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