ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛАНКОВСКОЙ ГЭС НА РЕКЕ ЛАЙКОВАЯ. АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ МАЛЫХ ГЭС В ОТДАЛЁННЫХ РАЙОНАХ: МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ.
|
СОКРАЩЁННЫЙ ПАСПОРТ ЛАНКОВСКОЙ ГЭС 7
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Исходные данные по гидроузлу 10
1.1 Топография 10
1.2 Климат 10
1.3 Данные для расчётов 11
2 Водно-энергетические расчёты и выбор установленной мощности 17
2.1 Гидрологические расчёты 17
2.1.1 Выбор расчётных гидрографов маловодного и средневодного лет при
заданной обеспеченности 17
2.1.2 Определение вида регулирования стока водохранилищем 20
2.2 Водно-энергетические расчёты режимов работы ГЭС 21
2.2.1 Расчёт режима работы ГЭС с учётом требований санитарного попуска
без регулирования 21
2.2.2 Водно-энергетические расчёты режимов работы ГЭС 23
2.3 Баланс мощности 25
2.4 Резервы мощности энергосистемы. Вычисление установленной мощности,
проектируемой ГЭС 27
2.5 Режимное поле 29
3 Основное и вспомогательные оборудование 30
3.1 Выбор гидротурбин по главным универсальным характеристикам 30
3.1.1 Выбор типа гидротурбины 30
3.1.2 Выбор номинального диаметра гидротурбин 30
3.2 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины для
обеспечения безкавитационной работы 34
3.3 Гидромеханический расчёт и построение бетонной спиральной камеры и
определение её геометрических размеров проточной части 35
3.4 Выбор гидрогенератора серийного типа 39
3.5 Расчёт деталей и узлов гидротурбины. Выбор типа маслонапорный
установки. Выбор электрогидравлического регулятора. Выбор кранов 40
3.5.1 Расчёт деталей и узлов гидротурбин 40
3.5.1.1 Расчёт вала на прочность 40
3.5.1.2 Расчёт подшипника 41
3.5.2 Выбор маслонапорной установки 43
3.5.3 Выбор электрогидравлического регулятора 43
3.5.4 Выбор кранов 43
4 Электрическая часть 44
4.1 Выбор структурной схемы электрических соединений 44
4.2 Выбор основного оборудования ГЭС 44
4.2.1 Выбор синхронных генераторов 44
4.2.2 Выбор трансформатора собственных нужд 45
4.2.3 Выбор силовых повышающих трансформаторов 45
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий распределительного
устройства высшего напряжения 46
4.4 Выбор схемы распределительного устройства высшего напряжения 47
4.5 Выбор варианта главной схемы электрических соединений на основании
технико-экономического расчёта 48
4.6 Расчёт токов трёхфазного и однофазного короткого замыкания в главной схеме 49
4.6.1 Расчёт исходных данных 49
4.6.2 Внесение исходных данных в программный комплекс RastrWin 50
4.6.3 Расчёт токов короткого замыкания с применением программного
комплекса RastrWin 51
4.7 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима 52
4.8 Выбор электротехнического оборудования на генераторном напряжении
10,5 кВ 53
4.9 Выбор трансформаторов тока и напряжения 54
4.10 Выбор параметров КРУЭ 54
4.10.1 Выбор выключателей и разъединителей 54
4.10.2 Выбор трансформаторов тока и напряжения 55
5 Релейная защита и автоматика 56
5.1 Перечень защит основанного оборудования 56
5.2 Расчёт номинальных токов 57
5.3 Описание защит и расчёт их уставок 58
5.3.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 58
5.3.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (UN, U0) .. 60
5.3.3 Защита от повышения напряжения (U1>),(U2>) 63
5.3.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий 63
5.3.5 Защита от симметричных перегрузок 67
5.3.6 Дистанционная защита генератора (Z1<),(Z2<) 69
5.3.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 72
5.4 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 73
6 Компоновка гидроузла 74
6.1 Определение класса гидротехнического сооружения и отметки гребня
плотины 74
6.1.1 Определение класса гидротехнического сооружения 74
6.1.2 Определение отметки гребня плотины 74
6.1.2.1 Грунтовая плотина 74
6.2 Гидравлические расчёты 76
6.2.1 Определение ширины водосливного фронта 76
6.2.2 Определение отметки гребня водослива 78
6.2.3 Построение оголовка профиля водосливной грани по Кригер -
Офицерову 79
6.2.4 Расчёт сопряжения потока в нижнем бьефе 80
6.2.5 Расчёт водобойного колодца 81
6.2.6 Расчёт глубинных (донных) водосбросов 83
6.3 Конструирование бетонной водосливной плотины 84
6.3.1 Определение ширины подошвы плотины 84
6.3.2 Разрез плотины швами 85
6.3.3 Быки 85
6.3.4 Устои 85
6.3.5 Дренаж тела бетонной плотины 85
6.3.6 Элементы подземного контура плотины 86
6.3.7 Рисберма 86
6.4 Обоснование надёжности и безопасности бетонной плотины 87
6.4.1 Вес сооружения и затворов 87
6.4.2 Сила гидростатического давления воды 88
6.4.3 Фильтрационные и взвешивающее давление 88
6.4.4 Давление наносов на вертикальную грань 89
6.4.5 Волновое давление 90
6.4.6 Расчёт прочности плотины 91
6.4.7 Критерии прочности плотины 93
6.4.8 Расчёт устойчивости плотины 94
7 Охрана труда, техника безопасности и пожарная безопасность 96
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 96
7.1.1 Требования по охране труда и техники для безопасности работников
Ланковской ГЭС 96
7.2 Пожарная безопасность 97
7.2.1 Общие требования к пожарной безопасности 97
7.2.2 Объекты водяного пожаротушения на ГЭС 98
7.2.3 Противопожарная безопасность в аккумуляторных установках 99
7.3 Охрана природы 100
7.3.1 Общие сведения о районе строительства 100
7.3.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 100
7.3.3 Мероприятия по подготовку ложа водохранилища 101
7.3.4 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 103
8 Технико-экономическое обоснование 105
8.1 Оценка объёмов реализации энергии и расходов 105
8.1.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 105
8.1.2 Текущее расходы на производство электроэнергии 106
8.1.3 Налоговые расходы 108
8.2 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности 108
8.3 Оценка инвестиционного проекта 110
8.3.1 Методология и исходные данные 110
8.3.2 Коммерческая эффективность 110
8.3.3 Бюджетная эффективность 111
8.4 Анализ чувствительности 111
9 Автономные системы электроснабжения на основе малых ГЭС в отдалённых районах: методы оценки показателей качества электроэнергии.. 114
9.1 Автономные системы электроснабжения 114
9.2 Принцип работы автономной системы питания 115
9.3 Особенности автономных систем электроснабжения 115
9.4 Автобалластные системы с фазовым регулированием мощности 116
9.5 Форма кривой нагрузки микроГЭС с фазорегулируемой балластной
нагрузкой 117
9.6 Способы уменьшения несинусоидальности напряжения станции 119
9.7 Оценка эффективности использования генератора микроГЭС 121
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 125
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Водно - энергетические расчёты и выбор установленной мощности 130
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Основное и вспомогательное оборудование 133
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Релейная защита и автоматика 139
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Исходные данные по гидроузлу 10
1.1 Топография 10
1.2 Климат 10
1.3 Данные для расчётов 11
2 Водно-энергетические расчёты и выбор установленной мощности 17
2.1 Гидрологические расчёты 17
2.1.1 Выбор расчётных гидрографов маловодного и средневодного лет при
заданной обеспеченности 17
2.1.2 Определение вида регулирования стока водохранилищем 20
2.2 Водно-энергетические расчёты режимов работы ГЭС 21
2.2.1 Расчёт режима работы ГЭС с учётом требований санитарного попуска
без регулирования 21
2.2.2 Водно-энергетические расчёты режимов работы ГЭС 23
2.3 Баланс мощности 25
2.4 Резервы мощности энергосистемы. Вычисление установленной мощности,
проектируемой ГЭС 27
2.5 Режимное поле 29
3 Основное и вспомогательные оборудование 30
3.1 Выбор гидротурбин по главным универсальным характеристикам 30
3.1.1 Выбор типа гидротурбины 30
3.1.2 Выбор номинального диаметра гидротурбин 30
3.2 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины для
обеспечения безкавитационной работы 34
3.3 Гидромеханический расчёт и построение бетонной спиральной камеры и
определение её геометрических размеров проточной части 35
3.4 Выбор гидрогенератора серийного типа 39
3.5 Расчёт деталей и узлов гидротурбины. Выбор типа маслонапорный
установки. Выбор электрогидравлического регулятора. Выбор кранов 40
3.5.1 Расчёт деталей и узлов гидротурбин 40
3.5.1.1 Расчёт вала на прочность 40
3.5.1.2 Расчёт подшипника 41
3.5.2 Выбор маслонапорной установки 43
3.5.3 Выбор электрогидравлического регулятора 43
3.5.4 Выбор кранов 43
4 Электрическая часть 44
4.1 Выбор структурной схемы электрических соединений 44
4.2 Выбор основного оборудования ГЭС 44
4.2.1 Выбор синхронных генераторов 44
4.2.2 Выбор трансформатора собственных нужд 45
4.2.3 Выбор силовых повышающих трансформаторов 45
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий распределительного
устройства высшего напряжения 46
4.4 Выбор схемы распределительного устройства высшего напряжения 47
4.5 Выбор варианта главной схемы электрических соединений на основании
технико-экономического расчёта 48
4.6 Расчёт токов трёхфазного и однофазного короткого замыкания в главной схеме 49
4.6.1 Расчёт исходных данных 49
4.6.2 Внесение исходных данных в программный комплекс RastrWin 50
4.6.3 Расчёт токов короткого замыкания с применением программного
комплекса RastrWin 51
4.7 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима 52
4.8 Выбор электротехнического оборудования на генераторном напряжении
10,5 кВ 53
4.9 Выбор трансформаторов тока и напряжения 54
4.10 Выбор параметров КРУЭ 54
4.10.1 Выбор выключателей и разъединителей 54
4.10.2 Выбор трансформаторов тока и напряжения 55
5 Релейная защита и автоматика 56
5.1 Перечень защит основанного оборудования 56
5.2 Расчёт номинальных токов 57
5.3 Описание защит и расчёт их уставок 58
5.3.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 58
5.3.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (UN, U0) .. 60
5.3.3 Защита от повышения напряжения (U1>),(U2>) 63
5.3.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий 63
5.3.5 Защита от симметричных перегрузок 67
5.3.6 Дистанционная защита генератора (Z1<),(Z2<) 69
5.3.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 72
5.4 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 73
6 Компоновка гидроузла 74
6.1 Определение класса гидротехнического сооружения и отметки гребня
плотины 74
6.1.1 Определение класса гидротехнического сооружения 74
6.1.2 Определение отметки гребня плотины 74
6.1.2.1 Грунтовая плотина 74
6.2 Гидравлические расчёты 76
6.2.1 Определение ширины водосливного фронта 76
6.2.2 Определение отметки гребня водослива 78
6.2.3 Построение оголовка профиля водосливной грани по Кригер -
Офицерову 79
6.2.4 Расчёт сопряжения потока в нижнем бьефе 80
6.2.5 Расчёт водобойного колодца 81
6.2.6 Расчёт глубинных (донных) водосбросов 83
6.3 Конструирование бетонной водосливной плотины 84
6.3.1 Определение ширины подошвы плотины 84
6.3.2 Разрез плотины швами 85
6.3.3 Быки 85
6.3.4 Устои 85
6.3.5 Дренаж тела бетонной плотины 85
6.3.6 Элементы подземного контура плотины 86
6.3.7 Рисберма 86
6.4 Обоснование надёжности и безопасности бетонной плотины 87
6.4.1 Вес сооружения и затворов 87
6.4.2 Сила гидростатического давления воды 88
6.4.3 Фильтрационные и взвешивающее давление 88
6.4.4 Давление наносов на вертикальную грань 89
6.4.5 Волновое давление 90
6.4.6 Расчёт прочности плотины 91
6.4.7 Критерии прочности плотины 93
6.4.8 Расчёт устойчивости плотины 94
7 Охрана труда, техника безопасности и пожарная безопасность 96
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 96
7.1.1 Требования по охране труда и техники для безопасности работников
Ланковской ГЭС 96
7.2 Пожарная безопасность 97
7.2.1 Общие требования к пожарной безопасности 97
7.2.2 Объекты водяного пожаротушения на ГЭС 98
7.2.3 Противопожарная безопасность в аккумуляторных установках 99
7.3 Охрана природы 100
7.3.1 Общие сведения о районе строительства 100
7.3.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 100
7.3.3 Мероприятия по подготовку ложа водохранилища 101
7.3.4 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 103
8 Технико-экономическое обоснование 105
8.1 Оценка объёмов реализации энергии и расходов 105
8.1.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 105
8.1.2 Текущее расходы на производство электроэнергии 106
8.1.3 Налоговые расходы 108
8.2 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности 108
8.3 Оценка инвестиционного проекта 110
8.3.1 Методология и исходные данные 110
8.3.2 Коммерческая эффективность 110
8.3.3 Бюджетная эффективность 111
8.4 Анализ чувствительности 111
9 Автономные системы электроснабжения на основе малых ГЭС в отдалённых районах: методы оценки показателей качества электроэнергии.. 114
9.1 Автономные системы электроснабжения 114
9.2 Принцип работы автономной системы питания 115
9.3 Особенности автономных систем электроснабжения 115
9.4 Автобалластные системы с фазовым регулированием мощности 116
9.5 Форма кривой нагрузки микроГЭС с фазорегулируемой балластной
нагрузкой 117
9.6 Способы уменьшения несинусоидальности напряжения станции 119
9.7 Оценка эффективности использования генератора микроГЭС 121
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 125
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Водно - энергетические расчёты и выбор установленной мощности 130
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Основное и вспомогательное оборудование 133
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Релейная защита и автоматика 139
В России находится большое количество рек это свидетельствует о том, что она обладает одним из крупных гидропотенциалов в мире. Энергию рек используют большинство стран, одними из крупных потребителей являются Китаи, Российская Федерация, США и т.д. Гидроресурсы РФ оцениваются в 852 млрд. кВт-ч но, обладая таким потенциалом значительно уступает некоторым развитым странам.
Себестоимость производства электроэнергии на тепловых и атомных электростанциях значительно выше, чем на ГЭС, примерно в 7-9 раз.
На ГЭС источником энергии является вода, возобновляемый источник энергии. Это позволяет нам в условиях создания альтернативных источников электроэнергии только увеличить долю гидроэнергетики в энергетическом балансе РФ. Этим мы увеличим технико-экономический потенциал. В ближайшее время гидроэнергетика должна стать структурным лидером в развитии электроэнергетики страны, так как она более экологически безопасная и с возобновляемыми ресурсами отрасль развития.
Целью данного дипломного проекта является освоение и проработка основных этапов проектирования гидроэлектростанции с применением и закреплением теоретических этапов, а также с помощью полученных знаний и инженерной мысли, найти оптимальное и творческое решение конкретных задач.
Себестоимость производства электроэнергии на тепловых и атомных электростанциях значительно выше, чем на ГЭС, примерно в 7-9 раз.
На ГЭС источником энергии является вода, возобновляемый источник энергии. Это позволяет нам в условиях создания альтернативных источников электроэнергии только увеличить долю гидроэнергетики в энергетическом балансе РФ. Этим мы увеличим технико-экономический потенциал. В ближайшее время гидроэнергетика должна стать структурным лидером в развитии электроэнергетики страны, так как она более экологически безопасная и с возобновляемыми ресурсами отрасль развития.
Целью данного дипломного проекта является освоение и проработка основных этапов проектирования гидроэлектростанции с применением и закреплением теоретических этапов, а также с помощью полученных знаний и инженерной мысли, найти оптимальное и творческое решение конкретных задач.
В дипломном проекте рассчитаны и определены основные элементы, а также параметры Ланковского гидроузла на реке Лайковая, имеющая класс сооружения II.
На первом этапе расчётов на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчётных расходов для 1% обеспеченности, равного 754 м3/с.
В ходе ВЭР была получена установленная мощность проектируемой ГЭС, равная 27 МВт и среднемноголетняя выработка 107,9 млн кВт-ч. Так же построено режимное поле, с помощью которого определены следующие напоры:
1) максимальный - 19,34 м;
2) расчётный - 16,87 м;
3) минимальный - 13,93 м.
На третьем этапе, с помощью расчётов было определено оптимальное число и тип гидроагрегатов проектируемой электростанции, так же максимальный расход через все агрегаты ГЭС, равный 183 м3/с.
В выборе турбин рассматривались два варианта ПЛ20 - В и ПЛ20 - ГК. По расчётам был выбран оптимальный вариант с тремя гидротурбинами ПЛ20 - В - 315.
Для выбранных гидротурбин был определён гидрогенератор СВ-514/100- 30УХЛ5 с номинальной активной мощностью 10 МВт.
Далее для проектируемой станции была выбрана подходящая структурная схема с простыми блоками и принята схема распределительного устройства РУ ВН 220 кВ: 2 СШ с ОШВ. После было выбрано по справочным данным и каталогам высоковольтное оборудование и оборудование на генераторном напряжении.
Затем бы выбран перечень устройств релейной защиты и автоматики с ПУЭ.
После выбора электрического оборудования и его устройств защит, была принята русловая компоновка гидроузла. Водосливная плотина принята в бетонном исполнении.
В состав сооружения гидроузла входят:
• водосбросная бетонная плотина с поверхностным эксплуатационным и аварийным донным водосливом;
• здание ГЭС;
• левобережная глухая бетонная плотина;
• правобережная глухая бетонная плотина;
На данном этапе расчётов были определены габаритные размеры и характерные отметки плотины.
Для гашения кинетической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, был принят водобойный колодец.
Произведена оценка прочности и устойчивости плотины. В результате проведённых расчётов коэффициент надёжности сооружения не превышает допустимого нормативного значения (для сооружения класс II - 1,20). Таким образом, плотина отвечает по требованиям надёжности. Плотина отвечает всем требованиям предусмотренными СП.
В соответствии с законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС.
По технико - экономическим расчётам получены следующие данные:
• дисконтированный срок окупаемости - 11,5 лет;
• себестоимость - 0,029 руб/кВт
• удельные капиталовложения - 74851 руб./кВт.
Таким образом, строительство Ланковского гидроузла в настоящее время актуально.
На первом этапе расчётов на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчётных расходов для 1% обеспеченности, равного 754 м3/с.
В ходе ВЭР была получена установленная мощность проектируемой ГЭС, равная 27 МВт и среднемноголетняя выработка 107,9 млн кВт-ч. Так же построено режимное поле, с помощью которого определены следующие напоры:
1) максимальный - 19,34 м;
2) расчётный - 16,87 м;
3) минимальный - 13,93 м.
На третьем этапе, с помощью расчётов было определено оптимальное число и тип гидроагрегатов проектируемой электростанции, так же максимальный расход через все агрегаты ГЭС, равный 183 м3/с.
В выборе турбин рассматривались два варианта ПЛ20 - В и ПЛ20 - ГК. По расчётам был выбран оптимальный вариант с тремя гидротурбинами ПЛ20 - В - 315.
Для выбранных гидротурбин был определён гидрогенератор СВ-514/100- 30УХЛ5 с номинальной активной мощностью 10 МВт.
Далее для проектируемой станции была выбрана подходящая структурная схема с простыми блоками и принята схема распределительного устройства РУ ВН 220 кВ: 2 СШ с ОШВ. После было выбрано по справочным данным и каталогам высоковольтное оборудование и оборудование на генераторном напряжении.
Затем бы выбран перечень устройств релейной защиты и автоматики с ПУЭ.
После выбора электрического оборудования и его устройств защит, была принята русловая компоновка гидроузла. Водосливная плотина принята в бетонном исполнении.
В состав сооружения гидроузла входят:
• водосбросная бетонная плотина с поверхностным эксплуатационным и аварийным донным водосливом;
• здание ГЭС;
• левобережная глухая бетонная плотина;
• правобережная глухая бетонная плотина;
На данном этапе расчётов были определены габаритные размеры и характерные отметки плотины.
Для гашения кинетической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, был принят водобойный колодец.
Произведена оценка прочности и устойчивости плотины. В результате проведённых расчётов коэффициент надёжности сооружения не превышает допустимого нормативного значения (для сооружения класс II - 1,20). Таким образом, плотина отвечает по требованиям надёжности. Плотина отвечает всем требованиям предусмотренными СП.
В соответствии с законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС.
По технико - экономическим расчётам получены следующие данные:
• дисконтированный срок окупаемости - 11,5 лет;
• себестоимость - 0,029 руб/кВт
• удельные капиталовложения - 74851 руб./кВт.
Таким образом, строительство Ланковского гидроузла в настоящее время актуально.
