FR3121186A1 - Dispositif de caractérisation d’un système hydraulique et procédé de caractérisation mettant en œuvre un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif de caractérisation (1) d’un système hydraulique (15, 16) comprenant :- un premier réservoir (110) ;- un deuxième réservoir (2) pressurisable, apte à contenir un liquide (L) et un gaz comprimé (G), et à être connecté en communication hydraulique avec le système hydraulique ;- un circuit d’entrée (3) connectant les premier et deuxième réservoirs, et comprenant une pompe de régulation (5) apte à réguler l’entrée du liquide dans le deuxième réservoir ;- un circuit de sortie (4) connectant les premier et deuxième réservoirs, et comprenant une vanne de régulation (7) apte à réguler la sortie du liquide dudit deuxième réservoir ;la pompe de régulation et la vanne de régulation étant dimensionnées pour pouvoir faire varier et réguler un niveau (NL) du liquide dans le deuxième réservoir ; et- une unité de pilotage configurée pour piloter la pompe de régulation et la vanne de régulation afin de maintenir une pression de service (Ps) du système hydraulique sensiblement constante en agissant sur le niveau (NL) de liquide. Figure pour l’abrégé : Fig. 3
Description
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
L’invention se situe dans le domaine de systèmes hydrauliques tels que des circuits hydrauliques comprenant une pompe hydraulique et/ou une turbine hydraulique et concerne plus précisément la caractérisation de systèmes hydrauliques et/ou de leurs composants.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Il existe des domaines dans lesquels il est important de connaître les conséquences de variations de la puissance électrique alimentant une pompe sur le fonctionnement de ladite pompe et notamment le débit fourni par la pompe, et ce, pour plusieurs pressions aval données. De même, il peut être important de connaître les conséquences de variations de débits d’alimentation d’une turbine sur le fonctionnement de ladite turbine et ce, pour plusieurs pressions amont données. Plus généralement, il est parfois nécessaire de pouvoir caractériser un circuit hydraulique comprenant un composant tel qu’une pompe ou une turbine, afin de connaître son comportement en fonctionnement et notamment durant des fluctuations de fonctionnement, éventuellement sous différentes pressions.
Un exemple de domaine d’application concerne les systèmes dans lesquels il est nécessaire de faire circuler un liquide entre deux réservoirs situés à des altitudes différentes. On s’intéresse en particulier aux Stations de Transfert d’Énergie par Pompage (STEP) qui sont un type particulier d’installations hydroélectriques mettant en œuvre deux réservoirs situés à des altitudes différentes. Une STEP est basée sur une technique de stockage de l'énergie électrique qui consiste à remonter de l'eau d'un cours d'eau ou d'un réservoir ou bassin dit « inférieur », pour la stocker dans un réservoir ou bassin de réserve dit « supérieur » (pompage), lorsque la demande en électricité est faible ou le coût de l’énergie peu élevé, par exemple en heures creuses ; puis de turbiner l'eau ainsi mise en réserve pour produire de l'énergie électrique (turbinage) lorsque la demande en électricité est forte ou le coût de l’énergie élevé, par exemple en heures pleines.
Un exemple de STEP 10 illustré en comprend :
- un bassin (ou réservoir) inférieur 11,
- un bassin (ou réservoir) supérieur 12,
- un circuit de pompage 13 reliant les bassins inférieur et supérieur et comprenant une pompe hydraulique 15 entraînée par un moteur électrique pour relever l’eau du bassin inférieur au bassin supérieur (puissance motrice de la pompe : Pmot),
- un circuit de turbinage 14 reliant les bassins supérieur et inférieur et comprenant une turbine hydraulique 16 pour générer de l’énergie mécanique lorsque l’eau chute entre le bassin supérieur et le bassin inférieur ; la turbine est associée à un alternateur qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique (puissance délivrée par la turbine : Ptur) ;
- un système de pilotage (non représenté) adapté pour piloter le fonctionnement de la pompe et de la turbine, de l’alternateur, éventuellement de vannes (non représentées) voire reporter des mesures de débitmètres ou de capteurs de pression dans les circuits (non représentés).
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- un système de pilotage (non représenté) adapté pour piloter le fonctionnement de la pompe et de la turbine, de l’alternateur, éventuellement de vannes (non représentées) voire reporter des mesures de débitmètres ou de capteurs de pression dans les circuits (non représentés).
Entre le bassin supérieur et le bassin inférieur, il existe une différence d’altitude H.
Pedésigne la pression amont de la pompe 15, et Psla pression aval de ladite pompe.
La pression aval Psest généralement mesurée par un capteur de pression 17, par exemple un manomètre.
La STEP représentée comprend un débitmètre 18 qui mesure le débit Q fourni par la pompe 15.
La pompe hydraulique est généralement disposée au niveau du bassin inférieur. Ainsi, la pression aval de la pompe hydraulique est liée à la différence d’altitude entre les bassins.
La turbine hydraulique est généralement disposée à proximité et juste au-dessus du bassin inférieur pour profiter de la plus grande hauteur de chute possible.
La différence d’altitude H entre le bassin supérieur et le bassin inférieur peut être de quelques dizaines de mètres à quelques centaines de mètres, par exemple peut être comprise entre 40 et 250 mètres.
Le volume des bassins est très variable selon les installations, il peut aller de quelques milliers de mètres cube pour des petites installations jusqu’à des millions de mètres cube pour des grosses installations.
Une STEP peut être couplée à des panneaux solaires générateurs d’électricité. Une partie de l’électricité produite par les panneaux solaires est d’abord injectée dans le réseau électrique permettant d’alimenter des consommateurs. Le surplus de production sert ensuite à alimenter la pompe en énergie électrique d’origine solaire. Par exemple un des bassins peut être recouvert d’un toit muni de panneaux solaires.
Dans ce cas, la puissance électrique solaire fournie à la pompe s’avère être intermittente par nature à différentes échelles de temps pouvant aller :
- de la seconde à quelques minutes selon la météorologie locale difficilement prévisible à l’instant précis d’une part (par exemple passages nuageux durant les périodes diurnes), et selon les profils de consommation électrique et donc de la capacité d’absorption par le réseau électrique de l’électricité produite d’autre part, difficilement prévisible aussi ;
- de quelques minutes à l’heure selon la position prévisible du soleil dans le ciel ;
- à la journée pour les cycles jours / nuits prévisibles ;
- de la semaine au mois selon les saisons (durées variables des périodes diurnes, changement de courses du soleil dans la voute céleste).
- de la seconde à quelques minutes selon la météorologie locale difficilement prévisible à l’instant précis d’une part (par exemple passages nuageux durant les périodes diurnes), et selon les profils de consommation électrique et donc de la capacité d’absorption par le réseau électrique de l’électricité produite d’autre part, difficilement prévisible aussi ;
- de quelques minutes à l’heure selon la position prévisible du soleil dans le ciel ;
- à la journée pour les cycles jours / nuits prévisibles ;
- de la semaine au mois selon les saisons (durées variables des périodes diurnes, changement de courses du soleil dans la voute céleste).
Une pompe alimentée uniquement en énergie solaire va donc subir des variations de puissance électrique en entrée, parfois importantes et rapides, pouvant aller de 0 à 100 % de la puissance nominale et aussi de 100% à 0%.
Réciproquement, en fonction de l’usage souhaité pour la restitution de l’énergie stockée dans la STEP à la demande et de la capacité d’absorption par le réseau, la turbine peut fonctionner soit en mode nominal constant (production de base) soit adapter son courant de sortie en fonction de la consommation locale autour de la STEP, voire compléter momentanément une production solaire insuffisante.
Une turbine peut donc subir des variations de puissance électrique en sortie, parfois importantes et rapides, pouvant aller de 0 à 100 % de la puissance nominale et aussi de 100% à 0%.
Ces variations de puissance électrique peuvent avoir des conséquences sur le fonctionnement de la pompe et de la turbine : variations de débit, variations des points de fonctionnement induisant des fonctionnements hors plages de rendement maximal, arrêts inopinés, barbotages ; et avoir un impact sur le circuit de pompage et/ou de turbinage (coups de bélier par exemple) et sur tous les équipements hydrauliques associés.
Selon les caractéristiques topographiques du site et selon le dimensionnement du champ solaire et les courbes d’ensoleillement, le concepteur de STEP, et plus spécifiquement de µSTEP solaires qui sont des installations de petites capacités axées vers la valorisation de la ressource solaire, doit pouvoir déterminer les meilleures caractéristiques de ses pompes et turbines à installer. Selon les divers cas d’usage souhaités, il doit aussi définir au mieux les stratégies de pilotage à tout instant de ces équipements afin d’en obtenir les meilleurs rendements à tout instant et le moins de dégradations possibles.
Pour cela, il doit connaître et maîtriser non seulement les caractéristiques statiques des pompes et turbines à installer et à piloter, mais aussi les caractéristiques de réponses dynamiques de ces équipements lors de l’occurrence de variations de puissances électriques en entrée de pompe ou en sortie de turbine.
Généralement les constructeurs fournissement des courbes de caractéristiques statiques de leurs pompes comme par exemple la correspondance entre la hauteur manométrique totale Hmt (équivalent à la pression de travail de la pompe) et le débit Q fourni par la pompe, à la pression considérée, pour diverses puissances motrices (Pmot) d’entrée.
La hauteur manométrique totale Hmtrequise pour un circuit et un débit donné correspond à l'énergie (en Joule par m3de fluide, unité équivalente au Pascal (Pa)) pour vaincre les forces de pression entre deux points A et B au-dessus de A, pour élever le fluide de A à B, pour vaincre les pertes de charge par frottement entre A et B, y compris celles correspondant à une vanne de réglage éventuelle, et pour accroître éventuellement la vitesse du fluide entre A et B.
La hauteur manométrique totale d'une pompe (Hmt) est la différence de pression d’un liquide la franchissant, exprimée en mètres de colonne du liquide considéré. Cette hauteur manométrique totale Hmtest obtenue par la différence de pression entre l’entrée Pe(pression amont) et la sortie Ps(pression aval) d’une pompe à l’aide de la relation simplifiée suivante (cette relation pouvant évoluer pour intégrer les pertes de charge en fonction du débit) :
Ces courbes caractéristiques Q (Hmt, Pmot) sont généralement tracées point par point en mesurant sur des bancs de l’état de la technique pour chaque point, les débits Q fournis par la pompe en fixant les pressions Pset Pe(et donc la Hmt) et la puissance motrice (Pmot) de la pompe à caractériser.
Un tel banc 100 est illustré en permettant de caractériser la pompe hydraulique 15 telle que la pompe de la . Le banc comprend, outre la pompe à caractériser :
- un réservoir 110 ;
- une vanne 120 de contrôle du débit en aval de la pompe ;
- deux circuits 130, 140 entre le vanne et le réservoir, le premier circuit 130 comportant la pompe 15.
- un réservoir 110 ;
- une vanne 120 de contrôle du débit en aval de la pompe ;
- deux circuits 130, 140 entre le vanne et le réservoir, le premier circuit 130 comportant la pompe 15.
Le banc de caractérisation illustré comprend un débitmètre 180 sur le premier circuit 130, mesurant le débit Q fourni par la pompe 15.
La pression amont Peest généralement équivalente à la pression atmosphérique lorsque le réservoir 110 est à l’air libre.
Le banc de caractérisation illustré comprend un capteur de pression 170 mesurant la pression en sortie de pompe Ps(pression aval ou « pression de service »), généralement un manomètre.
La puissance motrice Pmotde la pompe 15 est mesurée électriquement en amont du moteur électrique de ladite pompe.
Sur un tel type de banc, chaque point de mesure nécessite le réglage de la puissance électrique Pmotà la valeur souhaitée et de la pression aval Ps.
Cette pression aval Psest obtenue par la pompe à caractériser elle-même en créant artificiellement une perte de charge en aval de ladite pompe à l’aide de la vanne 120 de contrôle du débit.
Au démarrage de la caractérisation, la vanne 120 est fermée, la pompe commence à envoyer de l’eau dans le premier circuit 130. Bloquée par la vanne, la pression augmente dans ce circuit jusqu’à atteindre une pression maximale d’équilibre Pmaxque la pompe peut maintenir avec un débit nul pour une puissance motrice Pmotdonnée.
Un opérateur ouvre ensuite la vanne progressivement. Un débit Q non nul commence à circuler et la pression aval Psdécroit à partir de la pression maximale Pmaxde l’étape précédente. L’opérateur règle ensuite l’ouverture de la vanne pour obtenir la pression Psdésirée. Une fois la pression aval Pset le débit Q de la pompe stabilisés, on enregistre les mesures Q, Pset Pmotpour obtenir un point de courbe caractéristique.
Pour obtenir les autres points caractéristiques à pression aval Psconstante, l’opérateur doit alors modifier la puissance motrice Pmotde la pompe en entrée, ce qui modifie le débit sortant et par conséquence la pression de service Ps. L’opérateur doit alors reprendre les réglages de l’ouverture de la vanne pour ajuster et retrouver la pression aval Pssouhaitée. De nouveau, il attend la stabilisation de l’ensemble pour enregistrer les mesures du point suivant.
Il est à noter que, pour obtenir l’ensemble des points caractéristiques de manière optimisée, l’opérateur enregistre préférentiellement tous les points à puissance motrice Pmotfixée et pour plusieurs ouvertures de vanne correspondantes (et donc à plusieurs pressions aval Ps). Puis il reprend cycliquement la même séquence d’essais en modifiant la puissance motrice Pmotd’entrée à chaque fois.
Malheureusement, ce banc de caractérisation de l’état de la technique ne permet pas de mesurer les réponses dynamiques de la pompe lors de l’apparition de phénomènes transitoires de variations de puissance motrice Pmotà pression aval Psquasi constante. Or, ceci est une caractéristique importante dans certains circuits hydrauliques, comme par exemple ceux des STEP.
En effet, sur ce banc de caractérisation décrit, pour une ouverture de vanne fixée, la pression de service Psde la pompe dépend du débit qu’elle fournit et donc directement de sa puissance motrice Pmot. Par conséquent, toutes les variations de la puissance motrice Pmotse traduisent par des variations de pression, lesquelles ne sont pas représentatives de l’application visée qui conserve une colonne d’eau géométriquement figée (et donc avec une pression de service quasiment constante).
Par ailleurs, la cinétique de régulation automatique des vannes de contrôle du débit est trop lente (plusieurs secondes) pour permettre de compenser convenablement ces transitoires très rapides (de quelques dixièmes de seconde).
Ainsi, les courbes caractéristiques de pompe fournies par les constructeurs de pompe ne permettent pas d’appréhender correctement les réactions dynamiques aux phénomènes transitoires
Il en va de même pour les caractéristiques de turbines fournies par les constructeurs de turbines, le banc de caractérisation de l’état de la technique étant similaire dans son fonctionnement avec réglage de la pression au travers d’une vanne de circulation d’eau. La pression et la circulation d’eau sont fournies par une pompe externe insérée dans le circuit hydraulique (figure non fournie mais équivalente à la ).
L’invention vise à surmonter les inconvénients précités de l’art antérieur.
Il est recherché un dispositif de caractérisation d’une pompe permettant de mesurer les conséquences de variations de la puissance électrique alimentant une pompe hydraulique sur le débit refoulé par ladite pompe et sur le circuit de pompage, et ce, pour plusieurs pressions aval données stabilisées. Il est également recherché un dispositif permettant de mesurer les conséquences de variations du débit amont d’une turbine hydraulique sur le fonctionnement de ladite turbine et sur le circuit de turbinage, et ce, pour plusieurs pressions amont données stabilisées.
De manière plus générale, il est recherché un dispositif de caractérisation capable de caractériser un système hydraulique pouvant être une pompe et/ou une turbine ou un circuit hydraulique comprenant une pompe et/ou une turbine, et ce, sous une pression donnée stabilisée, ladite pression pouvant être régulée de façon fine, et sous des débits de fluide variables. En d’autres termes, il est recherché un dispositif de caractérisation capable de réaliser un maintien fin de la pression de service d’un système hydraulique tout en autorisant des entrée/sorties de fluide de débits variables.
Un premier objet de l’invention permettant de remédier à ces inconvénients est un dispositif de caractérisation d’un système hydraulique, ledit dispositif de caractérisation comprenant :
- un premier réservoir ;
- un deuxième réservoir étant un réservoir pressurisable apte à contenir un liquide et un gaz comprimé, le gaz comprimé permettant d’appliquer une pression réglable sur le liquide, ledit deuxième réservoir étant apte à être connecté en communication hydraulique avec le système hydraulique à caractériser ;
- un circuit d’entrée de liquide connectant fluidiquement le premier réservoir et le deuxième réservoir, ledit circuit d’entrée comprenant une pompe de régulation, ladite pompe de régulation étant apte à réguler l’entrée du liquide dans ledit deuxième réservoir ;
- un circuit de sortie de liquide connectant fluidiquement le premier réservoir et le deuxième réservoir, ledit circuit de sortie comprenant une vanne de régulation, ladite vanne de régulation étant apte à réguler la sortie du liquide dudit deuxième réservoir ;
la pompe de régulation et la vanne de régulation étant dimensionnées pour pouvoir faire varier et réguler un niveau du liquide dans le deuxième réservoir, au moins durant la caractérisation du système hydraulique ;
- une unité de pilotage configurée pour piloter la pompe de régulation et la vanne de régulation afin de maintenir une pression de service du système hydraulique sensiblement constante en agissant sur le niveau de liquide dans le deuxième réservoir.
- un premier réservoir ;
- un deuxième réservoir étant un réservoir pressurisable apte à contenir un liquide et un gaz comprimé, le gaz comprimé permettant d’appliquer une pression réglable sur le liquide, ledit deuxième réservoir étant apte à être connecté en communication hydraulique avec le système hydraulique à caractériser ;
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- un circuit de sortie de liquide connectant fluidiquement le premier réservoir et le deuxième réservoir, ledit circuit de sortie comprenant une vanne de régulation, ladite vanne de régulation étant apte à réguler la sortie du liquide dudit deuxième réservoir ;
la pompe de régulation et la vanne de régulation étant dimensionnées pour pouvoir faire varier et réguler un niveau du liquide dans le deuxième réservoir, au moins durant la caractérisation du système hydraulique ;
- une unité de pilotage configurée pour piloter la pompe de régulation et la vanne de régulation afin de maintenir une pression de service du système hydraulique sensiblement constante en agissant sur le niveau de liquide dans le deuxième réservoir.
Par « système hydraulique », on entend un circuit hydraulique comprenant au moins un composant actif apte à assurer une conversion d’énergie, par exemple une pompe ou une turbine.
Le dispositif selon l’invention comporte un deuxième réservoir qui est un réservoir pressurisable. Ce réservoir pressurisable contient, en fonctionnement, un liquide et un volume de gaz comprimé. (qui pourra être désigné par « poche » de gaz dans la présente description). Le gaz comprimé permet d’appliquer une pression sur le liquide dans ledit réservoir puis dans le système hydraulique à caractériser lorsqu’il est relié audit réservoir. Le réservoir pressurisable forme ainsi un surpresseur du liquide (tel un ballon surpresseur). Dans le cas de la simulation d’une Station de Transfert d’Energie par Pompage (STEP), cette pression correspond à la pression induite par le réservoir supérieur de la STEP. Il est important de noter que, selon l’invention, le réservoir pressurisable n’est pas nécessairement situé plus haut que les autres composants de l’installation, et notamment que le premier réservoir. La pression appliquée sur le liquide peut être réglée en régulant la pression du gaz comprimé dans le deuxième réservoir. Cette pression peut par exemple être réglée au premier ordre par l’admission externe de gaz comprimé dans la poche au travers d’un détendeur réglable disposé en entrée supérieure du deuxième réservoir et/ou par la régulation du volume de gaz comprimé au sein du deuxième réservoir au travers d’une régulation fine du niveau de liquide à l’intérieur dudit réservoir.
Pendant un cycle de caractérisation, on peut vouloir maintenir la pression constante. Pour cela, la poche de gaz comprimé dans le réservoir pressurisable doit conserver un volume quasi constant (à température constante). Ceci impose de maintenir constant le niveau du liquide dans ledit réservoir, alors même que la caractérisation du système hydraulique peut nécessiter des débits variables du liquide circulant dans ledit système hydraulique et dans ledit deuxième réservoir. En d’autres termes, cela nécessite de réguler le niveau du liquide dans le deuxième réservoir pour le maintenir à un niveau constant en présence de débits entrant et sortant du deuxième réservoir, lesdits débits étant variables.
La régulation du niveau du liquide pressurisé est réalisée par la mise en œuvre combinée d’une pompe secondaire, dite pompe de régulation, sur le circuit d’entrée et d’une vanne de réglage de débit (selon une plage de débit définie), dite vanne de régulation, sur le circuit de sortie. Ces deux éléments régulés permettent de conserver égaux dans le temps la somme des débits entrants et la somme des débits sortants du deuxième réservoir alors même que les débits entrants de la pompe en caractérisation ou sortants de la turbine à caractériser sont variables par nature.
La pression de service peut être modifiée entre deux cycles de caractérisation soit par ajout de gaz comprimé, soit par augmentation ou réduction du volume de gaz dans le deuxième réservoir.
Ainsi, contrairement aux équipements de caractérisation connus, le dispositif de caractérisation selon l’invention permet de rendre quasi insensible le maintien de la pression de service pendant la caractérisation d’un système hydraulique face aux débits variables imposés lors de la dite caractérisation. La pression n’étant pas générée par le système à caractériser lui-même, le dispositif selon l’invention permet non seulement de retrouver les mesures point par point d’un banc de caractérisation de l’état de la technique mais permet en outre et surtout d’observer et mesurer les réactions et les comportements transitoires du système hydraulique à caractériser lors de l’application de consignes de fonctionnement variables audit système hydraulique.
Le dispositif de caractérisation selon l’invention est capable de caractériser statiquement et dynamiquement à diverses pressions de service réglables un système hydraulique tel qu’une pompe ou une turbine. Pour une pompe, la pression de service imposée est la pression aval. Pour une turbine, la pression de service imposée est la pression amont. Le dispositif peut par exemple caractériser le comportement et les performances d’une pompe en la soumettant à des puissances électriques d’alimentation variables et mesurées, pour diverses pressions aval données en consigne et mesurées, et par la mesure des débits fournis par ladite pompe. Le dispositif peut également caractériser une turbine lorsqu’elle est soumise à des débits d’alimentation variables, pour diverses pressions amont données en consigne et mesurées, et mesurer les puissances hydrauliques et électriques fournies par le couple turbine/convertisseur.
En outre, le recours à un réservoir pressurisable, qui est diphasique, équipé d’une mesure interne du niveau de liquide dans ledit réservoir, permet de réguler de façon fine, avec des temps de réponse très rapides, le niveau du liquide par pilotage asservi de la pompe de régulation qui ajuste en permanence les débits entrants dans le réservoir pressurisable pour conserver le niveau de liquide constant dans ledit réservoir.
La consigne de niveau de liquide dans le deuxième réservoir est elle-même asservie sur la consigne de pression souhaitée par l’expérimentateur au travers d’une boucle de régulation lente corrigeant les effets lents de variations possibles de pression liées aux variations de la température du liquide et du gaz au fur et à mesure du déroulement des essais de caractérisation, et à la perte de gaz comprimé par diffusion dans le liquide au travers de l’interface gaz/liquide dans le deuxième réservoir.
De préférence, la pompe de régulation est choisie avec une plage de fonctionnement adaptée pour compenser toutes les plages de débits variables du système hydraulique à caractériser, sans sortir de ses propres contraintes d’utilisation.
La vanne de régulation permet d’ajuster avant chaque cycle de caractérisation la plage de fonctionnement de la pompe de régulation pour chaque pression de service et selon le type de système hydraulique à caractériser afin de permettre à cette pompe de régulation de pouvoir compenser toutes les plages de débits variables du système hydraulique sans sortir de ses propres contraintes d’utilisation (débit minimal et débit maximal autorisés pour chaque pression de service).
Le premier réservoir servant de source de liquide pour les pompes peut être ouvert ou fermé. Ce premier réservoir a aussi pour fonction de récupérer le liquide qui sort du deuxième réservoir. Dans le contexte de la représentation d’une STEP, ce premier réservoir correspond au réservoir inférieur d’une STEP. Le liquide récupéré dans le premier réservoir peut ainsi être recyclé en permanence par la pompe ou la turbine à caractériser par le dispositif, ainsi que par la pompe de régulation.
Le dispositif selon l’invention permet donc des essais de très longues durées sans limite imposée par des volumes finis de réservoirs réels.
Le dispositif selon l’invention permet ainsi, selon les besoins, de simuler, caractériser, comparer et mettre au point diverses installations et diverses stratégies de pompage et/ou de turbinage entre deux bassins ou réservoirs situés à des altitudes différentes, paramétrables selon les sites à équiper, le tout sans avoir à modifier physiquement ni la hauteur entre un réservoir supérieur et un réservoir inférieur, ni le volume de ces réservoirs.
Ainsi constitué, le dispositif selon l’invention permet donc de régler, réguler et affiner la pression imposée au système hydraulique à caractériser pour des cycles de caractérisation de longues durées (plusieurs heures).
Par exemple, le dispositif de caractérisation selon l’invention permet de simuler un dénivelé compris entre 40 et 110 mètres par réglage de la pression de service entre 4 bars (pression minimale de fonctionnement des pompes) et 11 bars. Avec des réservoirs, des circuits et des éléments hydrauliques du dispositif selon l’invention qualifiés à 16 bars, celui-ci peut permettre, éventuellement moyennant l’ajout d’une seconde pompe de régulation, de pouvoir monter la pression de service jusqu’à 16 bars (dénivelé équivalent de 160 mètres). Une version permettant de simuler un dénivelé de 250 mètres est aussi possible moyennant des circuits hydrauliques et un détendeur d’air comprimé pouvant travailler à 25 bars. Ainsi, le dispositif de caractérisation selon l’invention permet de simuler un dénivelé jusqu’à au moins 250 mètres.
Selon l’invention, le premier réservoir n’est pas nécessairement en dessous du deuxième réservoir. Il peut être au même niveau voire au-dessus du deuxième réservoir, selon les applications visées.
Cependant, dans un mode de réalisation avantageux, le deuxième réservoir est disposé au-dessus du premier réservoir. Cela permet d’avoir au départ d’un premier niveau de pression naturel.
Selon l’invention, les termes « en-dessous », « au-dessus » et « hauteur » sont à comprendre dans le sens commun, par référence à la verticale.
Le dispositif de caractérisation selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniques possibles.
Le dispositif de caractérisation peut comprendre un circuit d’alimentation en gaz comprimé, ledit circuit d’alimentation étant connecté fluidiquement au deuxième réservoir et étant apte à mettre en compression le gaz dudit deuxième réservoir.
Selon un mode de réalisation particulier, le circuit d’alimentation en gaz comprimé est connecté au deuxième réservoir sur la partie supérieure dudit deuxième réservoir.
Le circuit d’alimentation en gaz comprimé peut comprendre un compresseur éventuellement relié à un détendeur.
Le dispositif de caractérisation peut comprendre un moyen de mesure du niveau du liquide dans le deuxième réservoir, ledit moyen de mesure de niveau servant de base à la régulation de la pression de service (c’est-à-dire au maintien d’une pression de service sensiblement constante).
Le moyen de mesure du niveau du liquide dans le deuxième réservoir peut notamment être une sonde radar ou une sonde à ultrason.
Avantageusement, la sonde est prolongée par un gainage jusqu’en dessous du niveau du liquide dans le deuxième réservoir.
Selon un mode de réalisation, le deuxième réservoir est configuré pour que le gaz comprimé soit au-dessus du liquide, le gaz comprimé et le liquide pouvant être séparés par une paroi déformable.
Selon un autre mode de réalisation, le deuxième réservoir comprend une vessie apte à contenir le liquide, la vessie étant connectée au circuit d’entrée et au circuit de sortie, et le volume compris entre la vessie et le deuxième réservoir comportant le gaz comprimé.
Le circuit d’entrée et/ou le circuit de sortie peuvent être connecté(s) en communication hydraulique directe au deuxième réservoir. Alternativement, le circuit d’entrée et/ou le circuit de sortie peuvent être connecté(s) en communication hydraulique indirecte au deuxième réservoir, par exemple via une capacité tampon de mélange.
Un deuxième objet de l’invention est un système de caractérisation comprenant :
- un dispositif de caractérisation selon le premier objet de l’invention, et
- un système hydraulique à caractériser, connecté en communication hydraulique au deuxième réservoir du dispositif de caractérisation.
- un dispositif de caractérisation selon le premier objet de l’invention, et
- un système hydraulique à caractériser, connecté en communication hydraulique au deuxième réservoir du dispositif de caractérisation.
Avantageusement, le système de caractérisation comprend en outre un moyen de mesure de la pression dans le deuxième réservoir et/ou un moyen de mesure de la pression de service du système hydraulique à caractériser. Cela permet notamment de caler la pression en début de chaque caractérisation.
Le système hydraulique à caractériser peut être connecté en communication hydraulique directe au deuxième réservoir du dispositif de caractérisation. Alternativement, le système hydraulique à caractériser peut être connecté en communication hydraulique indirecte au deuxième réservoir du dispositif de caractérisation, par exemple via une capacité tampon de mélange.
Un troisième objet de l’invention est un procédé de caractérisation d’un système hydraulique mettant en œuvre un dispositif de caractérisation selon le premier objet de l’invention ou un système de caractérisation selon le deuxième objet de l’invention, ledit procédé de caractérisation comprenant les phases suivantes :
- une phase de réglage comprenant :
-- une étape de réglage de la vanne de régulation et de la pompe de régulation de manière à être compatible avec la caractérisation souhaitée du système hydraulique, tout en étant dans une gamme de régulation adaptée pour la pompe de régulation ;
-- une étape de mise en pression du deuxième réservoir de manière à atteindre une pression de service définie pour la caractérisation souhaitée du système hydraulique ;
-- une étape de démarrage de la régulation automatique du niveau du liquide dans le deuxième réservoir de manière à ajuster en permanence la consigne dudit niveau en agissant sur la pompe de régulation pour conserver de manière fine la valeur de pression de service définie ; et
- une phase de caractérisation comprenant :
-- une étape d’application d’au moins une consigne de fonctionnement au système hydraulique à caractériser ;
-- une étape de régulation apte à conserver la pression de service constante pendant la phase de caractérisation, en agissant sur la pompe de régulation ;
-- une étape de détermination d’au moins une variable fournie par ledit système hydraulique.
- une phase de réglage comprenant :
-- une étape de réglage de la vanne de régulation et de la pompe de régulation de manière à être compatible avec la caractérisation souhaitée du système hydraulique, tout en étant dans une gamme de régulation adaptée pour la pompe de régulation ;
-- une étape de mise en pression du deuxième réservoir de manière à atteindre une pression de service définie pour la caractérisation souhaitée du système hydraulique ;
-- une étape de démarrage de la régulation automatique du niveau du liquide dans le deuxième réservoir de manière à ajuster en permanence la consigne dudit niveau en agissant sur la pompe de régulation pour conserver de manière fine la valeur de pression de service définie ; et
- une phase de caractérisation comprenant :
-- une étape d’application d’au moins une consigne de fonctionnement au système hydraulique à caractériser ;
-- une étape de régulation apte à conserver la pression de service constante pendant la phase de caractérisation, en agissant sur la pompe de régulation ;
-- une étape de détermination d’au moins une variable fournie par ledit système hydraulique.
Selon un mode de réalisation, l’étape de mise en pression comprend une sous-étape d’apport de gaz comprimé dans le deuxième réservoir. Selon un mode de réalisation qui peut être alternatif ou complémentaire au mode précédent, l’étape de mise en pression comprend une sous-étape de réglage du niveau du liquide dans le deuxième réservoir en agissant sur la vanne de régulation et/ou la pompe de régulation afin d’atteindre la pression de service définie.
Selon un mode de réalisation, l’étape de régulation comprend une sous-étape d’asservissement de la pompe de régulation sur une consigne de niveau du liquide dans le deuxième réservoir. Selon un mode de réalisation qui peut être alternatif ou complémentaire au mode précédent, l’étape de régulation comprend une sous-étape d’asservissement du niveau du liquide dans le deuxième réservoir sur une consigne de pression dans le deuxième réservoir et/ou dans le système hydraulique à caractériser.
Avantageusement, l’étape d’application d’au moins une consigne de fonctionnement au système hydraulique à caractériser peut comprendre une sous-étape d’application d’une consigne automatique transmise en continu à l’unité de pilotage par une unité externe au dispositif de caractérisation et communiquant avec ladite unité de pilotage.
Les phases de réglage et de caractérisation peuvent être réalisées pour plusieurs valeurs de pression dans le deuxième réservoir et/ou plusieurs valeurs de pression de service dans le système hydraulique à caractériser.
Avantageusement, le procédé de caractérisation comprend une étape de relevé, en temps réel et pour chaque consigne de fonctionnement, de la au moins une variable fournie par le système hydraulique.
Le procédé de caractérisation peut être mis en œuvre pour la caractérisation de systèmes hydrauliques dans une Station de Transfert d’Energie par Pompage (STEP).
Le dispositif de caractérisation, le système de caractérisation et le procédé de caractérisation selon l'invention peuvent comporter l'une quelconque des caractéristiques précédemment énoncées, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Claims (24)
- Dispositif de caractérisation (1) d’un système hydraulique (15, 16), ledit dispositif de caractérisation comprenant :
- un premier réservoir (110) ;
- un deuxième réservoir (2) étant un réservoir pressurisable apte à contenir un liquide (L) et un gaz comprimé (G), le gaz comprimé permettant d’appliquer une pression (P) réglable sur le liquide, ledit deuxième réservoir étant apte à être connecté en communication hydraulique avec le système hydraulique à caractériser (15, 16) ;
- un circuit d’entrée (3) de liquide connectant fluidiquement le premier réservoir (110) et le deuxième réservoir (2), ledit circuit d’entrée comprenant une pompe de régulation (5), ladite pompe de régulation étant apte à réguler l’entrée du liquide (L) dans ledit deuxième réservoir ;
- un circuit de sortie (4) de liquide connectant fluidiquement le premier réservoir (110) et le deuxième réservoir (2), ledit circuit de sortie comprenant une vanne de régulation (7), ladite vanne de régulation étant apte à réguler la sortie du liquide (L) dudit deuxième réservoir ;
la pompe de régulation (5) et la vanne de régulation (7) étant dimensionnées pour pouvoir faire varier et réguler un niveau (NL) du liquide dans le deuxième réservoir (2), au moins durant la caractérisation du système hydraulique ;
- une unité de pilotage configurée pour piloter la pompe de régulation (5) et la vanne de régulation (7) afin de maintenir une pression de service (Ps) du système hydraulique sensiblement constante en agissant sur le niveau (NL) de liquide. - Dispositif de caractérisation (1) selon la revendication 1, comprenant en outre un circuit d’alimentation (9) en gaz comprimé (G), ledit circuit d’alimentation étant connecté fluidiquement au deuxième réservoir (2) et apte à mettre en compression le gaz dudit deuxième réservoir.
- Dispositif de caractérisation (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre un moyen de mesure (8) du niveau (NL) du liquide (L) dans le deuxième réservoir (2), ledit moyen de mesure de niveau servant de base à la régulation de la pression de service (Ps).
- Dispositif de caractérisation (1) selon la revendication 3, le moyen de mesure (8) du niveau (NL) étant une sonde radar ou une sonde à ultrason.
- Dispositif de caractérisation (1) selon la revendication 4, la sonde étant prolongée par un gainage jusqu’en dessous du niveau (NL) du liquide (L) dans le deuxième réservoir (2).
- Dispositif de caractérisation (1) selon l’une des revendications 1 à 5, le deuxième réservoir (2) étant configuré pour que le gaz comprimé (G) soit au-dessus du liquide (L), le gaz comprimé et le liquide pouvant être séparés par une paroi déformable.
- Dispositif de caractérisation (1) selon l’une des revendications 1 à 5, le deuxième réservoir (2) comprenant une vessie apte à contenir le liquide (L), la vessie étant connectée au circuit d’entrée (3) et au circuit de sortie (4), et le volume compris entre la vessie et le deuxième réservoir comportant le gaz comprimé (G).
- Dispositif de caractérisation (1) selon l’une des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 2, le circuit d’alimentation (9) en gaz comprimé étant connecté au deuxième réservoir (2) sur la partie supérieure dudit deuxième réservoir.
- Dispositif de caractérisation (1) selon l’une des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 2, le circuit d’alimentation (9) en gaz comprimé comprenant un compresseur éventuellement relié à un détendeur.
- Dispositif de caractérisation (1) selon l’une des revendications 1 à 9, le circuit d’entrée (3) et/ou le circuit de sortie (4) étant connecté(s) en communication hydraulique directe au deuxième réservoir (2).
- Dispositif de caractérisation (1) selon l’une des revendications 1 à 9, le circuit d’entrée (3) et/ou le circuit de sortie (4) étant connecté(s) en communication hydraulique indirecte au deuxième réservoir (2), par exemple via une capacité tampon de mélange (50).
- Système de caractérisation comprenant :
- un dispositif de caractérisation (1) choisi selon l’une des revendications 1 à 11, et
- un système hydraulique (15, 16) à caractériser, connecté en communication hydraulique au deuxième réservoir (2) du dispositif de caractérisation (1). - Système de caractérisation selon la revendication 12, comprenant en outre un moyen de mesure de la pression (P) dans le deuxième réservoir (2) et/ou un moyen de mesure (170) de la pression de service (Ps) du système hydraulique (15, 16) à caractériser.
- Système de caractérisation selon la revendication 12 ou 13, le système hydraulique (15, 16) à caractériser étant connecté en communication hydraulique directe au deuxième réservoir (2) du dispositif de caractérisation (1).
- Système de caractérisation selon la revendication 12 ou 13, le système hydraulique (15, 16) à caractériser étant connecté en communication hydraulique indirecte au deuxième réservoir (2) du dispositif de caractérisation (1), par exemple via une capacité tampon de mélange (50).
- Procédé de caractérisation (200) d’un système hydraulique (15, 16) mettant en œuvre un dispositif de caractérisation (1) choisi selon l’une des revendications 1 à 11 ou un système de caractérisation choisi selon l’une des revendications 12 à 15, ledit procédé de caractérisation comprenant les phases suivantes :
- une phase de réglage comprenant :
-- une étape (202) de réglage de la vanne de régulation (7) et de la pompe de régulation (5) de manière à être compatible avec la caractérisation souhaitée du système hydraulique (15, 16), tout en étant dans une gamme de régulation adaptée pour la pompe de régulation (5) ;
-- une étape (203) de mise en pression du deuxième réservoir (2) de manière à atteindre une pression de service (Ps) définie pour la caractérisation souhaitée du système hydraulique (15, 16) ;
-- une étape (204) de démarrage de la régulation automatique du niveau (NL) du liquide (L) dans le deuxième réservoir (2) de manière à ajuster en permanence la consigne dudit niveau en agissant sur la pompe de régulation (5) pour conserver de manière fine la valeur de pression de service (Ps) définie ; et
- une phase de caractérisation comprenant :
-- une étape (205) d’application d’au moins une consigne de fonctionnement au système hydraulique (15, 16) à caractériser ;
-- une étape (206) de régulation apte à conserver la pression de service (Ps) constante pendant la phase de caractérisation, en agissant sur la pompe de régulation (5) ;
-- une étape de détermination d’au moins une variable fournie par ledit système hydraulique. - Procédé de caractérisation (200) selon la revendication 16, l’étape (203) de mise en pression comprenant une sous-étape (203A) d’apport de gaz comprimé (G) dans le deuxième réservoir (2).
- Procédé de caractérisation (200) selon la revendication 16 ou 17, l’étape (203) de mise en pression comprenant une sous-étape (203B) de réglage du niveau (NL) du liquide (L) dans le deuxième réservoir (2) en agissant sur la vanne de régulation (7) et/ou la pompe de régulation (5) afin d’atteindre la pression de service (Ps) définie.
- Procédé de caractérisation (200) selon l’une des revendications 16 à 18, l’étape (206) de régulation comprenant une sous-étape (206A) d’asservissement de la pompe de régulation (5) sur une consigne de niveau (NL) du liquide dans le deuxième réservoir (2).
- Procédé de caractérisation (200) selon l’une des revendications 16 à 19, l’étape (206) de régulation comprenant une sous-étape (206B) d’asservissement du niveau (NL) du liquide dans le deuxième réservoir sur une consigne de pression dans le deuxième réservoir et/ou dans le système hydraulique à caractériser.
- Procédé de caractérisation (200) selon l’une des revendications 16 à 20, l’étape (205) d’application d’au moins une consigne de fonctionnement au système hydraulique à caractériser comprenant une sous-étape (205B) d’application d’une consigne automatique transmise en continu à l’unité de pilotage par une unité externe au dispositif de caractérisation (1) et communiquant avec ladite unité de pilotage.
- Procédé de caractérisation (200) selon l’une des revendications 16 à 21, les phases de réglage et de caractérisation étant réalisées pour plusieurs valeurs de pression (P) dans le deuxième réservoir (2) et/ou plusieurs valeurs de pression de service (Ps) dans le système hydraulique à caractériser.
- Procédé de caractérisation (200) selon l’une des revendications 16 à 22, comprenant en outre une étape de relevé, en temps réel et pour chaque consigne de fonctionnement, de la au moins une variable fournie par le système hydraulique.
- Procédé de caractérisation (200) selon une des revendications 16 à 23 mise en œuvre pour la caractérisation de systèmes hydrauliques dans une Station de Transfert d’Energie par Pompage (STEP).
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| CN108825483B (zh) * | 2018-05-25 | 2019-11-05 | 江苏大学 | 一种泵用全工况试验台 |
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- 2021-03-23 FR FR2102887A patent/FR3121186B1/fr active Active
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| FR3121186B1 (fr) | 2023-03-24 |
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