ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАТУНЬСКОЙ ГЭС НА РЕКЕ КАТУНЬ. СИСТЕМЫ ГРАМ ГЭС, ТРЕБОВАНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛНЕНИЯ
|
Сокращенный паспорт Катуньской ГЭС на реке Катунь
Введение
1 Общая часть
1.1 Климат в районе проектируемого гидроузла
1.2 Гидрологические данные
1.3 Инженерно - геологические условия
1.4 Энерго - экономическая характеристика района ....
2 Водно - энергетические расчеты
2.1 Исходные данные
2.2 Выбор расчетных гидрографов маловодного и среднего по водности года
при заданной обеспеченности стока 14
2.3 Построение суточных графиков нагрузки энергосистемы 17
2.4. Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных нагрузок энергосистемы 20
2.5 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственной системы 21
2.6 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в маловодном году. 22
2.7 Водно-энергетические расчёты режима работы ГЭС в средневодном году 24
2.8 Определение установленной мощности ГЭС и планирование капитальных
ремонтов
2.9 Баланс мощности
3 Основное и вспомогательное оборудование
3.1 Построение режимного поля
3.2 Выбор системы и количества гидроагрегатов
3.2 Проверка работы гидротурбины при ограничении по минимальному
расходу 36
3.3 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины для
обеспечения ее безкавитационной работы 37
3.3.1 Работа одного агрегата при расчетном напоре и номинальной
мощности 38
3.3.2 Работа одного агрегата при минимальном напоре и соответствующей
ему мощности на линии ограничения 38
3.3.3 Работа одного агрегата при максимальном напоре и номинальной
мощности 39
3.4 Расчет отметки верхней кромки водовода 39
3.5 Гидромеханический расчет и построение плана бетонной спиральной
камеры
3.6 Выбор типа и габаритных размеров МНУ и колонки управления
3.7 Выбор типа серийного гидрогенератора
4 Компоновка гидроузла, выбор типа и расчет основных сооружений .
4.1 Определение отметки гребня бетонной плотины и гребня быка...
4.2 Гидравлические расчёты 47
4.2.1 Определение ширины водосливного фронта 47
4.2.2 Определение отметки гребня водослива 48
4.2.3 Проверка на пропуск поверочного расхода 49
4.2.4 Расчёт сопряжения потока в нижнем бьефе 50
4.2.5 Гашение энергии потока. Расчет отлёта струи 51
4.3 Определение ширины подошвы плотины 54
4.4 Разрезка бетонной плотины швами 57
4.5 Быки 57
4.6 Устои 57
4.7 Галереи в теле плотины 57
4.8 Дренаж тела бетонных плотин 58
4.9 Конструирование отдельных элементов подземного контура плотины .... 58
4.9.1 Цементационная завеса и дренаж 58
4.10 Определение основных нагрузок на плотину 60
4.10.1 Вес сооружения 60
4.10.2 Сила гидростатического давления воды 60
4.10.3 Равнодействующая взвешивающего давления 61
4.10.4 Сила фильтрационного давления 61
4.10.5 Давление грунта 62
4.10.6 Волновое давление 63
4.11 Оценка прочности плотины 63
4.12 Критерии прочности плотины 66
4.13 Расчёт устойчивости плотины 67
5 Электрическая часть станции 69
5.1 Выбор структурной схемы электрических соединений 69
5.2 Выбор повышающих трансформаторов 69
5.2.1 Схема с простыми блоками 69
5.2.2 Схема с объединёнными блоками с трансформатором на 2
генератора 71
5.2.3 Выбор трансформаторов собственных нужд для схем с одиночным и
объединенным блоком 72
5.2.4 Выбор синхронных генераторов 72
5.3 Выбор главной схемы ГЭС на основании технико-экономического
расчёта 72
5.4 Выбор количества отходящих воздушных линий РУВН и марки
проводов 73
5.5 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 74
5.5.1 Выбор схемы РУ-110 кВ 75
5.6 Расчёт токов трехфазного и однофазного короткого замыкания у
распределительного устройства высшего напряжения с применением программного комплекса RastrKZ 76
5.6.1 Расчёт исходных данных 76
5.6.2 Расчёт токов трехфазного короткого замыкания на генераторном напряжении с применением программного комплекса RastrKZ 77
5.7 Выбор и проверка коммутационных аппаратов в распределительном
устройстве высшего напряжения 79
5.7.1 Определение расчетных токов рабочего и утяжеленного режимов 80
5.7.2 Выбор выключателей и разъединителей 80
5.7.3 Выбор трансформаторов напряжения 81
5.7.4 Выбор ограничителя перенапряжения (ОПН) 82
5.7.5 Выбор трансформатора тока (ТТ) 82
5.8 Выбор и проверка коммутационных аппаратов на генераторном
напряжении 82
5.8.1 Выбор выключателей и разъединителей 82
5.8.2 Выбор трансформаторов напряжения 83
5.8.3 Выбор трансформаторов тока 84
5.8.4 Выбор ограничителя перенапряжения (ОПН) 84
5.8.5 Выбор генераторного синхронизатора и сетевого анализатора 84
6 Релейная защита и автоматика 86
6.1 Перечень защит основного оборудования 86
6.2 Описание защит и расчет их уставок 87
6.2.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 87
6.2.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора
(Un (Uo)) 89
6.2.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 91
6.2.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок
и внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 92
6.2.5 Защита от симметричных перегрузок(П) 95
6.2.6 Дистанционная защита генератора Z1 <, Z2 < 97
6.2.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 99
6.3 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 101
6.4 Таблица уставок и матрица отключений защит 101
7 Пожарная безопасность, охрана труда, техника безопасности, мероприятия по
охране природы 103
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 103
7.2 Охрана труда 103
7.3 Пожарная безопасность 106
7.4 Охрана природы 108
7.4.1 Общие положения 108
8 Оценка объёмов продаж электроэнергии и расчет расходов на проект 110
8.1 Определение объёмов генерации производства 110
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 110
8.3 Налоговые расходы 112
8.4 Оценка суммы прибыли 113
8.5 Показатели эффективности проекта 114
8.6 Анализ чувствительности 114
9 Система ГРАМ ГЭС 117
9.1 Требования к системам ГРАМ 117
9.1.1 Функциональные свойства 117
9.1.2 Статические свойства 119
9.1.3 Динамические свойства 119
9.1.4 Требования к аппаратной части 120
9.2 Система ГРАМ на примере Новосибирской ГЭС 122
Заключение 127
Список использованных источников 129
Приложение А 132
Введение
1 Общая часть
1.1 Климат в районе проектируемого гидроузла
1.2 Гидрологические данные
1.3 Инженерно - геологические условия
1.4 Энерго - экономическая характеристика района ....
2 Водно - энергетические расчеты
2.1 Исходные данные
2.2 Выбор расчетных гидрографов маловодного и среднего по водности года
при заданной обеспеченности стока 14
2.3 Построение суточных графиков нагрузки энергосистемы 17
2.4. Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных нагрузок энергосистемы 20
2.5 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственной системы 21
2.6 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в маловодном году. 22
2.7 Водно-энергетические расчёты режима работы ГЭС в средневодном году 24
2.8 Определение установленной мощности ГЭС и планирование капитальных
ремонтов
2.9 Баланс мощности
3 Основное и вспомогательное оборудование
3.1 Построение режимного поля
3.2 Выбор системы и количества гидроагрегатов
3.2 Проверка работы гидротурбины при ограничении по минимальному
расходу 36
3.3 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины для
обеспечения ее безкавитационной работы 37
3.3.1 Работа одного агрегата при расчетном напоре и номинальной
мощности 38
3.3.2 Работа одного агрегата при минимальном напоре и соответствующей
ему мощности на линии ограничения 38
3.3.3 Работа одного агрегата при максимальном напоре и номинальной
мощности 39
3.4 Расчет отметки верхней кромки водовода 39
3.5 Гидромеханический расчет и построение плана бетонной спиральной
камеры
3.6 Выбор типа и габаритных размеров МНУ и колонки управления
3.7 Выбор типа серийного гидрогенератора
4 Компоновка гидроузла, выбор типа и расчет основных сооружений .
4.1 Определение отметки гребня бетонной плотины и гребня быка...
4.2 Гидравлические расчёты 47
4.2.1 Определение ширины водосливного фронта 47
4.2.2 Определение отметки гребня водослива 48
4.2.3 Проверка на пропуск поверочного расхода 49
4.2.4 Расчёт сопряжения потока в нижнем бьефе 50
4.2.5 Гашение энергии потока. Расчет отлёта струи 51
4.3 Определение ширины подошвы плотины 54
4.4 Разрезка бетонной плотины швами 57
4.5 Быки 57
4.6 Устои 57
4.7 Галереи в теле плотины 57
4.8 Дренаж тела бетонных плотин 58
4.9 Конструирование отдельных элементов подземного контура плотины .... 58
4.9.1 Цементационная завеса и дренаж 58
4.10 Определение основных нагрузок на плотину 60
4.10.1 Вес сооружения 60
4.10.2 Сила гидростатического давления воды 60
4.10.3 Равнодействующая взвешивающего давления 61
4.10.4 Сила фильтрационного давления 61
4.10.5 Давление грунта 62
4.10.6 Волновое давление 63
4.11 Оценка прочности плотины 63
4.12 Критерии прочности плотины 66
4.13 Расчёт устойчивости плотины 67
5 Электрическая часть станции 69
5.1 Выбор структурной схемы электрических соединений 69
5.2 Выбор повышающих трансформаторов 69
5.2.1 Схема с простыми блоками 69
5.2.2 Схема с объединёнными блоками с трансформатором на 2
генератора 71
5.2.3 Выбор трансформаторов собственных нужд для схем с одиночным и
объединенным блоком 72
5.2.4 Выбор синхронных генераторов 72
5.3 Выбор главной схемы ГЭС на основании технико-экономического
расчёта 72
5.4 Выбор количества отходящих воздушных линий РУВН и марки
проводов 73
5.5 Выбор главной схемы распределительного устройства высшего
напряжения 74
5.5.1 Выбор схемы РУ-110 кВ 75
5.6 Расчёт токов трехфазного и однофазного короткого замыкания у
распределительного устройства высшего напряжения с применением программного комплекса RastrKZ 76
5.6.1 Расчёт исходных данных 76
5.6.2 Расчёт токов трехфазного короткого замыкания на генераторном напряжении с применением программного комплекса RastrKZ 77
5.7 Выбор и проверка коммутационных аппаратов в распределительном
устройстве высшего напряжения 79
5.7.1 Определение расчетных токов рабочего и утяжеленного режимов 80
5.7.2 Выбор выключателей и разъединителей 80
5.7.3 Выбор трансформаторов напряжения 81
5.7.4 Выбор ограничителя перенапряжения (ОПН) 82
5.7.5 Выбор трансформатора тока (ТТ) 82
5.8 Выбор и проверка коммутационных аппаратов на генераторном
напряжении 82
5.8.1 Выбор выключателей и разъединителей 82
5.8.2 Выбор трансформаторов напряжения 83
5.8.3 Выбор трансформаторов тока 84
5.8.4 Выбор ограничителя перенапряжения (ОПН) 84
5.8.5 Выбор генераторного синхронизатора и сетевого анализатора 84
6 Релейная защита и автоматика 86
6.1 Перечень защит основного оборудования 86
6.2 Описание защит и расчет их уставок 87
6.2.1 Продольная дифференциальная защита генератора (IAG) 87
6.2.2 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора
(Un (Uo)) 89
6.2.3 Защита от повышения напряжения (U1>), (U2>) 91
6.2.4 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок
и внешних несимметричных коротких замыканий (I2) 92
6.2.5 Защита от симметричных перегрузок(П) 95
6.2.6 Дистанционная защита генератора Z1 <, Z2 < 97
6.2.7 Защита от перегрузки обмотки ротора 99
6.3 Выбор комплекса защит блока генератор-трансформатор 101
6.4 Таблица уставок и матрица отключений защит 101
7 Пожарная безопасность, охрана труда, техника безопасности, мероприятия по
охране природы 103
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 103
7.2 Охрана труда 103
7.3 Пожарная безопасность 106
7.4 Охрана природы 108
7.4.1 Общие положения 108
8 Оценка объёмов продаж электроэнергии и расчет расходов на проект 110
8.1 Определение объёмов генерации производства 110
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 110
8.3 Налоговые расходы 112
8.4 Оценка суммы прибыли 113
8.5 Показатели эффективности проекта 114
8.6 Анализ чувствительности 114
9 Система ГРАМ ГЭС 117
9.1 Требования к системам ГРАМ 117
9.1.1 Функциональные свойства 117
9.1.2 Статические свойства 119
9.1.3 Динамические свойства 119
9.1.4 Требования к аппаратной части 120
9.2 Система ГРАМ на примере Новосибирской ГЭС 122
Заключение 127
Список использованных источников 129
Приложение А 132
Гидроэлектростанции занимают особо важное место в современных энергетических системах, выполняя главную роль по регулированию её параметров в нестационарных режимах, а также покрывая наиболее неравномерную часть графиков нагрузки. Кроме того, низкая стоимость товарной продукции ГЭС весьма положительно сказывается на ценообразовании электроэнергии на рынке её сбыта.
Гидростанции - один из самых эффективных источников энергии. Коэффициент полезного действия гидравлических турбин достигает 95%, что существенно выше КПД турбин других типов электростанций.
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.
Гидроэнергетические мощности вносят ощутимый вклад в обеспечение системной надежности и в конечном итоге надежной работы всей Единой электроэнергетической системы страны.
Все эти преимущества подталкивают к строительству новых гидроэлектростанций.
Гидростанции - один из самых эффективных источников энергии. Коэффициент полезного действия гидравлических турбин достигает 95%, что существенно выше КПД турбин других типов электростанций.
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.
Гидроэнергетические мощности вносят ощутимый вклад в обеспечение системной надежности и в конечном итоге надежной работы всей Единой электроэнергетической системы страны.
Все эти преимущества подталкивают к строительству новых гидроэлектростанций.
В работе рассчитаны и определены показатели, выбраны элементы и параметры Катуньской ГЭС, с плотиной высотой 76,7 м на реке Катунь, являющейся сооружением I 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,1% = 3111 м3/с , Qo,oi% = 3669 м3/с.
В ходе водно-энергетических расчетов была выбрана установленная мощность Катуньской ГЭС, а также определена зона ее работы в суточных графиках нагрузки в период межени и половодья. Установленная мощность составила 154 МВт. Определен уровень мертвого объема, отметка которого равна 435,00 м. Полезный объем при отметке НПУ составляет 3,05 км3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 1,09 млрд. кВ'гч.
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 - 46,9 м;
расчетный - 41,0 м;
минимальный - 38,0 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчетному напору, составляет 536 м3/с.
Была выбрана турбина типа ПЛ50 — В — 425. По результатам расчетов оптимальным оказался вариант с четырмя гидроагрегатами, диаметром рабочих колес 4,25 м.
Для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 187,5 об/мин был подобран серийный гидрогенератор СВ 660/165-32 с номинальной активной мощностью 57 МВт.
Далее был выбран класс напряжения и тип РУ ОРУ 110 кВ, а также структурная схема ГЭС с единичными блоками и принята схема распределительного устройства - "две системы сборных шин". По справочным данным и каталогам было выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ - 80000/110 У-1, трансформаторы собственных нужд ТСЗ-1600/10,5 УХЛ-1.
В качестве генераторного выключателя, принят элегазовый выключатель ВГГ-10 производства компании «Высоковольтный союз»
Затем был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
Катуньская ГЭС спроектирована по приплотинной схеме.
В состав сооружений входят:
- водосбросная бетонная плотина с отлетом струи;
- глухая бетонная плотина;
- станционная часть;
- правобережная и левобережная бетонные плотины.
Расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- ширина подошвы - 38,3 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 390,79 м;
- отметка гребня водослива - 432,00 м;
- число водосливных отверстий - 4;
- ширина водосливных отверстий в свету - 12 м;
- отметка гребня - 448,00 м;
- ширина гребня - 15 м.
Произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном и особом сочетаниях нагрузок. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,37 (нормативное значение для сооружений I класса - 1,25). При расчете плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Таким образом, плотина Катуньской ГЭС отвечает требованиям надежности и устойчивости.
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 - 22 коп/кВт-ч;
- удельные капиталовложения - 95375 руб/кВт.
- срок окупаемости 6,7 лет.
Из этого можно сделать вывод, что строительство Катуньской ГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.
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,1% = 3111 м3/с , Qo,oi% = 3669 м3/с.
В ходе водно-энергетических расчетов была выбрана установленная мощность Катуньской ГЭС, а также определена зона ее работы в суточных графиках нагрузки в период межени и половодья. Установленная мощность составила 154 МВт. Определен уровень мертвого объема, отметка которого равна 435,00 м. Полезный объем при отметке НПУ составляет 3,05 км3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 1,09 млрд. кВ'гч.
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 - 46,9 м;
расчетный - 41,0 м;
минимальный - 38,0 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчетному напору, составляет 536 м3/с.
Была выбрана турбина типа ПЛ50 — В — 425. По результатам расчетов оптимальным оказался вариант с четырмя гидроагрегатами, диаметром рабочих колес 4,25 м.
Для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 187,5 об/мин был подобран серийный гидрогенератор СВ 660/165-32 с номинальной активной мощностью 57 МВт.
Далее был выбран класс напряжения и тип РУ ОРУ 110 кВ, а также структурная схема ГЭС с единичными блоками и принята схема распределительного устройства - "две системы сборных шин". По справочным данным и каталогам было выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ - 80000/110 У-1, трансформаторы собственных нужд ТСЗ-1600/10,5 УХЛ-1.
В качестве генераторного выключателя, принят элегазовый выключатель ВГГ-10 производства компании «Высоковольтный союз»
Затем был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
Катуньская ГЭС спроектирована по приплотинной схеме.
В состав сооружений входят:
- водосбросная бетонная плотина с отлетом струи;
- глухая бетонная плотина;
- станционная часть;
- правобережная и левобережная бетонные плотины.
Расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- ширина подошвы - 38,3 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 390,79 м;
- отметка гребня водослива - 432,00 м;
- число водосливных отверстий - 4;
- ширина водосливных отверстий в свету - 12 м;
- отметка гребня - 448,00 м;
- ширина гребня - 15 м.
Произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном и особом сочетаниях нагрузок. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,37 (нормативное значение для сооружений I класса - 1,25). При расчете плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Таким образом, плотина Катуньской ГЭС отвечает требованиям надежности и устойчивости.
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 - 22 коп/кВт-ч;
- удельные капиталовложения - 95375 руб/кВт.
- срок окупаемости 6,7 лет.
Из этого можно сделать вывод, что строительство Катуньской ГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.