Les Turbines Hydrauliques : Réhabilitation ..Exploitation

Les Turbines Hydrauliques : Réhabilitation ..Exploitation.. Maintenance..Essais..Analyse d’événements.

Dans le cadre du cours de Turbomachines MEC8250

Pierre Gauvin ing. M.Sc.A.

30 novembre et 2 décembre 2020

En mémoire de mon dévoué collègue

Mario Deschênes

Le devis de la turbine : exemple d'une réhabilitation

Le devis de la turbine : exemple d'une réhabilitation

L'état des composantes: Détérioration et Bris

Les essais sur modèle et les essais de réception mécanique.

La maintenance et la sécurité du personnel et des équipements dans les centrales hydro-électriques

Le devis de la turbine : exemple d'une réhabilitation

L'état des composantes: Détérioration et Bris

Les essais sur modèle et les essais de réception mécanique.

La maintenance et la sécurité du personnel et des équipements dans les centrales hydro-électriques

Le rôle croissant de l'analyse numérique des fluides dans l'analyse d'événements (CFD)

Le devis de la turbine.

Un aperçu du site de production ou aménagement hydraulique.

Aménagement de haute chute avec 12 groupes12 conduites individuelles

1 vanne de prise d'eau par groupe

Aménagement de haute chute avec 16 groupes16 conduites individuelles

1 vanne de prise d'eau par groupe

Aménagement de haute chute avec 3 groupes

Z amZont

Dconduite commune

Prise d’eauCcheminée d’équilibre

Conduite commune

Conduite individuelles

Vanne de garde + groupes T-A

Aménagement de Basse chute, 1 ou plusieurs VPE par groupe , bâche fronto-spirale, roue Hélice, Kaplan ou

Francis1cm

3 ,8 c

m

Z amZont

Z aval

Aménagement de chute moyenne avec1 conduite forcée. 1 VPE (vanne de prise d'eau) par groupe , bâche

spirale, roue Francis

1,2c

m

1cm

Élément de bâche spirale

Vanne de garde sphérique (analyse du corps par FEA)

Vanne de garde de type papillon

Vanne de garde de type fourreau

Vannes de prise d’eau

Le devis de la turbine: exemple de réhabilitation

Le site de production:

Variables à considérer en réhabilitation :

L'historique des niveaux :

Niveaux amont : Z amont f (t)

Niveaux aval. Z aval f(t)

Débit Q (f(t)

Questions : Définition de la chute brute H ?

Le devis de la turbine: exemple de réhabilitation

Le site de production:

Variables à considérer en réhabilitation :

L'historique des niveaux :

Niveaux amont : Z amont f (t)

Niveaux aval. Z aval f(t)

Débit Q (f(t)

Question : Définition de la chute brute H ?

Le devis de la turbine: exemple de réhabilitation

Le site de production:

Variables à considérer en réhabilitation :

L'historique des niveaux :

Niveaux amont : Z amont f (t)

Niveaux aval. Z aval f(t)

Débit Q (f(t)

Réponse : H = Z amont – Z aval

Le devis de la turbine: exemple de réhabilitation

Le site de production:

Variables à considérer en réhabilitation :

L'historique des niveaux :

Niveaux amont : Z amont f (t)

Niveaux aval. Z aval f(t)

Débit Q (f(t)

Évaluer rapidement la puissance P maximale en W qui peut être obtenue d'un aménagement hydraulique

. P = η g ρ Q (t) H (t)

Unités : W = kg m2/s3

Le devis de la turbine: exemple de réhabilitation

Le site de production:

Variables à considérer en réhabilitation :

L'historique des niveaux :

Niveaux amont : Z amont (m) , f (t)

Niveaux aval. Z aval (m) f(t)

Débit Q (m3/s) f(t)

En août, on canalise environ 5000 m3/s dans un aménagement de 25 m de chute. Le rendement général de l'exploitation est de 80 % (pertes de charge, rendement hydraulique et électrique)

À quelle puissance P (en MW) peut-on s'attendre ?

Le devis de la turbine: exemple de réhabilitation

En août, on canalise environ 5000 m3/s dans un aménagement de 25 m de chute. Le rendement général de l'exploitation est de 80 % (pertes de charge, rendement hydraulique et électrique)

À quelle puissance P (en MW) peut-on s'attendre ?

P (W) = 1 225 000 000

P = 1 225 MW

Le devis de la turbine: exemple de réhabilitation

Autres facteurs à considérer :

Mode d'exploitation: Pointe ? Fil de l'eau ?

Présence d'un réservoir en amont ou fil de l'eau ?

La stratégie hydraulique :

Augmentation de rendement?

De puissance ?

Pérennité des groupes turbine-alternateur?

Le devis de la turbine: exemple de réhabilitation

Les contraintes souvent rencontrées dans le choix d'une turbine.

Vitesse de rotation (alternateur)

Formule de N vs nombre de pôles de l'alternateur (si conservé)

N (RPM) = 120* Fréquence du réseau (Hz) / Nombre de pôles

Pôles du rotor

Le devis de la turbine: exemple de réhabilitation

Les contraintes souvent rencontrées dans le choix d'une turbine.

Le diamètre maximal de la roue (ouvrage de béton)

Le devis de la turbine exemple d'une réhabilitation :Augmentation de puissance: Diamètre de gorge de la roue

D

Le devis de la turbine: exemple de réhabilitation

Les contraintes souvent rencontrées dans l'élaboration du devis :

Le Calage de la roue (ouvrages civils existant)

Z aval – Z roue

Débit maximal dans une turbine limité par :

Risques de cavitation,

Surpression en délestage

Efforts sur le mécanisme de vannage

Coupure de débit par la Vanne de prise d'eau ou la vanne de garde

Le devis de la turbine exemple d'une réhabilitation :Francis, Hélice ou Kaplan ? Pelton ? Rendement hydraulique

Calcul de la vitesse spécifique Ns (N Q0,5 H-0,75),

Abaque du domaine d'application des types de roue,

Le devis de la turbine exemple d'une réhabilitation :Courbe de rendement typique

.

Le devis de la turbine exemple d'une réhabilitation :Francis, Hélice ou Kaplan ? Pelton ? Rendement hydraulique

Prédiction de la courbe de rendement :

Calcul de la vitesse spécifique Ns (N Q0,5 H-0,75)

Rendement hydraulique: P hydraulique/Q H nette

Corrélation Gordon de rendement sommet vs Ns des Francis

Le devis de la turbine exemple d'une réhabilitation :Francis, Hélice ou Kaplan ? Pelton ? Rendement hydraulique

Prédiction de la courbe de rendement :

Année d'implantation pour Francis

Le devis de la turbine exemple d'une réhabilitation :

Le devis de la turbine exemple d'une réhabilitationDifférence de rendement entre optimal et nominal : d épend du

mode d'exploitation (réservoir , pointe ou fil de l 'eau, puissance ou rendement, de 2 à 8 %)

.

Le devis de la turbine exemple d'une réhabilitation :Augmentation de puissance: les options

L'augmentation de course de servomoteurs : une option qui a des limites.

Servomoteur de vannage

Le devis de la turbine exemple d'une réhabilitation :Augmentation de puissance: contrainte de cavitation

Débit et Puissance maximaux liés du au risque de Cavitation

Nombre de Thoma calculé dans le bas de la roue

ơzb : (Patm +(Zaval- Zroue) – pvapeur))/ H n

Patm = 10,32 m

Pvapeur = 0,17 m

Cavitation au bord de fuite suivie de corrosion

Énorme trou causé par la cavitation. Roue Francis en acier au carbone

Le devis de la turbine exemple d'une réhabilitation :Le nombre de Thoma : essai de dérive de sigma

ơzb : (Patm +(Zaval- Zroue) – pvapeur))/ H n

Le devis de la turbine exemple d'une réhabilitation :Augmentation de puissance: contrainte de cavitation

Débit et Puissance maximaux liés du au risque de cavitation

Paramètre débit adimensionnalisé Q11

Q11 = Q/(D2 Hn1/2)

Paramètre ơ zb /(Q11)2 : 0,125 (pour les roues modernes) “

Débit Nominal

Niveau aval (m) 1 groupe sigmazb/q112

50 436,67 0,221

65 436,814 0,133

72,5 436,886 0,107

Cavitation au niveau du joint labyrinthe Roue Francis en acier au carbone

Cavitation au manteau de la roue hélice.Réparation par acier inox de la pale en acier

au carbone

Le devis de la turbine : exemple d'une réhabilitation

L'état des composantes: Détérioration et Bris

Les turbines hydrauliques :réhabilitation exploitation.maintenance.

L'état des composantes

Roue (Fissures, Cavitation Corrosion )

Tenir compte de l'état des composantes

Inspection d'une Héiice (Fissures, Cavitation, Corrosion)

Tenir compte de l'état des composantes :Détériorati on et bris

Inpection d'une roue Francis (Fissures, Cavitation, Corrosion)

Tenir compte de l'état des composantes

Corrosion de la roue

Tenir compte de l'état des composantes :Détériorati on et bris

Roue (Fissures, Cavitation, Corrosion)

Tenir compte de l'état des composantes :Détériorati on et bris

Tenir compte de l'état des composantes :Détériorati on et bris

L'état des composantes.

Roue (Fissures, Cavitation Corrosion )

Directrices (( État des points de touche , corrosion)

L'état des composantes

Directrices (( État des points de touche , corrosion)

L'état des composantes.

Directrices (État des points de touche , corrosion)

L'état des composantes.

Roue (Fissures, Cavitation Corrosion )

Directrices (( État des points de touche , corrosion)

Mécanisme de vannage: servomoteur, cercle , bielles, biellettes (fuites des tiges: alignement)

Fonds et pots (cavitation et usure des paliers de directrices aussi appelés pots)

L'état des composantes.

Mécanisme de vannage: servomoteur, cercle , bielles, biellettes (fuites des tiges: alignement)

Question : À l'aide d'un dispositif hydraulique (orifice dans le circuit de commande des servomoteurs) on allonge le temps de fermeture des directrices de 5 secondes à 12 secondes.Est-ce que la sur-vitesse (a) augmente?(b) diminue

Est-ce que le pic de pression (surpression) de la conduite forcée (a) augmente(b) diminue

Pour une roue Francis, est-ce qu'il existe une valeur limite de vitesse lorsque les directrices sont ouvertes et qu'il n' y a pas de charge?Comment s'appelle cette valeur?

L'état des composantes :Détérioration et bris

Roue (Fissures, Cavitation Corrosion )

Directrices (( État des points de touche , corrosion)

Mécanisme de vannage: servomoteur, cercle , bielles, biellettes (fuites des tiges: alignement)

Fonds et pots (cavitation et usure des paliers de directrices aussi appelés pots)

Arbre et Paliers guides et palier de butée)(détérioration du régule ), fuite de la cuve, fuite d'eau des refroidisseurs

Joints d'étanchétité (usure)

Régulateur de vitesse

Instrumentation et chaîne de mesure, de commande

Vanne de garde (état du joint d'étanchéité, capacité de couper le débit)

Aspirateur et cône d'aspiration (cavitation, effritement du béton coupe d'un aspirateur Moody

Bâche et conduites forcées

L'état des composantes :Détérioration et bris

Arbre, paliers guide, paliers de butée

L'état des composantes :Détérioration et bris

Instrumentation et chaîne de mesure, de commande

L'état des composantes :Détérioration et bris

Vanne de garde (état du joint d'étanchéi , vanne érodée)

Le devis de la turbine : exemple d'une réhabilitation

L'état des composantes: Détérioration et Bris

Les essais sur modèle et les essais de réception mécanique.

Les essais sur modèle et les essais de réception mécanique

Mise en contexte de l'essai contractuel sur modèle réduit :

Les livrables de l'essai sur modèle réduit :

Colline de rendement

Colline de rendement

Observations de cavitation sur modèle

Essai sur modèle : apparition des bulles de cavitation à la jonction intrados-moyeu

Colline de rendement

Limites de la zone d’opération

Chute proto (m)

Débit proto (m3/s)

Zone sans torche

Cavitation d’entrée des aubes côté pression

Cavitation d’entrée côté suction

Transposition au prototype

Chute (m)

Puissance (kw)Ouverture des directrices

Saturation

Les essais sur modèle et les essais de réception mécanique

Les livrables de l'essai sur modèle réduit :

Colline de rendement

prédiction des zones de torche et de cavitation

vitesse et débit d'emballement ( pour une roue Francis, typiquement 1,9 X synchrone)

Livrable de l'essai sur modèle :Vitesse et débit d’emballement vs ouverture (ici :vitesse synchrone

133,33 RPM)

Les essais sur modèle et les essais de réception mécanique

Livrables supplémentaires sur demande :

Efforts hydraulique sur les directrices ( et sur les pales dans le cas d'une Kaplan)

Conjugaison pales vs directrices pour une Kaplan

Pulsations de pression, effet de l'aération charge hydraulique