Помощь студентам в учебе
Проектирование Катунской ГЭС на реке Катунь. Электромагнитная совместимость различных составляющих технологических систем управления и защит на ГЭС
|
Сокращенный паспорт Катунской ГЭС 6
Введение 8
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирования ГЭС 9
1.1 Природные условия 9
1.2 Гидрологические данные 9
1.3 Инженерно-геологические условия 12
2 Водно-энергетические расчёты 13
2.1 Выбор расчетных гидрографов маловодного и среднего по водности года
при заданной обеспеченности стока 13
2.2 Построение суточных графиков нагрузки 17
2.3 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных нагрузок
энергосистемы 19
2.4 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственной системы 23
2.5 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в маловодном году. 26
2.6 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в средневодном
году 26
2.7 Определение установленной мощности ГЭС и планирование
капитальных ремонтов 27
2.8 Построение режимного поля 29
3 Основное и вспомогательное оборудование 31
3.1 Выбор числа и типа агрегата 31
3.2 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 35
3.3 Выбор типа серийного гидрогенератора 36
3.4 Гидромеханический расчет и построение плана спиральной камеры 36
3.5 Заглубление водозабора на величину воронкообразования 40
3.6 Расчет вала на прочность 40
3.7 Выбор маслонапорной установки и электрогидравлического регулятора 40
3.8 Выбор геометрических размеров машинного зала 41
4 Электрическая часть 42
4.1 Выбор структурной схемы электрический соединений 42
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 44
4.3 Выбор трансформаторов собственных нужд 46
4.4 Распределительное устройство 47
4.5 Технико-экономическое сравнение 50
4.6 Расчёт токов КЗ 51
4.7 Выбор электрических аппаратов 53
4.8 Компоновка схемы собственных нужд 57
5 Релейная защита и автоматика 58
5.1 Технические данные защищаемого оборудования 58
5.2 Расчет номинальных токов 59
5.3 Перечень защит основного оборудования 59
5.4 Рекомендуемые к установке устройства релейной защиты 61
5.5 Продольная дифференциальная защита генератора 61
5.6 Защита от замыкания на землю обмотки статора генератора 64
5.7 Защита от повышения напряжения 66
5.8 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий 67
5.9 Защита от симметричных перегрузок 70
5.10 Дистанционная защита генератора 71
5.11 Защита ротора от перегрузки 74
5.12 Таблица уставок 76
6 Компоновка и сооружения гидроузла 77
6.1 Определение класса гидротехнического сооружения 77
6.2 Определение отметки гребня плотины и гребня быка 77
6.3 Гидравлический расчет бетонной водосливной плотины 80
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 80
6.3.2 Определение отметки гребня водослива 81
6.3.3 Проверка на пропуск поверочного расхода 83
6.3.4 Построение профиля водосливной грани 84
6.4 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 85
6.4.1 Расчет отлета струи 86
6.5 Конструирование бетонной плотины 88
6.5.1 Определение ширины подошвы плотины 88
6.5.2 Разрезка плотины швами 89
6.5.3 Быки 90
6.5.4 Устои 90
6.5.5 Дренаж тела бетонной плотины 90
6.5.6 Галереи в теле плотины 91
6.6 Элементы подземного контура плотины 91
6.7 Статические расчеты плотины 92
6.7.1 Определение основных нагрузок на плотину 92
6.7.2 Вес сооружения 92
6.7.3 Сила гидростатического давления воды 93
6.7.4 Равнодействующая взвешивающего давления 93
6.7.5 Волновое воздействие 94
6.7.6 Фильтрационные расчеты 94
6.7.7 Давление грунта 95
6.8 Расчет прочности плотины 96
6.9 Расчет устойчивости плотины 99
7 Охрана труда. Пожарная безопасность. Охрана окружающей среды 101
7.1 Устройство охраны труда 101
7.2 Безопасность гидротехнических сооружений 104
7.3 Пожарная безопасность 106
7.3.1 Пожаротушение гидрогенераторов 107
7.3.2 Пожаротушение силовых трансформаторов 108
7.3.3 Пожаротушение кабельных сооружений 108
7.3.4 Пожаротушение стадионного маслохозяйства 109
7.4 Мероприятия по охране природы 109
8 Технико-экономические показатели 112
8.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 112
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 112
8.3 Налоговые расходы 114
8.4 Оценка суммы прибыли от реализации проекта 115
8.5 Показатели эффективности проекта 116
8.6 Анализ чувствительности 116
9 Электромагнитная совместимость различных составляющих технологических
систем управления и защит ГЭС 119
9.1 Общие положения об ЭМС 119
9.2 Организационные мероприятия по обеспечению ЭМС 120
9.3 Технические мероприятия по обеспечению ЭМС 121
9.4 Требования к проектным решениям по обеспечению ЭМС 122
9.5 Основные этапы проведения работ по определению электромагнитной
обстановке 122
9.5.1 Исходные данные и состав работ 123
9.5.2 Воздействие на кабели систем релейной защиты, технологического
управления напряжений и токов промышленной частоты 123
9.5.3 Импульсные помехи, обусловленные переходными процессами в цепях
высокого напряжения при коммутациях и коротких замыканиях 124
9.5.4 Импульсные помехи при ударах молнии 124
9.5.5 Электромагнитные поля радиочастотного диапазона 125
9.5.6 Магнитные поля промышленной частоты 125
9.5.7 Помехи, связанные с возмущением в цепях питания низкого
напряжения 126
9.5.8 Импульсные магнитные поля 126
9.6 Сравнение полученных значений с допустимыми уровнями 127
Заключение 128
Список использованных источников 130
Приложение А. Водно-энергетические расчеты 133
Приложение Б. Главная универсальная характеристика турбины 135
Введение 8
1 Анализ исходных данных и определение внешних условий
функционирования ГЭС 9
1.1 Природные условия 9
1.2 Гидрологические данные 9
1.3 Инженерно-геологические условия 12
2 Водно-энергетические расчёты 13
2.1 Выбор расчетных гидрографов маловодного и среднего по водности года
при заданной обеспеченности стока 13
2.2 Построение суточных графиков нагрузки 17
2.3 Построение годовых графиков максимальных и среднемесячных нагрузок
энергосистемы 19
2.4 Расчет режимов работы ГЭС без регулирования с учетом требований
водохозяйственной системы 23
2.5 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в маловодном году. 26
2.6 Водно-энергетические расчеты режима работы ГЭС в средневодном
году 26
2.7 Определение установленной мощности ГЭС и планирование
капитальных ремонтов 27
2.8 Построение режимного поля 29
3 Основное и вспомогательное оборудование 31
3.1 Выбор числа и типа агрегата 31
3.2 Определение отметки установки рабочего колеса гидротурбины 35
3.3 Выбор типа серийного гидрогенератора 36
3.4 Гидромеханический расчет и построение плана спиральной камеры 36
3.5 Заглубление водозабора на величину воронкообразования 40
3.6 Расчет вала на прочность 40
3.7 Выбор маслонапорной установки и электрогидравлического регулятора 40
3.8 Выбор геометрических размеров машинного зала 41
4 Электрическая часть 42
4.1 Выбор структурной схемы электрический соединений 42
4.2 Выбор основного оборудования главной схемы ГЭС 44
4.3 Выбор трансформаторов собственных нужд 46
4.4 Распределительное устройство 47
4.5 Технико-экономическое сравнение 50
4.6 Расчёт токов КЗ 51
4.7 Выбор электрических аппаратов 53
4.8 Компоновка схемы собственных нужд 57
5 Релейная защита и автоматика 58
5.1 Технические данные защищаемого оборудования 58
5.2 Расчет номинальных токов 59
5.3 Перечень защит основного оборудования 59
5.4 Рекомендуемые к установке устройства релейной защиты 61
5.5 Продольная дифференциальная защита генератора 61
5.6 Защита от замыкания на землю обмотки статора генератора 64
5.7 Защита от повышения напряжения 66
5.8 Защита обратной последовательности от несимметричных перегрузок и
внешних несимметричных коротких замыканий 67
5.9 Защита от симметричных перегрузок 70
5.10 Дистанционная защита генератора 71
5.11 Защита ротора от перегрузки 74
5.12 Таблица уставок 76
6 Компоновка и сооружения гидроузла 77
6.1 Определение класса гидротехнического сооружения 77
6.2 Определение отметки гребня плотины и гребня быка 77
6.3 Гидравлический расчет бетонной водосливной плотины 80
6.3.1 Определение ширины водосливного фронта 80
6.3.2 Определение отметки гребня водослива 81
6.3.3 Проверка на пропуск поверочного расхода 83
6.3.4 Построение профиля водосливной грани 84
6.4 Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе 85
6.4.1 Расчет отлета струи 86
6.5 Конструирование бетонной плотины 88
6.5.1 Определение ширины подошвы плотины 88
6.5.2 Разрезка плотины швами 89
6.5.3 Быки 90
6.5.4 Устои 90
6.5.5 Дренаж тела бетонной плотины 90
6.5.6 Галереи в теле плотины 91
6.6 Элементы подземного контура плотины 91
6.7 Статические расчеты плотины 92
6.7.1 Определение основных нагрузок на плотину 92
6.7.2 Вес сооружения 92
6.7.3 Сила гидростатического давления воды 93
6.7.4 Равнодействующая взвешивающего давления 93
6.7.5 Волновое воздействие 94
6.7.6 Фильтрационные расчеты 94
6.7.7 Давление грунта 95
6.8 Расчет прочности плотины 96
6.9 Расчет устойчивости плотины 99
7 Охрана труда. Пожарная безопасность. Охрана окружающей среды 101
7.1 Устройство охраны труда 101
7.2 Безопасность гидротехнических сооружений 104
7.3 Пожарная безопасность 106
7.3.1 Пожаротушение гидрогенераторов 107
7.3.2 Пожаротушение силовых трансформаторов 108
7.3.3 Пожаротушение кабельных сооружений 108
7.3.4 Пожаротушение стадионного маслохозяйства 109
7.4 Мероприятия по охране природы 109
8 Технико-экономические показатели 112
8.1 Оценка объемов реализации электроэнергии 112
8.2 Текущие расходы по гидроузлу 112
8.3 Налоговые расходы 114
8.4 Оценка суммы прибыли от реализации проекта 115
8.5 Показатели эффективности проекта 116
8.6 Анализ чувствительности 116
9 Электромагнитная совместимость различных составляющих технологических
систем управления и защит ГЭС 119
9.1 Общие положения об ЭМС 119
9.2 Организационные мероприятия по обеспечению ЭМС 120
9.3 Технические мероприятия по обеспечению ЭМС 121
9.4 Требования к проектным решениям по обеспечению ЭМС 122
9.5 Основные этапы проведения работ по определению электромагнитной
обстановке 122
9.5.1 Исходные данные и состав работ 123
9.5.2 Воздействие на кабели систем релейной защиты, технологического
управления напряжений и токов промышленной частоты 123
9.5.3 Импульсные помехи, обусловленные переходными процессами в цепях
высокого напряжения при коммутациях и коротких замыканиях 124
9.5.4 Импульсные помехи при ударах молнии 124
9.5.5 Электромагнитные поля радиочастотного диапазона 125
9.5.6 Магнитные поля промышленной частоты 125
9.5.7 Помехи, связанные с возмущением в цепях питания низкого
напряжения 126
9.5.8 Импульсные магнитные поля 126
9.6 Сравнение полученных значений с допустимыми уровнями 127
Заключение 128
Список использованных источников 130
Приложение А. Водно-энергетические расчеты 133
Приложение Б. Главная универсальная характеристика турбины 135
Гидростанции - один из самых эффективных источников энергии. Коэффициент полезного действия турбин достигает 95%, что существенно выше КПД турбин других типов электростанций. Энергетический кризис, связанный с сокращением запасов органического топлива, и стремительно возрастающие проблемы экологии определяют всё больший интерес во всём мире к использованию природных возобновляемых энергоресурсов. Гидроресурсы — возобновляемый и наиболее экологичный источник энергии, использование которого позволяет снижать выбросы в атмосферу тепловых электростанций и сохранять запасы углеводородного топлива для будущих поколении. Кроме того, гидроэлектростанции имеют еще одно очень важное преимущество перед тепловыми: маневренность и гибкость в работе.
Себестоимость производства электроэнергии в кВыч на ГЭС в 7-10 раз, то есть на порядок ниже, чем на тепловых и атомных станциях. В условиях медленного прогресса в создании альтернативных источников электроэнергии доля гидроэнергетики в энергетическом балансе страны со временем будет только возрастать, а уровень развития энергетики в свою очередь отражает достигнутый технико-экономический потенциал страны. Поэтому, структурным лидером в развитии электроэнергетики на ближайшие десятилетия должна стать гидроэнергетика, как наиболее развитая, экологически безопасная и привлекательная для инвестиций отрасль народного хозяйства. Следует отметить, что гидроэлектростанции могут устанавливаться практически на любых водотоках. Особое свойство гидротехнических сооружений заключается в том, что их разрушение высвобождает на волю разрушительную стихию, приводящее за короткое время к колоссальным материальным убыткам, но что особо важно к большим человеческим жертвам. Поэтому необходим крайне серьезный подход к проектированию гидротехнических сооружений для качественного и безопасного использования гидроресурсов.
Целью проекта является проектирование Катунской ГЭС на реке Катунь, её сооружений и электрической части, выбор основного и вспомогательного оборудования, разработка правил охраны труда и окружающей среды и технико - экономическое обоснование эффективности проекта.
Каждая введенная в эксплуатацию гидроэлектростанция становится точкой роста экономики региона своего расположения, вокруг нее возникают производства, развивается промышленность, создаются новые рабочие места. Также строительство новых станций необходимо для повышения надежности энергоснабжения региона и сдерживания роста тарифов.
Себестоимость производства электроэнергии в кВыч на ГЭС в 7-10 раз, то есть на порядок ниже, чем на тепловых и атомных станциях. В условиях медленного прогресса в создании альтернативных источников электроэнергии доля гидроэнергетики в энергетическом балансе страны со временем будет только возрастать, а уровень развития энергетики в свою очередь отражает достигнутый технико-экономический потенциал страны. Поэтому, структурным лидером в развитии электроэнергетики на ближайшие десятилетия должна стать гидроэнергетика, как наиболее развитая, экологически безопасная и привлекательная для инвестиций отрасль народного хозяйства. Следует отметить, что гидроэлектростанции могут устанавливаться практически на любых водотоках. Особое свойство гидротехнических сооружений заключается в том, что их разрушение высвобождает на волю разрушительную стихию, приводящее за короткое время к колоссальным материальным убыткам, но что особо важно к большим человеческим жертвам. Поэтому необходим крайне серьезный подход к проектированию гидротехнических сооружений для качественного и безопасного использования гидроресурсов.
Целью проекта является проектирование Катунской ГЭС на реке Катунь, её сооружений и электрической части, выбор основного и вспомогательного оборудования, разработка правил охраны труда и окружающей среды и технико - экономическое обоснование эффективности проекта.
Каждая введенная в эксплуатацию гидроэлектростанция становится точкой роста экономики региона своего расположения, вокруг нее возникают производства, развивается промышленность, создаются новые рабочие места. Также строительство новых станций необходимо для повышения надежности энергоснабжения региона и сдерживания роста тарифов.
На первом этапе на основе гидрологических данных были определены значения максимальных расчетных расходов для основного обеспеченностью 0,1% и поверочного 0,01% обеспеченности случаев: Q0,1% = 4125,3 м3/с, Q0,01% = 4767,7 м3/с.
В ходе водно-энергетических расчетов на основе исходных данных по энергосистеме и гидрологии была выбрана установленная мощность Катунской ГЭС, а также определена зона ее работы в суточных графиках нагрузки для зимы и лета. Установленная мощность составила NycT= 275 МВт. Определен уровень мертвого объема, отметка которого равна 471,1м. Полезный объем составляет 3,9 км 3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 1,5 млрд. кВт^ч.
На третьем 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 Hmax = 47,0 м;
расчетный Нрасч =38,0 м;
минимальный Hmin = 25,0 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС Qmax, соответствующий расчетному напору, составляет 606 м3/с. При выборе турбин рассматривалось два варианта ПЛ50-В и ПЛД50-В с разными диаметрами. По результатам расчетов был определен оптимальный вариант с тремя гидроагрегатами, с диаметром рабочих колес 6 м (ПЛ50 - В - 600). По справочным данным для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 125 об/мин был подобран серийный гидрогенератор СВ - 1130/140 - 48 с номинальной активной мощностью 100 МВт.
Далее была выбрана структурная схема ГЭС с единичными блоками и принята схема распределительного устройства ОРУ - 220кВ - «две рабочие 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 и ТСЗ - 630/6, для ВЛЭП - сталеалюминевые провода марки АС 240/39 (один провод в фазе).
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ, а также рассчитаны уставки основных защит генератора.
Компоновка гидроузла была принята приплотинной. Водосливная и глухая плотина приняты бетонными.
В состав сооружений входят:
- водосбросная бетонная плотина с поверхностным водосливом практического профиля - 85,5 м;
- станционная бетонная плотина - 102 м;
- глухая правобережная и левобережная бетонные плотины;
- здание ГЭС приплотинного типа.
На данном этапе расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- отметка гребня водослива - 482,0 м;
- отметка гребня бычка - 496,4 м;
- отметка подошвы плотины - 439,0 м;
- ширина подошвы плотины по основанию - 39 м;
- количество водосливных отверстий - 4;
- ширина водосливных отверстий - 16 м;
- ширина сооружения по гребню - 14 м;
- высота сооружения - 57,4 м;
- толщина бычка - 3 м;
- протяженность бетонной плотины в створе - 484,4 м.
В качестве гасителя энергии потока был выбран отлёт струи:
- отметка носка - 453,5 м;
- угол отлёта струи - 30°;
- дальность отброса струи - 53,8 м.
Для уменьшения величины противодавления устроена цементационная завеса на глубину 19 метров относительно подошвы сооружения и дренаж на глубину 12 метров относительно подошвы сооружения. Во избежание недопустимо больших напряжений, появляющихся при неравномерных осадках основания и при температурных деформациях, в различных частях тела бетонной плотины, она разделена на секции (шириной 9 метров) постоянными температурно-осадочными швами. Также в этом разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном и особом сочетаниях нагрузок. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,36 (нормативное значение для сооружений I класса - 1,25). Таким образом, плотина Катунского гидроузла отвечает требованиям надежности. При расчете плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Плотина отвечает всем требованиям, предусмотренными СНиП.
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 - 0,25 руб/кВт-ч;
- удельные капиталовложения - 89705 руб/кВт.
- срок окупаемости 6 лет 3 месяца.
В ходе водно-энергетических расчетов на основе исходных данных по энергосистеме и гидрологии была выбрана установленная мощность Катунской ГЭС, а также определена зона ее работы в суточных графиках нагрузки для зимы и лета. Установленная мощность составила NycT= 275 МВт. Определен уровень мертвого объема, отметка которого равна 471,1м. Полезный объем составляет 3,9 км 3. Произведена оценка среднемноголетней выработки электроэнергии, которая составила 1,5 млрд. кВт^ч.
На третьем 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 Hmax = 47,0 м;
расчетный Нрасч =38,0 м;
минимальный Hmin = 25,0 м.
Максимальный расход через все агрегаты ГЭС Qmax, соответствующий расчетному напору, составляет 606 м3/с. При выборе турбин рассматривалось два варианта ПЛ50-В и ПЛД50-В с разными диаметрами. По результатам расчетов был определен оптимальный вариант с тремя гидроагрегатами, с диаметром рабочих колес 6 м (ПЛ50 - В - 600). По справочным данным для выбранной поворотно-лопастной турбины с синхронной частотой вращения 125 об/мин был подобран серийный гидрогенератор СВ - 1130/140 - 48 с номинальной активной мощностью 100 МВт.
Далее была выбрана структурная схема ГЭС с единичными блоками и принята схема распределительного устройства ОРУ - 220кВ - «две рабочие 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 и ТСЗ - 630/6, для ВЛЭП - сталеалюминевые провода марки АС 240/39 (один провод в фазе).
После выбора основного электрооборудования был рассмотрен обязательный перечень устройств релейной защиты и автоматики в соответствии с ПУЭ, а также рассчитаны уставки основных защит генератора.
Компоновка гидроузла была принята приплотинной. Водосливная и глухая плотина приняты бетонными.
В состав сооружений входят:
- водосбросная бетонная плотина с поверхностным водосливом практического профиля - 85,5 м;
- станционная бетонная плотина - 102 м;
- глухая правобережная и левобережная бетонные плотины;
- здание ГЭС приплотинного типа.
На данном этапе расчетным путем определены габаритные размеры и характерные отметки плотины:
- отметка гребня водослива - 482,0 м;
- отметка гребня бычка - 496,4 м;
- отметка подошвы плотины - 439,0 м;
- ширина подошвы плотины по основанию - 39 м;
- количество водосливных отверстий - 4;
- ширина водосливных отверстий - 16 м;
- ширина сооружения по гребню - 14 м;
- высота сооружения - 57,4 м;
- толщина бычка - 3 м;
- протяженность бетонной плотины в створе - 484,4 м.
В качестве гасителя энергии потока был выбран отлёт струи:
- отметка носка - 453,5 м;
- угол отлёта струи - 30°;
- дальность отброса струи - 53,8 м.
Для уменьшения величины противодавления устроена цементационная завеса на глубину 19 метров относительно подошвы сооружения и дренаж на глубину 12 метров относительно подошвы сооружения. Во избежание недопустимо больших напряжений, появляющихся при неравномерных осадках основания и при температурных деформациях, в различных частях тела бетонной плотины, она разделена на секции (шириной 9 метров) постоянными температурно-осадочными швами. Также в этом разделе произведена оценка прочности и устойчивости плотины при основном и особом сочетаниях нагрузок. В результате расчетов коэффициент надежности сооружения составляет 1,36 (нормативное значение для сооружений I класса - 1,25). Таким образом, плотина Катунского гидроузла отвечает требованиям надежности. При расчете плотины на прочность сжимающие напряжения не превышают критических значений, растягивающие напряжения отсутствуют. Плотина отвечает всем требованиям, предусмотренными СНиП.
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 - 0,25 руб/кВт-ч;
- удельные капиталовложения - 89705 руб/кВт.
- срок окупаемости 6 лет 3 месяца.