Плотинная схема выработки электрической энергии с приплотинной малой ГЭС на р. Турья мощностью 50 кВт

Министерство образования РФ

ГОУ ВПО «Уральский государственный

технический университет – УПИ»

Кафедра «Атомная энергетика»

Курсовой проект

Плотинная схема выработки электрической энергии с приплотинной малой ГЭС на р. Турья мощностью 50 кВт

Выполнила: Муратова Е.В.

Гр. Т – 596

Проверил: Шахов И.С.

г. Екатеринбург

2003

Содержание

Исходные данные. 4

Введение. 5

1.Расчет мертвого объема водохранилища.7

1.1 Расчет объема заиления.7

1.2 Расчет уровня мертвого объема. 7

1.3 Расчет объема водохранилища, при уровне мертвого объема.7

1.4 Расчет площади зеркала, при уровне мертвого объема.8

1.5 Расчет полезного объема водохранилища.8

1.6 Расчет полного объема водохранилища.8

2. Расчет ежедневных расходов и уровней воды.9

2.1 Расчет ежедневных расходов.9

2.1.1 Расчет потерь на испарение.9

2.1.2 Расчет потерь на фильтрацию.10

2.1.3 Расчет потерь на оседание (возврат) льда. 13

2.1.4 Расчет расхода на турбину.13

2.1.5 Расчет расхода на водослив.14

2.1.6 Расчет расхода в нижний бьеф.14

2.2 Расчет уровней воды и напоров.14

2.2.1 Расчет уровня водохранилища. 15

2.2.2 Расчет напора водохранилища.15

2.2.3 Средняя мощность. Выработка электроэнергии.15

3.Расчет поперечного профиля плотины.16

3.1 Расчет гребня плотины.16

3.2 Ширина плотины по гребню.. 18

3.3 Ширина плотины по основанию.. 19

4. Расчет коэффициента запаса устойчивости. 20

5.Расчет крепления верхового откоса.23

6.Расчет водосбросов (паводкового и турбинного)25

7.Расчет оснований под гидроагрегат.28

7.1 Выбор турбины.. 28

7.2 Расчет горизонтальной и вертикальной динамической нагрузки.28

7.3 Расчет нормальной нагрузки на фундамент к моменту короткого замыкания.28

Гидротехнические расчеты по водохранилищу Приложение 3. 29

Ежедневные расходы Приложение 6. 44

Кривая объемов Приложение 1. 46

Кривая площадей Приложение 2. 47

Кривая расхода в нижнем бьефе Приложение 4. 48

График испарения Приложение 5. 49

Поперечный профиль плотины Приложение 7. 50

Форма русла реки Приложение 8. 51

Список литературы:52

Исходные данные

Тип сооружения – земляная плотина

Материал тела плотины – суглинок

Физико – механические характеристики суглинка

Удельный вес т/м³ - 2,70

Удельное сцепление с кг/см² - 0,30

Угол внутреннего трения φ˚ - 20,0

Коэффициент фильтрации К_ф м/сут – 0,20

Объемный вес при полном заполнении водой г/м³ - 2,0

Объемный вес взвешенного грунта г/м³ - 1,0.

Введение

Получение дешевой энергии от крупных ГЭС - хорошо изученная и решенная во всех развитых странах задача.

Однако рек, позволяющих возводить гидротехнические сооружения (плотины) в мире и в России, не слишком много; в основном эти источники энергии уже используются.

Реки с малыми водными ресурсами не рассматривались как серьезный источник энергии, однако, в связи с ростом цен на органическое топливо в мире, происходит переосмысление их возможной роли в энергоснабжении. Так, в США к 2000 г. 15 % всей выработки электроэнергии ГЭС будут давать малые и микроГЭС . Аналогичные взгляды на малую гидроэнергетику прогрессируют и в Европейских странах.

К малым рекам относят водотоки длиной 70-100 км, площадь водосборных бассейнов которых не превышает 2000 км².

Протяженность малых рек в России составляет 40 % от общей длины всех рек, а в Свердловской области - более 90 % всех рек.

Гидроэнергетические ресурсы являются одним из наиболее изученных, постоянно возобновляемых источников энергии. На территории России сосредоточено 12% мировых запасов гидроэнергии.

Потенциальные запасы гидроэнергии (теоретический потенциал) речного стока.

Основными влияющими факторами являются степень изученности гидроэнергоресурсов района, технический прогресс в проектировании и строительстве энергетических объектов, изменение технико-экономических показателей альтернативных электростанций, уровень развития экономики района, а также изменение уровня и режима электропотребления, структура всех мощностей в балансе энергетической системы района, оценка влияния гидроэнергетического строительства на окружающую природную среду, комплексный характер использования водных ресурсов, измерение хозяйственного освоения речных долин.

Использование микро-, мини-, и малых ГЭС, как альтернативных источников традиционным энергогенерирующим станциям, дает как минимум два преимущества:

- Уменьшение стоимости электроэнергии;

- Возможность снабжения электроэнергией автономного потребителя, удаленного от централизованного энергоснабжения.

Целью данного курсового проекта является: Создание плотинной схемы выработки электрической энергии с приплотинной малой ГЭС на р. Турья (Краснотуринское водохранилище), мощностью 60 кВт.

1. Расчет мертвого объема водохранилища

1.1 Расчет объема заиления.

где R – среднее многолетнее наносов;

t – период эксплуатации;

γ – удельный вес наносов.

1.2 Расчет уровня мертвого объема

где Н_{заиления}– уровень заиления (находится по кривой объемов, в зависимости от величины V_{заиления}).

Н_во– уровень водозаборного окна (принимаем 2)

Н_{max льда} – максимальная толщина льда.

1.3 Расчет объема водохранилища, при уровне мертвого объема.

V_УМО = 3,79 млн.м³

находим по кривой объемов в зависимости от уровня мертвого объема (см. Приложение 1).

1.4 Расчет площади зеркала, при уровне мертвого объема.

w_УМО= 2,17 млн.м²

находим по кривой площадей в зависимости от уровня мертвого объема (см. Приложение 1).

1.5 Расчет полезного объема водохранилища.

В первом приближении принимаем полезный объем водохранилища равным среднему объему весеннего половодья:

где V_III,V_IV,V_V – соответственно объемы за март, апрель и май месяц;

n – число дней в месяце;

t – число секунд в месяце.

1.6 Расчет полного объема водохранилища.

Полный объем водохранилища равен сумме полезного объема и объема при УМО.

.

Тогда нормальный подпорный уровень по кривой объемов будет равен

Н_НПУ = 175,66 мБс (см. Приложение 1).

2. Расчет ежедневных расходов и уровней воды.

2.1 Расчет ежедневных расходов.

Ежедневные расходы включают в себя:

a) Потери на испарение, фильтрацию, оседание (возврат) льда.

b) Расход на турбину

c) Водослив

d) Расход в нижний бъеф

Для примера приведем расчет одного зимнего дня, одного весеннего дня, одного летнего дня и одного осеннего дня:

2.1.1 Расчет потерь на испарение.

Потери на испарение вычисляем по формуле:

где Q_испN – значение испарения в данный день (определяется по графику испарения см. Приложение 5)

w – площадь зеркала для данного дня

86400 – количество секунд одного дня.

Пример:

15 мая

15 июля

15 октября

2.1.2 Расчет потерь на фильтрацию.

Потери на фильтрацию рассчитаем по формуле:

где Н_N – уровень водохранилища данного дня

Н₀ – уровень нулевой отметки

В₀– ширина плотины при глубине 1 м

где – глубина воды в реке при максимальном расходе, м

Н_Qmax – уровень воды в реке при максимальном расходе (определяется по кривой расхода в нижнем бьефе см. Приложение 4), мБс

Н_Q=0 – нулевой уровень воды в реке (определяется по кривой расхода в нижнем бьефе см. Приложение 4), мБс

ω – площадь поперечного сечения плотины, м²

v– скорость воды перед плотиной (принимаем приблизительно равной 1,2), м/с

q– удельные потери на фильтрацию

м³/сут

где k_т – коэффициент фильтрации (для супеси = 0,5 м/сут)

L_р = L + ΔL_в= 31,35+3,26 = 36,35 (см. рис 2.1)

L=Δl_в+В_д+l₂ = 5+8+18,35 = 31,35 (см. рис 2.1)

Δl_в=l₁+ l'₁ = 20,39–15,39 = 5 м (см. рис 2.1)

l₂= m₂ ∙h_{плотины}=2,25∙8,16=18,35 м

h_{плотины}= h_НПУ+2=6,16+2= 8,16 м – высота плотины

l₁= m₁∙ h_{плотины}=2,5∙8,16=20,39м

l'₁ = h_НПУ∙∙ m₁= 6,16∙2,5=15,39м

m₁– заложение верхового откоса (принимаем 2,5 по табл. 6.3, стр. 167 [1])

m₂– заложение низового откоса (принимаем 2,25 по табл. 6.3, стр. 167 [1])

Пример:

15 мая

15 июля

15 октября

2.1.3 Расчет потерь на оседание (возврат) льда

Оседание льда происходит в те месяцы, которые указаны в исходных данных для данного водохранилища, при понижении уровня воды.

Тогда расчет расхода на оседание(+ в таблице см. Приложение 3) и возврат(– в таблице см. Приложение 3) льда осуществляется следующим образом:

где w_{начальная} ,w_{конечная} – соответственно начальная и конечная площадь льда, км²

h_льдаN – толщина льда для данного дня, м

ρ_льда – плотность льда, кг/м³

После нахожения величины оседания (возврата) льда, необходимо его учесть (вычесть или прибавить) к конечной площади зеркала w_{конечная} .

Пример:

15 февраля

м³/с

2.1.4 Расчет расхода на турбину

Расход на турбину выбираем в первом приближении 85 % от среднего годового расхода (см. Приложение 6).

В процессе расчетов методом подбора расход на турбину был увеличен до 1,3 м/с.

2.1.5 Расчет расхода на водослив.

Сброс воды через водислив осуществляется в том случае, если объем водохранилища в какой либо момент времени превышает его объем.

Пример:

15 октября

м³/с

2.1.6 Расчет расхода в нижний бьеф

Расход в нижний бьеф определяется по формуле:

Пример:

15 мая

2.2 Расчет уровней воды и напоров

2.2.1 Расчет уровня водохранилища

Уровень водохранилища определяется по кривой объемов (см. Приложение 1) в зависимости от объема водохранилища.

Конечный объем водохранилища определяется по формуле:

Пример:

15 мая

2.2.2 Расчет напора водохранилища

Напор на турбину определяется как разница между Уровнем водохранилища и Уровнем нижнего бьефа.

Уровень нижнего бьефа в свою очередь определяется по кривой расхода в нижнем бьефе (см. Приложение 4) в зависимости от расхода в нижний бьеф.

2.2.3 Средняя мощность. Выработка электроэнергии

Средняя мощность определяется по формуле

Пример:

15 октября

где К_пот– коэффициент потерь мощности (принимаем равным 0,7)

g– ускорение свободного падения

Н_n– напор для данного дня

Выработка электроэнергии определяется как произведение средней мощности на количество часов в сутках.

3.Расчет поперечного профиля плотины

3.1 Расчет гребня плотины

Высота гребня плотины Н_гребня (см рис.3.1.) определяется по формуле

где d – превышение отметки гребня плотины над расчетным уравнем воды в водохранилище.) (Н_нпу) (см. рис.3.1.), определяется по формуле (6.1) [1] стр.166:

водохранилище гидротехнический плотина турбинный

где h_н – высота наката на откос ветровой волны, м

Определяется по формуле Лабзовского

где k_Δ и k_нп – коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса (принимаются по таблице 1.10) стр. 22 [1].

k_нг– коэффициент установливаемый по графикам на рис. 1.13. стр.22[1]

k_с – коэффициент, значения которого приведены в таблице 1.11. стр.22[1] в зависимости от заложения откоса и скорости ветра

h_1%–высота бегущей волны обеспеченностью 1 %

h_1% = h_2% ∙k_i=5,1∙0,96=3,95м

k_i – коэффициент для перехода от высоты волны 2% обеспеченности к высоте волны 1% обеспеченности

h_2% = h₀ ∙ β = 6,37∙0,8=5,1м – высота волны 2% обеспеченности.

h₀– высота волны, которая существовала бы при неограниченной глубине водоема.

где k – коэффициент учитывающий интенсивность нарастания волны

W₁₀ – скорость ветра на высоте 10м над уровнем воды, м/с

Д – длина разгона ветряного потока, км

ε – крутизна волны равная

β – коэффициент, учитывающий влияние мелководья определяется по графику рис.1.8. стр.20 [1] в зависимости от Н/λ₀,

где Н – глубина при нормальном подпорном уровне, м

λ₀ – длина волны которая существовала бы при неограниченной глубине водоема

Δh – высота ветрового нагона волны, м

Определяется по формуле:

где α – угол между продольной осью водоема и направлением ветра (принимаем 90˚)

Н – расчетная глубина (принимаем равной глубине при НПУ, м)

а – запас по высоте плотины (принимаем равным 2м)

Тогда отметка по гребню плотины на уровнем моря, мБс

Н_{плотины}= H₀+d = 167,5 + 9,6 = 177,11 мБс

3.2 Ширина плотины по гребню

Определяется по таблице 6.2. стр.166[1] в зависимости от категории дороги (принимаем – V).

Тогда ширина плотины по гребню будет равна ширине земляного полотна и равна 8 м.

3.3 Ширина плотины по основанию

Определяется по формуле:

где В_Г – ширина плотины по гребню, м

d– высота плотины, м

m₁ – заложение верхового откоса

m₂ – заложение низового откоса

3.4Углы наклона откосов плотины к основанию

Угол наклона верхового откоса к остнованию:

Угол наклона низового откоса к остнованию:

4. Расчет коэффициента запаса устойчивости

Для расчета коэффициента запаса устойчивости к_зу необходимо построить кривую линию скольжения по которой возможно обрушение. (см. Приложение7)

При этом фигуру ограниченную с одной стороны этой кривой, а с другой стороны очертанием профиля плотины дискретно поделим на 5 частей.

Необходимо также построить депрессионную кривую, для определения впоследствии веса грунта.

Для этого выполним построение поперечного сечения в осях координат так, чтобы верховой откос пересекал ось У на отметке НПУ (см. Приложение7).

Тогда расчет координат депрессионной кривой (рис 2.1., п. 2) будет выглядеть так (таб. 4.10. п.3 стр.124[1]) :

м³/сут

где L_p– см. п. 2.1.2.

m₂ = m₂ + 0,5 =2,5+0,5 =2,75 заложение низового откоса

Тогда

где h_в – координата точки всачивания

L – см. рис 2.1. п. 2.1.2.

путем изменения координаты Х находим координаты У депрессионной кривой.

Далее по построенным в координатной плоскости кривым определяем коэффициент запаса устойчивости для каждого участка:

где G_i– суммарный вес грунта данного участка

в – ширина данного участка

α – угол заложения верхового откоса

φ – угол внутреннего трения

с – коэффициент удельного сцепления

S – сейсмическая нагрузка

S_i = Q_ki ∙ m ∙ k_c ∙ β⁰_i ∙ η_ik

где Q_ki = G_i

m – коэффициент, учитывающий особые условия работы ГТС (принимаем равным 1, с учетом класса ГТС)

k_c– коэффициент сейсмичности (по табл. 1.23 стр.27 [1], принимаем равным 0,05

β⁰_i ∙ η_ik – принимаем равным 1,5

При нахождении коэффициента запаса устойчивости для удобства заполним таблицу:

14,74

Суммарный коэффициент запаса устойчивости должен быть не меньше 1,1 (по табл. 1.30 стр.31[1]).

В нашем случае это условие не нарушается. Плотина устойчива к разрушению.

5.Расчет крепления верхового откоса.

Крепление верхового откоса осуществляем при помощи железобетонных плит.

Толщина свободно лежащей плиты определяем по формуле (см.стр.220ф.(8.45)[1]):

где n₂– коэффициент перегрузки (принимаем равным 1)

– высота волны в расчетном шторме (принимаем равной высоте волны 50% обеспеченности)

В_отн– относительная длина ребра плиты

В – длина ребра плиты, расположенной по нармали к линии уреза воды (принимаем 3 м)

γ_W–удельный вес воды

γ_П– удельный вес материала плиты

к_в – коэффициент относительного погружения расчетной плиты в аэрированную среду при действии расчетной взвешивающей нагрузки (табл.8.3.стр.220[1])

6.Расчет водосбросов (паводкового и турбинного)

Для расчета водосбросов в первом приближении принимаем Н_ст=3м

Ширина водосбросного отверстия:

где Q_max – максимальный расход, м³/с

q – удельный расход, м/с

где β, к – коэффициенты равные 1,5 и 1,1

v_нр– неразмывающая скорость, которая находится по таблице 3.11стр.75[1]

Н_ст– статический напор

Проверяем величину в, подставив известные значения в формулу нахождения максимального расхода

где σ₁ – коэффициент полноты напора(принимаем равным 1)

σ₂ – коэффициент подтопления водосброса (принимаем равным 1)

σ_с – коэффициент сжатия стеснения потока

где n – число отверстий

σ_с1и σ_с2– значения коэффициента сжатия соответственно для промежуточных и крайних отверстий,определяют по графику (рис.3.31 стр.86[1] в соответствии с величиной в/В.

В=в+d_быка

В_кр=в+d_быка/2+d_устоя/2

Н₀– динамический напор

Н_ст – напор над гребнем водосброса (статический)

α – коэффициент Кориолиса

v₀ – подходная скорость

где Q_max – максимальный расход, м³/с

S_{поп.сеч} – площадь поперечного сечения водохранилища перед плотиной

А – длина плотины, определяемая по графику формы русла реки(см. Примечание 8)

Выведем формулу для нахождения ширины отверстия в:

Ширина, которую мы нашли в первом приближении приблизительно равна ширине при уточненном расчете.

Таким образом принимаем ширину равной 10м.

7.Расчет оснований под гидроагрегат.

7.1 Выбор турбины

Выбор турбины осуществляется по расходу и напору, полученным в ходе расчетов.

7.2 Расчет горизонтальной и вертикальной динамической нагрузки

Н

где G_i – вес ротора генератора

μ – коэффициент пропорциональности, который определяется по таблице в зависимости от частоты вращения электрической машины

S– число роторов

7.3 Расчет нормальной нагрузки на фундамент к моменту короткого замыкания

Дж

где N– номинальная мощность агрегата

n_r– частота вращения электрической машины

к_sc– коэффициент кратности вращающего момента в момент короткого замыкания, если его нет, то принимаем равным 10.

Гидротехнические расчеты по водохранилищу Приложение 3