ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОККИНСКОЙ ГЭС НА РЕКЕ ТОККО. НАБЛЮДЕНИЯ ЗА НАПРЯЖЕННЫМ СОСТОЯНИЕМ СООРУЖЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ДИСТАНЦИОННОЙ КИА
|
СОКРАЩЕННЫЙ ПАСПОРТ ТОККИНСКОЙ ГЭС 9
ВВЕДЕНИИЕ 11
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирование гидроэлектростанции 12
1.1. Природные условия 12
1.1.1 Климат 12
1.1.2 Гидрологические данные 12
1.1.3 Сейсмические условия 14
1.2 Аналог проектируемого гидроузла 14
2 Водно-энергетический расчет и выбор установленной мощности 14
2.1 Регулирование стока воды 14
2.1.1 исходные данные 14
2.1.2 Определение максимальных расчетных расходов 15
2.1.3 Кривые обеспеченности расходов 16
2.1.4 Выбор расчетного средневодного года 17
2.1.5 Выбор расчетного маловодного года 18
2.1.6 Корректировка расходов и построение гидрографа 18
2.1.7 Определение типа регулирования 19
2.2 Определение установленной мощности на основании водно¬энергетического расчета 20
2.2.1 Расчет режима работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственного комплекса 20
2.2.2 Баланс энергии 21
2.2.3 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в маловодном году . 22
2.2.4 Расчет установленной мощности, проектируемой ГЭС 23
2.2.5 Баланс мощности 23
2.2.7 Построение режимного поля 25
3 Основное и вспомогательное оборудование ГЭС 26
3.1 Выбор системы и типа гидротурбины 26
3.2 Выбор номинального диаметра рабочего колеса 27
3.3 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 30
3.4 Расчёт и построение плана металлической спиральной камеры с круглым
сечением и полным охватом 32
3.5 Выбор типа серийного генератора 35
3.6.1 Расчет вала на прочность 36
3.6.2 Расчет подшипника 36
3.7 Выбор вспомогательного оборудования 37
3.7.1 Выбор маслонапорной установки 37
4 Электрическая часть 38
4.1 Выбор структурных схем электрических соединений ГЭС 38
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 38
4.2.1 Выбор синхронного генератора 38
4.2.2 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с одиночным блоком. 39
4.2.3 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с укрупненным блоком 41
4.2.4 трансформаторов собственных нужд 42
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий, распределительного
устройства и марки проводов воздушной линий 42
4.4 Выбор главной схемы ГЭС на основании технике - экономического расчета 44
4.5 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего напряжения 45
4.6 Расчёт токов трехфазного и однофазного коротких замыканий в главной
схеме при помощи программного обеспечения «RastrWin» с выбором оборудования 46
4.6.1 Расчёт исходных данных 46
4.6.2 Внесение исходных данных в программный комплекс и расчёт токов
короткого замыкания на СШ и генераторном напряжении в программном комплексе «RastrWin» 47
4.6.3 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима 49
4.6.4 Выбор электротехнического оборудования на генераторном напряжении
10,5 кВ 50
4.7 Выбор трансформаторов тока и напряжения 55
4.8 Выбор параметров КРУЭ 58
5 Релейная защита и автоматика 58
5.1 Технические данные оборудования 58
5.2 Расчёт номинальных токов 59
5.3 Описание защит и расчет их уставок 61
5.3.1 Защиты системы возбуждения 61
5.3.2 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 63
5.3.4 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 69
5.3.5 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 69
5.3.6 Защита от симметричных перегрузок (/1) 73
5.3.7 Дистанционная защита генератора Z1 <,Z2 < 75
5.3.8 Защита от перегрузки обмотки ротора 78
5.4 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 79
6 Компоновка сооружения гидроузла 79
6.1 Проектирование водосливной плотины 79
6.1.1 Определение отметки гребня грунтовой плотины 80
6.1.2 Расчёт параметров волнового воздействия 80
6.2 Гидравлические расчёты 82
6.2.1 Определение ширины водосливного фронта 82
6.2.2 Определение отметки гребня водослива 83
6.2.3 Проверка на пропуск расчётного расходах при поверочном расчётном
случае 84
6.2.4 Построение профиля водосливной грани 85
6.2.5 Расчёт сопряжения потока в нижнем бьефе 86
6.2.6 Гашение энергии способом свободно отброшенной струи 87
6.3 Конструирование плотины 89
6.3.1 Определение ширины подошвы плотины 89
6.3.2 Разрезка бетонной плотины швами 89
6.3.3 Быки 89
6.3.4 Устои 90
6.3.5 Дренаж тела бетонной плотины 90
6.3.6 Галереи в теле плотины 90
6.4.1 Противофильтрационная завеса 91
6.4.2 Дренажные устройства в основании 91
6.5 Определение основных нагрузок на плотину 91
6.5.1 Вес сооружения 91
6.5.2 Расчёты гидростатического давления 92
6.5.3 Равнодействующая взвешивающего давления 92
6.5.4 Сила фильтрационного давления 93
6.5.5 Давление грунта 93
6.6 Расчёт прочности плотины 95
6.6.1 Определение напряжений 95
6.6.2 Критерии прочности плотины 98
6.6.3 Расчёт устойчивости плотины 99
7 Охрана труда. Пожарная безопасность. Охрана окружающей среды 100
7.1 Охрана труда 100
7.1.1 Система управления охраной труда 102
7.3 Охрана окружающей среды 110
7.3.1 общие сведения о районе строительства 110
7.3.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 111
7.3.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 113
7.3.4 Отходы, образующиеся при строительстве 115
8 Технико-экономические показатели 117
8.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 117
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 117
8.3 Налоговые расходы 120
8.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности 120
8.5 Анализ денежных потоков 121
8.6 Оценка инвестиционного проекта 122
8.7 Методология, исходные данные 122
8.8 Коммерческая эффективность 123
8.9 Бюджетная эффективность 123
8.10 Анализ чувствительности 124
9 Наблюдение за напряженным состоянием сооружения при помощи
дистанционной КИА 125
9.1 Оборудование для автоматизированного мониторинга гидротехнических
сооружений 125
9.1.1 Напряженно-деформированное состояние плотины и ее элементов 126
9.1.2 Тензометр (ТБ) 128
9.2 Структурная схема САК НДС Токкинской ГЭС 129
9.3 САК НДС на базе «Струна -4М» 135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 139
ПРИЛОЖЕНИЕ А 141
Анализ исходных данных 141
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Водно-энергетические расчёты 144
ПРИЛОЖЕНИЕ В Основное и вспомогательное оборудование 151
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Таблица уставок и матрица отключений 153
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Сбор Нагрузок 155
ВВЕДЕНИИЕ 11
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирование гидроэлектростанции 12
1.1. Природные условия 12
1.1.1 Климат 12
1.1.2 Гидрологические данные 12
1.1.3 Сейсмические условия 14
1.2 Аналог проектируемого гидроузла 14
2 Водно-энергетический расчет и выбор установленной мощности 14
2.1 Регулирование стока воды 14
2.1.1 исходные данные 14
2.1.2 Определение максимальных расчетных расходов 15
2.1.3 Кривые обеспеченности расходов 16
2.1.4 Выбор расчетного средневодного года 17
2.1.5 Выбор расчетного маловодного года 18
2.1.6 Корректировка расходов и построение гидрографа 18
2.1.7 Определение типа регулирования 19
2.2 Определение установленной мощности на основании водно¬энергетического расчета 20
2.2.1 Расчет режима работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственного комплекса 20
2.2.2 Баланс энергии 21
2.2.3 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в маловодном году . 22
2.2.4 Расчет установленной мощности, проектируемой ГЭС 23
2.2.5 Баланс мощности 23
2.2.7 Построение режимного поля 25
3 Основное и вспомогательное оборудование ГЭС 26
3.1 Выбор системы и типа гидротурбины 26
3.2 Выбор номинального диаметра рабочего колеса 27
3.3 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 30
3.4 Расчёт и построение плана металлической спиральной камеры с круглым
сечением и полным охватом 32
3.5 Выбор типа серийного генератора 35
3.6.1 Расчет вала на прочность 36
3.6.2 Расчет подшипника 36
3.7 Выбор вспомогательного оборудования 37
3.7.1 Выбор маслонапорной установки 37
4 Электрическая часть 38
4.1 Выбор структурных схем электрических соединений ГЭС 38
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 38
4.2.1 Выбор синхронного генератора 38
4.2.2 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с одиночным блоком. 39
4.2.3 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с укрупненным блоком 41
4.2.4 трансформаторов собственных нужд 42
4.3 Выбор количества отходящих воздушных линий, распределительного
устройства и марки проводов воздушной линий 42
4.4 Выбор главной схемы ГЭС на основании технике - экономического расчета 44
4.5 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего напряжения 45
4.6 Расчёт токов трехфазного и однофазного коротких замыканий в главной
схеме при помощи программного обеспечения «RastrWin» с выбором оборудования 46
4.6.1 Расчёт исходных данных 46
4.6.2 Внесение исходных данных в программный комплекс и расчёт токов
короткого замыкания на СШ и генераторном напряжении в программном комплексе «RastrWin» 47
4.6.3 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режима 49
4.6.4 Выбор электротехнического оборудования на генераторном напряжении
10,5 кВ 50
4.7 Выбор трансформаторов тока и напряжения 55
4.8 Выбор параметров КРУЭ 58
5 Релейная защита и автоматика 58
5.1 Технические данные оборудования 58
5.2 Расчёт номинальных токов 59
5.3 Описание защит и расчет их уставок 61
5.3.1 Защиты системы возбуждения 61
5.3.2 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 63
5.3.4 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 69
5.3.5 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 69
5.3.6 Защита от симметричных перегрузок (/1) 73
5.3.7 Дистанционная защита генератора Z1 <,Z2 < 75
5.3.8 Защита от перегрузки обмотки ротора 78
5.4 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 79
6 Компоновка сооружения гидроузла 79
6.1 Проектирование водосливной плотины 79
6.1.1 Определение отметки гребня грунтовой плотины 80
6.1.2 Расчёт параметров волнового воздействия 80
6.2 Гидравлические расчёты 82
6.2.1 Определение ширины водосливного фронта 82
6.2.2 Определение отметки гребня водослива 83
6.2.3 Проверка на пропуск расчётного расходах при поверочном расчётном
случае 84
6.2.4 Построение профиля водосливной грани 85
6.2.5 Расчёт сопряжения потока в нижнем бьефе 86
6.2.6 Гашение энергии способом свободно отброшенной струи 87
6.3 Конструирование плотины 89
6.3.1 Определение ширины подошвы плотины 89
6.3.2 Разрезка бетонной плотины швами 89
6.3.3 Быки 89
6.3.4 Устои 90
6.3.5 Дренаж тела бетонной плотины 90
6.3.6 Галереи в теле плотины 90
6.4.1 Противофильтрационная завеса 91
6.4.2 Дренажные устройства в основании 91
6.5 Определение основных нагрузок на плотину 91
6.5.1 Вес сооружения 91
6.5.2 Расчёты гидростатического давления 92
6.5.3 Равнодействующая взвешивающего давления 92
6.5.4 Сила фильтрационного давления 93
6.5.5 Давление грунта 93
6.6 Расчёт прочности плотины 95
6.6.1 Определение напряжений 95
6.6.2 Критерии прочности плотины 98
6.6.3 Расчёт устойчивости плотины 99
7 Охрана труда. Пожарная безопасность. Охрана окружающей среды 100
7.1 Охрана труда 100
7.1.1 Система управления охраной труда 102
7.3 Охрана окружающей среды 110
7.3.1 общие сведения о районе строительства 110
7.3.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 111
7.3.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 113
7.3.4 Отходы, образующиеся при строительстве 115
8 Технико-экономические показатели 117
8.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 117
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 117
8.3 Налоговые расходы 120
8.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности 120
8.5 Анализ денежных потоков 121
8.6 Оценка инвестиционного проекта 122
8.7 Методология, исходные данные 122
8.8 Коммерческая эффективность 123
8.9 Бюджетная эффективность 123
8.10 Анализ чувствительности 124
9 Наблюдение за напряженным состоянием сооружения при помощи
дистанционной КИА 125
9.1 Оборудование для автоматизированного мониторинга гидротехнических
сооружений 125
9.1.1 Напряженно-деформированное состояние плотины и ее элементов 126
9.1.2 Тензометр (ТБ) 128
9.2 Структурная схема САК НДС Токкинской ГЭС 129
9.3 САК НДС на базе «Струна -4М» 135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 139
ПРИЛОЖЕНИЕ А 141
Анализ исходных данных 141
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Водно-энергетические расчёты 144
ПРИЛОЖЕНИЕ В Основное и вспомогательное оборудование 151
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Таблица уставок и матрица отключений 153
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Сбор Нагрузок 155
Энергетика играет важную роль, как для обычного потребителя, так и для всей промышленности. В настоящее время, в связи с развитием технологий растет число потребителей электрической энергии. Правильное использование ресурсов электроэнергетики создают необходимые условия для роста экономики и повышения качества жизни населения страны.
Гидроэлектростанции считаются экологически безопасным объектом, так как не использует нефть, газ, твердого топлива и ядерного горючего, тем самым не загрязняет атмосферу и окружающую среду.
Целью дипломного проекта является проработка основных этапов проектирования гидроэлектростанции и в процессе проработки, нахождение оптимальных проектных решений. В проект входят такие аспекты, как определение установленной мощности, выбор основного и вспомогательного энергетического оборудования, расчет гидротехнических сооружений. Охрана окружающей среды и труда, а также экономическое обоснование реализации проекта.
Гидроэлектростанции считаются экологически безопасным объектом, так как не использует нефть, газ, твердого топлива и ядерного горючего, тем самым не загрязняет атмосферу и окружающую среду.
Целью дипломного проекта является проработка основных этапов проектирования гидроэлектростанции и в процессе проработки, нахождение оптимальных проектных решений. В проект входят такие аспекты, как определение установленной мощности, выбор основного и вспомогательного энергетического оборудования, расчет гидротехнических сооружений. Охрана окружающей среды и труда, а также экономическое обоснование реализации проекта.
В ходе выполнения бакалаврской работы удалось рассчитать и определить основные элементы и параметры Токкинского гидроузла на реке Токко, являющегося сооружением III класса.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчётных расходов для случаев: основного, обеспеченностью 3 %, и поверочного, обеспеченностью 0,5%, равных 814 и 988 м3/с соответственно.
В ходе водно-энергетических расчётов была выбрана установленная мощность, равная 72 МВт. Также был определён уровень мёртвого объёма, отметка которого составила 182,37 м. Полезный объём при отметке НПУ составил 1,375 км3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 341 млн. кВт • ч.
На этапе проектирования и выбора основного и вспомогательного оборудования определено оптимальное число и тип гидроагрегатов ГЭС. Для этого была построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
максимальный - 49,2 м;
расчётный - 35,6 м;
минимальный - 29,5 м.
Выбрана гидротурбина ПЛ50-В-400. По результатам расчётов оптимальным оказалась установка 2 гидроагрегатов, диаметрами рабочих колёс 4,0 м.
Для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 187,5 об/мин подобран серийный гидрогенератор ВГС 650/130-32 с номинальной активной мощностью 36 МВт.
Структурная схема ГЭС выбрана с одиночными блоками и принята схема комплектного распределительного устройства - «две системы сборных шин». По справочным и каталожным данным заводов-изготовителей выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТРДЦН-63000/110, трансформаторы собственных нужд ТСЗ-6000/13,8, для ЛЭП - сталеалюминевые провода марки АС 3000/39.
Опираясь на ПУЭ рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики и выполнен расчет уставок срабатывания защит гидрогенератора.
Компоновка гидроузла принята приплотинная. В состав Токийского гидроузла входят:
- глухая левобережная грунтовая плотина;
- водосливная бетонная плотина;
- станционная бетонная плотина;
- глухая правобережная грунтовая плотина.
В расчётным путем определены габаритные размеры и характерные отметки водосливной плотины:
- ширина подошвы - 40,20 м;
- отметка подошвы - 146,00 м;
- отметка гребня водослива - 204,90 м;
- число водосливных отверстий - 4;
- ширина водосливных отверстий - 5,5 м;
- отметка гребня плотины - 204,90 м.
По расчетным данным в качестве гасителя энергии принят способ отброшенной струи.
Произведенная оценка плотины на прочность показала, что сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Следовательно, плотина Токкинской ГЭС отвечает требованиям надёжности.
Рассмотрены организационные мероприятия безопасности ГТС и охраны труда эксплуатирующих подразделений. Приведены нормы и правила в процессе строительства и эксплуатации по охране окружающей среды
Технико-экономические показатели:
- срок окупаемости 8 лет, 4 месяца;
- чистый приведенный доход NPV- 494 млн. руб;
- индекс прибыльности PI-1,17;
- себестоимость электроэнергии - 0,37 руб./кВт-ч;
Таким образом, строительство Токкинской ГЭС на реке Токко является экономически выгодным, выработанная энергия будет обеспечивать Якутское РДУ.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчётных расходов для случаев: основного, обеспеченностью 3 %, и поверочного, обеспеченностью 0,5%, равных 814 и 988 м3/с соответственно.
В ходе водно-энергетических расчётов была выбрана установленная мощность, равная 72 МВт. Также был определён уровень мёртвого объёма, отметка которого составила 182,37 м. Полезный объём при отметке НПУ составил 1,375 км3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 341 млн. кВт • ч.
На этапе проектирования и выбора основного и вспомогательного оборудования определено оптимальное число и тип гидроагрегатов ГЭС. Для этого была построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
максимальный - 49,2 м;
расчётный - 35,6 м;
минимальный - 29,5 м.
Выбрана гидротурбина ПЛ50-В-400. По результатам расчётов оптимальным оказалась установка 2 гидроагрегатов, диаметрами рабочих колёс 4,0 м.
Для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 187,5 об/мин подобран серийный гидрогенератор ВГС 650/130-32 с номинальной активной мощностью 36 МВт.
Структурная схема ГЭС выбрана с одиночными блоками и принята схема комплектного распределительного устройства - «две системы сборных шин». По справочным и каталожным данным заводов-изготовителей выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТРДЦН-63000/110, трансформаторы собственных нужд ТСЗ-6000/13,8, для ЛЭП - сталеалюминевые провода марки АС 3000/39.
Опираясь на ПУЭ рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики и выполнен расчет уставок срабатывания защит гидрогенератора.
Компоновка гидроузла принята приплотинная. В состав Токийского гидроузла входят:
- глухая левобережная грунтовая плотина;
- водосливная бетонная плотина;
- станционная бетонная плотина;
- глухая правобережная грунтовая плотина.
В расчётным путем определены габаритные размеры и характерные отметки водосливной плотины:
- ширина подошвы - 40,20 м;
- отметка подошвы - 146,00 м;
- отметка гребня водослива - 204,90 м;
- число водосливных отверстий - 4;
- ширина водосливных отверстий - 5,5 м;
- отметка гребня плотины - 204,90 м.
По расчетным данным в качестве гасителя энергии принят способ отброшенной струи.
Произведенная оценка плотины на прочность показала, что сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Следовательно, плотина Токкинской ГЭС отвечает требованиям надёжности.
Рассмотрены организационные мероприятия безопасности ГТС и охраны труда эксплуатирующих подразделений. Приведены нормы и правила в процессе строительства и эксплуатации по охране окружающей среды
Технико-экономические показатели:
- срок окупаемости 8 лет, 4 месяца;
- чистый приведенный доход NPV- 494 млн. руб;
- индекс прибыльности PI-1,17;
- себестоимость электроэнергии - 0,37 руб./кВт-ч;
Таким образом, строительство Токкинской ГЭС на реке Токко является экономически выгодным, выработанная энергия будет обеспечивать Якутское РДУ.
