Проектирование Устюгской ГЭС на реке Юг. Система мониторинга трансформаторов и вводов ( назначение, требования, преимущества и недостатки)
|
Введение 7
Сокращенный паспорт ГЭС 8
1 Анализ исходных данных 10
1.1 Общие сведения 10
1.2 Гидрологические данные 11
1.3 Энерго-экономическая характеристика района 16
2 Водно-энергетические расчеты 17
2.1 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года
при заданной обеспеченности стока 17
2.2 Определение максимального расчетного расхода 21
2.3 Построение суточных графиков нагрузки энергосистемы 25
2.4 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных
нагрузок энергосистемы 28
2.5 Покрытие графиков нагрузки энергосистемы существующими
гидроэлектростанциями 31
2.6 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственной системы 32
2.7 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в маловодном
году 34
2.8 Определение установленной мощности проектируемой ГЭС и
планирование капитальных ремонтов. Баланс мощности и энергии в энергосистеме 37
2.9 Водно-энергетический расчет режима работы проектируемой ГЭС в
среднем по водности году 40
3 Основное и вспомогательное оборудование 43
3.1 Построение режимного поля, выбор числа и типа агрегатов 43
3.2. Выбор турбин по главным универсальным характеристикам 45
3.3 Определение установки отметки рабочего колеса гидротурбины 49
3.4 Определение геометрических размеров проточной части 52
3.5 Выбор гидрогенератора. Определение параметров и размеров
гидрогенератора 52
3.6 Выбор типа и габаритных размеров маслонапорной установки 53
3.7 Выбор кранов 53
4 Электрическая часть 54
4.1 Выбор структурной схемы электрических соединений ГЭС 54
4.2 Выбор схемы электроснабжения собственных нужд ГЭС 55
4.3 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 56
4.3.1 Выбор синхронных генераторов 56
4.3.2 Выбор трансформаторов 56
4.3.3 Выбор трансформаторов собственных нужд 57
4.4 Выбор линий электропередач 57
4.5 Выбор схем распределительных устройств 59
4.6 Расчет токов короткого замыкания 60
4.6.1 Составление схемы замещения 61
4.6.2 Расчёт исходных данных 62
4.6.3 Расчет тока трехфазного КЗ в точке К1 63
4.6.4 Расчет тока однофазного КЗ в точке К1 63
4.6.5 Расчет тока трехфазного КЗ в точке К2 65
4.6.6 Расчёт ударного тока КЗ в точке К1 65
4.6.7 Расчёт ударного тока КЗ в точке К2 66
4.6.9 Результаты расчёта токов короткого замыкания 67
4.7 Выбор электрических аппаратов 67
4.7.1 Выбор и расчет токоведущих частей аппаратов и проводников 67
4.7.2 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режимов . 67
4.7.3 Выбор КРУЭ 220 кВ 68
4.7.4 Выбор аппаратов на генераторном напряжении 69
4.7.4 Выбор ограничителей перенапряжения 70
5 Релейная защита и автоматика 71
5.1 Перечень защит основного оборудования 71
5.1.1 Защиты генератора 71
5.1.2 Защиты трансформатора блока 72
5.1.3 Защиты КРУЭ - 220 кВ 72
5.1.4 Защиты воздушных линий 220 кВ 73
5.2 Рекомендуемые к установке устройства релейной защиты 73
5.3 Расчёт продольной дифференциальной защиты генератора 73
5.4 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (Un (Uo) .... 76
5.5 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 79
5.6 Защита обратной последовательности от несимметричных
перегрузок и внешних несимметричных коротких замыканий 80
5.7 Защита от симметричных перегрузок статора (I1) 83
5.8 Дистанционная защита генератора (Z1<), (Z2<) 85
5.9 Защита ротора от перегрузки (Ip) 88
5.10 Таблица уставок и матрица отключений защит 89
6 Компоновка и сооружения гидроузла 92
6.1 Расчет длины здания ГЭС 92
6.2 Определение класса сооружения 92
6.3 Определение отметки гребня земляной плотины 93
6.4 Гидравлический расчет водосливной плотины 97
6.4.1 Определение ширины водосливного фронта 97
6.4.2 Определение отметки гребня водослива 98
6.4.3 Определение формы водосливной поверхности 100
6.4.4 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 101
6.4.5 Расчет водобойной стенки 103
6.5 Конструирование плотины 105
6.5.1 Определение ширины подошвы плотины 105
6.5.2 Разрезка плотины швами 107
6.5.3 Быки 108
6.5.4 Устои 108
6.5.5 Галереи в теле плотины 109
6.6 Назначение размеров основных элементов плотины 109
6.6.1 Понур 109
6.6.2 Шпунтовые стенки 110
6.6.3 Дренажные устройства 110
6.7 Конструктивные элементы нижнего бьефа 111
6.7.1 Водобой 111
6.7.2 Рисберма 111
6.7.3 Ковш 111
6.8 Фильтрационный расчет 112
6.9 Статические расчеты плотины 113
6.9.1 Определение основных нагрузок на плотину 113
6.9.2 Вес сооружения и механизмов 113
6.9.3 Сила гидростатического давления воды 114
6.9.4 Равнодействующая взвешивающего давления 115
6.9.5 Сила фильтрационного давления 115
6.9.6 Давление грунта 115
6.9.7 Волновое давление 118
6.10 Расчет прочности плотины 119
6.11 Оценка прочности плотины 122
6.12 Расчет устойчивости плотины на сдвиг по основанию 124
6.13 Проектирование грунтовой плотины 125
6.14 Расчет высоты перемычек первой очереди 126
7 Охрана труда, пожарная безопасность, охрана окружающей среды 128
7.1 Устройство охраны труда 128
7.2 Безопасность гидротехнических сооружений 131
7.3 Пожарная безопасность 132
7.3.1 Пожаротушение гидрогенераторов 134
7.3.2 Пожаротушение силовых трансформаторов 134
7.3.3 Пожаротушение кабельных сооружений 135
7.3.4 Пожаротушение станционного маслохозяйства 135
7.4 Мероприятия по охране природы 135
8 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации 138
8.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 138
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 139
8.3 Налоговые расходы 142
8.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности 143
8.5 Оценка инвестиционного проекта 145
8.5.1 Оценка инвестиционного проекта 145
8.5.2 Коммерческая эффективность 145
8.5.3 Бюджетная эффективность 146
8.6 Анализ чувствительности 146
9 Система мониторинга трансформаторов и вводов (назначение,
требования, преимущества и недостатки) 149
9.1 Вводная часть 149
9.2 Аварийность силовых трансформаторов 150
9.3 Система мониторинга трансформаторов - назначение и функции 152
9.4 Структура и состав системы мониторинга 154
9.4.1 Уровень I 154
9.4.2 Уровень II 154
9.4.3 Уровень III 155
9.5 Программное обеспечение 156
9.6 Система защит трансформатора от перегрева 157
9.7 Контроль содержания газа и влаги в масле 158
9.8 Мониторинг состояния изоляции высоковольтных вводов и
частичных разрядов 159
9.9 Мониторинг tg6 и емкости C1 163
9.10 Вывод 164
Заключение 165
Список использованных источников 167
Приложение А Проточная часть турбины пл-40 В 168
Приложение Б Расчет фильтрационного давления 169
Приложение В Схема к расчету прочности и устойчивости плотины для
основного случая 170
Приложение Г Напряжение в краевых сечениях 171
Приложение Д К расчету пропуска строительных расходов первой
очереди 172
Сокращенный паспорт ГЭС 8
1 Анализ исходных данных 10
1.1 Общие сведения 10
1.2 Гидрологические данные 11
1.3 Энерго-экономическая характеристика района 16
2 Водно-энергетические расчеты 17
2.1 Выбор расчетных гидрографов маловодного и средневодного года
при заданной обеспеченности стока 17
2.2 Определение максимального расчетного расхода 21
2.3 Построение суточных графиков нагрузки энергосистемы 25
2.4 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных
нагрузок энергосистемы 28
2.5 Покрытие графиков нагрузки энергосистемы существующими
гидроэлектростанциями 31
2.6 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственной системы 32
2.7 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в маловодном
году 34
2.8 Определение установленной мощности проектируемой ГЭС и
планирование капитальных ремонтов. Баланс мощности и энергии в энергосистеме 37
2.9 Водно-энергетический расчет режима работы проектируемой ГЭС в
среднем по водности году 40
3 Основное и вспомогательное оборудование 43
3.1 Построение режимного поля, выбор числа и типа агрегатов 43
3.2. Выбор турбин по главным универсальным характеристикам 45
3.3 Определение установки отметки рабочего колеса гидротурбины 49
3.4 Определение геометрических размеров проточной части 52
3.5 Выбор гидрогенератора. Определение параметров и размеров
гидрогенератора 52
3.6 Выбор типа и габаритных размеров маслонапорной установки 53
3.7 Выбор кранов 53
4 Электрическая часть 54
4.1 Выбор структурной схемы электрических соединений ГЭС 54
4.2 Выбор схемы электроснабжения собственных нужд ГЭС 55
4.3 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 56
4.3.1 Выбор синхронных генераторов 56
4.3.2 Выбор трансформаторов 56
4.3.3 Выбор трансформаторов собственных нужд 57
4.4 Выбор линий электропередач 57
4.5 Выбор схем распределительных устройств 59
4.6 Расчет токов короткого замыкания 60
4.6.1 Составление схемы замещения 61
4.6.2 Расчёт исходных данных 62
4.6.3 Расчет тока трехфазного КЗ в точке К1 63
4.6.4 Расчет тока однофазного КЗ в точке К1 63
4.6.5 Расчет тока трехфазного КЗ в точке К2 65
4.6.6 Расчёт ударного тока КЗ в точке К1 65
4.6.7 Расчёт ударного тока КЗ в точке К2 66
4.6.9 Результаты расчёта токов короткого замыкания 67
4.7 Выбор электрических аппаратов 67
4.7.1 Выбор и расчет токоведущих частей аппаратов и проводников 67
4.7.2 Определение расчётных токов рабочего и утяжелённого режимов . 67
4.7.3 Выбор КРУЭ 220 кВ 68
4.7.4 Выбор аппаратов на генераторном напряжении 69
4.7.4 Выбор ограничителей перенапряжения 70
5 Релейная защита и автоматика 71
5.1 Перечень защит основного оборудования 71
5.1.1 Защиты генератора 71
5.1.2 Защиты трансформатора блока 72
5.1.3 Защиты КРУЭ - 220 кВ 72
5.1.4 Защиты воздушных линий 220 кВ 73
5.2 Рекомендуемые к установке устройства релейной защиты 73
5.3 Расчёт продольной дифференциальной защиты генератора 73
5.4 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора (Un (Uo) .... 76
5.5 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 79
5.6 Защита обратной последовательности от несимметричных
перегрузок и внешних несимметричных коротких замыканий 80
5.7 Защита от симметричных перегрузок статора (I1) 83
5.8 Дистанционная защита генератора (Z1<), (Z2<) 85
5.9 Защита ротора от перегрузки (Ip) 88
5.10 Таблица уставок и матрица отключений защит 89
6 Компоновка и сооружения гидроузла 92
6.1 Расчет длины здания ГЭС 92
6.2 Определение класса сооружения 92
6.3 Определение отметки гребня земляной плотины 93
6.4 Гидравлический расчет водосливной плотины 97
6.4.1 Определение ширины водосливного фронта 97
6.4.2 Определение отметки гребня водослива 98
6.4.3 Определение формы водосливной поверхности 100
6.4.4 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 101
6.4.5 Расчет водобойной стенки 103
6.5 Конструирование плотины 105
6.5.1 Определение ширины подошвы плотины 105
6.5.2 Разрезка плотины швами 107
6.5.3 Быки 108
6.5.4 Устои 108
6.5.5 Галереи в теле плотины 109
6.6 Назначение размеров основных элементов плотины 109
6.6.1 Понур 109
6.6.2 Шпунтовые стенки 110
6.6.3 Дренажные устройства 110
6.7 Конструктивные элементы нижнего бьефа 111
6.7.1 Водобой 111
6.7.2 Рисберма 111
6.7.3 Ковш 111
6.8 Фильтрационный расчет 112
6.9 Статические расчеты плотины 113
6.9.1 Определение основных нагрузок на плотину 113
6.9.2 Вес сооружения и механизмов 113
6.9.3 Сила гидростатического давления воды 114
6.9.4 Равнодействующая взвешивающего давления 115
6.9.5 Сила фильтрационного давления 115
6.9.6 Давление грунта 115
6.9.7 Волновое давление 118
6.10 Расчет прочности плотины 119
6.11 Оценка прочности плотины 122
6.12 Расчет устойчивости плотины на сдвиг по основанию 124
6.13 Проектирование грунтовой плотины 125
6.14 Расчет высоты перемычек первой очереди 126
7 Охрана труда, пожарная безопасность, охрана окружающей среды 128
7.1 Устройство охраны труда 128
7.2 Безопасность гидротехнических сооружений 131
7.3 Пожарная безопасность 132
7.3.1 Пожаротушение гидрогенераторов 134
7.3.2 Пожаротушение силовых трансформаторов 134
7.3.3 Пожаротушение кабельных сооружений 135
7.3.4 Пожаротушение станционного маслохозяйства 135
7.4 Мероприятия по охране природы 135
8 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации 138
8.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 138
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 139
8.3 Налоговые расходы 142
8.4 Оценка суммы прибыли от реализации электроэнергии и мощности 143
8.5 Оценка инвестиционного проекта 145
8.5.1 Оценка инвестиционного проекта 145
8.5.2 Коммерческая эффективность 145
8.5.3 Бюджетная эффективность 146
8.6 Анализ чувствительности 146
9 Система мониторинга трансформаторов и вводов (назначение,
требования, преимущества и недостатки) 149
9.1 Вводная часть 149
9.2 Аварийность силовых трансформаторов 150
9.3 Система мониторинга трансформаторов - назначение и функции 152
9.4 Структура и состав системы мониторинга 154
9.4.1 Уровень I 154
9.4.2 Уровень II 154
9.4.3 Уровень III 155
9.5 Программное обеспечение 156
9.6 Система защит трансформатора от перегрева 157
9.7 Контроль содержания газа и влаги в масле 158
9.8 Мониторинг состояния изоляции высоковольтных вводов и
частичных разрядов 159
9.9 Мониторинг tg6 и емкости C1 163
9.10 Вывод 164
Заключение 165
Список использованных источников 167
Приложение А Проточная часть турбины пл-40 В 168
Приложение Б Расчет фильтрационного давления 169
Приложение В Схема к расчету прочности и устойчивости плотины для
основного случая 170
Приложение Г Напряжение в краевых сечениях 171
Приложение Д К расчету пропуска строительных расходов первой
очереди 172
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.
Гидроресурсы - наиболее экологически чистый источник энергии из промышленно доступных, не создающий эмиссии углекислого газа и вредных веществ в атмосферу.
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, а также путем инженерной мысли и творческого подхода к решению конкретных задач, найти правильные проектные решения.
Гидроресурсы - наиболее экологически чистый источник энергии из промышленно доступных, не создающий эмиссии углекислого газа и вредных веществ в атмосферу.
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, а также путем инженерной мысли и творческого подхода к решению конкретных задач, найти правильные проектные решения.
В дипломном проекте были рассчитаны и определены основные элементы и параметры Устюгской ГЭС на реке Юг.
На этапе водноэнергетических расчетов была выбрана установленная мощность проектируемой станции, которая составила 1124 МВт, и намечена зона работы в суточных графиках нагрузки для зимы и лета. Проектируемая станция покрывает пиковую и базовую часть графика нагрузки. По кривой сработки/наполнения водохранилища, с НПУ 73 м, был определен уровень мертвого объема, отметка которого составила 68,79 м. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составляет 3,45 млрд. кВ'гч.
Далее была выявлена область допустимой работы гидроэлектростанции, исходя из которой были определены следующие параметры:
- расчетный напор Нр= 33,5 м;
- минимальный напор 11,,,,,,31,2 м;
- максимальный напор Hmax= 38,1 м.
Из полученного диапазона изменения напора по справочным материалам были подобраны возможные типы гидротурбин. После сравнения рабочих зон турбин, принята установке гидротурбина ПЛ40/587а-В-900 диаметром 9 м при числе агрегатов равном 6. Также была выбрана система управления гидротурбиной.
По справочным данным для выбранной радиально-осевой турбины подобран серийный генератор типа СВ-1639/156-76с номинальной мощностью 207 МВт и синхронной частотой вращения 78,9 об/мин.
На основе расчёта была определена схема выдачи мощности на напряжение 220 кВ, с установкой КРУЭ и генераторного выключателя фирмы «Электроаппарат».
Подобраны устройства релейной защиты и автоматики. Выбор шкафов комплексной защиты оборудования остановлен на продукции НЛП «ЭКРА».
В состав сооружений входят:
- станционная часть плотины,
-водосбросная бетонная плотина гравитационного типа;
- каменно-набросная левобережная и правобережная плотина
-КРУЭ 220 кВ;
-служебно технический комплекс.
Для снятия противодавления устроены цементационная завеса и дренаж. Расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины. Для гашения гидравлической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применен водобойный колодец и водобойная стенка.
В результате статического расчета были собраны все нагрузки, действующие на плотину, произведен расчет по критериям прочности. В результате расчета устойчивости было установлено, что плотина подвержена схеме плоского сдвига, с коэффициентом надежности 1,32 ,что больше допустимого для I класса сооружений - 1,25. найденные для расчетных случаев коэффициенты надежности удовлетворяют нормативным. Сооружение удовлетворяет требованиям надежности и прочности.
В рамках технико-экономических расчётов получены следующие показатели:
• стоимость строительства гидроузла - 90 млрд.руб.;
• удельные капиталовложения - 80337 тыс.руб/МВт;
• удельная себестоимость производства электроэнергии - 13,5 коп/кВт-ч;
• дисконтированный срок окупаемости станции - 84 месяцев с начала осуществления проекта.
Таким образом, строительство Устюгской ГЭС можно считать экономически целесообразным.
В рамках специального задания был проработан вопрос система мониторинга трансформаторов и вводов.
На этапе водноэнергетических расчетов была выбрана установленная мощность проектируемой станции, которая составила 1124 МВт, и намечена зона работы в суточных графиках нагрузки для зимы и лета. Проектируемая станция покрывает пиковую и базовую часть графика нагрузки. По кривой сработки/наполнения водохранилища, с НПУ 73 м, был определен уровень мертвого объема, отметка которого составила 68,79 м. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составляет 3,45 млрд. кВ'гч.
Далее была выявлена область допустимой работы гидроэлектростанции, исходя из которой были определены следующие параметры:
- расчетный напор Нр= 33,5 м;
- минимальный напор 11,,,,,,31,2 м;
- максимальный напор Hmax= 38,1 м.
Из полученного диапазона изменения напора по справочным материалам были подобраны возможные типы гидротурбин. После сравнения рабочих зон турбин, принята установке гидротурбина ПЛ40/587а-В-900 диаметром 9 м при числе агрегатов равном 6. Также была выбрана система управления гидротурбиной.
По справочным данным для выбранной радиально-осевой турбины подобран серийный генератор типа СВ-1639/156-76с номинальной мощностью 207 МВт и синхронной частотой вращения 78,9 об/мин.
На основе расчёта была определена схема выдачи мощности на напряжение 220 кВ, с установкой КРУЭ и генераторного выключателя фирмы «Электроаппарат».
Подобраны устройства релейной защиты и автоматики. Выбор шкафов комплексной защиты оборудования остановлен на продукции НЛП «ЭКРА».
В состав сооружений входят:
- станционная часть плотины,
-водосбросная бетонная плотина гравитационного типа;
- каменно-набросная левобережная и правобережная плотина
-КРУЭ 220 кВ;
-служебно технический комплекс.
Для снятия противодавления устроены цементационная завеса и дренаж. Расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины. Для гашения гидравлической энергии водного потока, пропускаемого через водосливную плотину, применен водобойный колодец и водобойная стенка.
В результате статического расчета были собраны все нагрузки, действующие на плотину, произведен расчет по критериям прочности. В результате расчета устойчивости было установлено, что плотина подвержена схеме плоского сдвига, с коэффициентом надежности 1,32 ,что больше допустимого для I класса сооружений - 1,25. найденные для расчетных случаев коэффициенты надежности удовлетворяют нормативным. Сооружение удовлетворяет требованиям надежности и прочности.
В рамках технико-экономических расчётов получены следующие показатели:
• стоимость строительства гидроузла - 90 млрд.руб.;
• удельные капиталовложения - 80337 тыс.руб/МВт;
• удельная себестоимость производства электроэнергии - 13,5 коп/кВт-ч;
• дисконтированный срок окупаемости станции - 84 месяцев с начала осуществления проекта.
Таким образом, строительство Устюгской ГЭС можно считать экономически целесообразным.
В рамках специального задания был проработан вопрос система мониторинга трансформаторов и вводов.