
7.2.2 Требования к персоналу 108
7.3 Пожарная безопасность 108
7.3.1 Общие требования пожарной безопасности 108
7.3.2 Объекты водяного пожаротушения 110
7.3.3 Пожарная безопасность аккумуляторных установок 111
7.4 Охрана окружающей среды 112
7.4.1 Общие сведения о районе строительства 112
7.4.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 113
7.4.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 114
7.4.4 Отходы, образующиеся при строительстве 114
7.4.5 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 115
8 Технико-экономические показатели 116
8.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 116
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 116
8.3 Налоговые расходы 119
8.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности 119
8.5 Анализ денежных потоков 120
8.6 Оценка инвестиционного проекта 121
8.6.1 Методология, исходные данные 121
8.6.2 Коммерческая эффективность 122
8.6.3 Бюджетная эффективность 122
8.7 Анализ чувствительности 123
9 Организация мониторинга технического состояния оборудования ГЭС 125
9.1 Общие сведения 125
9.2 Причины возникновения колебательных процессов в узлах гидроагрегата ..
125
9.2 Мониторинг вибрации 129
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 138
ПРИЛОЖЕНИЕ А Общая часть 141
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Водно-энергетические расчеты 143
ПРИЛОЖЕНИЕ В Основное и вспомогательное оборудование 160
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Таблица уставок и матрица отключений 166
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Компоновка сооружения гидроузла
Сегодня гидроэнергетика является одним из наиболее эффективных направлений электроэнергетики. Гидроресурсы — возобновляемый и наиболее экологичный источник энергии, использование которого позволяет снижать выбросы в атмосферу тепловых электростанций и сохранять запасы углеводородного топлива для будущих поколений. Кроме своего прямого назначения — производства электроэнергии — гидроэнергетика решает дополнительно ряд важнейших для общества и государства задач. Прямая выгода от них включает создание систем питьевого и промышленного водоснабжения, развитие судоходства, создание ирригационных систем в интересах сельского хозяйства, рыборазведение, регулирование стока рек, позволяющее осуществлять борьбу с паводками и наводнениями, обеспечивая безопасность населения.
Гидроэнергетика является инфраструктурой для деятельности и развития целого ряда важнейших отраслей экономики и страны в целом. Каждая введенная в эксплуатацию гидроэлектростанция становится точкой роста экономики региона своего расположения, вокруг нее возникают производства, развивается промышленность, создаются новые рабочие места.
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.
Гидроэнергетика является инфраструктурой для деятельности и развития целого ряда важнейших отраслей экономики и страны в целом. Каждая введенная в эксплуатацию гидроэлектростанция становится точкой роста экономики региона своего расположения, вокруг нее возникают производства, развивается промышленность, создаются новые рабочие места.
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 были рассчитаны и определены основные параметры Покровского гидроузла, расположенного в Республике Саха (Якутия) на реке Амга.
В ходе ВЭР была определена установленная мощность, равная 120 МВт и среднемноголетняя выработка 411 млн. кВт-ч.
Далее был выбор основного и вспомогательного оборудования, в ходе которого было определено число и тип гидроагрегатов. Для этого была построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
- максимальный Hmax= 38,9 м;
- расчетный НраСч = 29,1 м;
- минимальный Hmin= 22,0 м.
При выборе турбин рассматривались два варианта: ПЛ40а-В и ПЛ406-В. В результате был выбран вариант с тремя турбинами ПЛ40а-В-450. Для данной турбины был подобран серийный гидрогенератор СВ-733/130-36 с номинальной активной мощностью 40 МВт.
Затем была выбрана структурная схема ГЭС с одиночными блоками и принята схема распределительного устройства на 5 присоединений - 3 одиночных блока и 2 отходящих линии, с двумя рабочими системами шин. Были выбраны блочные трансформаторы ТДН-63000/220-У1, трансформаторы собственных нужд ТС-2500/10,5, а для ВЛЭП - провода марки АС 240/48.
Далее был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики.
Компоновка гидроузла принята русловой, а в качестве гасителя энергии было принято использовать принцип свободно отброшенной струи. В состав сооружения Покровского гидроузла входят:
- левобережная грунтовая плотина;
- бетонная водосливная плотина;
- станционная бетонная плотина;
- правобережная грунтовая плотина.
Также были рассмотрены мероприятия для организации безопасности ГТС, перечислены мероприятия по охране окружающей среды во время строительства и эксплуатации гидроузла.
По технико-экономическим расчетам было получено:
- дисконтированный период окупаемости - 17 лет, 10 месяцев;
- себестоимость электроэнергии - 0,19 руб/кВтш;
- удельные капиталовложения - 78166,7 руб/кВт.
Таким образом строительство Покровского гидроузла является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.
В ходе ВЭР была определена установленная мощность, равная 120 МВт и среднемноголетняя выработка 411 млн. кВт-ч.
Далее был выбор основного и вспомогательного оборудования, в ходе которого было определено число и тип гидроагрегатов. Для этого была построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
- максимальный Hmax= 38,9 м;
- расчетный НраСч = 29,1 м;
- минимальный Hmin= 22,0 м.
При выборе турбин рассматривались два варианта: ПЛ40а-В и ПЛ406-В. В результате был выбран вариант с тремя турбинами ПЛ40а-В-450. Для данной турбины был подобран серийный гидрогенератор СВ-733/130-36 с номинальной активной мощностью 40 МВт.
Затем была выбрана структурная схема ГЭС с одиночными блоками и принята схема распределительного устройства на 5 присоединений - 3 одиночных блока и 2 отходящих линии, с двумя рабочими системами шин. Были выбраны блочные трансформаторы ТДН-63000/220-У1, трансформаторы собственных нужд ТС-2500/10,5, а для ВЛЭП - провода марки АС 240/48.
Далее был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики.
Компоновка гидроузла принята русловой, а в качестве гасителя энергии было принято использовать принцип свободно отброшенной струи. В состав сооружения Покровского гидроузла входят:
- левобережная грунтовая плотина;
- бетонная водосливная плотина;
- станционная бетонная плотина;
- правобережная грунтовая плотина.
Также были рассмотрены мероприятия для организации безопасности ГТС, перечислены мероприятия по охране окружающей среды во время строительства и эксплуатации гидроузла.
По технико-экономическим расчетам было получено:
- дисконтированный период окупаемости - 17 лет, 10 месяцев;
- себестоимость электроэнергии - 0,19 руб/кВтш;
- удельные капиталовложения - 78166,7 руб/кВт.
Таким образом строительство Покровского гидроузла является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.