Wanlin Centrale hydroélectrique

Wanlin
Centrale Hydroelectrique et Moulin-Ferme

Les principaux types de turbine

a.    Les turbines Pelton

Elles sont utilisées généralement pour les centrales de hautes chutes, à faible débit. Elles sont très peu présentes sous nos contrées.

La turbine Pelton est une machine à action dont l’axe peut être vertical ou horizontal. Celle-ci est composée d’une roue mobile garnie à sa périphérie d’augets en double cuillère et dont le distributeur est fait d’injecteurs ; leur nombre peut varier de 1 à 6.

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Figure 7: La turbine Pelton à 4 injecteurs

Les injecteurs sont des tuyères convergentes munies d’un pointeau transformant l’énergie de pression en énergie cinétique. Ils sont disposés autour de la roue et leur jet, à pression atmosphérique, est dirigé vers le milieu des augets, au « diamètre Pelton ». Une régulation du débit et un réglage du diamètre du jet peuvent être effectués en faisant varier la sortie du pointeau.

La roue mobile tourne à pression atmosphérique, il n’y a plus de variation de pression du fluide dans cette roue. Mais lors de son passage dans la roue, l’eau est déviée de presque 180°, ainsi, elle cède toute son énergie cinétique.

Cette roue ne dispose pas de diffuseur car l’eau à la sortie de la roue ne possède plus d’énergie. il y a juste un boîtier qui permet de récupérer l’eau et de la canaliser vers le bief aval.A titre d’information, la centrale Pelton de la Bieudron qui fait partie du complexe Suisse de la Grande Dixence d’une puissance totale égale à 2000MVA

b.    Les turbines Francis

Elles sont utilisées pour les moyennes chutes (de 30 à 400 m) et les débits moyens.

La turbine Francis est une turbine à réaction de type radial à axe vertical et est adaptée pour des hauteurs et débits moyens. Son distributeur est enroulé autour de la turbine, l’entrée de l’eau se fait par toute sa périphérie. La sortie de l’eau se fait de manière axiale dans le diffuseur (qui fait office d’aspirateur).

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Figure 8: Schéma de principe de la turbine Francis

c.    Les turbines Kaplan

Elles sont répandues sur les basses chutes à débits importants.
La turbine Kaplan est une turbine à réaction de type axial à axe vertical dont la majeure particularité est qu’il est possible de régler l’angle d’inclinaison des pales de manière à adapter le débit qui passe dans la turbine au débit de la rivière.

Une variante de cette turbine est la turbine Bulb (qui est en fait une Kaplan à axe horizontal).

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Figure 9: Schéma de principe de la turbine Kaplan

d.    Les turbines Banki-Mitchell (Crossflow)

La relative simplicité de ce type de turbine réside dans l’écoulement bidirectionnel de l’eau. L’eau est injectée sur un rotor cylindrique à axe horizontal à travers un convergent rectangulaire ayant un secteur d’admission de maximum 120°.

L’écoulement est doublement dévié au contact des aubes périphériques, qui sont entraînées successivement par un flux radial centripète et radial centrifuge.

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Figure 10: La turbine Banki ou Crossflow

Ce rotor comporte une trentaine d’aubes incurvées, fixes et parallèles à l’axe de rotation, disposées sous la forme d’une « cage d’écureuil ».

Un des grands avantages de ce type de turbine est sa simplicité, car il n’y a au maximum que trois pièces en mouvement : le rotor (sans poussée axiale), les deux (ou un seul) volets de réglage du débit.

Le constructeur Belge JLA&Co est incontestablement un pionnier de l’hydroélectricité en Belgique, il est réputé pour la fiabilité de ses machines, leur robustesse et longévité.

La génératrice est une machine asynchrone triphasée, qui sera connectée en parallèle au réseau basse tension.

Signalons un inconvénient puisque des travaux de terrassement, parfois importants, sont à prévoir lorsqu’on installe une machine de ce type puisqu’il faut l’installer au sec dans un local à un niveau hors crue.

e.    Les turbines modernes

Aujourd’hui, bien que l’exploitation hydroélectrique soit largement rependue, le développement des turbines continue selon 2 axes principaux :

  • La miniaturisation ; on parle aujourd’hui de pico-hydroélectricité et de pico-turbines : les puissances disponibles vont de 400 W à 60 kW,
  • L’ichtyo-compatibilité ; les turbines sont conçues de manière à ne pas être dangereuses ou dommageables pour la faune aquatique,

i.    Les pico-turbines

Il en existe plusieurs types sur le marché, il s’agit de machines conçue pour minimiser autant que possible les travaux nécessaires à leur placement ainsi que leur exploitation.

Les picoturbines sont des machines très simples, très compactes et conçues pour équiper les sites pour lesquels l’investissement de génie civil des technologies Kaplan traditionnelles est prohibitif.

Il s’agit de roues Kaplan de diamètre très faible utilisant des vitesses de rotation relativement grande (de l’ordre de 400 à 1000rpm). Le couple de la roue est transmis à l’alternateur à aimants permanents en prise directe (simplification mécanique). Selon la chute et le débit, le courant généré est plus ou moins proche de 240 V à une fréquence fixe de 50 Hz. Le cas échéant, le courant est redressé puis à nouveau ondulé et transformé suivant les prescriptions du gestionnaire de réseau de distribution. Il est également possible de connecter directement la machine au réseau (investissement moins élevé) mais le rendement risque d’être inférieur.

La picoturbine Lynx fabriquée par la société Française Turbiwatt, est particulièrement adapté à une gamme de chutes comprises entre 1 m et 2,2 m et un débit allant de 45 à 65 l/s. De plus, elle offre un très bon rendement, aussi bien financier qu’énergétique

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Figure 11: Pico-turbine de type Kaplan

Le modèle Lion, de la même société, est quant à lui adapté pour la plage de débits allant de 250 l/sec à 1000 L/sec et des chutes de 1.5 à 5.5m,

Il existe d’autres fabricants, en Europe et surtout en Asie, dont la fiabilité reste à établir mais qui seraient susceptibles de fournir une technologie équivalente.

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Figure 12: Pico-turbine de type Kaplan

Ces machines ne permettent pas un fonctionnement à débit partiel, c’est pourquoi on les installe le plus souvent en batterie, munies d’un automate qui pourra alors adapter le fonctionnement au débit de la rivière.

La conception des machines permet de plus de prévoir un exutoire de dévalaison placé directement au dessus de la grille de protection (voir coupe ci-dessus). Ceci peut varier suivant l’installation avec le site.

ii.    Les machines ichtyocompatibles

Il existe aujourd’hui 2 types de turbines ichtyo-compatibles : la Vis d’Archimède et la turbine V.L.H.

La vis d’Archimède, aussi appelée vis hydrodynamique est une utilisation récente d’une application séculaire.

Le principe de la vis a été inventé par Archimède de Syracuse au 3ème Siècle AC. Cette vis et était alors utilisée comme pompe. L’histoire nous apprend qu’Archimède aurait inventé ce système pour permettre aux habitants et agriculteurs vivant le long du Nil d’irriguer leurs terrains. Le système est toujours utilisé comme pompe car, grâce à sa grande taille et sa faible vitesse de rotation, la vis peut charrier les objets présents dans l’eau sans aucun problème.

On en trouve d’ailleurs souvent en entrée de stations d’épuration et elles ont été massivement utilisées durant l’assèchement des Polders aux Pays-Bas lorsque le territoire a été agrandi.

A côté de son utilisation hydraulique, la vis permet aussi de déplacer (en hissant) des matières sous forme de poudre et de grains et est pour cette raison fort présente en milieu industriel.

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Figure 13: Les machines ichtyo-compatibles: La turbine à vis d’Archimède ou hydrodynamique

Des études scientifiques (D, GB) ont mis en évidence son faible impact sur les poissons grâce, entre autres, au maintient à pression atmosphérique de l’eau lors de l’entraînement de la vis. C’est la raison pour laquelle cette technologie est aujourd’hui répertoriée parmi les technologies  ichtyocompatibles par la D.C.E.N.N. sous certaines conditions d’installation. Habituellement une grille à maille grossière est cependant installée par soucis de protection des personnes et pour éviter aux plus gros déchets d’atteindre et d’endommager la vis.

L’auge de la vis peut être scellée sur une structure de support métallique ou en béton.

Le multiplicateur et la génératrice sont placés en bout d’axe dans un local, éventuellement étanche, au-dessus du niveau de crue.

La vis du site du moulin de Wanlin est une vis d’Archimède de marque Spaans-Babcock.

Elle permet de turbiner 2,2 m³/s sous une chute de 1,26 m. Sa puissance est de 19 kW.

Les turbines hydrauliques V.L.H. (very low head = très basse chute) sont des matériels par nature imposants. En effet, pour générer des puissances même relativement modestes (de l’ordre d’une centaine de kW) sous des chutes inférieures à 2 m, les débits à turbiner peuvent dépasser 10 m3/s. Il en résulte pour les ouvrages d’adduction des structures de génie civil de grande taille proportionnées aux débits prélevés.

Pour rendre leur matériel plus compétitif, les constructeurs de turbines hydrauliques ont de tout temps cherché à optimiser leur produit en augmentant les performances en particulier par la diminution des diamètres de roue. Cette diminution des diamètres de roue a conduit à des ouvrages d’amenée et de restitution d’une dimension telle qu’ils sont impossibles à réaliser économiquement lorsque la chute est trop faible.

L’idée de base du concept VLH va à l’opposé de cette tendance en cherchant à diminuer, autant que faire se peut, les ouvrages d’amenée et de restitution en augmentant le diamètre de la roue de la turbine et en intégrant celle-ci dans un bloc autoporteur qui assure l’ensemble des fonctions d’une installation classique.

La VLH incorpore les fonctions suivantes :

  • Turbine Kaplan standardisée à 8 pales réglables en fonction du niveau et du débit.
  • Structure autoportante permettant un assemblage complet en usine et un montage ou une dépose très rapide.
  • Alternateur lent à attaque directe à aimants permanents et vitesse variable.
  • Dispositif d’arrêt et de coupure du débit par fermeture des pales sur elles mêmes sans énergie du réseau. Les installations VLH n’ont pas besoin de vannes wagon pour assurer l’arrêt du groupe.
  • Distributeur faisant office de grille de protection.
  • Dégrilleur rotatif embarqué.
  • Variateur de vitesse électronique
  • Equipements de commande et contrôle électronique intégrés assurant la gestion du groupe générateur et des équipements électroniques de puissance.
  • Dispositif d’effacement permettant la mise hors d’eau du groupe pour maintenance ou en cas de crue.

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Figure 14: Les machines ichtyo-compatibles: la turbine VLH (Very Low Head)

Les caractéristiques spécifiques du groupe turbogénérateur VLH le rendent par principe particulièrement respectueux des poissons. Conscient de cet avantage le développement mécanique et hydraulique de la VLH a été axé sur une optimisation de ces caractéristiques intrinsèques.