Проектирование ТЭЦ-400 Аннотация Тема дипломного проекта – Электрическая часть ТЭЦ-400 мВт. На станции установлено три генератора, мощностью по 100 мВт, типа ТВФ-120-У3. Топливо проектируемой электростанции газ. На основании НТП, на станции произведен выбор схемы выдачи электроэнергии и ее технико-экономическое обоснование. Был произведен выбор трансформаторов связи 2ЧТРДН-100000/110/10–10 и блочных трансформаторов ТДЦ-125000/220/10. На станции произведен выбор и обоснование упрощенных схем РУ различных напряжений, на ОРУ 220 кВ-схема с двумя рабочими системами шин. На станции выбрана схема снабжения собственных нужд и выбраны трансформаторы собственных нужд типа ТМНС-6300/10/6,3, также были выбраны пускорезервные трансформаторы собственных нужд типа ТМНС-6300/10/6,3. На станции был произведен расчет токов короткого замыкания, на основании которого, выбраны электрические аппараты на: ОРУ 220 кВ в цепи трансформатора связи: Выключатели: ВГП-220. Разъединители: РГ-220/1000 УХЛ1. Трансформаторы тока: ТГФ-220. Трансформаторы напряжения: НКФ-220–58У1. ОРУ 220 кВ в цепи линии: Выключатели: ВГП-220. Разъединители: РГ-220/1000 УХЛ1. Трансформаторы тока: ТГФ-220. Трансформаторы напряжения: НКФ-220–58У1. И токоведущие части на: ОРУ 220 кВ в цепи трансформатора связи: Провода типа в пределах ОРУ: АС-400/51. Провода типа за пределами ОРУ: АС-400/51. ОРУ 220 кВ в цепи линии: Провода типа в пределах ОРУ: АС-400/51. Провода типа за пределами ОРУ: АС-400/51. Также выбраны опорные изоляторы типа С20–450IIУХЛ. Был выбран способ синхронизации, методом точной синхронизации. Был произведен расчет релейной защиты, выбраны трансформаторы тока и напряжения, и реле. Произведено описание конструкции распределительного устройства ОРУ 220 кВ. На станции произведен расчет заземляющего устройства, на основании которого было выбрано заземляющее устройство типа сетки, по контуру забиты электроды длинной 5 метров и в рабочих местах произведена подсыпка щебня. 1. Выбор генераторов Для выработки электроэнергии на электростанциях устанавливаются синхронные генераторы переменного тока. Выбор генераторов производится по его мощности. Таблица 1 [10] с. 610 Тип турбогенератора Рном МВт Sном МВА Cos град. Uном кВ. nном. об/мин. К.П.Д. % Х» d Iном кА. Система возб. Охлаждение Об. Ст. Об. Рот. Стали Ст. ТВФ-120-У3 100 125 0,8 10,5 3000 98,4 0,192 6,475 ВЧ КВр НВр Вр Охлаждение обмоток статора КВ р – косвенное водородное охлаждение Охлаждение обмоток ротора НВр – непосредственное водородное охлаждение Охлаждение стали статора Вр – водородное охлаждение В генераторах серии ТВФ применяется высокочастотное возбуждение. Возбудитель 3-ех фазный, высокочастотный генератор индукционного типа, который находится на валу вместе с генератором. Трех фазная обмотка переменного тока и три обмотки возбудителя заложены в пазах статора, т.е. неподвижны. Ротор набран из листов электротехнической стали, и представляет собой зубчатое колесо с десятью зубцами. Переменная Э.Д.С. наводится в трехфазной обмотке от пульсации величины магнитной индукции в пазах статора. LGE1 включается последовательно с LG и обеспечивает основное возбуждение возбудителя. LGE2 и LGE3 питаются от высокочастотного возбудителя GEA через выпрямители. Подвозбудитель – высокочастотная машина с постоянными магнитами. Регулирование тока в LGE2 и LGE3 осуществляется с помощью А.В.Р и У.Б.Ф. Основное достоинство этого способа состоит в том, что возбуждение синхронного генератора не зависит от режима электрической сети и поэтому является более надежным. электростанция синхронизация распределительный заземляющий 2. Выбор и обоснование двух вариантов схем проектируемой электростанции Вариант 1 На станции установлены 4 генератора типа ТФ-100–2 мощностью по 100 МВт. Генератор G3 и G4 соединены в блок с повышающими трансформаторами Т3 и Т4, подключенным к шинам высокого напряжения. Генераторы G1 и G2 подключены к шинам ГРУ 10 кВ. Нагрузка получает питание с шин ГРУ. Связь с системой осуществляется по воздушным линиям 220 кВ. Вариант 2 В отличии от первого варианта станция построена по блочному принципу, нагрузка получает питании отпайкой от блоков G1, G2, G3, G4. 3. Выбор силовых трансформаторов Вариант 1 3.1 Выбор блочных трансформаторов Мощность блочных трансформаторов определяется по мощности генератора за вычетом мощности собственных нужд. (1) где: PG и QG – активная и реактивная мощность генератора Pс.н. и Q с.н. – активная и реактивная мощность собственных нужд Sс.н. = ·PG ·Кс , МВА (2) где: n% – расход электроэнергии на собственные нужды PG – активная мощность генератора Кс – коэффициент спроса По формуле (2) Sс.н. = ·100·0,8= 5,6 МВА tg G = 0,75 tg с.н. =0,75 QG = PG · tg G =100·0,75=75 Мвар Pс.н. = =5,6·0,8=4,48 МВт Q с.н. = Pс.н. · tg с.н =4,48·0,75=3,36 Мвар По формуле (1) К установке принимаем трансформатор типа: ТДЦ – 125/110/10 3.2 Выбор трансформаторов связи Выбор трансформаторов связи производится по наибольшему перетоку мощности между распределительными устройствами 220 кВ и 10 кВ в трёх режимах работы. 3.2.1 Режим максимальной нагрузки МВА (3) Где: – активная и реактивная мощность генератора. – активная и реактивная мощность нагрузки в максимальном режиме. – активная и реактивная мощность собственных нужд. – число блоков подключенных к ГРУ. где: – максимальная мощность ВЛ. – минимальная мощность ВЛ. – число ВЛ. – активная максимальная мощность всех ВЛ. – активная минимальная мощность всех ВЛ. где: – реактивная минимальная мощность всех ВЛ. – реактивная максимальная мощность всех ВЛ. По формуле (3) 3.2.2 Режим минимальной нагрузки МВА (4) По формуле (4) 3.2.3 Аварийный режим один блок отключен МВА ( 5) По формуле (5) ( 6) где: – наибольшая мощность из трех режимов. – коэффициент учитывающий допустимую аварийную перегрузку на 40%. К установке принимаем трансформаторы типа: ТРДЦН – 160000/220/10–10 Вариант 2 3.3 Выбор блочных трансформаторов Мощность блочного трансформатора определяется по мощности генератора за вычетом мощности собственных нужд. По формуле (1) К установке принимаем трансформатор типа: ТДЦ – 125/220/10,5 3.4 Выбор трансформаторов Т1, Т2 ( 7) К установке принимаем трансформатор типа: ТРДЦН – 100000/220/10–10 Таблица 2 [7] c. 618–620 Тип трансформатора Номинальное напряжение, кВ Потери, кВт Напряжение к.з. % Ток х.х. % ВН НН х.х. к.з. ТДЦ-125000/220/10 230 10,5 200 580 11 0,45 ТРДЦН-100000/220/10–10 230 11–11 167 525 12 0,6 ТРДЦН-160000/220/10–10 230 11–11 165 320 11 0,6 4. Технико-экономическое сравнение вариантов схем проектируемой электростанции Экономическая целесообразность схемы определяется минимальными приведёнными затратами. тыс. руб./год (8) Где: К – капиталовложения на сооружение электроустановки, тыс. руб.; Рн – нормативный коэффициент экономической эффективности, равный 0,12; И – годовые эксплуатационные издержки, тыс. руб./год; У – ущерб от недоотпуска электроэнергии, тыс. руб./год. Капиталовложения К при выборе оптимальных схем выдачи электроэнергии и выборе трансформаторов определяют по укрупнённым показателям стоимости элементов схем тыс. руб./год (9) где: РА = 6,4% и РО = 3% – отчисления на амортизацию и обслуживание; W – потери электроэнергии в трансформаторе, кВт.ч; – Стоимость 1кВт/ч потерь электроэнергии ( =3 руб./кВт*ч) КИ = 80 коэффициент инфляции. Вариант 1 4.1 Расчёт потерь электроэнергии в двухобмоточных трансформаторе Т3, Т4 (10) где: Рх – потери мощности холостого хода, кВт·ч; Рк – потери короткого замыкания, кВт·ч; Smax – расчётная (максимальная) мощность трансформатора, МВА; Т – продолжительность работы трансформатора, ч (обычно 8760); ф – продолжительность максимальных потерь. , ч (11) По формуле (11) По формуле (10) 4.2 Расчёт потерь электроэнергии в трансформаторах связи Т1, Т2 По формуле (11) По формуле (10) 4.3 Определяем общие потери для первого варианта Вариант 2 4.4 Расчёт потерь в трансформаторах Т1, Т2 По формуле (10) 4.5 Потерь электроэнергии в двухобмоточных трансформаторе Т3, Т4 определяются также как в первом варианте Таблица 3. Таблица технико-экономического сравнения двух вариантов схем проектируемой электростанции Оборудование Стоимость единицы, тыс. руб. Варианты Первый Второй Кол-во едениц, шт. Общая стоимость, тыс. руб. Кол-во едениц, шт. Общая стоимость, тыс. руб. ТДЦ-125000/220/10 243·80 2 38880 2 38880 ТРДЦН-160000/220/10 345·80 2 55200 - - ТРДЦН-100000/220/10 251·80 - - 2 40160 Секционный выключатель с реактором МГ-10 21·80 1 1680 - - Ячейка генераторного выключателя МГ-20 15·80 6 7200 4 4800 Итог: 102960 83840 Отчисления на амортизацию и обслуживание ·К, тыс. руб./год ·102960=8648,64 ·83840=7042,56 Стоимость потерь электроэнергии W·10-3 ,тыс. руб./год 3·9,8·106 ·10-3 =29400 3·9,6·106 ·10-3 =28800 Годовые эксплуатационные издержки И= ·К+ W·10-5 , тыс. руб./год 8648,64+29400=38048,64 7042,56+28800=35842,56 Минимальные приведённые затраты З=Рн ·К+И, тыс. руб./год 0,12·102960+38048,64=50403,84 0,12·83840+35842,56=45903,36 На основании технико-экономического сравнения двух вариантов проектируемой станции второй вариант более экономичен, в дальнейшем принимаем его в расчётах 5. Выбор и обоснование упрощённых схем распределительных условий всех напряжений 5.1 Выбор числа воздушных линий на ОРУ 220 кВ (связь с системой) (12) По формуле (10) (13) где: Р1w мощность одной линии (для линии 220 кВ равна 100 МВт) По формуле (11) К установке принимаем четыре воздушные линии – связь с системой. 5.2 Выбор схемы ОРУ 220 кВ На основании НТП электростанций на ОРУ 220 кВ с числом присоединений 8 принимаем схему с двумя рабочими и одной обходной системами сборных шин, но так как на ОРУ применяются элегазовые выключатели, срок службы которых 25 лет и они не ремонтируются, а заменяются, то применяем схему с двумя рабочими системами сборных шин. Достоинства: 1) Ремонт любой системы шин без перерыва электроснабжения. 2) При коротком замыкании на любой системе шин все присоединения могут быть переведены на другую систему шин. Недостатки: 1) Отказ в работе шиносоединительного выключателя равносильно короткому замыканию на обеих системах шин. 2) Большое количество операций с разъединителями под напряжением. 5.3 Выбор схемы блока Достоинства: Генераторный выключатель служит для включения и отключения генератора, при этом не затрагивается схема на стороне ВН, т.е. если генератор выведен в ремонт, то нагрузка все равно продолжает получать питание с шин высокого напряжения. 6. Выбор схемы собственных нужд и трансформаторов собственных нужд 6.1 Выбор схемы собственных нужд Все механизмы и приспособления, которые обеспечивают нормальную работу станции, входят в систему собственных нужд. Данная станция сооружена по блочному принципу. Рабочие ТСН присоединяются отпайкой от энергоблоков. Распределительное устройство собственных нужд выполняется с одной секционированной системой шин. В данной схеме принимается одна секция с.н., т.к. мощность энергоблока меньше 160 МВт. Резервное питание секции с.н. осуществляется от резервных магистралей, которые связаны с пускорезервными ТСН. Для увеличения гибкости и надежности резервные магистрали секционируют через каждые 2–3 блока. На данной станции установлены генераторные выключатели поэтому число ПРТСН принимаем равное 2: – один присоединяется к источнику питания; – один не подключен, но готов к работе. ПРТСН присоединяются к сборным шинам, которые имеют связь с энергосистемой. 6.2 Выбор трансформаторов собственных нужд. (14) Где: n% – расход электроэнергии на с.н., зависит от типа станции, мощности станции и вида топлива; РG – мощность генератора; Кс– коэффициент спроса. К установке принимаем трансформаторы типа: ТМНС-6300/10/6,3. 6.2 Выбор ПРТСН (15) Т.к. в данной схеме присутствуют генераторные выключатели. К установке принимаем ПРТСН типа ТМНС-6300/10/6,3. Таблица 4 [7] c. 618–620 Тип трансформатора Номинальное напряжение, кВ Потери, кВт Напряжение к.з. Ток х.х. % ВН НН х.х. к.з. ТМНС-6300/10/6,3 10,5 6,3 12 60 8 0,75 7. Расчёт токов короткого замыкания Расчёт токов короткого замыкания необходим для правильного выбора оборудования и токоведущих частей. 7.1 Схема связи проектируемой электростанции с электрической системой и данные, необходимые для расчета токов короткого замыкания 7.2 Схема замещения 7.3 Определяем сопротивление элементов в относительных единицах Sб=1000МВА Система: Трансформаторы Т1, Т2: Трансформаторы Т3, Т4: Генераторы: Трансформаторы собственных нужд: 7.4 Преобразование схемы в точку k-1 Таблица 5 Источники/формулы G1, G2, C G3, G4 1,3 0,13 1,19 1 1 1,08 1,95 1,78 1,95 0,26 0,03 0,26 0,2 0,2 0,2 0,87 0,77 0,87 7.4 Преобразование схемы в точку k-2 Таблица 6 Источники/формулы СН C, G3, G4, G1, G2 ∑ - 18,37 - - 1 - 7,69 - 1,65 1,965 0,04 0,26 20,12 0,2 0,2 2,418 - 4,99 5,008 3,045 7.6 Расчёт тока однофазного короткого замыкания 7.6.1 Схема замещения прямой последовательности, аналогична схеме трехфазного короткого замыкания в точке k-1 7.6.2 Схема замещения обратной последовательности аналогична схеме замещения прямой последовательности 7.6.3 Схема замещения нулевой последовательности (14) По формуле (14) кА 8. Выбор электрических аппаратов и токоведущих частей для заданных цепей 8.1 Расчётные условия для выбора электрических аппаратов и токоведущих частей по режиму короткого замыкания и продолжительному режиму Таблица 7 [7] c. 206 Расчётные условия Цепь трансформатора Цепьлинии 220 220 328 130 492 173,3 23,38 23,38 59,67 59,67 18,41 18,41 2,75 2,75 404,5 404,5 Цепь трансформатора Цепь линии 8.2 Выбор выключателей и разъединителей в цепи трансформатора Таблица 8 [7] c. 627 Условия выбора Расчётные условия Каталожные данные Выключатель ВГП-220 разъединитель РГ-220/1000 УХЛ1 ≤ 220 220 220 , А 328 2000 1000 , А 492 2000 1000 , кА 18,41 40 - , кА 59,85 25,38 31,5 , кА 3,95 102 80 , кА 23,38 102 - Вк ≤ I2 тер ·t тер, кА2 ·с 404,5 40І∙3=4800 31,5І∙3=2976,8 Привод пружинный Ручной ПРГ-69ХЛ1 8.3 Выбор трансформатора тока в цепи трансформатора Таблица 9 [7] c. 632 Условия выбора Расчётные данные Каталожные ТГФ-220 220 220 328 300 492 300 По конструкции и классу точности 0,2S-0.2S 0,2S-2/5Р/10Р 23,38 125 59,67 - Вк ≤ I2 тер ·t тер, кА2 ·с 404,5 7500 Z2 расч ≤ Z2 ном Ом 0,245 1,2 Таблица 10 [7] c. 635 Прибор Тип Нагрузка на фазу, ВА А В С Амперметр Э-335 0,5 Итого: 0,5 так как количество приборов меньше трех Принимаем кабель с алюминиевой жилой КВВГ-4 Схема подключения приборов: 8.4 Выбор трансформаторов напряжения в цепи трансформатора связи Таблица 11 [7] с. 378 Расчётные условия Каталожные данные НКФ-220–58У1 Uуст ≤ Uном , кВ 220 220 S2 расч ≤ S2 ном , ВА 111,45 400 По конструкции и классу точности 0,5 0,5 Определяем вторичную нагрузку трансформатора напряжения. Таблица 12 [7] c. 378 Прибор Тип S одной обмотки, ВА Число обмоток cosц sinц Число приборов Общая потребляемая мощность Р, Вт Q, вар Вольтметр Э-335 2 1 1 0 2 4 0 Ваттметр Д-335 1,5 2 1 0 4 12 0 Варметр Д-335 1,5 2 1 0 4 12 0 Счетчик активной энергии И-680 2Вт 2 0,38 0,925 8 32 77,6 Колонка синхронизации Вольтметр Э-335 2 1 1 0 2 4 0 Синхроскоп Э-327 10 1 1 0 1 10 0 Частотомер Э-372 3 1 1 0 2 6 0 Итого: 80 77,6 8.5 Выбор ошиновки в цепи трансформатора связи, в пределах ОРУ 8.5.1 Ошиновка в пределах ОРУ выбирается по нагреву Условие выбора: Принимаем провод марки: АС-240/32 Условие выполняется 8.5.2 Проверка сечения на термическое действие токов 8.5.3 Проверка по условия короны D=3,5 м Условие не выполняется принимаем провод АС-400/51 Условие выполняется 8.6 Выбор ошиновки в цепи трансформатора, связи за пределами ОРУ 8.6.1 Ошиновка за пределами ОРУ выбирается по экономической плотности тока Условия выбора: Принимаем провод марки: АС-400/22 Условие выполняется 8.6.2 Проверка сечения на термическое действие токов Условие выполняется 8.6.3 Проверка по условия короны D=3,5 м Условие не выполняется - принимаем провод АС-500/27 8.7 Выбор опорных изоляторов, в цепи трансформатора связи Принимаем изолятор типа С20–450IIУХЛ Условие выполняется 8.8 Выбор выключателей и разъединителей в цепи линии Таблица 13 [7] c. 627 Условия выбора Расчётные условия Каталожные данные Выключатель ВГП-220 разъединитель РГ-220/1000 УХЛ1 Uуст ≤ Uном 220 220 220 Iнорм ≤ Iном, А 328 2000 1000 Imax ≤ Iном , А 492 2000 1000 Iп,ф ≤ Iотк , кА 18,41 40 - ia,ф ≤ iа ном , кА 59,85 25,38 31,5 iу ≤ iдин , кА 3,95 102 80 Iп,0 ≤ Iдин , кА 23,38 102 - Вк ≤ I2 тер ·t тер, кА2 ·с 404,5 40І∙3=4800 31,5І∙3=2976,8 Привод пружинный Ручной ПРГ-69ХЛ1 8.9 Выбор трансформатора тока в цепи линии Таблица 14 [7] c. 632 Условия выбора Расчётные данные Каталожные ТГФ-220 220 220 328 300 492 300 По конструкции и классу точности 0,2S-0.2S 0,2S-2/5Р/10Р 23,38 125 59,67 - Вк ≤ I2 тер ·t тер, кА2 ·с 404,5 7500 Z2 расч ≤ Z2 ном Ом 0,515 1,2 Таблица 15 [7] c. 635 Прибор Тип Нагрузка на фазу, ВА А В С Амперметр Э-335 0,5 Ваттметр Д-335 0,5 0,5 Варметр Д-304 0,5 0,5 Счетчик активной энергии СА3-И674 2,5 2,5 Счетчик активной энергиии СА3-И674 2,5 2,5 Итого: 6 0,5 6 так как количество приборов больше трех Принимаем кабель с алюминиевой жилой КВВГ-4 Схема подключения приборов: 8.10 Выбор трансформаторов напряжения в цепи линии Таблица 16 [7] с. 378 Расчётные условия Каталожные данные НКФ-220–58У1 Uуст ≤ Uном , кВ 220 220 S2 расч ≤ S2 ном , ВА 117,37 400 По конструкции и классу точности 0,5 0,5 Определяем вторичную нагрузку трансформатора напряжения. Таблица 17 [7] c. 378 Прибор Тип S одной обмотки, ВА Число обмоток cosц sinц Число приборов Общая потребляемая мощность Р, Вт Q, вар Вольтметр Э-335 2 1 1 0 2 4 0 Ваттметр Д-335 1,5 2 1 0 4 12 0 Варметр Д-335 1,5 2 1 0 4 12 0 Счетчик активной энергии И-680 2Вт 2 0,38 0,925 8 32 77,6 Фиксирующий прибор 1 Счетчик реактивной энергии И-673 3Вт 2 0,38 0,925 1 6 2,28 Колонка синхронизации Вольтметр Э-335 2 1 1 0 2 4 0 Синхроскоп Э-327 10 1 1 0 1 10 0 Частотомер Э-372 3 1 1 0 2 6 0 Итого: 86 79,88 Схема подключения приборов: 8.5 Выбор ошиновки в цепи линии, в пределах ОРУ 8.5.1 Ошиновка в пределах ОРУ выбирается по нагреву Условие выбора: Принимаем провод марки: АС-240/32 Условие выполняется 8.5.2 Проверка сечения на термическое действие токов 8.5.3 Проверка по условия короны D=3,5 м Условие не выполняется принимаем провод АС-400/51 Условие выполняется 8.6 Выбор ошиновки в цепи линии за пределами ОРУ 8.6.1 Ошиновка за пределами ОРУ выбирается по экономической плотности тока Условия выбора: Принимаем провод марки: АС-150/34 Условие выполняется 8.6.2 Проверка сечения на термическое действие токов Условие не выполняется принимаем провод марки: АС-240/32 8.6.3 Проверка по условия короны D=3,5 м Условие не выполняется принимаем провод АС-400/51 Условие выполняется 8.7 Выбор опорных изоляторов, в цепи трансформатора связи Принимаем изолятор типа С20–450IIУХЛ . 9. Выбор способа синхронизации Синхронные генераторы включаются на параллельную работу способом точной синхронизации. При этом, необходимо, чтобы в момент его включения были выполнены следующие условия: – равенство действующих значений напряжений подключаемого генератора и сети. – равенство частот напряжения генератора и сети. – совпадение фаз одноименных напряжений генератора и сети. Не соблюдение хотя бы одного из указанных условий при точной синхронизации приводит к большим толчкам тока, опасным не только для подключаемого генератора, но и для устойчивой работы энергосистемы. а – векторная диаграмма при б – векторная диаграмма при При нарушении сформулированных выше условий точной синхронизации возможны три случая: 1 – векторы фазных напряжений генератора и энергосистемы не равны по значению, но совпадают по фазе и изменяются во времени с одинаковой частотой: fr =fc 2 –векторы фазных напряжений разошлись по фазе на некоторый угол : fr =fc 3-генератор вращается с разными угловыми скоростями: fr fc В двух первых случаях в момент включения генератора появляется разность напряжений , которая обусловит протекание уравнительного тока. Уравнительный ток возникает и в третьем случае сразу же в момент включения генератора (если ) или спустя время, когда векторы напряжения разойдутся на некоторый угол: Где: и X"d – значения э.д.с. и сопротивления генератора в момент включения, Хс – сопротивление энергосистемы, которое обычно невелико и может не учитываться в расчете. Ток имеет индуктивный характер по отношению к , так как активные сопротивления генератора и энергосистемы незначительны. В первом из рассматриваемых случаев уравнительный ток сохраняет реактивный характер по отношению к вследствие чего он не вызывает механические перегрузки на валу генератора. Разность напряжений при включении генератора в сеть допускают равной 5–10%номинального напряжения, вследствие чего опасных перегрузок генератора по току не возникает. Во втором случае рисунок (б) уравнительный ток по отношению к имеет значительную активную составляющую. Вектор опережает вектор , поэтому активная составляющая уравнительного тока создает вращающий момент, направленный на торможение ротора генератора. Если бы вектор напряжения отставал от вектора