Проектирование Селемджинской ГЭС на реке Селемджа. Устройство и порядок вывода блокировок безопасности
|
Введение
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирования ГЭС 9
1.1 Климат в районе проектируемого гидроузла 9
1.2 Гидрологические данные 9
1.3 Инженерно-геологические условие 12
1.4 Данные по энергосистеме 12
2 Водно-энергетические расчёты 14
2.1 Выбор расчётных гидрографов маловодного и средневодного года при
заданной обеспеченности стока 14
2.2 Построение суточных графиков нагрузки и интегральная кривая
нагрузки энергосистемы 18
2.3 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных
нагрузок энергосистемы 19
2.4 Расчёт режимов работы ГЭС без регулирования с учётом требований
водохозяйственной системы 21
2.5 Водно-энергетические расчёты режима работы ГЭС 23
2.6 Определение установленной мощности ГЭС и планирование
капитальных ремонтов 24
3 Основное и вспомогательное оборудование 27
3.1 Построение режимного поля 27
3.2 Выбор системы и количества гидроагрегатов 29
3.3 Определение отметки расположения рабочего колеса гидротурбины 32
3.4 Выбор типа серийного гидрогенератора 34
3.5 Заглубление водозабора на величину воронкообразования 34
3.6 Расчёт вала на прочность 35
3.7 Выбор маслонапорной установки и электрогидравлического
регулятора 35
3.8 Выбор геометрических размеров машинного зала 36
4 Электрическая часть 37
4.1 Выбор главной схемы электрических соединений и схемы собственных
нужд 37
4.2 Выбор типа блоков ГЭС 39
4.2.1 Выбор блочных трансформаторов ВН для схемы с простыми
блоками 39
4.2.2 Выбор блочных трансформаторов ВН для схемы с укрупнёнными
блоками 40
4.2.3 Выбор трансформаторов собственных нужд 41
4.3 Распределительное устройство 42
4.3.2 Выбор схемы распределительного устройства высшего напряжения 43
4.4 Выбор главной схемы на основании технико-экономического расчёта .... 45
4.5 Расчет токов короткого замыкания в программном комплексе
«RastrWin3» 46
4.6 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режимов 48
4.7 Выбор и проверка коммутационных аппаратов в распределительном
устройстве высшего напряжения 49
4.8 Выбор и проверка электротехнического оборудования на генераторном
напряжении 13,8 кВ 51
5 Релейная защита и автоматика 53
5.1 Технические данные защищаемого оборудования 53
5.2 Расчёт номинальных токов 54
5.3 Перечень защит основного оборудования 54
5.4 Рекомендуемые к установке устройства релейной защиты 56
5.5 Продольная дифференциальная защита генератора 56
5.6 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора 59
5.7 Защита от повышения напряжения 61
5.8 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий 62
5.9 Защита от симметричных перегрузок 65
5.10 Дистанционная защита генератора 66
5.11 Защита ротора от перегрузки 69
5.12 Матрица отключений 71
5.13 Таблица уставок 72
6 Компоновка и сооружения гидроузла 73
6.1 Состав и компоновка гидроузла 73
6.2 Определение класса и отметки гребня плотины 73
6.2.1 Определение класса гидротехнического сооружения 73
6.2.2 Определение отметки гребня плотины 73
6.3 Гидравлический расчёт бетонной водосливной плотины 76
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 76
6.3.2 Определение отметки гребня водослива 77
6.3.3 Проверка на пропуск поверочного расхода 79
6.3.4 Построение профиля водосливной грани 80
6.3.5 Расчёт сопряжений потока в нижнем бьефе 80
6.3.6 Сопряжение бьефов свободной отброшенной струей 82
6.4 Конструирование бетонной плотины 84
6.4.1 Определение ширины подошвы плотины 84
6.4.2 Разрезка плотины швами 86
6.4.3 Быки 86
6.4.4 Устои 87
6.4.5 Дренаж тела бетонной плотины 87
6.4.6 Галереи в теле плотины 87
6.4.7 Элементы подземного контура плотины 87
6.5 Определение основных нагрузок на плотину 88
6.5.1 Вес сооружения 89
6.5.2 Сила гидростатического давления воды 89
6.5.3 Равнодействующая взвешивающего давления 90
6.5.4 Волновое воздействие 90
6.5.5 Фильтрационные расчёты 90
6.5.6 Давление грунта 91
6.6 Расчёт прочности плотины 92
6.6.1 Критерии прочности плотины 94
6.7 Расчёт устойчивости плотины 95
7 Пожарная безопасность, охрана труда, техника безопасности, мероприятия
по охране природы 96
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 96
7.2 Охрана труда 96
7.3 Пожарная безопасность 99
7.4 Охрана природы 101
7.4.1 Общие положения 101
8 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации .. 102
8.1.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 102
8.1.2 Текущие расходы на производство электроэнергии 102
8.1.3 Налоговые расходы 105
8.2 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности .... 106
8.3 Оценка инвестиционного проекта 106
8.3.1 Методология и исходные данные, оценка инвестиционного
проекта 107
8.3.2 Показатели коммерческой эффективности проекта 107
8.3.3 Бюджетная эффективность 108
8.4 Анализ чувствительности 108
9 Устройство и порядок вывода блокировок безопасности 111
9.1 Общие сведения 111
9.2 Требования и принципы выполнения устройств блокировки 111
9.3 Виды и устройства блокировок безопасности 113
9.3.1 Механическая блокировка непосредственного действия 113
9.3.2 Электромагнитная блокировка 114
9.3.3 Механическая замковая (электромеханическая) блокировка 116
9.3.4 Программная блокировка 118
9.4 Деблокировка устройств блокировки 119
9.5 Блокировки безопасности открытого распределительного устройства
220 кВ Селемджинской ГЭС 120
Заключение 122
Список использованных источников 124
Приложение А - Б 127-134
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирования ГЭС 9
1.1 Климат в районе проектируемого гидроузла 9
1.2 Гидрологические данные 9
1.3 Инженерно-геологические условие 12
1.4 Данные по энергосистеме 12
2 Водно-энергетические расчёты 14
2.1 Выбор расчётных гидрографов маловодного и средневодного года при
заданной обеспеченности стока 14
2.2 Построение суточных графиков нагрузки и интегральная кривая
нагрузки энергосистемы 18
2.3 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных
нагрузок энергосистемы 19
2.4 Расчёт режимов работы ГЭС без регулирования с учётом требований
водохозяйственной системы 21
2.5 Водно-энергетические расчёты режима работы ГЭС 23
2.6 Определение установленной мощности ГЭС и планирование
капитальных ремонтов 24
3 Основное и вспомогательное оборудование 27
3.1 Построение режимного поля 27
3.2 Выбор системы и количества гидроагрегатов 29
3.3 Определение отметки расположения рабочего колеса гидротурбины 32
3.4 Выбор типа серийного гидрогенератора 34
3.5 Заглубление водозабора на величину воронкообразования 34
3.6 Расчёт вала на прочность 35
3.7 Выбор маслонапорной установки и электрогидравлического
регулятора 35
3.8 Выбор геометрических размеров машинного зала 36
4 Электрическая часть 37
4.1 Выбор главной схемы электрических соединений и схемы собственных
нужд 37
4.2 Выбор типа блоков ГЭС 39
4.2.1 Выбор блочных трансформаторов ВН для схемы с простыми
блоками 39
4.2.2 Выбор блочных трансформаторов ВН для схемы с укрупнёнными
блоками 40
4.2.3 Выбор трансформаторов собственных нужд 41
4.3 Распределительное устройство 42
4.3.2 Выбор схемы распределительного устройства высшего напряжения 43
4.4 Выбор главной схемы на основании технико-экономического расчёта .... 45
4.5 Расчет токов короткого замыкания в программном комплексе
«RastrWin3» 46
4.6 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режимов 48
4.7 Выбор и проверка коммутационных аппаратов в распределительном
устройстве высшего напряжения 49
4.8 Выбор и проверка электротехнического оборудования на генераторном
напряжении 13,8 кВ 51
5 Релейная защита и автоматика 53
5.1 Технические данные защищаемого оборудования 53
5.2 Расчёт номинальных токов 54
5.3 Перечень защит основного оборудования 54
5.4 Рекомендуемые к установке устройства релейной защиты 56
5.5 Продольная дифференциальная защита генератора 56
5.6 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора 59
5.7 Защита от повышения напряжения 61
5.8 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий 62
5.9 Защита от симметричных перегрузок 65
5.10 Дистанционная защита генератора 66
5.11 Защита ротора от перегрузки 69
5.12 Матрица отключений 71
5.13 Таблица уставок 72
6 Компоновка и сооружения гидроузла 73
6.1 Состав и компоновка гидроузла 73
6.2 Определение класса и отметки гребня плотины 73
6.2.1 Определение класса гидротехнического сооружения 73
6.2.2 Определение отметки гребня плотины 73
6.3 Гидравлический расчёт бетонной водосливной плотины 76
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 76
6.3.2 Определение отметки гребня водослива 77
6.3.3 Проверка на пропуск поверочного расхода 79
6.3.4 Построение профиля водосливной грани 80
6.3.5 Расчёт сопряжений потока в нижнем бьефе 80
6.3.6 Сопряжение бьефов свободной отброшенной струей 82
6.4 Конструирование бетонной плотины 84
6.4.1 Определение ширины подошвы плотины 84
6.4.2 Разрезка плотины швами 86
6.4.3 Быки 86
6.4.4 Устои 87
6.4.5 Дренаж тела бетонной плотины 87
6.4.6 Галереи в теле плотины 87
6.4.7 Элементы подземного контура плотины 87
6.5 Определение основных нагрузок на плотину 88
6.5.1 Вес сооружения 89
6.5.2 Сила гидростатического давления воды 89
6.5.3 Равнодействующая взвешивающего давления 90
6.5.4 Волновое воздействие 90
6.5.5 Фильтрационные расчёты 90
6.5.6 Давление грунта 91
6.6 Расчёт прочности плотины 92
6.6.1 Критерии прочности плотины 94
6.7 Расчёт устойчивости плотины 95
7 Пожарная безопасность, охрана труда, техника безопасности, мероприятия
по охране природы 96
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 96
7.2 Охрана труда 96
7.3 Пожарная безопасность 99
7.4 Охрана природы 101
7.4.1 Общие положения 101
8 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации .. 102
8.1.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 102
8.1.2 Текущие расходы на производство электроэнергии 102
8.1.3 Налоговые расходы 105
8.2 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности .... 106
8.3 Оценка инвестиционного проекта 106
8.3.1 Методология и исходные данные, оценка инвестиционного
проекта 107
8.3.2 Показатели коммерческой эффективности проекта 107
8.3.3 Бюджетная эффективность 108
8.4 Анализ чувствительности 108
9 Устройство и порядок вывода блокировок безопасности 111
9.1 Общие сведения 111
9.2 Требования и принципы выполнения устройств блокировки 111
9.3 Виды и устройства блокировок безопасности 113
9.3.1 Механическая блокировка непосредственного действия 113
9.3.2 Электромагнитная блокировка 114
9.3.3 Механическая замковая (электромеханическая) блокировка 116
9.3.4 Программная блокировка 118
9.4 Деблокировка устройств блокировки 119
9.5 Блокировки безопасности открытого распределительного устройства
220 кВ Селемджинской ГЭС 120
Заключение 122
Список использованных источников 124
Приложение А - Б 127-134
Гидроэнергетика является одной из самых перспективных отраслей современной энергетики. Россия обладает большим гидроэнергетическим потенциалом, хотя степень его освоения значительно меньше, чем в других странах, причём существует значительная неравномерность его освоения по территории нашей страны. Например, для центра характерна высокая степень освоения гидроресурсов (50%), в таких регионах как Дальний Восток гидроэнергетический потенциал рек освоен всего на 3%. Поэтому этому вопросу следует уделять большое внимание и развивать эту отрасль энергетики в настоящее время.
В себестоимости производства электроэнергии на гидроэлектростанциях отсутствует топливная составляющая, что делает энергию более конкурентоспособной в условиях рынка.
Гидроэлектростанции являются наиболее маневренными из всех типов электростанций. Также ГЭС 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 гидравлическим станциям покрывать пиковые нагрузки и поддерживать частоту тока в энергосистеме.
Целью бакалаврской работы является знакомство и освоение основных этапов проектирования гидроэлектростанции с применением теоретических знаний, а также путем инженерной мысли и своеобразного подхода к решению определенных задач, найти наилучшие проектные решения.
В себестоимости производства электроэнергии на гидроэлектростанциях отсутствует топливная составляющая, что делает энергию более конкурентоспособной в условиях рынка.
Гидроэлектростанции являются наиболее маневренными из всех типов электростанций. Также ГЭС 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 гидравлическим станциям покрывать пиковые нагрузки и поддерживать частоту тока в энергосистеме.
Целью бакалаврской работы является знакомство и освоение основных этапов проектирования гидроэлектростанции с применением теоретических знаний, а также путем инженерной мысли и своеобразного подхода к решению определенных задач, найти наилучшие проектные решения.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчётных расходов для основного обеспеченностью 0,1% и поверочного 0,01% обеспеченности случаев: Qo>1% = 7045 м3/с , Qo,oi% = 8745 м3/с.
В ходе водно-энергетических расчетов была выбрана установленная мощность Селемджинской ГЭС, а также определена зона ее работы в суточных графиках нагрузки в период межени и половодья. Установленная мощность составила 280 МВт. Определен уровень мёртвого объема, отметка которого равна 788,00 м. Полезный объём при отметке НПУ составляет 6,93 км3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 1,75 млрд. кВт^ч.
На втором 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 - 49 м;
расчётный - 38,8 м;
минимальный - 25,3 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчётному напору, составляет 617 м3/с.
Была выбрана турбина типа ПЛ 50 — В — 600. По результатам расчётов оптимальным оказался вариант с тремя гидроагрегатами, диаметром рабочих колес 6 м.
Для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 125 об/мин был подобран серийный гидрогенератор СВ 1130/140-48 с номинальной активной мощностью 93,3 МВт.
Далее был выбран класс напряжения и тип РУ ОРУ 220 кВ, а также структурная схема ГЭС с простыми блоками и принята схема распределительного устройства - "две системы сборных шин с обходной". По справочным данным и каталогам было выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ - 125000/220, трансформаторы собственных нужд ТСЗ-2500/13,8 УХЛ-1.
Распределительное устройство принято типа ОРУ.
В качестве генераторного выключателя, принят элегазовый выключатель ВГГ-20 производства компании «Высоковольтный союз», в качестве выключателей на ОРУ были выбраны элегазовые баковые выключатели ВЭБ- 220 производства ОАО ВО «Электроаппарат».
- водосбросная бетонная плотина с отлетом струи;
- глухая бетонная плотина;
- станционная часть;
- правобережная и левобережные бетонные плотины.
На данном этапе расчётным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- ширина подошвы - 39,2 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 756,00 м;
- отметка гребня водослива - 801,00 м;
- число водосливных отверстий - 6;
- ширина водосливных отверстий в свету - 20 м;
-отметка гребня плотины - 815 м.
В этом же разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном и особом сочетаниях нагрузок. В результате расчётов коэффициент надежности сооружения составляет 1,37 (нормативное значение для сооружений I класса - 1,25). При расчёте плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Таким образом, плотина Селемджинской ГЭС отвечает требованиям надежности.
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 - 18 коп/кВт-ч;
- удельные капиталовложения - 92423,1 руб./кВт;
- срок окупаемости 5,5 года.
Из этого можно сделать вывод, что строительство Селемджинской ГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.
В ходе водно-энергетических расчетов была выбрана установленная мощность Селемджинской ГЭС, а также определена зона ее работы в суточных графиках нагрузки в период межени и половодья. Установленная мощность составила 280 МВт. Определен уровень мёртвого объема, отметка которого равна 788,00 м. Полезный объём при отметке НПУ составляет 6,93 км3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 1,75 млрд. кВт^ч.
На втором 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 - 49 м;
расчётный - 38,8 м;
минимальный - 25,3 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчётному напору, составляет 617 м3/с.
Была выбрана турбина типа ПЛ 50 — В — 600. По результатам расчётов оптимальным оказался вариант с тремя гидроагрегатами, диаметром рабочих колес 6 м.
Для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 125 об/мин был подобран серийный гидрогенератор СВ 1130/140-48 с номинальной активной мощностью 93,3 МВт.
Далее был выбран класс напряжения и тип РУ ОРУ 220 кВ, а также структурная схема ГЭС с простыми блоками и принята схема распределительного устройства - "две системы сборных шин с обходной". По справочным данным и каталогам было выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ - 125000/220, трансформаторы собственных нужд ТСЗ-2500/13,8 УХЛ-1.
Распределительное устройство принято типа ОРУ.
В качестве генераторного выключателя, принят элегазовый выключатель ВГГ-20 производства компании «Высоковольтный союз», в качестве выключателей на ОРУ были выбраны элегазовые баковые выключатели ВЭБ- 220 производства ОАО ВО «Электроаппарат».
- водосбросная бетонная плотина с отлетом струи;
- глухая бетонная плотина;
- станционная часть;
- правобережная и левобережные бетонные плотины.
На данном этапе расчётным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- ширина подошвы - 39,2 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 756,00 м;
- отметка гребня водослива - 801,00 м;
- число водосливных отверстий - 6;
- ширина водосливных отверстий в свету - 20 м;
-отметка гребня плотины - 815 м.
В этом же разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном и особом сочетаниях нагрузок. В результате расчётов коэффициент надежности сооружения составляет 1,37 (нормативное значение для сооружений I класса - 1,25). При расчёте плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Таким образом, плотина Селемджинской ГЭС отвечает требованиям надежности.
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 - 18 коп/кВт-ч;
- удельные капиталовложения - 92423,1 руб./кВт;
- срок окупаемости 5,5 года.
Из этого можно сделать вывод, что строительство Селемджинской ГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.