СОКРАЩЕННЫЙ ПАСПОРТ КАМЕНЬСКОЙ ГЭС 7
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 10
1.3 Инженерно-геологические изыскания 11
1.4 Сейсмическая обстановка 11
1.5 Энерго-экономическая характеристика региона 12
2 Водноэнергетические расчёты и выбор установленной мощности 13
2.1 Регулирование стока воды 13
2.1.1 Определение максимальных расчетных расходов 13
2.1.2 Кривые обеспеченности расходов 14
2.1.3 Выбор расчётного средневодного года (P=50%) 15
2.1.4 Выбор расчётного маловодного года 16
2.2 Определение установленной мощности на основе водно-
энергетических расчётов 18
2.2.1 Расчёт режима работы ГЭС без регулирования с учётом
требований водохозяйственного комплекса 18
2.2.2 Баланс энергий 19
2.2.3 Водноэнергетические расчёты режима работы ГЭС в маловодном
году 20
2.2.4 Баланс мощности 20
2.2.5 Определение установленной мощности Каменьской ГЭС 21
2.2.6 Водноэнергетические расчёты режима работы ГЭС в
средневодном году, определение среднемноголетней выработки 22
3 Основное и вспомогательное оборудование ГЭС 23
3.1 Выбор числа и типа агрегатов 23
3.1.1 Построение режимного поля Каменьской ГЭС по напору и
расходу 23
3.1.2 Выбор гидротурбин по главным универсальным
характеристикам 25
3.2 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины для
обеспечения её безкавитационной работы 29
3.2.1 Работа минимального числа гидроагрегатов при максимальном
напоре Нтах и расчётной мощности 30
3.2.2 Работа минимального числа гидроагрегатов при расчетном напоре
Нр и расчётной мощности 31
3.2.3 Работа минимального числа гидроагрегатов при минимальном
напоре Hmin и соответствующей ему мощности на линии ограничения 31
3.3 Выбор вспомогательного оборудования 32
4 Электрическая часть 33
4.1 Выбор структурной схемы электрических соединении ГЭС 33
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 33
4.2.1 Выбор синхронных генераторов 33
4.2.2 Выбор повышающих трансформаторов для схем с одиночным
блоком 33
4.2.3 Выбор повышающих трансформаторов для схем с укрупнённым
блоком 35
4.2.4 Выбор трансформатора собственных нужд (СН) 36
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий распред-устройства
высшего напряжения, марки проводов воздушных линий 37
4.4 Выбор главной схемы на основе технике-экономического
обоснования 38
4.5 Выбор схемы распределительного устройства высшего напряжения. 40
4.6 Расчёт токов трёхфазного и однофазного коротких замыканий в
главной схеме с помощью ПВК RastrWin 40
4.6.1 Исходные данные для расчётов 40
4.6.2 Результаты расчёта токов КЗ 43
4.7 Определение расчётных токов рабочего и утяжеленных режимов 43
4.8 Выбор электротехнического оборудования на генераторном
напряжении 10,5 кВ 44
4.8.1 Выбор выключателей и разъединителей 44
4.8.2 Выбор синхронизаторов и анализаторов 47
4.8.3 Выбор трансформатора тока 47
4.8.4 Выбор трансформатора напряжения 49
4.9 Выбор электротехнического оборудования на напряжении 220 кВ .... 50
4.9.1 Выбор выключателей и разъединителей 50
4.9.2 Выбор синхронизаторов и анализаторов 52
4.9.3 Выбор трансформатора тока 53
4.9.4 Выбор трансформатора напряжения 54
5 Релейная защита и автоматика 55
5.1 Перечень защит блока генератор-трансформатор 55
5.2 Расчёт номинальных токов, выбор системы возбуждения и
выпрямительный трансформатор 57
5.3 Описание защит и расчёт их уставок 59
5.3.1 Расчёт уставок МТЗ и ТО выпрямительного трансформатора ... 59
5.3.2 Продольная дифференциальная защита 62
5.3.3 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора
(UN (UO)) 66
5.3.4 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 68
5.3.5 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 69
5.3.6 Защита от симметричных перегрузок (I1) 74
5.3.7 Дистанционная защита генератора (Z1<), (Z2<) 77
5.3.8 Защита от перегрузки обмотки ротора 81
5.4 Таблица уставок и матрица отключений защит 83
6 Компоновка сооружения и гидроузла 84
6.1 Назначение класса ГТС 84
6.2 Гидравлические расчёты 84
6.2.1 Определение отметки гребня плотины 84
6.2.2 Расчёт пропускной способности гидроузла 87
6.2.3 Определение расхода через другие водопропускные сооружения
гидроузла (донные отверстия и глубинные водосбросы) 89
6.2.4 Определение ширины водосливного фронта 89
6.2.5 Определение напора на водосливе 90
6.3 Расчёт сопряжения потока в НБ 93
6.4 Конструирование плотины 97
6.4.1 Определение ширины подошвы плотины 97
6.4.2 Конструирование отдельных элементов подземного контура
плотины 97
6.4.3 Разрезка бетонных плотин швами 99
6.4.4 Быки 100
6.4.5 Галереи и дренаж в теле бетонных плотин 100
6.4.6 Устои 101
6.4.7 Гребень плотины 101
6.5 Определение основных нагрузок на плотину 101
6.5.1 Вес сооружения 101
6.5.2 Сила гидростатического давления воды 102
6.5.3 Равнодействующая взвешивающего давления 103
6.5.4 Сила фильтрационного давления 103
6.5.5 Давление грунта 104
6.5.6 Волновое воздействие 105
6.6 Оценка прочности плотины 106
6.6.2 Критерии прочности плотины 109
6.6.3 Обоснование устойчивости плотины ПО
7 Мероприятия по охране окружающей среды в зоне влияния Каменьского ГУ.
Противопожарная безопасность и охрана труда 112
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 112
7.2 Пожарная безопасность 112
7.3 Охрана труда 114
7.4 Мероприятия по охране окружающей среды в зоне влияния
Каменьского ГУ 115
7.4.1 Общие сведения о районе строительства 115
7.4.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в
период строительства 116
7.4.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 117
7.4.4 Отходы, образующиеся при строительстве 118
7.4.5 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в
период эксплуатации 119
8 Технико-экономическое обоснование 121
8.1 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период
эксплуатации 121
8.1.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 121
8.1.2 Текущие расходы по гидроузлу 122
8.1.3 Налоговые расходы 124
8.2 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и
мощности 125
8.3 Анализ денежных потоков 126
8.4 Оценка инвестиционного проекта 126
8.4.1 Методология, исходные данные 127
8.4.2 Коммерческая эффективность 127
8.4.3 Бюджетная эффективность 128
8.5 Анализ чувствительности 128
9 Оценка потерь воды в гидроузлах и методы их снижения 131
9.1 Способы измерения расхода воды 131
9.2 Учёт стока воды через гидроагрегаты 133
9.3 Учет стока воды через гидротехнические сооружения 135
9.4 Учет стока воды на собственные нужды ГЭС 136
9.5 Оценка потерь воды на гидроузлах 137
9.5.1 Учет фильтрационного расхода через гидросооружения 138
9.5.2 Учет утечек (протечек) через направляющие аппараты и
неплотности затворов 144
9.5.3 Учёт потерь воды при испарении и льдообразовании 145
9.6 Методы снижения потерь 145
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 147
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 149
ПРИЛОЖЕНИЕ А Водно-энергетические расчёты 152
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Основное и вспомогательное оборудование 161
ПРИЛОЖЕНИЕ В Релейная защита и автоматика 167
Гидроэлектростанция осуществляет регулирование энергетических систем в нестационарных режимах, а также покрывает наиболее неравномерную часть графиков нагрузки. Кроме того, низкая стоимость товарной продукции ГЭС положительно сказывается на рынке ее сбыта. В настоящее время количество потребителей электрической энергии стремительно растёт в связи с развитием технологий и промышленности.
Пермский край на сегодняшний день активно развивает свою добывающую промышленность, открывает новые заводы и комбинаты, в связи с чем встает вопрос о вводе дополнительной выработке электроэнергии, энергосистема становится дефицитной. На данный момент основным источником электроэнергии являются тепловые электростанции (около 76%), что отрицательно сказывается на окружающей среде.
В данном дипломном проекте рассматривается проектирование гидроэлектростанции на реке Яйва, несмотря на затопление территорий, гидроэлектростанции является одними из самых экологически чистых источников электроэнергии. Целью дипломного проекта является проработка основных этапов проектирования гидроэлектростанции с применением полученных теоретических знаний для выбора оптимальных проектных решений. В состав проекта входит: водноэнергетические расчеты, определение установленной мощности, выбор основного и вспомогательного оборудования, расчёт устойчивости и надежности гидротехнических сооружений, экономическое обоснование строительства Каменьской ГЭС.
Таким образом, в данном дипломном проекте были определены основные параметры Каменьского гидроузла на реке Яйва.
В результате водно-энергетических расчетов была определена установленная мощность - 109 МВт и среднемноголетняя выработка - 319 млн. кВт’ч для работы в энергетической системе с учетом требований водохозяйственного комплекса (ВХК).
На следующем этапе было выбрано основное и вспомогательное оборудование, определено оптимальное число и тип гидроагрегатов электростанции. Для этого была построена область допустимых режимов ГЭС (режимное поле), на которой определены следующие напоры:
• максимальный напор Hmax = 58,9 м;
• расчётный напор Нр = 48,8 м;
• минимальный напор Hmjn = 44 м.
Из нескольких вариантов в результате расчёта была выбрана турбина РО-45-В- 400, оптимальным вариантов исходя из зоны работы и высота отсасывания имеет приемлемое значение, из всех рассматриваемых вариантов только эта турбина с этим количеством агрегатов удовлетворяет этому условию. Для выбранной турбины был выбран серийный гидрогенератор СВ-808/130-40 с номинальной полной мощностью 64,71 MBA, силовой трансформатор ТДЦ-80000/220-У1 и трансформатор собственных нужд ТС-2500/10,5.
Далее была выбрана структурная схема ГЭС с одиночными блоками и принята схема распределительного устройства - «четырёхугольник». Так же исходя из требуемого оборудования для данной схемы были выбраны выключатели, разъединители, анализаторы, синхронизаторы, трансформаторы тока и напряжения. Для одиночного блока в соответствие с ПУЭ был рассчитан перечень обязательных устройств релейной защиты.
Компоновка Каменьского гидроузла была принята приплотинной. В состав сооружения входят:
• каменно-земляная с ядром левобережная плотина;
• бетонная водосливная плотина;
• глухая центральная плотина;
• станционная бетонная плотина;
• каменно-земляная с ядром правобережная плотина;
Расчетным путем были определены основные отметки и габариты водосливной плотины:
• число и размер водопропускных отверстий - 4x3 м;
• ширина гребня - 22,9 м;
• отметка гребня плотины - 235 м;
• ширина подошвы плотины - 45 м;
• отметка подошвы плотины - 170 м;
Для гашения кинетической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применяется отброс струи. Так же в этом 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. Таким образом, плотина Каменьской ГЭС отвечает требованиям надежности и устойчивости.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период строительства и эксплуатации Каменьского гидроузла.
В результате технико-экономического расчёта получены следующие показатели:
• срок окупаемости - 126 месяцев;
• чистый приведенный доход NPV - 462 млн. руб.;
• индекс прибыльности PI - 1,12;
• себестоимость электроэнергии - 0,45 руб/кВ^ ч;
Таким образом, можем сделать вывод, что строительство Каменьской ГЭС является актуальным и выгодным с точки зрения технике-экономических показателей.
Так же в работе были рассмотрены способы и методы измерения расходы воды. Определены основные потери воды Каменьской ГЭС, а так же рассмотрены способы их оптимизации.
1. Затеева Е. Ю. Использование водной энергии. Выбор параметров ГЭС годичного регулирования / Е.Ю. Затеева, А. А. Дворцова. - Саяногорск: Сиб. федер. ун-т; Саяно-Шушенский филиал, 2019;
2. Затеева Е. Ю. Выбор параметров ГЭС: Учебно-методическое пособие к курсовому и дипломному проектированию гидротехнических объектов / Е.Ю. Затеева, Б.И. Силаев . - Саяногорск: Сиб. федер. ун-т; Саяно-Шушенский филиал,, 2005. 114 с.
3. Васильев Ю.С. Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций Т.1. / Ю.С. Васильев, Д.С. Щавелев. - Москва: Энергоатомиздат, 1988. - 400 с.
4. Васильев Ю.С. Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций Т.1. / Ю.С. Васильев, Д.С. Щавелев. - Москва: Энергоатомиздат, 1990. - 336 с.
5. Новоженин В. Д. Гидроэлектростанции России: Справочное пособие / В.Д. Новоженин, Е.В. Невский - Москва: «Институт Гидропроект», 1998. - 467 с.
6. Кох П. И. Козловые краны для гидроэлектростанций. / Кох П. И., Нещеретный П.М., Чекулаев В.А. - Москва: Машиностроение, 1972. - 168 с.
7. Брызгалов В. И. Гидроэлектростанции: Учебное пособие / В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. - 541 с.
8. СТО РусГидро 01.01.78-2012 Гидроэлектростанции. Нормы технологического проектирования. - Введ. 30.07.2012 - Москва: Федеральная гидрогенерирующая компания - РусГидро, 2012. - 290 с.
9. СТО 17230282.27.140.022-2008 Здания ГЭС и ГАЭС. Условия создания. Нормы и требования. - Введ. 10.01.2008 - Москва: ОАО РАО «ЕЭС России», 2008. - 43 с.
10. СТО 17330282.140.016-2008 Здания ГЭС и ГАЭС. Организация эксплуатации и технического обслуживания. Нормы и требования. - Введ. 30.07.2008 - Москва: ОАО РАО «ЕЭС России», 2008. - 50 с.
11. Куценов Д. А. Электрическая часть гидроэлектростанций: проектирование: учебное пособие / Д.А. Куценов, ИЮ. Погоняйченко. - 2-е изд.
• Саяногорск: Сиб. федер. ун-т; Саяно-Шушенский филиал, 2009. - 232 с.
12. СТО 56947007-29.240.014-2008 «Укрупнённые показатели стоимости сооружения (реконструкции) подстанции 35-750кВ и линий электропередачи напряжением 6,10-750кВ» - Введ. 18.04.2008 - Москва: ОАО «ФСК ЕЭС», 2008
• 12 с.
13. Неклепаев, Б. Н. Электрическая часть электростанций и подстанций: справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: учебное пособие для вузов / Б. Н. Неклепаев, И. П. Крючков. - Изд. 4-е, перераб. и доп. - Москва: Энергоатомиздат, 1989. - 608 с.
14. СТО 56947007-29.240.30.010-2008 «Схемы принципиальные
электрических распределительных устройств подстанций 35 - 750 кВ. Типовые решения» - Введ. 20.12.2007 - Москва: ОАО «ФСК ЕЭС», 2007 - 131 с.
15. Каталог «Трансформаторно-реакторное оборудование» [Электронный
ресурс] // УЭТМ. - Режим доступа: https://www.uetm.ru/katalog-
produktsii/?url=transformarno-reaktornoe+oborudovanie....41