ПРОЕКТИРОВАНИЕ КЕЛЛОГСКОГО ГИДРОУЗЛА НА РЕКЕ ЕЛОГУЙ. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОЛЕТНОЙ КОНСТРУКЦИИ НА ГРЕБНЕ ПЛОТИНЫ
|
Введение 8
1 Природные условия и исходные данные 9
1.1 Местоположение гидроузла и природные условия 9
1.2 Гидрологические данные 10
1.3 Энерго-экономическая характеристика района 13
2 Водно-энергетические расчеты 15
2.1 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года 15
2.2 Построение суточных графиков нагрузки энергосистемы 19
2.3 Расчет мощности ГЭС без регулирования (по бытовому стоку) 21
2.4 Расчет мощности ГЭС по требованиям ВХК 21
2.5 ВЭР по условиям маловодного года 24
2.6 Определение установленной мощности ГЭС и планирование
капитальных ремонтов 27
2.7 ВЭР по условиям средневодного года 30
3 Выбор основного и энергетического оборудования 34
3.1 Построение режимного поля 34
3.2 Выбор гидротурбины 36
3.3 Выбор отметки расположения рабочего колеса гидротурбины 40
3.4 Определение геометрических размеров проточной части 42
3.5 Выбор гидрогенератора 42
3.6 Выбор типа и габаритных размеров маслонапорной установки 43
3.7 Выбор кранов 43
4 Состав и компоновка сооружений гидроузла 44
4.1 Определение максимального расчетного расхода 44
4.2 Состав и компоновка сооружения гидроузла. Основные решения 47
4.3 Определение класса гидротехнических сооружений 47
4.4 Проектирование сооружений напорного фронта 48
4.5 Гидравлические расчеты 49
4.5.1 Определение ширины водосливного фронта 49
4.5.2 Определение отметки гребня водослива 50
4.5.3 Проверка на пропуск расхода при поверочном расчетном случае 52
4.6 Определение отметки гребня плотины 54
4.6.1 Определение отметки гребня грунтовой плотины 54
4.6.2 Определение отметки гребня бетонной плотины 56
4.7 Определение формы водосливной поверхности 57
4.8 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 58
4.9 Расчет гашения энергии способом свободно отброшенной струи 59
4.10 Конструирование плотины 62
4.10.1 Определение ширины подошвы плотины 62
4.10.2 Разрезка бетонных плотин швами 62
4.10.3 Быки 62
4.10.4 Устои 63
4.10.5 Дренаж тела бетонных плотин 63
4.10.6 Галереи в теле плотины 64
4.11 Назначение размеров основных элементов плотины 64
4.11.1 Цементационная завеса 64
4.11.2 Дренажные устройства в основании 65
4.12 Фильтрационный расчет подземного контура 66
4.13 Обоснование надежности и безопасности бетонной плотины 67
4.13.1 Определение основных нагрузок на плотину 67
4.13.2 Оценка прочности плотины 73
4.13.3 Критерии прочности плотины 76
4.13.4 Обоснование устойчивости плотины 78
4.14 Проектирование земляной насыпной плотины 80
4.15 Расчет параметров здания ГЭС 81
4.16 Расчет сработки полезного объема водохранилища 81
4.17 Расчет пропуска строительных расходов 82
5 Организация и производство гидротехнических работ 84
5.1 Этапы возведения сооружений и схем пропуска строительных расходов
на различных этапах 84
5.2 Организация и технология работ по возведению перемычек 87
5.2.1 Выбор типа перемычки 87
5.2.2 Осушение котлована 87
5.3 Определение объемов работ 88
5.3.1 Объем земляных работ 88
5.3.2 Объем бетонных работ 90
5.4 Технология возведения грунтовой плотины из скального грунта с
противофильтрационным устройством в виде центрального ядра из суглинка 90
5.5 Определение способов производства основных видов работ 92
5.5.1 Выбор транспортной схемы бетонных работ 92
5.5.2 Выбор транспортной схемы земляных работ 92
5.6 Строительный генеральный план гидроузла 93
5.7 Календарное планирование 93
5.8 Продолжительность и время выполнения работ 94
6 Безопасность гидротехнических сооружений 96
6.1 Противопожарная безопасность 97
6.2 Мероприятия по охране окружающей среды 99
6.2.1 В период строительства 99
6.2.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 100
7 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации . 101
7.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 101
7.1.1 Текущие расходы по гидроузлу 101
7.1.2 Налоговые расходы 104
7.2 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности .. 105
7.3 Оценка инвестиционного проекта 106
7.3.1 Методология, исходные данные 106
7.3.2 Коммерческая эффективность 106
7.3.3 Бюджетная эффективность 107
7.4 Анализ чувствительности 107
8 Статический расчет пролетной конструкции на гребне плотины 110
8.1 Расчет исходных данных 111
8.2 Расчет балки на движение нагрузок строительного периода 112
8.3 Расчет опорной зоны сборной балки на местное сжатие 113
8.4 Статический расчет балки 115
8.5 Расчет МКЭ 118
Заключение 121
Список использованных источников 123
Приложение А Суточный график нагрузки и ИКН зимнего периода 125
Приложение Б Суточный график нагрузки и ИКН летнего периода 126
Приложение В Главная универсальная характеристика ПЛД50- В50° 127
Приложение Г Главная универсальная характеристика ПЛ50-В 128
Приложение Д Проточная часть турбины ПЛ50-В 129
Приложение Е Схема к расчету прочности и устойчивости плотины для основного случая 130
Приложение Ж Схема к расчету прочности и устойчивости плотины для поверочного случая 131
Приложение И Напряжения в краевых сечениях для основного случая 132
Приложение К Напряжения в краевых сечениях для поверочного случая 133
Приложение Л Календарный план 134
1 Природные условия и исходные данные 9
1.1 Местоположение гидроузла и природные условия 9
1.2 Гидрологические данные 10
1.3 Энерго-экономическая характеристика района 13
2 Водно-энергетические расчеты 15
2.1 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года 15
2.2 Построение суточных графиков нагрузки энергосистемы 19
2.3 Расчет мощности ГЭС без регулирования (по бытовому стоку) 21
2.4 Расчет мощности ГЭС по требованиям ВХК 21
2.5 ВЭР по условиям маловодного года 24
2.6 Определение установленной мощности ГЭС и планирование
капитальных ремонтов 27
2.7 ВЭР по условиям средневодного года 30
3 Выбор основного и энергетического оборудования 34
3.1 Построение режимного поля 34
3.2 Выбор гидротурбины 36
3.3 Выбор отметки расположения рабочего колеса гидротурбины 40
3.4 Определение геометрических размеров проточной части 42
3.5 Выбор гидрогенератора 42
3.6 Выбор типа и габаритных размеров маслонапорной установки 43
3.7 Выбор кранов 43
4 Состав и компоновка сооружений гидроузла 44
4.1 Определение максимального расчетного расхода 44
4.2 Состав и компоновка сооружения гидроузла. Основные решения 47
4.3 Определение класса гидротехнических сооружений 47
4.4 Проектирование сооружений напорного фронта 48
4.5 Гидравлические расчеты 49
4.5.1 Определение ширины водосливного фронта 49
4.5.2 Определение отметки гребня водослива 50
4.5.3 Проверка на пропуск расхода при поверочном расчетном случае 52
4.6 Определение отметки гребня плотины 54
4.6.1 Определение отметки гребня грунтовой плотины 54
4.6.2 Определение отметки гребня бетонной плотины 56
4.7 Определение формы водосливной поверхности 57
4.8 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 58
4.9 Расчет гашения энергии способом свободно отброшенной струи 59
4.10 Конструирование плотины 62
4.10.1 Определение ширины подошвы плотины 62
4.10.2 Разрезка бетонных плотин швами 62
4.10.3 Быки 62
4.10.4 Устои 63
4.10.5 Дренаж тела бетонных плотин 63
4.10.6 Галереи в теле плотины 64
4.11 Назначение размеров основных элементов плотины 64
4.11.1 Цементационная завеса 64
4.11.2 Дренажные устройства в основании 65
4.12 Фильтрационный расчет подземного контура 66
4.13 Обоснование надежности и безопасности бетонной плотины 67
4.13.1 Определение основных нагрузок на плотину 67
4.13.2 Оценка прочности плотины 73
4.13.3 Критерии прочности плотины 76
4.13.4 Обоснование устойчивости плотины 78
4.14 Проектирование земляной насыпной плотины 80
4.15 Расчет параметров здания ГЭС 81
4.16 Расчет сработки полезного объема водохранилища 81
4.17 Расчет пропуска строительных расходов 82
5 Организация и производство гидротехнических работ 84
5.1 Этапы возведения сооружений и схем пропуска строительных расходов
на различных этапах 84
5.2 Организация и технология работ по возведению перемычек 87
5.2.1 Выбор типа перемычки 87
5.2.2 Осушение котлована 87
5.3 Определение объемов работ 88
5.3.1 Объем земляных работ 88
5.3.2 Объем бетонных работ 90
5.4 Технология возведения грунтовой плотины из скального грунта с
противофильтрационным устройством в виде центрального ядра из суглинка 90
5.5 Определение способов производства основных видов работ 92
5.5.1 Выбор транспортной схемы бетонных работ 92
5.5.2 Выбор транспортной схемы земляных работ 92
5.6 Строительный генеральный план гидроузла 93
5.7 Календарное планирование 93
5.8 Продолжительность и время выполнения работ 94
6 Безопасность гидротехнических сооружений 96
6.1 Противопожарная безопасность 97
6.2 Мероприятия по охране окружающей среды 99
6.2.1 В период строительства 99
6.2.2 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 100
7 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации . 101
7.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 101
7.1.1 Текущие расходы по гидроузлу 101
7.1.2 Налоговые расходы 104
7.2 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности .. 105
7.3 Оценка инвестиционного проекта 106
7.3.1 Методология, исходные данные 106
7.3.2 Коммерческая эффективность 106
7.3.3 Бюджетная эффективность 107
7.4 Анализ чувствительности 107
8 Статический расчет пролетной конструкции на гребне плотины 110
8.1 Расчет исходных данных 111
8.2 Расчет балки на движение нагрузок строительного периода 112
8.3 Расчет опорной зоны сборной балки на местное сжатие 113
8.4 Статический расчет балки 115
8.5 Расчет МКЭ 118
Заключение 121
Список использованных источников 123
Приложение А Суточный график нагрузки и ИКН зимнего периода 125
Приложение Б Суточный график нагрузки и ИКН летнего периода 126
Приложение В Главная универсальная характеристика ПЛД50- В50° 127
Приложение Г Главная универсальная характеристика ПЛ50-В 128
Приложение Д Проточная часть турбины ПЛ50-В 129
Приложение Е Схема к расчету прочности и устойчивости плотины для основного случая 130
Приложение Ж Схема к расчету прочности и устойчивости плотины для поверочного случая 131
Приложение И Напряжения в краевых сечениях для основного случая 132
Приложение К Напряжения в краевых сечениях для поверочного случая 133
Приложение Л Календарный план 134
Гидроэнергетика - одна из важнейших отраслей промышленности в нашей стране. Потенциал водных ресурсов использован всего лишь на 19%, в то время как в ряде других развитых стран этот показатель превосходит 80%.
Гидроэнергетические ресурсы — возобновляемый источник энергии, связанный с круговоротом воды в природе. Более 70% поверхности земли покрыто водами. Сила тяжести способствует перераспределению жидкой влаги с более высоких участков земной поверхности на более низкие. Под воздействием лучей солнца вода рек, озер, морей и океанов испаряется, после чего конденсируется в атмосфере, образуя облака, и благодаря силе тяжести возвращается на землю в виде осадков.
Гидростанции - один из самых эффективных источников энергии. Коэффициент полезного действия турбин гидростанций достигает 95%, что существенно выше КПД турбин других типов электростанций.
Себестоимость электроэнергии произведенной на ГЭС, не зависит от колебаний цен на традиционное топливо: уголь, газ, мазут, уран. В себестоимости производства электроэнергии на гидростанциях отсутствует топливная составляющая, что делает энергию более конкурентоспособной в условиях рынка.
Гидростанции являются наиболее маневренными из всех типов электростанций. Гидростанции способны при необходимости увеличивать выработку и выдаваемую мощность в течение нескольких минут, тогда как тепловым станциям для этого требуется несколько часов, а атомным - сутки. Это позволяет ГЭС покрывать пиковые нагрузки и поддерживать частоту тока в энергосистеме. Все эти преимущества подталкивают к строительству новых гидроэлектростанций.
Целью дипломного проекта является проработка основных этапов проектирования гидроэлектростанции, с применением и закреплением теоретических знаний.
Гидроэнергетические ресурсы — возобновляемый источник энергии, связанный с круговоротом воды в природе. Более 70% поверхности земли покрыто водами. Сила тяжести способствует перераспределению жидкой влаги с более высоких участков земной поверхности на более низкие. Под воздействием лучей солнца вода рек, озер, морей и океанов испаряется, после чего конденсируется в атмосфере, образуя облака, и благодаря силе тяжести возвращается на землю в виде осадков.
Гидростанции - один из самых эффективных источников энергии. Коэффициент полезного действия турбин гидростанций достигает 95%, что существенно выше КПД турбин других типов электростанций.
Себестоимость электроэнергии произведенной на ГЭС, не зависит от колебаний цен на традиционное топливо: уголь, газ, мазут, уран. В себестоимости производства электроэнергии на гидростанциях отсутствует топливная составляющая, что делает энергию более конкурентоспособной в условиях рынка.
Гидростанции являются наиболее маневренными из всех типов электростанций. Гидростанции способны при необходимости увеличивать выработку и выдаваемую мощность в течение нескольких минут, тогда как тепловым станциям для этого требуется несколько часов, а атомным - сутки. Это позволяет ГЭС покрывать пиковые нагрузки и поддерживать частоту тока в энергосистеме. Все эти преимущества подталкивают к строительству новых гидроэлектростанций.
Целью дипломного проекта является проработка основных этапов проектирования гидроэлектростанции, с применением и закреплением теоретических знаний.
В проекте рассчитаны и определены основные элементы и параметры Келлогской ГЭС высотой 58,3 м на реке Елогуй, являющимся сооружением I класса.
В ходе водно-энергетических расчетов на основе исходных данных по энергосистеме и гидрологии была выбрана установленная мощность ГЭС, а также определена зона ее работы в суточном графике нагрузки. Установленная мощность составила NycT= 625 МВт. Определен уровень мертвого объема, отметка которого равна 41,8 м. Полезный объем при данных отметках НПУ 59 м и УМО составляет 8 км3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 1,95 млрд.кВт^ч.
На третьем этапе было определено оптимальное число и тип гидроагрегатов электростанции. Для этого была построена область допустимых режимов работы, на которой определены следующие напоры:
- максимальный 49,1 м;
- расчетный 40,4 м;
- минимальный 30,4 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчетному напору, составляет 906 м3/с.
При выборе турбин рассматривалось два варианта ПЛ50-В и ПЛД50-В с разными диаметрами. По результатам расчетов был определен оптимальный вариант турбины типа ПЛ 50-В с тремя гидроагрегатами, диаметром рабочих колес 9 м.
По справочным данным для выбранной ПЛ турбины с синхронной частотой вращения 85,7 об/мин был подобран серийный гидрогенератор СВ- 1190/250-70 с номинальной активной мощностью 264,7 МВт.
Компоновка гидроузла была принята русловой. Здание ГЭС - приплотинного типа.
Длина створа по гребню составляет 1365 м. Компоновка гидроузла была принята русловой.
В состав сооружений входят:
- водосбросная бетонная плотина с поверхностным водосливом практического профиля - 240 м;
- станционная бетонная плотина - 123,2 м;
- глухая бетонная плотина между водосливной и станционной плотиной - 40 м;
- правобережная каменно-земляная плотина - 241 м;
- левобережная каменно-земляная плотина - 711 м;
- здание ГЭС приплотинного типа.
Расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- ширина подошвы - 37 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 6 м;
- отметка порога водослива - 54 м;
- число водосливных отверстий - 12;
- ширина водосливных отверстий в свету - 15 м;
- отметка гребня - 64,3 м;
- ширина гребня - 24 м.
Для гашения кинетической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применен отброс струи с помощью носка-трамплина.
Для снятия противодавления устроены цементационная завеса и дренаж. Ось цемзавесы расположена на расстоянии 3 м от напорной грани, дренаж - 8 м. Глубина скважин дренажа и глубина цементационной завесы составляют 33 м и 20 м соответственно.
В теле сооружения предусмотрено наличие продольных и поперечных галерей на отметках 6,5, 29, 44 м.
Во избежание недопустимо больших напряжений, появляющихся при неравномерных осадках основания и при температурных деформациях, в различных частях тела бетонной плотины, она разделена на секции постоянными температурно-осадочными швами.
Разрезка водосливной части плотины деформационными швами произведена по быкам, чтобы избежать неравномерных осадок смежных быков, что может привести к заклиниванию затворов.
Произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном и особом сочетаниях нагрузок. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,28 и 1,29 для основного и особого сочетаний нагрузок соответственно (нормативное значение для сооружений I класса - 1,25). Таким образом, плотина отвечает требованиям надежности. При расчете плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Плотина отвечает всем требованиям предусмотренными СП.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
По технико-экономическим расчетам получены следующие показатели:
- удельная себестоимость производства электроэнергии - 0.09 руб.кВт/ч;
- период окупаемости 5 лет.
Таким образом, строительство Келлогской ГЭС с установленной мощностью 625 МВт в настоящее время является актуальным.
В качестве спецвопроса был выполнен статический расчет пролетной конструкции на гребне плотины.
В ходе водно-энергетических расчетов на основе исходных данных по энергосистеме и гидрологии была выбрана установленная мощность ГЭС, а также определена зона ее работы в суточном графике нагрузки. Установленная мощность составила NycT= 625 МВт. Определен уровень мертвого объема, отметка которого равна 41,8 м. Полезный объем при данных отметках НПУ 59 м и УМО составляет 8 км3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 1,95 млрд.кВт^ч.
На третьем этапе было определено оптимальное число и тип гидроагрегатов электростанции. Для этого была построена область допустимых режимов работы, на которой определены следующие напоры:
- максимальный 49,1 м;
- расчетный 40,4 м;
- минимальный 30,4 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчетному напору, составляет 906 м3/с.
При выборе турбин рассматривалось два варианта ПЛ50-В и ПЛД50-В с разными диаметрами. По результатам расчетов был определен оптимальный вариант турбины типа ПЛ 50-В с тремя гидроагрегатами, диаметром рабочих колес 9 м.
По справочным данным для выбранной ПЛ турбины с синхронной частотой вращения 85,7 об/мин был подобран серийный гидрогенератор СВ- 1190/250-70 с номинальной активной мощностью 264,7 МВт.
Компоновка гидроузла была принята русловой. Здание ГЭС - приплотинного типа.
Длина створа по гребню составляет 1365 м. Компоновка гидроузла была принята русловой.
В состав сооружений входят:
- водосбросная бетонная плотина с поверхностным водосливом практического профиля - 240 м;
- станционная бетонная плотина - 123,2 м;
- глухая бетонная плотина между водосливной и станционной плотиной - 40 м;
- правобережная каменно-земляная плотина - 241 м;
- левобережная каменно-земляная плотина - 711 м;
- здание ГЭС приплотинного типа.
Расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- ширина подошвы - 37 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 6 м;
- отметка порога водослива - 54 м;
- число водосливных отверстий - 12;
- ширина водосливных отверстий в свету - 15 м;
- отметка гребня - 64,3 м;
- ширина гребня - 24 м.
Для гашения кинетической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применен отброс струи с помощью носка-трамплина.
Для снятия противодавления устроены цементационная завеса и дренаж. Ось цемзавесы расположена на расстоянии 3 м от напорной грани, дренаж - 8 м. Глубина скважин дренажа и глубина цементационной завесы составляют 33 м и 20 м соответственно.
В теле сооружения предусмотрено наличие продольных и поперечных галерей на отметках 6,5, 29, 44 м.
Во избежание недопустимо больших напряжений, появляющихся при неравномерных осадках основания и при температурных деформациях, в различных частях тела бетонной плотины, она разделена на секции постоянными температурно-осадочными швами.
Разрезка водосливной части плотины деформационными швами произведена по быкам, чтобы избежать неравномерных осадок смежных быков, что может привести к заклиниванию затворов.
Произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном и особом сочетаниях нагрузок. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,28 и 1,29 для основного и особого сочетаний нагрузок соответственно (нормативное значение для сооружений I класса - 1,25). Таким образом, плотина отвечает требованиям надежности. При расчете плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Плотина отвечает всем требованиям предусмотренными СП.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
По технико-экономическим расчетам получены следующие показатели:
- удельная себестоимость производства электроэнергии - 0.09 руб.кВт/ч;
- период окупаемости 5 лет.
Таким образом, строительство Келлогской ГЭС с установленной мощностью 625 МВт в настоящее время является актуальным.
В качестве спецвопроса был выполнен статический расчет пролетной конструкции на гребне плотины.