Projet de Fin d'ÉtudesConception d'un système hydraulique pour la délivrance

du nouveau débit réservé en aval du bassin inférieur et sa valorisation.

Bertrand Petitdemange

GM5 EI

Électricité de France Juin 2012

Mémoire de Projet de Fin d'Études

Date : 30/01/2012 - 15/06/2012

Tuteurs entreprise : C. Roland, E. Jonval

Tuteur école : G. Hermal

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TABLE DES MATIERES

Table des matières REMERCIEMENTS ..................................................................................................................................... 4

CONDENSÉ ................................................................................................................................................... 5

Français .................................................................................................................................................. 5 English .................................................................................................................................................... 5

PARTIE N°1. PRÉLIMINAIRE DE L'ÉTUDE ........................................................................................... 7

I. PRÉSENTATION DE L'AMÉNAGEMENT DE REVIN ST NICOLAS LES MAZURES ................................................................. 7 Contexte de construction ......................................................................................................................... 7 La STEP de Revin St Nicolas les Mazures .............................................................................................. 9 La sécurité chez EDF .............................................................................................................................. 9

II. ÉMERGENCE DU PROJET .................................................................................................................................. 11 Détection ............................................................................................................................................... 11 Expression du besoin ............................................................................................................................. 11 Problématique ....................................................................................................................................... 11

III. PLANIFICATION ET STRUCTURE DU PROJET ......................................................................................................... 13 Procédure de construction du projet ..................................................................................................... 13 Organisation temporel du projet ........................................................................................................... 13

PARTIE N°2. DONNÉES ET CONTRAINTES DU PROJET ................................................................. 15

I. ENVIRONNEMENT DE L'ÉTUDE ............................................................................................................................ 15 Fonctionnement général ........................................................................................................................ 15 Descriptif des aménagements ................................................................................................................ 17

II. LES CONTRAINTES DE L'ÉTUDE ......................................................................................................................... 23 Enjeu ..................................................................................................................................................... 23 Débit réservé ......................................................................................................................................... 23

III. ANALYSE DES DONNÉES HYDROLOGIQUES .......................................................................................................... 25 Estimation de la quantité d’eau à évacuer ............................................................................................ 25 Débit de la vanne brise charge .............................................................................................................. 25

PARTIE N°3. CONSTRUCTION DE L'AVANT PROJET ...................................................................... 27

I. AVANT PROJET SOMMAIRE .............................................................................................................................. 27 Recherche de solutions d'implantation .................................................................................................. 27 Comparaison des solutions ................................................................................................................... 29 Descriptif de la solution G .................................................................................................................... 29

II. AVANT PROJET DÉTAILLÉ ............................................................................................................................... 33 Bipass sur la vanne brise charge ........................................................................................................... 33 Mise en conduite du débit réservé ......................................................................................................... 35 Écoulement dans le brise charge ........................................................................................................... 37 Contraintes exercées sur la conduite .................................................................................................... 37 Étude des pertes de charges dans la conduite du débit réservé ............................................................ 41 Installation d’un groupe de turbinage ................................................................................................... 45 Étude du groupe de turbinage Banki ..................................................................................................... 47

INTÉRÊT AUTOUR DU STAGE .............................................................................................................. 48

Social ..................................................................................................................................................... 48 Apprentissage ........................................................................................................................................ 48

CONCLUSION ............................................................................................................................................ 49

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REMERCIEMENTS

Je tiens à remercier Mr Amalric, directeur du Groupe d'Exploitation Hydraulique de Revin pour m'avoir permis d'effectuer mon stage.

Merci à mes tuteurs de stage,• Christophe Roland, responsable du Pôle Performance Production, avec qui j'ai beaucoup

échangé pour permettre à mon projet d'aboutir• Eric Jonval, ingénieur mécanique, qui m'a suivi de manière très régulière dans la

progression de mon stage• Mr Hermal, professeur à l'INSA de Strasbourg, qui m'a apporté ses conseils et son soutien

Je tiens également à remercier tout le pôle performance production et l'exploitation pour l'accueil à la STEP. Je n'oublie pas les différentes personnes extérieures m'ayant aidées pour faire avancer mon projet. Je pense particulièrement au CIH par lequel j'ai pu obtenir des informations indispensables.

Pour finir merci à François Lesecq de m'avoir mis en contact avec Christophe Roland et de m'avoir fortement soutenu pendant mon stage.

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CONDENSÉ

Français

Dans la pointe nord des Ardennes se situe la station de transfert d'énergie par pompage de Revin. Composée d'un bassin supérieur, d'une usine souterraine et d'un bassin inférieur, la centrale hydroélectrique monte et descend de l'eau tous les jours afin de répondre aux besoins du réseau.La construction du barrage pour le bassin inférieur a bloqué la vallée de la Faux. La loi oblige EDF

à restituer un débit minimum (débit réservé) au pied de ce barrage pour conserver la faune et la flore vivant grâce à ce ruisseau. Une loi récente impose un rehaussement de ce débit en 2014.Le sujet de l'étude est le suivant : Conception d'un système hydraulique pour la délivrance du

nouveau débit réservé en aval du bassin inférieur et sa valorisation.En suivant les procédures de construction d'un projet EDF, nous avons pu comparer différents

choix d'implantation et différentes solutions techniques répondant aux contraintes.L'étude a abouti sur un projet concret permettant de garantir la fiabilité de délivrance du débit

réservé sans réaliser de travaux dans le barrage et sans éléments mécaniques pouvant obstruer le circuit.La solution retenue utilise une conduite existante pour traverser le barrage sur la première partie

du parcours. La seconde partie est totalement nouvelle et indépendante permettant à la fois de by-passer une vanne de régulation et de transmettre la charge maximum à la turbine.Le groupe de turbinage situé au-dessus d'une étendue d'eau, valorise et régule le débit à l'extrémité

aval du circuit. Différentes technologies ont été étudiées pour répondre au mieux aux contraintes du système.

English

In the northern tip of Ardennes is an energy transfer station that pumps water from the Revin river. It is composed of an upper basin, an underground factory and a lower basin. Water goes up and down the hydroelectric plant every day to complete the needs of the network, and to generate electricity.

Construction of the dam to the lower basin has blocked the valley of the Faux. The law requires EDF to deliver a minimum flow (instream flow) at the foot of the dam to keep the wildlife alive through this river. A recent law imposes an enhancement of this rate in 2014.

The subject of the study is as follows: Design of a hydraulic system for the issuance of the new instream flow downstream of the lower basin and its enhancement.

Following the project EDF procedures, we compared different implementation choices and different technical solutions that met the constraints.

The study resulted in a concrete project to ensure reliable delivery of instream flow without performing work in the dam and without mechanical elements that can clog the pipe.

The chosen solution consists of two parts. First, an existing pipe was used to cross the dam and provide the required instream flow. The second part is completely new and independent allowing both to bypass the control valve and to transmit the maximum water flow to the turbine.

A group of turbines located above a small lake, promotes and regulates the flow at the downstream end of the circuit. Different technologies have been designed to best meet the system constraints.

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Revin

ArdennesPlan de situation des usines hydroélectriques avant la construction de la STEP (1950)

PARTIE N°1.PRÉLIMINAIRE DE L'ÉTUDE

I.Présentation de l'aménagement de Revin St Nicolas les Mazures

Situé au cœur de la forêt ardennaise, dans une vallée entre la Faux et la Meuse, l’aménagement hydroélectrique de Revin St Nicolas Les Mazures a été mis en service en 1976.

Contexte de construction

A l’origine, le lac artificiel des Vieilles Forges, construit en 1949, servait à alimenter par le biais de la Faux, deux centrales hydroélectriques : l’usine de St Nicolas et l’usine de Whitaker.En 1975, la centrale de Whitaker disparaît et laisse place au bassin de Whitaker d’une contenance

de 9 millions de m3 d’eau. A la même période est crée sur le plateau en amont, le bassin des Marquisades d’une capacité sensiblement égale. Ces deux bassins constituent l’approvisionnement d’eau de l’usine souterraine construite au cœur de la roche sous le niveau des bassins.Le lac des Vieilles Forges, concédé à EDF, est alors utilisé comme réserve d’eau, directement relié

au bassin de Whitaker via la Faux. Outre sa participation à la production d’électricité, il contribue accessoirement à d’autres usages : base nautique, lieu de pêche et de loisirs, organisation de lâchers d’eau pour la Fédération Française de Canoë Kayak, point d’écopage (remplissage) pour les canadairs en cas de besoin.

L'usine de Revin fut conçue en même temps que les premières centrales nucléaires, c'est à dire au début des années 1970 dans un contexte lié aux chocs pétroliers. En France, elle a été la première usine de ce type et reste au niveau national la troisième STEP en termes de puissance, derrière les usines de Grand-Maison, dans les Alpes (1690 MW) et Montézic, dans l'Aveyron (966 MW).

La petite usine de St Nicolas (1,2 MW) quant à elle sert aujourd’hui à turbiner l’excédent d’apport d’eau du bassin de Whitaker, conduit par une canalisation souterraine. Cette petite usine est située en bord de Meuse.

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Quelques chiffresMise en service : 1976 – Puissance totale : 800 MW disponibles en 2 mn

Usine souterraineCaverne principale : 115 m de longueur, 17 m de largeur, 16 m de hauteur4 groupes turbines-pompes de 200 MWRoues Francis : 4,33 m de diamètreDébit maximum en turbine : 4x 100 m3/sHauteur de chute moyenne : 232 m

Poste de transformation4 transformateurs de 200 MVA13 000 / 400 000 Volt

Bassin supérieur des marquisadesDigue : 4200 m de longueur, 9 à 18 m de hauteurVolume total : 8,5 millions de m3

Bassin inférieur de WhitakerBarrage : 300 m de longueur en crête, 35 m de hauteurVolume total : 9 millions de m3

Lac des Vieilles ForgesBarrage : 250 m de longueur en crête, 10 m de hauteurVolume total : 5 millions de m3

La STEP de Revin St Nicolas les Mazures

STEP : Station de Transfert d'Énergie par Pompage

L'aménagement de Revin St Nicolas les Mazures, a été la 1ère usine EDF équipée de 4 groupes réversibles « turbine/pompe » de 200 MW de puissance chacun.

Deux minutes seulement suffisent pour qu'elle atteigne sa puissance maximale de 800 MW soit 1/3 de la puissance totale de la centrale de Chooz (deux tranches nucléaires dernière génération) qui nécessite plusieurs heures pour monter en puissance.

Mais son originalité principale réside dans son mode de fonctionnement. Pendant les périodes de forte consommation d'électricité, l'eau du bassin supérieur est turbinée puis stockée dans le bassin inférieur. Pendant les heures de faible consommation, l'eau du bassin inférieur est pompée, grâce aux groupes réversibles pour être stockée à nouveau dans le bassin supérieur. Et ainsi de suite. Une STEP est en fait un accumulateur énergétique, elle stocke de l'énergie potentielle.

Par sa rapidité d'intervention et sa réserve de puissance, la STEP joue un rôle essentiel dans la sécurité et la régulation de l'alimentation électrique des clients d'EDF. Elle pourrait également soutenir le redémarrage de la production d'électricité dans l'hypothèse d'une panne générale.

Compte tenu de son rôle spécifique, la mise en service de l'usine est commandée à distance depuis le centre de Conduite Hydraulique de Lyon. Elle joue un rôle de régulateur.

Une trentaine d'agents assurent au quotidien l'exploitation des ouvrages ainsi que leur maintenance. D'importants travaux de rénovation sont régulièrement organisés afin de garantir le bon fonctionnement du matériel par des prestataires ou des équipes EDF spécialisées.

La sécurité chez EDF

Depuis 2003, EDF a élaboré une politique Santé et Sécurité qui fixe un ensemble de principes et affirme que l'Homme doit être placé au cœur des organisations. Cette politique prône l'adoption d'une approche pluridisciplinaire des problèmes de santé et de sécurité rencontrés dans l'entreprise et encourage l'implication des sphères manageriales dans leur résolution.

Les priorités d'EDF en matière de prévention sont les suivantes :• Risque routier.• Risque de plain-pied • Manutention manuelle.• Risque toxique, qui concerne notamment les substances CMR (cancérigènes, mutagènes,

toxiques pour la reproduction) et l'amiante.• Les TMS (troubles musculosquelettiques) récemment identifiés chez EDG-GDF.

Les risques psychosociaux • Santé et sécurité des prestataires.

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II.Émergence du projet

Détection

Le groupe d'exploitation Hydraulique de Revin doit répondre aux attentes de la loi sur l'eau et les milieux aquatiques. Celle-ci impose un relèvement des débits réservés pour le 1er Janvier 2014.

Expression du besoin

L’actuelle situation ne présente pas une indépendance suffisante pour une délivrance fiable du débit réservé. De plus la situation ne permet pas de valorisation de ce débit de part son chemin suivi.On souhaite effectuer des travaux pour :

• Délivrer le nouveau débit réservé par la rive gauche et assurer sa fiabilité de délivrance. • Étudier la faisabilité technique et économique d’un groupe de turbinage pour la valorisation

du débit réservé.

Risques

Risque réglementaire

o Maîtrise de la délivrance du débit réservé

Risque production

o Maîtrise de l’écart de stock (pilotage de la vanne fonctionnel)o Maîtrise des fuites (perte de la quantité d’eau turbinable)o Maîtrise des pertes d'eau en période de sécheresse pour éviter une trop grande perte de

production de la STEP

Risque patrimoine

o créneau d’intervention lors de la RBI 2015

Objectifs et performances attendues

Assurer la délivrance du débit réservé en permanence à la Faux Étudier la possibilité de récupération de l’énergie potentielle Garantir la fiabilité des différents organes pour 30 ans Maintenir l’accès double aux galeries (en amont et en aval)

Problématique

Étudier une solution technique pour la conduite Saint Nicolas fiabilisant l’évacuation de l’eau par turbinage ou simple écoulement et permettant la délivrance du nouveau débit réservé.

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Février Mars Avril Mai JuinS5 S6 S7 S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 S25

EMERGENCEAccueil, visite de l'entreprise

Expression du besoinFamiliarisation avec l'installationVisite de l'installation

Compréhension des programmes de fonctionnementRecherche historiqueRecherche sur les technologies

AVANT PROJET

Avant Projet SommaireRecherche des solutions d'implémentationsRecherche des contraintes d'implémentations

Estimation des coûtsDemande de faisabilité à des entreprises

Avant Projet Détaillé

DimensionnementImplémentationDemande de devis à des entreprises

LIVRABLESpremier rapport à mi PFEsecond rapport 1 mois avant la soutenance

Etude des enjeux

Etude préléminaire

Etude hydrologique

Calcul de prédimenssionnement

Recherche approndie sur les technologies

III.Planification et structure du projet

Le projet s'est construit sur la procédure de projet IH 2006. (structure pour les projets de l'ingénierie hydraulique)

Procédure de construction du projet

L'IH 2006 positionne les étapes opérationnelles du macro-processus des opérations d'ingénierie.Le référentiel IH 2006 s'appuie sur le concept du « Management par projet » du référentiel de

l'entreprise pour :o identifier clairement les acteurs et leurs responsabilités,o définir leurs misions fondamentales, les délégations et le contrôle associé,o structurer fortement les processus de l'activité.Cette procédure a été adapté au projet et aux personnes de manière à structurer les phases de

l'étude.

Cette trame de management de projet m'a permis au cours de mon stage de fixer des objectifs à court, moyen et long terme. De plus l'utilisation d'une procédure utilisées par un centre d'ingénierie est très bénéfique pour apprendre à travailler de manière professionnelle.

Organisation temporel du projet

L'étude étant construite sur le référentiel IH 2006, nous avons pu mettre au point une trame de planning assez rapidement. Cependant, il est toujours très délicat de planifier une telle étude précisément. Plusieurs facteurs peuvent influer son avancement et sa maturation tels que :o la découverte de nouveaux problèmeso l'omission de certaine contrainteso la réactivité des entrepriseso la prise de décision

Nous avons établis des temps d'étude pour chaque phase du projet que nous avons ensuite adapté à la situation et aux éléments extérieurs tel que les réponses des entreprises.

Mon projet a été suivi de manière hebdomadaire par Eric Jonval. Ces bilans m'ont permis de recentrer l'étude sur les éléments importants, fixer des objectifs à court terme et avoir un avis extérieur sur les différents points étudiés.L'avancement du projet ne s'est pas fait de manière linéaire, il y a eu des périodes relativement

calmes en terme de réalisation dûes au manque de recul sur l'installation et au temps de réponse des entreprises. Cependant ces périodes creuses ont été suivies de rebondissements et d'idées nouvelles permettant au projet de se construire.

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PARTIE N°2.DONNÉES ET CONTRAINTES DU PROJET

I.Environnement de l'étude

Le cadre du projet propose de travailler sur l'évacuation du débit réservé par la rive gauche du bassin inférieur. La conduite Saint Nicolas est la seule conduite permettant de franchir le barrage en rive gauche. C'est pour cela que le projet s'articule autour de cette conduite et de ses aménagements. Nous avons donc étudié en détail et rassemblé les informations autour de cette installation afin de proposer un projet en adéquation avec le fonctionnement de l'usine Saint Nicolas. Elle permet la régulation de l’écart de stock du volume utile de la STEP grâce à la vanne du brise charge. L’usine Saint Nicolas turbine ensuite en aval le débit sortant.

Fonctionnement général

Contexte

La construction de la STEP de Revin a imposé l’édification d’une digue afin de constituer le plan d’eau inférieur. Cette retenue plus importante a submergé l’ancien barrage sur la Faux, impliquant l’arrêt de la centrale de Whitaker, obsolète, et l’emploi de mesures spécifiques pour maintenir en fonctionnement la centrale de Saint Nicolas.En effet la mise en service de la STEP a sensiblement modifié les caractéristiques hydrologiques

existantes. Ainsi, la prise d’eau pour la chute de Saint Nicolas est désormais alimentée directement à partir d’une cote élevée, puisqu’elle puise sa source dans la retenue du bassin inférieur. Les eaux marnent de nos jours entre les altitudes 159,75 m et 176,20 m alors que la prise d’eau initiale se situait à 154,00 m, cote d’arase du seuil déversant du petit barrage antérieur.L’adduction de Saint Nicolas, ne pouvait pas supporter une telle surcharge. La pression devenant

trop importante pour la conduite forcée et le groupe, il était nécessaire de mettre en place un organe permettant de réduire la charge pour conserver une exploitation identique.

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Brise charge Marnage

Exploitants

Conduite amont

Niveau d'eauChambre déversante

Galerie des Herbaisselles

FP

FC3FC2

FC1

FC4

Débits sortants

FC5

Descriptif des aménagements

Caractéristiques du brise charge

Cette installation permet d’assurer le contrôle du niveau d'eau de la chambre déversante. Pour cela, une vanne (vanne brise charge) crée une perte de charge qui est régulée par un automate. Cette perte de charge est fonction de la hauteur d'eau amont et du débit sortant de la chambre déversante. Le bassin situé en aval de la vanne brise charge, permet de dissiper l'énergie cinétique créee par la perte de charge.

Analyse fonctionnelle

FP : Réguler le niveau d'eau dans la chambre déversanteFC1 : S'adapter au marnage quotidienFC2 : S'adapter aux différents débits sortantsFC3 : Pouvoir être manœuvré manuellement par l’exploitantFC4 : Permettre l’accès à la galerie des HerbaissellesFC5 : Permettre l'accès à la conduite entre le brise charge et la chambre déversante

Description de l'ouvrage

La vanne du brise charge est actuellement une vanne à glissières.Elle est manœuvrée par un servo moteur à huile (vérin hydraulique) alimenté par une station de

pression d’huile installée en haut de la conduite d’accès au brise charge.Une pompe à main est prévue pour permettre la manœuvre de la vanne pour essais et réglage

éventuels ou en secours en cas de panne du groupe moto-pompe.Le pertuis à obturer mesure 0,63 m par 0,63 m. La cote au sol de celui-ci est de 147,15 m NGF.

Le brise-charge se compose d’une chambre souterraine de dimensions : longueur 10 m, largeur 4 m, hauteur 10 m. Un puits circulaire de 2 m de diamètre remonte à la surface, et assure l’aération de la chambre et la maintenance. Il a été construit au pied de la digue, au droit du passage de l’adduction de Saint Nicolas, à environ 475 m à l’aval de la prise d’eau d’origine.

Une vanne à glissière commandée par un vérin hydraulique limite l’entrée d’eau dans le brise-charge. Elle est asservie pour réguler le niveau de la chambre déversante en fonction de la cote du bassin inférieur. Le marnage de celui-ci étant très important, un ajutage profilé en forme de tuyère carrée de 630 mm de côté a été implanté au débouché de la galerie amont des Herbaisselles, c’est-à-dire juste avant la vanne. Cette dimension spécifique est le résultat d’un compromis visant à fournir un débit suffisant au groupe de Saint Nicolas, tout en évitant un débit excédentaire (Q > 4,5 m3/s) qui serait alors simplement restitué à la Faux.

La réduction de la section imposée par l’ajutage a pour conséquence une forte augmentation de la vitesse du fluide à la sortie de la vanne. Un seuil en acier redirige les turbulences au milieu de la masse d'eau du brise charge permettant un écoulement non destructif pour le génie civil aval.

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Chambre déversante

Débit réservé

FP

FC2

FC1

Visite de contrôle

Usine Saint Nicolas Hauteur d'eau

Caractéristiques de la chambre déversante

La chambre déversante est un artifice permettant d’obtenir la hauteur d’eau correspondant au bon fonctionnement de l’usine de Saint Nicolas. Il s’agit d’une cuve en béton.

Analyse fonctionnelle

FP : Maîtriser la hauteur de chute de l’usine Saint NicolasFC1 : Déverser l’eau en l’excédant à la FauxFC2 : Posséder une vanne de vidange pour vider la chambre entièrement

Description de l'ouvrage

La chambre déversante a été construite en même temps que le brise charge (1976). Il s'agit du second ouvrage permettant l'exploitation de l'usine Saint Nicolas. Son rôle est multiple :

• Elle garantit le non dépassement de la hauteur de chute admise par l'usine Saint Nicolas.

• Elle élimine le surplus d'eau par déversement à la rivière (la Faux).

La chambre déversante possède trois branchements :

L'eau provenant du brise arrive dans la chambre déversante par la conduite des Herbaisselles amont. Il s'agit de l'entrée de la chambre déversante. Le débit entrant varie entre 0 et 6,9 m3/s. L'alimentation de l'usine Saint Nicolas s'effectue aussi par la la conduite des Herbaisselles aval.

Elle se situe exactement en face et est alignée avec la conduite des Herbaisselles amont. Le débit évacué par cette conduite forcée peut prendre les quatre valeurs suivantes : 0 m3/s, 3,3 m3/s, 3,9 m3/s et 4,5 m3/s. Le troisième côté est équipé d'une vanne à glissière et d'un déversoir. La vanne est utilisée

uniquement pour les vidanges (maintenance et visites), elle reste fermée lorsque le système fonctionne. Le déversoir se situe à la côte 153 NGF et mesure 4,5 m de largeur. Un canal amène l'eau déversée dans la Faux.

Usine Saint Nicolas

L’usine Saint Nicolas se situe au bord de la Meuse. Sa hauteur de chute est constante (33,2 m) mais le débit peut prendre 3 valeurs différentes : 3,3 m3/s, 3,9 m3/s et 4,5 m3/s. Elle fonctionne environ 2300 heures par an. Il s'agit d'une turbine Francis.

Écart de stock

C'est la différence entre le volume théorique utile (6,9 millions de m3) et le volume réel utile.

Image du débit entrant

C'est la vitesse de variation de l'écart de stock (gradient de l'écart de stock).

Mode de fonctionnement

Le mode de fonctionnement de l'usine Saint dépend de la valeur de l'écart de stock et de l'image du débit entrant. Il impose à la turbine le débit entrant et les périodes de fonctionnement. Sa puissance varie entre 0,9 MW et 1,2 MW.

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Hydrologie Superficie du bassin versant 96,3 km²Superficie de la retenue 64,5 haVolume apporté par année 54

Barrage 176,20côte mini 159,75hauteur de la digue 35 mlongueur de la digue 300 m

Principales caractéristiques du bassin Whitaker

Mm3/an

côte maxi mNGFmNGF

Plan du barrage du bassin inférieur

Caractéristiques du barrage du bassin inférieur

Le barrage du bassin inférieur est un barrage de type poids. La propre masse du barrage suffit à résister à la pression exercée par l'eau. Il est constitué de plusieurs couches comme le montre la vue en coupe. La partie centrale du barrage est le noyau, il réalise l'étanchéité de celui-ci.

Le brise charge a été construit dans le barrage lui-même. C'est pour cela qu'il est nécessaire de rester vigilant à ce que les modifications que l'on souhaite apporter au brise charge n'aient aucune conséquence néfaste au barrage.

La surveillance des ouvrages permet de contrôler les fuites du barrage. En effet, un réseau de drainage permet d'évacuer l'eau qui réussit tout de même à passer à travers le noyau. Ces contrôles sont effectués toutes les semaines pour ce barrage.

La prise d'eau

La prise d'eau se situe en rive gauche du bassin. Une conduite sous pression amène ensuite l'eau sous pression jusqu'au brise charge.Elle se situe au même emplacement qu'a l'origine avant la construction de la STEP mais surélevée

par une cheminée de 8m de haut afin d'éviter un maximum l'introduction impuretés dans la conduite.Cette prise d'eau est en permanence immergée dans le bassin inférieur puisqu'elle se situe en

dessous du niveau minimum d'exploitation du bassin.

Cheminée d'équilibre

La cheminée est un ouvrage de prévention. Elle n'a aucune fonction lors du fonctionnement « normal » de l'usine Saint Nicolas.Elle permet de limiter les conséquences d'un « coup de bélier ». Une obturation trop rapide de la

conduite forcée (blocage de la turbine par exemple), provoquerait une onde capable d'endommager l'installation. La cheminée permettrait alors d'absorber celle-ci afin d'éviter des dégâts.

Conduite de Saint Nicolas

La conduite de Saint Nicolas est constituée de quatre parties :• La galerie des Herbaisselles : il s'agit d'une partie brute de déroctage (taillé dans la roche)

d'une longueur de 540m. Elle débute au niveau de la prise d'eau et se prolonge 80m à l'aval du brise charge.

• La conduite des Herbaisselles, tuyau en béton coulé sur place enterré de 1 à 2m sous terre. Cette conduite n'est pas une conduite forcée, elle ne permet pas de transmettre la charge. Son diamètre est de 1800 mm.

• La galerie des Écumants, de même type que la galerie des Herbaisselles, elle mesure 420 m de long . C'est à son extrémité aval que se situe la cheminée d'équilibre.

• La conduite forcée de l'usine Saint Nicolas, elle transmet la charge à la turbine.

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II.Les contraintes de l'étude

Enjeu

Le matériel sur lequel porte l’étude est classé OMISH (Organe et Matériel Important de Sûreté Hydraulique). Il est donc indispensable d’assurer son bon fonctionnement de manière pérenne.Le classement de ce matériel en OMISH amène un niveau de vigilance supplémentaire lors du

choix de la technologie.

Débit réservé

Définition

L’article L.214-18 du code de l’environnement impose à tout ouvrage transversal dans le lit mineur d’un cours (seuils et barrages) de laisser dans le cours d’eau à l’aval, un débit minimal garantissant en permanence la vie, la circulation et la reproduction des espèces présentes.Ce débit est calculé par rapport au module du cours d’eau, c’est à dire par rapport au débit moyen

annuel.

Situation actuelle

Le débit réservé est délivré par la rive droite du barrage par la galerie de vidange. Il est d’environ 45 l/s soit 1/40 du module de la Faux.Le chemin que suit le débit réservé n’est pas suffisamment indépendant pour convenir aux

exigences de délivrance d’un débit réservé. En effet, il faut prévoir que la conduite permettant sa délivrance soit le plus indépendante possible et ne possède aucun élément mécanique pouvant nuire à sa fiabilité de délivrance. C’est pour cette raison que l’on souhaite passer par la rive gauche pour la délivrance du nouveau débit réservé.

Obligation réglementaire

La loi sur l’eau et les milieux aquatiques (30 Décembre 2006) impose un relèvement des débits réservé. Ainsi le débit de la Faux entre le bassin Whitaker et la Meuse devra être d’un minimum de 174 litres/secondes à compter du 1er Janvier 2014. (Ceci correspond à 1/10 du module de cette rivière).Le lieu de mesure du débit réservé sera à l’aval de la réunion de l’eau provenant du déversement de

la chambre déversante et l’eau provenant du lac vert. (rond rouge sur la carte)

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3500

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4500Production et temps de fonctionnement de l'usine Saint Nicolas

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III.Analyse des données hydrologiques

Estimation de la quantité d’eau à évacuer

Généralités

Les apports du bassin Whitaker sont en moyenne 50 million de m3/an. Cette quantité d’eau doit être évacuée pour assurer le bon fonctionnement de la STEP :

✗ Le débit réservé sera de 174 l/s s’écoulera rive gauche. Soit 5,5 million de m3/an.✗ Le refroidissement des groupes que l’on estime à 180 l/s et en fonctionnement 14 500

heures par an. Cela représente environ 10 million de m3/an.✗ L’évacuation de l’eau restante est faite par la conduite Saint Nicolas. Cela permet d’une

part de la souplesse dans la régulation et d’autre part de valoriser l’énergie potentielle. Toute l’eau en surplus est évacuée par St Nicolas soit environ 35 million de m3/an.

Variation annuelle

L'hydrologie est très différente d'une année à l'autre. Nous avons pour cela relevé deux indicateurs sur les trente dernières années :o Le temps de fonctionnement de l'usine St Nicolas.o L'énergie produite par l'usine St Nicolas.

Ces données sont relevées mensuellement.

Débit de la vanne brise charge

Débit extrême

Une étude a été réalisée en 2004 afin de connaître précisément les débits circulant à travers le brise charge.La mesure de débit a été effectuée par une mire au niveau du déversoir de la chambre déversante.

Après étalonnage de celle-ci, l'usine St Nicolas a été mise à l'arrêt donc le débit traversant la vanne brise charge se retrouvait à passer entièrement par le déversoir. On a ainsi les débits admis par la vanne du brise charge à pleine ouverture en fonction de la hauteur d'eau au bassin inférieur.Le débit maximum que délivre l'actuelle installation est de :

Débit à réguler

Les débits que doit réguler la vanne brise charge correspondent aux demandes de l'usine St Nicolas aux quels il faut ajouter le débit réservé.Ce sont les débits qui circulent dans la conduite de Saint Nicolas.

25/49

Qmax=6,85m3/s

Qtravail 1=3,5m3/ s ;Qtravail 2=4,1m3/s ;Qtravail 3=4,7m3/ s

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PARTIE N°3.CONSTRUCTION DE L'AVANT PROJET

I.Avant Projet Sommaire

L'objectif de l'avant projet Sommaire est d'établir un maximum de solutions d'implémentation du matériel répondant aux contraintes. Le choix de la meilleur marque la transition vers l'avant projet Détaillé.

Recherche de solutions d'implantation

Cette phase du projet est très importante puisqu'elle conditionne toute la suite mais surtout l'intérêt que le projet aura vis à vis de la problématique.Il faut dans cette phase bien connaître l'environnement et les fonctions principales de chacun des

aménagements. Il s'agit ensuite d' imaginer toutes les solutions possibles pouvant permettre l'accomplissement de ces fonctions. Il est indispensable de ne pas faire cette recherche seul car la diversité des solutions demande de l'ouverture d'esprit.

Le raisonnement doit se faire par principe généraux de résolution de problème sans imaginer la solution technique trop rapidement.Dans phase du projet, la discussion avec les personnes de la centrale est très bénéfique car l'on peut

ainsi rassembler beaucoup d'idées différentes et obtenir des visions hétérogènes.Dans notre cas d'étude, les principes de résolution du problème sont les suivants :

• Utilisation de la vanne brise charge• Tuber pour utiliser des vannes en conduites• Installer une conduite supplémentaire en bipassant la vanne brise charge

La principale préoccupation était le franchissement de la vanne du brise charge car celle-ci obstrue la conduite.

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Comparaison des solutions

Lorsque tous les principes ont été exploités pour mettre au point plusieurs solutions pertinentes, il faut les comparer entre elles pour choisir la plus cohérente face aux contraintes de l'étude.Dans notre cas d'étude sept solutions ont été proposées. Certaine d'entre elles sont des solutions

sans turbinage. Les idées exploitées sont les suivantes :• Faire passer le débit réservé par la vanne du brise charge. Cette solution comporte que peu

de changements sur l'installation actuelle.• Changer la vanne du brise charge par une vanne en conduite pour permettre de la bipasser

et laisser passer le débit réservé.• Bipasser la vanne actuelle du brise charge par une conduite nouvelle.

Ces solutions ont été imaginées de plusieurs manières amenant à plusieurs possibilités pour un principe de base. Une présélection a été réalisée pour enfin choisir entre les 3 solutions proposées sur le tableau de comparaison.La solution G a été choisie car elle possède la plus grande fiabilité de délivrance, le plus de hauteur de chute brute et ne modifie aucunement le fonctionnement de l'usine de Saint Nicolas.

Descriptif de la solution G

Cette solution utilise un mode différé pour le fonctionnement de l’usine Saint Nicolas et la délivrance du débit réservé. C’est à dire que le débit réservé sera délivré de manière indépendante du fonctionnement de l’usine St Nicolas.

résumé

On souhaite bipasser l’actuelle vanne levante du brise charge pour prélever le débit réservé en amont de cette vanne. Cette conduite se poursuivrait jusqu’au lieu de turbinage. On placerait ensuite un groupe de turbinage à cet endroit pour récupérer l’énergie potentielle sur le débit réservé.En bipassant la vanne brise charge, on amène ainsi la hauteur de chute maximum à la turbine.

Description détaillée

Bipass sur la vanne brise charge

Afin de récupérer la totalité de l’énergie potentielle au lieu de délivrance du débit réservé, il nous faut bipasser l’élément permettant de dissiper l’énergie potentielle entre le Bassin Inférieur et le niveau de déversement.

Mise en conduite du débit réservé

On recherche à mettre en place une conduite permettant d’amener le débit réservé au lieu de délivrance en conservant l’énergie potentielle. Pour cela il nous faut trouver l’itinéraire le plus judicieux pour le passage de ce tuyau.La conduite doit comporter une vanne d’isolement tout à l’amont de la conduite afin de permettre

la maintenance de la conduite si nécessaire.

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Installation d’un groupe de turbinage

On souhaite valoriser l’énergie potentielle par turbinage à l’extrémité aval de la conduite. Ce groupe doit comporter une turbine avec un élément réglant pour gérer le marnage du bassin inférieur et maintenir le débit constant et un générateur pour transformer l’énergie mécanique en énergie électrique.Un circuit de secours doit permettre d’évacuer le débit réservé en cas de dysfonctionnement de la

turbine. Ce circuit permet aussi d’éviter les coups de bélier qui détruirait la conduite.

Mesure du débit réservé

Il faudra mettre en place à l’endroit validé par la DREAL un moyen de mesure et d’affichage du débit de la Faux.Un déversoir en béton avec une mire étalonnée permettrait de mesurer de manière simple le débit.

De cette manière, quiconque pourra alors constater la présence du débit réglementé.

Avantages de cette solution

✔ On apporte aucune modification au fonctionnement et au matériel de la vanne brise charge. Il n'y aura aucune re-programmation à faire pour l’automate du brise charge.

✔ Le temps d’indisponibilité de l’installation est restreint. Les travaux nécessitant un arrêt du groupe Saint Nicolas et une vidange de la conduite sont limités. L’installation du groupe de turbinage peut-être réalisée de manière indépendante puisque qu’il ne se situe sur aucune des installations existantes.

✔ La délivrance du débit réservé est d'une grande fiabilité car aucun élément mécanique n'est présent sur son circuit excepté la turbine. La mise en place d’une sortie de secours avec une vanne à prépondérance à l’ouverture assure la fiabilité..

✔ On valorise toute l’énergie potentielle du débit réservé.

Inconvénients de cette solution

✔ Le tuyau traversant la galerie des Herbaisselles risque de perturber l’écoulement principal d’alimentation de l'usine Saint Nicolas.

✔ Les travaux génie civil sont nombreux : traversé de route, sortie de conduite ...✔ L'installation de la nouvelle conduite dans la galerie des Herbaisselles est délicate car peu

accessible (passage par le brise charge).

Impact environnemental

Toute la partie de la conduite installée en dehors de la conduite de Saint Nicolas nécessite une tranchée. La mise en place du groupe de turbinage devra être sécurisé par un grillage afin empêcher l'accès à toute personne extérieure à EDF. Le groupe de turbinage doit être installé sur un ouvrage génie civil.

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Ava nta ge s Inc onvénie nts

S o lu t io n p a r c a ro t t a g e

Aucune modification n’est apporté à l’actuelle vanne brise charge en place.L’opération simple et rapide de mise en œuvre.Peu de perte de charge : départ de la conduite dans l’alignement de la conduite d’arrivée d’eau.

Fragilisation de l’ajutage. Note de calcul nécessaire pour vérification de tenu aux efforts.

S o lu t io n d e dé c a la g e d e la va nn e

On n’apporte aucune modification au génie civil actuellement en place.Le cadre est réalisé en atelier prêt à monter.

On doit décaler tout le système de la vanne : servo moteur et guides. On va perturber l’écoulement principal.La perte de charge sera importante.

II.Avant Projet Détaillé

Le diamètre de la conduite nouvelle a été fixé à 400 mm par compromis économique entre les pertes de charge régulières et les coût matériel (Il faut que la vitesse soit comprise entre 1 et 1,5 m/s). Dans notre cas la vitesse moyenne de 1,38 m/s dans la conduite nouvelle.

Bipass sur la vanne brise charge

Carottage

Le carottage consiste à percer le béton pour faire passer le tuyau à travers l’ajutage.L’emplacement du carottage nécessite une étude particulière car des renforts métalliques sont

présents dans l’ajutage. De plus, le forage va entraîner une fragilisation de celui-ci, il faudra donc vérifier sa tenue aux efforts.

Décalage de la vanne

Cette solution amène à modifier l’emplacement actuel de la vanne glissière du brise charge. En plaçant un module de mécano soudé intercalé entre la vanne et l’extrémité de l’ajutage, on peut ainsi piquer une conduite pour le débit réservé sans aucune modification sur le génie civil.

Comparatif des solutions

Le tableau comparatif nous permet de choisir la solution par carottage pour sa facilité de mise en place dans le brise charge. En effet, aucune modification ne sera apporté à la vanne brise charge. De plus, l'alignement avec l'écoulement de la galerie en amont limite les perte de charge et ne perturbe pas le débit qui passe à travers la vanne du brise charge.

Étude détaillé de la solution par carottage

Le placement du carottage nécessite une étude par des experts génie civil afin de déterminer l’emplacement le plus cohérent.Les différentes contraintes sont les suivantes :

• Ne pas toucher aux renforcements métalliques dans le béton armé.• Éviter toute collision possible avec la vanne brise charge Vérifier qu'il y ait un fin de

course mécanique.• Le carottage doit être dans la mesure du possible horizontal. Un carottage en biais est

toujours très délicat.Le matériel permettant cette opération devra être descendu par le puits du brise charge. (diamètre 2

m).

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Ava nt a ge s I nc onvé nie nt s

D é l i v r a nc e a u l a c v e r t

Longueur de conduite réduite.

D é l i v r a n c e a u p i e d d u d é v e r s o i r

Pas de sortie de conduite à réaliser.

Il faut sortir au niveau de la chambre déversante : carottage dans la parois.La fixation de la conduite dans la conduite des Herbaisselles est délicate car le béton est fragile et son ancrage peu profond. L'installation d'un groupe de turbinage au pied de la chambre déversante est très délicat car peu accessible et très encaissé.

Il faut rester très vigilant à garder l’étanchéité sur la sortie de conduite.On perd 1 m de chute brute.

Entreprise de chaudronnerie, tuyauterie, maintenance

Entreprise spécialisée en tuyauterie, mécanique et chaudronerie

Entreprises contactées :

Mise en conduite du débit réservé

Le choix du lieu de délivrance du débit réservé est ouvert tant que celui-ci est à l’amont du lieu de délivrance. Nous avons étudié deux solutions.

Délivrance au pied du déversoir

Dans ce scénario la conduite de délivrance du débit réservé suit la conduite de Saint Nicolas entre le brise et la chambre déversante sur toute la longueur. Cette solution nous amène à aboutir juste à l’amont du lieu de délivrance imposé.Il y a environ 350 m de conduite à prévoir. Le niveau de délivrance est à 138 NGF.

Délivrance au lac vert

Dans ce scénario la conduite de délivrance du débit réservé suit la conduite de Saint Nicolas entre le brise et la chambre déversante sur seulement une partie. La délivrance du débit réservé se fait au pied du lac vert.Il y a environ 200 m de conduite à prévoir. Le niveau de délivrance est à 139 NGF.

Comparatif

Les difficultés que présente la solution d'implémentation de la turbine au pied de la chambre déversante nous amènent à choisir la solution de délivrance au lac vert. De plus, la longueur de tuyau étant plus faible, la hauteur de chute plus faible au lac vert sera compensé par des pertes de charge moins importante.

Étude de la solution de délivrance au lac vert

L’installation de la conduite nécessite d’être très vigilants sur différents aspects :• La fixation de la conduite dans le brise charge doit être dimensionné pour résister à

l’écoulement turbulent présent dans le brise charge. • Le choix du matériau pour la conduite • Les systèmes de fixations dans la partie galerie et dans la partie conduite.

La première partie est en galerie. Les points de fixation de la conduite du débit réservé pourront être ancrer dans la roche sans de problème de fragilisation de la galerie. Les experts génie civil sont assuré de la bonne tenu des points de fixation par perçage et collage.La seconde partie en galerie nécessite beaucoup plus d'attention car celle-ci est très fine et très

fragile. les points de fixation nécessiteront l'installation de bloc béton supplémentaire.• La réalisation de la sortie de conduite (problème d'étanchéité à garantir)

Il faut prévoir un moyen d'accès à cet ouvrage afin de pouvoir le contrôler.• Les traversées de route

Les entreprises réalisent de manière assez courante des traversées de route. Le tuyau sera placé dans coffrage permettant de soutenir toute la charge des véhicules circulant sur la route.La hauteur de chute brute de l'installation :

• au maximum du bassin inférieur 37,2 m• au minimum du bassin inférieur 20,75 m• en moyenne 29 m

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36/49

Rx=C x⋅S ⋅ V 2

2

Répartition des vitesses de turbulence dans le brise charge

Schéma de calcul

Écoulement dans le brise charge

Lors du fonctionnement de l’usine Saint Nicolas en mode 6 et du bassin inférieur au niveau maximum (cas le plus défavorable), la vitesse à la sortie de la vanne brise charge est de 17 m/s (débit de 7 m3/s et section de 0,4 m²).Une étude sur un logiciel de simulation nous permet de constater que le déflecteur installé 1 m

après la vanne du brise charge augmente la vitesse à 20 m/s.On reproduit la situation du brise charge :

• présence d'un fluide (de l'eau) sur 6 m de hauteur.• entrée du fluide sur le côté gauche par une section carrée de 630 mm de hauteur, condition

de vitesse• sortie par la droite par la galerie, hauteur 2 m, condition libre.• surface supérieure à l'air libre• Les autres côtés ont des conditions de parois

A la vue du résultat obtenu, nous pouvons dimensionner la tenue du tuyau dans le brise charge sur la partie au-dessus du déflecteur.Considérons l’écoulement autour d’un cylindre :

• Rx : force de trainée• Cx : coefficient de trainée, dépend de la forme de l’objet et du nombre de Reynolds. Dans

notre étude sur un cylindre et un écoulement très turbulent, nous prendrons Cx = 0.5.• S : maitre couple, il s’agit de la surface projetée. Nous étudierons la force exercée sur un

mètre. S = 0.4m²• ρ : masse volumique de l’eau, ρ = 1000 kg/m3

• V : vitesse de l’eau, V = 20 m/s.Soit R = 40 000 N ; Rx = 38 600 N.

Le tuyau devra donc être fixé de manière à supporter 3,9 tonnes par mètre dans le brise charge.

Contraintes exercées sur la conduite

La conduite du débit réservé

Les sources de pression dans la conduite du débit réservé sont :• la hauteur de chute entre le niveau du bassin inférieur et le point de la conduite étudiée• un coup de bélier éventuel provenant de la turbine (temps de retour de l'onde 0,2 s et la

monté en pression à 31 bars)Nous ne dimensionnerons pas la conduite au coup de bélier car cela entrainerait sur-

dimensionnement inutile. En effet, les turbines sont équipées de fermeture par contre poids ralenti par amortisseur évitant tout coup de bélier.Cependant, il faut rester attentif à ce phénomène et peut-être envisager l'installation d'un anti coup

de bélier. (accumulateur avec poche en air capable d'amortir les grosses variations de pression)La hauteur de chute brute est 37,2 m, la conduite du débit réservé verra donc entre 0 (pression si

conduite vide) et 3,7 bars (en fonctionnement normale) de pression relative.

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20 m

2 m

Ligne de niveau

lac vert

passage conduite des Herbaisselles

route

123,30 m

10,6

5 m

exutoire

1

23

4

5

6

cote référence à 139 NGF

Ava nt a ge s I nc onvé nie nts

polym è re

m é ta l

Pas de dilatation thermiqueTuyaux légers, gain de transport et de pose.Assemblage facilité par les systèmes d’emboîtements.Perte de charge singulière très faible.

Pas de référence EDF pour un contexte identique.Résistance aux chocs : Les tuyaux en polymère ont une bonne résilience mais ont peu de domaine élastique par rapport à l'acier qui peut se déformer sous un choc.

Bonne tenu aux pressionsNombreuses références sur le parc EDF

Tuyaux lourds : contrainte de poseAssemblage par soudure délicat dans la galerie.Perte de charge assez importante.

La conduite des Herbaisselles

La conduite des Herbaisselles voit la hauteur de chute entre le fond de la conduite et le niveau dans la brise charge soit 7 mètres au maximum. Les pressions varieront entre 0 et 0,7 bars relatif.

Dimensionnement de la conduite du débit réservé

Le cas le plus défavorable se produit lorsque la conduite des Herbaisselles est vide (vidange) et la conduite du débit réservé subit la hauteur de chute maximum du bassin inférieur.Dans ce cas la différence de pression est de l’ordre de 3,7 bars.

Relevé topographique de la partie enterrée

Pour évaluer les contraintes sur la partie de la conduite du débit réservé à enterrer, nous avons effectué un relevé topographique entre la conduite des Herbaisselles au niveau de l’exutoire et le lac vert en ligne droite.Ce relevé nous permet d’obtenir une idée de la trajectoire que devra suivre la partie de la conduite

enterrée. Ce relevé est nécessaire aux entreprises pour réaliser des devis et estimer les coûts de génie civil.

Choix du matériau pour la conduite

Le choix du matériau pour la conduite forcée du débit réservé est très large. On peut envisager : acier, acier inoxydable, fonte, polyester renforcé à la fibre de verre, polyéthylène haute densité.Cependant, nous n'avons sur ce choix technique tranché sur aucune technologie car celle-ci dépend

beaucoup du constructeur.Cependant les tuyaux nécessitant un acheminement dans la galerie des Herbaisselles, le poids et le

moyen d'assemblage est un réel enjeu.On notera que la technologie choisie n'est pas obligé d'être la même tout du long.

Écoulement dans la conduite des Herbaisselles

La mise en place d’une conduite forcée à l’intérieur de la conduite des Herbaisselles crée des pertes de charge supplémentaires pour la conduite d'alimentation de l'usine Saint Nicolas. Cependant la vanne brise charge étant asservie par le niveau de la chambre déversante en aval, ces pertes de charge n’auront pour seul effet que d’augmenter le niveau d’eau dans le brise charge. Le fonctionnement et les performances des l'usine Saint Nicolas ne seront pas affectés.Un calcul nous permet d’évaluer les pertes de charges régulières à 0,1m (nous considérons une

diminution de section) et les pertes de charges singulières à 0,1 m (nous considérons un point de fixation tous les 5m). On évalue à 20 cm la perte de charge supplémentaire apportée par l'ajout d'une conduite forcée dans la galerie des Herbaisselles.Le niveau d’eau dans le brise charge montera donc de 20 centimètres. Ceci n'aura aucune influence

sur son fonctionnement.

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Pertes de charges régulières

Partie 1 Partie 2 Partie 3 Partie 4 Partie 5

cheminée béton sortie prise d'eau

longueur L [m] 8,5 23 408 15 200

section S [m²] 4 3,14 5,6 4,35 0,13diamètre D [mm] 2257 2000 2671 2354 400rugosité [mm] 3 3 2 3 0,01

vitesse V [m/s] 1,75 2,23 1,25 1,61 1,38

SI

frottement 0,021 0,022 0,018 0,021 0,014

perte de charge [m] 0,01 0,06 0,22 0,02 0,68 1,00 m

galerie des Herbaisselles

arrivée brise charge

conduite forcée PE

ε

nombre de Reynolds Re 3 022 440 3 411 323 2 554 428 2 898 298 423 763

λ

Δh

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 70

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Pertes de charge régulières sur la conduite du débit réservé

débit [m3/s]

perte

s de

cha

rge

[m]

Étude des pertes de charges dans la conduite du débit réservé

Pour faire cette étude l’on se place à un débit de 6,9 m3/s dans la conduite de Saint Nicolas, c’est-à-dire lorsque le débit est maximum dans la galerie des Herbaisselles. (ouverture maximum de la vanne brise charge et hauteur maximum du bassin inférieur).

Étude des pertes de charges régulières

Pour cela nous utiliserons le calcul des pertes de charge en conduite forcée. Il nous faut déterminer le nombre de Reynolds :

Si le nombre de Reynolds est supérieur à 3000, alors l'écoulement est turbulent et nous pouvons utiliser la formule de Colebrook.

1√ f

=−2⋅log ( ϵ3,7⋅D

+ 2,51Re⋅√ f

)

On exprime enfin les pertes de charge de la manière suivante :

On remarque que la grande majorité des pertes de charge sont créées par la conduite nouvelle. En effet, la vitesse étant supérieure à 1 m/s, les frottements sont assez importants.

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Re=V⋅Dν

V : vitesse moyenne du fluide en m/sD : diamètre de la canalisation en mν : viscosité cinématique du fluide en m²/s (ν= 1,307 x 10-6 m²/s pour l'eau à 10 °C)

ε : rugosité en mf : frottement

Δh= V 2

2⋅g⋅∑ f⋅LD

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Pertes de charges singulières

coude

élargissement

rétrécissement 0,1 0,1 0,50,050,5

0,3

1,3 1,30,40,4 0,1 0,4

0,40,40,07 0,07

Grilles, vanne de garde, prise d'eau

0,15 m

Galerie des Herbaisselles

0,20 m

Conduite du débit réservé

0,20 m

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 70

0,20,40,60,8

11,21,41,61,8

2Perte de charge de la conduite de délivrance du débit réservé

singulièretotale

débit [m3/s]

perte

de

char

ge [m

]

Calcul sur l'aspirateur d'une turbine Banki

Étude des pertes de charges singulières

Chaque coude, élargissement et rétrécissement doit être identifié et chiffré. La grande partie des pertes de charges singulières se situe sur la prise d'eau et dans le brise charge.Une étude réalisée lors de la construction a permis de définir toutes les pertes de la conduite

existante.

h=V 2

2⋅g⋅k

Perte de hauteur de chute par l'aspirateur

Nous verrons dans le paragraphe suivant le choix de la turbine Banki.L'aspirateur permet de récupérer la hauteur de chute situé sous la turbine. Cependant il y a tout de

même une perte.Le niveau d'eau du lac vert ne variant que très peu, nous avons choisi d'implanté la turbine 2 mètre

au-dessus du lac afin de limiter les pertes de hauteur de chute tout en préservant l'installation de dégradation par l'eau.Il nous donc ajouté au perte de charge 0,6 m de perte par l'aspirateur.

Synthèse des pertes de charge

Les pertes de charge totale sont de 2,37 m lorsque le débit est maximum dans le brise charge. Celles-ci sont plus faible lorsque l'usine Saint Nicolas ne fonctionne pas.

Au vue des hauteurs de chute brute exprimé précédemment nous pouvons exprimer la hauteur de chute nette de l'installation :

• maximum 35,7 m• minimum 18,4 m• moyenne 27 m

Nous utiliserons ces valeurs pour la suite de l'étude sur la turbine.

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k : coefficient de perte de charge singulière (sans unité)

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Avantages InconvénientsTurbine de type Francis

Turbine de type Banki

Les rendements sont très bon (entre 90% et 80%).Il existe beaucoup de retour sur expérience dans cette technologie car elle très répandue.

Ce type de turbine sera plus onéreux qu’une turbine Banki

Il s’agit d’une turbine peu onéreuse.Cette technologie accepte facilement de grande plage de hauteur de chute.

Les rendements sont assez faible (dans les environs de 70%).La vitesse de rotation étant assez faible, il est souvent nécessaire d’installer un multiplicateur.

37 35 33 31 29 27 25 23 210,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95Rendement turbines

FrancisBanki

Hauteur de chute [m]

[%]

Installation d’un groupe de turbinage

Le groupe de turbinage doit posséder un élément réglant pour maintenir le débit constant malgré la hauteur de chute variable. Le choix de technologie se réduit à des turbines cross flow ou Francis étant donné la plage de hauteur de chute et le débit.

Turbine Francis

La turbine Francis est une machine à réaction. Elle entière entièrement noyée. Elle utilise l’énergie cinétique mais aussi l’énergie de pression (différence de pression entre l’entrée et lé sortie).La partie fixe de la turbine comprend l’anneau d’entretoises, destiné à recevoir le distributeur et le

support du palier de la turbine, et qui est lui-même directement posé sur l’aspirateur scellé dans la dalle en béton.Le distributeur, qui sert à régler le débit, est constitué par une série d’aubes rotatives, entraînées

par des biellettes liées à l’anneau de vannage. Celui-ci est mis en rotation par la tige de commande du distributeur qui l’entraîne par deux tirants.

Turbine Banki (ou cross-flow)

La turbine Banki, appelée aussi turbine à flux traversant, est une machine à action qui a ceci de particulier que l’eau traverse deux fois la roue.De construction simple, elle est constituée de trois parties principales :un injecteur de section rectangulaire et dont le débit est réglé à l’aide d’une aube profilée rotative,

similaire à une vanne papillon. Afin d’assurer un arrêt de la turbine sans énergie d’appoint, la fermeture est souvent réalisée à l’aide d’un contrepoids, et l’ouverture par un vérin hydrauliqueune roue en forme de tambour, dotée d’aubes cylindriques profiléesun bâti enveloppant la roue et sur lequel sont fixés les paliers de la turbine

Comparaison des rendements

Afin d'établir un choix de technologies clair, nous avons comparé les rendements des turbines sur la plage de hauteur de chute sur laquelle doit fonctionner la turbine. Ensuite, nous avons pondéré ces différents rendements par la puissance produite à chacune de ces hauteurs de chute. De cette manière, on obtient une puissance moyenne pour chacune des technologies que l'on peut comparer.

• Puissance moyenne turbine Francis : 42,9 kW• Puissance moyenne turbine Banki : 39,2 kW

Cette différence de 8,5% entrainera une différence identique sur le productible.

Consultations constructeurs

Lors de l'étude, nous avons établi des devis avec des turbiners afin d'obtenir leurs conseils, leurs arguments et des ordre de grandeur de prix. On peut citer les entreprises suivantes :PH énergies (powerpal); Energies nouvelles entreprises; JLA & Co (Belgique); Ossberger

(Allemagne); KSB (Allemagne)Il est très difficile de comparer les offres car les devis n'intègrent pas tous les même éléments.

Cependant, on peut estimer qu'une turbine Francis est trois fois plus cher qu'une turbine Banki.

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ω=0,45√2⋅g⋅H⋅2D

D=√ 4⋅g⋅H1,7⋅ω2

Groupe de turbinage

hauteur d'eau

vitesse de rotation

débit

Vue éclatée d'une turbine Banki chez Ossberger

Étude du groupe de turbinage Banki

A l'aide des éléments apportés dans la partie précédente, nous avons choisi d'étudier l'installation d'une turbine Banki. En effet, le surcoût et la complexité ne justifie pas l'utilisation d'une turbine Francis.

Dimensionnement de la turbine

Nous utiliserons les valeurs suivantes pour dimensionner notre installation :Débit Q=174 l/sHauteur de chute nette moyenne H = 27 m

Voici les grandeurs caractérisant la turbine Banki :• α : angle d’injection [rad]• B : largeur de la roue [m]• D : diamètre de la roue [m]

On s'impose un rapport de D/B=3/5 et un angle d'injection de 2π/3B = 215 mm et D = 135 mm

Dans cette configuration, notre turbine aurait alors une vitesse de rotation de 1500 tr/min.

Ce pré dimensionnement permet d'avoir un regard critique sur les propositions du constructeur. En effet cela permet de connaître les liens entre les paramètres pour comprendre ce que recherche le constructeur.

Gestion des entrées et des sorties

La particularité de l'installation réside sur son mode de fonctionnement. Le groupe de turbinage doit en effet gérer en entrée une hauteur de chute variable (45 % de variation) et en sortie un débit constant et une vitesse de rotation constante (pour produire une électricité à fréquence constante).La directrice de la turbine asynchrone modifie la section d'entrée afin de réguler le débit de sortie

de la turbine.La hauteur de chute étant variable, la puissance varie, donc le couple résistant de l'alternateur doit

varier sans modification de la vitesse de rotation. L'alternateur asynchrone par glissement modifie son couple résistant sans changement de vitesse de rotation. Il est, malgré son rendement plus faible qu'un alternateur synchrone, plus adapté à l'installation.

Implantation du groupe

L'installation d'un groupe aux abords du lac vert nécessitera un ouvrage génie civil et une protection contre toute intrusion. Il faudra aussi prévoir une armoire électrique et l'évacuation de l'électricité produite.

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INTÉRÊT AUTOUR DU STAGE

Dans ces derniers paragraphes, je souhaite commenter les apports bénéfiques de ce stage qui n'ont été cités précédemment, n'étant pas liés directement au sujet du stage.

Social

Ce stage a été l’occasion pour moi de m’adapter à deux nouveaux milieux professionnels que je n’avais jamais abordés auparavant : l'hydraulique et l'exploitation d'une centrale. Les aménagements hydrauliques étant du matériel très durable, les investissements sont faits d'une manière différente de ce que j'ai pu découvrir dans d'autres industries. L'exploitation d'une centrale hydraulique demande un fonctionnement continu, ce qui entraîne une organisation de gestion avec des astreintes.

Pour faire aboutir ce projet, plusieurs domaines de compétences ont été indispensables, il a fallu faire appel à des experts dans différents domaines pour faire des choix. Cela m'a amené à rencontrer des ingénieurs EDF d'autres sites.

Dans l'équipe d'exploitation, les techniciens sont souvent très enthousiastes pour répondre à des curiosités. Ils prennent en général plus de temps pour aborder des sujets divers qui pratique au quotidien. Cela rend l'ambiance de travail d'autant plus agréable.

Apprentissage

Au cours de mon stage, j'ai pris du temps pour me documenter sur l'hydraulique et sur l'entreprise EDF. Électricité De France étant une entreprise de taille importante, sa structure est très organisée et très hiérarchisée.J'ai eu la chance de visiter deux centrales EDF pendant la période de mon stage : la centrale

charbon de Bouchain (59) et la centrale nucléaire de Chooz (08). Ces visites ont été très intéressantes. Je remercie d'ailleurs mon tuteur de stage de m'avoir permis de faire ces visites.Le projet de fin d'étude étant la dernière étape avant le diplôme et la rentrée dans le monde

professionnel, j'ai beaucoup échangé avec les personnes de mon entourage sur le recrutement chez EDF, les entretiens d'embauches et les différents types de postes envisageables après mon école.

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CONCLUSION

Le projet rassemble beaucoup d'informations, de synthèses et de reformulations. C'est pour cette raison que la réalisation de plans, de schémas est indispensable pour présenter de manière complète, l'environnement aux entreprises extérieures. J'ai pour cela passé beaucoup de temps à réaliser des schémas qui permettent de bien cerner les enjeux de l'aménagement.

La prise de contact avec les entreprises extérieures est toujours enrichissante et nécessite un suivi régulier. Il est parfois long d'obtenir des réponses et encore plus difficile des solutions techniques claires. Cependant, ce travail indispensable est très intéressant. Les entreprises mettent en évidence toutes les difficultés concrètes des travaux ce qui permet de compléter l'étude.

Cette étude répond à une obligation pour EDF. Le travail sur un projet qui a de grande chance d'aboutir a été pour moi très motivant.

Le travail réalisé pendant ce projet de fin d'études a traversé différentes phases prévues par l'IH 2006 (procédure de gestion de projet EDF). Mener une étude sur plusieurs étapes successives est très enrichissant car on obtient une vision globale sur la façon de mener un projet.

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