Bassins d e charge
>ar M . A . M A A S , Ingénieur en chef, Rouensburg
G É N É R A L I T É S
L e b u t principal à atteindre a u point d e v u e d e l'économie politique, e n ce q u i concerne rétablissement des installations hydrauliques, c'est celui d'utiliser et d e valoriser toute l'énergie brute disponible. C e serait d'autre part u n e faute d'utiliser c o m -
vif d u sujet, n o u s v o u d r i o n s d o n n e r u n aperçu bref sur les dif- férentes possibilités d'accumulation.
D a n s presque toutes les centrales, le volant joue u n rôle i m - portant p o u r l'accumulation d'énergie. Il est c e p e n d a n t p o u r ainsi dire relativement faible, car s o n action n'est q u e d'une durée d e quelques secondes. D a n s le cas des laminoirs, o n à été
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nocifs Fig. I à P.— Représentation schématique des différents systèmes d'accumulation
p l è t e m e n t cette énergie brute, si les frais d'installation d e s ouvrages hydrauliques et m a c h i n e s étaient si élevés, qu'ils mettraient e n d o u t e le succès financier. L e s recherches sur le r e n d e m e n t d'une installation d e force h y d r a u l i q u e sont déli- cates à faire à cause des fortes oscillations d e l'énergie brute disponible. O n p e u t n é a n m o i n s laisser u n e certaine constante d a n s ces variations, et c'est celle-ci qu'il s'agit d e bien préciser d a n s les projets. P l u s l'énergie disponible dépasse celle utilisée, plus o n a d'énergie d e c h u t e et m o i n s é c o n o m i q u e m e n t l'on utilise celle-ci. Si d'autre part l'énergie h y d r a u l i q u e n'est pas utilisée p e n d a n t u n e g r a n d e partie d e l'année, o n a u n e utilisation écono- m i q u e défavorable et il y a lieu alors d e prendre des positions p o u r l'accumulation d e l'excès d'énergie et l'utilisation d e celle-ci a u m o m e n t d u besoin. C'est p o u r ce b u t q u e l'on établit d e s o u v r a g e s d ' a c c u m u l a t i o n hydrauliques. A v a n t d'entrer d a n s le
u n p e u plus loin, e u séparant le volant U l g n e r d u m o t e u r , el o n a p u a c c u m u l e r d e l'énergie disponible p e n d a n t plusieurs m i n u - tes. R é c e m m e n t , o n s'est dirigé d u côté d e l'accumulation d'éner- gie t h e r m i q u e a v e c succès. Il y a lieu d e citer les o u v r a g e s d e l'ingénieur suédois R u t h s (vol. 6 6 (1922) p a g e 5 3 7 et suite) • C o m m e l'on p e u t voir sur le d i a g r a m m e , fig. 2, l'énergie a c c u - m u l é e sous f o r m e d e chaleur récupérable est très r e m a r q u a b l e , m a i s elle n e p e u t presque p a s être prise e n considération si elle devait être t r a n s f o r m é e e n énergie électrique, celle-ci étant créée p a r l'hydraulique.
D a n s le cas d e transformation d'énergie électrique disponible, d a n s les installations hydrauliques e n énergie t h e r m i q u e par la chaudière électrique R u t h s , l'énergie q u e l'on peut utiliser sous f o r m e d e v a p e u r représente, à peine les 1 2 % et a u m a x i m u m 1 5 % d e la chaleur a c c u m u l é e , d'où ce s y s t è m e n'est à utiliser q u e d a n s Article published by SHF and available athttp://www.shf-lhb.orgorhttp://dx.doi.org/10.1051/lhb/1928020
le cas direct,. L e i )r M a r g u e n e propose u n n o u v e a u s y s t è m e d'accumulation q u i consiste e n u n b r a n c h e m e n t d'une p o m p e t h e r m i q u e actionnée par l'excès d'énergie entre d e u x récipients à pression différente et alternativement, u n e motrice qui est destinée à vaincre les pointes. P a r ce m o u v e m e n t régulier d'échan- ge o ù la chaleur est utilisée sur place sous f o r m e d e variation d e t e m p é r a t u r e o n a u n r e n d e m e n t bien plus élevé. 11 s e m b l e qu'il y ait des difficultés d'ordre é c o n o m i q u e et technique à résoudre à ce sujet, el q u e l'on n e puisse encore pas é m e t t r e u n j u g e m e n t exact a u point d e v u e d e la valeur d u r e n d e m e n t d e ces installa- lions. L ' a c c u m u l a t i o n d e l'énergie électrique d a n s les a c c u m u - lateurs, fig. 3 et 4, d e m a n d e des batteries v o l u m i n e u s e s et elle ne peut être q u e sous f o r m e d e courant continu. L e r e n d e m e n t est d'autre part plus élevé, m a i s u n e a c c u m u l a t i o n é c o n o m i q u e p o u r u n e d u r é e plus é t e n d u e n'est p a s possible, car le r e n d e m e n t baisse a u fur el à m e s u r e q u e l'énergie prélevée est éloignée d u m o m e n t o ù a e u lieu la charge. D a n s le cas d e réseaux d'une certaine é t e n d u e , l'accumulation électrique n e joue plus u n rôle i m p o r t a n t , parce q u e le r e n d e m e n t , par suite des transformations multiples, est 1res bas.
A C C U M U L A T I O N H Y D R A U L I Q U E
L a plus g r a n d e possibilité d'accumulation se trouve d a n s le d o m a i n e hydro-électrique. L ' a c c u m u l a t i o n ici est i n d é p e n d a n t e de la tension et d u genre d e courant.
L e s o u v r a g e s d'accumulation hydraulique se divisent c o m m e suit :
1. — D'après les rapports locaux d e chutes e n :
a) Réservoirs à basse pression d a n s les rivières, c a n a u x , créés par ceux-ci m ê m e , ensuite installations tenues p a r le flux et reflux ;
b) Réservoirs à m o y e n n e et h a u t e pression, caractérisés par des barrages d e vallées, digues, lacs élevés et réservoirs artificiels.
2. — D'après la capacité d'accumulation e n :
a) A c c u m u l a t e u r s d e jours et d e semaines a v e c adduction d'eau naturelle o u artificielle;
b) Réservoir d'un m o i s et d'une a n n é e qui se présentent d a n s le cas d e barrages d e vallées o u d e lacs élevés.
3. — D'après le genre d'accumulation : a) P a r a d d u c t i o n naturelle d'eau ;
b) P a r a d d u c t i o n naturelle et artificielle d'eau;
c) P a r a d d u c t i o n exclusivement artificielle d'eau. C e s ré- servoirs à basse et m o y e n n e pression sont destinés principalement à alimenter les pointes d e quelques heures. C o m m e d a n s ce cas les chutes sont relativement basses, il faut u n e quantité assez élevée d'eau p a r seconde, u n e condition réalisable o u point d e v u e é c o n o m i q u e q u a n d les t r a v a u x d'établissement n e sont p a s considérables. D e telles conditions naturelles et favorables n e se trouvent qu'isolément. T r è s souvent les rapports géologiques d u terrain sont défavorables à u n a m é n a g e m e n t rationnel a u point de v u e é c o n o m i q u e .
R É S E R V O I R S A H A U T E PRESSION
O n e n est v e n u désonnais a u x réservoirs à h a u t e pression, à côté d e c e u x à basse et m o y e n n e pression, fig. 5 et 6. Ils consis-
tent e n u n e installation de, p o m p e s , refoulant l'eau inutilisée d a n s des réservoirs naturels o u artificiels, et utilisable à d e m a n d e . G r â c e à l'élévation d e ces réservoirs o u à des chutes élevées, p e u d e v o l u m e d'eau par c o n s é q u e n t des d i m e n s i o n s réduites d u ré- servoir el d e grandes puissances disponibles. C e travail néces- saire p o u r actionner ces p o m p e s est livré p e n d a n t les heures d e nuit, et p e r m e t ainsi d e contre-carrer les pointes p e n d a n t le travail d e jour, d'une façon é c o n o m i q u e . Il y a là naturellement u n e certaine perte d'énergie. D a n s le cas d'emploi d'énergie électrique p o u r la c o m m a n d e des p o m p e s , il y a le r e n d e m e n t d u m o t e u r et d e la génératrice q u i intervient. L e r e n d e m e n t global d é p e n d d o n c d u genre d e c o m m a n d e d e la qualité d e s m a c h i n e s ainsi q u e d e la longueur et d u d i a m è t r e d e la t u y a u - terie. Il correspond e n pleine charge e n m o y e n n e à 5 0 jusqu'à 6 0 % et d a n s les cas favorables m ê m e au-dessus. C o m m e o n p e u t
Sonnfoç Manfag Dieûstag Miïtivorfi Donnersfog Freitog $onnaàe/id
iïochte Mittags Nachti Fig. 7 et 8
apercevoir d a n s le d i a g r a m m e d e charge (fig. 6 ) , si o n prévoit les réservoirs d e charge à h a u t e pression d'une, façon judicieuse, o n p e u t obtenir u n e m a r c h e constante des installations à basse pression p e n d a n t la durée des heures d e travail. O n a p a r là u n e usure m o i n d r e des pièces d e réglage des turbines et régulateurs, ainsi q u e d e l'ensemble des parties d e m a c h i n e s , conservation des parois des c a n a u x et des digues p a r u n n i v e a u d'eau toujours constant et o n évite les corrosions et l'entraînement d e revête- m e n t s par suite d e cette constance d e niveau.
A u t r e m e n t d a n s le cas d'installation a v e c g r a n d e s variations de, débit et d e longs c a n a u x , il p e u t y avoir d e g r a n d s inconvé-
nients. ce qui n'arrive p a s si les installations à basse c h u t e tra- vaillent parallèlement a v e c des réïervoirs hydrauliques.
C O N T E N A N C E D U R É S E R V O I R
O n aperçoit d a n s la fig. 7 s c h é m a t i q u e m e n t c o m m e n t , l'accu-
claiienienf l'influence d e l'accumulation d a n s la s e m a i n e a u x pointes supérieures rayurées qui indiquent les quantités supplé- mentaires prélevées. L e dessous est d e n o u v e a u indiqué par u n d i a g r a m m e , d e charge (fig. 8 ) ; la ligne supérieure à traits el points représente le débit m o y e n d'une journée. L a ligue infé- rieure m a r q u é e et rayurée m o n t r e le débit m o y e n d e la p o m p e X e n 1 4 H e u r e s et la ligne au-dessus poinlillée la puissance m o y e n n e
Fig. I l , — Prolii en long l'installation d'Ueberlingcn
de la turbine N t e n 1 0 heures d a n s l'accumulation journalière. II e n est d e m ê m e p o u r l'indication d e la puissance m o y e n n e d e la turbine Nt p e n d a n t 1 0 heures et toute la s e m a i n e (ligne poinlillée supé- rieure). O n voit d o n c aussi ici la différence, entre l'accumulation par jour et par s e m a i n e . P o u r expli- q u e r les fig. 7 el 8, il y a u n calcul c o m p l e t d e l'accumulation journalière et h e b d o m a d a i r e , e n a d m e t t a n t u n service, chargé d e 10 heures et l'ac- l i o n n e m e n t des p o m p e s p e n d a n t tout le t e m p s s u p p l é m e n t a i r e disponible. L a valeur introduite à la fin d o n n e la capacité a p p r o x i m a t i v e d'un réservoir artificiel d a n s le cas d'accumulation h e b d o m a d a i r e , c o m m e il a été établi p a r suite d'expériences et d e calculs a u point d e v u e é c o n o m i q u e , et est 1res indicatif là o ù l'on est contraint d e prévoir des réservoirs assez c o û t e u x , consistant e n o u v r a g e s de.
m a ç o n n e r i e s et m o u v e m e n t d e terrains considérables.
Si rétablissement d e réservoirs se. présente sous des conditions favorables a v e c d e s frais relative- m e n t réduits, il y a a v a n t a g e à prévoir celui-ci p o u r u n e a c c u m u l a t i o n c o m p l è t e h e b d o m a d a i r e . D a n s le cas d e barrages d e vallées, o n essaiera d'obtenir u n e a c c u m u l a t i o n telle qu'elle correspon- d e à l'année entière, et o n prévoira la puissance en service e n relation a v e c cette a c c u m u l a t i o n .
Fig. 9 et 50.— Installation d'Ueberlingcn
D E S C R I P T I O N D I N S T A L L A T I O N S D E F O R C E
D A C C U M U L A T I O N
m u l a t i o n se fait p e n d a n t u n e s e m a i n e , et m ê m e les lignes croi- Plusieurs installations a v e c a c c u m u l a t i o n artificielle o n l élé sées représentent l'amenée et p r é l è v e m e n t d'eau d u réservoir construites ces dernières d i x années. C'est surtout d a n s l'Allc- p e n d a n t la journée et celle p e n d a n t la semaine. O n reconnaît m a g n e d u s u d q u e l'on a poussé r a p i d e m e n t cette construction
<•> t spécialement les installations d e Fridingen, Ueberlingen et E u l r i n g e n sont typiques à cet effet. L a plus g r a n d e installation, et u n i q u e d a n s s o n genre, est celle d e S c h w a r z e n l a c h w e r k , el depuis très p e u d e t e m p s , celle d e Kirchentelluisîurfh et d e l à ville d e lieutlingeii et l m e r i b a c h w e r k sont en f o n c t i o n n e m e n t . L a
ville d e M u l h w e i d a , e n outre l'ouvrage d e Leitzach d e la ville d e M u n i c h . T o u t dernièrement, o n a i m a g i n é d e fournir l'installation d e W a l e h e n s e e d'un réservoir artificiel. C e s o u v r a g e s sont indis- pensables h la Bavière p o u r réaliser d'une façon parfaite l'utilisa- tion é c o n o m i q u e d e ses forces hydrauliques. L e s m o t e u r s à g a z
grande expérience acquise p a r suile d e toutes ces installations, i) a m e n é d a n s ces dernières années les gens à construire les plus grandes installations q u e l'on puisse imaginer, (elles q u e la centrale H e m p e r t h II des Centrales prussiennes « O b e r v e s e r », l'inslallalion N i e d e r w a r t h a d e la ville d e D r e s d e , centrale de la
prévus d a n s la centrale d e la ville d'Ueberlingen fonctionnant d e puis plusieurs dizaines d'années n e suffisaient a b s o l u m e n t plus a u x d e m a n d e s toujours croissantes d'énergie el. l'administration se décidait à remplacer les m o t e u r s à g a z par des turbines et d a n s le but d'élever la charge totale el d e couvrir les pointes, d'établir u n
Fig. 13 a !•">.- Installation de Fridingen
lac d'accumulation, à alimenter p e n d a n t la nuit a v e c u n e p o m p e qui puiserait l'eau d u lac d e C o n s t a n c e , v. fig. 9 et 10. L ' a v a n t pro- jet a été élaboré par le Prof. D ' R e h b o c k , d e K a r l s r u h e , les plans par la firme Fritz B a u e r , Stuttgart, qui assumait, en m ê m e t e m p s la direction des travaux. L'eau est captée d a n s u n bassin d'alimen- tation a u nord d e Ueberlingen, à 5 k m . et p a r u n e conduite e n bé- ton d e 2.100 m . d e long, 6 0 0 ">,1,1 d e d i a m è t r e et u n tunnel d e 3 8 0 m., elle est a m e n é e a u réservoir fig. 11. Il y a des appareils d e m e s u r e d e l'eau a u bassin d'alimentation ainsi qu'à la sortir d u ré- servoir. Celui-ci a u n e c o n t e n a n c e d e 1.500.000 m . e. utilisables et est capable d'accumuler environ 4 0 % d e l'arrivée d'eau d'un semestre. Il se trouve à u n niveau d e 110 m . au-dessus d u niveau m o y e n d u lac d e C o n s t a n c e et peut, rempli, d o n n e r u n e puis- sance d e 280.000 K W I I à tout instant. L'eau esl prise d a n s le lac artificiel à l'aide d'un o u v r a g e avec tour à v a n n e s et b â t i m e n t à écluses. D a n s la tour se trouvent les v a n n e s et u n h i d r o m è l r e à flotteur p o u r enregistrer le niveau d e l'eau. D a n s les parois d e la tour se t r o u v e n t quatre trop pleins p o u r la d é c h a r g e d e l'eau d e crue. Cette e a u d e crue passe p a r u n canal e n tube à travers le lac vers le canal d'évacuation. D a n » le b â t i m e n t à écluse, a u pied d e l'escarpement d u lac, il y a d a n s la tuyauterie m ê m e u n e v a n n e à papillon. L a conduite forcée à partir d u lac jusqu'à la centrale est d'une longueur exacte d e 2.350 m . et répartie e n zones d e d i a m è t r e d e 8 0 0 , 7 0 0 et 6 0 0 ™ /m. Elle contient vingt- d e u x angles ancrés d a n s des blocs e n béton. U n canal souterrain d e la longueur d e 3 5 m . a m è n e l'eau d a n s le port d e Cleberlingen.
O n voit déjà d'après ces d o n n é e s quelles distances sont néces- saires p o u r réaliser u n e installation d e ce genre. O n n'a p u placer plus b a s le n i v e a u d e la centrale, d a n s le b u t de réduire la h a u t e u r d'aspiration des turbines et des p o m p e s , parce qu'il aurait été nécessaire d e faire sauter u n e partie des fondations d'où d a n g e r p o u r l'ensemble d u b â t i m e n t . L a perte e n chute n e se manifeste q u e r a r e m e n t , et est réduite par l'adjonction d'un bassin d a n s lequel plonge le t u y a u d'aspiration, d e façon q u e cela arrive s e u l e m e n t a u x plus basses e a u x d u lac d e C o n s t a n c e .
P a r la turbine Pelton, il y a u n e perte d e chute plus g r a n d e , m a i s étant d o n n é la puissance, réduite d e celle-ci, il n'y avait a u c u n e raison d'entreprendre d'importants t r a v a u x d e fondation p o u r réduire cette perte. L a p o m p e p a r contre est placée plus b a s q u e les autres m a c h i n e s , et précisément là o ù il y avait les m a c h i n e s à g a z . E n tout cas aussi bien p o u r la turbine Francis q u e p o u r la t u r b o - p o m p e , o n a pris soin d e n e pas dépasser la limite d e h a u t e u r d'aspiration.
L a turbine à spirale E s c h e r W y s s & Ci e, R a v e n s b u r g , a u n e puissance d e 6 0 0 H P a v e c chute d e 9 3 m . et 1.000 tours (fig. 12).
L a partie tournante d e celle-ci est e n b r o n z e p h o s p h o r e u x et e n porte-à-faux. L e s palettes directrices sont e n acier m o u l é et prévues p o u r réglage p a r l'extérieur. L e s d e u x paliers principaux par suite d e la vitesse élevée et d e la pression spécifique élevée
d u e à la m a s s e volant et à la pression axiale, sont prévus a v e c circulation d'eau p o u r le refroidissement.
L a g r a n d e vitesse périphérique d u volant, n o r m a l e m e n t d e 7 0 m ./sec. et 1 3 5 m,/see. d a n s le cas d ' e m b a l l e m e n t , a obligé la constructeur à exécuter le volant d'une façon spéciale. P o u r le m o y e u , o n a e m p l o y é d e l'acier meilleur M a r t i n S i e m e n s , et la c o u r o n n e est en acier électrique laminé. U n régulateur a u t o m a - tique esl relié a u régulateur d e pression. U n a c c o u p l e m e n t à disques a v e c b a g u e intermédiaire esl p r é v u p o u r la c o m m a n d e d e l'arbre d e la génératrice. Il y a aussi la possibililé d e faire fonc- tionner la généraIrice c o m m e m o t e u r s y n c h r o n e d a n s le cas d'un arrêt assez prolongé d e la turbine, grâce a u d é p l a c e m e n t d e cette b a g u e intermédiaire. M ê m e p o u r le cas d'arrêts n o n trop prolon- gés, o n peut utiliser la génératrice c o m m e m o t e u r s y n c h r o n e , sans interrompre le service et détacher l'accouplement. Il n'y a qu'à fermer la v a n n e d e la turbine et la roue équilibrée, et la turbine m a r c h e après avec adjonction d'eau projetée.
L a turbine Pelton, aussi d'Escher W y s s , d é v e l o p p e u n e puis- sance d e 2 0 0 H P avec u n e chute d e 8 7 ni. et u n e vitesse d e 7 5 0 tours (fig. 12). L e polit d i a m è t r e d e la roue d û à la vilesse réduite, autorise à la construire d'un seul jet. C o m m e matière o n a e m p l o y é d e la fonte d u r e spéciale. L'eau est a m e n é e sur la roue p a r d e u x injecteurs réglables. L e s d e u x injecteurs sont reliés avec le réglage a u t o m a t i q u e d e vilesse et a v e c celui de. la pression.
L e volant est d'une seule pièce. L'arbre d e la d y n a m o est.
a t t a q u é p a r u n a c c o u p l e m e n t électrique. E n dehors d e ces d e u x groupes, il se trouve aussi u n e t u r b o - p o m p e p o u r a c c u m u l a t i o n a v e c 1 1 2 m . d e chute m a n o m é l r i q u e , .300 litres seconde, elle a b s o r b e 5 8 0 H P à u n e vitesse d e 1.000 tours. Elle puise l'eau directement d a n s la tuyauterie des turbines. L a r o u e et la cou- r o n n e distributrice sont e n bronze. L e s v a n n e s sont d u type E W C à sphère et c o m m a n d é e s e n cette circonstance par volant à m a i n .
L a centrale d e Fridingen est. p r é v u e exclusivement avec a c c u m u l a t i o n , elle appartient à u n c o n s o r t i u m d e c o m m u n e s d u c a n t o n d e Ruttlingen, à W u r m l i n g e n , fig. 1 3 à 15. L a petite ins- tallation d e turbine construite a v a n t la guerre, utilisant la chute d e la B à r a , à Fridingen, n e suffisait plus depuis l o n g t e m p s , et o n était d a n s la nécessité d e puiser d u courant à la centrale d e L a u f f e n b u r g . L e s conditions particulières d a n s lesquelles se trouvait cette installation a u point d e v u e d'utilisation d e force p e n d a n t la nuit ainsi q u e d e la situation favorable à l'établisse- m e n t d'un réservoir, p e r m i r e n t d e réaliser r a p i d e m e n t l'œuvre projetée par l'architecte K i m m i c h , Stuttgart, d e la firme Baresel, entre 1 9 2 0 et 1923.
(Extrait <!e la Revue « Des sereines deuttteher Inçenieure » N» 45, 40 et 52 de 11124*
