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Solutions pour l’amélioration de la flexibilité des centrales hydroélectriques à accumulation dans le cadre des modifications de l’environnement et du marché

FlexSTOR

Le projet de recherche des “Solutions pour l’amélioration de la flexibilité des centrales hydroélectriques à accumulation dans le cadre des modifications de l’environnement et du marché ” (FlexSTOR), financé par la CTI (No. 17902.3 PFEN-IW-FLEXSTOR), a réuni les partenaires de recherche du programme SCCER-SoE et KWO. Le nouveau challenge des centrales hydroélectriques devant s’adapter aux changements environnementaux et commerciaux tout en s’insérant dans l’économie de la Suisse est au cœur de cette étude. De nouvelles méthodes intégrant des approches numériques et expérimentales ont été développées pour améliorer le design et la flexibilité des aménagements hydroélectriques, avec comme champ d’application les centrales de KWO. Pour aborder les défis imposés par ces changements, six activités principales ont été définies :

  • WP1 - Hydropeaking mitigation
  • WP2 - Impulse waves
  • WP3 - Management of storage reservoirs in changing climate and market conditions
  • WP4 - Sediment cascade flushing
  • WP5 - Turbine abrasion
  • WP6 - Unstable turbine behaviour at start/stop


Le groupe de recherche Hydroélectricité de la HES-SO Valais-Wallis a mené les activités du WP6, développées en collaboration avec KWO et l’EPFL-LMH, afin d’étudier l’impact des nombreux arrêts-démarrages sur la fatigue des groupes ternaires de la centrale de Grimsel 2. Des approches numériques et expérimentales avancées ont été mises en œuvre pour atteindre cet objectif.

Depuis une dizaine d’années, dans le contexte du développement et de l’intégration des nouvelles énergies renouvelables (solaire, éolien…), les turbines et les pompe-turbines hydrauliques sont devenus des composants techniques clés pour la stabilisation du réseau électrique. Afin d’accomplir ce rôle, les machines hydrauliques doivent étendre leur plage de fonctionnement et faire face aux nombreux arrêts et démarrages tout en maintenant ou en augmentant leur durée de vie. Les activités de recherche menées dans le cadre du WP6 ont permis d’étudier une centrale hydraulique spécifique subissant ce type de conditions d’opérations afin :   

  • d’établir les collines d’instabilités hydrodynamiques de la machine en se basant sur plusieurs paramètres de surveillance ;
  • de proposer des nouvelles procédures pour les phases de démarrage, synchronisation ou arrêt moins nuisibles avec un effet direct sur les coûts de maintenance à long terme ;
  • d’élaborer un protocole pour tracer les collines d’instabilités hydrodynamiques de différentes unités de production hydroélectrique en considérant uniquement une instrumentation de mesures simplifiée.


Le cas d’étude sélectionné est la centrale hydroélectrique de pompage-turbinage de Grimsel 2. Les groupes ternaires horizontaux de production sont constitués d’un moteur-générateur couplé avec une turbine Francis à une extrémité de l’arbre et avec une pompe centrifuge monoétage à l’autre. Les efforts principaux de l’investigation ont été concentrés sur le mode turbine. L’origine des fissures observées par le passé sur les pales de la roue de la turbine Francis n’étant pas identifiée, la présente étude a cherché à déterminer la source de cette fatigue prématurée et à trouver une manière de diminuer ou de supprimer le risque de réapparition des fissures dans le futur.

Une première campagne de mesures a été menée en novembre 2016 sur la turbine du groupe 2. Les systèmes d’acquisition embarqué et extérieur ont été déployés. En plus des cycles normaux de démarrage-arrêt et de la totalité de la plage de fonctionnement en mode turbine, trois procédures de démarrage plus lente en mode turbine et une procédure standard de démarrage en mode pompe ont été investiguées.

Une deuxième campagne sur site a été effectuée en juin 2017 sur le même groupe 2. Le système de fixation a été mis jour pour assurer l’intégrité de l’instrumentation embarquée. Différentes procédures de démarrage ont été à nouveau testées. L’ensemble de mesures embarquées et extérieures ont été réalisées avec succès et l’analyse de résultats nous a permis d’identifier les conditions de fonctionnement problématiques pour la turbine.

Entre temps, un modèle complet de calcul numérique pour la turbine a été construit. Plus de dix simulations numériques, stationnaires et instationnaires, ont été réalisées pour la région du meilleur point de fonctionnement de la colline. L’idée a été de comparer les résultats numériques aux données existantes pour assurer la pertinence du setup avant de poursuivre les calculs aux points de fonctionnement plus complexes. Malgré une relativement bonne correspondance entre les résultats, une différence sur l’ouverture des directrices a été observée. Des mesures sur ce paramètre ont été menées pendant la deuxième campagne expérimentale pour clarifier ce point, qui est très important pour les calculs à faible ouverture de directrices. Par la suite, le point de couple nul, atteint pendant les procédures de démarrage et d’arrêt de la turbine ont été investiguées à l’aide des simulations numériques fluide instationnaires et par calculs de structure avec la méthode des éléments finis.

Finalement, une troisième campagne a été menée en septembre 2018 sur la turbine du groupe 4. Le programme de test s’est concentré principalement sur la turbine durant son démarrage ainsi que celui de la pompe, les conditions nominales de fonctionnement ainsi que la plage complète d’opération pour une chute donnée. Le fonctionnement à charge partielle extrême ainsi que les procédures d’arrêt normale et raccourcie ont été étudié. L’instrumentation se limitait au système d’acquisition extérieur, plusieurs types de capteurs non-intrusifs étant déployés. L’analyse des résultats nous a permis de vérifier la capacité de détection non-intrusive pour ce type de diagnostic et de mettre en évidence l’existence de la même problématique sur une autre machine.

Les buts définis du projet ont été largement atteints avec succès. Les principaux accomplissements de ce WP sont les suivants :

  • Analyse détaillée de la problématique donnée : analyse de l’historique du groupe, listage des sources d’excitation évidentes et des conditions de fonctionnement extrêmes possibles, regroupement des données disponibles (géométrie, historique de points de fonctionnement, maintenance, etc.)
  • Mise au point d’une méthodologie d’investigation adaptée : identification des outils d’investigation adaptés aux objectifs partiels et finaux définis ; sélection d’un point de fonctionnement de référence spécifique au cas investigué.
  • Investigation CFD & FEM avancée : identification numérique des modes propres de la roue de la turbine ; calcul de fatigue sur la base de mesures expérimentales de contraintes ; simulations stationnaires et instationnaires de l’écoulement validées avec les données statistiques de SCADA et avec les mesures sur le site.
  • Mesures embarquées complexes : mise au point d’un système de mesure autonome robuste réutilisable pour acquérir des signaux synchrones des jauges des contraintes, des accéléromètres et des tachymètres ;résistant aux conditions particulièrement exigeantes : 17 bars de pression statique, forces centrifuges importantes, arbre à axe horizontale, accès frontal impossible au nez de la roue.
  • Mise au point des mesures non-intrusives : acquisition des signaux synchronisés avec le système embarqué, avec SCADA et avec d’autres systèmes dédiés disponibles dans la centrale. Déploiement de plusieurs capteurs principalement non-intrusifs comme les accéléromètres, le microphone, les proxymètres, les capteurs de pression, etc. Mise au point d’une technique de synchronisation peu chère basée sur des impacts de marteau pour les mesures embarquées et extérieures.
  • Identification des excitations indésirables : évidence claire d’excitation de la structure avec les mesures de contraintes et démonstration de la capacité de détection non-intrusive. Elaboration de diagrammes d’instabilité et listage des solutions technique possibles.
  • Protocole de diagnostic pour d’autres groupes de production hydroélectrique surfant de problèmes de fatigue prématurée : utile pour répéter ce type d’investigation sur un autre cas test.
     

 



Partenaires :


 Publications :

  1. Hydro-structural investigation of a 100 MW Francis turbine based on experimental tests and numerical simulations 
    Decaix J., Hasmatuchi V., Titzschkau M., Rapillard L., Manso P., Avellan F., Münch-Alligné C.
    SCCER-SoE Annual Conference 2019, Lausanne, Switzerland
  2. Detection of harsh operating conditions on a Francis prototype based on in-situ non intrusive measurements - Link to the publication
    Hasmatuchi V., Pacot O., Decaix J., Titzschkau M., Rapillard L., Münch-Alligné C.
    Proc. of the Hydro2019, Porto, Portugal
  3. Hydro-structural stability investigation of a 100 MW Francis turbine based on experimental tests and numerical simulations 
    Decaix J., Hasmatuchi V., Titzschkau M., Rapillard L., Münch-Alligné C.
    IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 405 (012006), 2019
  4. On-board measurements at a 100 MW high-head Francis turbine - Link to the publication
    Titzschkau M., Hasmatuchi V., Decaix J., Münch-Alligné C.
    Wasserwirtschaft, Special Issue 1/2019
  5. Experimental and numerical investigations of a high-head pumped-storage power plant at speed no-load - Link to the publication
    Decaix J., Hasmatuchi V., Titzschkau M., Rapillard L., Manso P., Avellan F., Münch-Alligné C.
    IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume 240 (082014), March 2019
  6. On-Board Measurements At A 100MW High-Head Francis Turbine 
    Titzschkau M., Hasmatuchi V., Decaix J., Münch-Alligné C.
    Proc. of 20th International Seminar on Hydropower Plants (Viennahydro 2018), Vienna, Austria, November 14-16,  2018
  7. Detection of harsh conditions on a Francis prototype based on in-situ onboard and non-intrusive measurements 
    Hasmatuchi V., Decaix J., Titzschkau M., Rapillard L., Manso P., Avellan F., Münch-Alligné C.
    Poster at the SCCER-SoE Annual Conference 2018, Luzern, Switzerland, September 13-14, 2018
  8. CFD and FEM investigations of a Francis turbine at speed no-load 
    Decaix J., Hasmatuchi V., Titzschkau M., Rapillard L., Manso P., Avellan F., Münch-Alligné C.
    Poster at the SCCER-SoE Annual Conference 2018, Luzern, Switzerland, September 13-14, 2018
  9. CFD investigation of a high head Francis turbine at speed no-load using advanced U-RANS models - Link to the publication
    Decaix J., Hasmatuchi V., Titzschkau M., Münch-Alligné C.
    Applied Sciences, 8(12), 2018
  10. A challenging puzzle to extend the runner lifetime of a 100 MW Francis turbine - Link to the publication
    Hasmatuchi V., Decaix J., Titzschkau M., Münch-Alligné C.
    Proc. of Hydro 2018, October 15-17, 2018, Gdansk, Poland
  11. CFD investigation of a Francis turbine to help the experimental measurements and the definition of start-up procedures 
    Decaix J., Hasmatuchi V., Titzschkau M., Avellan F., Münch-Alligné C.
    Poster at the SCCER-SoE Annual Conference 2017, Birmensdorf, Switzerland, September 14-15, 2017
  12. Challenging onboard measurements in a 100 MW high-head Francis Turbine prototype 
    Hasmatuchi V., Titzschkau M., Decaix J., Avellan F., Münch-Alligné C.
    Poster at the SCCER-SoE Annual Conference 2017, Birmensdorf, Switzerland, September 14-15, 2017
     

Présentations :

  • Detection of harsh operating conditions on a Francis prototype based on in-situ non-intrusive measurements
    V. Hasmatuchi V., Decaix J., Titzschkau M., Pacot O., Münch-Alligné C.
    Hydro 2019, Porto, Portugal
  • Knowledge and Technology Transfer for Hydropower - P6 Preventing turbine instability during multiple start/stop procedures
    Hasmatuchi V., Decaix J., Titzschkau M., Münch-Alligné C.
    SCCER-SoE Annual Conference 2019, Lausanne, Switzerland
  • Hydro-structural stability investigation of a 100 MW Francis turbine based on experimental tests and numerical simulations
    Decaix J., Hasmatuchi V., Titzschkau M., Rapillard L., Münch-Alligné C.
    IAHRWG 2019, Stuttgart, Germany
  • On-board measurements at a 100MW high-head Francis turbine
    M. Titzschkau, V. Hasmatuchi, J. Decaix & C. Münch-Alligné
    Vienna Hydro 2018, Vienna, Austria
  • A challenging puzzle to extend the runner lifetime of a 100 MW Francis turbine
    Hasmatuchi V., Decaix J., Titzschkau M., Münch-Alligné C.
    Hydro 2018, Gdansk, Poland
  • Experimental and numerical investigations of a high-head pumped-storage power plant at speed no-load
    Decaix J., Hasmatuchi V., Titzschkau M., Rapillard L., Manso P., Avellan F., Münch-Alligné C.
    IAHR 2018, Kyoto, Japan
  • Challenging onboard measurements in a 100 MW high-head Francis turbine prototype - Link to presentation
    Hasmatuchi V., Titzschkau M., Decaix J., Avellan F., Münch-Alligné C.
    SCCER-SoE Annual Conference 2017, Birmensdorf, Switzerland