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SAVIN Olivian

Effet des cycles de démarrages et d'arrêts pour les centrales hydrauliques : modélisation de la détérioration des matériels pour l'évaluation des coûts

 

Directeur de thèse :     Christophe BERENGUER

Co-directeur de thèse :     Sylvie CHARBONNIER

École doctorale : Electronique, electrotechnique, automatique, traitement du signal (EEATS)

Spécialité : Automatique et productique

Structure de rattachement : Autre

Établissement d'origine : INPG

Financement(s) : CIFRE ; Sans financement

 

Date d'entrée en thèse : 05/10/2018

Date de soutenance : 17/12/2021

 

Composition du jury :
Mme. Anne BARROS, Professeure des universités, Centrale Supélec, Rapporteur
M. Fabrice GUERIN, Professeur des universités, Polytech Angers, Rapporteur
M. Bruno CASTANIER, Professeur des universités, Polytech Angers, Examinateur
M. Younes AOUES, Maître des conférences HDR, INSA Rouen, Examinateur M. Christophe BERENGUER, Professeur des universités, Grenoble INP, Directeur de thèse
Mme. Sylvie CHARBONNIER, Maître des conférences HDR, Université Grenoble Alpes, Co-encadrante de thèse
M. Julien BAROTH, Maître des conférences HDR, Université Grenoble Alpes, Co-encadrant de thèse

 

Résumé :
L'objectif de ces travaux de recherche est de modéliser la dégradation du matériel hydroélectrique afin d'estimer le coût des démarrages et d'arrêts. Après la dérégulation du marché d'énergie, les centrales hydroélectriques fonctionnent aujourd'hui avec jusqu'à 6-7 cycles par jour, ce qui peut être considéré comme le triple de ce pour quoi elles ont été conçues. Ce mode de fonctionnement peut être très dommageable pour les matériels des centrales hydrauliques. Jusqu'à présent, très peu de méthodes ont été proposées pour estimer le coût supplémentaire de ce mode d'opération, elles se fondent principalement sur des analyses économiques ou technico-économiques, sans s'intéresser à la cause de la dégradation, ce qui les rend peu auditables. Ainsi, le travail de cette thèse porte sur la conception d'une méthodologie qui se base sur des méthodes auditables afin d'estimer le coût de démarrage et d'arrêt. Ces méthodes représentatives (par matériel) et reproductibles (pouvant être appliqués par différents opérateurs) reposent sur des hypothèses explicites et validés par les experts d'EDF.
Dans un premier temps, une étude a été menée à partir de recueil d'avis d'experts et de l'analyse d'historiques de données afin de déterminer quels sont les composants d'une centrale les plus impactés par les arrêts démarrage et quels types de dégradation ils engendrent. Nous avons ensuite proposé trois méthodes d'estimation de la dégradation différentes, chacune adaptée à un type de matériel en particulier, à partir de mécanismes ou phénomènes principaux de détérioration et en fonction des données disponibles. La première méthode propose une estimation des endommagements des roues de turbines soumises à de la fatigue polycyclique en utilisant des mesures de déformation in situ. Les dommages estimés pendant des séquences de démarrage et d'arrêt sont comparés à ceux estimés pendant des séquences de fonctionnement stabilisé, ce qui permet de fournir un coût en équivalent heures de fonctionnement stabilisé. Sur chaque séquence d'enregistrements, une analyse Rainflow est utilisée pour extraire les nombres et les amplitudes des cycles de contraintes enregistrées, qui sont ensuite convertis en dommages élémentaires à l'aide d'une courbe de Wöhler et cumulé à l'aide de la règle de Palmgren-Miner, pour obtenir le taux d'endommagement.
La deuxième méthode vise à estimer la réduction de la durée de vie des alternateurs. Dans un premier temps, nous comparons les durées de vie estimées sur deux populations de centrales, l'une comprenant des centrales cyclées et l'autre non cyclées, afin de confirmer l'effet négatif du cyclage sur la durée de vie des centrales. Nous quantifions ensuite cette perte en durée de vie à l'aide d'un modèle de vieillissement accéléré exprimant un facteur d'accélération en fonction de caractéristiques de cycles en température et nous déterminons les caractéristiques des cycles de température générés par les démarrages-arrêts à partir de mesures enregistrées à l'aide de l'outil de surveillance en ligne d'EDF.
Enfin, une troisième méthode estime le surcoût des démarrages et des arrêts en tenant compte de la dégradation des matériels tels que la vanne de pied et le disjoncteur, à partir de retour d'expérience, les bases de données et l'avis d'experts.
THESIS SUMMARY
- The objective of this research is to model the degradation of hydroelectric equipment in order to estimate the cost of starts and stops. After the deregulation of the energy market, hydroelectric power plants are now operating with up to 6-7 cycles per day, which can be considered as three times what they were designed for. This mode of operation can be very damaging to the equipment of hydro plants. Until now, very few methods have been proposed to estimate the additional cost of this mode of operation, they are mainly based on economic or technico-economic analyses, without looking at the cause of the degradation, which makes them auditable. Thus, the work of this thesis focuses on the design of a methodology that relies on auditable methods to estimate the cost of starts and stops. These methods are representative (by material) and reproducible (can be applied by different operators) based on explicit assumptions and validated by EDF experts. In a first step, a study has been carried out by collecting experts' opinions and analyzing historical data in order to determine which components of the power plant are the most impacted by start and stops and which types of degradation they generate. We then proposed three different degradation estimation methods, each adapted to a particular type of equipment, based on the main degradation mechanisms or phenomena and on the available data.
The first method proposes an estimation of the damage of turbine runners subjected to polycyclic fatigue using in situ deformation measurements. The damage estimated during start and stop sequences is compared to the damage estimated during stabilized operation sequences, thus providing a cost in equivalent hours of stabilized operation. On each sequence of recordings, a Rainflow analysis is used to extract the numbers and magnitudes of recorded stress cycles, which are then converted to damage using a Wöhler curve and accumulated using the Palmgren-Miner rule to obtain the damage rate. The second method aims at estimating the reduction of the generator life. First, we compare the estimated lifetimes on two populations of power plants, one including cycled and one not cycled, in order to confirm the negative effect of cycling on the lifetimes of the plants. We then quantify this loss in lifetime using an accelerated aging model expressing an acceleration factor as a function of temperature cycling characteristics, and we determine the characteristics of the temperature cycles generated by the start-stops from measurements recorded using the EDF online monitoring tool. Finally, a third method estimates the additional cost of starts and stops by taking into account the degradation of equipment such as the shut-off valve and the circuit breaker, based on feedback, databases and expert judgement.


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