CA1225118A - Installation hydroelectrique de basse chute - Google Patents
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Abstract
Installation hydroélectrique de basse chute, en particulier pour usine marémotrice, destinée à fonctionner sous des hauteurs de chute variables et pouvant descendre jusqu'à des valeurs voisines de zéro. Lorsque la hauteur de chute est inférieure à une valeur déterminée, inférieure à au moins la moitié de la chute nominale, on fait tourner la turbomachine à une vitesse inférieure à la vitesse de synchronisme et ramenant son rendement près du coeur de la colline de rendement; on intercale pour cela un convertisseur de fréquences entre la machine électrique tournante et le réseau, ledit convertisseur étant construit pour une puissance en tous cas inférieure à au moins la moitié de la puissance nominale. Et procédé pour l'obtention à la sortie d'une turbomachine hydraulique d'un rendement optimal sous une hauteur de chute ou de refoulement définie, dite nominale, correspondant à une puissance nominale d'une installation hydroélectrique de basse chute et pour une vitesse de rotation correspondant à la vitesse de synchronisme avec la fréquence d'un réseau électrique.
Description
lZZS~
La présente invention se rapporte à une installation hydro-électrique de basse chute destinée à fonctionner sous des hauteurs de chute ou de refoulement variables et pouvant descendre jusqu'à des valeurs très faibles, voisines de zéro, comme c'est par exemple le cas pour une installation hydre-électrique équipant une usine marémotrice.
La présente invention se rapporte également a un procédé pour l'obtention à la sortie d'une Turbo machine hydrau-figue d'un rendement optimal sous une hauteur de chute ou de refoulement définie, dite nominale, correspondant à une puis-séance nominale d'une installation hydro-électrique de basse chute et pour une vitesse de rotation correspondant à la vi-tusse de synchronisme avec la fréquence d'un réseau électrique.
On distingue de façon classique les centrales hydre-électriques de basse chute, du type centrales de rivières ou usines marémotrices, qui fonctionnent sous une hauteur de chute ou de refoulement comprise entre zéro et au maximum vingt mètres, et les centrales hydro~lectriques de haute chute, du type centrales de barrages, qui fonctionnent sous des heu--leurs de chute ou refoulement beaucoup plus élevées, fréquent-y ment de l'ordre de plusieurs centaines de mètres.
Pour certaines centrales de basse chute, en parti-cuiter pour les usines marémotrices, la chute peut varier dans de grandes proportions, mais chaque Turbo machine, telle que turbine, turbine-pompe ou pompe, est calculée et donc construite pour avoir le meilleur rendement au voisinage de la chute la plus fréquente, dite chute nominale. Pour les usines marémotrices par exemple, cette chute la plus ire-quinte, ou nominale est de l'ordre de 5 à 10 mètres.
Malheureusement le rendement de ces Turbo machines décroît très vite en déca de ces valeurs de chute, de sorte qu'en turbinage les chutes les plus basses, inférieures par exemple à la moitié ou au quart de la chute nominale, ne sont pas exploitées car elles ne sont pas assez rentables, et qu'en que S~18 pompage on est conduit à consommer une puissance assez cons-durable.
En prenant, à titre d'exemple illustra tif, le cas d'une usine marémotrice où la hauteur de chute varie en tuf-binage de 7 à 1 mètres et en pompage de 0 à 2 mètres, on consomme environ 300 GWh en pompage alors qu'on en produit 430 en turbinage.
L'in~ention a pour but de pallier ces inconvénients, et donc de permettre une plus grande production en turbinage et une plus faible consommation en pompage, grâce à des moyens permettant d'augmenter considérablement le rendement de la Turbo machine lorsque la chute devient inférieure à une frac-lion déterminée de la chute nominale.
Delon la présente invention, il est prévu une insu talassions hydro~lectrique de basse chute, du type comportant:
- au moins une Turbo machine hydraulique construite pour un rendement optimal sous une hauteur de chute ou de refoulement définie, dite nominale, correspondant à une puissance nominale de l'installation et pour une vitesse de rotation correspondant à la vitesse de synchronisme avec la fréquence d'un réseau électrique, et au moins une machine électrique tournante associée en entraînement à ladite Turbo machine et connecté électrique audit réseau, cette insu talassions comprenant:
des moyens de commande automatique permettant, de S faire tourner ladite Turbo machine à sa vitesse de synchronisme avec la fréquence du réseau, ces moyens comprenant des éléments permettant, lorsque la hauteur de chute ou de refoulement est inférieure à une valeur égale a une fraction déterminée de ladite hauteur nominale, inférieure à la moitié de cette hauteur nominale, de faire tourner ladite Turbo machine à une vitesse inférieure à ladite vitesse de synchronisme, et en conséquence dlintercaler entre ledit réseau et ladite machine électrique un dispositif adaptateur de fréquences de puissance ~Z5~
maximale au moins inférieure à la moitié de ladite puissance nominale.
Par ces moyens, on accroît considérablement le rendement de l'installation pour les plus faibles hauteurs de chute uniquement, de sorte qu'il en résulte pour certaines applications une diminution considérable de la puissance consommée en pompage qui passe par exemple dans le cas il lus-tratif évoqué précédemment, de 300 GWh environ à 200 GWh environ, et une augmentation appréciable de la puissance produite en turbinage, qui passe dans cet exemple de 430 GWh à 500 GWh environ. La puissance totale produite par cette usine marémotrice, citée pour fixer des ordres de grandeur, passe donc, grâce aux moyens de l'invention, de 130 à 300 GWh.
Bien évidemment, la réalisation de invention nécessite l'installation d'un convertisseur de fréquences qui, sol devait fonctionner pour toute la gamme de chute, serait à prohiber comme non rentable; il serait en effet d'un coït élevé pour pouvoir supporter de fortes puissances, et son rendement propre pourrait facilement chuter jusqu'à des valeurs de l'ordre de quelques pour cent. En utilisant, conformément à l'invention, un convertisseur de fréquences uniquement pour les très basses chutes, et donc les faibles puissances, celui-ci peut être construit pour une puissance maximale bien plus faible; de plus, sa perte de rendement propre devenant alors négligeable par rapport au gain de rendement dû à la diminué
lion de la vitesse de rotation de la Turbo machine, son utile-station devient très rentable. Ceci ne vient pas naturellement à l'esprit, car l'homme de métier calculant une installation d'une certaine puissance nominale est normalement enclin à
lui adjoindre un convertisseur de fréquences de même puissance, ce qui se révèle économiquement dissuasif comme on l'a montré
précédemment.
Selon la présente invention, il est également prévu un procédé pour l'obtention à la sortie d'une Turbo machine là
~;~Z5~
- fa -hydraulique d'un rendement optimal sous une hauteur de chute ou de refoulement définie, dite nominale, correspondant à une puissance nominale d'une installation hydro-électrique de basse chute et pour une vitesse de rotation correspondant à
la vitesse de synchronisme avec la fréquence d'un réseau le que, consistant:
- à intercaler entre ladite Turbo machine et ledit réseau un dispositif adapter de fréquence de puissance mari-maie au moins inférieure à la moitié de ladite puissance nominale, et de connecter ledit dispositif adapter de fréquence à ladite Turbo machine lorsque la hauteur de chute ou de ne-follement est inférieure à une valeur égale à une fraction déterminée de ladite hauteur, savoir quand ladite Turbo ma-chine tourne une vitesse inférieure à ladite vitesse de synchronisme.
L'inv~nti.on serf mieux comprise larde de la des-cription suivante d'un exemple de réalisation, destiné a une usine marémotrice, en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 est un schéma-blocs de l'installation hydro-électrique de l'invention, - la figure 2 est un faisceau de courbes permettant de mettre en valeur le gain de rendement du à invention Sur la figure 1, la référence 1 désigne une turbine-pompe reliée mécaniquement par un arbre 2 à une machine le trique tournante 3, fonctionnant en alternateur en turbinage et en moteur synchrone en pompage. Lorsque la Turbo machine 1 fonctionne en turbine, l'alternateur 3 a pour fate de fournir de l'énergie électrique au réseau électrique de distribution 4.
A contrarié, pour que la Turbo machine 1 fonctionne en pompe, le moteur synchrone 3 doit cire alimenté en énergie électrique par le réseau 4. En régime classique, la machine électrique 3 est directement couplée au réseau, de sorte Jo r lZ~5~
- 3b -qu'elle tourne obligatoirement à la vitesse de synchronisme correspondant a la fréquence de celui-ci. L'automate ou ordinateur de conduite 5 de la centrale hydro-électrique possède donc une connexion 6 vers la Turbo machine 1 chargée de faire tourner celle-ci à la vitesse de synchronisme avec la fréquence du réseau électrique alternatif 4.
De manière classique une turbine-pompe telle que 1 /
/
,' i y... .
- ~Z5~8 est calculée et construite pour fonctionner avec un rende-ment maximal, 90% par exemple, pour la hauteur de chute nominale, par exemple neuf moires. Pour cette chute nom-naze, elle fonctionne a puissance nominale, 17 M dans l'exemple considéré par exemple. Pour les hauteurs de chute situées en Doha de la chute nominale, le rendement de la turbine-pompe baisse ires vite. Dans l'exemple con-sidéré, lorsque la hauteur de chute baisse jusqu'à 2,5 moires et que la puissance qui en dépend n'est alors plus que de 5 Mû, le rendement de la Turbo machine n'est plus que de l'ordre de 45%.
Le constructeur fournit classiquement, pour une installation donnée, un diagramme topographique des courbes d'égal rendement, dite colline de rendement par analogie avec les lignes isohypses d'une colline sur une carte topo-graphique. Ces courbes sont tracées la plupart du temps en coordonnées réduites donnant le d~blt dans la turbom~chlne ramone une roue de un mètre de diamètre sous un mètre de chute en fonction de sa vitesse de rotation ramenée égalé-ment a une roue de un moire de diamètre sous un mètre rechute.
L'examen de cette colline de rendement n'est a priori pas ires encourageant en ce qui concerne les centrales devant fonctionner sous des hauteurs de chute variables, comme c'est le cas pour les usines marémotrices. On se rend compte en effet que le point de fonctionnement soi âne assez rapidement du coeur de la colline lorsque la chute baisse, et que le seul moyen de l'y ramener serait de baisser la vitesse de rotation de la Turbo machine, ce qui conduirait devoir installer un convertisseur de fréquences entre la machine électrique tournante et le roseau, destine à adapter la fréquence de fonctionnement de cette machine à la ire-quence fixe du roseau. Or une étude rapide montre vite que le bilan économique résultant de l'installation d'un tel 12~5~
- fa -convertisseur de fréquences est prohibitif. Pour des puis-séances nominales élevées, 17 a 20 M dans l'exemple cons-dore, un tel convertisseur est très onéreux, de sorte qu'il n'est pas rentable aux faibles puissances, et possède des pertes propres telles qu'au voisinage du coeur on ne pour-fait visiblement pas apporter de gain de rendement substan-tien.
La demanderesse a trouve qu'il était possible d'obtenir un bilan économique substantielle ment positif en installant, entre la machine électrique 3 et le roseau 4, un convertisseur de fréquences 7 de faible puissance maximale admissible, 5 M par exemple dans l'exemple cite ci-dessus ou la puissance nominale est de 17 M , et en n'in-ter calant ce convertisseur, normalement hors-circuit, que lorsque la hauteur de chute devient inférieure à une faible fraction de la hauteur nominale, de l'ordre du quart de gel-le-ci par exemple. On peut alors, par l'automate de con-dite 5, connexion 6, baisser la vitesse de rotation de la Turbo machine de manière en augmenter substantielle ment le rendement, avantageusement en ramenant celui-ci près de son maximum, par exemple à 87~. Corrélativement, l'au-tomate de conduite 5 commande le convertisseur de fréquences 7 par la connexion 8 pour lui permettre d'adapter la fréquence imposée par la vitesse, alors réduite, de la machine Electre-que 3, a la fréquence du réseau y.
Sur la figure 1, le dispositif permettant d'in-ter caler le convertisseur de fréquences 7 est schématise par deux commutateurs 9, 10 a deux positions, respectivement placés en amont et en aval , ~Z25~8 par un interrupteur 11 permettant de court-circuiter ledit convertisseur.
Ces trois contacteurs 9, 10, 11 sont commandés par l'automate de conduite 5, par le ligne schématisées en 12, 13, 14.
Le fonctionnement du dispositif de la figure 1 est le suivant :
En turbinage tout d'abord, tînt que la hauteur de chute reste supérieure une valeur définie Hé, par exemple 2,5 mètres pour une hauteur de chute no-minable de 9 mètres l'interrupteur 11 est ferré, les commutateurs 9 et 10 étant en position "2". Le convertisseur de fréquences 7 est court-circuité
et hors service. la turbine 1 tourne à fa vitesse de synchronisme avec la fréquence du réseau et l'alternateur 3 débite directement sur le réseau 4.
Lorsque la hauteur de chute devient égale ou inférieure à la Vu-leur Hé, dans ce que 2,5 mètres, l'automate 5 commande llouverture de l'in-ter rupteur 11, ce qui met le convertisseur 7 en circuit entre l'alternateur 3 et le réseau 4 ; en même temps lattâtes 5 commande, d'une part par la connexion 6 la vitesse de rotation de la turbine pour 18 faire baisser jus-qu'a une valeur, fonction de la chute, augmentant le rendement jusqu'à envi-non 85 87 %, et d'autre part pur la connexion 8, le convertisseur de ire-quences 7 pur kil fournie en sortie une tension électrique de Rouen ce égale à celle du réseau 4.
En pompage maintenant, la hauteur de chute, dite alors hauteur de refoulement, est généralement nulle au départ et peut augmenter progressive-ment par la fuite.
Il faut tout d'abord démarrer la pompe 1. Pour ceci, l'automate 5 commande l'ouverture de l'interrupteur 11 et place les commutateurs 9 et 1 en position "1", ce qui intercale le convertisseur 7 entre le réseau 4 et le moteur synchrone 3. L'automate 5 commande alors, par y connexion 8, le convertisseur 7 pour lui faire appliquer au moteur 3 une tension de fréquent ce progressivement croissante, 1 Hertz pour commencer, puis plusieurs Hertz au fur et à mesure que le moteur synchrone 3 commence tourner.
Le démarrage ôtant effectué, l'automate commande, par se connexions 8 et 6, la vitesse de rotation de la pompe pour lui donner la va-leur qui, pour la hauteur de refoulement considérée, correspond au rende-ment maximal.
Lorsque la hauteur de refoulement atteint la valeur ad précédez-ment définie, c'est-à-dire 2,5 mètres dan notre cas, il faut déconnecter le convertisseur 7 car il ne supporterait pas une plus grande puissance.
L'automate 5 commande alors la montée en fréquence du convertiR~eur 7 de fa-con faire tourner le moteur 3 la vitesse de synchronisme, puis la ferme-:~Z~5~
ivre de l'interrupteur 11, ce qui met le convertisseur 7 hors-circuit et couple le moteur 3 directement sur le réseau 4. Au-delà de la hauteur Hé, l'installation fonctionne donc comme une installation de pompage classique, à moteur synchrone 3 couplé nu réseau 4, et à pompe hydraulique 1.
On se reportera maintenant à la figure 2 où la demanderesse, pour mieux faire comprendre son invention, A tracé, en aidant de la colline de rendement de la Turbo machine 1, un faisceau de courbes représentant, pour différentes vitesses n de rotation de la Turbo machine 1, la variation du rendement y, en pour cent, en fonction de la hauteur de chute H en mètres.
La courbe 20 correspond au fonctionnement classique de la machine 1 sans le convertisseur 7, et pour la vitesse né de synchronisme correspond dent à un courant alternatif de 50 périodes. Elle montre un maximum de non-dament soit 90 %, pour la hauteur de chute nominale Hé soit mètres. La puissance fournie en turbine, ou consommée en pompe, qui comme on le sait dépend de la hauteur de chute H, est pour la hauteur nominale Hé de 17 M .
De part et d'autre de la valeur nominale Hé le rendement décroît très vite ; il n'est plus que de 75 Z pour une chute de 11 mètre, où la puissant ce est de y M , et de 45 X pour une chute de 2,5 mètres, of y p~i~snnce cet de 5 Y Pour une instullntion classique, on na fera pas fonctionner in turbine pour une hauteur de chute trop basse, inférieure à 1,5 mètre par exemple, car l'on perd plu alors en coût d'exploitation que ce que l'on gaz gène en turbinage.
La courbe 21 est la courbe correspondant à une hauteur de chute Hé de 7 mètres, d'environ 22 inférieure à la chute nominale Hé mais dans laquelle le rendement a été ramené à son maximum possible, soit 87 % dans cet exemple, par diminution appropriée de la vitesse de rotation de la tuf-bine, qui est passée à la valeur né, correspondant à une fréquence de cou--rani alternatif d'environ 44 périodes par seconde, déterminée par la "collé-ne", dans notre exemple. En comparant avec la valeur du rendement à Hé don-née par la courbe 20, on voit que le fait de baisser la vitesse de né à npne fait passer le rendement que de 82 % 87 X. Compte-tenu du coût élevé
d'installation et d'exploitation d'un convertisseur de fréquences de forte puissance et des pertes propres d'un tel convertisseur, justement de l'or-dure de 5 Z, un tel investissement apparat bien évidemment pas rentable llexploitation du procédé pour ces hauteurs de chute assez proches dû la chute nominale.
Les courbes 22, 23, 24, 25, 26 sont analogues à la courbe 21, mais sont tracées pour des hauteurs de chute inférieures à Hé, soit 2,5 me-:~22S11~3 ires, et pour les vitesses de rotation ni, né, né, et correspondant dans chaque cas AU maximum de rendement possible ; ces valeur encore déterminée par la "colline de rendement", correspondent respectivement des fréquences en Hertz de 23, 20, 18, et ... . Ces courbes montrent de fa-Lon frappante le gain de rendement important de la diminution adaptée dota vitesse de rotation. Pur ailleurs, le coût de l'installation et d'exploi-talion d'un convertisseur de 5 M au maximum, car devînt fonctionner unique-ment en dessous de Hé, est très inférieur celui d'un convertisseur de 17 M , de sorte que le bilan économique de l'opération vire très posé-tif.
Dans l'installation hydro-électrique de l'invention, dans la zôneentre 0 et ad où le convertisseur (7, figure 1) est opérationnel, la courbe de fonctionnement eût l'enveloppe des courbes 22, 23, 24, et ..., et est représentée en trait fort en 27. Le gain de rendement de invention est alors représenté par la zone hachurée comprise entre la courbe 27 et y par-lie inférieure de la courbe 20.
La présente invention se rapporte à une installation hydro-électrique de basse chute destinée à fonctionner sous des hauteurs de chute ou de refoulement variables et pouvant descendre jusqu'à des valeurs très faibles, voisines de zéro, comme c'est par exemple le cas pour une installation hydre-électrique équipant une usine marémotrice.
La présente invention se rapporte également a un procédé pour l'obtention à la sortie d'une Turbo machine hydrau-figue d'un rendement optimal sous une hauteur de chute ou de refoulement définie, dite nominale, correspondant à une puis-séance nominale d'une installation hydro-électrique de basse chute et pour une vitesse de rotation correspondant à la vi-tusse de synchronisme avec la fréquence d'un réseau électrique.
On distingue de façon classique les centrales hydre-électriques de basse chute, du type centrales de rivières ou usines marémotrices, qui fonctionnent sous une hauteur de chute ou de refoulement comprise entre zéro et au maximum vingt mètres, et les centrales hydro~lectriques de haute chute, du type centrales de barrages, qui fonctionnent sous des heu--leurs de chute ou refoulement beaucoup plus élevées, fréquent-y ment de l'ordre de plusieurs centaines de mètres.
Pour certaines centrales de basse chute, en parti-cuiter pour les usines marémotrices, la chute peut varier dans de grandes proportions, mais chaque Turbo machine, telle que turbine, turbine-pompe ou pompe, est calculée et donc construite pour avoir le meilleur rendement au voisinage de la chute la plus fréquente, dite chute nominale. Pour les usines marémotrices par exemple, cette chute la plus ire-quinte, ou nominale est de l'ordre de 5 à 10 mètres.
Malheureusement le rendement de ces Turbo machines décroît très vite en déca de ces valeurs de chute, de sorte qu'en turbinage les chutes les plus basses, inférieures par exemple à la moitié ou au quart de la chute nominale, ne sont pas exploitées car elles ne sont pas assez rentables, et qu'en que S~18 pompage on est conduit à consommer une puissance assez cons-durable.
En prenant, à titre d'exemple illustra tif, le cas d'une usine marémotrice où la hauteur de chute varie en tuf-binage de 7 à 1 mètres et en pompage de 0 à 2 mètres, on consomme environ 300 GWh en pompage alors qu'on en produit 430 en turbinage.
L'in~ention a pour but de pallier ces inconvénients, et donc de permettre une plus grande production en turbinage et une plus faible consommation en pompage, grâce à des moyens permettant d'augmenter considérablement le rendement de la Turbo machine lorsque la chute devient inférieure à une frac-lion déterminée de la chute nominale.
Delon la présente invention, il est prévu une insu talassions hydro~lectrique de basse chute, du type comportant:
- au moins une Turbo machine hydraulique construite pour un rendement optimal sous une hauteur de chute ou de refoulement définie, dite nominale, correspondant à une puissance nominale de l'installation et pour une vitesse de rotation correspondant à la vitesse de synchronisme avec la fréquence d'un réseau électrique, et au moins une machine électrique tournante associée en entraînement à ladite Turbo machine et connecté électrique audit réseau, cette insu talassions comprenant:
des moyens de commande automatique permettant, de S faire tourner ladite Turbo machine à sa vitesse de synchronisme avec la fréquence du réseau, ces moyens comprenant des éléments permettant, lorsque la hauteur de chute ou de refoulement est inférieure à une valeur égale a une fraction déterminée de ladite hauteur nominale, inférieure à la moitié de cette hauteur nominale, de faire tourner ladite Turbo machine à une vitesse inférieure à ladite vitesse de synchronisme, et en conséquence dlintercaler entre ledit réseau et ladite machine électrique un dispositif adaptateur de fréquences de puissance ~Z5~
maximale au moins inférieure à la moitié de ladite puissance nominale.
Par ces moyens, on accroît considérablement le rendement de l'installation pour les plus faibles hauteurs de chute uniquement, de sorte qu'il en résulte pour certaines applications une diminution considérable de la puissance consommée en pompage qui passe par exemple dans le cas il lus-tratif évoqué précédemment, de 300 GWh environ à 200 GWh environ, et une augmentation appréciable de la puissance produite en turbinage, qui passe dans cet exemple de 430 GWh à 500 GWh environ. La puissance totale produite par cette usine marémotrice, citée pour fixer des ordres de grandeur, passe donc, grâce aux moyens de l'invention, de 130 à 300 GWh.
Bien évidemment, la réalisation de invention nécessite l'installation d'un convertisseur de fréquences qui, sol devait fonctionner pour toute la gamme de chute, serait à prohiber comme non rentable; il serait en effet d'un coït élevé pour pouvoir supporter de fortes puissances, et son rendement propre pourrait facilement chuter jusqu'à des valeurs de l'ordre de quelques pour cent. En utilisant, conformément à l'invention, un convertisseur de fréquences uniquement pour les très basses chutes, et donc les faibles puissances, celui-ci peut être construit pour une puissance maximale bien plus faible; de plus, sa perte de rendement propre devenant alors négligeable par rapport au gain de rendement dû à la diminué
lion de la vitesse de rotation de la Turbo machine, son utile-station devient très rentable. Ceci ne vient pas naturellement à l'esprit, car l'homme de métier calculant une installation d'une certaine puissance nominale est normalement enclin à
lui adjoindre un convertisseur de fréquences de même puissance, ce qui se révèle économiquement dissuasif comme on l'a montré
précédemment.
Selon la présente invention, il est également prévu un procédé pour l'obtention à la sortie d'une Turbo machine là
~;~Z5~
- fa -hydraulique d'un rendement optimal sous une hauteur de chute ou de refoulement définie, dite nominale, correspondant à une puissance nominale d'une installation hydro-électrique de basse chute et pour une vitesse de rotation correspondant à
la vitesse de synchronisme avec la fréquence d'un réseau le que, consistant:
- à intercaler entre ladite Turbo machine et ledit réseau un dispositif adapter de fréquence de puissance mari-maie au moins inférieure à la moitié de ladite puissance nominale, et de connecter ledit dispositif adapter de fréquence à ladite Turbo machine lorsque la hauteur de chute ou de ne-follement est inférieure à une valeur égale à une fraction déterminée de ladite hauteur, savoir quand ladite Turbo ma-chine tourne une vitesse inférieure à ladite vitesse de synchronisme.
L'inv~nti.on serf mieux comprise larde de la des-cription suivante d'un exemple de réalisation, destiné a une usine marémotrice, en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 est un schéma-blocs de l'installation hydro-électrique de l'invention, - la figure 2 est un faisceau de courbes permettant de mettre en valeur le gain de rendement du à invention Sur la figure 1, la référence 1 désigne une turbine-pompe reliée mécaniquement par un arbre 2 à une machine le trique tournante 3, fonctionnant en alternateur en turbinage et en moteur synchrone en pompage. Lorsque la Turbo machine 1 fonctionne en turbine, l'alternateur 3 a pour fate de fournir de l'énergie électrique au réseau électrique de distribution 4.
A contrarié, pour que la Turbo machine 1 fonctionne en pompe, le moteur synchrone 3 doit cire alimenté en énergie électrique par le réseau 4. En régime classique, la machine électrique 3 est directement couplée au réseau, de sorte Jo r lZ~5~
- 3b -qu'elle tourne obligatoirement à la vitesse de synchronisme correspondant a la fréquence de celui-ci. L'automate ou ordinateur de conduite 5 de la centrale hydro-électrique possède donc une connexion 6 vers la Turbo machine 1 chargée de faire tourner celle-ci à la vitesse de synchronisme avec la fréquence du réseau électrique alternatif 4.
De manière classique une turbine-pompe telle que 1 /
/
,' i y... .
- ~Z5~8 est calculée et construite pour fonctionner avec un rende-ment maximal, 90% par exemple, pour la hauteur de chute nominale, par exemple neuf moires. Pour cette chute nom-naze, elle fonctionne a puissance nominale, 17 M dans l'exemple considéré par exemple. Pour les hauteurs de chute situées en Doha de la chute nominale, le rendement de la turbine-pompe baisse ires vite. Dans l'exemple con-sidéré, lorsque la hauteur de chute baisse jusqu'à 2,5 moires et que la puissance qui en dépend n'est alors plus que de 5 Mû, le rendement de la Turbo machine n'est plus que de l'ordre de 45%.
Le constructeur fournit classiquement, pour une installation donnée, un diagramme topographique des courbes d'égal rendement, dite colline de rendement par analogie avec les lignes isohypses d'une colline sur une carte topo-graphique. Ces courbes sont tracées la plupart du temps en coordonnées réduites donnant le d~blt dans la turbom~chlne ramone une roue de un mètre de diamètre sous un mètre de chute en fonction de sa vitesse de rotation ramenée égalé-ment a une roue de un moire de diamètre sous un mètre rechute.
L'examen de cette colline de rendement n'est a priori pas ires encourageant en ce qui concerne les centrales devant fonctionner sous des hauteurs de chute variables, comme c'est le cas pour les usines marémotrices. On se rend compte en effet que le point de fonctionnement soi âne assez rapidement du coeur de la colline lorsque la chute baisse, et que le seul moyen de l'y ramener serait de baisser la vitesse de rotation de la Turbo machine, ce qui conduirait devoir installer un convertisseur de fréquences entre la machine électrique tournante et le roseau, destine à adapter la fréquence de fonctionnement de cette machine à la ire-quence fixe du roseau. Or une étude rapide montre vite que le bilan économique résultant de l'installation d'un tel 12~5~
- fa -convertisseur de fréquences est prohibitif. Pour des puis-séances nominales élevées, 17 a 20 M dans l'exemple cons-dore, un tel convertisseur est très onéreux, de sorte qu'il n'est pas rentable aux faibles puissances, et possède des pertes propres telles qu'au voisinage du coeur on ne pour-fait visiblement pas apporter de gain de rendement substan-tien.
La demanderesse a trouve qu'il était possible d'obtenir un bilan économique substantielle ment positif en installant, entre la machine électrique 3 et le roseau 4, un convertisseur de fréquences 7 de faible puissance maximale admissible, 5 M par exemple dans l'exemple cite ci-dessus ou la puissance nominale est de 17 M , et en n'in-ter calant ce convertisseur, normalement hors-circuit, que lorsque la hauteur de chute devient inférieure à une faible fraction de la hauteur nominale, de l'ordre du quart de gel-le-ci par exemple. On peut alors, par l'automate de con-dite 5, connexion 6, baisser la vitesse de rotation de la Turbo machine de manière en augmenter substantielle ment le rendement, avantageusement en ramenant celui-ci près de son maximum, par exemple à 87~. Corrélativement, l'au-tomate de conduite 5 commande le convertisseur de fréquences 7 par la connexion 8 pour lui permettre d'adapter la fréquence imposée par la vitesse, alors réduite, de la machine Electre-que 3, a la fréquence du réseau y.
Sur la figure 1, le dispositif permettant d'in-ter caler le convertisseur de fréquences 7 est schématise par deux commutateurs 9, 10 a deux positions, respectivement placés en amont et en aval , ~Z25~8 par un interrupteur 11 permettant de court-circuiter ledit convertisseur.
Ces trois contacteurs 9, 10, 11 sont commandés par l'automate de conduite 5, par le ligne schématisées en 12, 13, 14.
Le fonctionnement du dispositif de la figure 1 est le suivant :
En turbinage tout d'abord, tînt que la hauteur de chute reste supérieure une valeur définie Hé, par exemple 2,5 mètres pour une hauteur de chute no-minable de 9 mètres l'interrupteur 11 est ferré, les commutateurs 9 et 10 étant en position "2". Le convertisseur de fréquences 7 est court-circuité
et hors service. la turbine 1 tourne à fa vitesse de synchronisme avec la fréquence du réseau et l'alternateur 3 débite directement sur le réseau 4.
Lorsque la hauteur de chute devient égale ou inférieure à la Vu-leur Hé, dans ce que 2,5 mètres, l'automate 5 commande llouverture de l'in-ter rupteur 11, ce qui met le convertisseur 7 en circuit entre l'alternateur 3 et le réseau 4 ; en même temps lattâtes 5 commande, d'une part par la connexion 6 la vitesse de rotation de la turbine pour 18 faire baisser jus-qu'a une valeur, fonction de la chute, augmentant le rendement jusqu'à envi-non 85 87 %, et d'autre part pur la connexion 8, le convertisseur de ire-quences 7 pur kil fournie en sortie une tension électrique de Rouen ce égale à celle du réseau 4.
En pompage maintenant, la hauteur de chute, dite alors hauteur de refoulement, est généralement nulle au départ et peut augmenter progressive-ment par la fuite.
Il faut tout d'abord démarrer la pompe 1. Pour ceci, l'automate 5 commande l'ouverture de l'interrupteur 11 et place les commutateurs 9 et 1 en position "1", ce qui intercale le convertisseur 7 entre le réseau 4 et le moteur synchrone 3. L'automate 5 commande alors, par y connexion 8, le convertisseur 7 pour lui faire appliquer au moteur 3 une tension de fréquent ce progressivement croissante, 1 Hertz pour commencer, puis plusieurs Hertz au fur et à mesure que le moteur synchrone 3 commence tourner.
Le démarrage ôtant effectué, l'automate commande, par se connexions 8 et 6, la vitesse de rotation de la pompe pour lui donner la va-leur qui, pour la hauteur de refoulement considérée, correspond au rende-ment maximal.
Lorsque la hauteur de refoulement atteint la valeur ad précédez-ment définie, c'est-à-dire 2,5 mètres dan notre cas, il faut déconnecter le convertisseur 7 car il ne supporterait pas une plus grande puissance.
L'automate 5 commande alors la montée en fréquence du convertiR~eur 7 de fa-con faire tourner le moteur 3 la vitesse de synchronisme, puis la ferme-:~Z~5~
ivre de l'interrupteur 11, ce qui met le convertisseur 7 hors-circuit et couple le moteur 3 directement sur le réseau 4. Au-delà de la hauteur Hé, l'installation fonctionne donc comme une installation de pompage classique, à moteur synchrone 3 couplé nu réseau 4, et à pompe hydraulique 1.
On se reportera maintenant à la figure 2 où la demanderesse, pour mieux faire comprendre son invention, A tracé, en aidant de la colline de rendement de la Turbo machine 1, un faisceau de courbes représentant, pour différentes vitesses n de rotation de la Turbo machine 1, la variation du rendement y, en pour cent, en fonction de la hauteur de chute H en mètres.
La courbe 20 correspond au fonctionnement classique de la machine 1 sans le convertisseur 7, et pour la vitesse né de synchronisme correspond dent à un courant alternatif de 50 périodes. Elle montre un maximum de non-dament soit 90 %, pour la hauteur de chute nominale Hé soit mètres. La puissance fournie en turbine, ou consommée en pompe, qui comme on le sait dépend de la hauteur de chute H, est pour la hauteur nominale Hé de 17 M .
De part et d'autre de la valeur nominale Hé le rendement décroît très vite ; il n'est plus que de 75 Z pour une chute de 11 mètre, où la puissant ce est de y M , et de 45 X pour une chute de 2,5 mètres, of y p~i~snnce cet de 5 Y Pour une instullntion classique, on na fera pas fonctionner in turbine pour une hauteur de chute trop basse, inférieure à 1,5 mètre par exemple, car l'on perd plu alors en coût d'exploitation que ce que l'on gaz gène en turbinage.
La courbe 21 est la courbe correspondant à une hauteur de chute Hé de 7 mètres, d'environ 22 inférieure à la chute nominale Hé mais dans laquelle le rendement a été ramené à son maximum possible, soit 87 % dans cet exemple, par diminution appropriée de la vitesse de rotation de la tuf-bine, qui est passée à la valeur né, correspondant à une fréquence de cou--rani alternatif d'environ 44 périodes par seconde, déterminée par la "collé-ne", dans notre exemple. En comparant avec la valeur du rendement à Hé don-née par la courbe 20, on voit que le fait de baisser la vitesse de né à npne fait passer le rendement que de 82 % 87 X. Compte-tenu du coût élevé
d'installation et d'exploitation d'un convertisseur de fréquences de forte puissance et des pertes propres d'un tel convertisseur, justement de l'or-dure de 5 Z, un tel investissement apparat bien évidemment pas rentable llexploitation du procédé pour ces hauteurs de chute assez proches dû la chute nominale.
Les courbes 22, 23, 24, 25, 26 sont analogues à la courbe 21, mais sont tracées pour des hauteurs de chute inférieures à Hé, soit 2,5 me-:~22S11~3 ires, et pour les vitesses de rotation ni, né, né, et correspondant dans chaque cas AU maximum de rendement possible ; ces valeur encore déterminée par la "colline de rendement", correspondent respectivement des fréquences en Hertz de 23, 20, 18, et ... . Ces courbes montrent de fa-Lon frappante le gain de rendement important de la diminution adaptée dota vitesse de rotation. Pur ailleurs, le coût de l'installation et d'exploi-talion d'un convertisseur de 5 M au maximum, car devînt fonctionner unique-ment en dessous de Hé, est très inférieur celui d'un convertisseur de 17 M , de sorte que le bilan économique de l'opération vire très posé-tif.
Dans l'installation hydro-électrique de l'invention, dans la zôneentre 0 et ad où le convertisseur (7, figure 1) est opérationnel, la courbe de fonctionnement eût l'enveloppe des courbes 22, 23, 24, et ..., et est représentée en trait fort en 27. Le gain de rendement de invention est alors représenté par la zone hachurée comprise entre la courbe 27 et y par-lie inférieure de la courbe 20.
Claims (5)
1. Installation hydroélectrique de basse chute, du type comportant:
- au moins une turbomachine hydraulique construite pour un rendement optimal sous une hauteur de chute ou de refoulement définie (Hn), dite nominale, correspondant à une puissance nominale (Pn) de l'installation et pour une vitesse de rotation correspondant à la vitesse de synchronisme (ns) avec la fréquence d'un réseau électrique, et au moins une machine électrique tournant associée en entraînement à ladite turbomachine et connectée électriquement audit réseau, cette installation comprenant:
- des moyens de commande automatique permettant, de faire tourner ladite turbomachine à sa vitesse de synchronisme avec la fréquence du réseau, ces moyens comprenant des éléments permettant, lorsque la hauteur de chute ou de refoulement est inférieure à une valeur (Hd) égale à une fraction déter-minée de ladite hauteur nominale (Hn), inférieure à la moitié
de cette hauteur nominale, de faire tourner ladite turbomachine à une vitesse inférieure à ladite vitesse de synchronisme, et en conséquence d'intercaler entre ledit réseau et ladite machine électrique un dispositif adaptateur de fréquences de puissance maximale au moins inférieure à la moitié de ladite puissance nominale.
- au moins une turbomachine hydraulique construite pour un rendement optimal sous une hauteur de chute ou de refoulement définie (Hn), dite nominale, correspondant à une puissance nominale (Pn) de l'installation et pour une vitesse de rotation correspondant à la vitesse de synchronisme (ns) avec la fréquence d'un réseau électrique, et au moins une machine électrique tournant associée en entraînement à ladite turbomachine et connectée électriquement audit réseau, cette installation comprenant:
- des moyens de commande automatique permettant, de faire tourner ladite turbomachine à sa vitesse de synchronisme avec la fréquence du réseau, ces moyens comprenant des éléments permettant, lorsque la hauteur de chute ou de refoulement est inférieure à une valeur (Hd) égale à une fraction déter-minée de ladite hauteur nominale (Hn), inférieure à la moitié
de cette hauteur nominale, de faire tourner ladite turbomachine à une vitesse inférieure à ladite vitesse de synchronisme, et en conséquence d'intercaler entre ledit réseau et ladite machine électrique un dispositif adaptateur de fréquences de puissance maximale au moins inférieure à la moitié de ladite puissance nominale.
2. Installation hydroélectrique de basse chute selon la revendication 1, dans laquelle ladite fraction déter-minée de la hauteur nominale est de l'ordre du quart de cette dernière.
3. Installation hydroélectrique de basse chute selon la revendication 1, dans laquelle lesdits moyens sont des moyens de commande automatique faisant tourner, lorsque ladite hauteur de chute ou de refoulement devient inférieure à ladite valeur (Hd), ladite turbomachine à la vitesse donnant le rendement maximal pour cette turbomachine.
4. Installation hydroélectrique de basse chute selon la revendication 1, 2, ou 3, du type selon lequel ladite turbomachine et ladite machine électrique sont des machines réversibles, turbine et alternateur en turbinage, pompe et moteur électrique en pompage, dans laquelle on utilise un seul et même dispositif adaptateur de fréquences en turbinage et en pompage et dans laquelle lesdits moyens permettent, lorsque la hauteur de chute est inférieure à ladite valeur (Hd), de brancher en turbinage ledit dispositif adaptateur entre l'alternateur entraîné par la turbine et le réseau électrique qu'il alimente, et de brancher en pompage ce dis-positif adaptateur entre le réseau électrique d'alimentation et le moteur électrique entraînant le pompe.
5. Procédé pour l'obtention à la sortie d'une tur-bomachine hydraulique d'un rendement optimal sous une hauteur de chute ou de refoulement définie (Hn), dite nominale, correspondant à une puissance nominale (Pn) d'une installation hydroélectrique de basse chute et pour une vitesse de rotation correspondant à la vitesse de synchronisme (ns) avec la fré-quence d'un réseau électrique, consistant:
- à intercaler entre ladite turbomachine et ledit réseau un dispositif adaptateur de fréquence de puissance maximale au moins inférieure à la moitié de ladite puissance nominale, et - de connecter ledit dispositif adapteur de fré-quences à ladite turbomachine lorsque la hauteur de chute ou de refoulement est inférieure à une valeur (Hd) égale à une fraction déterminée de ladite hauteur, à savoir quand ladite turbomachine tourne à une vitesse inférieure à ladite vitesse de synchronisme.
- à intercaler entre ladite turbomachine et ledit réseau un dispositif adaptateur de fréquence de puissance maximale au moins inférieure à la moitié de ladite puissance nominale, et - de connecter ledit dispositif adapteur de fré-quences à ladite turbomachine lorsque la hauteur de chute ou de refoulement est inférieure à une valeur (Hd) égale à une fraction déterminée de ladite hauteur, à savoir quand ladite turbomachine tourne à une vitesse inférieure à ladite vitesse de synchronisme.
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