Rapport de stage de fin tudesINTRODUCTION GENERALE
Lieux de conversion de lnergie mcanique en nergie lectrique,
cest la dfinition des centrales lectriques, et ce au moyeu dautres
sources dnergie primaire dans notre cas: lnergie solaire et le gaz
naturel.Ce grand projet sintgre dans le cadre des grands projets
dcids conformment aux hautes directives royales concernant la
mobilisation des ressources nationales en nergies renouvelables et
prservation de lenvironnement en vitant lmission de 3,7 millions de
tonnes de CO2 par an. Ces projets ont pour but de construire 5
premiers sites totalisant une superficie de 10 000 hectares, en
installant une puissance de 2000 MW (soit 38% de la puissance
installe actuellement) et une capacit de production annuelle de
4500 GWh (18% de la production nationale actuelle). Le cot
dinvestissement est estim 70 MAD soit 9 milliards de Dollars. Ces 5
sites seront : An Bni Mathar, Ouarzazate, Foum Al Ouad (Layoune),
Boujdour et Sabkhat Tah (Tarfaya).La bonne exploitation de cette
nergie dans les centrales et la scurit des rseaux lectriques de
distribution et les gnrateurs se font par lintermdiaire dquipements
de protection et de contrle-commande qui exige la connaissance
permanente de tous les types de protections ainsi que les seuils
des dclenchements de chaque protection. Dans le but damliorer ma
formation, en tant qulve-ingnieur en ENERGETIQUE, jai loccasion de
faire des tudes pratique au sein de la Centrale Thermo-solaire ISCC
dAin Bni Mathar ou je travaille. Ce stage ma permis non seulement
dexploiter mes connaissances thoriques dans le domaine de la
pratique mais aussi d'acqurir le maximum d'ides et de notions
ncessaires dans le domaine lectrique, ainsi de bien comprendre le
principe de fonctionnement de tous les protections installe a la
centrale.jai effectu ltude des principaux systmes de protections
mise en uvre dans la centrale ISCC dABM pour lensemble
Alternateur-Transformateur et les quipements ncessaire pour ces
systmes (Transformateurs de courant, Transformateur de tension,
Relais de protection), et comme toutes les centrales lectriques,
les rseaux de distribution sont le sige de perturbations lectriques
et lectromagntiques importantes et particulirement svres dans les
postes haute tension. Ces perturbations sont lies aux manuvres
dappareillages (sectionneurs, interrupteurs, disjoncteurs et
contacteurs), aux dcharges atmosphriques, ainsi aux dfauts dus aux
courants et tensions, pour cela lusage dun relais qui gere tous les
ordres afin quil protege notre installation savre important pour
bien comprendre le comportement du systme pendant et aprs des
defauts , fournir rapidement des informations compltes et fiables
afin dassurer un bon fonctionnement des systemes de protections et
avec haute performance.
1- Prsentation de lorganisme daccueil
Abener Energie, SA (Abener), qui appartient au dpartement
ingnierie industriel du groupe Abengoa et Construction (ABEINSA), a
t cr en 1991, quand la division Mcanique dAbengoa a entrepris des
projets de cognration.Abener, un leader mondial dans son secteur, a
connu une croissance, diversifi et tendu ses activits travers trois
continents.Abener est une entreprise pionnire concernant la
construction de centrales thermo-solaires de tour. Aprs le succs
obtenu par le projet de PS 10 et le projet PS 20 qui est encore en
marche, Abener dveloppe les projets des centrales technologie CCP
(collecteurs cylindro-paraboliques). La grande majorit des projets
solaires dvelopps par Abener se situent sur la Plateforme Sollcar,
en Sville, ils sont le rsultat entre un processus propre qui
combine les dernires technologies d'exploitation des ressources
solaires et son compromis avec l'environnement. Tout comme la
technologie ISCC (Integrated Solar Combined Cycle), symbole de
linnovation et du dveloppement soutenable, employ par Abener dans
deux projets pionniers situes au Maghreb celui de An Bni Mathar au
Maroc et Hassi Rmel en Algrie. Figure 1.1: Organisation
dABENGOA
1. Distribution gographique: Un leader incontestable en matire
de construction des usines ainsi que des centrales, Abener Energie
est une socit multinationale qui possde le plus grand nombre dusine
dEurope, des usines en Inde, Amrique du sud, Mexique, Pirou, et les
deux centrales ISCC au Maroc et lAlgrie.
Figure 1.2: Distribution gographique.2. Activit:Abener Energie
SA, dveloppe le gnie industriel et des projets de construction, et
est responsable de la conception, l'ingnierie, la construction,
lexploitation, la mise en service et l'entretien des centrales
lectriques. Elle effectue des analyses de faisabilit tout en
fournissant des conseils financiers contribuant ainsi au
dveloppement durable par l'exploitation des ressources naturelles
et le respect de l'environnement. Abener est divis en trois
secteurs: l'nergie solaire, bionergie et la production.Pour offrir
des solutions intgres et novatrices pour le secteur nergtique, la
promotion, la recherche de financement, l'ingnierie, construction
et exploitation de nouvelles centrales lectriques et les
installations industrielles, et l'optimisation des installations
existantes, tout en contribuant au dveloppement durable.Au cours
des cinq prochaines annes, Abener vise assurer son leadership dans
le march global de la construction cl en main pour les centrales
lectriques et autres installations industrielles, notamment dans
les biocarburants et l'nergie thermo-solaire, consolider et
renforcer la position de raliser en Espagne et en Amrique latine,
tout en dveloppant sa prsence dans autres marchs en croissance
(Union europenne, en Europe orientale, bassin mditerranen, et
USA).
Figure 1.3: Distribution gographique des entreprises fille.3.
Les projets dAbener Energie: Les secteurs dactivits: Figure 1.4:
Secteurs dactivits.
Abener est une entreprise pionnire concernant la construction
des centrales thermo solaires dtour. Aprs le succs obtenu par le
projet de PS 10, et le projet P520 qui est en marche. Abener
dveloppe les projets de centrales technologie CCP. La grande
majorit des projets solaires dveloppes par Abener se situent sur la
Plateforme Sorcar, en Seville, ils sont le rsultat entre un
processus propre qui combine les dernires technologies
d'exploitation des ressources solaires, son compromis avec le
l'environnement. Tout comme la technologie ISCC (Integrated Solar
Combined Cycle), symbole de innovation et du dveloppement
soutenable, employ par Abener dans les deux projets pionniers
situes au Maghreb.
Gnration complte cest l'activit d'Abener. Sa trajectoire dans ce
secteur d'activit est reconnue par de nombreux projets
d'exploitation de biomasse re-poweing centrales de moteurs, cycles
simples et combines. Abener est pionnire dans la construction
d'usines de technologie ISCC notamment avec la construction des
premires centrales au monde situes en Algrie et au Maroc,
technologie ne de l'union entre ces genres dinstallation et les
nergies renouvelables. Les projets dAbener Energie:
Figure 1.5: Les projets dAbener Energie.Voir dautres projets
dans lAnnexe.4. Lorganigramme dAbener Energie An Bni Mathar:
Figure 1.6: Organigramme dAbener Energie.
2- Aperu gnrale sur loffice national de llectricit (ONE):
2-1 Gnralit sur lONE:Loffice National de lElectricit (ONE) est
un tablissement marocain public en fort dveloppement caractre
industriel et commercial, cr en 1963, il emploi prs de 9000 salaris
et compte environ 3,6 millions dabonns, dot de la personnalit
civile et de lautonomie financire, charg du service public de la
production, du transport et de la distribution de lnergie
lectrique. En tant que producteur, lONE a la responsabilit de
fournir sur tout le territoire national (Maroc) et tout instant une
nergie de qualit dans les meilleures conditions conomiques.
Figure2.1: Plan du rseau de la distribution dnergie lectrique au
Maroc.Le secteur de l'lectricit a enregistr une augmentation
soutenue de la demande durant la dernire dcennie. Celle-ci a connu
une croissance moyenne de 6,8% par an, passant de 12453 GWh en 1998
24 003 GWh en 2008. Afin d'assurer cette demande en nergie,
constamment en volution, l'ONE acclre son programme
d'investissement dans la production et le transport de
l'lectricit.Ce programme porte principalement sur des projets
stratgiques dont l'objectif est de renforcer la capacit de
production d'nergie lectrique ainsi que la scurit et la fiabilit du
rseau national de transport (Trs Haute Tension et Haute Tension) en
dveloppant notamment les interconnexions avec les pays voisins.LONE
dveloppe de nouveaux moyens de production et des nouvelles
technologies en conciliant les performances conomiques, lexpertise
technique, la mobilisation des ressources nergtiques nationales,
notamment les nergies renouvelables et prservation de
lenvironnement. Le rseau de transport, couvrant une trs grande
partie du territoire national, est constitu de lignes 400 KV, 225
KV, 150 KV, 60 KV et 22 KV dune longueur totale dordre 16300 Km
environ, est par ailleurs interconnect avec les rseaux; Algrien au
moyen de deux lignes 225 KV et Espagnol au moyen de deux cbles
sous-marins de 400 KVAfin de satisfaire la demande en nergie
lectrique et dans le cadre du renforcement de son parc de
production, l'ONE a engag des projets d'quipement s'talant sur la
priode 2007-2011 : Production thermique: Centrale thermosolaire
dAin Bni Mathar (thermique, 470 MW). Centrale Groupe Diesel de
TANTAN (116 MW). Centrale Turbines Gaz de Mohammedia (300 MW).
Centrale charbon Safi (thermique, 2 x 660 MW). Transfert des
turbines gaz de Tan Tan la Centrale de Layoune. (thermique, 3x33
MW). Centrale Turbines gaz de Knitra (thermique, 300 360 MW. Projet
de Groupes Diesel Agadir (thermique, 72 MW). Rnovation des deux
tranches charbon de la CTM.
Production hydraulique: Complexe hydro - lectrique de Tanafnit
El Borj (40 MW). Projet de rhabilitation et de tlgestion des usines
hydrauliques. STEP Abdelmoumen (hydraulique, 3 MW). Production
olienne: Initiative 1000 MW (Projets de parcs oliens). Parc olien
de TANGER 140MW. PARC EOLIEN DE TARFAYA. 2-2 Pnalits pour lONE:Les
pnalits donnes lONE suite un nombre donn de dclenchements dune
turbine est la somme de deux quantit dargent, une quantit fixe et
une autre variable, la premire reprsente le produit du nombre
darrts par une somme de 5000 (la pnalit fixe pour chaque
dclenchement), est la deuxime se calcule partir de la disponibilit
annuelle de la faon suivante : ABENER ENERGIE paiera une pnalit
annuelle de 10.000 pour chaque dixime (0.1%) de point au dessous de
la disponibilit annuelle garantie qui est de lordre de 350 jours ou
alors 8640 heures (exemple: pour 1% au dessous de la disponibilit
annuelle garantie, la socit paiera 100.000 lONE).Nous avons un
nombre darrts gale sept alors une somme fixe de : 5000*7=35000 Le
temps total darrt durant six mois est : 55,91 H, donc on peut
gnraliser que le temps darrt annuel est de lordre de 111,83H alors
on a un rapport au dessous de la disponibilit garantie de : 111,81
/ 8640 = 0.013 = 1.3% Alors ces arrts gnrent une somme variable de
: 1.3 x (10000/0.1) = 130.000,00 Donc la somme totale de pnalits
donnes lONE est : 130000 + 35000 = 165.000,00
14
RAPPORT DE STAGE DE FIN DETUDESPage 6
3- Description de la Centrale Thermo-solaire ISCC dAin Bni
Mathar:
3-1 Prsentation gnrale de la centrale ISCC dABM:La centrale
thermo solaire ISCC dAin Bni Mathar est situe dans la rgion
orientale du Maroc 88 Km au sud de la ville d'Oujda sur une
superficie totale de 160 hectares dont le coup d'envoi des travaux
de ralisation a t donn le 28 mars 2008.Elle a t construite par le
groupe espagnol Abengoa. Figure3.1: Situation Gographique de la
centrale dABM. Les travaux de construction de cette centrale
thermo-solaire cycle combin ont ncessit une enveloppe de l'ordre de
4,6 milliards de dirhams, d'une puissance totale de 470 mgawatts
(MW), dont 20 MW partir de la composante solaire, s'inscrit dans le
cadre de la stratgie nationale pour le dveloppement d'nergies
renouvelables respectueuses de l'environnement et la mise en valeur
des ressources nergtiques pour la production de l'lectricit. Ce
projet forte dimension environnementale et citoyenne et aux
retombes socio-conomiques significatives, peut gnrer un productible
annuel moyen de 3538 GWh.Ainsi que la mise en service de cette
centrale a permis une conomie de fioul de 12.000 tonnes par an et a
contribu viter les missions de 33.500 tonnes de CO2 dans l'air par
an. Il s'agit de la premire centrale thermo solaire cycle combin
dans le monde. Cette technologie combinant performance et efficacit
; utilisera le gaz naturel et le champ solaire constitu de
Collecteurs Cylindro-Paraboliques orients nord-sud et renvoient les
rayons solaires sur un seul axe est-ouest. La centrale utilisera le
gaz de redevance comme combustible unique. Elle est alimente partir
du Gazoduc Maghreb Europe GME.En termes demploi, quelques 500
ouvriers ont travaill sur le chantier pour une dure de 34 mois.
Dautre part, lexploitation de la centrale ncessitera environ 50
postes permanents en plus de plusieurs emplois que gnreront les
activits de maintenance de la centrale et les diverses prestations
de services, tels le nettoyage, le gardiennage, la restauration.
3-2 Principaux critres de choix dAin Bni Mathar:Le choix
dimplantation du site a t fait suite ltude de plusieurs sites
possibles au niveau du Maroc (tude de prfaisabilit).Le choix
technique dAin Bni Mathar pour la construction de ce projet
(centrale ISCC) a donc t dict par les aspects environnementaux les
plus favorables et la disponibilit des ressources nergtiques (gaz
et rayonnement solaire).Le projet a t initi en 1994, suite une tude
de prfaisabilit dune centrale thermo- solaire dans les rgions
dOuarzazate et de Taroudant. En 1996, la recherche dun site
potentiel pour linstallation de la centrale base sur un
ensoleillement suffisant, la proximit du gazoduc Maghreb-Europe
(GME), la disponibilit dun dbit deau suffisant pour le
refroidissement de la centrale et le nettoyage des miroirs
solaires, et la proximit du rseau lectrique haute tension pour
lvacuation de lnergie produite par la centrale ont abouti au choix
du site de Ain Bni Mathar comme site de rfrence pour la
construction de la centrale. Le site retenu devait correspondre aux
critres suivants : Disposer dune surface relativement plane
suffisante limplantation de la centrale thermique et du champ
captant solaire. Etre dans une zone apparemment de faible intrt
touristique, suffisamment loign des zones naturellement sensibles
ou remarquables. Etre relativement proche dinfrastructures damene
du combustible (gazoduc). Etre dans une zone bnficiant dun
ensoleillement suffisant pour la production dlectricit partir
dnergie renouvelable. Le choix dAin Bni Mathar pour lemplacement du
site du projet a t dict par une conjonction favorable des critres
suivants
Proximit du gazoduc Maghreb-Europe. Radiations solaires
suffisantes. Disponibilit dun dbit deau suffisant. Proximit du
rseau lectrique haute tension pour lvacuation de lnergie produite
et quilibre gographique du parc productif. Disponibilit et cot des
terrains. Dveloppement de lemploi au niveau rgional. Aspect social
important dans la zone suite la fermeture de la mine de Jerada.
3-3 Description de la centrale ISCC dABM:La Centrale lectrique
est constitue de deux turbines gaz et de leurs alternateurs, de
deux chaudires de rcupration de chaleur, dune turbine vapeur
commune et de son alternateur, de trois transformateurs principaux,
de deux transformateurs de soutirage, dune salle de contrle et dun
changeur de chaleur solaire, et de postes THT/HT.Lchangeur solaire
est aliment par un champ de captage de 416 collecteurs
cylindro-paraboliques dploys sur un terrain de 80 ha. Les ouvrages
annexes de la centrale sont constitus de circuits deau, de
combustibles, dun groupe et de poste de secours.
Figure3.3: Vue globale des deux tranches de turbine a gaz. Le
projet de la centrale thermo solaire cycle combin dAin Bni Mathar
comprend principalement les lments suivants :
Station de lutte contre incendie. Station de Gaz, poste 60
KV.Station de traitement deau.Btiment de coupure et contrle.Btiment
de la turbine vapeur.Chaudire auxiliaire et pompes
HTF.Administration et centre Visiteur.Atelier et Parking.Champ
solaire. Bassin dvaporation solaire.Zone de Stockage solaire.Ligne
225 KV et 60 KV.Turbine vapeur et Arocondenseurs.Transformateurs
Electriques.Conteneur CO2.Unit de turbine Gaz.Groupe gnrateur
diesel.
Figure3.4:Descrption du terrain de la centrale. Champ solaire:Ce
projet a ncessit une superficie totale de 160 hectares dont 144
hectares rservs pour le champ solaire et 16 hectares pour la
construction de la centrale. Le champ solaire comportera un systme
de protection contre les incendies. Un circuit souterrain de tuyaux
de fer devra encercler le champ solaire lintrieur du primtre de la
clture et tre connect au systme de protection contre les incendies
du bloc usine et au rservoir deau. Un minimum de 6 bornes dincendie
est prvu sur le champ solaire, dont une au milieu de la frontire
nord et une autre au milieu de la frontire sud. Bassin dvaporation
solaire:Leau brute sera trait avant son utilisation et les eaux
uses seront recueillies et traites dans un bassin dvaporation
solaire dune surface denviron 2 hectares. Station de Gaz:La turbine
gaz sera alimente partir du Gazoduc Maghreb Europe distant de
13km.Le gaz est disponible une pression de 45 80 bars. La connexion
sera faite par le soumissionnaire la valve de sectionnement M4 du
Gazoduc Maghreb Europe.Le systme dapprovisionnement en gaz comprend
: Prise sur la conduite de combustible principale, conduite
dembranchement partir de la vanne de sectionnement, vanne darrt de
secours sur chssis, compteur de gaz sur chssis, installation de
filtration monte sur chssis, systme de chauffe du gaz sur chssis,
dispositif pour rduction de la pression du gaz, valve de dmarrage
rduction de pression, compresseur sur chssis pour laugmentation de
la pression du gaz. Figure 3.5-1: Description de la centrale
dABM.
Arocondenseur:Comme toutes les centrales thermiques la centrale
dABM utilise les arocondenseurs pour le refroidissement et la
condensation de la vapeur deau. Lignes 225 kV et 60 kV :
Lvacuation de lnergie lectrique produite par la centrale sera
effectue par une ligne 60 kV (10 km) pour lalimentation des
auxiliaires de la centrale, et par des lignes trs haute tension de
225 kV vers les postes 225 kV existants de Bourdim et dOujda (90
km).Ces lignes seront quipes de pylnes mtalliques galvaniss portant
les cbles conducteurs et un cble de garde.
Transformateurs Electriques:Chacun des deux gnrateurs de la
turbine gaz et le gnrateur de la turbine vapeur sont connects au
poste 225 kV par un transformateur principal du gnrateur 14.5 / 225
kV , deux transformateurs auxiliaires de 14.5 / 6.6 kV serviront
aux units auxiliaires et aux diffrents services de la centrale et
deux transformateurs de dmarrage. Systmes de protection contre
incendie:Le systme de protection contre les incendies de la
centrale doit tre des plus efficaces pour la dtection, lalarme et
lextinction des incendies. Un grand nombre de systmes seront
installs afin de pouvoir combattre rapidement tous les types
dincendie dans les diffrents secteurs de la centrale. Bouches
dincendie (extrieur et intrieur). Systme de dtection automatique et
manuel et systme dalarme. Systme jets deau (haute et moyenne
vlocit). Systme dextincteurs mousse. Systme dextincteurs au CO2.
Extincteurs portables.
HRSG:Les gaz d'chappement de la turbine gaz entrent dans la
chaudire de rcupration (HRSG) une temprature d'environ 600C, la
cration de cette chaudire peut soptimiser dans le but de rcuprer le
plus dnergie possible des gaz dchappement de la turbine gaz. La
vapeur de la chaudire de rcupration de chaleur peut se gnrer en un,
deux, ou trois niveaux de pression avec ou sans rchauffement
intermdiaire, ce qui implique une sophistication et un
enrichissement croissant de linstallation mesure que le rendement
et la puissance samliorent. Dans le cas de la centrale dAn Bni
Mathar, la chaudire est compose de trois parties : Chaudire de
grande pression HP: Economiseur Evaporateur Surchauffeur. Chaudire
de moyenne pression MP: Economiseur Evaporateur Surchauffeur.
Chaudire de basse pression LP: Economiseur Evaporateur 3-4
Processus et principe de fonctionnement de la centrale ISCC dABM:
On distingue dans la centrale ISCC dABM deux phases de
fonctionnement: Fonctionnement cycle ouvert. Fonctionnement cycle
combin.La phase de fonctionnement cycle ouvert (CO) consiste
produire lnergie lectrique en utilisant le gaz naturel et partir
des deux turbines gaz seulement dune charge maximale de 150 MW
chacune. Dans ce cas on nexploite pas le systme de rcupration de la
chaleur (HRSG) et par consquent on nutilise pas la turbine vapeur
qui peut gnrer une puissance maximale allant jusqu 170 MW (combin
avec le systme solaire).La phase de fonctionnement cycle combin
(CC) consiste faire valoriser lnergie thermique provenant des gaz
d'chappement des deux turbines gaz qui entrent dans la chaudire de
rcupration (HRSG) une temprature d'environ 600C. Ils transfrent
leurs nergies thermiques au cycle vapeur/eau et quittent la
chaudire une temprature d'environ150C. Dans cette centrale
thermo-solaire une plus grande quantit d'eau en provenance du
condenseur entre dans la chaudire. Aprs avoir t chauffe jusqu'au
point d'vaporation, une partie de l'eau sera conduite l'changeur de
chaleur solaire o elle sera chauffe au point d'bullition, vapore et
surchauffe pour ensuite retourner au gnrateur de vapeur. Elle sera
resurchauffe avant d'tre introduite dans la turbine vapeur. (Voir
Figure ci-dessous).
Le champ solaire est compos de miroirs cylindro-paraboliques
suivant individuellement la position du soleil de lEst vers lOuest,
avec un tube plac suivant la ligne focale servant comme
rcepteur.Les miroirs rflchissent le rayonnement solaire sur des
tubes sous vide qui recueillent la chaleur et qui sont gnralement
couverts dune couche absorbante. Dans les tubes, circule un fluide
caloporteur (huile synthtique) absorbant lnergie thermo-solaire et
la transportant une unit de puissance conventionnelle. Ainsi,
lhuile chaude est utilise pour convertir de leau en vapeur dans
l'changeur de chaleur.
Figure 3.5-2: Schma de principe de fonctionnement de la centrale
cycle combin. III-4-1- Turbo-alternateur Gaz: Dans la centrale
thermo-solaire ISCC dABM les composants principaux du
turbo-alternateur sont: Systme dadmission dair (SAA). Le
compresseur. La chambre de combustion. La turbine. Le systme de gaz
dchappement. Lalternateur et excitatrice.
Figure3.6: Principaux composants de la turbine Gaz: 3-4-1-1
Systme dadmission dair :Lair ambiant est aspir vers la chambre de
combustion via un systme dadmission dair dont lobjectif est dtre
utilis dans la combustion et le refroidissement.Ce systme est
compos de plusieurs filtres afin de garantir un bon fonctionnement
pour lensemble turbo-alternateur.
Le systme dadmission dair comprend les composants suivants:
Carter dadmission avec capot pare-pluie et grille anti-volatile.
Filtre deux tages, c.--d pr-filtre (1er tage) et filtre fin (2e
tage). Portes anti-implosion, silencieux. Portes dinspection
(portes daccs), Coude dadmission dair. Systme antigivrage
(optionnel le cas chant). Systme de refroidissement par vaporation
(optionnel le cas chant). Collecteur dadmission dair raccord lentre
du compresseur. Equipement de scurit et de surveillance.
Figure 3.7: Capot pare-pluie de ladmission dair.
Dflecteurs:L'air ambiant est aspir travers les dflecteurs qui
empchent l'eau de pluie et les objets trangers de grande taille
d'entrer dans le conduit d'admission d'air. Filtre: L'air passe
ensuite travers le filtre 2 niveaux qui retire les impurets et
autres agents polluants contenus dans l'air.
Silencieux :L'air, s'coulant une vitesse relativement leve,
passe ensuite travers un amortisseur de bruit ou silencieux qui
rduit le niveau sonore.
Trou d'homme : Le rle majeur de ce trou est de garantir le
nettoyage et le contrle.
3-4-1-2- Compresseur:Le rle principal de ce composant
(Compresseur) est de comprimer lair provenant de systme dadmission
dair par l'effet combin des ailettes mobiles et des ailettes fixes
(voir figure ci-dessous). Au niveau de la sortie du compresseur
lair comprim est dirig vers la chambre de combustion travers le
diffuseur ainsi vers le circuit de gaz chaud pour garantir le
refroidissement. Une autre partie de l'air comprim est dvi pour
assurer l'tanchit des emplacements o le rotor passe travers le
botier. Figure3.8: Principaux composants du compresseur. Le
compresseur est constitu essentiellement de: Corps: fix axialement
dans la section du collecteur d'admission, maintient et enveloppe
le compresseur et ses ailettes fixes. Le corps est soutenu sur une
plaque de base en travers des supports qui ont chacun deux points
de support.
Rotor: maintient les ailettes mobiles du compresseur dans des
rainures usines dans sa priphrie et transmet la puissance mcanique
du rotor de la turbine au rotor dalternateur. Le rotor est compos
de disques souds entre eux pour former un arbre.
Aubage directeur d'entre variable (VIGV): modulent le flux d'air
de la structure d'admission d'air travers le compresseur. Ils sont
assembls sur une seule range l'entre du corps et tournent de la
position ouverte la position ferme sous l'action du rgulateur de
turbine automatique EGATROL. vannes anti pompage: expulsent l'air
dans l'atmosphre pendant le dmarrage et l'arrt de la turbine. Ceci
permet d'viter une turbulence de l'air dans le compresseur et la
contrainte qui en rsulterait sur les ailettes. Les vannes se
trouvent des positions slectionnes sur le corps et sont contrles
par un systme hydropneumatique qui est actionn par le rgulateur de
turbine EGATROL. Diffuseur: dispositif annulaire situ la sortie du
compresseur. Une fois que l'air a travers le diffuseur, il est dvi
par des aubages directeurs dans le corps de la turbine o il
refroidit le support des ailettes fixes avant de passer dans la
chambre de combustion. Ailettes: nomm aussi aube (pour les ailettes
fixes) servent comprimer l'air qui s'coule dans le compresseur
depuis le systme d'admission d'air, les ailettes sont spares par
des pices intermdiaires. Le pied des ailettes est fix avec une pice
de blocage pour viter qu'il ne tombe de la rainure. L'arbre
intermdiaire est attach l'accouplement du rotor du compresseur
l'extrmit froide du turboalternateur gaz. L'arbre intermdiaire
s'acquitte de fonctions suivantes: Transfrer la puissance mcanique
du rotor de la turbine gaz vers le rotor de lalternateur. La
puissance est transmise par les forces de friction qui sont gnres
par les boulons d'accouplement prtendus entre les brides
d'accouplement. Transfrer le mouvement rotatif lent du systme de
virage par une roue dente jusqu'aux rotors du compresseur et de
lalternateur afin d'viter toute flexion de l'arbre de la turbine
pendant la priode de refroidissement suivant l'arrt de la turbine.
Transfrer la vitesse de rotation relle du rotor au systme de
contrle par une roue d'engrenage via un capteur de vitesse de
rotation sans contact.
Transfrer l'angle de phase au systme de contrle par un capteur
transducteur de proximit sans contact.
3-4-1-3- Chambre de combustion: La chambre de combustion est un
dispositif annulaire (circulaire) plac autour de l'arbre entre le
compresseur et la turbine; le processus de combustion se produit
cet endroit. Figure3.9: Principaux composants de la chambre de
combustion.La combustion est une raction chimique entre l'oxygne
contenu dans l'air pressuris et les composants combustibles (comme
du charbon et l'hydrogne) dans le combustible. Lorsque le mlange
est allum dans la chambre de combustion, le gaz de combustion
pressuris chaud est transfr dans la turbine o il se dilate en
traversant les ailettes. Les combustibles gazeux et liquides
peuvent tre brls dans la chambre de combustion; le combustible est
fourni par le systme de combustible. En raison de la chaleur
dveloppe pendant la combustion, la chambre de combustion doit tre
refroidie avec de l'air provenant du compresseur. Ceci se produit
flux inverss, c'est--dire que les flux du gaz de combustion et de
l'air de refroidissement se dplacent dans la direction oppose.
Les composants principaux de la chambre de combustion sont
dcrits ci-dessous: Corps circulaire: enveloppe et maintient tous
les composants de la chambre de combustion. Il est suspendu
l'intrieur du corps de la turbine entre le compresseur et la
turbine. Brleurs EV: La chambre de combustion est constitue de 72
bruleurs cne double sont disposs circulairement sur deux ranges
autour de la chambre de combustion. Allumeurs: activent
lectriquement les torches d'allumage qui sont alimentes en gaz
combustible ou en propane par le systme de gaz d'allumage. Lorsque
les brleurs principaux sont aliments en combustible, la flamme se
diffuse de brleur en brleur sans autre action. Une fois la
combustion en cours, les allumeurs sont teints.
Figure3.10: Vue dtaille de la chambre de combustion:
Segment avant et son support: forment la zone primaire dans
laquelle la combustion lieu. Il inclue une plaque de permettent
l'air de combustion du compresseur d'atteindre les brleurs. Ecran
de chaleur et son support: protgent la zone primaire des radiations
des flammes directes. Sa partie arrire est refroidie par de l'air
provenant du compresseur. Dtecteurs de flamme: La combustion est
surveille par 3 dtecteurs de flamme contrls par le rgulateur de la
turbine. Leurs signaux de sortie sont valus par un circuit 2 sur 3,
c'est--dire que tant que deux des dtecteurs captent une flamme, le
turboalternateur gaz reste en marche. 3-4-1-3- Turbine Gaz:Une
turbine gaz (dnomination historique) appele aussi turbine gaz de
combustion est une machine tournante thermodynamique appartenant la
famille des moteurs combustion interne dont le rle est de produire
de l'nergie mcanique sous la forme de la rotation d'un arbre,
directement partir de l'nergie cintique des gaz produits par la
combustion d'un hydrocarbure (fuel, gaz combustible...) qui
subissent une dtente dans une turbine. Le comburant, le plus
souvent de l'air ambiant, est gnralement comprim avant de pntrer
dans la chambre de combustion, en utilisant le compresseur rotatif
entran par le mme arbre que la turbineDonc la turbine convertie
l'nergie thermique du gaz de combustion en nergie mcanique qui est
transmise par le compresseur lalternateur qui son tour produit
l'nergie lectrique pour le rseau. Les composants principaux de la
turbine gaz sont: Le corps:Maintient et enveloppe la turbine et son
support d'ailettes fixes, le corps est soutenu sur la plaque de
base en travers des supports qui ont chacun deux points de support.
Le corps est quip d'une isolation thermique et acoustique avec des
coussinets numrots faciles monter qui empchent les radiations
thermiques et sonores dans l'environnement en assurant une
distribution rgulire de la temprature dans le corps. Le
rotor:Compos de disques souds entre eux afin de former un arbre
avec le rotor du compresseur. Il transmet la puissance mcanique
dveloppe par la turbine au rotor du compresseur, puis au rotor de
lalternateur. Comme le rotor est en contact avec le gaz de
combustion chaud, il est protg par des petites plaques en acier
rsistant aux hautes tempratures qui y sont attaches par un mcanisme
de fixation. Aubage: Laubage de la turbine se compose d'ailettes
mobiles et fixes. Les ailettes fixes sont montes sur un support
d'ailettes attach au corps. Les ailettes mobiles sont fixes au
rotor. La conversion de l'nergie thermique en nergie mcanique se
produit dans les ailettes de la turbine. Le gaz comprim chaud
provenant de la chambre de combustion est guid travers
les ailettes de la turbine o il se dilate et exerce une pression
contre les ailettes mobiles. Cette action engendre une rotation du
rotor, transmettant un mouvement au rotor du compresseur et au
rotor de lalternateur. La turbine est compose de cinq ailettes
places en ranges, numrotes de l'entre la sortie, la combinaison
d'une range fixe et d'une range mobile s'appelle un tage. Les
ailettes fixes et mobiles sont rparties rgulirement le long de la
priphrie du corps et du rotor l'aide de pices intermdiaires et sont
fixes par des pices de verrouillage pour rester en place dans leur
rainure respective. Comme les ailettes de la turbine sont en
contact avec le gaz de combustion chaud, au moins les premiers
tages de la turbine doivent tre refroidis par de l'air provenant du
compresseur. Les deux premires ranges d'ailettes fixes sont
refroidies par de l'air comprim venant de l'entre du corps de la
turbine et guid dans les canaux internes du support d'ailettes
fixes vers les pieds et les ailettes. Palier:Le palier maintient et
guide le rotor de la turbine dans la direction radial est lubrifi
et refroidi par l'huile provenant du systme d'huile de
lubrification. Le palier est construit dans un corps de palier spar
dans la section de gaz d'chappement de la turbine. Comme son
environnement est chaud, il est refroidi spcialement l'air.
Figure 3.11 : Schma descriptif du fonctionnement du cycle
combin. Caractristiques techniques de la turbine Gaz: Puissance
brute: 150,28 MW. Puissance nette aux conditions de site pour
chaque turbine gaz : 150 MW. Type: GT13E2. Consommation spcifique:
10080 kJ/kWh. Vitesse de rotation : 3 000 tr/mn. Tension
d'vacuation d'nergie : 225 kV. 3-4-1-4- Dispositif de gaz
d'chappement:Le systme de gaz d'chappement dirige le flux de gaz
d'chappement dans l'atmosphre par la chemine ou par un rcuprateur
de chaleur (HRSG). La premire disposition s'applique des centrales
cycle simple et la deuxime des centrales cycle combin. Dans les
centrales cycle combin, il est galement possible de disposer un
systme de gaz d'chappement compos d'une chemine de dviation et d'un
HRSG. Les composants principaux du systme de gaz d'chappement dans
les centrales cycle simple sont les diffuseurs d'chappement et la
chemine. 3-4-1-5- Alternateur :Un alternateur est une machine
synchrone (gnratrice), convertit lnergie mcanique en nergie
lectrique en utilisant le principe dINDUCTION LECTROMAGNTIQUE.
Principe: Si un conducteur se trouve dans un champ magntique et que
le champ ou le conducteur se dplace, une force lectromotrice (FEM)
ou TENSION est induite dans le conducteur. Trois lments sont
ncessaires pour produire une tension selon le principe de
linduction lectromagntique:1) un champ magntique.2) un conducteur.
3) un dplacement relatif entre le champ et le conducteur.
Lalternateur champ tournant est de loin lalternateur le plus
utiliss pour les applications industrielles. Dans cet alternateur,
le courant continu provenant dune source distincte (lexcitatrice)
passe dans des enroulements dans le rotor. Ce rotor produit un
champ lectromagntique tournant dont la polarit est fixe, qui stend
vers lextrieur et qui coupe travers les enroulements dinduit intgrs
dans le stator qui lentoure, induisant ainsi une FEM dans les
enroulements du stator.Lalternateur est constitu par deux armatures
cylindriques et coaxiales, se dplaant lune par rapport lautre. -
Larmature fixe: (stator ou induit) est constitue dune couronne de
tle magntique maintenue par la carcasse. Le stator un noyau
autoportant compos d'un grand nombre de plaques spares par des
encoches de ventilation. Les plaques en feuilles faible dperdition
lectrique sont isoles les unes des autres par des revtements en
vernis d'isolation appliqu sur les deux cts. Ceci empche non
seulement la formation d'emplacements chauds mais aussi les
dperditions causes par les courants de Foucault.Larmature mobile:
(rotor ou inducteur) tourne lintrieure du stator. Le rotor porte un
enroulement inducteur parcourut par un courant continu.
Lalternateur utilis dans la centrale dABM (Type: WY 21 Z- 095) est
construit par ALSTOM dune puissance de 205 MVA, dune frquence de
50Hz et sa vitesse de rotation est de 3000tr/min, courant nominal
de 8163 A, sous une temprature nominale de 40 C. Son excitation se
fait par lintermdiaire dune excitatrice qui alimente les bobines
d'excitation du rotor de lalternateur en courant direct la tension
d'excitation adquate. Deux types de systmes dexcitation sont
utiliss, le type statique et le type sans balai dont la fonction
est la mme.
Figure3.12: Vu interne dune machine synchrone.3-4-2-
Turbo-alternateur vapeur: 3-4-2-1- Turbine Vapeur:La turbine est un
moteur thermique rotatif o se transforme lnergie de la vapeur en
nergie mcanique (rendement de 90%) pour entraner le rotor de
lalternateur. Cette transformation se fait en deux temps:
Transformation de lnergie potentielle (pression) de la vapeur en
nergie cintique (vitesse) cest le rle des tuyres. Transformation de
lnergie cintique en nergie mcanique (rotation du rotor) cest--dire
transfert de lnergie cintique de la tangente des roues ailettes qui
entrane un alternateur. Cette transformation suit le cycle de
RANKINE.
Figure3.13: Turbine Vapeur. Figure3.14: Cycle de RANKINE idal
avec surchauffe de la vapeur produit.
Analyse du Cycle de RANKINE: Du point 1 au point 2 : Transfert
de chaleur au fluide. La chaleur est produite par un combustible.
Leau entre dans la chaudire, absorbe la chaleur produite et en sort
sous forme de vapeur surchauffe. Du point 2 au point 3 : Dtente. La
vapeur traverse la turbine en y perdant sa pression. Lenthalpie
perdue par la vapeur est transforme en travail par la turbine en
rotation. Du point 3 au point 4 : Rejet de la chaleur de
condensation dans le milieu ambiant lors de la transformation de la
vapeur en eau dans un condenseur. Cette nergie peut aussi tre
extraite pour combler des charges thermiques de cognration. Du
point 4 au point 1 : Augmentation isentropique de la pression deau
alimentant la chaudire vapeur au moyen dune pompe. Leau entre dans
la pompe en tant que liquide satur et en sort sous forme de liquide
sous-refroidi. Le travail exig ce changement dtat, cest dire le
travail fourni par la pompe, est gnralement une fraction du travail
produit par la turbine (typiquement 5 %).
Figure3.15: Principe de fonctionnement de la turbine vapeur.
3-4-2-2- Les arocondenseurs :Comme toutes les centrales thermiques,
le refroidissement et la condensation de la vapeur deau seffectuent
travers des systmes de refroidissements (arocondenseurs), puis
conduire leau obtenue aprs condensation vers la chaudire et ainsi
pour fermer le cycle Eau-Vapeur. Cette tape du cycle est assure
dans La centrale thermo-solaire dAn Bni Mathar, en utilisant des
arocondenseurs secs.Les arocondenseurs sont constitus de modules
disposs en ranges parallles. Chaque module contient un certain
nombre de faisceaux de tubes ailettes. Un ventilateur axial tirage
forc, situ dans chaque moule, force lair de refroidissement dans la
zone dchange de chaleur des tubes ailettes. Figure3.16: Principe de
Fonctionnement de larocondenseurUne installation darocondenseurs
comprend gnralement la structure porteuse, les tuyaux vapeur
provenant de la turbine vapeur, les lments auxiliaires tels que les
ballons condensat et de purge, les units dextraction dair et les
tuyauteries associes ainsi que linstrumentation.
3-4-3- Description du systme solaire: Dans la centrale
thermo-solaire ISCC dABM le systme solaire est compos dun champ
solaire et le module HTF. Champ solaire: Le champ solaire est un
systme modulaire de ranges parallles de collecteurs
cylindro-paraboliques (SCA, Solar Collector Assembly) connectes les
unes aux autres par une tuyauterie. Des miroirs paraboliques (aussi
appel panneaux rflecteurs) rflchissent les radiations normales
directes sur un tube rcepteur (Receiver Tube aussi appel Heat
Collecting Element - HCE) avec un facteur de concentration denviron
80. Les miroirs paraboliques sont monts sur un support mcanique qui
comprend des pylnes en acier et des paliers. Chaque collecteur
cylindro-parabolique possde ses instruments locaux, un systme de
commande mcanique, et son propre systme de contrle grce auquel il
captera les rayons solaires de faon indpendante, maintiendra le
foyer du miroir vers le systme des rcepteurs et protgera le systme
des rcepteurs contre une surchauffe.
Figure 3.17 : Collecteurs Cylindro-Paraboliques.
Lensemble de collecteurs sunissent en srie pour former des
boucles. Une boucle est un ensemble en srie de quatre collecteurs
(48 lments) et chaque collecteur se compose de 12 lments qui
refltent les rayons lumineux vers des tubes absorbants localiss sur
laxe focal du collecteur afin de transformer lnergie solaire en
nergie calorifique porte par le fluide thermique circulant
lintrieur. Figure 3.18 : Dimensionnement des Collecteurs
Cylindro-Paraboliques. Caractristiques techniques: Surface totale
de chauffe: 183 200 m2. Temprature dhuile entre collecteur: 292 C
Temprature dhuile sortie collecteur: 392 C Distance entre range: 18
m. Largeur du collecteur: 5,7 m. Longueur focale: 1,71m. Longueur
absorbeur: 150 m.
Les miroirs cylindro-paraboliques suivant individuellement la
position du soleil de lEst vers lOuest, avec un tube plac suivant
la ligne focale servant comme rcepteur. Figure 3.19 : Mouvement des
Collecteurs Cylindro-Parabolique. Les miroirs rflchissent le
rayonnement solaire sur des tubes sous vide qui recueillent la
chaleur et qui sont gnralement couverts dune couche absorbante.
Dans les tubes, circule un fluide caloporteur (huile synthtique)
absorbant lnergie thermo-solaire et la transportant une unit de
puissance conventionnelle. Ainsi, lhuile chaude est utilise pour
convertir de leau en vapeur dans l'changeur de chaleur. Les
caractristiques de fluide caloporteur sont: Tableau 3.1:
Caractristiques du fluide caloporteur.Le fluide caloporteur sera
chauff dans le champ solaire. Il sera pomp travers les changeurs de
chaleur qui serviront transfrer la chaleur au cycle eau/vapeur de
la turbine vapeur.
Le systme HTF:Le systme HTF (Heat Transport Fluid) est un
circuit ferm dans lequel le fluide caloporteur circule un dbit
nominal de 378 kg/s pour atteindre 90 MWth (thermique) la sortie.
La relation entre le dbit du fluide et sa puissance la sortie est
telle que la temprature du fluide caloporteur restera constante. En
mode dopration normale, le fluide caloporteur sera chauff
approximativement 400C.Ainsi le systme de transport du fluide
caloporteur (HTF) comprendra des changeurs de chaleur avec
prchauffeur, un gnrateur de vapeur et un surchauffeur pour
transfrer la chaleur du systme HTF au systme (cycle) eau/vapeur du
bloc usine.La tuyauterie du champ solaire comprendra trois lments
:
des tuyaux collecteurs isolants chauds et froids qui distribuent
le fluide caloporteur froid en provenance du gnrateur de vapeur et
collecte le fluide caloporteur chauff dans le champ par les
collecteurs cylindro-paraboliques. des tuyaux de connexion isolants
qui relient les tuyaux collecteurs aux ranges de collecteurs
cylindro-paraboliques. des tuyaux de connexion qui relient les
extrmits de deux ranges de collecteurs pour former un circuit en
boucle.
4- Systme de dsignation pour les centrales lectriques (KKS): 4-1
Dfinition de systme de codification KKS: Le systme KKS, labrviation
du Kraftwerk Kennzeichen System , a t dvelopp en Europe dans les
annes 70 par un comit technique de membres essentiellement
germanophones (en allemand), cest un systme qui sapplique aux
centrales lectriques dont le but est didentifier avec prcision
chaque composant, chaque systme et emplacement au sein dune
centrale.On voit des identifications KKS sur les labels dquipements
de la centrale, sur les schmas tuyauterie et instrumentation
(P&IDS) et autres dessins utiliss dans les travaux quotidien,
ainsi que dans les descriptions des manuels dexploitation et des
manuels dentretien.Le code se structure en quatre niveaux, qui
contiennent des caractres alphanumriques, ceux-ci permettent
lidentification de tous les lments grce une classification, pour
laquelle on utilise les caractres alphabtiques, et une distinction
des diffrents types dans ce domaine, par les caractres
numriques.
4-2 Types de dsignations KKS: Le systme de codification KKS
comprend trois types de dsignations, lis aux processus, au point
dinstallation, et aux emplacements. Les dsignations lies aux
processus permettent didentifier les installations et lquipement en
fonction de la tche quils excutent au sein du processus de la
centrale lectrique. Les dsignations concernant le point
dinstallation permettent didentifier les points dinstallation, tels
que les logements, les consoles, les panneaux, etc. Les dsignations
concernant les emplacements permettent didentifier les salles, les
tages, ou autres endroits dans lesquels lquipement et les systmes
sont installs. 4-3 Structure et diffrents niveaux de code KKS:
Pour chaque type de dsignation (cits en dessus) on peut utiliser
au maximum quatre niveaux allant de 0 3 (Tableau 4.3) dont le degr
de prcision augmente au fur et mesure que lon passe du niveau 0 au
niveau 3.
Niveau Dsignation
0 Centrale gnrale
1 Niveau de fonction
2 Units dquipement
3 Composant spcifique
Tableau 4.3: Les quatre niveaux dun code KKS.
Le procs de codification KKS est le suivant:
5- DESCRIPTION DUNE MACHINE SYNCHRONEIntroductionLa majeure
partie de lnergie lectrique est produite lheure actuelle par les
machines synchrones des centrales thermiques et hydrauliques. Les
machines synchrones jouent un rle important: ce sont elles qui
imposent la frquence du systme et elles permettent de produire et
absorber de la puissance ractive, ncessaire la rgulation des
tensions.5.Principe de fonctionnement5.1. Constitutiondune machine
synchroneLa machine synchrone est constitue dun : Stator: Il se
compose dun noyau feuillet ayant la forme dun cylindre vide, dot
dun ensemble de trois enroulements triphass logs dans des encoches,
ces enroulements dcals de 120 les uns par rapport aux
autres.Lensemble des trois enroulements est toujours connect en
toile avec un accs sur le point neutre pour permettre sa mise la
terre. Rotor: il sagit dun lectroaimant, dot dun enroulement
dexcitation qui en rgime tabli est parcouru par un courant continu,
cet lectroaimant produit dans lentrefer de la machine un champ
magntique fixe par rapport au rotor. Il peut aussi sagir dun aimant
permanent sans enroulement dexcitation. En plus de lenroulement
courant continu dans le rotor, on installe une cage dcureuil dans
la face des ples. En rgime permanent, cet enroulement ne porte
aucun courant, car le rotor tourne la vitesse synchrone. Lorsque la
charge de lalternateur change brusquement, il en rsulte une
oscillation mcanique du rotor de part et dautre de la vitesse
synchrone et un courant induit se met circuler transitoirement dans
la cage. Ce courant ragit avec le champ et amortit les oscillations
du rotor ; pour cette raison, cette cage dcureuil est appele
enroulement amortisseur.
5.2. Les deux types de machines synchrones [3]Les machines
synchrones ont toutes un stator portant des enroulements triphass,
comme indiqu prcdemment. Notons que ce stator est constitu par un
empilement de tles (ralis dans un matriau haute permabilit
magntique) de manire rduire le plus possible leffet des courants de
Foucault.En revanche, on distingue deux types de machines
synchrones, en fonction de la structure du rotor:
5.2.1. Machine rotor lisseLe rotor est constitu dun cylindre en
acier forg, de forme allonge dont le diamtre est relativement petit
par rapport la longueur, afin de rduire les contraintes mcaniques
lies la force centrifuge. Les conducteurs de lenroulement
dexcitation sont logs dans des encoches creuses longitudinalement
dans le rotor, comme la montre la figure II.1.Ces machines, appeles
galement turboalternateur, sont gnralement entranes par des
turbines vapeur ou gaz qui gnralement fonctionnent des vitesses trs
leves. Ces machines synchrones possdent une, ou au plus, deux
paires de ples.
Figure 5.1: Machine a rotor lisse (p=1)5-2-2 Machine ples
saillantsCes machines sont gnralement entranes par des turbines
hydrauliques tournant des vitesses relativement faibles. Les
machines synchrones quelles entranent doivent donc comporter un
nombre de paires de ples beaucoup plus lev (au moins quatre en
pratique), cest pourquoi il est plus indiqu de les placer en
excroissance comme reprsent sur la figure II.2. Lentrefer dune
telle machine nest pas dpaisseur constante.Compar celui dun
turboalternateur de mme puissance, le rotor ples saillants a un
diamtre nettement plus lev (forces centrifuges plus faible) et une
longueur nettement plus courte.
Figure 5.2: machine synchrone ples saillants.5-3
Fonctionnementdes alternateursAvec les alternateurs le champ
magntique est plac sur la partie rotative (le rotor) de la machine
lectroaimant dot dun enroulement dexcitation.Si on fait tourner le
rotor laide dune force motrice extrieur, les lignes de flux
produites par les ples inducteurs balaient les trois enroulements
du stator et induisent dans ceux-ci des tensions triphases.5-4
Fonctionnement synchrone[1]Si nous partons du principe que deux
champs magntiques sont crs dans lentrefer, lun tabli dans le rotor
par le circuit dexcitation, et lautre tabli par la circulation du
courant dans lenroulement triphas du stator.Le fonctionnement
synchrone peut tre alors dcri plus clairement par lquation du
couple lectromagntique engendr par linteraction des deux champs
magntiques.
Considrons le rotor en rotation la vitesse la pulsation du
courant dans les enroulements du stator est (o est la vitesse champ
tournant)
14
RAPPORT DE STAGE DE FIN DETUDESPage 5
Enroulement statorique
Le champ tournant est donn par lquation suivante:
: Angle entre le champ tournant et le moment magntique
Le moment magntique tabli dans le rotor est donn par la relation
:Chapitre II Fonctionnement dun alternateur de centrale
RAPPORT DE STAGE DE FIN DETUDES Page 55
Or le couple lectromagntique est donn par Do:
On constate que le couple lectromagntique na de valeur moyenne
non nulle que si Do le fonctionnement synchrone de la machine.
Le couple est alors dpendant uniquement de langle quon appelle
langle de charge qui correspond aussi langle entre les deux champs
magntiques.
Le signe de langle permet de dfinir le mode de fonctionnement de
la machine, en effet si est positif il sagit dun couple moteur
(fonctionnement moteur). Sil est ngatif il sagit dun couple
rsistant (fonctionnement gnratrice). Ce couple lectromagntique
appel galement couple de rappel est responsable de la conversion
dnergie mcanique en nergie lectrique et inversement.
Si les deux champs magntiques sont parfaitement aligns et ne
forment donc aucun angle entre eux, aucune force nest produite donc
aucune nergie nest transfre. Cest ltat de marche vide.Dans le cas
dun alternateur entran par une turbine vapeur ou gaz, si on
augmente le dbit de vapeur ou gaz, on augmente le couple mcanique,
les deux champs scartent lun de lautre et par consquent langle de
charge augmente, la force sopposant la rotation augmente et la
puissance de sortie de lalternateur augmente aussi, mais le rotor
continu a tourner sa vitesse de synchronisme.Si maintenant on
augmente la force de lun des deux champs magntiques, la force entre
les deux champs repousse le rotor vers sa position de marche vide,
langle de charge diminue et la puissance de sortie de lalternateur
reste constante.Finalement, deux lments peuvent subir des
changements pendant le fonctionnement de la machine synchrone
(alternateur), la vanne rgulatrice (contrle dbit vapeur ou gaz) et
la force du champ du rotor. Ces changements ont une influence sur
langle de charge. Si lexcitation est augmente, langle de charge
diminue, mais la puissance de sortie reste constante. Si le flux de
vapeur ou gaz est augment, langle de charge augmente et la
puissance de sortie augmente galement.
5-5 Diagramme de phaseur en rgime tabli[2]
Le comportement de lalternateur peut tre dcri par un circuit
quivalent simplifi dune phase en considrant quil dbite sur un rseau
infini de tension, avec Xd la ractance des enroulements et R la
rsistance de ces enroulements (quon ngligera).Considrons sur la
figure II.5.a.
Figure 5.5.a: circuit quivalent simplifi dun enroulementdune
phase (rsistance nglige).
On obtient:
.Donc:
Figure 5.5.b: diagramme de phaseur dun alternateur en
charge.5-5-1. Influence de lexcitationsur le point de
fonctionnement puissance constanteSi puissance constante, on agit
sur le courant dexcitation, lextrmit du vecteur Ev se dplace sur
une droite horizontale. On peut de cette faon rgler la puissance
ractive change avec le rseau comme illustr sur la figure II.6.En 1,
la machine fournie de la puissance ractive au rseau.En 2, il ny a
pas dchange de puissance ractive.En 3, la machine synchrone
consomme de la puissance ractive.
Figure 5.6: Influence du courant dexcitation
5-5-2 Influence de la puissance sur le point de fonctionnement
excitation constanteA courant dexcitation constant, lextrmit du
vecteur Ev se dplace sur un cercle lorsque la puissance fournie par
la turbine augmente.
Figure 5.7: Influence de la puissance fournie par la turbine5-6.
Fonctionnement en moteurSi les vannes rgulatrices sont fermes et
laissent entrer moins dnergie que ncessaire pour compenser les
pertes dues la friction, le rotor a tendance ralentir. Les champs
magntiques se dsalignent et une force est produite pour pousser le
rotor dans le sens de la rotation. Lalternateur fonctionne ce
moment comme un moteur synchrone. Ce fonctionnement peut tre ou ne
pas tre impos un alternateur, mais dois toujours se faire en un
temps trs court au risque de provoquer des dgts.
Figure 5.9 : Diagramme vectoriel fonctionnement en moteur5-7.
Limitesde fonctionnement de lalternateur5-7-1. Rupture de
synchronismeIl existe une valeur du couple de rappel (couple
lectromagntique) que le couple mcanique ne doit pas dpasser au
risque de perdre lquilibre de fonctionnement, car ce couple
mcanique va pousser le rotor tourner une vitesse suprieur la
vitesse de synchronisme.
Cette limite de couple lectromagntique correspond un angle de
charge et une puissance de sortie maximale permise par les champs
magntiques.Aprs une application dun trs fort couple mcanique le
rotor cherche prendre un tour de plus et le couple lectromagntique
devient trs important (plusieurs millions de newton), ce qui fait
subir la machine une trs forte contrainte qui risque de la dtruire
avant mme que le rotor nacclre. Cest ce quon appelle le glissement
de ple.5-7-2. Echauffement au stator et rotorLes enroulements du
stator et du rotor ne doivent pas tre parcourus par des courants
suprieurs au courant nominal de chaque enroulement, au risque de
causer un chauffement et par consquent une dtrioration des
isolants.
5-7-3. Diagramme des puissances de lalternateurSur le diagramme
des tensions, on peut placer les limites de fonctionnement qui
sont: La stabilit statique. Cette limite correspond un angle
interne de /2 Cest donc une droite verticale sur le diagramme des
tensions Le courant dinduit maximal. Cette limite correspond
lchauffement maximum de linduit et est donne par un cercle de
centre O et de rayon X.Imax Le courant inducteur maximal. Cette
limite correspond lchauffement maximum de linducteur et est donne
par un cercle de centre O et de rayon Ev max La puissance mcanique
maximale reprsente sur le diagramme des tensions par une droite
horizontale.
Figure 5.10: Diagramme de performance de lalternateur5-8.
Synchronisation avec le rseau Pour synchroniser lalternateur avec
le rseau de distribution lectrique, quatre conditions doivent tre
satisfaites:5-8-1 Ordre des phasesLordre (de rotation) des trois
phases de lalternateur doit tre le mme que celui des trois phases
du rseau lectrique.5-8-2 Amplitude de la tensionLamplitude de la
tension sinusodale produite par lalternateur doit tre gale celle de
la tension sinusodale du rseau lectrique.
5-8-3 FrquenceLa frquence de la tension sinusodale produite par
lalternateur doit tre gale celle de la tension sinusodale du rseau
lectrique.5-8-4. Angle de phaseLangle de phase entre la tension
produite par lalternateur et la tension du rseau lectrique doit tre
gal 0.5-9 Raction dinduitLe courant dbit par le stator pour une
charge, circule travers les enroulements du stator et gnre un champ
magntique tournant. Ce dernier sajoute au champ cre par le rotor.
Il en rsulte un champ magntique diffrent qui dpend du courant de la
charge. Linteraction entre les deux champs magntiques est appele
raction dinduit qui se caractrise par trois lments qui sont: 5-9-1
Elment actifSi la charge en MW augmente sans que la tension
dexcitation naugmente, langle de charge augmente, ce qui risque de
provoquer un glissement de ple.Par consquent, si la charge
augmente, la tension dexcitation doit tre augmente.5-9-2 Elment de
retard ractifLe courant en retard de la tension au stator produit
un flux qui soppose directement au flux du champ magntique. Comme
la tension induite est proportionnelle au flux, la tension de
sortie de lalternateur diminue. Pour maintenir la tension nominale,
le champ du rotor doit tre augment et lalternateur devient
surexcit.5-9-3 Elment davance ractifLe courant en avance de la
tension au stator produit un flux qui assiste directement le flux
du champ magntique. Comme la tension induite est proportionnelle au
flux, la tension de sortie de lalternateur augmente. Pour maintenir
la tension nominale, le champ du rotor doit tre diminu et
lalternateur devient sous excit.5-10 la stabilit de
lalternateur[1]Parmi les facteurs qui donnent le bon fonctionnement
dun systme lectro-nergtique est la stabilit et en particulier la
stabilit transitoire.5-10-1 Stabilit statiqueUn rseau lectrique de
transmission dnergie est dit en rgime de stabilit statique si, la
suite dune perturbation de faible amplitude, il atteint un tat de
rgime permanent identique au rgime initial ou trs voisin de
celui-ci.5-10-2 Stabilit transitoireUn rseau lectrique de
transmission dnergie est dit en stabilit transitoire relative un
cycle de perturbations de grande amplitude si, la suite de ce cycle
de perturbations il se trouve en tat de rgime de marche
synchrone.
Un tat de rgime synchrone est dfinit par la constante des angles
rotorique ( ) par rapport un rfrentiel tournant la vitesse de
synchronisme.Si nous traons le rapport entre la puissance de sortie
dun alternateur et lavance de cet alternateur sur le rseau
lectrique (angle de charge), nous obtenons une courbe sinusodale.
Ce type de courbe permet de dfinir les caractristiques de transfert
de puissance des alternateurs (figure II.11).Lquation de transfert
de puissance est donne par la formule suivante:
P=la puissance transmise.E = Force lectromotrice de lalternateur
(rotor).V = Tension du rseau de puissance infinie (stator).
=angle interne (dphasage entre E et V).X= la ractance entre le
rotor et le point de tension V.
Figure 5.11: Courbe de transfert de puissance
Pour bien comprendre travers cette courbe la stabilit de
lalternateur, considrons les cas suivant:
Supposons que lalternateur dlivre une puissance P1 correspondant
, si brusquement la puissance de la turbine passe de P1 P2, le
rotor ayant une inertie importante, langle reste constant durant un
certain temps, pendant ce temps l on aura la situation ou P2 est la
puissance dentre lalternateur et P1 la puissance de sortie. La
diffrence de puissance entre P2 et P1 va acclrer le rotor pour
atteindre le rotor tourne alors une vitesse suprieur la vitesse
synchrone ce qui va lui permettre dacqurir une nergie cintique
correspondant laire ABC. Le rotor va donc continuer acclrer jusqu
atteindre langle, et que lnergie cintique acquise soit dissipe
(aire ABC= aire CDE) le rotor commence alors dclrer et regagne sa
vitesse de synchronisme, par l on peut dire que laire ABC
correspond lnergie dacclration et laire CDE correspond lnergie de
freinage.Considrons le cas dun dfaut, la ractance augmente, la
puissance dlivre par lalternateur diminue et la courbe de puissance
saplatit, par contre la puissance mcanique Pm fournie par la
turbine ne se modifie pas instantanment cause de linertie de la
turbine
Le point de fonctionnement se dplacera la nouvelle courbe de
puissance, le rotor prend de lacclration et crot, le rotor ainsi,
acquire une nergie cintique qui va lui permettre de produire une
puissance suprieure la puissance Pm quil reoit, il va donc
commencer a frein si lnergie de freinage disponible correspondant
laire de freinage est suprieur celle dacclration.On peut conclure
travers ces deux cas, que la stabilit de lalternateur est trs lie
langle interne du gnrateur, on peut aussi dfinir un angle critique
(limite) pour lequel lgalit des deux aires dacclration et de
freinage est assure.
Donc la stabilit transitoire de lalternateur est assure
lorsque:Puissance mcanique emmagasine < Puissance lectrique
susceptible dtre restitue.
6- PROTECTION DES RESEAUX ELECTRIQUESIntroduction:Les rseaux
lectriques peuvent tre le sige de nombreux incidents dus
lapparition de diffrentes perturbations lies soit au rseau lui-mme,
soit des phnomnes extrieurs. Nous allons dans ce chapitre voir les
diffrents dfauts sur les rseaux, car ceux-ci peuvent dans certains
cas constitus un danger pour lalternateur et donc les comprendre
permettra de bien saisir le principe de fonctionnement certaines
protections de lalternateur.6- 1. Diffrentes perturbations touchant
les rseaux lectriques6-1-1 Les courts circuitsLe court-circuit se
traduit par une rduction de limpdance entre les phases ou entre la
phase et la terre zro ou une petite valeur, ce qui engendre, ainsi,
une augmentation importante de lintensit du courant.Ces
courts-circuits sont causs par des agents de nature externes tels
que les coups de foudres, les orages, les animaux, la croissance
des plantes, ou de nature internes: fausses manuvres, dfauts dans
les machines. 6-1-1-1 Nature des courts circuitsa. Courts-circuits
monophass Les dfauts monophass sont les dfauts les plus frquents,
ils rsultent de la mise en contact dun conducteur la terre.
Figure 6.1: Schma dun dfaut monophas
b. Courts-circuits biphass Cest la mise en contact de deux
conducteurs.
Figure 6.2: Schma dun dfaut biphasc. Courts-circuits biphass-
terreCest la mise en contact de deux conducteurs se trouvant la
terre (figure ci-dessous).
Figure 6.3: Schma dun dfaut biphas- terred. Courts-circuits
triphassCest la mise en contact de trois phases.
Figure III.4: Schma dun dfaut triphas6-1-2 Consquences des
courts-circuits [4]Parmi les effets des courts-circuits, on peut
citer:- A lendroit du court-circuit un arc lectrique apparat et
entrane lchauffement des conducteurs crant, ainsi, la dtrioration
des isolants; ce qui provoque la longue leurs claquage.- Apparition
dune surintensit.- Apparition defforts lectrodynamiques avec
dformation des jeux de barres et arrachement des cbles.- Chute de
tension qui provoque le dcrochage des machines- Dsquilibre du
rseau.- pertes de synchronisme.-Influence sur les lignes de
tlcommunication.1.1. Les surtensionsOn appelle surtension toute
tension fonction du temps qui dpasse la tension de crte de rgime
permanent.1.2.1: Causes des surtensionsLes surtensions sont dues
diffrentes causes: Causes internes-Dclenchement ou extinction des
courants inductifs ou capacitifs-arrachage dun arc
lectrique-commutation de llectronique de puissance-apparition ou
disparition dun dfaut-perte de charge Causes externesUne foudre
touchant directement ou indirectement une ligne lectrique.1.2. Les
surcharges [4]La surcharge est caractrise par laugmentation de la
valeur de la puissance demande, ainsi que celle du courant appel
sur la ligne dalimentation au del de la valeur nominale.1.2.1.
ConsquencesLaugmentation de la puissance appele est traduite par un
appel de courant plus important qui engendre laugmentation de la
temprature de linstallation au del de ses limites normales de
fonctionnement. Cette augmentation de temprature provoque lusure
des isolants qui entrane la longue leurs claquages ainsi que
lapparition dautres dfauts.
1.3. Dsquilibre [5]On parle de dsquilibre dans un systme triphas
lorsque les trois tensions de ce dernier ne sont pas gales en
amplitudes et/ou ne sont pas dphass les unes par rapport aux autres
de 120.1.3.1. Causes de dsquilibreLe dsquilibre est caus par:-Le
court-circuit.-La rupture de phase.-Le mauvais fonctionnement du
disjoncteur.1.3.2. ConsquencesLes consquences du dsquilibre
sont:-Echauffement des conducteurs.-Vibration des machines
tournantes.1.4. Creux de tension [7]On appelle creux de tension
toute baisse ou diminution de lamplitude de la tension pendant un
temps compris entre 10ms et 1s. Ils sont souvent dus aux
dsquilibres dans les rseaux triphass.Ces creux engendrent:-Une
perte de synchronisme des moteurs synchrones et instabilit des
moteurs asynchrones.-Une perturbation de lclairage par la baisse de
son intensit.1.5. Harmoniques[7]Les courants et tensions
harmoniques sont des courants ou tensions parasites du rseau
lectrique. Ils dforment londe de courant ou de tension. Ils sont
caractriss par leurs frquences qui sont des multiples de la
frquence du rseau (50Hz).Les courants harmoniques sont dus aux
transformateurs dintensit, aux arcs lectriques (four arc) et
surtout aux redresseurs et convertisseurs statiques (lectronique de
puissance).Les tensions harmoniques sont dues la circulation des
courants harmoniques dans les impdances du rseau.
1.5.1. ConsquencesLes consquences engendres par les harmoniques
sont:-Laugmentation de la valeur efficace du courant.-La
circulation dun courant dans le neutre pouvant tre suprieur au
courant de phase.-La saturation des transformateurs.-Le
dclenchement intempestif des appareils de protection.-Des mesures
fausses.2. Calcul des courants de court circuitDans le calcul des
courants de court circuit, il y a lieu de dterminer deux courants;
le courant maximum prsum lorigine ou proximit immdiate des bornes
aval de lorgane de protection et le courant minimum prsum lextrmit
de la liaison protge.Le calcul de ces courants nous permet de
dterminer: a- Pour le courant de court-circuit maximum: -Le pouvoir
de coupure des dispositifs de protection. -La tenue thermique et
lectrodynamique des canalisations et de lappareillage. b- Pour le
courant de court-circuit minimum: -Le choix de la courbe de
dclenchement ou les conditions de coupure des disjoncteurs et
fusibles en cas de dfauts.2.1. Schma simplifi dun rseau en court
circuitUn rseau lectrique touch par un dfaut se rduit une source de
tension et une impdance Zcc qui caractrise toutes les impdances
situes en amont du point de dfaut.
Afin de dterminer les courants de courts-circuits, on dispose de
plusieures mthodes et le choix de la mthode dpend: -Du courant
recherch (monophas, biphas, triphas) -Du degr de prcision
recherche. -Des caractristiques connues de lalimentation et des
diffrents paramtres. -De limportance de linstallation. -Des moyens
de calcul dont linstallateur dispose.Nous allons dans ce chapitre
dvelopper une seule mthode qui est celle des composantes symtriques
selon la norme CEI 60909.2.2. Calcul selon la norme CEI
60909[8]Elle sapplique aux rseaux lectriques de tension infrieure
550kV. Elle explique le calcul des courants de courts- circuits
maximaux et minimaux. Les premiers permettent de dterminer les
caractristiques assignes des matriels lectriques. Les seconds sont
ncessaires au calibrage des protections de surintensit.2.2.1. La
procdurepour le calcul1. Calcul de la tension quivalente au point
de dfaut gale .Avec c un facteur de tension dont lintroduction dans
les calculs est ncessaire pour tenir compte: des variations de
tension dans lespace et dans le temps. des changements ventuels de
prise de transformateurs du comportement subtransitoire des
alternateurs et moteursLe facteur c prend les valeurs suivantes
pour une tension nominale de 1 550kV: Pour le calcul du courant
court- circuit maximal: c=1.1 Pour le calcul du courant de court-
circuit minimal: c=1
2. Dtermination et sommation des impdances quivalentes directes
inverses et homopolaire amont au point du dfaut.3. Calcul du
courant de court-circuit initial () laide des composantes
symtrique.4. A partir de la valeur efficace du courant de
court-circuit initial () sont dtermines les autres grandeurs
caractristiques: La valeur de crte. La valeur du courant de
court-circuit symtrique coup La composante apriodique La valeur du
courant de court-circuit permanent 2.2.2. Incidence de la distance
sparant le dfaut de lalternateurAvec cette mthode de calcul il y a
toujours de distinguer deux cas:
Celui des courts-circuits loigns des alternateurs, ou les
courants de courts circuits ne prsentent pas des composantes
alternatives amorties. Pour ces courts-circuits, il y a galit entre
le courant de court-circuit initial, permanent et coup () et galit
entre limpdance direct et inverse ().
Celui des courts-circuits proches des alternateurs, ou les
courants de courts-circuits prsentent des composantes alternatives
amorties. Pour ces courts-circuits lingalit suivante est vrifie,
avec en plus.2.2.3. Calcul dimpdances2.2.3.1. Impdances du
gnrateurLes impdances direct de lalternateur sont donnes par:
Ractance synchrone directe.
Ractance longitudinale transitoire.
Ractance longitudinale subtransitoire.Si lalternateur est reli
au jeu de barres via un transformateur, gnralementraccord en /Y,
les rgimes du neutre de part et dautres sont indpendants.
Lalternateur est alors mis la terre par une rsistance insre entre
neutre et terre et de valeur leve. Ce qui rend limpdance
homopolaire ngligeable relativement la valeur de cette
rsistance.2.3.2.2. Impdances du transformateurLimpdance directe dun
transformateur est:
Dans les rseaux de moyenne tension, les impdances des
transformateurs sont plus prpondrantes que celles des alternateurs.
Alors, on peut dire queles impdances directes des lignes et des
transformateurs sont gales aux impdances inverses de ces derniers
().Pour la mesure de limpdance homopolaire des transformateurs deux
enroulements, on relie les trois bornes de lun des enroulements et
on applique entre ces bornes et la terre une tension simple V
(figure I.5II), puis on mesure lintensit du courant circulant dans
le circuit du transformateur (I=3I0).
Figure 6.5Limpdance homopolaire est dfinie comme tant le rapport
entre la tension applique et le courant passant dans le circuit du
transformateur:
Avec:V: tension simple.IO: courant dans chaque phase.I: courant
qui circule dans le transformateur.Limpdance homopolaire des
transformateurs dpend du mode de liaison du point neutre la terre
et du conducteur de retour, ainsi que du couplage de ses
enroulements et de la nature du circuit magntique. Par exemple,
pour les transformateurs toile- triangle, triangle-toile dont les
deux points neutres sont relis la terre, limpdance homopolaire est
gale limpdance directe (Z0=Zd). Par contre, dans un transformateur
toile-toile o un seul neutre est reli la terre, limpdance
homopolaire est gale 10 fois limpdance directe (Z0=10Zd).2.2.4.
Facteur de correction dimpdance[8]Des facteurs de correction
dimpdance, ont t introduits dans lutilisation de la norme CEI 60909
pour rpondre aux exigences de prcision technique et de simplicit de
calcul des courants de courts- circuits
Facteur et ou : Ces facteurs sont utiliss quand on calcul les
impdances de court-circuit, des alternateurs et des groupes de
production (avec ou sans changeurs de prise en charge). Limpdance
subtransitoire direct doit tre calcul au moyen de lexpression
suivante: avec: rsistance du stator dune machine synchrone
.Limpdance dun groupe de production avec changeur de prise en
charge est donne par:
Avec:
Et
On utilise pour calculer le courant de court-circuit lors dun
dfaut extrieur dun groupe de production avec changeur de prise en
charge.Limpdance dun groupe de production sans changeur de prise en
charge est donne par:
Avec.
On utilise pour calculer le courant de court-circuit lors dun
dfaut extrieur dun groupe de production sans changeur de prise en
charge.
Facteur et ou, : Ces facteurs sont introduits quand on calcul
les courants de court-circuit partiels en cas de court-circuit situ
entre lalternateur et le transformateur (avec ou sans changeur de
prise en charge) dun groupe de production.Groupe de production avec
changeur de prise en charge:
Avec:
Groupe de production sans changeur de prise en charge:
Avec:
Pour le calcul de la valeur de crte de courant de court-circuit,
il est recommand dutiliser les valeurs fictives suivantes, pour la
rsistance du stator.AlternateurRsistance fictive du stator
Un [kV]Sn [MVA]Ohm
>1>1000.05
>1
