ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАНСКОЙ ГЭС НА РЕКЕ КАН. ОПЕРАТИВНЫЕ БЛОКИРОВКИ БЕЗОПАСНОСТИ. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ. СОВРЕМЕННЫЕ СХЕМЫ БЛОКИРОВОК
|
Сокращённый паспорт Канской ГЭС 7
Введение 9
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирования ГЭС 10
1.1 Климат 10
1.2 Гидрологические данные 10
1.3 Инженерно-геологические условия 13
2 Водно - энергетические расчёты 13
2.1 Выбор расчётного маловодного и средневодного года 13
2.2 Энергосистема 15
2.3 Годовые графики нагрузки 16
2.4 ВЭР в средневодном году 17
2.5 Баланс мощности энергосистемы 19
3 Основное и вспомогательное оборудование 22
3.1 Выбор системы и типа турбины 22
3.2 Выбор гидротурбины по главной универсальной характеристике 23
3.3 Определение заглубления РК 24
3.4 Работа одного гидроагрегата при Hmin 25
3.5 Работа одного гидроагрегата с номинальной мощностью при Нрасч 25
3.6 Работа одного гидроагрегата при Hmax 25
3.7 Выбор гидрогенератора 26
3.8 Выбор типа и габаритных размеров маслонапорной установки 28
3.9 Выбор электрогидравлического регулятора 28
3.10 Выбор кранового оборудования 28
3.11 Геометрические размеры здания ГЭС 29
4 Электрическая часть 31
4.1 Выбор структурной схемы ГЭС 31
4.2 Выбор основного оборудования ГЭС 33
4.2.1 Выбор повышающих трансформаторов 33
4.2.2 Выбор трансформаторов собственных нужд 34
4.3 Выбор главной схемы ГЭС на основании технико-экономического
расчета 35
4.3.1 Стоимость силовых трансформаторов 35
4.3.2 Расчет потерь мощности в силовых трансформаторах 35
4.3.3 Расчет издержек 36
4.3.4 Капитальные затраты 36
4.4 Выбор количества отходящих воздушных линий 37
4.5 Выбор схемы РУ ВН 38
4.6 Расчет токов трехфазного и однофазного КЗ в главной схеме с помощью
программного комплекса RastrWin 39
4.6.1 Расчет исходных данных 39
4.6.2 Расчет токов КЗ 40
4.7 Выбор электрических аппаратов 40
4.7.1 Определение расчетных токов рабочего и утяжеленного режимов ... 40
4.7.2 Выбор и проверка аппарата 110 кВ 41
4.7.3 Выбор выключателя генератора и разъеденителя 42
4.7.4 Выбор выключателя и разъединителя 110 кВ на РУ 42
4.7.5 Выбор измерительных ТН и ТТ в ветви генераторов 43
4.7.6 Выбор измерительного трансформатора напряжения в РУ 43
4.7.7 Выбор ОПН для РУВН 43
4.7.8 Выбор анализатора в цепи статора 44
4.7.9 Выбор генераторного синхронизатора 44
5 Релейная защита и автоматика ГЭС 45
5.1 Расчет номинальных токов 45
5.2 Перечень защит основного оборудования 46
5.3 Описание защит и расчет их уставок 47
5.3.1 Продольная дифференциальная защита генератора 47
5.3.2 Защита от замыкания на землю обмотки статора генератора 49
5.3.3 Защита от повышения напряжения 52
5.3.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок
и внешних несимметричных коротких замыканий 52
5.3.5 Защита от симметричных перегрузок 56
5.3.6 Дистанционная защита генератора 58
5.3.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 61
5.4 Выбор комплекта защит блока генератор-трансформатор 62
6 Компоновка и сооружения гидроузла 65
6.1 Геометрические расчеты водосливной плотины 65
6.1.1 Определение отметки гребня плотины 65
6.1.2 Гидравлические расчеты 68
6.1.3 Определение ширины водосливного фронта 68
6.1.4 Определение отметки гребня водослива 69
6.1.5 Проверка на пропуск расчетного расхода 71
6.1.6 Построение профиля водосливной грани 71
6.1.7 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 73
6.1.8 Расчет водобойной стенки 74
6.2 Конструирование плотины 76
6.2.1 Определение ширины подошвы плотины 76
6.2.2 Разрезка бетонных плотин швами 78
6.2.3 Быки 78
6.2.4 Ширина плотины по гребню 78
6.2.5 Устои 79
6.2.6 Дренаж тела бетонных плотин 79
6.2.7 Галереи в теле плотины 80
6.2.8 Расчет фильтрации в основании бетонной плотины 80
6.2.9 Расчет цементной завесы 81
6.2.10 Дренажные устройства в основании 82
6.2.11 Конструкции отдельных элементов нижнего бьефа 82
6.3 Определение основных нагрузок 83
6.3.1 Вес сооружения и затворов 83
6.3.2 Сила гидростатического давления воды 84
6.3.3 Сила взвешивающего фильтрационного давления 84
6.3.4 Сила фильтрационного давления 85
6.3.5 Давление грунта 85
6.3.6 Волновое давление 86
6.3.7 Расчет прочности плотины 87
6.3.8 Критерии прочности плотины 89
6.3.9 Расчет устойчивости плотины 90
7 Охрана труда. Пожарная безопасность. Охрана окружающей среды 92
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 92
7.2 Требования по охране труда и техники безопасности для работников
Канской ГЭС 92
7.2.1 Общие положения 92
7.2.2 Охрана труда при выполнении работ в устройствах релейной
защиты и электроавтоматики, со средствами измерений и приборами учета электроэнергии, вторичными цепями 93
7.2.3 Охрана труда при выполнении работ на измерительных
трансформаторах тока 94
7.3 Пожарная безопасность 94
7.3.1 Общие требования к пожарной безопасности 94
7.3.2 Объекты водяного пожаротушения на ГЭС 96
7.3.3 Противопожарная безопасность в аккумуляторных установках 97
7.4 Охрана природы 98
7.4.1 Мероприятия по подготовке зоны водохранилища, влияющие на
состояние водных ресурсов 99
7.4.2 Водоохранная зона 99
7.4.3 Водоохранные мероприятия на гидроэлектростанции 100
8 Технико-экономические показатели 102
8.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 102
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 102
8.3 Налоговые расходы 105
8.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности .... 106
8.5 Методология, исходные данные 107
8.6 Коммерческая эффективность 107
8.7 Бюджетная эффективность 108
8.8 Анализ чувствительности 108
9 Оперативные блокировки безопасности 111
9.1 Основные ошибки при переключениях, последствия неправильных
переключений 111
9.2 Основные требования к оперативным блокировкам безопасности 112
9.3 Виды оперативных блокировок безопасности 114
9.4 Создание алгоритма блокировки для Канской ГЭС 120
9.5 Структурная схема ПТКу интеграция в АСУ ТП 123
Заключение 126
Список использованных источников 128
Приложение А. Водно-энергетический расчет 130
Приложение Б. Главная универсальная характеристика 141
Введение 9
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирования ГЭС 10
1.1 Климат 10
1.2 Гидрологические данные 10
1.3 Инженерно-геологические условия 13
2 Водно - энергетические расчёты 13
2.1 Выбор расчётного маловодного и средневодного года 13
2.2 Энергосистема 15
2.3 Годовые графики нагрузки 16
2.4 ВЭР в средневодном году 17
2.5 Баланс мощности энергосистемы 19
3 Основное и вспомогательное оборудование 22
3.1 Выбор системы и типа турбины 22
3.2 Выбор гидротурбины по главной универсальной характеристике 23
3.3 Определение заглубления РК 24
3.4 Работа одного гидроагрегата при Hmin 25
3.5 Работа одного гидроагрегата с номинальной мощностью при Нрасч 25
3.6 Работа одного гидроагрегата при Hmax 25
3.7 Выбор гидрогенератора 26
3.8 Выбор типа и габаритных размеров маслонапорной установки 28
3.9 Выбор электрогидравлического регулятора 28
3.10 Выбор кранового оборудования 28
3.11 Геометрические размеры здания ГЭС 29
4 Электрическая часть 31
4.1 Выбор структурной схемы ГЭС 31
4.2 Выбор основного оборудования ГЭС 33
4.2.1 Выбор повышающих трансформаторов 33
4.2.2 Выбор трансформаторов собственных нужд 34
4.3 Выбор главной схемы ГЭС на основании технико-экономического
расчета 35
4.3.1 Стоимость силовых трансформаторов 35
4.3.2 Расчет потерь мощности в силовых трансформаторах 35
4.3.3 Расчет издержек 36
4.3.4 Капитальные затраты 36
4.4 Выбор количества отходящих воздушных линий 37
4.5 Выбор схемы РУ ВН 38
4.6 Расчет токов трехфазного и однофазного КЗ в главной схеме с помощью
программного комплекса RastrWin 39
4.6.1 Расчет исходных данных 39
4.6.2 Расчет токов КЗ 40
4.7 Выбор электрических аппаратов 40
4.7.1 Определение расчетных токов рабочего и утяжеленного режимов ... 40
4.7.2 Выбор и проверка аппарата 110 кВ 41
4.7.3 Выбор выключателя генератора и разъеденителя 42
4.7.4 Выбор выключателя и разъединителя 110 кВ на РУ 42
4.7.5 Выбор измерительных ТН и ТТ в ветви генераторов 43
4.7.6 Выбор измерительного трансформатора напряжения в РУ 43
4.7.7 Выбор ОПН для РУВН 43
4.7.8 Выбор анализатора в цепи статора 44
4.7.9 Выбор генераторного синхронизатора 44
5 Релейная защита и автоматика ГЭС 45
5.1 Расчет номинальных токов 45
5.2 Перечень защит основного оборудования 46
5.3 Описание защит и расчет их уставок 47
5.3.1 Продольная дифференциальная защита генератора 47
5.3.2 Защита от замыкания на землю обмотки статора генератора 49
5.3.3 Защита от повышения напряжения 52
5.3.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок
и внешних несимметричных коротких замыканий 52
5.3.5 Защита от симметричных перегрузок 56
5.3.6 Дистанционная защита генератора 58
5.3.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 61
5.4 Выбор комплекта защит блока генератор-трансформатор 62
6 Компоновка и сооружения гидроузла 65
6.1 Геометрические расчеты водосливной плотины 65
6.1.1 Определение отметки гребня плотины 65
6.1.2 Гидравлические расчеты 68
6.1.3 Определение ширины водосливного фронта 68
6.1.4 Определение отметки гребня водослива 69
6.1.5 Проверка на пропуск расчетного расхода 71
6.1.6 Построение профиля водосливной грани 71
6.1.7 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 73
6.1.8 Расчет водобойной стенки 74
6.2 Конструирование плотины 76
6.2.1 Определение ширины подошвы плотины 76
6.2.2 Разрезка бетонных плотин швами 78
6.2.3 Быки 78
6.2.4 Ширина плотины по гребню 78
6.2.5 Устои 79
6.2.6 Дренаж тела бетонных плотин 79
6.2.7 Галереи в теле плотины 80
6.2.8 Расчет фильтрации в основании бетонной плотины 80
6.2.9 Расчет цементной завесы 81
6.2.10 Дренажные устройства в основании 82
6.2.11 Конструкции отдельных элементов нижнего бьефа 82
6.3 Определение основных нагрузок 83
6.3.1 Вес сооружения и затворов 83
6.3.2 Сила гидростатического давления воды 84
6.3.3 Сила взвешивающего фильтрационного давления 84
6.3.4 Сила фильтрационного давления 85
6.3.5 Давление грунта 85
6.3.6 Волновое давление 86
6.3.7 Расчет прочности плотины 87
6.3.8 Критерии прочности плотины 89
6.3.9 Расчет устойчивости плотины 90
7 Охрана труда. Пожарная безопасность. Охрана окружающей среды 92
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 92
7.2 Требования по охране труда и техники безопасности для работников
Канской ГЭС 92
7.2.1 Общие положения 92
7.2.2 Охрана труда при выполнении работ в устройствах релейной
защиты и электроавтоматики, со средствами измерений и приборами учета электроэнергии, вторичными цепями 93
7.2.3 Охрана труда при выполнении работ на измерительных
трансформаторах тока 94
7.3 Пожарная безопасность 94
7.3.1 Общие требования к пожарной безопасности 94
7.3.2 Объекты водяного пожаротушения на ГЭС 96
7.3.3 Противопожарная безопасность в аккумуляторных установках 97
7.4 Охрана природы 98
7.4.1 Мероприятия по подготовке зоны водохранилища, влияющие на
состояние водных ресурсов 99
7.4.2 Водоохранная зона 99
7.4.3 Водоохранные мероприятия на гидроэлектростанции 100
8 Технико-экономические показатели 102
8.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 102
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 102
8.3 Налоговые расходы 105
8.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности .... 106
8.5 Методология, исходные данные 107
8.6 Коммерческая эффективность 107
8.7 Бюджетная эффективность 108
8.8 Анализ чувствительности 108
9 Оперативные блокировки безопасности 111
9.1 Основные ошибки при переключениях, последствия неправильных
переключений 111
9.2 Основные требования к оперативным блокировкам безопасности 112
9.3 Виды оперативных блокировок безопасности 114
9.4 Создание алгоритма блокировки для Канской ГЭС 120
9.5 Структурная схема ПТКу интеграция в АСУ ТП 123
Заключение 126
Список использованных источников 128
Приложение А. Водно-энергетический расчет 130
Приложение Б. Главная универсальная характеристика 141
Энергия текущей воды является одним из старейших источников электроэнергии на планете. На территории России расположено около 9% мировых запасов гидроэнергии. Экономический потенциал гидроэнергоресурсов России составляет 850 млрд кВт.ч, из которых 120 млрд кВт.ч приходится на Европейскую часть страны и 730 млрд кВт.ч на Сибирь и Дальний Восток.
Гидростанции не вызывают никаких вопросов, поскольку их мощности находятся вне конкуренции по множеству параметров — они относятся к возобновляемым источникам энергии, используются для регулировки системных пиковых нагрузок, быстро выходя на заданную мощность, а их энергия достаточно дешева. В условиях единой энергосистемы и ситуации возрастания пиковых нагрузок из-за возросшего потребления населением и сферой услуг второе качество становится особенно ценным.
Следует отметить, что гидроэлектростанции могут устанавливаться практически на любых водотоках, соответственно изменяется мощность агрегатов. Особое свойство гидротехнических сооружений заключается в том, что их разрушение высвобождает на волю разрушительную стихию, приводящее за короткое время к колоссальным материальным убыткам, но что особо важно к большим человеческим жертвам. Поэтому необходим крайне серьезный подход к проектированию гидротехнических сооружений для качественного и безопасного использования гидроресурсов.
Целью проекта является проектирование Канской ГЭС на реке Кан её сооружений и электрической части, выбор основного гидросилового и вспомогательного оборудования, разработка правил охраны труда и окружающей среды и технико-экономическое обоснование эффективности проекта.
Гидростанции не вызывают никаких вопросов, поскольку их мощности находятся вне конкуренции по множеству параметров — они относятся к возобновляемым источникам энергии, используются для регулировки системных пиковых нагрузок, быстро выходя на заданную мощность, а их энергия достаточно дешева. В условиях единой энергосистемы и ситуации возрастания пиковых нагрузок из-за возросшего потребления населением и сферой услуг второе качество становится особенно ценным.
Следует отметить, что гидроэлектростанции могут устанавливаться практически на любых водотоках, соответственно изменяется мощность агрегатов. Особое свойство гидротехнических сооружений заключается в том, что их разрушение высвобождает на волю разрушительную стихию, приводящее за короткое время к колоссальным материальным убыткам, но что особо важно к большим человеческим жертвам. Поэтому необходим крайне серьезный подход к проектированию гидротехнических сооружений для качественного и безопасного использования гидроресурсов.
Целью проекта является проектирование Канской ГЭС на реке Кан её сооружений и электрической части, выбор основного гидросилового и вспомогательного оборудования, разработка правил охраны труда и окружающей среды и технико-экономическое обоснование эффективности проекта.
В проекте рассчитаны и определены основные элементы и параметры средненапорной Канской ГЭС высотой 32,8 м на реке Кан, являющимся сооружением III класса.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчетных расходов для основного обеспеченностью 0, 1% и поверочного 0,01% обеспеченности случаев: Qo,i%= 1121,15 м/с, Qo,oi%=13°3,9 м3/с.
В ходе водно-энергетических расчетов на основе исходных данных по энергосистеме и гидрологии была выбрана установленная мощность Канской ГЭС, а также определена зона ее работы в суточных графиках нагрузки для зимы и лета. Установленная мощность составила Nycr =86,4 МВт. Определен уровень мертвого объема, отметка которого равна 142,73 м. Полезный объем при данных отметках НПУ 152 м и УМО составляет 0,06 км . Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 1344 млн. кВтч.
На третьем этапе было определено оптимальное число и тип гидроагрегатов электростанции. Для этого была построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
- максимальный - Hmax = 26,37 м;
- расчетный- Нрас ч =19,42 м;
- минимальный - Hmin = 15,1 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС Qmax, соответствующий расчетному напору, составляет 437,16 м /с.
По результатам расчетов выбора турбин был определен оптимальный вариант с четырьмя гидроагрегатами, с диаметром рабочих колес 4,0 м (ПЛ306- В-400).
По справочным данным для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 150 об/мин был выбран гидрогенератор СВ - 750/75 - 40.
Далее была выбрана структурная схема ГЭС с укрупненными блоками и принята схема распределительного устройства ОРУ-110 кВ - "шестиугольник". По справочным данным и каталогам было выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТД-63000/110, трансформаторы собственных нужд ТС - 1250/10,5/0,4.
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ и выполнен расчет уставок.
Компоновка гидроузла была принята русловой. Водосливная плотина принята бетонной. Также имеется грунтовые плотины с правого и левого берега.
В состав сооружений входят:
• водосбросная бетонная плотина с поверхностным водосливом практического профиля - 30 м;
• здание ГЭС руслового типа - 73 м;
• право и левобережная грунтовые плотины;
На данном этапе расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
• ширина подошвы - 21,8 м;
• отметка подошвы водосливной плотины - 122 м;
• число водосливных отверстий - 2;
• ширина водосливных отверстий в свету - 10 м;
• отметка гребня - 156,8 м;
• ширина гребня - 12,5 м.
Для гашения кинетической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применяется водобойная стенка.
Разрезка водосливной части плотины деформационными швами произведена по быкам, разрезается каждый бык, чтобы избежать неравномерных осадок смежных быков, что может привести к заклиниванию затворов. На каждом водосливном отверстии устраиваем швы надрезы до фундаментной плиты.
Также в этом разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном сочетаниях нагрузок. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,24 соответственно (нормативное значение для сооружений III класса - 1,15). Таким образом, плотина Канская ГЭС отвечает требованиям надежности. При расчете плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Плотина отвечает всем требованиям предусмотренными СНиП.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
По экономическим расчетам получены следующие показатели:
- удельная себестоимость производства электроэнергии - 0,21 руб/кВт-ч.
- срок окупаемости проекта 6 лет 4 месяца
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчетных расходов для основного обеспеченностью 0, 1% и поверочного 0,01% обеспеченности случаев: Qo,i%= 1121,15 м/с, Qo,oi%=13°3,9 м3/с.
В ходе водно-энергетических расчетов на основе исходных данных по энергосистеме и гидрологии была выбрана установленная мощность Канской ГЭС, а также определена зона ее работы в суточных графиках нагрузки для зимы и лета. Установленная мощность составила Nycr =86,4 МВт. Определен уровень мертвого объема, отметка которого равна 142,73 м. Полезный объем при данных отметках НПУ 152 м и УМО составляет 0,06 км . Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 1344 млн. кВтч.
На третьем этапе было определено оптимальное число и тип гидроагрегатов электростанции. Для этого была построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
- максимальный - Hmax = 26,37 м;
- расчетный- Нрас ч =19,42 м;
- минимальный - Hmin = 15,1 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС Qmax, соответствующий расчетному напору, составляет 437,16 м /с.
По результатам расчетов выбора турбин был определен оптимальный вариант с четырьмя гидроагрегатами, с диаметром рабочих колес 4,0 м (ПЛ306- В-400).
По справочным данным для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 150 об/мин был выбран гидрогенератор СВ - 750/75 - 40.
Далее была выбрана структурная схема ГЭС с укрупненными блоками и принята схема распределительного устройства ОРУ-110 кВ - "шестиугольник". По справочным данным и каталогам было выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТД-63000/110, трансформаторы собственных нужд ТС - 1250/10,5/0,4.
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ и выполнен расчет уставок.
Компоновка гидроузла была принята русловой. Водосливная плотина принята бетонной. Также имеется грунтовые плотины с правого и левого берега.
В состав сооружений входят:
• водосбросная бетонная плотина с поверхностным водосливом практического профиля - 30 м;
• здание ГЭС руслового типа - 73 м;
• право и левобережная грунтовые плотины;
На данном этапе расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
• ширина подошвы - 21,8 м;
• отметка подошвы водосливной плотины - 122 м;
• число водосливных отверстий - 2;
• ширина водосливных отверстий в свету - 10 м;
• отметка гребня - 156,8 м;
• ширина гребня - 12,5 м.
Для гашения кинетической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применяется водобойная стенка.
Разрезка водосливной части плотины деформационными швами произведена по быкам, разрезается каждый бык, чтобы избежать неравномерных осадок смежных быков, что может привести к заклиниванию затворов. На каждом водосливном отверстии устраиваем швы надрезы до фундаментной плиты.
Также в этом разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном сочетаниях нагрузок. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,24 соответственно (нормативное значение для сооружений III класса - 1,15). Таким образом, плотина Канская ГЭС отвечает требованиям надежности. При расчете плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Плотина отвечает всем требованиям предусмотренными СНиП.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
По экономическим расчетам получены следующие показатели:
- удельная себестоимость производства электроэнергии - 0,21 руб/кВт-ч.
- срок окупаемости проекта 6 лет 4 месяца