Turbinage des eaux potables : Critères de choix et

Turbinage des eaux potables : Critères
de choix et dimensionnement des
équipements
Vincent DENIS
Ing. EPFL-SIA
Atelier de formation TURBEAU
14 janvier 2011
Puissance d'une machine hydraulique
P = ρQ⋅gH ⋅η
ρQ
ρ
Q
gH
g
H
η
=
=
=
=
=
=
=
débit-masse
masse volumique de l'eau
débit-volume
énergie massique
Accélération de la pesanteur
"hauteur de chute nette"
rendement énergétique de la turbine
[kg/s]
[kg/m3]
[m3/s]
[J/kg]
[m/s2]
[m]
[-]
Energie hydraulique massique
gH = 1 ⋅(p1 −p 2 )+ 1 (c12 −c22 )+g⋅(z1 −z 2 )
ρ
2
gH =
ρ =
px =
cx =
g
=
zx =
énergie massique [J/kg]
masse volumique de l'eau
[kg/m3]
pression à la section de mesure
[Pa]
vitesse de l'eau dans la section de
mesure [m/s]
Accélération de la pesanteur
[m/s2]
altitude de la section de mesure
[m]
Puissance électrique d’une installation
hydraulique (formule « simplifiée »)
Pel = ρ × Q × g × ΔZ ×η c ×ηt ×η e ×ηtr
avec :
Pél
ρ
Q
g
ΔZ
ηc
ηt
ηe
ηtr
=
=
=
=
=
=
=
=
=
Puissance électrique
masse volumique de l'eau
débit-volume
accélération de la pesanteur
dénivellation exploitable
rendement de la conduite ≥ 90%
rendement de la turbine 89% ≤ ht ≤ 94 %
rendement de l’alternateur ≥ 92 %
rendement du transformateur ≥ 97 %
[W]
[kg/m3]
[m3/s]
[m/s2]
[m]
[-]
[-]
[-]
[-]
Turbines hydrauliques
•
Turbine hydraulique = moteur convertissant l’énergie hydraulique
massique de l’eau en énergie mécanique
•
Turbines à réaction : Turbines transformant l’énergie de pression et
l’énergie cinétique en énergie mécanique. Sa roue est entièrement
immergée et son bâti doit être capable de supporter la pression de
service.
•
Turbines à action : Turbines dans lesquelles toute l’énergie
hydraulique massique est transformée en énergie cinétique avant
d’entrer en contact avec la roue. Celle-ci est entièrement dénoyée.
Turbines à action
Turbines Pelton
ΔZ : dès 60 m
Débits « faibles »
De 1 à 6 injecteurs
Grande flexibilité relativement aux variations de débit
Rendement élevé
Bonne protection contre les coups de béliers
Turbines à action
Turbines Turgo
ΔZ : de 50 à 250 m
'eau
d
t
e
j
ille
aigu
Débits « moyens »
Grande flexibilité relativement aux variations de débit
aubes de roue
Rendement moyen
Bonne protection contre les coups de béliers
Turbines à action
Turbines à flux traversant
ΔZ : de 5 à 200 m
distributeur
Débits « moyens »
roue
aubes
Grande flexibilité relativement aux variations de débit
Rendement faible
Fragilité mécanique
écoulement d'eau
Utilisée à tort pour les basses chutes
Turbines à réaction
Turbines Francis
ΔZ : de 25 à 350 m
Débits « moyens »
Faible flexibilité relativement aux variations de débit
Rendement élevé
Roue à aubes fixes
Récupération de l’énergie cinétique restante en sortie de roue importante
9
Turbines à réaction
Turbines diagonales
ΔZ : de 25 à 100 m
Débits « moyens »
Grande flexibilité relativement aux variations de débit
Rendement élevé
Roue à aubes mobiles
Récupération de l’énergie cinétique restante en sortie de roue importante
10
Turbines à réaction
Turbines Kaplan et hélices
ΔZ : de 2 à 40 m
Débits « élevés »
Forte flexibilité relativement aux variations de débit et de chute (Kaplan)
Rendement élevé
Roue à aubes mobiles (Kaplan) ou fixes (hélice)
Récupération de l’énergie cinétique restante en sortie de roue importante
Turbines pour applications particulières
•
•
•
Pelton en
contrepression
Rendement identique
à celui d’une Pelton
•
•
Pompe inversée pour
débits fixes ou travail en
éclusée.
Exécution spéciale
Rendement médiocre <
82%
Problématique de la perte de charge dans
une conduite forcée
•La perte de charge est une perte de pression due aux frottements et aux singularités de l’écoulement.
•La perte d’énergie dans une conduite forcée est inversement proportionnelle à la puissance cinquième de son diamètre.
•La perte de charge n’est pas une fatalité. Elle peut être réduite par le choix judicieux du diamètre de la conduite forcée.
•Le choix du diamètre d’une conduite forcée doit faire l’objet d’une étude technico‐économique.
•20 % d’augmentation de diamètre conduisent à 60% de réduction de la perte de charge.
Le choix de la conduite, un élément
déterminant
Conduite d’assainissement ou d’adduction
Conduite forcé pour le turbinage
Ecoulement libre => pas de mise en Grand diamètre = faible perte de pression
pression ou
y Puissance maximum, donc grande Ecoulement semi‐forcé => brises charges production
ou
Petit diamètre = grande perte de pression y Fonctionnement optimal de la turbine (faible variation de pression en :
fonction du débit,
y Pression qu’il faut de toute façon y Coût élevé, mais amorti par le gain de détruire
production. y Coût faible
Perte d’énergie dues à l’incrustation de charges
polluantes ou de calcaire sur les parois d’une
conduite forcée
Caractéristiques de l’installation :
Débit maximum : Q = 0.280 m3/s
Dénivellation : 115 m
Longueur de la conduite : 860 m
Perte de charge calculée par la formule de Colebrook
Rendement énergétique de la conduite :
Défini par le rapport entre la pression statique et la pression à débit
maximum
Perte énergétique dans une conduite
forcée encrassée.
Rendement
Perte de charge
énergétique de la
en m
conduite
Diamètre de la
conduite
Incrustation
312 mm
0 mm
22.7
0.803
312 mm
2 mm
44.2
0.616
380 mm
0 mm
8.5
0.926
380 mm
2 mm
15.5
0.865
Turbinage de l'eau potable:
Principe:
Valorisation de la pression
excédentaire du réseau
d'adduction
Principales précautions:
• Pas de dispositif de commande à
huile
• Acier inoxydable
• Réservoir ou/et by pass pour
assurer l'approvisionnement
• Conduite de diamètre suffisant
pour limiter la perte de charge
Station
Pompage
Turbinage
Vanne de garde
oui
oui
Organe de régulation de débit
non
oui
Roue liée à un arbre tournant
oui
oui
Joints d'arbre
oui
oui
Bâti et roue en contact avec l'eau
oui
oui
Paliers à roulement graissés à vie
oui
oui
Machine électrique
oui (moteur)
oui (génératrice)
Armoires électriques
oui
oui
Transformateur MT /BT
oui, si P > 10 kW
oui, si P > 10 kW
Matériaux de construction usuels
de la machine hydraulique
Acier, fonte, acier
inoxydable, bronze
Acier, fonte, acier
inoxydable, bronze
By pass automatique
Accès à l'eau
non
oui
Démontage nécessaire
Démontage nécessaire
Vitesse spécifique
n
QE
=
n⋅ Q
E
3
4
[m3/s]
Q
=
débit
E
=
énergie hydraulique massique à disposition de la machine [J/kg]
n
=
vitesse de rotation de la turbine
[t/s]
A chaque vitesse spécifique correspond un type de turbine, respectivement une forme de roue. Vitesse spécifique
D0
ns= 80
Ds
D0
A chaque vitesse spécifique correspond un type de turbine, respectivement une forme de roue. 10
ns= 200
Ds
Kaplan
Propeller
Bulb
Francis
Pelton
1
D0
ns= 300
0.1
Ds
D
ns= 514
0.01
1
10
100
Hn = E/g
1000
Vitesse spécifique
Pelton un injecteur
0.005 ≤ nQE ≤ 0.025
Pelton n injecteurs
0.005 ⋅ n ≤ nQE ≤ 0.025 ⋅ n
Francis
0.05 ≤ nQE ≤ 0.33
Kaplan, hélice, bulbe
0.19 ≤ nQE ≤ 1.55
0.5
0.5
Conception préliminaire
Turbines Pelton
H
n
D1 = 0.68 ⋅
B2 = 1.68 ⋅
De = 1.178 ⋅
D
B
1
2
> 3.0
Q
n
⋅
jet
Q
n
jet
1
H
⋅
1
gH
Conception préliminaire
Turbines Francis
D3 = 84.5 ⋅ (0.31 + 2.488 ⋅ n QE) ⋅
)⋅D
D = (0.4 + 0.095
n
1
3
QE
Pour n > 0.164
QE D
2
=
D
3
0.96 + 0.3781 ⋅ n QE
Pour n < 0.164
QE D =D
2
1
H
60 ⋅ n
Conception préliminaire
Turbines Kaplan
De = 84.5 ⋅ (0.79 + 1.602 ⋅ n QE) ⋅
Di = (0.25 +
0.0951
n
QE
) ⋅ De
H
60 ⋅ n
Critères de sélection
Chute nette
Type de turbine
Domaine d'utilisation
Kaplan et hélices
2 < Hn < 40
Francis
25 < Hn < 350
Pelton
50 < Hn < 1'300
Crossflow
5 < Hn < 200
Turgo
50 < Hn < 250
Critères de sélection
Débit
Il est en outre intéressant de connaître la variabilité du débit pour choisir le nombre de machine ou un type de turbine plutôt qu’un autre en cas de possibilités multiples.
Type de turbine
Capacité de réponse
Capacité de réponse
aux variations de débit aux variations de
chute
Pelton
Elevée
Basse
Francis
Moyenne
Basse
Kaplan à double Elevée
réglage
Kaplan simple
Elevée
réglage
Hélice
Basse
Elevée
Moyenne
Basse
Critères de sélection
Cavitation
Phénomène de vaporisation à température constante et pression variable.
Critères de sélection
Cavitation marginale
Cavitation en pleine pale
Cavitation au moyeu
Cavitation en entrée d’intrados
Critères de sélection
Cavitation
σ=
Caractérisée par le chiffre de thoma
NPSE est l’énergie massique nette à l'aspiration
Où Patm
Pv
ρ
g
V
H
Hs
=
=
=
=
=
= =
pression atmosphérique [Pa] tension de vapeur de l’eau
masse volumique de l’eau
accélération de la pesanteur
vitesse moyenne de sortie
chute nette
[m] hauteur d’aspiration
[Pa] [kg/m3] [m/s2] [m/s] [m] NPSE
gH
2
NPSE = Patm −Pv + v − gHs
ρ
2
Critères de sélection
Cavitation
2
Patm − Pv
=
+ v −σ ⋅H
Hs
ρ⋅g
2⋅g
Hauteur d’implantation admissible
Valeurs statistiques de σ
10
Francis
Kaplan
Francis
2
1.41
σ = 1.2715 ⋅ n QE +
v
2⋅g⋅ H
σ
1
Kaplan
0.1
2
1.46
σ = 1.5241 ⋅ n QE +
0.01
0.01
0.1
nQE
1
v
2⋅g⋅ H
Critères de sélection
Vitesses de rotation synchrones des alternateurs
Nombre Fréquence
de pôles
50 Hz
60Hz
Nombre Fréquence
de pôles
50 Hz
60 Hz
2
3000
3600
16
375
450
4
1500
1800
18
333
400
6
1000
1200
20
300
360
8
750
900
22
272
327
10
600
720
24
250
300
12
500
600
26
231
377
14
428
540
28
214
257
Critères de sélection
Vitesses d’emballement
Vitesse d'emballement
nmax/n
Type de turbine
Kaplan simple réglage
2.0 - 2.6
Kaplan double réglage
2.8 - 3.2
Francis
1.6 – 2.2
Pelton
1.8 – 1.9
Turgo
1.8 – 1.9
32
Rendement des turbines
Rendement : caractérise non seulement la capacité d’une turbine à
exploiter un site de manière optimale, mais également son
comportement hydraulique et hydrodynamique => garanties quant à
la production et l’investissement.
Rendement des turbines
Contrôle des performances sur site
•
•
•
•
•
Peu aisé à mettre en place et onéreux
Méthodes souvent non adaptées aux petites installations
Résultats toujours discutables
En général, pas de possibilités d'amélioration de la turbine si les
garanties ne sont pas atteintes
Le paiement des pénalités contractuelles ne compensent jamais
la perte de production sur la durée de vie de la turbine.
Rendement des turbines
Contrôle des performances en laboratoire
ƒ Développement et essais sur des turbines géométriquement
semblables aux prototypes
ƒ Résultats obtenus transposables (selon les normes internationales)
ƒ Possibilité de corriger les éventuels défauts avant de construire le
prototype
ƒ Coûts élevés, pouvant être évités pas la méthode de
systématisation
Rendement des turbines
Comparaison entre hydraulique testée et non testée
0.90
0.89
0.88
0.87
0.86
0.85
0.84
Développement en
laboratoire
0.83
η 0.82
Développement
empirique
0.81
0.80
0.79
0.78
0.77
0.76
0.75
0.74
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
Q/Qn
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
Rendement des turbines
Rendement type de petites turbines développées en laboratoire
1.0000
0.9500
0.9000
0.8500
ηη
0.8000
0.7500
0.7000
0.6500
Pelton 2 nozzles
Pelton 1 nozzle
Kaplan
0.6000
Propeller
Francis
0.5500
0.5000
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05
Q/Qmax
Rendement des turbines
Rendement maximum des petites turbines développées en laboratoire
Type de turbine
Meilleur rendement
Kaplan simple réglage
0.91
Kaplan double réglage
0.93
Francis
0.94
Pelton n injecteurs
0.90
Pelton 1 injecteur
0.89
Turgo
0.85
Petite centrale de La Rasse
(Evionnaz et St-Maurice – CH)
1 Pelton, axe vertical, 2 injecteurs
Mise en service:
1997
Dénivellation:
510 m
Débit max:
180 l/s
Puissance électrique: 715 kW
Production:
2'100'000 kWh/an
≅ 470 ménages
Conception:
Mhylab
Constructeur:
Gasa SA
Exploitant :
Service Industriel
La Zour (Savièse, CH)
1 Pelton, axe vertical
3 injecteurs
Mise en service:
Dénivellation:
Débit max:
Puissance électrique:
Production annuelle:
Conception:
Constructeur:
Exploitant:
2004
217 m
300 l/s
465 kW
1'800'000 kWh
(≅ 400 ménages)
Mhylab
Gasa SA
Commune de
Savièse
Centrale de Poggio Cuculo – Nuove Acque (I)
Turbine axiale à axe horizontal
Chute nette variable de 12.5 à 20.5 m
Puissance de 40 à 60 kW
Débit de dimensionnement 380 l/s
Conception hydraulique et ingénierie :
Mhylab
Constructeur : Desgranges Sàrl
Exploitant :
Nuove Acque
Et pour terminer quelques conseils :
• Etablir un cahier des charges précis pour les
équipements. Il existe de multiples fournisseurs
de qualités très diverses.
• Ne jamais croire des garanties de performance
et de fonctionnement si leur provenance n’est
pas avérée.
• Se rappeler qu’une machine bien conçue sera
simple, fiable et performante
Pour en savoir plus
http://www.esha.be/fileadmin/e
sha_files/documents/SHAPES/M
ultipurpose%20schemes%20bro
chure%20SHAPES.pdf
Mhylab
Chemin du Bois Jolens 6
CH - 1354 Montcherand
Suisse / Switzerland
Tel.: + 41 24 442 87 87
Fax: + 41 24 441 36 54
[email protected]
www.mhylab.com