Помощь студентам в учебе
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАСКО-БЕРЁЗОВСКОЙ ГЭС НА РЕКЕ МАНА. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АСИНХРОНИЗИРОВАННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА ГЭС
|
СОКРАЩЁННЫЙ ПАСПОРТ МАНСКО-БЕРЁЗОВСКОЙ ГЭС 6
ВВЕДЕНИЕ 8
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 условия 12
1.4 Данные об энергосистеме 12
2 Водно-энергетические расчёты 13
2.1 Выбор расчётных гидрографов маловодного и средневодного года при
заданной обеспеченности стока 13
2.2 Построение суточных графиков нагрузки с интегральной кривой
нагрузки энергосистемы 15
2.3 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных
нагрузок энергосистемы 17
2.4 Водно-энергетические расчёты режима работы ГЭС 19
2.5 Определение установленной мощности ГЭС и планирование
капитальных ремонтов 21
3 Основное и вспомогательное оборудование 23
3.1 Построение режимного поля 23
3.2 Выбор системы и количества гидроагрегатов 24
3.3 Выбор отметки расположения рабочего колеса гидротурбины 25
3.4 Выбор типа серийного гидрогенератора 28
3.5 Расчёт вала на прочность 29
3.6 Выбор маслонапорной установки и электрогидравлического регулятора . 30
3.7 Определение диаметра туннеля 30
3.8 Заглубление водозабора на величину воронкообразования 30
3.9 Определение диаметра сталежелезобетонных водоводов 31
3.10 Определение габаритов машинного здания 32
4 Электрическая часть 33
4.1 Выбор главной схемы электрических соединений ГЭС и схемы
собственных нужд 33
4.2 Выбор сечения проводов воздушных линий по нагреву 33
4.3 Выбор повышающих трансформаторов 34
4.4 Выбор трансформаторов собственных нужд 34
4.5 Выбор трансформатора напряжения для питания схемы СН от резервной
подстанции. 35
4.6 Выбор схемы распределительного устройства 35
4.6.1 Технико-экономическое обоснование РУ на начальном этапе 35
4.7 Расчёт токов короткого замыкания 37
4.8 Выбор генераторного выключателя 38
4.9 Выбор электроаппаратов на напряжение класса 220 кВ 39
4.10 Выбор вспомогательного электрического оборудования 39
5 Релейная защита и автоматика 40
5.1 Технические данные защищаемого оборудования 40
5.2 Перечень защит блока генератор-трансформатор 41
5.3 Расчёт номинальных токов 42
5.4 Продольная дифференциальная защита генератора 43
5.5 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора 46
5.6 Защита от повышения напряжения 48
5.7 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий 49
5.8 Защита от симметричных перегрузок 53
5.9 Дистанционная защита генератора 55
5.10 Защита от перегрузки обмотки ротора 58
5.11 Выбор комплекса защит генератор-трансформатор 60
5.12 Таблица уставок 60
5.13 Матрица отключений 61
6 Компоновка и сооружения гидроузла 62
6.1 Выбор класса гидротехнического сооружения 62
6.2 Определение отметки гребня глухой бетонной плотины 62
6.3 Гидравлические расчёты 64
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 64
6.3.2 Определение отметки гребня водослива 66
6.3.3 Определение отметки гребня сооружений напорного фронта 69
6.3.4 Проверка на пропуск расчётного расхода при поверочном
расчётном случае 69
6.3.5 Построение профиля водосливной грани 70
6.3.6 Расчёт сопряжения потока в нижнем бьефе 72
6.3.7 Расчёт водобойной стенки 73
6.4 Конструирование бетонной плотины 75
6.4.1 Определение ширины подошвы плотины 75
6.4.2 Назначение ширины по гребню 77
6.4.3 Разрезка бетонной плотины швами 77
6.4.4 Быки 77
6.4.5 Галереи 78
6.4.6 Противофильтрационные завесы 78
6.4.7 Дренажные устройства в основании 79
6.4.8 Водобойная плита 80
6.4.9 Рисберма 80
6.5 Статические расчёты плотины 80
6.5.1 Вес сооружения 80
6.5.2 Сила гидростатического давления воды 82
6.5.3 Сила взвешивающего и фильтрационного давления 82
6.5.4 Давление грунта 84
6.5.5 Волновое давление 85
6.6 Оценка прочности плотины 86
6.6.1 Критерии прочности плотины 89
6.7 Расчёт устойчивости плотины 90
7 Пожарная безопасность, охрана труда, техника безопасности, мероприятия по охране природы 91
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 91
7.2 Охрана труда 91
7.3 Пожарная безопасность 93
7.4 Охрана природы 95
7.4.1 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 96
7.4.2 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 96
7.4.3 Отходы, образующиеся при строительстве 97
7.4.4 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 97
8 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации 99
8.1.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 99
8.1.2 Текущие расходы по гидроузлу 99
8.1.3 Налоговые расходы 101
8.2 Оценка суммы прибыли 101
8.3 Оценка эффективности проекта 102
8.3.1 Коммерческая эффективность 102
8.3.2 Бюджетная эффективность 102
8.4 Анализ чувствительности проекта строительства МБГЭС 103
9 Эффективность применения асинхронизированных генераторов на ГЭС 106
9.1 Общие сведения 106
9.2 Конструктивное исполнение АСГГ 106
9.3 Принцип работы 108
9.4 Эффект от применения АСГГ на ГЭС 109
9.4.1 Увеличение выработки электроэнергии 110
9.4.2 Уход из запрещённых зон (нестационарных потоков) 111
9.4.3 Мобильное регулирование активной мощности 112
9.4.4 Регулирование напряжения и реактивной мощности (включая
режимы потребления) 112
9.4.5 Обеспечение динамической устойчивости 113
9.5 Моделирование работы АСГГ в программном комплексе
математического моделирования MATLAB 114
9.6 Выводы 121
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 122
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 124
ПРИЛОЖЕНИЕ А Водно-энергетические расчёты 128
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Параметры и характеристики гидротурбины 142
ПРИЛОЖЕНИЕ В Параметры электрооборудования 146
ВВЕДЕНИЕ 8
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 условия 12
1.4 Данные об энергосистеме 12
2 Водно-энергетические расчёты 13
2.1 Выбор расчётных гидрографов маловодного и средневодного года при
заданной обеспеченности стока 13
2.2 Построение суточных графиков нагрузки с интегральной кривой
нагрузки энергосистемы 15
2.3 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных
нагрузок энергосистемы 17
2.4 Водно-энергетические расчёты режима работы ГЭС 19
2.5 Определение установленной мощности ГЭС и планирование
капитальных ремонтов 21
3 Основное и вспомогательное оборудование 23
3.1 Построение режимного поля 23
3.2 Выбор системы и количества гидроагрегатов 24
3.3 Выбор отметки расположения рабочего колеса гидротурбины 25
3.4 Выбор типа серийного гидрогенератора 28
3.5 Расчёт вала на прочность 29
3.6 Выбор маслонапорной установки и электрогидравлического регулятора . 30
3.7 Определение диаметра туннеля 30
3.8 Заглубление водозабора на величину воронкообразования 30
3.9 Определение диаметра сталежелезобетонных водоводов 31
3.10 Определение габаритов машинного здания 32
4 Электрическая часть 33
4.1 Выбор главной схемы электрических соединений ГЭС и схемы
собственных нужд 33
4.2 Выбор сечения проводов воздушных линий по нагреву 33
4.3 Выбор повышающих трансформаторов 34
4.4 Выбор трансформаторов собственных нужд 34
4.5 Выбор трансформатора напряжения для питания схемы СН от резервной
подстанции. 35
4.6 Выбор схемы распределительного устройства 35
4.6.1 Технико-экономическое обоснование РУ на начальном этапе 35
4.7 Расчёт токов короткого замыкания 37
4.8 Выбор генераторного выключателя 38
4.9 Выбор электроаппаратов на напряжение класса 220 кВ 39
4.10 Выбор вспомогательного электрического оборудования 39
5 Релейная защита и автоматика 40
5.1 Технические данные защищаемого оборудования 40
5.2 Перечень защит блока генератор-трансформатор 41
5.3 Расчёт номинальных токов 42
5.4 Продольная дифференциальная защита генератора 43
5.5 Защита от замыканий на землю обмотки статора генератора 46
5.6 Защита от повышения напряжения 48
5.7 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий 49
5.8 Защита от симметричных перегрузок 53
5.9 Дистанционная защита генератора 55
5.10 Защита от перегрузки обмотки ротора 58
5.11 Выбор комплекса защит генератор-трансформатор 60
5.12 Таблица уставок 60
5.13 Матрица отключений 61
6 Компоновка и сооружения гидроузла 62
6.1 Выбор класса гидротехнического сооружения 62
6.2 Определение отметки гребня глухой бетонной плотины 62
6.3 Гидравлические расчёты 64
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 64
6.3.2 Определение отметки гребня водослива 66
6.3.3 Определение отметки гребня сооружений напорного фронта 69
6.3.4 Проверка на пропуск расчётного расхода при поверочном
расчётном случае 69
6.3.5 Построение профиля водосливной грани 70
6.3.6 Расчёт сопряжения потока в нижнем бьефе 72
6.3.7 Расчёт водобойной стенки 73
6.4 Конструирование бетонной плотины 75
6.4.1 Определение ширины подошвы плотины 75
6.4.2 Назначение ширины по гребню 77
6.4.3 Разрезка бетонной плотины швами 77
6.4.4 Быки 77
6.4.5 Галереи 78
6.4.6 Противофильтрационные завесы 78
6.4.7 Дренажные устройства в основании 79
6.4.8 Водобойная плита 80
6.4.9 Рисберма 80
6.5 Статические расчёты плотины 80
6.5.1 Вес сооружения 80
6.5.2 Сила гидростатического давления воды 82
6.5.3 Сила взвешивающего и фильтрационного давления 82
6.5.4 Давление грунта 84
6.5.5 Волновое давление 85
6.6 Оценка прочности плотины 86
6.6.1 Критерии прочности плотины 89
6.7 Расчёт устойчивости плотины 90
7 Пожарная безопасность, охрана труда, техника безопасности, мероприятия по охране природы 91
7.1 Безопасность гидротехнических сооружений 91
7.2 Охрана труда 91
7.3 Пожарная безопасность 93
7.4 Охрана природы 95
7.4.1 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
строительства 96
7.4.2 Мероприятия по подготовке ложа водохранилища 96
7.4.3 Отходы, образующиеся при строительстве 97
7.4.4 Мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды в период
эксплуатации 97
8 Объёмы производства электроэнергии и расходы в период эксплуатации 99
8.1.1 Оценка объёмов реализации электроэнергии 99
8.1.2 Текущие расходы по гидроузлу 99
8.1.3 Налоговые расходы 101
8.2 Оценка суммы прибыли 101
8.3 Оценка эффективности проекта 102
8.3.1 Коммерческая эффективность 102
8.3.2 Бюджетная эффективность 102
8.4 Анализ чувствительности проекта строительства МБГЭС 103
9 Эффективность применения асинхронизированных генераторов на ГЭС 106
9.1 Общие сведения 106
9.2 Конструктивное исполнение АСГГ 106
9.3 Принцип работы 108
9.4 Эффект от применения АСГГ на ГЭС 109
9.4.1 Увеличение выработки электроэнергии 110
9.4.2 Уход из запрещённых зон (нестационарных потоков) 111
9.4.3 Мобильное регулирование активной мощности 112
9.4.4 Регулирование напряжения и реактивной мощности (включая
режимы потребления) 112
9.4.5 Обеспечение динамической устойчивости 113
9.5 Моделирование работы АСГГ в программном комплексе
математического моделирования MATLAB 114
9.6 Выводы 121
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 122
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 124
ПРИЛОЖЕНИЕ А Водно-энергетические расчёты 128
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Параметры и характеристики гидротурбины 142
ПРИЛОЖЕНИЕ В Параметры электрооборудования 146
Развитие гидроэнергетики способствует развитию инфраструктуры регионов, производя электроэнергию с меньшими издержками, по сравнению с ТЭС и АЭС, также, данная отрасль является экологически безопасной при соблюдении соответствующих норм и правил при возведении, а также эксплуатации плотины. Таким образом, необходимо уделять внимание и развивать гидроэнергетику в настоящее время.
Сегодня Манский район Красноярского края имеет множество малых промышленных предприятий, а также в Манском районе запланировано возведение горно-обогатительного комбината (ГОК), который потребует создания местного источника электроэнергии, ввиду удалённости от централизованного источника электроснабжения.
Возведение Манско-Берёзовской ГЭС (МБГЭС) способствует решению данной задачи.
Целью бакалаврской работы является знакомство и освоение основных этапов проектирования гидроэлектростанции с применением теоретических знаний, а также путём инженерного подхода к решению задач, с сопоставлением вариантов для выбора наилучших технических решений.
Сегодня Манский район Красноярского края имеет множество малых промышленных предприятий, а также в Манском районе запланировано возведение горно-обогатительного комбината (ГОК), который потребует создания местного источника электроэнергии, ввиду удалённости от централизованного источника электроснабжения.
Возведение Манско-Берёзовской ГЭС (МБГЭС) способствует решению данной задачи.
Целью бакалаврской работы является знакомство и освоение основных этапов проектирования гидроэлектростанции с применением теоретических знаний, а также путём инженерного подхода к решению задач, с сопоставлением вариантов для выбора наилучших технических решений.
Рассчитаны и определены показатели, выбраны элементы и параметры Манско-Берёзовской ГЭС, с плотиной высотой 24,2 м на реке Мана, являющейся сооружением II класса.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчётных расходов для основного обеспеченностью 1% и поверочного 0,1% обеспеченности случаев: Q1%= 399 м31с., Q0j1% = 465 м31с.
В ходе водно-энергетических расчётов выбрана установленная мощность МБГЭС, а также определена зона её работы в суточных графиках нагрузки. Установленная мощность составила 100 МВт. Определён уровень мёртвого объёма, отметка которого составила 421,2 м. Полезный объём при отметке НПУ составляет 1,49 млн.м3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 312,028 млн. кВт-ч
На следующем этапе определено оптимальное число и тип гидроагрегатов гидроэлектростанции. Для этого построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
максимальный - 46,9 м;
расчётный - 41,9 м; минимальный - 39,5 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчётному напору, составляет 260,36 м31с.
Выбрана гидротурбина ПЛ 50-В-300. По результатам расчётов оптимальным оказался вариант с 4 гидроагрегатами, диаметрами рабочих колёс 3 м.
Для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 250 0б1 мин подобран серийный гидрогенератор ВГС 525I110-24 с номинальной активной мощностью 25 МВт.
Далее выбран класс напряжения и тип РУ ОРУ 220 кВ, а также структурная схема ГЭС с укрупнёнными блоками и принята схема распределительного устройства - «четырёхугольник». По справочным данным и каталогам выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ 63000I220, трансформаторы собственных нужд ТСЗ-1600110,5.
В качестве генераторного выключателя, принят элегазовый выключатель ВГГ-15-5016300 производства компании ОАО ВО «Электроаппарат», в качестве выключателей на ОРУ были выбраны элегазовые баковые выключатели ВЭБ-220 УХЛ1 производства ОАО ВО «Электроаппарат».
Рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
МБГЭС спроектирована по плотинно-деривационной схеме.
В состав сооружений входят:
- водосливная бетонная плотина головного узла деривации;
- глухая бетонная плотина головного узла деривации;
- правобережная и левобережная бетонная плотина головного узла деривации;
- водоприёмник;
- деривационный туннель;
- сталежелезобетонные водоводы.
На данном этапе расчётным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины головного узла деривации:
- ширина подошвы - 17,8 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 402 м;
- отметка гребная водослива - 418 м;
- число водосливных отверстий - 2;
- ширина водосливных отверстий - 3,5 м;
- отметка гребня плотины - 429,2 м.
В этом же разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном сочетании нагрузок. При расчёте плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Таким образом, плотина МБГЭС отвечает требованиям надёжности.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
Оценка эффективности капиталовложений в такое масштабное производство, как гидроэнергетика показывает, в лучшем случае, окупаемость около 7 лет. Проект МБГЭС вписывается в данный период и поэтому является экономически эффективным. Оценка рисков в условиях меняющейся экономической обстановки показала, что проект достаточно устойчив в рамках рыночной экономики, поэтому строительство данной электростанции требует благоприятных условий, но в случае их несоблюдения требуется корректировка показателей, что учтено при анализе чувствительности.
Из этого можно сделать вывод, что строительство МБГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчётных расходов для основного обеспеченностью 1% и поверочного 0,1% обеспеченности случаев: Q1%= 399 м31с., Q0j1% = 465 м31с.
В ходе водно-энергетических расчётов выбрана установленная мощность МБГЭС, а также определена зона её работы в суточных графиках нагрузки. Установленная мощность составила 100 МВт. Определён уровень мёртвого объёма, отметка которого составила 421,2 м. Полезный объём при отметке НПУ составляет 1,49 млн.м3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 312,028 млн. кВт-ч
На следующем этапе определено оптимальное число и тип гидроагрегатов гидроэлектростанции. Для этого построена область допустимых режимов работы (режимное поле по напору и расходу), на которой определены следующие напоры:
максимальный - 46,9 м;
расчётный - 41,9 м; минимальный - 39,5 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС, соответствующий расчётному напору, составляет 260,36 м31с.
Выбрана гидротурбина ПЛ 50-В-300. По результатам расчётов оптимальным оказался вариант с 4 гидроагрегатами, диаметрами рабочих колёс 3 м.
Для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 250 0б1 мин подобран серийный гидрогенератор ВГС 525I110-24 с номинальной активной мощностью 25 МВт.
Далее выбран класс напряжения и тип РУ ОРУ 220 кВ, а также структурная схема ГЭС с укрупнёнными блоками и принята схема распределительного устройства - «четырёхугольник». По справочным данным и каталогам выбрано следующее высоковольтное оборудование: блочные трансформаторы ТДЦ 63000I220, трансформаторы собственных нужд ТСЗ-1600110,5.
В качестве генераторного выключателя, принят элегазовый выключатель ВГГ-15-5016300 производства компании ОАО ВО «Электроаппарат», в качестве выключателей на ОРУ были выбраны элегазовые баковые выключатели ВЭБ-220 УХЛ1 производства ОАО ВО «Электроаппарат».
Рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ.
МБГЭС спроектирована по плотинно-деривационной схеме.
В состав сооружений входят:
- водосливная бетонная плотина головного узла деривации;
- глухая бетонная плотина головного узла деривации;
- правобережная и левобережная бетонная плотина головного узла деривации;
- водоприёмник;
- деривационный туннель;
- сталежелезобетонные водоводы.
На данном этапе расчётным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины головного узла деривации:
- ширина подошвы - 17,8 м;
- отметка подошвы водосливной плотины - 402 м;
- отметка гребная водослива - 418 м;
- число водосливных отверстий - 2;
- ширина водосливных отверстий - 3,5 м;
- отметка гребня плотины - 429,2 м.
В этом же разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном сочетании нагрузок. При расчёте плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Таким образом, плотина МБГЭС отвечает требованиям надёжности.
В соответствии с действующим законодательством рассмотрены мероприятия организации безопасности ГТС. Также перечислены мероприятия по охране окружающей среды в период возведения и эксплуатации гидроузла.
Оценка эффективности капиталовложений в такое масштабное производство, как гидроэнергетика показывает, в лучшем случае, окупаемость около 7 лет. Проект МБГЭС вписывается в данный период и поэтому является экономически эффективным. Оценка рисков в условиях меняющейся экономической обстановки показала, что проект достаточно устойчив в рамках рыночной экономики, поэтому строительство данной электростанции требует благоприятных условий, но в случае их несоблюдения требуется корректировка показателей, что учтено при анализе чувствительности.
Из этого можно сделать вывод, что строительство МБГЭС является обоснованным, в том числе с точки зрения экономических показателей.