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Ouvrage hydraulique et génie civil
• Prise d’eau ou barrage :
La prise d’eau ou barrage a pour fonction de dériver par temps sec comme en période de crue le débit nécessaire pour alimenter la ou les turbines. Son existence est très importante, car c’est elle qui assure l’alimentation de la cent rale grâce à son retenu d’eau. Pour les microcentrales, deux prises d’eau sont usuelles:
– la prise latérale
– la prise tyrolienne (dite prise inversée)
Les prises latérales se trouvent principalement sur les rivières du Plateau. Habituellement, elles sont combinées avec un barrage fixe ou mobile qui assure une certaine retenue d’eau en amont pour prélever le débit désir mais qui sera conçu pour laisser passer les graviers et sédiments avec les crues.
La prise tyrolienne ou inversée a fait ses preuves sur des rivières ettorrents à forte pente et à débits très variables. L’eau captée tombe à travers une grille à barreaux ou en tôle perforée placée directement dans le lit de la rivière. Les graviers et débris transportés par les crues glissent sur la grille qui ne laisse passer que l’eau et les sédiments fins.
• Conduites d’eaux :
Les conduites d’eaux sont constituées par le canal d’amené avec dessableur, une chambre de mise en charge et une conduite forcée.
– Le canal d’amené, qui sert de conduite d’eau dérivée par la prise d’eau ou barrage. Sa distance pourrait allée à des centaines de mètres. Il se peut qu’une grille soit installée le long du canal pour éviter le passage des débris transportés par l’eau.
– Le dessableur est un bassin plus large que le canal et dans lequel la vitesse de l’eau est suffisamment ralentie pour que les particules solides puissent s’y déposé. L’eau déviée par la prise dans le canal de dérivation transporte avec elle des matières en suspension (boues) et des sédiments (sable, gravier) qui doivent être élim nés dans un dessableur.
– La chambre de mise en charge est un autre bassin qui suit le dessableur, assurant une fonction d’accumuler l’eau pour augmenter la pressi on d’eau circulant dans la conduite forcée et assure le remplissage de la canalisation qui relie cet ouvrage à la turbine (la conduite forcée).
– La conduite forcéeest réalisée avec des tuyaux standards. Les conduites forcées des petites centrales récentes sont généralement enterrées, ce qui permet de préserver le paysage.
Elles sont d’habitude de section circulaire et son bout dépend du nombre de turbine qu’elle alimente. C’est-à-dire, il peut être en « Y » quand il alimente deux turbines, an « W » quand c’est trois turbines et tant d’autres (Cas des turb ines Banki).
• La centrale :
La centrale contient la turbine, qui est une pièce principale de l’installation, elle est une sorte de roue qui est mise en rotation par le débit d’eau qui la traverse. Le générateur, qui va convertir l’énergie mécanique de la turbine en énergie électrique.Une armoire électrique de commande et de distribution nécessaire pour la sécurité des installations et aussi des personnes. Il convient de distribuer le courant sur le réseau via un tableau où des appareils (fusibles, sectionneurs), permettent de contrôler la distribution de l’électricité. Le canal de fuite est la voie d’évacuation des eaux qui ont traverséla turbine. Ce canal est relié au cours d’eau qui retrouve le volume d’eau détourné à la prise d’eau.
Les Turbines et Générateurs.
Les turbines et ses caractéristiques :
Une turbine est composée d’un distributeur, d’une roue et d’un diffuseur ou aspirateur. Le distributeur a pour rôle de diriger les filets l iquides pour qu’ils atteignent la roue avec la bonne vitesse et la bonne direction. La roue est composée d’augets ou de pales ; elle transforme l’énergie cinétique et/ou de pression del’eau en énergie mécanique. Le diffuseur ou aspirateur sert à récupérer l’énergie cinétiquet/ou de pesanteur que le fluide possède encore à la sortie de la roue. Issues des roues à eau, les turbines modernes ont été développées à partir de ème conceptions élaborées au IX siècle, mais encore valables aujourd’hui. Pour une petite centrale déterminée, le type de turbine adéquat sera choisi en fonction de la hauteur de chute et du débit du site. Dans notre cas (microcentrale)les turbines recommandées sont les turbines de type Pelton et la turbine Cross-flow ou turbine Banki. La microcentrale Power & Water d’Ankazomiriotra utilise comme turbine: la turbine Banki.
La turbine Pelton :
Elle est équipée d’une roue à augets qui sont frappés par un ou plusieurs jets d’eau à grande vitesse. Par déviation dans les augets, l’eau transmet sa force à la roue. Le débit, qui est en conséquence la puissance de la turbine, est réglé en variant l’ouverture de l’injecteur qui produit le jet avec un pointeau mobile.
Figure 2 : Roue d’une turbine Pelton avec 4 injecteurs
La Turbine Banki ou turbine Cross-flow :
La turbine Banki ou encore turbine à flux traversant se distingue en particulier par sa robustesse, la simplicité de sa construction et de faibles exigences du point de vue surveillance et entretien. Son rendement est cependant légèrement inférieur à celui des autres types de turbines.
Elle est formée d’une roue à aube de forme cylindrique, traversée à angle droit par un jet d’eau de section rectangulaire ; le débit est réglé par une aube rotative. Son domaine d’utilisation se situe entre celui des turbines Kaplan et Pelton, pour des chutes faibles à moyennes, où elle remplace la turbine Francis
Les générateurs :
Le choix du générateur et du système de régulationdépend en premier lieu du mode de fonctionnement de la microcentrale: il peut être enparallèle avec le réseau de distribution électrique ou en régime isoléEn. parallèle, l’installation injecte du courant électrique dans le réseau de distribution local, alors qu’en mode isolé, la microcentrale n’alimente qu’un seul utilisateur (ex: hôtel ou cabane de montagne). Une combinaison des deux formules est possible, bien que plus complexe et plus onéreuse
Fonctionnement en parallèle
Les microcentrales de puissance inférieure à 300kW et ne fonctionnant qu’en parallèle sont essentiellement équipées degénérateurs asynchrones.La tension et la fréquence sont dictées par le réseau de distribution et sont constantes.
Fonctionnement en régime isolé
En mode isolé, ou îlot, le groupe turbine-générateudoit avoir la capacité de maintenir par lui-même une tension et une fréquence constante. La puissance produite par le générateur doit être identique à celle consommée par les utilisateurs. Si tel n’est pas le cas, fréquence et tension se modifient, ce qui peut provoquer des dommages aussi bien aux appareils consommateurs (moteurs, lampes, électronique), qu’aux installations de production.
Les microcentrales en régime isolé sont dans leur grande majorité équipées de générateurs synchrones, machines qui peuvent alimenter tout type d’appareils consommateurs. La tension est maintenue constante par un régulateur électronique intégré au générateur. La fréquence est fixée par la vitessee dla turbine, dont le réglage est également assuré par voie électronique ou électromécanique.
La microcentrale d’Ankazomiriotra est en régime isolé, équipée de deux générateurs synchrones de 60kW chacun. Ces deux générateurs sont synchronisés avant tout lancement du ligne ou réseau.
Equipements électriques.
Le réseau électrique de distributioncomporte des fils qui permettent le transport du courant vers les utilisateurs. Ce réseau est soit de basse tension, c’est-à-dire à la tension ou voltage de fonctionnement des appareils des usagers, soit de haute tension. Celle-ci est nécessaire lorsque la distance de transport dépasseles 500 mètres. En effet pour transporter 20 kW à une tension ou voltage de 220V, il faut 90 amp ères soit un câble électrique d’au moins 10mm2 de section.
Armoire électrique de commande et de distribution. Pour la sécurité des installations et aussi des personnes, il convient de distribuer le courant sur le réseau à l’aide d’un tableau où des appareils (fusibles, sectionneurs) permettant de contrôler la distribution. A l’autre extrémité du réseau seront installés deséquipements semblables pour contrôler la distribution chez un client.
Les transformateurs auxiliaires qui jouent le rôle d’abaisseur ou d’élévateur de tension. Assurant le transfert d’une énergie suffisant, destinée aux utilisateurs.
Circuit fluidique de la Banki :
Après avoir circulé dans le canal d’amené et la conduite forcée, l’eau va frapper maintenant les augets de la turbine Banki et la faite tourner. Ainsi, la force de l’énergie cinétique de l’eau fera tourner la turbine, qui va engendrer de l’énergie mécanique. Et ce dernier fera l’objet d’une source d’électricité, une fois que le rotor du générateur tourne.
Comme nous avons cité au-dessus, la turbine Banki est une turbine à flux traversant. C’est à dire, la périphérie de la roue, de telle sorte que les aubes en arc de cercle de la turbine sont attaquées d’une façon tangentielle par une lame d’eau rectangulaire. A la sortie du premier passage dans la roue, l’eau présente encore une certaine énergie cinétique, traverse ensuite en évitant l’arbre de l’espace intérieur etattaque les autres aubages de telle sorte que la vitesse relative est toujours tangente aux aubages du second passage. A nouveau, une partie de l’énergie cinétique est conservée, l’eau quittela roue et se déverse dans le canal de fuite.
D1 : Diamètre intérieur de la roue.
D2 : Diamètre extérieur de la roue.
Le diamètre D2 de la roue intérieure est choisi proche que possible de la roue D1 pour limiter les pertes de charge et de donner au fluide suffisamment de place pour qu’il puisse convenablement attaquer les aubes du second passage.
L’orientation de l’admission peut-être, soit horizontale, oblique ou verticale ; mais la plupart des constructeurs a tendance à placer l’adm ission horizontalement. Car il est plus simple de démonter une turbine à admission horizontale. Une entrée inclinée coince la turbine entre le plan de fixation du bâti et celui de la br ide de la conduite forcée ; il en résulte des contraintes importantes sur la machine au moindre mouvement de la conduite.
Table des matières
INTRODUCTION
Partie I : GENERALITES D’UNE MICROCENTRALE HYDRAULIQUE
Chapitre I : PRESENTATION DE LA MICROCENTRALE
I.1.Ouvrage hydraulique et génie civil.
I.2. Les Turbines et Générateurs.
I.3. Equipements électriques.
Chapitre II : CARACTERISTIQUES ET GENERALITE DE LA TURBINE BANKI
Historique.
II.1.Caractéristiques.
II.2. Aubes et distributeur.
Chapitre III : NACESSITE DE L’AUTOMATISATION D’UNE VANNE EN AMONT D’UNE MICROCENTRALE HYDRAULIQUE.
III.1. Problématique.
III.2. But de l’automatisation.
CONCLUSION
Partie II : LES ELEMENTS DE L’AUTOMATISME
Chapitre I : LE CAPTEUR
I.1. Généralités sur les capteurs.
I.2. Le capteur à fibre optique.
I.3. Les avantages de l’utilisation d’un capteur à fibre optique.
Chapitre II : LE DISTRIBUTEUR A COMMANDE PROPORTIONNELLE
II.1. Généralités sur la commande proportionnelle.
II.2. Les composantes du distributeur.
II.3. Mode de branchement.
Chapitre III : LA VANNE
III.1. Les mécanismes de la vanne.
III.2. Dimensionnement de la vanne et les organes hydrauliques.
III.3. Schémas du circuit et dessin de la vanne.
Partie III : ETUDE ECONOMIQUE ET IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
Chapitre I : ETUDE ECONOMIQUE
I .1. Estimation du coût des matériaux.
I.1.a. Les organes hydrauliques
Chapitre II : IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
II.1. Effets négatifs de l’automatisme.
II.2. Les avantages de l’automatisme.
II.3 Solutions proposées pour remédier aux impacts négatives
CONCLUSION
ANNEXES
