Brevet FR3092626A1 — publié le 20200814

Description Titre de l'invention : DISPOSITIF POUR ASSURER LE REFROI- DISSEMENT DES EQUIPEMENTS ELECTROMECANIQUES D'UNE CENTRALE HYDROELECTRIQUE Domaine technique 100011 L'invention s'inscrit dans le domaine général des centrales hydroélectriques, c'est-à-dire des centrales générant de l'électricité à partir de chutes d'eau, barrages etc. Elle concerne plus spécifiquement le refroidissement ou la réfrigération des équipements électromécaniques de telles centrales. Etat antérieur de la technique 100021 La genèse d'électricité dans les centrales hydroélectriques repose fondamentalement sur la rotation de turbines actionnant une ligne d'arbre d'un alternateur (rotor + stator), la rotation de la turbine étant obtenue par l'énergie de l'eau d'une rivière ou d'un fleuve, ou d'une retenue d'eau (barrage), l'eau transitant par une canalisation ou conduite forcée aboutissant au niveau de la ou des turbines. 100031 Dans ce cadre particulier, il est connu que les lubrifiants (principalement huiles) assurant la lubrification des éléments de la pivoterie de l'arbre solidaire de la ou des turbines (les pivots, les paliers, multiplicateurs, etc) s'échauffent en raison de la rotation dudit arbre et nécessitent, en conséquence, leur refroidissement. 100041 De la même manière, il est également connu qu'en raison de la rotation du rotor monté sur l'arbre solidaire de la turbine (ou connecté via un multiplicateur), et de la circulation du courant électrique alors créé au sein du stator, il se crée là encore une élévation de température nécessitant de facto également un refroidissement de l'enceinte confinée dans laquelle sont situés le rotor et le stator. [0005] A cet effet, il est connu de mettre en oeuvre un circuit de refroidissement muni d'échangeurs de chaleur individuels au niveau des éléments mécaniques s'échauffant en raison de la rotation de l'arbre, mais également au niveau de l'enceinte confinée dans laquelle sont présents le rotor et le stator. Cc circuit de refroidissement peut être fermé ou ouvert. Un tel circuit est constitué d'un ensemble de tuyaux, pompes, filtres et échangeurs de chaleur. Il circule dans le ou les tuyaux un fluide caloporteur et typiquement de l'eau, en raison de la capacité calorifique de cette dernière beaucoup plus importante que celle de l'air, et partant, développant une efficacité en termes d'échanges thermiques également très nettement améliorée par rapport à celle de l'air. [0006] Un circuit ouvert est alimenté en eau depuis une source froide, typiquement constituée par la rivière au niveau de laquelle est implantée la centrale, ou encore d'un puits. L'eau de la source froide est pompée dans ledit circuit et circule à travers les 2 filtres et les échangeurs de chaleur puis est restituée à l'aval, en l'espèce de la rivière. [0007] Il est également connu de mettre en oeuvre un double circuit de refroidissement, res- pectivement constitué d'un circuit ouvert du type de celui précédemment décrit, et d'un circuit fermé, ce dernier assurant le refroidissement effectif des équipements électromécaniques. Un échangeur de chaleur principal permet de refroidir le circuit fermé avec l'eau circulant dans le circuit ouvert. [0008] Quels que soient les circuits de refroidissement mis en oeuvre, ils comprennent systé- matiquement au moins un circuit ouvert, ou alternativement une boucle ouverte. Or, l'expérience démontre que la mise en oeuvre d'une telle boucle ouverte est soumise à l'encrassage des filtres et des échangeurs, en raison des matières en suspension présentes dans la source d'eau froide, notamment lors d'épisodes de crue. Lorsque la source froide alimentant cette boucle ouverte est constituée par l'eau stockée dans un puits ou une nappe phréatique, on observe également le colmatage de la boucle ouverte, et donc du circuit ouvert, par les bactéries présentes dans ces puits, en raison de la formation de dépôts de biofilms de matière organique générées par lesdites bactéries. [0009] Quelle que soit l'origine du colmatage ou de l'encrassage de la boucle couverte, il s'avère nécessaire de procéder périodiquement à un nettoyage complet de la tuyauterie, nécessitant le plus souvent l'arrêt de la centrale hydroélectrique, et donc corollairement un manque-à-gagner important pour l'exploitant. En outre, lorsque la source froide est constituée par l'eau pompée dans un puits, il peut s'avérer nécessaire d'opérer des traitements chimiques périodiques desdites eaux pour éviter la prolifération bactérienne, de telles opérations étant susceptibles de s'avérer incompatibles avec la réglementation environnementale en vigueur. [0010] L'invention vise à pallier ces différents inconvénients. Exposé de l'invention [0011] En premier lieu, l'invention propose de supprimer toute boucle ouverte ou circuit ouvert, afin d'échapper à ces problèmes de colmatage ou d'encrassage de la tuyauterie et des filtres associés, que ces problèmes proviennent des matières en suspension ou soient d'origine organique. En second lieu, l'invention propose d'utiliser l'un des éléments présents dans toutes les centrales hydro-électriques, pour constituer l'échangeur principal avec la source froide, nécessaire au refroidissement recherché. [0012] Elle propose un dispositif pour assurer le refroidissement des équipements électromé- caniques d'une centrale hydroélectrique, du type comprenant au moins un canal d'amenée, une canalisation d'accès ou une conduite forcée de l'eau, au niveau de la ou des turbines actionnant un alternateur ou générateur en vue de la production d'électricité, ce dispositif comprenant un circuit fermé au sein duquel circule un fluide 3 caloporteur et notamment de l'eau, sous l'action d'une pompe, acheminant ledit fluide caloporteur ou l'eau au niveau d'un ou de plusieurs échangeurs individuels associés auxdits équipements électromécaniques, ledit fluide caloporteur ou l'eau étant refroidi au contact d'une source froide. [0013] Selon l'invention, le refroidissement du fluide caloporteur ou de l'eau par la source froide est réalisé au moyen d'un échangeur principal, constitué par la ou les grilles de filtration positionnée(s) en amont de la (des) canalisations d'accès de l'eau au niveau de la ou des turbines, ladite (lesdites) grilles étant constituée(s) de tubes au sein desquels circule le fluide caloporteur ou l'eau et de barreaux solidarisant les tubes entre eux. [0014] En d'autres termes, l'invention consiste à modifier un équipement déjà existant au sein des centrales hydroélectriques, en l'espèce la grille de filtration située en amont de la la canalisation d'entrée ou conduite forcée acheminant l'eau au niveau de la turbine, et immergée dans la rivière ou dans le barrage de retenue de l'eau en question, et à modifier cette grille de telle sorte à permettre la circulation en son sein du fluide caloporteur et notamment de l'eau de refroidissement du circuit de refroidissement des différents équipements électromécaniques. [0015] En effet de manière traditionnelle, cette grille de filtration est systématiquement mise en oeuvre afin de filtrer l'eau acheminée au niveau de la turbine et ainsi éviter l'introduction à ce niveau de corps flottants de toute nature, tels que branches, détritus divers, etc. Une telle grille est classiquement déposée et fixée sur un cadre bétonné et dispose d'un système de dégrilleur pour un nettoyage manuel ou automatique. [0016] Afin d'optimiser l'échange thermique avec l'eau de la rivière ou de la retenue, constituant la source froide, et donc situés en amont de la turbine, les barreaux solidarisant entre eux lesdits tubes ont une forme sensiblement plane, et s'étendent radialement à partir desdits tubes. [0017] Les différents éléments constitutifs de la grille sont typiquement réalisés en matériaux métalliques, et donc bon conducteurs thermiques, et dont on assure en outre un contact optimisé entre eux, afin justement d'assurer la conduction thermique typiquement entre les barreaux et les tubes, ce dans l'objectif d'optimiser l'échange thermique entre l'eau de la source froide et le fluide caloporteur ou l'eau circulant dans le circuit de refroidissement. [0018] Selon l'invention, le circuit de refroidissement des équipements électromécaniques peut être un double circuit, respectivement un circuit primaire, connecté avec la grille précitée, acheminant l'eau ou un fluide caloporteur au niveau d'un échangeur principal, au niveau duquel intervient un échange thermique avec un circuit secondaire, également fermé, lui-même assurant le refroidissement des équipements électromécaniques. Dans cette configuration, on dispose de deux circuits fermés. Brève description des figures [0019] La manière dont l'invention peut être réalisée, et les avantages qui en découlent, res- sortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif à l'appui (les figures annexées. [0020] [fig.11 La figure 1 est une représentation schématique d'une centrale hydroélectrique en section. [0021] [fïg.21 La figure 2 est une représentation schématique en perspective d'une grille de filtration située en amont de la canalisation (l'amenée d'eau au niveau des turbines ou de la conduite forcée. [0022] [fig.3[ La figure 3 est une vuc schématique de la grillc conforme à l'invention, dont la figure 4 cst une vue de détail. [0023] [fig.4[ La figure 3 est une vuc schématique de la grillc conforme à l'invention, dont la figure 4 cst une vue de détail. [0024] [fig.51 La figure 5 illustre schématiquement unc portion de la grille de l'invention. Description détaillée de l'invention 100251 Comme indiqué ci-dessus, la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'un barrage hydroélectrique de facture traditionnelle. Fondamentalement, ce barrage définit un réservoir d'eau (1) et intègre une canalisation ou conduite forcée (2) acheminant l'eau (1) au niveau d'une turbine (3), assurant la rotation du rotor d'un générateur électrique (5) situé dans la salle des machines (4). Après avoir mis en rotation la turbine, l'eau est évacuée en aval, typiquement au niveau d'une rivière ou d'un bassin de démodulation (6). La rotation du rotor du générateur entraîne la production d'électricité, acheminée ensuite au moyen de lignes haute tension (7) en liaison avec le réseau électrique considéré. 100261 La conduite forcée ou canalisation (2) comporte en amont, typiquement immergée dans le réservoir (1), une grille de filtration (8), destinée, de manière connue à filtrer l'eau acheminée au niveau de la turbine, afin d'exclure tous corps flottants, et préserver l'intégrité et la pérennité de la ou des turbines. Un dispositif de nettoyage de type dégrilleur est classiquement installé avec la grille. Une telle grille est illustrée en relation avec la figure 2. 100271 Une telle grille est classiquement fixée au niveau de la structure en béton (9) constitutive du barrage proprement dit. Dans l'exemple décrit, elle apparaît inclinée par rapport à l'horizontale. Elle est située en amont de l'ouverture supérieure de la canalisation forcée, au niveau de laquelle, l'eau de la retenue chute par simple gravité. La grille est dimensionnée de telle sorte à résister notamment à la pression de l'eau stockée dans la retenue définie par le barrage. [0028] Selon l'invention, la grille en question est modifiée pour faire fonction d'échangeur thermique d'un circuit de refroidissement des équipements électromécaniques intégrés dans la centrale électrique proprement dite, et plus spécifiquement, des huiles de lubrification des composants recevant l'arbre de la turbine et ou l'arbre du rotor du générateur, y compris le multiplicateur, et de l'enceinte recevant ledit générateur, respectivement rotor et stator. [0029] Cc circuit de refroidissement (non représenté) est typiquement constitué d'une cana- lisation au sein de laquelle circule un fluide caloporteur et notamment de cette circulation résultant de la mise en oeuvre d'une ou plusieurs pompes. [0030] Cc circuit de refroidissement est donc bouclé, et donc fermé, au niveau de ladite grille (8), celle-ci étant à cet effet pourvue de tubes creux (10, 11, 12), respectivement d'un tube distributeur (10), au niveau duquel est acheminée l'eau réchauffée C du circuit de refroidissement, d'un tube collecteur (11), récupérant l'eau refroidie en suite du passage de l'eau au sein de la grille, ledit tube collecteur (11) étant lui-même en continuité avec la canalisation constitutive du circuit de refroidissement et conduisant l'eau alors refroidie E au niveau des échangeurs individuels présents dans la centrale, et assurant, comme déjà dit, le refroidissement des équipements électromécaniques, et de tubes intermédiaires (12), connectant à intervalles discrets le tube distributeur (10) au tube collecteur (11) afin de permettre la circulation de l'eau du circuit de refroidissement. [0031] Les différents tubes intermédiaires (12) sont en outre reliés mécaniquement entre eux par un certain nombre de barreaux transversaux (13), sensiblement parallèles au tube distributeur (10) et au tube collecteur (11), afin en premier lieu de conférer à la grille la résistance mécanique nécessaire à sa fonction première de filtre. Selon l'invention, ces barreaux (13) peuvent se présenter sous la forme d'ailettes, s'étendant sensiblement radialement pal- rapport auxdits tubes intermédiaires, et ainsi qu'on peut bien l'observer sur les figures 4 et 5. Idéalement, ces barreaux sont sensiblement plans et s'étendent parallèlement au courant de l'eau de refroidissement, ce dans l'objectif d'optimiser le contact entre l'eau constitutive de la source froide et les barreaux et corollairement les tubes (12), et donc l'échange thermique à ce niveau. [0032] Ces barreaux (13) sont soudés au niveau (14) des tubes intermédiaires (12), de telle sorte à optimiser le contact des barreaux avec les tubes, ce dans l'objectif d'optimiser la conduction thermique et corollairement la dissipation de la chaleur de l'eau provenant du circuit de refroidissement, cette dissipation étant symbolisée sur la figure 6 4 par des flèches multicurvilignes. On a également symbolisé par les différentes flèches E le flux d'eau de la source froide traversant la grille avant de s'engouffrer dans la canalisation forcée (2). Les différents éléments constitutifs de la grille (8) sont réalisés en un matériau bon conducteur thermique et présentant également de bonnes propriétés mécaniques, et par exemple en métal, typiquement en acier. [0033] En raison de la présence des barreaux solidaires des tubes intermédiaires, on augmente significativement la surface d'échange thermique entre l'eau de la rivière ou du barrage et l'eau du circuit de refroidissement circulant dans la grille. [0034] La grille ainsi réalisée conserve donc sa fonction de filtration initiale, et assure de plus, conformément à l'invention, la fonction d'échangeur thermique. [0035] En raison de la dimension de la grille ou des grilles (fonction du nombre de cana- lisations forcées que comporte la centrale hydroélectrique), on assure un refroidissement efficace du fluide caloporteur et notamment de l'eau circulant dans le circuit de refroidissement, permettant d'aboutir à un différentiel de température entre l'eau C aboutissant dans le tube distributeur (10) et l'eau F collectée par le tube collecteur (11) voisin de 5°C et en tout cas suffisant pour dissiper la chaleur générée dans la centrale hydroélectrique et, plus spécifiquement, par les équipements électromécaniques. [0036] Lorsque cela est requis, le circuit de refroidissement peut être constitué d'une double boucle fermée, respectivement un circuit primaire du type de celui précédemment décrit, et un circuit secondaire, comportant les échangeurs unitaires et pénétrant dans la centrale, les deux circuits étant en échange thermique l'un avec l'autre au niveau d'un échangeur thermique de facture classique, et connu de l'état antérieur de la technique. [0037] On conçoit de fait tout l'intérêt de la présente invention qui permet de manière efficace et simple de s'affranchir des inconvénients des dispositifs de l'état antérieur de la technique, et de se servir d'un élément d'ores et déjà existant au niveau des centrales hydro-électriques, en l'espèce la grille de filtration située en amont de la conduite ou des conduites forcées d'une centrale hydroélectrique. [0038] Par ailleurs, l'invention présente un autre avantage significatif, à savoir qu'en raison de l'échange thermique intervenant au niveau de la grille, il est donc généré, notamment au niveau de la surface de l'eau ou de la retenue d'eau inhérente au banage, un réchauffement suffisant pour faire fondre la glace susceptible de se créer par temps froid au voisinage de ladite grille. 7 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]