Міністерство освіти і науки України

Запорізька державна інженерна академія

Кафедра ГЕ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

З дисципліни : « Гідроенергетичне обладнання станції »

На тему : « Розрахунок елементів машинного залу »

Виконав: ст.гр. ГЕ-10д

Мальнєва А.М.

Перевірив: доцент, к.т.н.

Волков В.О.

Запоріжжя

2013

ЗМІСТ

ВСТУП 3

1 ВХІДНІ ДАНІ 4

1.1 Вхідні данні для проектування 4

2 РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА 5

2.1 Визначення розрахункових витрат 5

2.2.1 Гідрологічний розрахунок 5

2.1.2 Основні способи створення напору 7

2.1.3 Принцип роботи гідроелектростанції та її параметри 10

2.2 Розрахунок потужності ГЕС 11

2.3 Розрахунок гідротурбіни 14

2.4 Розрахунок спіральної камери 18

2.5 Розрахунок відсмоктувальної труби 22

2.6 Розрахунок генератора 24

2.7 Розрахунок діаметра ротора, довжини активної сталі, шахти 25

ВИСНОВКИ 27

ДОДАТОК А 28

ДОДАТОК Б 30

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 31

ВСТУП

Гідроелектростанції, як високоефективне джерело електроенергії, які використовують нескінченну енергію водостоків, це складні комплекси інженерних споруд, гідроенергетичного, гідромеханічного та електричного устаткування. Складність проектування, зведення і експлуатації гідроелектростанцій визначається тим, що їх параметри, компоновки споруд, склад та параметри обладнання знаходяться в прямій залежності від складних умов, топографічних, геологічних, гідрологічних та інших характеристик ріки і зони будівництва.

Схема гідроелектростанції досить проста, падаюча вода обертає лопаті турбін, які в свою чергу обертають вал, на якому розташовуються генератори електричного струму, за допомогою яких і виробляється електроенергія. Переваги ГЕС очевидні: вони не забруднюють навколишнє природне середовище - використовують невичерпне джерело енергії і прості в експлуатації. Завдяки тому що використовується поновлювані джерела енергії – гідроенергія має низьку собівартість. Це дає можливість конкурувати на енергоринку, а також велику рентабельність будови таких електростанцій.

В курсовому проекті за вхідними даними виконується розрахунок як енергомеханічних, так і електричні параметри електростанції. А саме потужність турбіни, її геометричні параметри, спіральна камера, відсмоктуючи труба, а також гідрогенератор. Кожен з цих параметрів є визначальним, отже може бути використаний при побудові або для подальших розрахунків.

1 ВХІДНІ ДАНІ

1.1 Вхідні данні для проектування

Рис.2.1 Гідрограф заданої річки

2 Розрахункова частина

2.1 Визначення розрахункових витрат

2.2.1 Гідрологічний розрахунок

Для вироблення електричної енергії гідроелектростанції використовують річковий стік, який в широких межах змінюється в часі.

Найбільший інтерес для проектування і експлуатації ГЕС мають дані про витрати води в річках, які є основою всіх практичних розрахунків регулювання і використання річкового стоку. Вимірювання елементів режиму річки, прийоми первинної їх обробки вивчаються в спеціальних розділах гідрології –

Рис. 1.1 Гідрограф з весняною повінню східно-європейського типу

1 – снігове живлення; 2 – дощове; 3 – живлення підземними водами

Для наочного зображення коливань стоку річок служить спеціальна система графіків. Основним початковим графіком є хронологічний графік зміни витрат води в річці – гідрограф. Саме гідрограф містить початкові вихідні дані при виборі для створення гідровузла річки або конкретного створу. Розрізняють три типові стани витрат річки, які виразно видно на її гідрографах: межень, повінь і паводок.

Межень – період внутрішньорічного циклу, протягом якого стійко спостерігається низька водність, що виникає внаслідок зменшення притоку води з водоскидної площі. У ці періоди переважне значення в річковому стоці мають підземні води, що дренуються гідрографічною мережею. На багатьох рівнинних річках розрізняють зимову і літню межень. Повінь – фаза водного режиму річки, що характеризується найбільшою впродовж року водністю, високим і тривалим підйомом рівня, звичайно супроводжуваним виходом річки з русла на пойму. Викликається одним з головних джерел живлення річок: на рівнинних річках – сніготаненням (весняна повінь), на високогірних – таненням снігу і льодовиків (літня повінь), в мусонних і тропічних зонах – випаданням літніх дощів та ін. Для річок однієї кліматичної зони повінь повторюється щорічно в один і той же сезон, проте з різною інтенсивністю і тривалістю.

Паводок – швидкий, порівняно короткочасний підйом рівня води в якому-небудь фіксованому створі річки, який завершується майже таким же швидким спадом і який виникає, на відміну від повені, нерегулярно. Підйом рівня і збільшення витрати води при паводку можуть в окремих випадках перевищувати рівень і найбільшу витрату у повінь. Паводок зазвичай виникає від дощів, але в умовах нестійкої зими може бути обумовлений інтенсивним короткочасним сніготаненням. В процесі переміщення паводку по річці утворюється паводкова хвиля.

Одна з гідрологічних класифікацій річок, за ознаками їх режиму і живлення, охоплює три групи типів річок:

1. Річки із щорічною повінню.

2. Річки з характерною весняною повінню.

3. Річки з паводковим режимом, у яких немає визначеної щорічно повені, що повторюється.

Всі згадані вище умови і особливості істотно і безпосередньо впливають на вибір річки, а на ній – створу, на вибір способу створення напору, складу і типу основних споруд, складу основного обладнання. Істотно, що першим при цьому документом є гідрограф.

2.1.2 Основні способи створення напору

У природних умовах енергія річок розсіюється по їх довжині і використовувати її у такому вигляді практично неможливо. За допомогою штучних гідротехнічних споруд перепад ділянки річки можна зосередити в одному створі і отримати в цьому створі деякий напор Н. Встановивши турбіни і пропускаючи через них витрату води Q під напором Н, можна

Рис.1.2 Схема створення напору

Спосіб греблі полягає в тому, що в кінці використовуваної ділянки (створ В на рис.1.2) річку перегороджують греблею, яка створює підпірводи, що розповсюджується до початку ділянки (створ А). При цьому перепад Н₀ зосереджується в створі В, а перед греблею підпірними спорудами утворюється водосховище 8 (рис.3.3 б і в), тобто штучне водоймище, яке частково затоплює прилеглі до річки землі, а іноді і споруди, як це видно на рисунку 2.1. Водний простір, прилеглий до верхової сторони підпірних споруд, називається верхнім б’єфом, до низової сторони – нижнім б’єфом. Рівень верхнього б’єфа, або підпірний рівень позначається РВБ; рівень нижнього б’єфа – РНБ. Різниця рівнів верхнього і нижнього б’єфів називається статичним напором.

Статичний напор Н₀ дещо менший перепаду рівнів Н_ав (геометричного напору), оскільки вода у верхньому б’єфі має не горизонтальну, а похило-ввігнуту поверхню, яка створює лінію підпору. Втрати напору викликані переміщенням води у верхньому б’єфі.

У створі В споруджують гідроелектростанцію, через турбіни якої пропускають воду під напором Н₀, а енергія турбін в гідрогенераторах перетворюється на електроенергію.

Побудувати таку греблю, яка дала б можливість використовувати відразу весь перепад річки від гирла до її верхів’я, звичайно неможливо, оскільки це привело б до непомірних затоплень земель. Тому річку при необхідності розбивають на декілька ділянок за довжиною і в кінці кожної ділянки створюють греблю, підпір від якої розповсюджується до розміщеної вище греблі.

Сукупність гідровузлів, розташованих на одній річці, називається каскадом, а кожна окремо використовувана ділянка з гідроелектростанцією на ній – ступенем каскаду. Напор, що створюється греблею в рівнинних умовах, звичайно не перевищує 30 ÷ 40 м, але в гірських умовах він може досягати 200 м і більше.

На річках з порівняно невеликими витратами води, але із значними ухилами русла, як правило, в гірських умовах, може застосовуватися дериваційний спосіб створення напору. Він полягає в тому, що на початку використовуваної ділянки (створ А, рис. 1.3) воду, за допомогою греблі 1, відводять з природного русла в штучний водовід, що називається деривацією, і підводять її до кінця ділянки (створ В), утворюючи напорний басейн 3. Напор створюється за рахунок різниці ухилів дериваційного водоводу і природного русла за допомогою напорних водоводів 7. Якщо застосовують дериваційний водовід у вигляді каналу 2 (рис. 1.3, а) або безнапірного тунелю, деривація називається безнапірною. Канали трасуються з мінімальним ухилом та з використанням сприятливих топографічних умов. У такій схемі не використовується частина перепаду ділянки АВ через неминучі гідравлічні втрати h_дер в каналі. Деривація може бути виконана у вигляді напірного тунелю 9 (рис.1.3, б) або трубопроводу, і тоді вона називається напірною. Схеми з напірною деривацією іноді бувають комбінованими (змішаними), коли частина напору на ділянці АС, як це видно на рисунку, створюється підпором греблі. При таких рішеннях, між напірною деривацією і напірним водоводом встановлюють зрівнювальну башту 10 для гасіння можливого гідроудару.

Рис. 1.3 Схема розташування основних споруд дериваційних гідровузлів:

а – з безнапірною деривацією; б – з напірною деривацією; в – з відвідною деривацією

На рис. 1.3, а, поз. 5, будівля ГЕС розташовується в кінці деривації, яка в цьому випадку називається підвідною. Можливе інше рішення – розміщення будівлі ГЕС на низьких позначках і відведення від нього води безнапірною 6 (рис. 1.3, в) або напірною 11 відвідною деривацією (рис.1.3,б). Для попередження аварійних ситуацій можуть в кінці відкритої деривації улаштовуватись холості водоскиди 4. При способі дериваційного створення напору великий перепад рівнів також може бути використаний каскадом ГЕС.

Рис. 1.4 Використання напору між суміжними водотоками

Іноді природні умови (наприклад – в горах) дозволяють використовувати напор, що утворюється за рахунок різниці рівнів близько розташованих річок або озер різних басейнів. В цьому випадку воду перекидають в розташований нижче водотік чи водоймище через тунель або канал (рис. 1.4), отримуючи на турбінах енергію за рахунок природної різниці рівнів.

2.1.3 Принцип роботи гідроелектростанції та її параметри

У природному стані гідравлічна енергія на ділянці річки швидко зменшується при русі води від створу А до створу В, розсіваючись уздовж русла. Після створення напору способом греблі або деривації енергія у верхньому б’єфі кінцевого створу В майже така ж, як і в створі А, а в нижньому б’єфі створу В вона приблизно така, як і в природному стані(рис. 1.5). Сконцентрована гідроенергія потоку перетворюється за допомогою устаткування гідроелектростанції. Гідроелектростанція, або скорочено ГЕС, – це комплекс гідротехнічних споруд і устаткування для перетворення гідравлічної енергії в електричну (рис. 1.6). З верхнього б’єфа вода надходить до водоприймача 1 і далі по водоводах 2 підводиться до турбін 3. Пройшовши проточну частину турбін і віддавши енергію робочому колесу, вода виходить в нижній б’єф, виносячи при цьому якийсь залишок енергії е (рис.1.5,б). Турбіна обертає ротор 4 гідрогенератора, який являє собою електромашину змінного струму. Обертаючись, ротор, як багатополюсний електромагніт, своїми магнітними полюсами

Рис. 1.5 Діаграма енергії водного потоку

а – у природному стані; б – при спорудженні ГЕС.

Перетинає стрижні обмотки статора 5, і в них наводиться електричний струм. Цей струм подається по шинах 6 на підвищувальний трансформатор 7, передається на розподільний пристрій 8 і під високою напругою йде по лініях електропередач 9, прямуючи до споживачів електроенергії.

2.2 Розрахунок потужності ГЕС

Розвиток енергосистем та їх об’єднань супроводжується збільшенням потужностей, розвитком ліній електропередач, подальшим збільшенням їх протяжності, пропускної спроможності й напруги. Але однією із ключових проблем лишається виконання графіка навантаження за умов стабільного регулювання частоти і номінальної напруги. При цьому вирішальну роль відіграють гідроелектростанції, їх потужність, висока маневреність основного обладнання при перемінних режимах, виняткова оперативність керування агрегатами завдяки високому рівню автоматизації.

Одним з визначних параметрів ГЕС є її встановлена потужність. Під встановленою потужністю гідроелектростанції N_вст розуміється сумарна паспортна (номінальна) потужність всіх гідрогенераторів, яка визначає пропускну спроможність турбін. Із урахуванням фактора необхідності вона складається з трьох складових:

N_гар, N_дод і N_рез – відповідно: гарантована, додаткова і резервна потужності гідроелектростанції. Кожна складова може бути визначена окремо, залежно від ступеня регулювання річкового стоку і роботи гідроелектростанції спільно з іншими електростанціями енергосистеми. Для визначення величини кожної складової встановленої потужності приймають певні частини гідрографа, виходячи з фактора можливості (вірогідності).

На підставі водноенергетичних розрахунків, які виявляють енергетичні можливості гідроелектростанції при вибраній схемі споруд встановлюють гарантовану потужність. Звичайно вона призначається на рівні забезпеченої витрати води Q_заб на протязі року відповідно до гідрографа.

По заданій розрахунковій забезпеченості визначаються середньомісячні потужності гідроелектростанції, які розглядають як середньодобові забезпечені і використовують при покритті графіків електричних навантажень енергосистеми. На підставі аналізу цих графіків і визначається гарантована потужність гідроелектростанції.

Додаткова потужність. На гідроелектростанціях з обмеженим регулюванням річкового стоку ситуативні середньодобові потужності по водотоку можуть набагато перевершувати гарантовану потужність. Для повнішого використання енергії водотоку потужність гідроелектростанції збільшують понад N_гар і встановлюють додаткову потужність N_дод, яка розраховується на повеневі і паводкові витрати, а це дозволяє отримати додаткову енергію. При цьому, оскільки N_дод не гарантована в межах розрахункової забезпеченості, то її установка на гідроелектростанції не знижує встановленої потужності теплоелектростанцій.

Додаткову потужність на ГЕС доцільно розвивати при відносно слабкому регулюванні річкового стоку і наявності холостих скидань в паводковий період. При визначенні додаткової потужності враховують, як правило, повеневі та паводкові витрати, які мають місце раз в 2 ÷ 4 роки.

Резервна потужність повинна забезпечувати безперебійну роботу енергосистеми в цілому. Всі складові резервної потужності не обов’язково повинні розміщуватися на одній проектованій ГЕС.

Резерв навантаження сприймає позапланові коливання навантаження в енергосистемі і вирівнює відсутність балансу між енергоспоживанням і його покриттям. Раптове збільшення потужності, якщо воно не сприйняте енергосистемою, приводить до відхилення частоти струму від нормативної і до зниження якості енергопостачання, що є неприпустимим. Резерв навантаження у зв’язку з необхідністю швидко реагувати на зміни навантаження у споживачів завжди розміщують на високо маневрених електростанціях (ГЕС, ГАЕС, газотурбінні електростанції). Резерв навантаження для енергосистеми складає близько 3% її максимальної потужності.

Резервні потужності визначаються, як правило, із урахуванням повеневих та паводкових витрат, які мають місце раз в 5 ÷ 8 років.

Остаточно встановлена потужність ГЕС уточнюється після вибору кількості агрегатів, визначення діаметра робочого колеса та інших параметрів турбіни і уточнення на їх основі одиничної потужності турбіни.

Після аналізу гідрографа річки та визначення гарантованих, додаткових та резервних витрат розрахуймо відповідні потужності.