ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАЗЫРСКОЙ ГЭС НА РЕКЕ КАЗЫР. МЕТОДЫ ПРОВЕРКИ И ИСПРАВЛЕНИЯ ЛИНИЙ ВАЛА ГА.
|
СОКРАЩЁННЫЙ ПАСПОРТ КАЗЫРСКОЙ ГЭС 7
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий функционирования
ГЭС 10
1.1 Гидрологические данные 10
1.2 Данные по энергосистеме 12
2 Водно-энергетические расчёты 14
2.1 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года при
заданной обеспеченности стока 14
2.1.1 Выбор расчетного средневодного года (Р=50%) 15
2.1.2 Выбор расчетного маловодного года (Р=90%) 16
2.2 Расчет режимов работы ГЭС с учётом требований ВХК 17
2.3 Баланс энергии 18
2.4 Водно-энергетический расчёт на сработку-наполнение водохранилища в
маловодный (P=90%) год 19
2.5 Определение рабочей мощности, проектируемой ГЭС 20
2.6 Баланс мощностей 21
2.7 Водно-энергетический расчёт на сработку-наполнение водохранилища в
средневодный (P=50%) год 22
3 Основное вспомогательное оборудование 24
3.1 Построение режимного поля 24
3.2 Выбор системы и количества гидроагрегатов 26
3.3 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 31
3.4 Выбор типа серийного гидрогенератора 32
3.5 Расчет спиральной камеры 33
3.6 Расчёт деталей и узлов гидротурбины 35
3.6.1 Расчет вала на прочность 35
3.6.2 Расчет подшипника 36
3.7 Выбор маслонапорной установки и электрогидравлического регулятора 37
3.8 Выбор геометрических размеров машинного зала 37
4 Электрическая часть 39
4.1 Выбор структурной схемы электрических соединений 39
4.2 Выбор основного оборудования ГЭС 39
4.2.1 Выбор трансформаторов собственных нужд 39
4.2.2 Выбор главных повышающих трансформаторов для схемы с
одиночными блоками 40
4.2.3 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с укрупненным
блоком 41
4.3 Количество отходящих линий 43
4.4 Выбор схемы распределительного устройства 44
4.5 Технико-экономический расчет 45
4.6 Расчет токов короткого замыкания 46
4.6.1 Параметры элементов схемы для расчета токов КЗ 46
4.6.2 Расчет токов КЗ с помощью программного обеспечения RastrWin . 47
4.7 Выбор и проверка оборудования 49
4.7.1 Определение расчетных токов рабочего и утяжеленного режима ... 49
4.7.2 Выбор электрооборудования для генераторного напряжения 50
4.7.3 Выбор генераторного синхронизатора и сетевого анализатора 51
4.7.4 Выбор трансформаторов тока и напряжения 52
4.8 Выбор электрооборудования для РУ 110 кВ 52
4.8.1 Выбор трансформаторов тока и напряжения для РУ 110 кВ 54
4.9 Выбор дизель - генератора 54
4.10 Выбор резервного трансформатора собственных нужд 54
5 Релейная защита и автоматика 55
5.1 Технические данные оборудования 55
5.2 Перечень защит основного оборудования 56
5.3 Расчет номинальных токов 57
5.4 Описание и расчет уставок защит 59
5.4.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 59
5.4.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (Un
(Uo)) 61
5.4.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 64
5.4.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок
и внешних несимметричных коротких замыканий (/2) 64
5.4.5 Защита от симметричных перегрузок (I1) 68
5.4.6 Дистанционная защита генератора Z1 <,Z2 < 70
5.4.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 73
5.5 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 75
5.6 Таблица уставок и матрица отключений защит 75
6 Компоновка и сооружения гидроузла 77
6.1 Определение класса сооружения 77
6.2 Определение отметки гребня плотины 77
6.2.1 Грунтовая плотина 77
6.3 Гидравлический расчет 80
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 80
6.3.2 Определение отметки гребня водослива 81
6.3.3 Построение профиля водосливной грани 83
6.3.4 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 84
6.3.5 Расчет водобоя после плотины 86
6.3.6 Расчет водобойной стенки 86
6.3.7 Расчет сопряжения потока после водобойной стенки 87
6.3.8 Расчет второй водобойной стенки 87
6.3.9 Расчет сопряжения потока после второй водобойной стенки 88
6.4 Проверка на пропуск расчетного расхода при поверочном расчетном
случае 89
6.5 Расчет аварийного водосброса 90
6.6 Конструирование плотины 91
6.6.1 Определение ширины подошвы плотины 91
6.6.2 Разрезка бетонных плотин швами 93
6.6.3 Быки 94
6.6.4 Назначение ширины гребня 94
6.6.5 Устои 94
6.6.6 Дренаж тела бетонных плотин 94
6.6.7 Галереи в теле плотины 95
6.6.8 Расчет фильтрации в основании бетонной плотины 95
6.7 Конструктивные элементы нижнего бьефа 97
6.8 Определение основных нагрузок на плотину 97
6.8.1 Вес сооружения и затворов 97
6.8.2 Сила гидростатического давления 98
6.8.3 Сила взвешивающего давления 99
6.8.4 Сила фильтрационного давления 99
6.8.5 Давление грунта 100
6.8.6 Волновое давление 101
6.9 Оценка прочности плотины 102
6.10 Критерии прочности плотины и её основания 104
6.11 Обоснование устойчивости плотины 105
7 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации
107
7.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 107
7.2 Текущие расходы на производство электроэнергии 108
7.3 Налоговые расходы 110
7.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности... 111
7.5 Оценка инвестиционного проекта 114
7.5.1 Методология и исходные данные 114
7.5.2 Коммерческая эффективность 114
7.5.3 Бюджетная эффективность 115
7.6 Анализ чувствительности 115
8 Мероприятия по охране окружающей среды Казырского гидроузла 119
8.1 Охрана природы 119
8.1.1 Общие сведения, охрана окружающей среды 119
8.1.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 119
8.1.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 122
8.1.4Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период эксплуатации 124
9 Безопасность гидротехнических сооружений, охрана труда 126
9.1 Охрана труда 126
9.2 Пожарная безопасность 128
9.2.1 Объекты водяного пожаротушения на ГЭС 129
9.2.2 Пожарная безопасность в кабельных помещениях 130
10 Методы проверки и исправления линий вала ГА 132
10.1 Проверка общей линии вала методом поворота ротора на 360° 133
10.2 Проверка уклона валов 136
10.2.1 Проверка линии вала методом четырех струн 138
10.3 Методы исправления линий вала ГА 142
10.3.1 Устранение неперпендикулярности зеркального диска 142
10.3.2 Устранение излома линии валов во фланцах 143
10.3.3 Устранение уклона линии валов 144
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 146
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 148
ПРИЛОЖЕНИЕ А Водно-энергетические расчеты 151
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Параметры и характеристика гидротурбины 159
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий функционирования
ГЭС 10
1.1 Гидрологические данные 10
1.2 Данные по энергосистеме 12
2 Водно-энергетические расчёты 14
2.1 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года при
заданной обеспеченности стока 14
2.1.1 Выбор расчетного средневодного года (Р=50%) 15
2.1.2 Выбор расчетного маловодного года (Р=90%) 16
2.2 Расчет режимов работы ГЭС с учётом требований ВХК 17
2.3 Баланс энергии 18
2.4 Водно-энергетический расчёт на сработку-наполнение водохранилища в
маловодный (P=90%) год 19
2.5 Определение рабочей мощности, проектируемой ГЭС 20
2.6 Баланс мощностей 21
2.7 Водно-энергетический расчёт на сработку-наполнение водохранилища в
средневодный (P=50%) год 22
3 Основное вспомогательное оборудование 24
3.1 Построение режимного поля 24
3.2 Выбор системы и количества гидроагрегатов 26
3.3 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 31
3.4 Выбор типа серийного гидрогенератора 32
3.5 Расчет спиральной камеры 33
3.6 Расчёт деталей и узлов гидротурбины 35
3.6.1 Расчет вала на прочность 35
3.6.2 Расчет подшипника 36
3.7 Выбор маслонапорной установки и электрогидравлического регулятора 37
3.8 Выбор геометрических размеров машинного зала 37
4 Электрическая часть 39
4.1 Выбор структурной схемы электрических соединений 39
4.2 Выбор основного оборудования ГЭС 39
4.2.1 Выбор трансформаторов собственных нужд 39
4.2.2 Выбор главных повышающих трансформаторов для схемы с
одиночными блоками 40
4.2.3 Выбор повышающих трансформаторов для схемы с укрупненным
блоком 41
4.3 Количество отходящих линий 43
4.4 Выбор схемы распределительного устройства 44
4.5 Технико-экономический расчет 45
4.6 Расчет токов короткого замыкания 46
4.6.1 Параметры элементов схемы для расчета токов КЗ 46
4.6.2 Расчет токов КЗ с помощью программного обеспечения RastrWin . 47
4.7 Выбор и проверка оборудования 49
4.7.1 Определение расчетных токов рабочего и утяжеленного режима ... 49
4.7.2 Выбор электрооборудования для генераторного напряжения 50
4.7.3 Выбор генераторного синхронизатора и сетевого анализатора 51
4.7.4 Выбор трансформаторов тока и напряжения 52
4.8 Выбор электрооборудования для РУ 110 кВ 52
4.8.1 Выбор трансформаторов тока и напряжения для РУ 110 кВ 54
4.9 Выбор дизель - генератора 54
4.10 Выбор резервного трансформатора собственных нужд 54
5 Релейная защита и автоматика 55
5.1 Технические данные оборудования 55
5.2 Перечень защит основного оборудования 56
5.3 Расчет номинальных токов 57
5.4 Описание и расчет уставок защит 59
5.4.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 59
5.4.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (Un
(Uo)) 61
5.4.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 64
5.4.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок
и внешних несимметричных коротких замыканий (/2) 64
5.4.5 Защита от симметричных перегрузок (I1) 68
5.4.6 Дистанционная защита генератора Z1 <,Z2 < 70
5.4.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 73
5.5 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 75
5.6 Таблица уставок и матрица отключений защит 75
6 Компоновка и сооружения гидроузла 77
6.1 Определение класса сооружения 77
6.2 Определение отметки гребня плотины 77
6.2.1 Грунтовая плотина 77
6.3 Гидравлический расчет 80
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 80
6.3.2 Определение отметки гребня водослива 81
6.3.3 Построение профиля водосливной грани 83
6.3.4 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 84
6.3.5 Расчет водобоя после плотины 86
6.3.6 Расчет водобойной стенки 86
6.3.7 Расчет сопряжения потока после водобойной стенки 87
6.3.8 Расчет второй водобойной стенки 87
6.3.9 Расчет сопряжения потока после второй водобойной стенки 88
6.4 Проверка на пропуск расчетного расхода при поверочном расчетном
случае 89
6.5 Расчет аварийного водосброса 90
6.6 Конструирование плотины 91
6.6.1 Определение ширины подошвы плотины 91
6.6.2 Разрезка бетонных плотин швами 93
6.6.3 Быки 94
6.6.4 Назначение ширины гребня 94
6.6.5 Устои 94
6.6.6 Дренаж тела бетонных плотин 94
6.6.7 Галереи в теле плотины 95
6.6.8 Расчет фильтрации в основании бетонной плотины 95
6.7 Конструктивные элементы нижнего бьефа 97
6.8 Определение основных нагрузок на плотину 97
6.8.1 Вес сооружения и затворов 97
6.8.2 Сила гидростатического давления 98
6.8.3 Сила взвешивающего давления 99
6.8.4 Сила фильтрационного давления 99
6.8.5 Давление грунта 100
6.8.6 Волновое давление 101
6.9 Оценка прочности плотины 102
6.10 Критерии прочности плотины и её основания 104
6.11 Обоснование устойчивости плотины 105
7 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации
107
7.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 107
7.2 Текущие расходы на производство электроэнергии 108
7.3 Налоговые расходы 110
7.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности... 111
7.5 Оценка инвестиционного проекта 114
7.5.1 Методология и исходные данные 114
7.5.2 Коммерческая эффективность 114
7.5.3 Бюджетная эффективность 115
7.6 Анализ чувствительности 115
8 Мероприятия по охране окружающей среды Казырского гидроузла 119
8.1 Охрана природы 119
8.1.1 Общие сведения, охрана окружающей среды 119
8.1.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 119
8.1.3 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 122
8.1.4Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период эксплуатации 124
9 Безопасность гидротехнических сооружений, охрана труда 126
9.1 Охрана труда 126
9.2 Пожарная безопасность 128
9.2.1 Объекты водяного пожаротушения на ГЭС 129
9.2.2 Пожарная безопасность в кабельных помещениях 130
10 Методы проверки и исправления линий вала ГА 132
10.1 Проверка общей линии вала методом поворота ротора на 360° 133
10.2 Проверка уклона валов 136
10.2.1 Проверка линии вала методом четырех струн 138
10.3 Методы исправления линий вала ГА 142
10.3.1 Устранение неперпендикулярности зеркального диска 142
10.3.2 Устранение излома линии валов во фланцах 143
10.3.3 Устранение уклона линии валов 144
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 146
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 148
ПРИЛОЖЕНИЕ А Водно-энергетические расчеты 151
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Параметры и характеристика гидротурбины 159
Электроэнергетика — отрасль экономики Российской Федерации, включающая в себя комплекс экономических отношений, возникающих в процессе производства (в том числе производства в режиме комбинированной выработки электрической и тепловой энергии), передачи электрической энергии, оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике, сбыта и потребления электрической энергии с использованием производственных и иных имущественных объектов. Электроэнергетика является основой функционирования экономики и жизнеобеспечения.
Гидроэнергетика является наиболее эффективным способом получения электроэнергии, так как производство электроэнергии с меньшими издержками, по сравнению с ТЭС и АЭС.
Также гидроэлектростанции экологически безопасные объекты, так как не используют нефть, газ, ядерное горючее, тем самым не загрязняют атмосферу и окружающую среду. Человечеству электроэнергия нужна, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) не бесконечны. Таким образом, необходимо развивать гидроэнергетику в настоящее время.
Целью бакалаврской работы является проработка основных этапов проектирования ГЭС и в процессе проработки, необходимо найти оптимальные проектные решения с применением теоретических знаний.
Гидроэнергетика является наиболее эффективным способом получения электроэнергии, так как производство электроэнергии с меньшими издержками, по сравнению с ТЭС и АЭС.
Также гидроэлектростанции экологически безопасные объекты, так как не используют нефть, газ, ядерное горючее, тем самым не загрязняют атмосферу и окружающую среду. Человечеству электроэнергия нужна, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) не бесконечны. Таким образом, необходимо развивать гидроэнергетику в настоящее время.
Целью бакалаврской работы является проработка основных этапов проектирования ГЭС и в процессе проработки, необходимо найти оптимальные проектные решения с применением теоретических знаний.
Рассчитаны и определены показатели, выбраны элементы и параметры Казырской ГЭС, с плотиной высотой 40 м на реке Казыр, являющейся сооружением III класса.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчётных расходов для основного обеспеченностью 3% и поверочного 0,5% обеспеченности случаев: Qs% = 1496,0 м3/с., Qo,5%> = 1690,0 м3/с.
В ходе водно-энергетических расчётов выбрана установленная мощность Казырской ГЭС, а также определена зона её работы в годовых графиках нагрузки. Установленная мощность составила 114 МВт. Определён уровень мёртвого объёма, отметка которого составила 429,29 м. Полезный объём при отметке НПУ составляет 5,56 км3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 0,7 млрд. кВт-ч.
На следующем этапе определено оптимальное число и тип гидроагрегатов гидроэлектростанции. Для этого построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
- максимальный - 29,9 м;
- расчётный - 24,25 м;
- минимальный - 18,10 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчётному напору, составляет 513 м3/с.
Выбрана гидротурбина ПЛ 30а-В-560. По результатам расчётов оптимальным оказался вариант с 3 гидроагрегатами, диаметрами рабочих колёс 5,6 м.
Для выбранной поворотно - лопастной турбины с синхронной частотой вращения 115,4 об/мин подобран серийный гидрогенератор СВ 840/130-52 с номинальной активной мощностью 40 МВт.
Далее выбрана структурная схема ГЭС с единичными блоками и принята схема распределительного устройства на 7 присоединений (четыре воздушных линии, три генераторных присоединения) ОРУ 110 кВ - с одной рабочей секционированной выключателем системой сборных шин. По справочным данным и каталогам выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ 80000/110-У1, трансформаторы собственных нужд ТСЗ-1600/10,5/6, для ВЛЭП - провод марки АС 120/19.
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
Казырская ГЭС спроектирована по русловой схеме.
В состав сооружений входят:
- водосливная бетонная плотина;
- левобережная глухая грунтовая плотина;
- правобережная глухая грунтовая плотина;
На данном этапе расчётным путем определены габаритные размеры и характерные отметки водосливной плотины створа:
- ширина подошвы - 26,30 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 405 м;
- отметка гребная водослива - 445 м;
- число водосливных отверстий - 3;
- ширина водосливных отверстий - 20 м;
- отметка гребня плотины - 445 м.
В этом же 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 Казырская ГЭС отвечает требованиям надёжности.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
Оценка эффективности капиталовложений в такое масштабное производство, как гидроэнергетика показывает, в лучшем случае:
- срок окупаемость - 10 лет, 4 месяца;
- себестоимость электроэнергии - 1,23 руб./кВт-ч;
- удельные капиталовложения - 67377,19 руб./кВт.
Из этого можно сделать вывод, что строительство Казырской ГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчётных расходов для основного обеспеченностью 3% и поверочного 0,5% обеспеченности случаев: Qs% = 1496,0 м3/с., Qo,5%> = 1690,0 м3/с.
В ходе водно-энергетических расчётов выбрана установленная мощность Казырской ГЭС, а также определена зона её работы в годовых графиках нагрузки. Установленная мощность составила 114 МВт. Определён уровень мёртвого объёма, отметка которого составила 429,29 м. Полезный объём при отметке НПУ составляет 5,56 км3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 0,7 млрд. кВт-ч.
На следующем этапе определено оптимальное число и тип гидроагрегатов гидроэлектростанции. Для этого построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
- максимальный - 29,9 м;
- расчётный - 24,25 м;
- минимальный - 18,10 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчётному напору, составляет 513 м3/с.
Выбрана гидротурбина ПЛ 30а-В-560. По результатам расчётов оптимальным оказался вариант с 3 гидроагрегатами, диаметрами рабочих колёс 5,6 м.
Для выбранной поворотно - лопастной турбины с синхронной частотой вращения 115,4 об/мин подобран серийный гидрогенератор СВ 840/130-52 с номинальной активной мощностью 40 МВт.
Далее выбрана структурная схема ГЭС с единичными блоками и принята схема распределительного устройства на 7 присоединений (четыре воздушных линии, три генераторных присоединения) ОРУ 110 кВ - с одной рабочей секционированной выключателем системой сборных шин. По справочным данным и каталогам выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ 80000/110-У1, трансформаторы собственных нужд ТСЗ-1600/10,5/6, для ВЛЭП - провод марки АС 120/19.
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
Казырская ГЭС спроектирована по русловой схеме.
В состав сооружений входят:
- водосливная бетонная плотина;
- левобережная глухая грунтовая плотина;
- правобережная глухая грунтовая плотина;
На данном этапе расчётным путем определены габаритные размеры и характерные отметки водосливной плотины створа:
- ширина подошвы - 26,30 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 405 м;
- отметка гребная водослива - 445 м;
- число водосливных отверстий - 3;
- ширина водосливных отверстий - 20 м;
- отметка гребня плотины - 445 м.
В этом же 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 Казырская ГЭС отвечает требованиям надёжности.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
Оценка эффективности капиталовложений в такое масштабное производство, как гидроэнергетика показывает, в лучшем случае:
- срок окупаемость - 10 лет, 4 месяца;
- себестоимость электроэнергии - 1,23 руб./кВт-ч;
- удельные капиталовложения - 67377,19 руб./кВт.
Из этого можно сделать вывод, что строительство Казырской ГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.
