Brevet FR3015672A1 — publié le 20150626

Système et procédé de test d'une machine tournante La présente invention concerne les machines tournantes et se rapporte plus particulièrement aux machines tournantes d'installations de production d'énergie électrique. Selon une application particulièrement intéressante de l'invention, celle-ci concerne le test d'une machine tournante par exemple une turbine à gaz qui, dans le cadre d'une installation de production d'énergie électrique, est destinée à entraîner en rotation un générateur raccordé à un réseau de distribution d'énergie électrique. Comme on le sait, certaines réglementations en vigueur imposent des contraintes pour la connexion et la synchronisation de machines tournantes à un réseau interconnecté de transport d' électricité. Ces réglementations sont connues sous le terme anglosaxon de « grid code ». De telles réglementations existent pour chaque pays ou pour des zones géographiques. Ces réglementations permettent le développement, la maintenance et l'exploitation d'un système de transmission d'électricité coordonné, efficace et économique. Elles permettent par ailleurs de s'assurer de la performance et de la fiabilité du réseau de transport et des éléments qui lui sont raccordés pour le pays ou la zone géographique pour lesquels elles s'appliquent. Ces réglementations ou « spécifications du gestionnaire du réseau de transport d'électricité » portent sur des aspects techniques relatifs aux connexions de divers éléments au réseau mais également sur le fonctionnement et l'utilisation du réseau de transport, et notamment les lignes électriques et les installations électriques connectées au réseau de transport. Ces réglementations peuvent spécifier que les utilisateurs du réseau sont tenus de fournir des données nécessaires à la planification et à l'exploitation du réseau, telles que les prévisions de la demande d'électricité, la disponibilité des équipements de génération d'énergie électrique et les dates prévues pour la maintenance pour de grands ensembles générateurs d'électricité. Un « grid code » peut, en plus des aspects techniques de conception d'un réseau, définir des critères opérationnels bien précis. Il peut par exemple s'agir de définir la fréquence nominale du réseau ainsi que les variations de fréquences admises par rapport à cette fréquence nominale. Par exemple, en France, la fréquence du réseau national de transport d'électricité est nominalement de 50 Hz et doit être contrôlée dans des limites allant de 49,5 à 50,5 Hz. Pour d'autres pays, la fréquence nominale est de 60 Hz et doit être comprise entre 59,5 et 60,5 Hz. Par ailleurs, chaque installation du réseau doit, pour participer au réglage primaire de la fréquence du réseau, pouvoir mettre à disposition du réseau une réserve de puissance active, désignée généralement par le terme de « réserve primaire ». Cette réserve est par exemple égale à un pourcentage de la puissance maximale. Ainsi, chaque groupe de production d'énergie électrique participant au réglage de la fréquence du réseau dispose d'une marge propre de puissance disponible. Par l'interconnexion des réseaux électriques, la réserve primaire totale correspond à la somme des réserves primaires de tous les groupes participant au réglage primaire de la fréquence. Cette réserve primaire permet de revenir à un équilibre production-consommation et constitue, parmi les diverses composantes permettant le réglage primaire de la fréquence, la composante dont le temps de réponse est le plus court. En effet, en Europe continentale, la moitié de la réserve primaire doit pouvoir être mobilisée en moins de 15 secondes, et la totalité en moins de 30 secondes. Par ailleurs, les groupes de production d'électricité sont dotés de dispositifs régulateurs de vitesse permettant d'adapter leur puissance en fonction de la vitesse de rotation de la machine tournante et, par conséquent, de la fréquence du réseau. La part mobilisée de la réserve primaire est proportionnelle à l'écart entre la vitesse instantanée réelle et, par conséquent, la fréquence mesurée f et la vitesse nominale, correspondant à la fréquence de consigne f0, selon la relation 8=k(f-f0) où X, désigne l'énergie réglante du groupe. Sur un réseau à 50 Hz, il est non seulement nécessaire de connaître la réponse en puissance des groupes de production d'électricité en fonction du temps, à une vitesse de rotation constante d'une machine tournante équipant le groupe de production, mais également la capacité de limitation de la dérive de la fréquence dans le temps à des vitesses transitoires. En particulier, l'augmentation de la part de la puissance issue d'énergie renouvelable et les fluctuations dans la demande d'électricité dans de petits réseaux électriques crée un besoin d'augmentation de la dynamique de réponse de cycles combinés, à pleine charge ou à charge partielle, ainsi qu'une révision du temps de réponse des groupes de production du réseau électrique. C'est ainsi que des tests sont mis en oeuvre sur les réseaux électriques pour démontrer la capacité réelle des groupes de production d'électricité à répondre à des phénomènes transitoires. Il est cependant nécessaire que ces tests soient faits dans des conditions bien précises. En pratique, des tests sur un réseau réel sont bien entendu difficilement réalisables en raison des conditions de fonctionnement du réseau. En effet, ce type de test ne permet pas de mettre en oeuvre des essais en charge et en dehors de la fréquence nominale du réseau, si celle-ci n'est pas délibérément dégradée. Il n'est pas non plus possible de mettre en oeuvre des tests à grande échelle sans impacter les utilisateurs du réseau. En outre, les risques associés aux échecs éventuels des essais et donc aux perturbations éventuelles ou ruptures d'alimentation pour tous les utilisateurs sont à considérer au regard des bénéfices apportés par la réalisation d'un essai. Par ailleurs, ce type de test nécessite des ressources importantes en termes d'énergie électrique, de carburant et de fluides auxiliaires (huile, fluide de refroidissement, ...). De plus, le temps nécessaire pour préparer et réaliser les tests en conditions réelles peut être considérable. Des nuisances sonores sont également à considérer lorsque les moyens de tests se situent à proximité des villes ou d' agglomérations. C'est la raison pour laquelle certains fabricants de turbines à gaz utilisent des bancs d'essai pour tester le comportement des turbines. On pourra à cet égard se référer au document US 3,598,208 qui décrit l'utilisation d'un frein hydraulique pour tester le comportement d'une turbine à gaz. En effet, contrairement au raccordement d'une turbine à un réseau électrique à travers un générateur, une connexion d'une turbine à un frein hydraulique permet à la turbine d'opérer à la fréquence nominale du réseau ou à une fréquence inférieure ou supérieure. Par ailleurs, la puissance de l'arbre d'une turbine à gaz couplée à un générateur peut être mesurée par un dynamomètre ou par un frein hydraulique, soit par mesure directe du couple entre la turbine de puissance et l'équipement entraîné ou de la puissance en sortie du générateur, soit par mesure indirecte, par calcul de la puissance du compresseur de la turbine à gaz. On pourra également se référer au document US 2003/0011199 qui décrit la régulation de vannes de réglage de débit d'air entrant dans un compresseur d'une turbine à gaz afin de contrôler sa vitesse, en agissant par exemple sur les vannes réglables lorsque la fréquence est inférieure à la fréquence nominale du réseau pour obtenir un changement graduel de la fréquence jusqu'à atteindre la fréquence nominale. Le document US 2007/0271929 décrit par ailleurs une méthode de synchronisation de la vitesse d'une turbine à gaz à la fréquence d'un réseau de distribution en contrôlant l'action du débit d'air du compresseur afin de contrôler la puissance générée par la turbine. Dans le document EP 2 378 085, on utilise un dispositif de commande pour faire varier le couple de la turbine pour répondre à une perturbation de fréquence sur le réseau de distribution d' électricité. On pourra par ailleurs se référer au document US 8,191,410 qui décrit un banc d'essai dans lequel un compresseur est entraîné par une turbine à gaz afin de créer une cartographie de taux de compression et de débits d'air corrigés permettant de déterminer des lignes de vitesses corrigées et les conditions limite de pompage du compresseur à pleine charge et à charge partielle. Enfin, le document US 8,452,515 décrit une simulation du comportement d'un compresseur de turbine à gaz. Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est de permettre de tester une machine tournante, notamment une turbine à gaz, sans mettre en oeuvre de test de la machine sur le réseau électrique. Un but de l'invention est donc de simplifier et de réduire les risques liés à la mise en oeuvre d'un test d'une telle machine tournante, ainsi que les ressources et la durée nécessaires pour réaliser un tel test. L'invention a donc pour objet, selon un premier aspect, un système de test d'une machine tournante comprenant une charge variable couplée de manière rigide à un arbre entraîné par la machine tournante, un contrôleur apte à mettre en oeuvre une régulation en boucle fermée de la machine tournante et de sa charge variable de sorte qu'une variation de charge de cette dernière provoque une variation de la puissance produite par la machine tournante et des moyens pour déterminer le temps de réponse nécessaire pour que la puissance produite et la puissance consommée par la charge soient équilibrées. Un tel système permet ainsi de déterminer le comportement d'une machine tournante lorsqu'elle est sollicitée pour répondre à une demande ou à un incident au sein d'un réseau électrique auquel elle est connectée. On notera par ailleurs que l'utilisation d'une charge variable permet de simuler un évènement dans un réseau isolé afin de tester la capacité de la machine tournante à répondre à cet évènement lors de phases transitoires. On détermine par ailleurs, de manière fine, la capacité de la machine tournante à fournir une puissance pendant une durée prédéterminée en conditions réelles d'opération, en dehors de sa plage de vitesse nominale. Selon une autre caractéristique du système de test selon l'invention, la charge variable est raccordée au contrôleur qui pilote la modification de charge de la charge variable. Dans un mode de réalisation, le système de test comporte des moyens de mesure de la vitesse de rotation de l'arbre, reliés au contrôleur, l'équilibrage desdites puissances étant déterminé à partir de la vitesse mesurée de rotation de l'arbre. Avantageusement, la charge variable comporte un compresseur équipé en entrée de moyens de réglage du flux d'air admis en entrée dans le compresseur. Lorsque la charge variable est un compresseur, le contrôleur peut avoir une cartographie de charge du compresseur en fonction du flux d'air admis en entrée dans le compresseur, permettant de connaître la puissance de la charge variable pour un changement donné du débit d'air entrant dans le compresseur. Cette cartographie peut être obtenue au préalable par simulation ou par des essais empiriques. Ceci permet d'avoir un point de référence pour la puissance d'équilibre à atteindre sans avoir à utiliser de moyens de mesure supplémentaires. En variante, la charge variable peut comporter un alternateur associé à une charge résistive par l'intermédiaire d'un disjoncteur. La charge variable peut encore comporter un alternateur associé par l'intermédiaire d'un disjoncteur à un moteur entraînant une charge mécanique. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la machine tournante comprend une turbine à gaz, le système comportant des moyens de réglage du débit de combustible alimentant la turbine à gaz, pilotés par le contrôleur. Le système de test peut encore comporter des moyens de réglage du débit de fluide manipulé par la turbine à gaz, pilotés par le contrôleur. L'invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un procédé de test d'une machine tournante, comprenant les étapes de couplage d'une charge variable à un arbre entraîné par la machine, une régulation en boucle fermée de la machine tournante et de sa charge variable de sorte qu'une variation de charge de cette dernière provoque une variation de la puissance produite par la machine tournante, et une détermination du temps de réponse nécessaire pour que la puissance produite et la puissance consommée par la charge soient équilibrées. La puissance de référence à atteindre de la charge variable pour l'équilibre des puissances produites et consommées peut être déterminée à partir d'une cartographie prédéterminée de charge du compresseur en fonction du flux d'air admis en entrée du compresseur. Dans un mode de mise en oeuvre, la charge variable est une charge rotative à vitesse de rotation variable, l'équilibrage des puissances produite et consommée étant déterminé à partir d'une mesure de la vitesse de rotation de l'arbre. Par exemple, on mémorise dans une cartographie un ensemble de valeurs de variation de charge associées à des mesures de temps de réponse de la machine tournante. Avantageusement, la charge rotative est un compresseur associé à des moyens de réglage du flux d'air admis en entrée dans le compresseur comprenant au moins une vanne de régulation, la cartographie mémorisant des valeurs d'ouverture des vannes et des valeurs de vitesse de rotation correspondantes. On peut déterminer pour chaque variation d'ouverture de vanne une valeur de charge de la charge variable et une valeur de fréquence de la charge. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : -la figure 1 est un schéma synoptique d'un système de test d'une turbine à gaz selon un mode de réalisation de l'invention ; -la figure 2 montre des courbes illustrant le fonctionnement du système de test de la figure 1 ; -la figure 3 illustre un autre mode de réalisation d'un système de test conforme à l'invention ; et -la figure 4 illustre encore un autre mode de réalisation d'un système de test conforme à l'invention. On se référera tout d'abord à la figure 1 qui illustre un premier exemple de réalisation d'un système de test conforme à l'invention. Un tel système de test est ici destiné à déterminer la réponse d'une turbine à gaz suite à la simulation d'un évènement sur un réseau engendrant une variation de fréquence. Sur cette figure, on reconnaît une turbine à gaz, désignée par la référence numérique générale 1, dotée de son compresseur 2 et d'une turbine 3 de détente et associée à un système de combustion 4. Le système de combustion 4 est associé à une ligne 5 d'alimentation en carburant et à une ligne 6 d'alimentation en eau dotées chacune d'une vanne 7 et 8 de régulation. L'injection d'eau est généralement utilisée pour augmenter la puissance de la turbine ou pour le contrôle de niveau des émissions de NOx ou CO. Comme on le voit, les vannes 7 et 8 de régulation sont pilotées par un contrôleur 10 de manière à réguler la charge de la turbine à gaz 1 en agissant sur la vanne 7 de régulation de débit de combustible et sur la vanne 8 de régulation de débit d'eau. Par ailleurs, le système comporte une charge variable 11 montée sur un arbre mené 12 lié à l'arbre 13 de la turbine à gaz par un accouplement 14. Dans le mode de réalisation de la figure 1, la charge variable 11 est constituée par un compresseur doté en entrée de vannes 15 de réglage du flux d'air admis en entrée dans le compresseur (flèches F). Ainsi, en modulant l'angle des vannes de réglage en entrée du compresseur, on peut faire varier la puissance consommée par ce dernier. Lorsque la charge est ainsi modifiée, la vitesse varie et la machine tournante 1 doit répondre à cette modification de charge comme s'il s'agissait d'un évènement se produisant sur un réseau de distribution d'électricité. On notera à cet égard que le réglage des vannes 15 s'effectue sous le contrôle du contrôleur 10 par l'intermédiaire d'un actionneur 16. Le contrôleur 10 incorpore tous les moyens matériels et est dûment programmé de manière à réguler la machine tournante 1 en mettant en oeuvre une régulation conventionnelle dite de statisme selon laquelle la puissance produite est automatiquement ajustée sur la puissance consommée, tout en laissant un écart statique en fréquence à l'issue des variations de charge produite ou consommée. Une régulation de puissance, de type isochrone, est par ailleurs mise en oeuvre par le contrôleur en faisant varier proportionnellement la puissance de la charge 11 en fonction de l'écart entre la fréquence réelle et une fréquence de consigne, correspondant à une vitesse d'arbre de consigne, afin de contrecarrer les variations de fréquence ou de vitesse de l'arbre. On se référera également à la figure 2, qui illustre le fonctionnement du système de test qui vient d'être décrit. La ligne pointillée Cl représente la charge ou puissance imposée par la charge variable 11, la courbe C3 représente la puissance générée par la machine tournante 1, enfin la courbe C2 représente la variation de vitesse du système mesuré dans l'arbre. Au cours d'une première phase I, le système de test est amené à son point d'opération initial en élevant progressivement la charge de la machine tournante 1 et la vitesse de la charge variable 11. Une fois le système stabilisée au point initial I, on déconnecte le contrôle isochrone de la charge. En d'autres termes, en cas de variation de la production ou de la demande, seul le régulateur dit de statisme de la machine tournante 1 ajustera la puissance afin d'assurer l'équilibre des puissances produite et consommée. Lors de la phase II suivante, le contrôleur 10 agit sur les vannes de réglage 15 pour produire une consigne de variation de puissance prédéterminée par un chargement donné des moyens 15 de réglage du flux d'air admis en entrée dans le compresseur. On voit en effet sur la figure 2 que lors de cette phase II, l'action sur les vannes de réglage 15 provoque une variation de puissance (courbe Cl) de la charge variable 11 de la figure 1, ce qui engendre une modification de la demande de puissance de la machine tournante 1. En effet, suivant une régulation dite de statisme, la machine tournante 1 devra augmenter sa puissance (C3) et le contrôleur 10 agit sur les vannes 7 et/ou 8 de régulation pour augmenter la puissance fournie par la turbine à gaz 1 (courbe C3). Au cours de cette phase, cette augmentation de la charge se traduit par une baisse de la vitesse de rotation simulant une baisse de la fréquence du réseau (C2). En effet, le déséquilibre entre la puissance consommée et la puissance produite entraîne une variation de la puissance cinétique échangée entre la machine tournante 1 et la charge variable 11. A ce titre, la machine tournante va réagir pour équilibrer la puissance produite et la puissance consommée. On notera que la régulation mise en oeuvre par le contrôleur 10, à savoir une modification du débit d'air en entrée de la charge variable 11 et de la puissance délivrée par la machine tournante 1 est une régulation en boucle fermée. L'expression mathématique permettant de lier le couple et la variation de vitesse dans ce système fermé est la suivante : Jôw/ôt=Ctg-Cc dans laquelle : J désigne le moment d'inertie ; ô(o/ôt désigne la variation de vitesse de l'arbre ; Ctg est le couple de la turbine à gaz ; C, est le couple de la charge variable. Par conséquent, lorsque le couple de la charge variable C, augmente jusqu'à ce que l'expression Ctg-C, devienne négative, la variation de vitesse devient négative, ce qui se traduit par une diminution de la vitesse de rotation des arbres 12 et 13. On conçoit par ailleurs que la variation de puissance mécanique produite atteint la variation de puissance mécanique consommée au moment où la dérivée de la vitesse de l'arbre est nulle soit : ôto/ôt=0 Par conséquent, comme le montre la figure 2, on obtient l'équilibre des puissances produite et consommée lorsque l'on atteint la valeur la plus faible des fréquences, pour une variation de consommation positive. De même, on obtiendrait l'équilibre des puissances pour une valeur de fréquence la plus élevée, pour des variations de consommation négatives. L'équilibre des puissances étant obtenu pour des variations nulles de vitesse de l'arbre, on voit sur la figure 1 que le système est complété par un capteur 18 de mesure de la vitesse de rotation de la ligne d'arbres 12, 13 de sorte que le contrôleur 10 met en oeuvre une mesure du temps de réponse de la machine tournante jusqu'au point d'équilibre cinétique par mesure directe de la vitesse de rotation des machines, ce qui permet d'obtenir une mesure précise du temps de réponse. On notera que le système qui vient d'être décrit, qui commande une modification de la charge du compresseur 11 en agissant sur les vannes de réglage 15, mesure et mémorise les valeurs de temps de réponse nécessaires pour obtenir l'équilibrage des puissances produite et consommée pour différentes valeurs d'ouverture des vannes de réglage. Ces valeurs de temps de réponse sont ensuite stockées dans une cartographie permettant de déterminer le changement de puissance dans la charge entraînée lors d'un changement d'angle des vannes de régulation du débit d'air en entrée du compresseur de la charge variable. On notera enfin que, lors des phases III, IV, V et VI suivantes, l'énergie cinétique du compresseur est progressivement rétablie, la puissance produite par la machine tournante étant progressivement régulée autour de la puissance consommée. On notera enfin que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit. En effet, en se référant à la figure 3, sur laquelle des éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes références numériques, la turbine à gaz, qui comporte, comme précédemment, un compresseur 2 lié à une turbine 3, peut être associée à une charge variable 11 comprenant un alternateur 20 lié à un moteur 21 par l'intermédiaire d'un disjoncteur 22, le moteur 21 étant lui-même lié à une charge mécanique 23. Dans ce mode de réalisation, il existe une relation entre la puissance mécanique de l'arbre entraînant le moteur et la puissance électrique générée par la machine tournante. Ce mode de réalisation permet de simuler le comportement d'un système de génération d'électricité couplé à un générateur alimenté par une source d'énergie renouvelable. Un tel système permet ainsi de simuler l'effet d'une perte soudaine d'énergie renouvelable, par nature intermittente, telle que l'énergie éolienne. Dans le mode de réalisation de la figure 4, la charge variable 11 est raccordée à une résistance 25 par l'intermédiaire d'un disjoncteur 26. Dans ce cas, l'équilibre est atteint lorsque la puissance électrique de l'alternateur est égale à la puissance électrique consommée par la résistance. On notera que les échanges entre le convertisseur et la résistance sont ici purement électriques de sorte que l'équilibrage des puissances est déterminé par mesure du courant fourni par le convertisseur. REVENDICATIONS1. Système de test d'une machine tournante, caractérisé en ce qu'il comporte une charge variable (11) couplée de manière rigide à un arbre (12, 13) entraîné par la machine tournante, un contrôleur (10) apte à mettre en oeuvre une régulation en boucle fermée de la machine tournante et d'une charge variable de sorte qu'une variation de charge de cette dernière provoque une variation de la puissance produite par la machine tournante et des moyens (18) pour déterminer le temps de réponse nécessaire pour que la puissance produite et la puissance consommée par la charge soient équilibrées. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel la charge variable (11) est raccordée au contrôleur qui pilote la modification de charge de la charge variable. 3. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (18) de mesure de la vitesse de rotation de l'arbre, reliés au contrôleur, l'équilibrage desdites puissances étant déterminé à partir de la vitesse mesurée de rotation de l'arbre. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la charge variable comporte un compresseur (11) équipé en entrée de moyens (15) de réglage du flux d'air admis en entrée dans le compresseur. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le contrôleur (10) comporte une cartographie de charge du compresseur (11) en fonction du flux d'air admis en entrée dans le compresseur. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la charge variable comporte un alternateur (24) associé à une charge résistive (25) par l'intermédiaire d'un disjoncteur. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la charge variable comporte un alternateur (20) associé par l'intermédiaire d'un disjoncteur (22) à un moteur (21) entraînant une charge mécanique (23). 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la machine tournante comprend une turbine à gaz (1), le système comportant des moyens (7) de réglage de débit de combustible alimentant la turbine à gaz, pilotés par le contrôleur. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (8) de réglage du débit de fluides manipulés par la turbine à gaz pilotés par le contrôleur. 10. Procédé de test d'une machine tournante, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de couplage d'une charge variable (11) à un arbre entraîné par la machine, une régulation en boucle fermée de la machine tournante et d'une charge variable de sorte qu'une variation de charge de cette dernière provoque une variation de la puissance produite par la machine tournante, et une détermination du temps de réponse nécessaire pour que la puissance produite et la puissance consommée par la charge soient équilibrées. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel la puissance de référence à atteindre de la charge variable pour l'équilibre des puissances produites et consommées est déterminée à partir d'une cartographie prédéterminée de charge du compresseur (11) en fonction du flux d'air admis en entrée du compresseur. 12. Procédé selon l'une des revendications 10 et 11, dans lequel la charge variable est une charge rotative à vitesse de rotation variable, et dans lequel l'équilibre des puissances produites et consommées est déterminé à partir d'une mesure de la vitesse de rotation de l'arbre. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel on mémorise dans une cartographie un ensemble de valeurs de variation de charge associées à de mesures de temps de réponse de la machine tournante. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel la charge rotative est un compresseur (11) associé à des moyens de réglage du flux d'air admis en entrée dans le compresseur et comprenant au moins une vanne de réglage, la cartographiemémorisant des valeurs d'ouverture des vannes et des valeurs de vitesse de rotation correspondantes. 15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel on détermine pour chaque variation d'ouverture de vanne une valeur de charge de la charge variable et une valeur de fréquence de la charge.