Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Использование водной энергии. Затеева

.pdf
Скачиваний:
66
Добавлен:
04.06.2015
Размер:
217.73 Кб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

САЯНО-ШУШЕНСКИЙ ФИЛИАЛ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ

Методические указания по выполнению курсового и дипломного проектов

Саяногорск; Черёмушки СШФ СФУ

2012

1

УДК621.22 И88

И88 Использование водной энергии: методические указания по выполнению курсового и дипломного проектирования / сост. Е. Ю. Затеева. – Саяногорск; Черёмушки: Сибирский федеральный университет; СаяноШушенский филиал, 2012. – 12 с.

В издании изложен алгоритм расчёта установленной мощности ГЭС годичного регулирования.

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки 140400.62 «Электроэнергетика и электроэнергетика» (профиль «Гидроэлектростанции»), 270800.62 «Строительство» (профиль Гидротехническое строительство») очной и заочной форм обучения.

©Затеева Е.Ю., 2012

©Саяно-Шушенский филиал СФУ, 2012

Редактор А.А. Чабанова

2

Введение

Задачей данного курсового проекта является выбор установленной мощности1 проектируемой в заданном створе ГЭС и обоснование среднемноголетней выработки2, которую ГЭС сможет обеспечить. Эти два параметра: установленная мощность и среднемноголетняя выработка являются основными характеристиками любой гидроэлектростанции.

Выбор установленной мощности ГЭС – сложная инженерная задача, решение которой с одной стороны зависит от гидрологических характеристик реки в заданном створе, с другой – от особенностей энергосистемы, в которой будет работать проектируемая ГЭС. Как правило, установленная мощность определяется по условиям маловодного года с тем, чтобы обеспечить гарантированную энергоотдачу3 в период максимальной потребности в электроэнергии (январь–декабрь).

В некоторых случаях, когда ёмкости водохранилища недостаточно для перераспределения стока с половодного периода на зимние месяцы даже в условиях маловодного года, а неравномерность стока очень высока, дополнительно может быть установлена так называемая дублирующая мощность. Дублирующая мощность не участвует в покрытии графика нагрузки в зимнее время, не обеспечивает выдачу гарантированной мощности4, она используется только в период половодья и её обоснование – отдельный экономический расчёт.

Среднемноголетняя выработка рассчитывается по условиям средневодного года при наиболее эффективном режиме сработки–наполнения водохранилища.

Убедитесь, что выданные Вам данные соответствуют годичному регулированию. Для этого рассчитайте коэффициент зарегулированности стока:

β = VПОЛЕЗНЫЙW ,

гдеVПОЛЕЗНЫЙ – полезный объем водохранилища; W – среднемноголетний сток в заданном створе.

Для вычисления полезного объёма водохранилища, необходимо задаться приблизительным значением уровня мёртвого объема (УМО) водохранилища. На начальном этапе считаем, что УМО соответствует снижению УВБ на 35 %.

Среднемноголетний сток определяется как произведение среднемноголетнего расхода на число секунд в году.

Значение коэффициента зарегулированности стока для годичного регулирования должно быть в пределах 0.1–0.3.

3

I этап

Определение расходов маловодного и средневодного года в заданном створе

Для выбора установленной мощности ГЭС и расчёта среднемноголетней выработки необходимо разобраться с условиями водности реки в заданном створе: определить расходы маловодного и средневодного года из всего имеющегося ряда наблюдений. Для расчётов в рамках данного проекта в качестве маловодного принимается год с 90 % обеспеченностью, средневодный – 50 % обеспеченностью стока. Методика определения года заданной обеспеченности включает рассмотрение среднегодовых, среднемеженных и среднеполоводных значений расходов. При выборе, допустим, маловодного года не только среднегодовое значение расхода должно соответствовать 90 % обеспеченности, но и внутригодовое распределение расходов должно быть типичным для заданной обеспеченности.

На выходе из задачи гидрологических расчётов получатся 12 среднемесячных расходов маловодного года и 12 среднемесячных расходов средневодного года.

II этап

Обработка данных по энергосистеме

На втором этапе необходимо обработать данные по энергосистеме: построить суточные графики нагрузки (летний и зимний) и их интегральные кривые5. Затем построить годовые графики нагрузки, как максимальные, так и среднемесячные.

Интегральные кривые нагрузки (ИКН) потребуются для определения рабочей мощности ГЭС при известной энергоотдаче каждого месяца, которая будет определена в ходе водно-энергетических расчётов. С помощью зимней ИКН (по значениям января, декабря) по известной гарантированной энергоотдаче можно найти рабочую мощность6, с точностью до величины резервов соответствующую установленной мощности ГЭС. Также ИКН используется для определения места работы ГЭС в суточном графике нагрузки энергосистемы. Построенные ИКН являются заготовками для дальнейшей работы после проведения водно-энергетических расчётов по маловодному году.

Годовые графики нагрузки нужны для построения баланса мощностей7 (график максимальных мощностей) и баланса энергий (график средних мощностей). Кроме того, график среднемесячных мощностей используется на следующем этапе выполнения курсового проекта при регулировании годового стока.

4

III этап Перераспределение стока с полноводного периода

на зимний период

Задача следующего третьего этапа: для условий маловодного года в первом приближении перераспределить сток с половодного периода на зимний период, дефицитный как по воде, так и по электроэнергии. В процессе перераспределения стока, в зависимости от того, какой объём воды удастся аккумулировать в водохранилище, определим, в том числе, гарантированную энергоотдачу для января, декабря.

Определение гарантированной энергоотдачи по условиям маловодного года проводится поэтапно. Сначала на графике среднемесячных мощностей обозначается зона работы существующей в энергосистеме ГЭС. Ниже вписываются два режима работы проектируемой ГЭС:

1)работа ГЭС на бытовом стоке при УВБ равном НПУ;

2)работа ГЭС исключительно по требованиям ВХК.

При сравнении этих двух режимов определяются излишки бытовой мощности в половодный период, которые переносятся на зиму. Излишки распределяются на зиму таким образом, чтобы обеспечить максимальное вытеснение тепловых мощностей системы. На данном этапе, поскольку графические построения производятся на графике средних мощностей, вытесняются не рабочие, а средние мощности, эквивалентные выработке электроэнергии. Результатом данного графического расчёта являются 12 значений среднемесячных мощностей проектируемой ГЭС. Данное распределение мощностей весьма приблизительно, поскольку при расчёте мощностей не учитывалось изменение уровня водохранилища в процессе его сработки–наполнения. Тем не менее, полученные ориентировочные 12 значений мощности идут в дальнейший водно-энергетический расчёт.

IV этап Водно-энергетический расчёт

На четвертом этапе проводится водно-энергетический расчёт, при котором определяется режим сработки–наполнения водохранилища при заданной отдаче ГЭС по активной мощности. В качестве заданной активной мощности используются 12 значений, полученных в предыдущем расчёте.

Расчёт режима водохранилища при известном графике отдачи мощности не простая задача в связи со сложностью взаимосвязей основных переменных, участвующих в расчёте. Расчёт начинается с первого месяца, следующего за половодьем, когда мы вынуждены использовать воду из водохранилища на покрытие нагрузки, т. е. когда бытового стока недостаточно, чтобы

5

работать той мощностью, которая определена предыдущим расчётом. Сработка водохранилища производится от отметки НПУ. Методом последовательных итераций определяется отметка верхнего бьефа в конце месячного интервала, при которой использованной из водохранилища воды будет достаточно для выработки заданной мощности. Конечная отметка верхнего бьефа текущего интервала времени (месяца) является начальной для расчёта режима следующего месяца.

После расчёта полного годового цикла сработки–наполнения водохранилища отметка водохранилища должна соответствовать НПУ. Если после завершения полного цикла отметка НПУ не достигнута, либо превышена, необходимо корректировать гарантированную энергоотдачу, вернувшись к третьему этапу. Возможно, потребуется провести несколько таких корректировок. Результатом четвёртого этапа будет уточненная несколькими водноэнергетическими расчётами гарантированная мощность и соответствующий ей режим сработки–наполнения водохранилища от отметки НПУ до УМО и обратно до НПУ. Все расчёты проводятся по условиям маловодного года.

Для средневодного года также проводится расчёт режима сработки– наполнения водохранилища, но отметка УМО, полученная из расчётов по условиям маловодного года не изменяется, гарантированная энергоотдача в январе и декабре тоже не меняется. Цель расчёта сработки–наполнения по условиям средневодного года – определение среднемноголетней выработки. Поскольку сработать водохранилище можно разными способами, то проводится не менее двух расчётов. Первый вариант: по графику сработки маловодного года с увеличением выдаваемой мощности за счёт увеличения притоков в средневодном году относительно маловодного. Второй вариант: в начале сработки выдаем мощности маловодного года, а далее работаем при более высоких напорах, чем в маловодном году теми мощностями, которые позволяют использовать всю ёмкость водохранилища. Здесь увеличение выработки происходит не только вследствие повышенных расходов, но и за счёт более высоких отметок водохранилища и дальнейшей работы при повышенных напорах. Наибольшая выработка из двух вариантов объявляется среднемноголетней выработкой и выносится на защиту проекта в качестве одного из основных показателей проектируемой ГЭС.

V этап

Определение рабочей мощности ГЭС

Определяем рабочую мощность ГЭС в энергосистеме по условию максимального вытеснения тепловых мощностей. Здесь нам потребуются ИКН, построенные на втором этапе расчётов. В ИКН января (декабря, что одно и то же для принятой нами энергосистемы) вписываются треугольники, характеризующие работу существующей ГЭС. При этом по оси энергии задается гаран-

6

тированная мощность существующей ГЭС, умноженная на 24 часа, по оси мощностей – рабочая мощность существующей ГЭС, равная установленной мощности существующей ГЭС за вычетом резерва, который размещается на существующей ГЭС. Для всех остальных месяцев треугольники существующей ГЭС определяются соответственно тому режиму, который был выбран для существующей ГЭС на третьем этапе.

Далее необходимо вписать проектируемую ГЭС в не занятую существующей ГЭС пиковую и полупиковую зону графика нагрузки. В случае отсутствия в нижнем бьефе проектируемой ГЭС контррегулятора, часть мощности, соответствующую санитарному попуску необходимо оставить в базовой части графика нагрузки. Максимальная рабочая мощность проектируемой ГЭС (январь, декабрь) не должна превышать гарантированную мощность более чем в два раза, чтобы обеспечить экономичный коэффициент использования мощности.

Результат расчётов рабочих мощностей существующей и проектируемой ГЭС наносится на годовой график максимальных мощностей энергосистемы. С пика графика вписываются мощности существующей ГЭС, затем ниже вписываются мощности проектируемой ГЭС. Для обеспечения критерия максимального вытеснения тепловых мощностей проводится линия, выравнивающая нижнюю огибающую мощностей проектируемой ГЭС в зимние месяцы, попавшие под регулирование. В соответствии с этой линией уточняются зоны работы ГЭС на ИКН каждого месяца.

VI этап

Расчёт резервов и определение установленной мощности проектируемой ГЭС, расчёт баланса мощностей

Величина резервов, требующихся в конкретной энергосистеме, задана. Необходимо распределить резервную мощность между всеми электростанциями и определить, требуется ли установка дополнительной мощности для капитальных ремонтов, если характер графика нагрузки не позволяет осуществить все ремонты оборудования за счёт площади провала годового графика нагрузки.

Для размещения аварийного резерва на ГЭС необходимо оставить часть воды в водохранилище про запас. Это отдельный расчёт, выходящий за рамки данного курсового проекта. Таким образом, аварийный резерв придется разместить на тепловых станциях.

На гидростанциях целесообразно размещать нагрузочный резерв, поскольку он не требует дополнительно энергоносителя. Если суммарная рабочая мощность существующей и проектируемой ГЭС соизмерима с максимальной нагрузкой энергосистемы, весь нагрузочный резерв системы можно разместить на ГЭС, поделив его между ГЭС пропорционально их максималь-

7

ным рабочим мощностям. Если мощность проектируемой ГЭС небольшая относительно нагрузки всей системы, на проектируемой ГЭС устанавливается нагрузочный резерв 1.5–2 % от собственной максимальной рабочей мощности.

Установленная мощность проектируемой ГЭС определяется как сумма ее максимальной рабочей мощности и резерва, отнесенного на эту станцию. Установленная мощность будет уточняться в процессе выбора оборудования, она может незначительно изменяться в большую сторону.

Баланс мощностей системы строится на графике максимальных нагрузок и представляет собой распределение мощностей на покрытие нагрузки между всеми участниками энергосистемы, полученное на пятом этапе проектирования, и размещение резервов во времени и по конкретным электростанциям, определенное на шестом этапе.

VII этап Выбор оборудования

Выбор оборудования начинается с построения режимного поля или напорных характеристик станции. Эти характеристики строятся в осях ZВБ

иQГЭС. Рабочее поле, это пространство ограниченное линиями H(ZНПУ, QГЭС)

иH(ZУМО, QГЭС). Слева наносится ограничение по минимальному расходу (санитарный попуск или минимальный расход по требованиям водохозяйственного комплекса), справа – ограничения по турбине и по генератору. Максимальная мощность должна выдаваться станцией при расчётном напоре и всех напорах выше расчётного. Линия расчётного напора строится от отметки водохранилища, характерной для середины января.

На построенном режимном поле определяются минимальный и максимальный напоры, которые обуславливают типы и модификации турбин, пригодные для установки на проектируемой ГЭС. Подбор конкретной турбины, как по типу, так и по диаметру производится на основании расчёта техникоэкономических характеристик: совпадение рабочей зоны с оптимальной зоной универсальной характеристики, допустимых условий по кавитации, минимальных затрат на строительные работы по заглублению рабочего колеса.

Полученные параметры гидротурбины позволяют наметить соответствующие варианты параметров гидрогенераторов. Гидрогенератор подбирается по справочным данным серийных типов, по расчётному значению его номинальной мощности и синхронной частоте вращения.

8

VIII этап

Расчёт и построение энергетических характеристик гидроагрегата и ГЭС в целом для выбранного типа основного оборудования

Расчёт рабочей и расходной характеристик производится на основании главной универсальной характеристики модели выбранной гидротурбины и рабочей характеристики гидрогенератора.

Для построения эксплуатационной характеристики агрегата используются рабочие характеристики агрегата и вспомогательные характеристики а0(Nа), ϕ(Nа), НS(Nа). Эксплуатационная характеристика строится путём рассечения рабочей характеристики агрегата при ηai=const, в результате чего получаются координаты изолиний КПД на эксплуатационной характеристике.

Расчёт дифференциальной характеристики агрегата производится по

формуле

 

 

 

 

 

`'

 

1 10

3

 

п

 

 

 

d Nа

qа

=

 

 

1+

,

 

 

 

 

9,81 На

dNа

где d Naп, dNa – изменение потерь мощности агрегата Naп и самой мощности агрегата Na на расчётном интервале.

При этом значения мощности агрегата Na и КПД агрегата снимаются с рабочей характеристики агрегата ηа(Na) при постоянном напоре для различных точек в заданном диапазоне изменения мощности Na и КПД ηа.

Потери мощности агрегата вычисляются по формуле:

NаП = Nа Nа.

ηа

Завершающий этап курсового проектирования – построение энергетических характеристик ГЭС в целом. При построении указанных характеристик ГЭС особое внимание следует обратить на определение точек включения каждого агрегата. Включение каждого последующего агрегата определяется точкой пересечения характеристик при постоянном напоре для Za и Za+1 агрегатов. Если указанное пересечение происходит правее линии ограничения по турбине и генератору, то включение агрегата происходит скачком по линии ограничения.

В заключении необходимо изложить результаты курсового проекта: перечислить основные технические характеристики проектируемой ГЭС, описать особенности гидрографа и регулирования стока, энергосистемы и зоны

9

работы проектируемой ГЭС. Необходимо также кратко аргументировать принятые в проекте решения.

Ключевые понятия данной предметной области

1Установленная мощность ГЭС – суммарная мощность гидроагрегатов гидростанции. Определяется как сумма максимальной рабочей мощности ГЭС и резервов, размещаемых на данной ГЭС.

2Среднемноголетняя выработка – обеспеченная водой в среднем по водности году выработка электроэнергии ГЭС при условии оптимального режима сработки–наполнения водохранилища.

3Гарантированная энергоотдача ГЭС – выработка электроэнергии в маловодном году при выбранном режиме сработки–наполнения водохранилища. При перераспределении стока по критерию максимального вытеснения тепловых мощностей максимальных значений гарантированная энергоотдача достигает в наиболее дефицитные по электроэнергии зимние месяцы (январь, декабрь).

4Гарантированная мощность ГЭС – средняя мощность гидростанции, обеспеченная водой по условиям маловодного года, эквивалентная гарантированной энергоотдаче. Поскольку выработка это произведение средней мощности на время, измеряемое в часах, то гарантированная энергоотдача, например, января отличается от гарантированной мощности этого месяца на постоянный коэффициент, равный числу часов в январе (в 744 раза).

5Интегральная кривая нагрузки – зависимость приращений выработки от приращений мощности суточного графика нагрузки энергосистемы. Интегрируется выработка по мощности с пика графика нагрузки. Полученная кривая характеризует плотность суточного графика нагрузки энергосистемы, используется для определения зоны работы проектируемой ГЭС в суточном графике нагрузки.

6Рабочая мощность ГЭС – мгновенная мощность, выдаваемая в энергосистему работающими гидроагрегатами ГЭС.

7Баланс мощностей – распределение нагрузки и резервных мощностей между всеми производителями энергии в конкретной энергосистеме. Баланс мощностей строится на годовом графике максимальных мощностей энергосистемы.

10