ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЕЛЬМИНСКОЙ ГЭС НА РЕКЕПОДКАМЕННАЯ ТУНГУСКА. МОДЕЛЬ КАСКАДАДЕРИВАЦИОННЫХ ГЭС С НЕЧЁТКИМ РЕГУЛЯТОРОМ
|
СОКРАЩЁННЫЙ ПАСПОРТ ВЕЛЬМИНСКОЙ ГЭС 7
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирования ГЭС 9
1.1 Климат в районе проектируемой ГЭС 9
1.2 Гидрологические данные 9
1.3 Топографические данные 11
1.4 Инженерно-геологические характеристики 11
1.5 Сейсмические характеристики района строительства 12
1.6 Энерго-экономическая характеристика региона 12
2 Водно-энергетические расчеты 13
2.1 Данные для водно-энергетических расчетов 13
2.2 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года при
заданной обеспеченности стока 13
2.2.1 Выбор расчётного средневодного года (Р=50%) 13
2.2.2 Выбор расчетного маловодного года (Р=90%) 14
2.3 Построение суточных графиков нагрузки и ИКН ЭС 15
2.4 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных
нагрузок энергосистемы 16
2.5 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственного комплекса 17
2.6 Водно-энергетический расчет (ВЭР) режима работы ГЭС по условию
маловодного года 19
2.7 Определение рабочей мощности ГЭС 19
2.8 Расчет резервов и определение установленной мощности проектируемой
ГЭС, расчет баланса мощностей 20
2.9 Водно-энергетический расчёт режима работы ГЭС по условию
средневодного года 21
3 Основное и вспомогательное оборудование 22
3.1 Построение режимного поля 22
3.2 Выбор системы и количества гидроагрегатов 23
3.3 Проверка работы турбины при минимальном расходе 27
3.4 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 28
3.5 Выбор типа серийного гидрогенератора 29
3.6 Расчет спиральной камеры 30
3.7 Выбор типа маслонапорной установки 31
3.8 Выбор электрогидравлического регулятора 31
3.9 Расчёт вала на прочность 31
3.10 Расчёт подшипника 32
3.11 Выбор конструктивной схемы компоновки гидротурбины 33
4 Электрическая часть 34
4.1 Выбор структурной схемы электрических соединении 34
4.2 Выбор основного оборудования ГЭС 34
4.2.1 Выбор трансформаторов собственных нужд 34
4.2.2 Выбор блочных трансформаторов 34
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий 37
4.4 Выбор схемы распределительного устройства 38
4.5 Выбор главной схемы ГЭС на основании технике-экономического
расчёта 38
4.6 Расчёт токов короткого замыкания 39
4.6.1 Расчёт исходных данных 39
4.6.2 Расчёт токов короткого замыкания в ПК RastrWin 41
4.6.3 Результаты расчёта токов короткого замыкания 42
4.7 Выбор и проверка оборудования 43
4.7.1 Определение расчетных токов рабочего и утяжеленного режима 43
4.7.2 Выбор электротехнического оборудования на генераторном
напряжении 13,8 кВ 43
4.7.2.1 Выбор выключателей и разъединителей 43
4.7.2.2 Выбор трансформаторов тока и трансформаторов напряжения .... 44
4.7.2.3 Выбор параметров КРУЭ 45
5 Релейная защита и автоматика 47
5.1 Расчет номинальных токов 47
5.2 Перечень защит основного оборудования 48
5.3 Технические данные защищаемого оборудования 49
5.4 Описание и расчет уставок защит 50
5.4.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 50
5.4.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (UN
(UO)) 52
5.4.3 Защита от повышения напряжения (U1 >), (U2 >) 55
5.4.4 Защита обратной последовательности от несимметричных
перегрузок и внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 55
5.4.5 Защита от симметричных перегрузок (II) 58
5.4.6 Защита от перегрузки обмотки ротора 59
5.4.7 Дистанционная защита генератора Zl <, Z2 < 61
5.5 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 64
5.6 Таблица уставок и матрица отключений защит 64
6 Компоновка и состав сооружений гидроузла 65
6.1 Определение отметки гребня бетонной плотины 65
6.2 Гидравлические расчёты 67
6.2.1 Определение ширины водосливного фронта 67
6.2.2 Расчёт аварийного водосброса (глубинных
водовыпусков) 68
6.2.3 Определение отметки гребня водослива 69
6.2.4 Проверка на пропуск расчетного расхода при поверочном
расчетном случае 70
6.2.5 Построение оголовка водослива по Кригер - Офицерову 72
6.2.6 Расчёт сопряжения потока в нижнем бьефе 72
6.2.7 Расчет носка трамплина и дальности отлета струи 73
6.3 Конструирование бетонной плотины 75
6.3.1 Определение ширины подошвы плотины 75
6.3.2 Разрезка бетонных плотин швами 76
6.3.3 Быки 77
6.3.4 Устои 77
6.3.5 Галереи в теле плотины 77
6.3.6 Определение ширины плотины по гребню 78
6.3.7 Расчет цементационной завесы и дренажа 78
6.4 Определение основных нагрузок на плотину 79
6.4.1 Вес сооружения и затворов 79
6.4.2 Сила гидростатического давления воды 80
6.4.3 Равнодействующая взвешивающего давления 80
6.4.4 Сила фильтрационного давления 80
6.4.5 Давление грунта 81
6.4.6 Волновое давление 82
6.5 Оценка прочности плотины 82
6.6 Критерии прочности плотины и её основания 84
6.7 Обоснование устойчивости плотины 85
7 Пожарная безопасность. Охрана труда 87
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 87
7.2 Требования по охране труда и техники безопасности 89
7.3 Пожарная безопасность 91
8 Мероприятия по охране окружающей среды в зоне влияния Вельминского
ГУ 93
8.1 Общие сведения о районе строительства 93
8.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 94
8.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 95
8.4 Отходы, образующиеся при строительстве 97
8.5 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 98
9 Технико-экономическоеобоснование 100
9.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 100
9.2 Текущие расходы на производство электроэнергии 100
9.3 Налоговые расходы 103
9.4 Оценка суммы прибыли 103
9.5 Оценка инвестиционного проекта 104
9.5.1 Методология и исходные данные 104
9.5.2 Показатели коммерческой эффективности проекта 105
9.6 Бюджетная эффективность 105
9.7 Анализ чувствительности 106
10 Модель каскада деривационных ГЭС с нечётким регулятором 109
10.1 Актуальность проблемы 109
10.2 Построение модели ПО
10.3 Применение модели для каскада ГЭС 113
10.4 Выводы 117
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 118
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Анализ исходных данных 122
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Водно-энергетические расчеты 124
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Основное и вспомогательное оборудование ГЭС 133
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Релейная защита и автоматика 136
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Компоновка и сооружения гидроузла 138
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Оценка экономических показателей 140
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирования ГЭС 9
1.1 Климат в районе проектируемой ГЭС 9
1.2 Гидрологические данные 9
1.3 Топографические данные 11
1.4 Инженерно-геологические характеристики 11
1.5 Сейсмические характеристики района строительства 12
1.6 Энерго-экономическая характеристика региона 12
2 Водно-энергетические расчеты 13
2.1 Данные для водно-энергетических расчетов 13
2.2 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года при
заданной обеспеченности стока 13
2.2.1 Выбор расчётного средневодного года (Р=50%) 13
2.2.2 Выбор расчетного маловодного года (Р=90%) 14
2.3 Построение суточных графиков нагрузки и ИКН ЭС 15
2.4 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных
нагрузок энергосистемы 16
2.5 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственного комплекса 17
2.6 Водно-энергетический расчет (ВЭР) режима работы ГЭС по условию
маловодного года 19
2.7 Определение рабочей мощности ГЭС 19
2.8 Расчет резервов и определение установленной мощности проектируемой
ГЭС, расчет баланса мощностей 20
2.9 Водно-энергетический расчёт режима работы ГЭС по условию
средневодного года 21
3 Основное и вспомогательное оборудование 22
3.1 Построение режимного поля 22
3.2 Выбор системы и количества гидроагрегатов 23
3.3 Проверка работы турбины при минимальном расходе 27
3.4 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 28
3.5 Выбор типа серийного гидрогенератора 29
3.6 Расчет спиральной камеры 30
3.7 Выбор типа маслонапорной установки 31
3.8 Выбор электрогидравлического регулятора 31
3.9 Расчёт вала на прочность 31
3.10 Расчёт подшипника 32
3.11 Выбор конструктивной схемы компоновки гидротурбины 33
4 Электрическая часть 34
4.1 Выбор структурной схемы электрических соединении 34
4.2 Выбор основного оборудования ГЭС 34
4.2.1 Выбор трансформаторов собственных нужд 34
4.2.2 Выбор блочных трансформаторов 34
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий 37
4.4 Выбор схемы распределительного устройства 38
4.5 Выбор главной схемы ГЭС на основании технике-экономического
расчёта 38
4.6 Расчёт токов короткого замыкания 39
4.6.1 Расчёт исходных данных 39
4.6.2 Расчёт токов короткого замыкания в ПК RastrWin 41
4.6.3 Результаты расчёта токов короткого замыкания 42
4.7 Выбор и проверка оборудования 43
4.7.1 Определение расчетных токов рабочего и утяжеленного режима 43
4.7.2 Выбор электротехнического оборудования на генераторном
напряжении 13,8 кВ 43
4.7.2.1 Выбор выключателей и разъединителей 43
4.7.2.2 Выбор трансформаторов тока и трансформаторов напряжения .... 44
4.7.2.3 Выбор параметров КРУЭ 45
5 Релейная защита и автоматика 47
5.1 Расчет номинальных токов 47
5.2 Перечень защит основного оборудования 48
5.3 Технические данные защищаемого оборудования 49
5.4 Описание и расчет уставок защит 50
5.4.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 50
5.4.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (UN
(UO)) 52
5.4.3 Защита от повышения напряжения (U1 >), (U2 >) 55
5.4.4 Защита обратной последовательности от несимметричных
перегрузок и внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 55
5.4.5 Защита от симметричных перегрузок (II) 58
5.4.6 Защита от перегрузки обмотки ротора 59
5.4.7 Дистанционная защита генератора Zl <, Z2 < 61
5.5 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 64
5.6 Таблица уставок и матрица отключений защит 64
6 Компоновка и состав сооружений гидроузла 65
6.1 Определение отметки гребня бетонной плотины 65
6.2 Гидравлические расчёты 67
6.2.1 Определение ширины водосливного фронта 67
6.2.2 Расчёт аварийного водосброса (глубинных
водовыпусков) 68
6.2.3 Определение отметки гребня водослива 69
6.2.4 Проверка на пропуск расчетного расхода при поверочном
расчетном случае 70
6.2.5 Построение оголовка водослива по Кригер - Офицерову 72
6.2.6 Расчёт сопряжения потока в нижнем бьефе 72
6.2.7 Расчет носка трамплина и дальности отлета струи 73
6.3 Конструирование бетонной плотины 75
6.3.1 Определение ширины подошвы плотины 75
6.3.2 Разрезка бетонных плотин швами 76
6.3.3 Быки 77
6.3.4 Устои 77
6.3.5 Галереи в теле плотины 77
6.3.6 Определение ширины плотины по гребню 78
6.3.7 Расчет цементационной завесы и дренажа 78
6.4 Определение основных нагрузок на плотину 79
6.4.1 Вес сооружения и затворов 79
6.4.2 Сила гидростатического давления воды 80
6.4.3 Равнодействующая взвешивающего давления 80
6.4.4 Сила фильтрационного давления 80
6.4.5 Давление грунта 81
6.4.6 Волновое давление 82
6.5 Оценка прочности плотины 82
6.6 Критерии прочности плотины и её основания 84
6.7 Обоснование устойчивости плотины 85
7 Пожарная безопасность. Охрана труда 87
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 87
7.2 Требования по охране труда и техники безопасности 89
7.3 Пожарная безопасность 91
8 Мероприятия по охране окружающей среды в зоне влияния Вельминского
ГУ 93
8.1 Общие сведения о районе строительства 93
8.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 94
8.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 95
8.4 Отходы, образующиеся при строительстве 97
8.5 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 98
9 Технико-экономическоеобоснование 100
9.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 100
9.2 Текущие расходы на производство электроэнергии 100
9.3 Налоговые расходы 103
9.4 Оценка суммы прибыли 103
9.5 Оценка инвестиционного проекта 104
9.5.1 Методология и исходные данные 104
9.5.2 Показатели коммерческой эффективности проекта 105
9.6 Бюджетная эффективность 105
9.7 Анализ чувствительности 106
10 Модель каскада деривационных ГЭС с нечётким регулятором 109
10.1 Актуальность проблемы 109
10.2 Построение модели ПО
10.3 Применение модели для каскада ГЭС 113
10.4 Выводы 117
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 118
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Анализ исходных данных 122
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Водно-энергетические расчеты 124
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Основное и вспомогательное оборудование ГЭС 133
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Релейная защита и автоматика 136
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Компоновка и сооружения гидроузла 138
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Оценка экономических показателей 140
В ходе данной работы была рассмотрена работа каскада деривационных ГЭС. Регулирование работы станций в средневодном году смоделировано с помощью нечеткого регулятора в MATLAB/Simulink. Используя входные данные гидрографа, статического напора, параметров напорного водовода получены результаты выработки электроэнергии и мощности. Также рассмотрена работа нечеткого регулятора для реального каскада и сделано сравнение выработки.
Полученная модель с нечётким регулятором может применяться для анализа и оптимизации регулирования, определения потерь и выработки электроэнергии каскада деривационных ГЭС без водохранилища, работающих по водотоку, что может найти применение в предпроектном обосновании, а также рассмотрении работы станции в энергосистеме.
Мощность каскада Курпских ГЭС составила 173,2 МВт, суммарная годовая выработка 741,2 млн кВт-ч. Каскад Курпских ГЭС представляет собой каскад из трёх однотипных ГЭС, работающих по деривационной схеме, без создания водохранилища сезонного регулирования [55]. Напор на каждой из ГЭС составляет 55-60 м, расчётный расход 120 м3/с. Территориально станции размещаются в Кабардино-Балкарии на реке Терек, входят с состав перспективных ГЭС Терского каскада.
Проведено сравнение регулирования расхода и объемов выработки электроэнергии каскада Нижне-Черекских ГЭС для модели и реального объекта в течении месяца. Среднее отклонение результатов составило -3,22 %. Такое различие можно сократить при более точном подборе правил регулирования и коррекции поверхности нечеткого вывода для нечеткого регулятора.
Имея минимальный объем данных с помощью нечёткой логики становится возможным прогнозирование работы гидроэлектростанции, в том числе и каскада ГЭС. Нечёткая логика позволяет выполнить прогнозные модели сложных технических систем. В рамках цифровизации объектов электроэнергетики управление технологическими процессами электростанций с применением контроллеров на основе нечёткой логики имеет преимущество по сравнению со стандартными ПИД-регуляторами.
При проектировании каскада Курспских ГЭС необходимо учитывать достигнутый опыт в гидростроительстве, разработке и применении технологических решений. Строительство каскада Курпских ГЭС приведет к снижению дефицита мощности и энергии в Кабардино-Балкарской Республике .
Полученная модель с нечётким регулятором может применяться для анализа и оптимизации регулирования, определения потерь и выработки электроэнергии каскада деривационных ГЭС без водохранилища, работающих по водотоку, что может найти применение в предпроектном обосновании, а также рассмотрении работы станции в энергосистеме.
Мощность каскада Курпских ГЭС составила 173,2 МВт, суммарная годовая выработка 741,2 млн кВт-ч. Каскад Курпских ГЭС представляет собой каскад из трёх однотипных ГЭС, работающих по деривационной схеме, без создания водохранилища сезонного регулирования [55]. Напор на каждой из ГЭС составляет 55-60 м, расчётный расход 120 м3/с. Территориально станции размещаются в Кабардино-Балкарии на реке Терек, входят с состав перспективных ГЭС Терского каскада.
Проведено сравнение регулирования расхода и объемов выработки электроэнергии каскада Нижне-Черекских ГЭС для модели и реального объекта в течении месяца. Среднее отклонение результатов составило -3,22 %. Такое различие можно сократить при более точном подборе правил регулирования и коррекции поверхности нечеткого вывода для нечеткого регулятора.
Имея минимальный объем данных с помощью нечёткой логики становится возможным прогнозирование работы гидроэлектростанции, в том числе и каскада ГЭС. Нечёткая логика позволяет выполнить прогнозные модели сложных технических систем. В рамках цифровизации объектов электроэнергетики управление технологическими процессами электростанций с применением контроллеров на основе нечёткой логики имеет преимущество по сравнению со стандартными ПИД-регуляторами.
При проектировании каскада Курспских ГЭС необходимо учитывать достигнутый опыт в гидростроительстве, разработке и применении технологических решений. Строительство каскада Курпских ГЭС приведет к снижению дефицита мощности и энергии в Кабардино-Балкарской Республике .
