FR3090758A1 - Pumped storage hydroelectric device - Google Patents

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Abstract

Dispositif hydroélectrique de pompage-turbinage. L’invention concerne un dispositif hydroélectrique de pompage-turbinage permettant notamment pompage, turbinage, et/ou production d’électricité, notamment destiné à équiper les aménagements hydroélectriques comprenant une Station de Transfert d’Energie par Pompage. Il est constitué d’une turbine (1) à pales réglables liée à un alternateur électrique (6) via des arbres (2) et (4) et un dispositif de liaison (5), et d’une turbine-pompe (9), également liée à l’arbre (4) via un arbre (8) et un dispositif de liaison (7). Les éléments sont placés dans un carter (12) immergé dans un conduit hydraulique (100). La sortie basse pression de la turbine-pompe (9) est reliée à une conduite forcée (11) et la haute pression est reliée à la partie amont (101) du conduit hydraulique (100). La turbine (1) peut turbiner l’eau entre la partie amont (101) et la partie aval (102) du conduit hydraulique (100). Figure pour l’abrégé : Fig. 1Pumped storage hydroelectric device. The invention relates to a pumped storage hydroelectric device allowing in particular pumping, turbining, and / or production of electricity, in particular intended to equip hydroelectric installations comprising a Pumped Energy Transfer Station. It consists of a turbine (1) with adjustable blades linked to an electric alternator (6) via shafts (2) and (4) and a connection device (5), and a pump-turbine (9) , also linked to the shaft (4) via a shaft (8) and a connecting device (7). The elements are placed in a casing (12) immersed in a hydraulic conduit (100). The low pressure outlet of the pump-turbine (9) is connected to a penstock (11) and the high pressure is connected to the upstream part (101) of the hydraulic conduit (100). The turbine (1) can turbinate the water between the upstream part (101) and the downstream part (102) of the hydraulic conduit (100). Figure for the abstract: Fig. 1

Description

DescriptionDescription

Titre de l'invention : Dispositif hydroélectrique de pompageturbinageTitle of the invention: Hydroelectric pumping device

[0001] La présente invention concerne un dispositif hydroélectrique de pompage-turbinage. Ce dispositif fait notamment appel à une turbine de basse ou moyenne chute, à une turbine-pompe de moyenne ou haute chute, et à un alternateur électrique, liés mécaniquement par des dispositifs de liaison et des arbres, et associés dans un carter immergé dans un conduit hydraulique.The present invention relates to a pumped storage hydroelectric device. This device uses in particular a low or medium drop turbine, a medium or high drop pump turbine, and an electric alternator, mechanically linked by connecting devices and shafts, and associated in a casing immersed in a hydraulic conduit.

[0002] A l’heure actuelle, les Stations de Transfert d’Energie par Pompage, ou STEP, sont un des moyens les plus efficaces et les moins coûteux de stocker de l’énergie fournie sous forme électrique. Leur principe est simple : deux bassins à des altitudes différentes sont reliés par un circuit hydraulique. Une pompe, alimentée en électricité, permet de pomper de l’eau depuis le bassin inférieur vers le bassin supérieur, via le circuit hydraulique. L’énergie électrique consommée par la pompe est donc stockée sous forme d’énergie potentielle de l’eau. Un turbine permet de turbiner l’eau passant du bassin supérieur vers le bassin inférieur, via ce même circuit hydraulique, et de transformer l’énergie potentielle de l’eau en énergie électrique, permettant ainsi de la restituer lorsque c’est nécessaire.[0002] At present, Pumping Energy Transfer Stations, or STEPs, are one of the most efficient and least expensive means of storing energy supplied in electrical form. Their principle is simple: two basins at different altitudes are connected by a hydraulic circuit. A pump, supplied with electricity, makes it possible to pump water from the lower basin to the upper basin, via the hydraulic circuit. The electrical energy consumed by the pump is therefore stored in the form of potential energy from water. A turbine makes it possible to turbinate the water passing from the upper basin to the lower basin, via this same hydraulic circuit, and to transform the potential energy of the water into electrical energy, thus making it possible to restore it when it is necessary.

[0003] De nombreuses STEP existent dans le Monde. Une bonne partie d’entre elles utilisent, en tant que bassin inférieur, une retenue créée par un barrage en rivière. Ce barrage est souvent situé sur une chaîne d’ouvrages, et donc lui-même équipé de turbines permettant de turbiner les apports naturels de la rivière qu’il barre, sous une certaine hauteur de chute (souvent de l’ordre de quelques mètres à quelques dizaines de mètres). La STEP fonctionne quant à elle plus souvent sur des hauteurs de chute de l’ordre de quelques dizaines à plusieurs centaines de mètres.Many STEP exist in the World. A good part of them use, as a lower basin, a reservoir created by a river dam. This dam is often located on a chain of works, and therefore itself equipped with turbines making it possible to turbinate the natural contributions of the river which it crosses, under a certain height of fall (often of the order of a few meters to a few tens of meters). The STEP works more often on heights of fall of the order of a few tens to several hundred meters.

[0004] L’exploitation de ce type d’aménagement mixte comportant une STEP dont le bassin inférieur est constitué par une retenue créée par un barrage en rivière (appelé par la suite « barrage aval ») pose fréquemment plusieurs problèmes.The exploitation of this type of mixed development comprising a WWTP whose lower basin is constituted by a reservoir created by a river dam (hereinafter called "downstream dam") frequently poses several problems.

[0005] Premièrement, il est fréquent de devoir restituer, à l’aval du barrage aval, des débits les plus constants possibles, pour éviter les variations de débits et de niveaux à l’aval et donc des risques pour les populations et les constructions, une désoptimisation des ouvrages aval et des problèmes pour la navigation éventuelle. Le fait de devoir restituer des débits constants à l’aval va à l’encontre de l’optimisation énergétique, qui requiert souvent de pouvoir moduler la production, et donc les débits turbinés par les turbines de ce barrage aval.First, it is common to have to restore, downstream of the downstream dam, the most constant flows possible, to avoid variations in flows and levels downstream and therefore risks for people and buildings , a desoptimization of downstream structures and problems for possible navigation. The fact of having to restore constant flows downstream goes against energy optimization, which often requires being able to modulate production, and therefore the flows turbinated by the turbines of this downstream dam.

[0006] Deuxièmement, les groupes hydroélectriques de la STEP fonctionnant sur des hauteurs de chute souvent très différentes de celles des turbines du barrage aval, il n’est pas possible d’utiliser les mêmes groupes hydroélectriques pour turbiner ou pomper les eaux entre le bassin supérieur et le bassin inférieur de la STEP, et pour turbiner les eaux du bassin inférieur de la STEP vers l’aval du barrage aval. Il est donc souvent nécessaire de réaliser deux usines distinctes comprenant deux types de groupes (souvent des turbines-pompes de type Francis pour la STEP et des turbines de type Kaplan pour le barrage aval), ce qui implique des coûts importants, notamment de génie-civil et de matériels électriques.Secondly, the hydroelectric groups of the WWTP operating on heights of fall often very different from those of the turbines of the downstream dam, it is not possible to use the same hydroelectric groups to turbine or pump the water between the basin upper and lower WWTP, and to turbine the water from the lower WWTP downstream of the downstream dam. It is therefore often necessary to build two separate factories comprising two types of groups (often Francis-type pump-turbines for WWTP and Kaplan-type turbines for the downstream dam), which involves significant costs, in particular engineering- civil and electrical equipment.

[0007] Troisièmement, les groupes hydroélectriques de la STEP, lorsqu’ils fonctionnent en pompage, doivent être alimentés en énergie depuis le réseau électrique. Les coûts d’énergie et de raccordement au réseau associés sont souvent importants et grèvent parfois fortement la rentabilité de tels aménagements.Thirdly, the hydroelectric power plants of the WWTP, when they operate in pumping mode, must be supplied with energy from the electricity network. The associated energy and grid connection costs are often significant and sometimes seriously affect the profitability of such installations.

[0008] Quatrièmement, les groupes turbine-pompe usuels ne permettent pas de réaliser le réglage du réseau électrique (en tension et en fréquence) et de rendre des servicessystèmes lorsqu’ils fonctionnent en mode pompage. Une source importante de bénéfices est ainsi perdue. Les modifications à apporter à ces groupes usuels (passage à vitesse variable) pour permettre ce réglage en mode pompage sont souvent complexes et très coûteux.Fourth, the usual turbine-pump groups do not make it possible to adjust the electrical network (in voltage and in frequency) and to render service systems when they are operating in pumping mode. An important source of profit is thus lost. The modifications to be made to these usual groups (switching to variable speed) to allow this adjustment in pumping mode are often complex and very costly.

[0009] Le dispositif objet de la présente invention permet de remédier à ces inconvénients. Il permet en effet de coupler mécaniquement une turbine de basse ou moyenne chute avec une turbine-pompe de haute ou moyenne chute et un alternateur électrique unique, le tout dans un carter immergé du type de ceux habituellement utilisés sur les groupes hydroélectriques bulbes usuels. Ce dispositif permet particulièrement mais non limitativement de diminuer très nettement les coûts globaux des installations hydroélectriques comprenant une STEP dont le bassin inférieur est constitué par un barrage en rivière, ainsi que les coûts de pompage, de rendre des services systèmes au réseau, y compris en pompage, et d’optimiser énergétiquement l’aménagement.The device object of the present invention overcomes these drawbacks. It makes it possible to mechanically couple a low or medium drop turbine with a high or medium drop turbine pump and a single electric alternator, all in a submerged casing of the type usually used on conventional bulb hydroelectric groups. This device makes it possible, in particular but not limited to, to very clearly reduce the overall costs of hydroelectric installations comprising a WWTP whose lower basin is constituted by a river dam, as well as the pumping costs, to render system services to the network, including pumping, and optimize the layout energetically.

[0010] Il comporte en effet une turbine hydraulique de basse ou moyenne chute, avec pales réglables, par exemple de type Kaplan. Le débit turbiné par cette turbine est noté Q1 et la hauteur de chute exploitée par cette turbine est notée Hl. Les pales de la turbines sont réglables de manière à ce que l’on puisse choisir son sens de rotation en turbinage, en jouant sur l’orientation des pales.It in fact comprises a hydraulic turbine of low or medium fall, with adjustable blades, for example of the Kaplan type. The flow turbinated by this turbine is noted Q1 and the height of fall exploited by this turbine is noted Hl. The blades of the turbines are adjustable so that one can choose its direction of rotation during turbines, by adjusting the orientation of the blades.

[0011] Cette turbine est liée à un premier arbre pouvant tourner autour du même axe que la turbine, et peut l’entraîner en rotation dans les deux sens. Ce premier arbre est lié mécaniquement, par l’intermédiaire d’un premier dispositif de liaison, à un second arbre, pouvant tourner autour du même axe. Ce premier dispositif de liaison peut être une liaison directe (dans ce cas ces deux arbres peuvent n’en former qu’un) ou un multiplicateur de vitesse. Ce premier dispositif de liaison lie en rotation ces deux arbres, à la même vitesse ou à des vitesses différentes selon le dispositif choisi. Ce second arbre peut entraîner en rotation un alternateur électrique, dans les deux sens de rotation. Cet alternateur électrique permet la transformation de la puissance mécanique fournie par le second arbre en puissance électrique, qui peut ensuite être évacuée, par exemple sur un réseau électrique.This turbine is linked to a first shaft that can rotate around the same axis as the turbine, and can drive it in rotation in both directions. This first shaft is mechanically linked, by means of a first connecting device, to a second shaft, which can rotate around the same axis. This first link device can be a direct link (in this case these two shafts can form only one) or a speed multiplier. This first connecting device rotates these two shafts, at the same speed or at different speeds depending on the device chosen. This second shaft can rotate an electric alternator, in both directions of rotation. This electrical alternator allows the mechanical power supplied by the second shaft to be transformed into electrical power, which can then be discharged, for example on an electrical network.

[0012] Ce second arbre est également lié mécaniquement, par l’intermédiaire d’un deuxième dispositif de liaison, à un troisième arbre, pouvant tourner autour du même axe, dans les deux sens de rotation. Ce deuxième dispositif de liaison peut être liaison directe (dans ce cas ces deux arbres peuvent n’en former qu’un), ou un coupleur hydraulique ou un coupleur mécanique. Ce deuxième dispositif de liaison permet à n’importe lequel de ces deux arbres d’entraîner l’autre en rotation ou d’être entraîné par l’autre en rotation. Il permet aussi de dissocier ces deux arbres, et permet donc à n’importe lequel de ces deux arbres de tourner sans entraîner l’autre.This second shaft is also mechanically linked, via a second connecting device, to a third shaft, which can rotate around the same axis, in both directions of rotation. This second connection device can be a direct connection (in this case these two shafts can form only one), or a hydraulic coupler or a mechanical coupler. This second connecting device allows any of these two shafts to drive the other in rotation or to be driven by the other in rotation. It also allows you to dissociate these two trees, and therefore allows any of these two trees to rotate without driving the other.

[0013] Ce troisième arbre est lié directement à une turbine-pompe de moyenne ou haute chute, par exemple de type Francis, pouvant tourner autour du même axe, dans les deux sens de rotation. Ce troisième arbre peut donc entraîner en rotation la turbinepompe, ou être entraîné en rotation par elle. Le débit turbiné par cette turbine-pompe est nommé Q2, et la hauteur de chute sur laquelle il peut être turbiné est nommée H2, le débit pompé est lui noté Q3, et la hauteur de chute sur laquelle il peut être pompé est noté H3. L’aval de la turbine-pompe est relié à la partie amont du conduit hydraulique, dans lequel la turbine-pompe peut prélever ou restituer de l’eau. L’amont de la turbinepompe est connecté, par exemple via une bâche spirale, à une conduite forcée qui traverse le carter et le conduit hydraulique.This third shaft is directly linked to a medium or high fall turbine pump, for example of the Francis type, which can rotate around the same axis, in both directions of rotation. This third shaft can therefore rotate the pump turbine, or be rotated by it. The flow turbinated by this pump-turbine is named Q2, and the head of fall over which it can be blown is called H2, the pumped flow is noted Q3, and the head of fall on which it can be pumped is noted H3. The downstream of the pump-turbine is connected to the upstream part of the hydraulic conduit, in which the pump-pump can take or restore water. The upstream of the turbine pump is connected, for example via a spiral cover, to a penstock which crosses the casing and the hydraulic conduit.

[0014] Cette conduite forcée peut par exemple être reliée à un bassin supérieur permettant de stocker de l’eau.This penstock can for example be connected to an upper basin for storing water.

[0015] Les arbres, l’alternateur électrique, les dispositifs de liaisons et l’ensemble des auxiliaires nécessaires au fonctionnement sont placés dans un carter immergé, par exemple du type de celui des carters utilisés habituellement pour les groupes hydroélectriques immergés usuels de type bulbe. Ce carter forme, avec les structures d’étanchéité de la turbine et de la turbine-pompe, un ensemble étanche ou quasiment étanche, à l’intérieur duquel les différents éléments sus-cités sont placés.The shafts, the electric alternator, the connection devices and all of the auxiliaries necessary for operation are placed in a submerged casing, for example of the type of that of the casings usually used for the usual submerged bulb type hydroelectric groups. . This casing forms, with the sealing structures of the turbine and of the pump-turbine, a sealed or almost sealed assembly, inside which the various aforementioned elements are placed.

[0016] Ce carter est placé dans un conduit hydraulique. Ce conduit hydraulique permet la circulation de l’eau depuis l’amont vers l’aval de la turbine, et donc la mise en mouvement de celle-ci, à l’image des conduits hydrauliques dans lesquels sont habituellement placés les groupes hydroélectriques bulbes usuels. Ce conduit hydraulique peut, si nécessaire, être muni de vannes (par exemple vanne amont et/ou vanne aval) et/ou d’un mécanisme de réglage du débit ou de l’écoulement et/ou d’un distributeur.This housing is placed in a hydraulic conduit. This hydraulic conduit allows the circulation of water from upstream to downstream of the turbine, and therefore setting it in motion, like the hydraulic conduits in which the usual bulb hydroelectric groups are usually placed. . This hydraulic conduit can, if necessary, be fitted with valves (for example upstream valve and / or downstream valve) and / or a mechanism for adjusting the flow or flow and / or a distributor.

[0017] Plusieurs modes de fonctionnement sont possibles, dont les trois principaux sont dé4 taillées ci-dessous.Several operating modes are possible, the main three of which are detailed below.

[0018] Le premier mode de fonctionnement principal, appelé mode « simple turbinage », consiste à déconnecter le 3ème arbre (et donc la turbine-pompe) des deux autres arbres, via le deuxième dispositif de liaison, et à turbiner avec la turbine un débit Q1 sur la hauteur de chute Hl. Cette turbine tourne alors dans un premier sens, appelé « sens A ». Dans ce cas, l’alternateur électrique est entraîné par cette turbine, via le premier et le second arbre ainsi que le premier dispositif de liaison, et il produit une puissance électrique Pl. Pl est égale au produit du rendement de l’installation dans cette configuration rl (comprenant entre autres le rendement de la turbine, du premier dispositif de liaison, et de l’alternateur électrique) par Hl et Q1 : Pl = rl * Q1 * Hl. La turbinepompe est quant à elle à l’arrêt.[0018] The first main mode of operation, called "single turbine" mode, is to disconnect the 3rd shaft (and thus the pump turbine) of the two other shafts via the second connecting device, and the turbines with the turbine a flow Q1 over the fall height Hl. This turbine then turns in a first direction, called "direction A". In this case, the electric alternator is driven by this turbine, via the first and the second shaft as well as the first connecting device, and it produces an electrical power Pl. Pl is equal to the product of the efficiency of the installation in this rl configuration (including among others the efficiency of the turbine, the first connection device, and the electric alternator) by Hl and Q1: Pl = rl * Q1 * Hl. The turbine pump is stopped.

[0019] Le deuxième mode de fonctionnement principal, appelé mode « double turbinage » consiste à connecter le troisième arbre au second arbre, via le second dispositif de liaison. La turbine est entraînée par un débit Ql’ sur une hauteur de chute Hl’, et tourne dans le sens A, comme dans le mode précédent. Elle permet à l’alternateur électrique de produire une puissance électrique Pl’. La turbine-pompe fonctionne quant à elle en mode turbine, et voit transiter un débit Q2 sur une hauteur de chute H2, via la conduite forcée. En mode turbinage, la turbine-pompe tourne également dans le sens A. Elle est alimentée en eau depuis la conduite forcée traversant le conduit hydraulique. La puissance électrique P2 développée par l’alternateur électrique de par l’action mécanique de la turbine-pompe est égale au produit du rendement de l’installation dans cette configuration r2 (comprenant entre autres le rendement de la turbine-pompe, du deuxième dispositif de liaison, et de l’alternateur électrique) par H2 et Q2 : P2 = r2 * Q2 * H2. L’alternateur électrique fournit donc une puissance électrique Ptot = Pl’ + P2, en recevant mécaniquement les puissances développées par la turbine et par la turbine-pompe, qui fonctionnent toutes les deux en mode turbinage et dans le même sens, entraînant l’alternateur électrique. A la sortie basse pression de la turbine-pompe, l’eau turbinée par la turbine-pompe est restituée dans la partie amont du conduit hydraulique. Elle peut donc ensuite être turbinée par la turbine.The second main operating mode, called "double turbine" mode, consists in connecting the third shaft to the second shaft, via the second connecting device. The turbine is driven by a flow Ql ’over a falling height Hl’, and rotates in direction A, as in the previous mode. It allows the electric alternator to produce an electrical power Pl ’. The turbine pump operates in turbine mode, and sees a flow Q2 through a drop height H2, via the penstock. In turbine mode, the pump-turbine also rotates in direction A. It is supplied with water from the penstock passing through the hydraulic conduit. The electric power P2 developed by the electric alternator by the mechanical action of the pump-turbine is equal to the product of the efficiency of the installation in this configuration r2 (including inter alia the efficiency of the pump-turbine, of the second device of connection, and of the electric alternator) by H2 and Q2: P2 = r2 * Q2 * H2. The electric alternator therefore supplies an electric power Ptot = Pl '+ P2, by mechanically receiving the powers developed by the turbine and by the pump-turbine, which both operate in turbine mode and in the same direction, driving the alternator electric. At the low pressure outlet of the pump-turbine, the water turbined by the pump-turbine is returned in the upstream part of the hydraulic conduit. It can therefore then be turbinated by the turbine.

[0020] Le troisième mode de fonctionnement principal, appelé mode « turbinage-pompage » consiste à connecter le troisième arbre au second arbre, via le deuxième dispositif de liaison, et à orienter les pales de la turbine de façon à ce que le turbinage (toujours depuis l’amont du conduit hydraulique vers l’aval) fasse tourner cette turbine dans le sens inverse des deux modes précédents, appelé « sens B ». La turbine est donc entraînée par un débit Ql” sur une hauteur de chute Hl”, toujours en turbinage d’amont vers l’aval, mais tourne cette fois-ci dans le sens B, l’orientation des pales de cette turbine ayant été inversée. La turbine-pompe fonctionne donc quant à elle en mode pompage, son sens de rotation étant également inversé. Elle voit donc transiter, en pompage, un débit Q3 sur une hauteur de chute H3. Les caractéristiques des débits Ql” et Q3 peuvent être ajustées par les organes de réglage pour que l’ensemble de la puissance mécanique produite par la turbine en turbinage soit absorbé par la turbinepompe pour le pompage. Ce transfert de puissance mécanique entre la turbine (productrice de puissance) et la turbine-pompe (consommatrice de puissance), se fait directement via les arbres et les dispositifs de liaison, avec peu de pertes. L’alternateur électrique est mis en rotation, mais peut ne pas produire ou consommer d’électricité. La turbine entraîne donc mécaniquement la turbine-pompe qui fonctionne en pompe. Cette turbine-pompe prélève l’eau dans la partie amont du conduit hydraulique, et la restitue dans la conduite forcée. Dans ce mode de fonctionnement, il est possible de fournir des services-systèmes au réseau, en effectuant des opérations de réglage sur la turbine (réglage des pales par exemple), alors que la turbine-pompe est en train de pomper.The third main operating mode, called "pumped-storage" mode, consists in connecting the third shaft to the second shaft, via the second connecting device, and in orienting the blades of the turbine so that the turbining ( always from upstream of the hydraulic line downstream) turn this turbine in the opposite direction to the two previous modes, called "direction B". The turbine is therefore driven by a flow Ql ”over a fall height Hl”, still in turbines from upstream to downstream, but this time turns in direction B, the orientation of the blades of this turbine having been reversed. The pump turbine therefore operates in pumping mode, its direction of rotation also being reversed. It therefore sees passing, in pumping, a flow Q3 over a fall height H3. The characteristics of the flow rates Q1 ”and Q3 can be adjusted by the regulating members so that all of the mechanical power produced by the turbine in turbines is absorbed by the turbine pump for pumping. This transfer of mechanical power between the turbine (power producer) and the pump-turbine (power consumer), takes place directly via the shafts and the connecting devices, with little loss. The electric alternator is rotated, but may not produce or consume electricity. The turbine therefore mechanically drives the pump-turbine which operates as a pump. This pump-turbine draws water from the upstream part of the hydraulic pipe and returns it to the penstock. In this operating mode, it is possible to provide system services to the network, by carrying out adjustment operations on the turbine (adjustment of the blades for example), while the turbine-pump is pumping.

[0021] A titre totalement indicatif, on peut noter qu’en mode de turbinage double, l’ordre de grandeur du produit H1’*Q1’ est le même que celui du produit H2*Q2, modulo les divers rendements et pertes. De la même manière, en mode turbinage-pompage, l’ordre de grandeur du produit H1”*Q1” est le même que celui du produit H3*Q3, modulo les divers rendements et pertes, là encore.Completely indicative, it can be noted that in double turbine mode, the order of magnitude of the product H1 ’* Q1’ is the same as that of the product H2 * Q2, modulo the various yields and losses. In the same way, in turbine-pumping mode, the order of magnitude of the product H1 "* Q1" is the same as that of the product H3 * Q3, modulo the various returns and losses, there again.

[0022] L’ensemble de ce dispositif peut être notamment mais non limitativement placé au niveau d’un barrage en rivière créant la retenue aval d’une STEP. La conduite forcée peut par exemple être reliée à une bassin situé en altitude, constituant la retenue amont de la STEP, dans lequel l’eau est prélevée lorsque la turbine-pompe est en mode turbinage, ou dans lequel elle est restituée lorsque la turbine-pompe est en mode pompage.All of this device can be in particular but not limited to placed at a river dam creating the downstream reservoir of a WWTP. The penstock can for example be connected to a basin located at an altitude, constituting the upstream reservoir of the WWTP, in which the water is withdrawn when the turbine-pump is in turbine mode, or in which it is returned when the turbine- pump is in pumping mode.

[0023] Ainsi, ce dispositif permet soit le turbinage simple par la turbine, soit le turbinage double par la turbine et la turbine-pompe, pour la production d’électricité, soit le transfert de puissance mécanique direct entre la turbine et la turbine-pompe, pour assurer le pompage par exemple sans avoir recours à l’énergie électrique, en mode turbinage-pompage. Il permet donc de réaliser l’ensemble des opérations que permet de réaliser l’association d’un barrage en rivière et d’une STEP, mais avec des coûts de construction et d’installation (génie-civil et matériels électriques notamment), et des coûts de pompages bien inférieurs, et en permettant la fourniture de services systèmes au réseau lorsque la turbine-pompe est en mode pompage, et avec peu de variation du débit restitué à l’aval.Thus, this device allows either simple turbination by the turbine, or double turbination by the turbine and the pump-turbine, for the production of electricity, or the transfer of direct mechanical power between the turbine and the turbine- pump, to ensure pumping, for example without having to use electrical energy, in turbine-pumping mode. It therefore makes it possible to carry out all of the operations which the association of a river dam and a WWTP makes it possible to carry out, but with construction and installation costs (civil engineering and electrical equipment in particular), and much lower pumping costs, and allowing the supply of system services to the network when the pump-turbine is in pumping mode, and with little variation in the flow restored downstream.

[0024] [fig.l] illustre l’invention et présente une vue en coupe générale et schématique d’un mode particulier de réalisation du dispositif objet de l’invention.[Fig.l] illustrates the invention and presents a general and schematic sectional view of a particular embodiment of the device object of the invention.

[0025] En référence à ce dessin, le dispositif comporte un conduit hydraulique (100) dont la partie amont (101) et la partie aval (102) sont séparés par une turbine (1) hydraulique de basse ou moyenne chute. Cette turbine (1) peut entrainer mécaniquement en rotation un premier arbre (2) tournant autour du même axe. Cet entrainement peut se faire dans les deux sens de rotation. Un dispositif de réglage (3) permet la manœuvre des pales de la turbine (1), à l’ouverture, dans un sens comme dans l’autre, et à la fermeture.Referring to this drawing, the device comprises a hydraulic conduit (100), the upstream part (101) and the downstream part (102) are separated by a hydraulic turbine (1) of low or medium fall. This turbine (1) can mechanically drive in rotation a first shaft (2) rotating around the same axis. This training can be done in both directions of rotation. An adjustment device (3) allows the blades of the turbine (1) to be operated, when opening, in one direction as in the other, and when closing.

[0026] Ce premier arbre (2) peut entrainer en rotation un deuxième arbre (4) tournant autour du même axe, via un premier dispositif de liaison (5). Cet entrainement peut se faire dans les deux sens de rotation. Ce deuxième arbre (4) peut entrainer lui-même alternateur électrique (6) tournant autour du même axe.This first shaft (2) can rotate a second shaft (4) rotating around the same axis, via a first connecting device (5). This training can be done in both directions of rotation. This second shaft (4) can itself drive an electric alternator (6) rotating around the same axis.

[0027] Ce deuxième arbre (4) est également lié, via un deuxième dispositif de liaison (7), à un troisième arbre (8) tournant autour du même axe. Ce troisième arbre (8) peut être entraîné en rotation par l’arbre (4), ou entraîner en rotation l’arbre (4), via le deuxième dispositif de liaison (7). Le troisième arbre (8) est lui-même lié mécaniquement à une turbine-pompe (9) de moyenne ou haute chute, tournant autour du même axe. Cette turbine-pompe (9) peut être entraînée en rotation par ce troisième arbre (8) ou l’entraîner en rotation.This second shaft (4) is also linked, via a second connecting device (7), to a third shaft (8) rotating around the same axis. This third shaft (8) can be rotated by the shaft (4), or rotate the shaft (4), via the second connecting device (7). The third shaft (8) is itself mechanically linked to a pump-pump (9) of medium or high fall, rotating around the same axis. This turbine pump (9) can be driven in rotation by this third shaft (8) or drive it in rotation.

[0028] La sortie basse-pression de cette turbine-pompe (9) communique avec la partie amont (101) du conduit hydraulique (100). La sortie haute-pression de cette turbine-pompe (9) est une bâche spirale (10) dont l’exutoire est une conduite forcée (11).The low-pressure outlet of this pump turbine (9) communicates with the upstream part (101) of the hydraulic conduit (100). The high-pressure outlet of this pump turbine (9) is a spiral tank (10), the outlet of which is a penstock (11).

[0029] Le premier arbre (2), le dispositif de réglage (3) des pales, le second arbre (4), le premier dispositif de liaison (5), l’alternateur électrique (6), le second dispositif de liaison (7), le troisième arbre (8) ainsi que tous les éléments nécessaires au fonctionnement de ces organes sont disposés dans un carter (12), qui, avec les dispositifs d’étanchéité de la turbine-pompe (9) et de la turbine (1) forment un ensemble étanche ou quasiment étanche, à l’image du carter d’un groupe hydroélectrique usuel de type bulbe. Ce carter (12) est placé dans le conduit hydraulique (100), et place la turbinepompe (9) dans la partie amont (101) de ce conduit hydraulique, et la turbine (1) entre la partie aval (102) et la partie amont (101) de ce conduit hydraulique (100). Un puits (13) permet d’accéder à l’intérieur du carter (12), de réaliser le montage et la maintenance.The first shaft (2), the adjusting device (3) of the blades, the second shaft (4), the first connecting device (5), the electric alternator (6), the second connecting device ( 7), the third shaft (8) and all the elements necessary for the operation of these members are arranged in a casing (12), which, with the sealing devices of the pump-impeller (9) and of the impeller ( 1) form a sealed or almost sealed assembly, like the casing of a conventional bulb type hydroelectric group. This casing (12) is placed in the hydraulic conduit (100), and places the pump turbine (9) in the upstream part (101) of this hydraulic conduit, and the turbine (1) between the downstream part (102) and the part upstream (101) of this hydraulic conduit (100). A well (13) provides access to the interior of the housing (12), for mounting and maintenance.

[0030] Selon un mode particulier de réalisation, la turbine (1) peut être de type Kaplan, à pales réglables dans les deux sens.According to a particular embodiment, the turbine (1) can be of the Kaplan type, with blades adjustable in both directions.

[0031] Selon un mode particulier de réalisation, la turbine-pompe (9) peut être de type Francis réversible.According to a particular embodiment, the pump-turbine (9) can be of the reversible Francis type.

[0032] Selon un mode particulier de réalisation, le dispositif de liaison (5) peut être un multiplicateur de vitesse, ou une liaison directe, ou un coupleur hydraulique, ou un coupleur mécanique.According to a particular embodiment, the connection device (5) can be a speed multiplier, or a direct connection, or a hydraulic coupler, or a mechanical coupler.

[0033] Selon un mode particulier de réalisation, le dispositif de liaison (7) peut être un coupleur hydraulique ou un coupleur mécanique, ou une liaison directe, ou un multiplicateur de vitesse.According to a particular embodiment, the connecting device (7) can be a hydraulic coupler or a mechanical coupler, or a direct link, or a speed multiplier.

[0034] Selon une variante particulière, le carter (12) peut être muni de pièces mobiles permettant de guider l’écoulement, selon le mode d’utilisation du dispositif.According to a particular variant, the casing (12) can be provided with moving parts making it possible to guide the flow, according to the mode of use of the device.

[0035] [fig.2] et [Fig. 3] illustrent la variante de l’invention où le carter (12) est muni de telles pièces mobiles, et présentent chacune une vue en coupe générale et schématique d’un mode particulier de réalisation de cette variante, dans deux modes différents de fonctionnement.[Fig.2] and [Fig. 3] illustrate the variant of the invention where the casing (12) is provided with such moving parts, and each has a general and schematic sectional view of a particular embodiment of this variant, in two different modes of operation.

[0036] En référence à ces dessins, une série de dispositifs de transmission de mouvement (201) permet le mouvement d’une série de pièce mobiles (202). Le mouvement de ces pièces mobiles (202) permet de modifier les propriétés hydrodynamiques de l’ensemble, et donc de modifier l’écoulement dans la partie amont (101) du conduit hydraulique (100). Les flèches évidées (301) représentent le sens de l’écoulement dans le conduit hydraulique (100). Les flèches pleines (302) représentent le sens de l’écoulement dans la conduite forcée (11).Referring to these drawings, a series of motion transmission devices (201) allows the movement of a series of moving parts (202). The movement of these moving parts (202) makes it possible to modify the hydrodynamic properties of the assembly, and therefore to modify the flow in the upstream part (101) of the hydraulic conduit (100). The hollowed out arrows (301) represent the direction of flow in the hydraulic conduit (100). The solid arrows (302) represent the direction of flow in the penstock (11).

[0037] [fig.2] représente le dispositif en mode « double turbinage ». Le positionnement des pièces mobiles (201) permet à l’eau d’être restituée avec peu de pertes de charges dans la partie amont (101) du conduit hydraulique (100), après la sortie de la turbine-pompe (9). L’écoulement vers la turbine (1) n’est ainsi pas perturbé. La turbine-pompe (9) est alimentée par l’eau provenant de la conduite forcée (11).[Fig.2] shows the device in "double turbines" mode. The positioning of the moving parts (201) allows the water to be returned with little pressure drop in the upstream part (101) of the hydraulic conduit (100), after the outlet of the pump-turbine (9). The flow to the turbine (1) is thus not disturbed. The turbine pump (9) is supplied with water from the penstock (11).

[0038] [fig.3] représente le dispositif en mode « turbinage-pompage ». Le positionnement des pièces mobiles (201) permet à l’eau d’être captée dans la partie amont (101) du conduit hydraulique (100) et d’être acheminée avec peu de pertes de charges jusqu’à la roue de la turbine-pompe (9) pour y être pompée. L’écoulement vers la turbine (1) n’est ainsi pas perturbé. L’eau pompée par la turbine-pompe (9) est évacuée par la conduite forcée (H).[Fig.3] shows the device in "turbine-pumping" mode. The positioning of the moving parts (201) allows the water to be captured in the upstream part (101) of the hydraulic conduit (100) and to be conveyed with little pressure drop to the turbine wheel. pump (9) to be pumped there. The flow to the turbine (1) is thus not disturbed. The water pumped by the turbine pump (9) is discharged through the penstock (H).

[0039] Selon un mode particulier de réalisation de cette variante, les dispositifs de mise en mouvement (201) peuvent être des vérins hydrauliques.According to a particular embodiment of this variant, the movement setting devices (201) can be hydraulic cylinders.

[0040] Selon un mode particulier de réalisation de cette variante, les pièces mobiles (202) peuvent être réalisées de la même façon que les directrices des groupes hydroélectriques usuels et l’ensemble des pièces mobiles (202) et des dispositifs de mise en mouvement (201) peut être réalisés de la même façon que les distributeurs réglables des groupes hydroélectriques usuels.According to a particular embodiment of this variant, the moving parts (202) can be produced in the same way as the directors of the usual hydroelectric groups and all of the moving parts (202) and the movement setting devices. (201) can be produced in the same way as the adjustable distributors of the usual hydroelectric groups.

[0041] En pratique, et à titre d’exemple non limitatif, les débits et hauteurs de chutes concernés par le dispositif peuvent avoir les ordres de grandeur suivants. Le débit turbiné par la turbine (1) basse ou moyenne chute peut aller de l’ordre de quelques m3/s à plusieurs centaines de m3/s. La hauteur de chute exploitée par la turbine (1) de basse ou moyenne chute peut aller de l’ordre de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres. Le débit turbiné ou pompé par la turbine-pompe (9) peut aller de l’ordre de quelques m3/s à plusieurs centaines de m3/s. La hauteur de chute exploitée par la turbine-pompe (9) peut aller de l’ordre de quelques dizaines de mètres à plusieurs centaines de mètres.In practice, and by way of nonlimiting example, the flow rates and heights of falls concerned by the device can have the following orders of magnitude. The flow turbinated by the low or medium drop turbine (1) can range from a few m3 / s to several hundred m3 / s. The height of fall exploited by the low or medium fall turbine (1) can range from a few meters to several tens of meters. The flow turbinated or pumped by the pump-turbine (9) can range from a few m3 / s to several hundred m3 / s. The height of fall exploited by the pump-turbine (9) can range from a few tens of meters to several hundred meters.

[0042] Le dispositif objet de la présente invention permet donc le turbinage simple par la turbine (1) des débits à rejeter à l’aval du dispositif, et la production d’énergie électrique grâce à ce turbinage, le turbinage double, par la turbine (1) et par la turbinepompe (9), et la production d’énergie électrique grâce à ces deux turbinages, sur un alternateur électrique commun, le turbinage-pompage, où la turbine (1) fournit mécaniquement et directement la puissance nécessaire à la turbine-pompe (9) pour qu’elle puisse pomper, sans passage par le réseau électrique.The device object of the present invention therefore allows simple turbining by the turbine (1) of the flow rates to be discharged downstream of the device, and the production of electrical energy thanks to this turbination, the double turbination, by the turbine (1) and by the pump turbine (9), and the production of electrical energy by means of these two turbines, on a common electric alternator, turbine-pumping, where the turbine (1) mechanically and directly supplies the power necessary for the turbine pump (9) so that it can pump, without passing through the electrical network.

[0043] Le dispositif objet de la présente invention peut donc être destiné notamment, mais non limitativement, à l’équipement industriel d’aménagements hydroélectriques associant une Station de Transfert d’Energie par Pompage et un barrage en rivière. Dans le cas où le barrage en rivière constitue le barrage de la retenue inférieure de la STEP, l’invention est tout particulièrement adaptée.The device object of the present invention can therefore be intended in particular, but not limited to, the industrial equipment of hydroelectric facilities combining an Energy Transfer Pumping Station and a river dam. In the case where the river dam constitutes the dam of the lower WWTP reservoir, the invention is particularly suitable.

[0044] L’invention présente notamment les avantages non-limitatifs ci-après. Elle permet de réduire notablement les coûts de construction de ce type d’aménagements. Elle permet d’éviter des variations de débit à l’aval du barrage aval sans désoptimisation énergétique. Elle permet la réduction des coûts de pompage. Elle permet de réaliser du réglage et donc de fournir des services-systèmes au réseau, même lorsque la turbinepompe est en mode pompage.The invention has in particular the following non-limiting advantages. It significantly reduces the construction costs of this type of development. It avoids flow variations downstream of the downstream dam without energy de-optimization. It reduces pumping costs. It allows adjustment and therefore to provide system services to the network, even when the pump turbine is in pumping mode.

[0045] La présente invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation particuliers décrits ou représentés.The present invention is not limited to the particular embodiments described or shown.

Claims (1)

Revendications Claims [Revendication 1] [Claim 1] Un dispositif hydroélectrique de pompage-turbinage, caractérisé en ce qu’il comporte une turbine (1) de basse ou moyenne chute avec pales réglables dans les deux sens par un dispositif de réglage (3), pouvant tourner dans les deux sens de rotation, liée mécaniquement à un premier arbre (2), et pouvant l’entraîner en rotation autour du même axe, dans les deux sens de rotation, ce premier arbre (2) étant lié mécaniquement, via un premier dispositif de liaison (5) à un second arbre (4), et pouvant l’entraîner en rotation autour du même axe, dans les deux sens de rotation, ce second arbre (4) pouvant entraîner en rotation autour du même axe un alternateur électrique (6), dans les deux sens de rotation, ce second arbre (4) étant également lié mécaniquement, par un second dispositif de liaison (7), à une troisième arbre (8), et pouvant l’entraîner en rotation ou être entraîné en rotation par lui autour du même axe, dans les deux sens de rotation, ce troisième arbre (8) étant lui-même lié mécaniquement à une turbine-pompe (9) de moyenne ou haute chute, et pouvant l’entraîner en rotation ou être entraîné en rotation par elle autour du même axe, dans les deux sens de rotation, en ce que les arbres (2), (4) et (8), l’alternateur électrique (6), les dispositifs de liaison (5) et (7), et les éléments nécessaires au fonctionnement de ces organes sont contenus dans un carter (12) immergé dans un conduit hydraulique (100) permettant d’alimenter en eau la turbine (1), et en ce que cette turbine (1) peut turbiner l’eau provenant de la partie amont (101) du conduit hydraulique (100) vers la partie aval (102), et en ce que la sortie basse pression de la turbine-pompe (9) est reliée à la partie amont (101) de ce conduit hydraulique (100), et en ce que la sortie haute pression de la turbine-pompe (9) est reliée à une conduite forcée (11) traversant le conduit hydraulique (100). A pumped storage hydroelectric device, characterized in that it comprises a low or medium drop turbine (1) with blades adjustable in both directions by an adjustment device (3), which can rotate in both directions of rotation, mechanically linked to a first shaft (2), and capable of driving it in rotation about the same axis, in both directions of rotation, this first shaft (2) being mechanically linked, via a first connecting device (5) to a second shaft (4), and being able to drive it in rotation about the same axis, in the two directions of rotation, this second shaft (4) being able to drive in rotation around the same axis an electric alternator (6), in both directions of rotation, this second shaft (4) also being mechanically connected, by a second connecting device (7), to a third shaft (8), and being able to drive it in rotation or to be driven in rotation by it around the same axis , in both directions of rotation, this third shaft (8) being itself linked mechanically only to a pump pump (9) of medium or high drop, and being able to drive it in rotation or to be driven in rotation by it about the same axis, in both directions of rotation, in that the shafts (2), (4) and (8), the electric alternator (6), the connection devices (5) and (7), and the elements necessary for the operation of these members are contained in a casing (12) immersed in a hydraulic conduit (100) allowing the turbine (1) to be supplied with water, and in that this turbine (1) can turbinate the water coming from the upstream part (101) of the hydraulic conduit (100) towards the downstream part (102) , and in that the low pressure outlet of the pump-turbine (9) is connected to the upstream part (101) of this hydraulic duct (100), and in that the high pressure outlet of the pump-turbine (9) is connected to a penstock (11) passing through the hydraulic conduit (100). [Revendication 2] [Claim 2] Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la turbine (1) est de type Kaplan. Device according to claim 1 characterized in that the turbine (1) is of the Kaplan type. [Revendication 3] [Claim 3] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la turbine-pompe (9) est de type Francis réversible. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the turbine pump (9) is of the reversible Francis type. [Revendication 4] [Claim 4] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la turbine-pompe (9) est de type multi-étages associant plusieurs roues Francis réversibles. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the turbine pump (9) is of the multi-stage type associating several reversible Francis wheels. [Revendication 5] [Claim 5] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le premier dispositif de liaison (5) entre le premier Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the first connecting device (5) between the first
arbre (2) et le deuxième arbre (4) est un multiplicateur de vitesse. tree (2) and the second tree (4) is a speed multiplier. [Revendication 6] [Claim 6] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le premier dispositif de liaison (5) entre le premier arbre (2) et le deuxième arbre (4) est un coupleur hydraulique ou mécanique. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the first connecting device (5) between the first shaft (2) and the second shaft (4) is a hydraulic or mechanical coupler. [Revendication 7] [Claim 7] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le deuxième dispositif de liaison (7) entre le deuxième arbre (4) et le troisième arbre (8) est un coupleur hydraulique ou mécanique. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the second connecting device (7) between the second shaft (4) and the third shaft (8) is a hydraulic or mechanical coupler. [Revendication 8] [Claim 8] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le deuxième dispositif de liaison (7) entre le deuxième arbre (4) et le troisième arbre (8) est un multiplicateur de vitesse. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the second connecting device (7) between the second shaft (4) and the third shaft (8) is a speed multiplier. [Revendication 9] [Claim 9] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que des pièces mobiles (202) associées à des dispositifs de mise en mouvement (201) sont placées dans le conduit hydraulique (100). Device according to any one of the preceding claims, characterized in that moving parts (202) associated with movement devices (201) are placed in the hydraulic conduit (100). [Revendication 10] [Claim 10] Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la conduite forcée (11) est reliée dans sa partie supérieure à un bassin de stockage. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the penstock (11) is connected in its upper part to a storage tank.
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