Generalites sur les turbines

GENERALITES SUR LES TURBINES

Microcentrale hydroélectrique 

Définition

Une petite centrale hydraulique (MCH) est une installation de production d’énergie basée sur l’utilisation de la force hydraulique et dont la puissance est inférieure à 300kW. L’énergie hydraulique peut provenir d’un fleuve ou d’une rivière ; d’une source ; d’un réseau d’approvisionnement en eau potable ; d’un réseau d’évacuation d’eaux usées ou de drainages ; de procédés industriels dans lesquels la pression d’un liquide est détruite dans un organe de réglage, vanne ou autre.

La production d’énergie par une centrale hydraulique, qu’elle soit grande ou petite, est fonction du débit de l’eau et de la hauteur de chute (différence de pression) à disposition. Les débits des MCH peuvent représenter quelques litres ou plusieurs mètres cubes à la seconde. A partir de deux mètres, une chute avec un débit suffisant est considérée comme exploitable. Par ailleurs, des hauteurs de 500 mètres (pression 50 bars) ou plus peuvent produire une quantité intéressante d’énergie, même si le débit est faible (5 l/sec).

Application

L’importance des MCH apparaît donc surtout au niveau régional :
– Pour de nombreuses communes, fabriques ou moulins, elles constituent une source d’énergie d’appoint avantageuse ;
– Elles peuvent être intégrées dans des projets à usages multiples et en améliorer la couverture des frais par la production d’énergie. Par exemple : dans le cadre du renouvellement d’une adduction d’eau potable, lors de la construction d’ouvrages de prévention des inondations ou destinés à faciliter la migration des poissons ;
– Leur construction, rénovation et entretien représentent un potentiel de travail pour les entreprises locales ;
– Elles augmentent la sécurité d’approvisionnement de certaines entreprises comme les moulins à farine qui peuvent ainsi fonctionner même en cas de panne de réseau ;
– Elles constituent une alternative avantageuse à des longues lignes électriques pour alimenter des habitations, fermes, hôtels ou cabanes isolées en région de montagne ;
– Elles tirent parti du potentiel de force hydraulique sans nuire à l’environnement ;
– De par leur petite taille et leur simplicité, elles ont une fonction didactique puisqu’elles permettent à nombres de visiteurs de prendre conscience des problèmes pratiques de la production d’énergie.

Classification

La classification s’effectue en fonction de la manière dont l’eau est captée et conduite à la turbine, de l’emplacement de cette dernière et de la hauteur de chute ou dénivellation exploitée.

On distingue deux classes principales de petites centrales :

Installations à basse pression

Le long d’un cours d’eau ou sur un canal de dérivation. L’ouvrage le plus important est le barrage, ou prise d’eau, le plus souvent construit en béton. Sa fonction est de détourner le débit nécessaire directement vers la turbine ou dans un canal de dérivation tout en laissant passer les crues. La centrale est soit intégrée directement dans le barrage, soit placée à l’extrémité d’un canal. Il n’y a en règle générale pas de conduite forcée, ou celle-ci reste très courte. Les chutes de situent entre 2 et 20 mètres et la pression dans la turbine est faible (0.2 à 2 bars).

Installations à moyenne pression et haute pression

Sur des cours d’eau, des sources de montagne, des réseaux d’eau potable et dans des circuits hydrauliques industriels. Aux composants mentionnés pour la première catégorie s’ajoute une conduite forcée entre la prise d’eau, ou extrémité du canal de déviation, et la centrale. La conduite est l’ouvrage le plus important de ce type de petite centrale.

Description d’une MCH 

Pour les petits développements hydroélectriques, le coût d’investissement est l’un des facteurs clés. Par conséquent, il existe une forte demande pour le développement de systèmes hydroélectriques à faible coût qui produisent davantage d’énergie propre. Étant donné que ces systèmes seront construits dans les régions reculées, d’un accès souvent difficile, de tels systèmes doivent répondre aux exigences suivantes :
– Un système à faible coût,
– Vitesse de fonctionnement variable qui permet l’utilisation de turbines hydrauliques peu coûteuses à distributeur fixe,
– Une génératrice sans bagues ni ballais avec une structure de contrôle robuste ayant un minimum d’entretien,
– Un système qui respecte la qualité de l’énergie et de manière générale les règles de raccordement imposées aux exploitants.

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La microcentrale hydraulique de l’étude est globalement schématisée par le diagramme présenté dans la figure. Elle est constituée d’une turbine à pales et à aubes directrices fixes. La turbine est alimentée par une conduite forcée liée directement à un petit barrage de retenue (chambre de mise en charge) qui est alimenté à son tour par un canal d’amené en aval. Cette configuration peut être trouvée à proximité des ruisseaux et des cours d’eau permanents sans étiage important favorables aux microcentrales hydrauliques à basse chute.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
PARTIE I : CONTEXTES GENERAUX
Chapitre I : GENERALITES SUR LES TURBINES
I.1 Microcentrale hydroélectrique
I.1.1 Définition
I.1.2 Application
I.1.3 Classification
I.1.4 Description d’une MCH
I.1.5 Les éléments d’une MCH
I.2 Les turbines hydrauliques
I.2.1 Principe de base des turbines hydrauliques
I.2.2 Différents types de turbines
I.3 Etude technique de l’installation d’une turbine Francis
I.3.1 Puissance disponible
I.3.2 Puissance installée
I.3.3 Calcul vitesse spécifique
I.3.4 Dimensionnement du distributeur de la turbine
I.3.5 Générateur de courant
Chapitre II : GENERALITES SUR L’AUTOMATISME
II.1 Automatisme
II.1.1 Quelques définitions
II.1.2 Evolution de l’automatisme
II.2 Système automatisé
II.2.1 Structure d’un système automatisé
II.2.2 Description des différentes parties
II.3 Différents types de commande
II.3.1 Logique câblée
II.3.2 Langage à contact ou LADDER
II.3.3 Langage GRAFCET
PARTIE II : ETUDE ET MODELISATION DU REGULATEUR DE VITESSE D’UNE TURBINE FRANCIS
Chapitre III : REGULATEUR DE VITESSE D’UNE TURBINE
III.1 Nécessité de la régulation
III.1.1 Phénomène d’autorégulation
III.1.2 Effet de la variation considérable de la vitesse de rotation
III.1.3 Principe d’imposition de la vitesse de rotation de la turbine
III.2 Différents types de réglage
III.2.1 Régulateur électronique ou par dissipation d’énergie
III.2.2 Régulation par réglage du débit
III.3 Régulation par réglage du débit
III.3.1 Mécanisme d’alimentation des turbines
III.3.2 Différents types et évolution du réglage du débit
Chapitre IV : MODELISATION
IV.1 Modélisation du système
IV.1.1 Configurations du générateur
IV.1.2 Modélisation de la MCH
IV.1.3 Rôle du générateur
IV.1.4 Rôle des régulateurs
IV.1.5 Fonctionnement de la régulation de fréquence et de puissance
IV.1.6 Hypothèses de la modélisation
IV.2 Modélisation des régulateurs
IV.2.1 Caractéristique du statisme
IV.2.2 Principe de la régulation de la vitesse de rotation
IV.2.3 Régulateur de vitesse de type PID
IV.2.4 Régulateur de vitesse
IV.3 Modèle de la turbine hydraulique et servomoteur
IV.4 Valeurs et calculs des paramètres utilisés
PARTIE III : CONCEPTION D’UNE COMMANDE AUTOMATIQUE D’UN CERCLE DE VANNAGE SUR LE LOGICIEL FESTO FLUIDSIM
Chapitre V : PRESENTATION DU LOGICIEL
Chapitre VI : SIMULATION DE CE SYSTEME AVEC LE LOGICIEL
VI.1 Circuit de puissance hydraulique de la commande de cercle de vannage
VI.1.1 Schéma des circuits de puissance
VI.1.2 Détermination de chaque élément
VI.2 Circuit de commande électrique de la commande de cercle de vannage
VI.2.1 Régleur électronique
VI.2.2 Comparateur
VI.2.3 Correcteur PID
VI.2.4 Générateur de fonctions
VI.2.5 Système de mesure de déplacement
VI.2.6 Bobine proportionnelle à position asservie
Chapitre VII : COMMANDE AVEC L’AUTOMATE PROGRAMABLE INDUSTRIEL (API)
VII.1 Généralité sur l’API
VII.1.1 Définition
VII.1.2 Structure de l’automate programmable
VII.1.3 Langage de programmation d’un API
VII.2 Langages de programmation de la commande de cercle de vannage
VII.2.1 Langage GRAFCET
VII.2.2 Programmation LADDER
Chapitre VIII : ETUDE D’IMPACT ENVIRONNEMENTAL DE LA MICROCENTRALE HYDROELECTRIQUE
VIII.1 Aspect esthétique
VIII.2 Impacts sonores
VIII.3 Impacts biologiques
VIII.4 Mesure de prévention et de compensation
CONCLUSION GENERALE
Annexes
Bibliographie
Webographie

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