Проектування гідроелектростанцій

1

Зміст

Вступ

1. Вихідні дані

2. Побудова гідрографа стоку за три роки і визначення середньорічних і середньобагаторічних витрат

3. Побудова в косокутній системі координат інтегральної кривої стоку за три роки. Визначення необхідних корисних об'ємів водосховища

4. Побудова еквідістантної кривої стоку та інтегральної кривої споживання

5. Побудова хронологічних графіків

5.1 Графік залишків води у водосховищі W = f(t)

5.2. Графік коливання рівнів води у верхньому б'єфі ВБ = f(t)

5.3. Графік коливання рівнів води у нижньому б'єфі НБ = f(t)

5.4. Графік коливання статичних напорів Н_ст = f(t)

5.5. Графік коливання корисних напорів Н_нт = f(t)

5.6. Графік середньодобових потужностей водотоку

6. Побудова графіка забезпеченості середньодобових потужностей N = f(t)

7. Побудова графіка добового навантаження енергосистеми та інтегральної кривої виробки енергії

8. Визначення установленої потужності ГЕС. Побудова графіка роботи ГЕС

9. Основні характеристики регулювання стоку і параметри ГЕС

10. Основні характеристики регулювання стоку і параметри ГЕС

Література

Додаток 1. Графіки побудовані за допомогою ЕОМ

Вступ

Задачею водноенергетичних розрахунків при проектуванні ГЕС є отримання основних параметрів майбутньої гідроелектростанції (встановлена потужність - N_{уст(ГЕС)}, середньо-багаторічне вироблення електроенергії - Е_ГЕС) в залежності від факторів, що пов'язані зі схемою використання напору, характером режиму регулювання і компоновкою споруд із врахуванням вимог всіх водокористувачів водогосподарського комплексу (ВГК).

Всі фактори, що впливають на основні параметри ГЕС, взаємопов'язані і взаємообумовлені. Зміна одного з них веде до зміни основних енергетичних параметрів ГЕС та її економічних показників.

В зв'язку з тим, що величини витрат і напорів, потужність, виробіток електроенергії та інші характеристики ГЕС які використовуються, а також споживання електроенергії змінюються в часі, задачею водноенергетичних розрахунків є також встановлення змін цих величин в часі.

В результаті водноенергетичних розрахунків визначають встановлену потужність ГЕС і середньобагаторічний виробіток електроенергії, рівні води у верхньому і нижньому б'єфах, розрахункові витрати води, що пропускаються через споруди, та інші параметри.

Отримані дані дають можливість запроектувати гідротехнічні споруди, вибрати гідросилове обладнання і провести техніко-економічні порівняння варіантів, що проектуються .

1. Вихідні дані

1) Гідрограф природних середньомісячних витрат води у створі ГЕС за три різних по водності роки

Таблиця 1.1

Роки	Місяці
	Січень	Лютий	Березень	Квітень	Травень
				І	ІІ	ІІІ	І	ІІ	ІІІ
1	55	54	55	120	365	620	650	540	310
2	71	72	71	150	480	810	850	72	250
3	66	65	66	160	410	720	740	680	220

Роки	Місяці	Qсер.р.	Qсер.б.
	Червень	Липень	Серпень	Вересень	Жовтень	Листопад	Грудень
1	68	58	56	55	68	73	55	122,11	131,52
2	79	72	71	70	80	81	72	134,14
3	71	65	66	65	78	76	65	138,31

2) Координати кривої зв'язку об'ємів води і глибин у водосховищі ГЕС

Таблиця 1.2

h, м	0	32	45	64	86	98	106	110
W, км3	0	0,05	0,1	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0

"Нуль" графіка зв'язку глибин і об'ємів - 430,0.

3) Координати кривої зв'язку витрат і глибин в створі ГЕС

Таблиця 1.3

h, м	0	1,7	2,3	3,2	4,3	4,9	5,3	5,5
Q, м3/с	0	37	75	150	300	450	600	750

"Нуль" графіка зв'язку глибин і витрат - 305,0.

4) Нормальний підпертий рівень НПР = 528,0 м.

5) Рівень мертвого об'єму РМО = 500 м.

6) Характер режиму регулювання стоку довготривале регулювання - згідно правила натягнутої нитки.

7) Графік добового навантаження енергосистеми (зимовий)

Таблиця 1.4

t, год	1-2	3-4	5-6	7-8	9-10	11-12	13-14	15-16	17-18	19-20	21-22	23-24
N, млн. кВт	14	12	13	16	19	21,5	19	18	21,5	23	19,5	16

8) Забезпеченість середньодобових потужностей p = 85%.

2. Побудова гідрографа стоку за три роки і визначення середньорічних і середньобагаторічних витрат

Гідрограф природного стоку, будуємо згідно вихідних даних (табл. 1.1.) по заданим середньомісячним і середньодекадним (в паводок) значенням витрат. При визначенні середньорічних і середньо-багаторічної витрати, попередньо визначаються середньомісячні витрати за паводковий період по заданим середньодекадним значенням витрати.

Середньобагаторічну витрату визначаємо за формулою:

Q_сер.бр. = У Q_сер.і / n ,

де n - період, за який визначають середньобагаторічну витрату. Згідно вихідних даних n = 3 роки.

Q_сер.р. - середньорічна витрата, яка визначається за формулою:

Q_сер.р. = У Q_і / 12 ,

де Q_і - місячна витрата.

Q_сер.р1 = (55+54+55+368,33+500+68+58+56+55+68+73+55)/12 = 122,11 м³/с.

Q_сер.р2 = (71+72+71+480+390,67+79+72+71+70+80+81+72)/12 = 134,14 м³/с.

Q_сер.р3 = (66+65+66+430+546,67+71+65+66+65+78+76+65)/12 = 138,31 м³/с.

Q_сер.бр. = (122,11+134,14+138,31)/3 = 131,52 м³/с.

Знайдені середньорічні і середньобагаторічна витрати наносяться на гідрограф природного стоку.

3. Побудова в косокутній системі координат інтегральної кривої стоку за три роки. Визначення необхідних корисних об'ємів водосховища

Інтегральну криву стоку за три роки будуємо за допомогою ЕОМ. Для цього в комп'ютер вводимо задані витрати води у створі ГЕС за три роки і попередньо складена програма підраховує координати інтегральної кривої стоку. По цим координатам і будуємо інтегральну криву стоку. Але перед початком побудови інтегральної кривої стоку призначаємо масштаб часу так, щоб 1 см на промені відповідав 1 місяцю.

Для побудови ІКС спочатку по кривій зв'язку визначаємо корисний об'єм W_кор (рис. 1), як різниця об'ємів водосховища при НПР та РМО і вибираємо масштаб об'ємів з умови, щоб корисний об'єм у вибраному масштабі виражався відрізком 2-5 см. Таким чином масштаб об'ємів наступний: в 1 см - 0,1•10⁹ м³ , при цьому корисний об'єм водосховища W_кор = 0,36•10⁹ м³ у цьому масштабі являє собою відрізок 3,6 см.

Променевий масштаб являє собою групу променів, проведених з точки О (полюса). Кожний промінь має напрямок, що відповідає певній витраті. Порядок побудови променевого масштабу наступний. Від полюса О відкла-даємо фіктивний час ?t_ф = 10⁷с, який на промені являє 3,8 см. Потім визначаємо фіктивний об'єм стоку за формулою:

W_ф = Q_сер.бр.• ?t_ф = 131,52 • 10⁷ = 1,315 • 10⁹ м³

і в прийнятому масштабі від горизонтальної лінії ?t_ф проводимо вертикальну, на якій вниз відкладаємо W_ф. Одержану точку з'єднуємо з полюсом і отримуємо промінь нульового об'єму і нульової витрати. Поруч будуємо ординату витрати. Відкладаючи значення заданих витрат, і з'єднуючи їх з полюсом, отримаємо променевий масштаб. Разом з тим повинні пам'ятати, що променевий масштаб та інтегральна крива стоку повинні бути побудовані в одному і тому ж масштабі часу і об'ємів.

Інтегральну криву стоку за багаторічний період будуємо за середньорічним значенням витрати. Для цього з початку координат інтегральної кривої (т. О) проводиться промінь середньо-багаторічної витрати - горизонтальна пряма ОК, яка фіксує початок і кінець ІКС за багаторічний період регулювання. Потім з точки О проводиться промінь середньорічної витрати за перший рік регулювання (Q_сер.р1) - промінь ОІ. Точка І співпадає з кінцем 12-го місяця. З точки І проводиться промінь І-ІІ, який відповідає середньорічній витраті Q_сер.р2. Далі з точки ІІ - промінь ІІ-ІІІ, який відповідає витраті Q_сер.р3. Промінь середньорічної витрати за третій рік регулювання повинен перетинатись із променем середньобагаторічної витрати в точці К. При невеликій розбіжності через неточності графічних побудов, нев'язку X необхідно рівномірно розподілити по всім рокам регулювання. Після уточнення інтегральної кривої стоку, побудованій по середньорічним витратам, по тих же принципах будується та уточнюється інтегральна крива стоку по середньомісячним. Раніше знайдені точки О, І, ІІ, ІІІ (К), є контрольними для цих побудов. Побудова проводиться послідовно від точки О до точки І і т. д. до т. К. Промені середньомісячних витрат проводяться в межах місяця. При побудові ІКС по середньодекадним витратам, в якості контрольних точок розглядаються початкові і кінцеві точки ІКС, побудованої по середньомісячним витратам за відповідні місяці.

На інтегральну криву наноситься координатна сітка з лініями W = const, які проводяться паралельно променю нульової витрати на променевому масштабі.

Визначаємо необхідні корисні об'єми водосховища, які потрібні для повного вирівнювання річкового стоку за окремі роки і за весь період регулювання стоку. Для визначення корисного об'єму водосховища для повного вирівнюван-ня стоку за будь-який період необхідно через крайні точки ІКС провести дотичні, паралельні променю середньої витрати за цей період. Відстань по вертикалі між дотичними в масштабі об'ємів і буде виражати потрібний об'єм водосховища.

Отже, для даного випадку корисний об'єм, необхідний для повного вирівнювання річкового стоку складає:

1) за перший рік - W_кор.1 = 1,643•10⁹ м³

2) за другий рік - W_кор.2 = 1,588•10⁹ м³

3) за третій рік - W_кор.3 = 1,857•10⁹ м³

4) за весь період регулювання - W_кор.пр = 1,9239•10⁹ м³

5) Порівнюючи одержані значення з заданим W_кор. = 0,36•10⁹ м³ можемо зробити висновок, що заданого корисного об'єму водосховища недостатньо для повного вирівнювання річкового стоку, як за окремі роки, так і за весь період регулювання стоку.

Оцінку можливості вирівнювання стоку проводимо за формулою:

% = W_кор. / W_кор.і •100%

Тому за весь період регулювання заданий корисний об'єм водосховища вирівнює стік на:

0,36•10⁹ / 1,9239•10⁹ •100% = 18,71 %,

а за окремі роки відповідно: за І - 21,91 %, за ІІ - 22,67 %, за ІІІ - 19,39 %.

4. Побудова еквідистантної кривої стоку та інтегральної кривої споживання

Еквідистантну криву проводимо на відстані, рівній корисному об'єму водосховища (W_кор. = 0,36•10⁹ м³) паралельно інтегральній кривій стоку.

Інтегральну криву споживання будуємо згідно правила натягнутої нитки між інтегральною кривою стоку і еквідістантною кривою. Причому інтегральну криву споживання проводимо так, щоб початок і кінець її були на однаковій відстані від початку координат. Для цього продовжуємо інтегральну криву споживання та еквідістантну криву, повторюючи початок цих кривих (чотири місяці першого року).

За побудованою ІКСп визначаємо зарегульовані витрати за кожний місяць, шляхом перенесення променів інтегральної кривої споживання (ІКСп) на променевий масштаб, з якого знімаємо значення витрат. Результати розрахунків зводимо в таблицю 4.1.

Таблиця 4.1

Роки	Зарегульовані витрати, м3/с
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	79	79	79	328,3	403	78	78	78	78	78	78	78
2	78	78	78	375	373,3	85	85	85	85	85	85	85
3	85	85	85	381,7	456,7	79	79	79	79	79	79	79

Зарегульовані витрати наносимо на гідрограф природного стоку.

5. Побудова хронологічних графіків

Хронологічні графіки будуємо згідно режиму регулювання стоку - довготривале регулювання - згідно правила натягнутої нитки і вихідних даних. Їх креслять безпосередньо під інтегральною кривою у наступній послідовності.

5.1 Графік залишків води у водосховищі W = f(t)

Графік залишків води у водосховищі будуємо як різницю значень між інтегральною кривою споживання та інтегральною кривою стоку у відповідні моменти часу і знімаються безпосередньо з графіка цих кривих. Масштаб для побудови графіка W_зал = f (t) обирається будь-який стандартний з розрахунку, щоб максимальний розмір графіка по вертикалі знаходився в межах 4-10 см.

1-й місяць першого року (третя декада): 0,1288•10⁹ м³;

1-й місяць другого року (третя декада): 0,0447•10⁹ м³;

1-й місяць третього року (третя декада): 0,0981•10⁹ м³.

5.2 Графік коливання рівнів води у верхньому б'єфі ВБ = f(t)

Графік коливань рівнів води у верхньому б'єфі будуємо використовуючи графік залежності об'єму води від рівня води у верхньому б'єфі (рис. 1) і графік залишків води у водосховищі (рис. 5). Для цього об'єм води, що залишився у водосховищі на якийсь час, додаємо до мертвого об'єму на графіку і з графіка знімаємо значення рівня води у верхньому б'єфі.

Для зручності побудови графіка Z_ВБ = f(t) рекомендується графіки W_зал = f (t), W = f(Z_ВБ) та Z_ВБ = f(t) привести до взаємопов'язаної чотирипільної системи.

Навпроти графіка W_зал=f(t) будується масштабний графік для переходу від масштабу об'ємів на графіку W_зал=f(t) до об'ємів на кривій зв'язку W = f(Z_ВБ). Криві W = f(Z_ВБ) та Z_ВБ = f(t) будуються з суміщеними осями Z_ВБ (за умовний нуль шкали приймають РМО). Масштаб коливання рівнів у верхньо-му б'єфі (Z_ВБ) вибирається таким, щоб розмір графіка в межах спрацювання водосховища h_спр (від РМО до НПР) складав 5-10 см.

Наприклад:

1-й місяць першого року (третя декада): ВБ = 514,894 м;

1-й місяць другого року (третя декада): ВБ = 509,031 м;

1-й місяць третього року (третя декада): ВБ = 515,128 м.

5.3 Графік коливання рівнів води у нижньому б'єфі НБ = f(t)

Графік коливань рівнів води у нижньому б'єфі будуємо використовуючи графік залежності витрат та рівнів води у нижньому б'єфі (рис. 2) і таблицю зарегульованих витрат (табл. 4.1.). Принципи графічної побудови аналогічні розглянутим у п.5.2.

Розміри графіка Z_НБ = f(t) приймаємо в межах 5-10 см при стандартному масштабі відміток у нижньому б'єфі.

Наприклад:

1-й місяць першого року: Q_з = 79 м³/с.

Згідно графікаНБ = f(Q): НБ = 306,979 м.

1-й місяць другого року: Q_з = 78 м³/с.

Згідно графікаНБ = f(Q): НБ = 306,960 м.

1-й місяць третього року: Q_з = 85 м³/с.

Згідно графікаНБ = f(Q): НБ = 307,094 м.

5.4 Графік коливання статичних напорів Н_ст = f(t)

Для побудови графіків коливань статичних напорів використовуємо графіки коливань рівнів води у верхньому б'єфі і графік коливань рівнів води у нижньому б'єфі.

Графік коливань статичних напорів будуємо як різницю між відмітками рівнів води у верхньому і нижньому б'єфах на початок і кінець кожного періоду:

Н_с =ВБ -НБ

Наприклад:

1-й місяць першого року (третя декада): Н_ст = 207,91 м;

1-й місяць другого року (третя декада): Н_ст = 202,07 м;

1-й місяць третього року (третя декада): Н_ст = 206,03 м.

5.5 Графік коливання корисних напорів Н_нт = f(t)

Графік коливань корисних напорів будуємо на основі графіка коливань статичних напорів за формулою:

Н_нт = Н_ст - h_вт ,

де h_вт - витрати напору.

Приймаємо втрати напору рівними h_вт = 0,03, тобто - 3% від Н_ст .

Наприклад:

1-й місяць першого року (третя декада): Н_нт = 201,68 м;

1-й місяць другого року (третя декада): Н_нт = 196,01 м;

1-й місяць третього року (третя декада): Н_нт = 199,85 м.

5.6 Графік середньодобових потужностей водотоку ГЕС N = f(t)

Для побудови графіка середньодобових потужностей (рис. 9) обчислюються потужності для початку і кінця кожного місяця (в паводок - кожної декади) за формулою:

N = 9,81•Q_з•Н_н?з_т?з_г, кВт,

де N - середньодобова потужність в кВт;

Q_з - зарегульована витрата, м³/с;

Н - корисний напір на початку і в кінці розрахункового інтервалу часу (декада, місяць).

з_т, з_г - коефіцієнт корисної дії відповідно турбіни (з_т = 0,89) та генератора (з_г = 0,97).

Наприклад:

1-й місяць першого року (третя декада): N = 1,3493 • 10⁵ кВт;

1-й місяць другого року (третя декада): N = 1,2948 • 10⁵ кВт;

1-й місяць третього року (третя декада): N = 1,4387 • 10⁵ кВт.

6. Побудова графіка забезпеченості середньодобових потужностей N= f(t)

Графік забезпеченості середньодобових потужностей будується на основі графіка середньодобової потужності ГЕС. При цьому, для кожного значення потужності знаходимо час, протягом якого значення цієї потужності забезпечене.

,

де t₀ - період регулювання, t₀ = 36 місяців (108 декад).

Далі відкладаємо цей час проти цього значення потужності і отримуємо графік забезпеченості середньодобових потужностей.

По графіку забезпеченості середньодобових потужностей знаходимо значення середньодобової розрахункової потужності ГЕС по водотоку з надійністю p = 0,85%.

= 0,136 млн. кВт = 136 МВт.

7. Побудова графіка добового навантаження енергосистеми та інтегральної кривої виробки енергії

Для побудови інтегральної кривої енергії використовуємо добовий графік навантаження енергосистеми. Графік розбивається на ряд горизонтальних смуг від N_min до N_max, обчислюються їх площі, відповідні прийнятому для графіка навантажень масштабу кількості енергії ДЕ_i. Повна площа добового графіка навантаження являє собою повну величину необхідної виробки електроенергії протягом доби.

Для визначення енергії бази перемножуємо мінімальну потужність енергосистеми на час, протягом якого вона діє:Е_б = 12 • 24 = 288 млн. кВт•год

Отримане значення енергії відкладається на графіку інтегральної кривої виробки енергії, а отримана точка з'єднується з початком координат прямою лінією. Для побудови криволінійної ділянки інтегральної кривої енергії перемножуємо приріст потужності на час її дії. Розрахунок аналізуючої кривої ведемо у табличній формі (табл. 7.1).

Таблиця 7.1. Розрахункова таблиця для побудови ІКЕ.

N,млн. кВт	?N,млн. кВт	t, год	?Е, млн. кВт•год	Е, млн. кВт•год
0	-	-	-	-
12	12	24	288	288
13	1	22	22	310
14	1	20	20	330
16	2	18	36	366
18	2	14	28	394
19	1	12	12	406
19,5	0,5	8	4	410
21,5	2	6	12	422
23	1,5	2	3	425

За результатами цих табличних розрахунків будується інтегральна крива виробки енергії.

8. Визначення установленої потужності ГЕС. Побудова графіка роботи ГЕС

Встановлена потужність ГЕС - N_вст (сумарна паспортна потужність гідрогенераторів, встановлених на ГЕС) складається з трьох складових:

,

де N_{роб.гар} - робоча гарантована потужність;

N_дод - додаткова (дублююча) потужність (N_д = 0);

N_рез - резервна потужність (N_р = 0).

Установлену потужність ГЕС визначаємо наступним чином:

1) Визначаємо енергію, яку виробляє ГЕС за добу, за формулою:

МВт год

2) Визначаємо зону роботи ГЕС в енергосистемі. Для цього відкладаємо на інтегральну криву енергії значення Е_гес від максимального значення Е вліво і, опустивши вертикальну лінію на ІКЕ, знімаємо значення потужності N'. При цьому N_{роб.гар} визначаємо за формулою:

N_{роб.гар} = N_п - N',

де N_п - повна потужність енергосистеми.

Графік роботи ГЕС будується на основі графіка добового навантаження енергосистеми шляхом відсікання його нижньої частини, що знаходиться нижче N^?.

N^? = 21,5 млн. кВт год

N_{роб.гар} = 23 - 21,5 = 1,5 млн. кВт = 1500 МВт

N_вст. = 1500 МВт

9. Визначення витрат на ГЕС і обємів для добового регулювання

Значення витрати знаходимо за формулою:

,

де розрахунковий напір:

=

Причому H_рH_сер = 200,34 м.

За допомогою графіка роботи ГЕС визначаємо об'єм, як добуток витрати на час її тривалості:

W = Q · t = Q_i · t · 3600

За допомогою графіка, побудованого по підрахованим об'ємам, визначають об'єм необхідний для добового регулювання. Для цього треба провести пряму від початку координат до кінцевої точки і паралельно їй провести прямі через крайні точки графіка об'ємів. Відстань по вертикалі і буде W_{доб.рег}.

10. Основні характеристики регулювання стоку і параметри ГЕС

1. Середньорічні витрати:

Q_сер.р1 =122,11 м³/с;

Q_сер.р2 =134,14 м³/с;

Q_сер.р3 =138,31 м³/с.

2. Середньобагаторічна витрата:

Q_сер.бр = 131,52 м³/с.

3. Максимальна середньомісячна витрата: Q_max^пр = 850 м³/с

Мінімальна середньомісячна витрата: Q_min^пр = 54 м³/с

4. Середньобагаторічний річний стік: W_к^з = 3,964 •10⁹ м³

5. Корисний об'єм водосховища: W_к = 0,36 •10⁹ м³.

6. Коефіцієнт ємності водосховища: К_єм.в. = W_к/ W_к^з = 0,09.

7. Об'єм добового регулювання: W_{доб.рег.}= 5,9 •10⁹ м³.

8. Об'єм водосховища для повного вирівнювання стоку:

W₁ = 1,643 •10⁹ м³;

W₂= 1,588 •10⁹ м³;

W₃ = 1,857•10⁹ м³.

9. Максимальні витрати:

Q_ГЕС = 897,34 м³/с, Q_Т = 224,335 м³/с.

10. Рівні води у верхньому б'єфі:

НПР = 528 м, РМО = 500м.

11. Добове спрацювання водосховища:

При повному водосховищі: Н = м.

При порожньому: Н = м.

12. Рівні води у нижньому б'єфі:

Мінімальний рівень: НБ_min = 306,96 м.

Максимальний рівень: НБ_max = 309,144 м.

Рівень при витраті ГЕС: НБ_ГЕС = 310,65 м.

Максимальна паводкова зарегульована витрата: Q_{max. п}^з =790 м³/с

13. Напори:

Максимальний напір: Н_н^max =211,35 м.

Мінімальний напір: Н_н^min = 189,32 м.

Напір середньозважений по енергії: Н_р= 196,66 м.

14. Потужності:

N_{вод.мах} = 1,356 млн.кВт.

N_{вод.мін} = 0,127 млн.кВт.

N_85% = 136 тис.кВт.

N_{роб.гар.} = 1500 тис.кВт.

N_встан. = 1500 тис.кВт.

15. Середньобагаторічна виробка енергії:

Е_сер.=3,264 млн.кВт • год.

16. Характеристика турбіни:

- кількість агрегатів Z = 4;

- потужність турбіни N_T = 300 тис. кВт;

- діаметр робочого колеса D₁ = 500 см;

- частота обертів n₀ = 187,3 об / хв;

- діючий напір H_д = 196,66 м;

- висота відсмоктування H_s = -3,2 м;

- коефіцієнт корисної дії = 92,5 %.

Література

1. Губин Ф. Ф. Гидроэлектрические станции. М., „Энергия”, 1972.

2. Потапов В. М., Ткаченко П. Е., Юшманов О. Л. Использование водной энергии. М., „Колос”,1972.

3. 042 - 10. Методичні вказівки до курсового проекту „Водноенергетичні розрахунки при проектуванні гідроелектростанцій”.

4. 042 - 7. Придожения к методическим указаниям по выполнению курсово-го проекта на тему: « Машинное здание гидроелектростанции комплекс-ного гидроузла»

5.

Додаток 1