régulation et automatismes exemple 1 : irrigation

Transcription

Ecoulements non-permanents à surface libre / ENSHMG / 1
regulation / Philippe Belleudy – décembre 2002
régulation et automatismes
quelques régulateurs simples
vannes automatiques
régulation à distance
BIVAL
PID
régulation globale
buts multiples, plusieurs modes
de fonctionnement
hiérarchiser les priorités
ex: usages multiples, crue
capteurs
automates
canal Ph.Lamour, BRL
exemples
irrigation
production hydroélectrique
navigation
généralement un ensemble
d’ouvrages en série
il faut optimiser le fonctionnement
du système pour satisfaire les
objectifs en économisant la
ressource
exemple 1 : irrigation
canal de Marseille
réservoir amont, canal, prises d’eau
satisfaire la demane agricole sans gaspiller d’eau
pb : optimiser le coût du projet
hauteur des berges
nombre et taille des vannes
1
quelques régulateurs simples
prise d’eau à débit contrôlé ?
ne pas déborder en transitoire ?
comment obtenir un niveau constant ?
régulation locale
vannes automatiques
BIVAL
PID
régulation globale
contrôler le niveau et contrôler le débit ?
prise d’eau à débit
contrôlé ?
charge amont contrôlée
et ouvrage dénoyé
bâche amont et pompe
ne pas déborder ?
Q dénoyé
07
.385
6
8
3
2 1
= µB 2g
− y seuil 2
y
42
4 43
4
3 3 1amont
(
)
h
∆Q 3 ∆h
=
Q
2 h
contrôler le niveau
le déversoir
le siphon
une réserve de volume
satisfaire la demande
transitoire
gérér les interruptions
Æ inertie !
t
J+ = u + 2 g
A
b
J− = u − 2 g
A
b
V+C-
V
V+C+
X
régime subcritique Fr<1
2
contrôler le niveau et contrôler le débit ?
siphon
déversoir
orifice
Q dénoyé
07
.385
6
8
3
2 1
= µB 2g
− y seuil 2
y
42
4 43
4
3 3 1amont
(
)
h
déversoir
ys = 2 m
b = 10 m
orifice
A = 0.5 m2
2.50 niveau (m)
2.40
2.30
2.20
∆Q 3 ∆h
=
Q
2 h
Champ-du-Drac : déversoir et siphon de décharge
2.10
2.00
Qd
Qo
1.90
1.80
0.00
débit (m3/s)
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
régulation locale : vannes automatiques
Qmax
Q=0
vanne à niveau amont constant
« commande par l’amont »
prise à l’aval du bief : « marnage » minimum
vanne à flotteur ou vanne asservie
aussi avec des déversoirs (+ coûteux, T envasement)
berges basses
réserves « négatives »
si demande > disponible : pénurie à l’aval
on ne peut soutirer à l’aval que ce qui est disponible
vanne AMIL (doc WATERMAN)
3
exemple
L = 2000 m
Q0=25 m3/s
t > 0 : Qamont variable
haval =2.00 m
70
Qmax
Q=0
Q (m3/s)
2.5
y (m)
60
2.3
50
2.1
40
30
1.9
Q amont
Q aval
Y amont
Y aval
20
10
-
1
2
3
4
5
6
7
1.7
1.5
8
t (h)
10
9
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
y2.40
(m)
2.30
2.20
2.10
2.00
1.90
0
0.5
1
1.5
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
50
40
30
20
10
0
x (km)
2.5
2
Q60
(m3/s)
0.5
1
1.5
2
5.000 h
5.050 h
5.100 h
5.150 h
5.200 h
5.250 h
5.300 h
5.350 h
5.400 h
5.450 h
5.500 h
5.000 h
5.050 h
5.100 h
5.150 h
5.200 h
5.250 h
5.300 h
5.350 h
5.400 h
5.450 h
5.500 h
2.5
x (km)
4
Q=0
Qmax
vanne à niveau aval constant
vanne AVIS (doc CEMAGREF- O.Malaterre)
« commande par l’aval »
prise à l’amont du bief
réserves « positives » : débit max assuré instantanément
berges hautes
si demande > disponible : pénurie à l’amont
grands canaux, faible pente
on peut appeler à l’aval plus de volume que disponible
dans la réserve Æ « stabilité conditionnelle »
exemple
L = 2000 m
Q0=25 m3/s
t > 0 : Qaval variable
hamont =2.00 m
70
Q=0
Qmax
Q (m3/s)
2.50
y (m)
60
2.00
50
1.50
40
30
1.00
Q amont
Q aval
Y amont
Y aval
20
10
-
1
2
3
4
5
6
7
8
0.50
9
t (h)
10
5
y2.0
(m)
1.5
1.0
0.5
-
0.50
1.00
1.50
50
40
30
20
10
0.50
1.00
1.50
5.000 h
5.100 h
5.200 h
5.300 h
5.400 h
5.500 h
5.600 h
5.700 h
5.800 h
5.900 h
6.000 h
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
5.000 h
5.100 h
5.200 h
5.300 h
5.400 h
5.500 h
5.600 h
5.700 h
5.800 h
5.900 h
6.000 h
2.00
Q60
(m3/s)
-
z fond
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
2.00
x2.50
(km)
x2.50
(km)
Q=0
Q1
Q2
vanne à écart de niveau constant

∃ des « réserves positives »
souplesse de fonctionnement
pas de section à niveau constant !
pompes
canaux importants et Qamont mal maitrisé
6
Q=0
C
Qmax
1M : point de consigne intermédiaire C
« réserve positive » si C est plutôt en amont
économie sur la construction des berges
souvent instable
2M : BIVAL
idem
stabilité conditionnelle
A
Q=0
lent, marnage
∆t régulation ?
Qmax
B
y c = αy A + (1 − α )y B
régulation à distance: PID
PID
piloter la vanne amont pour maintenir un niveau à l’aval du bief
Qmax
Q=0
C
Qe
Qne+1
=
Qne
+ ∆Q e
(
)
(
)
S n
S
∆Q e = α
y C − y nC−1 + β (y C − y cons ) − γ Qne − Qne−1
4 43
4
t 42443 1∆4
t 42443 142
1∆4
D

P
I
∆t régulation
tolérances
raideur
oscillatoire amorti, critique, apériodique
7
régulation à distance: PID
exemple
Qmax
Q=0
C
L = 2000 m
Qe
Q0=25 m3/s
t > 0 : Qc variable, Ycons=2.00 NGF
80
70
60
50
40
30
20
10
-
Q (m3/s)
2.50
Yc
2.00
1.50
1.00
Q régulateur
QC
YC
0.50
peut mieux faire …
-
2
4
6
8
t10
(h)
régulation globale
buts multiples, plusieurs modes de fonctionnement
exemple 1 : la cascade hydrolélectrique du Rhône
exemple 2 : la navigation sur la Moselle
capteurs
où les placer ?
(transmettre)
défaillants et invalides : que faire ?
automate associé

à base de PID
développé et réglé à partir d’une modélisation numérique de la rivière
inclut souvent un modèle
installé après sur le site
8
exemple 2 : cascade hydroélectrique du Rhône
des barrages au fil de
l’eau
faible capacité
satisfaire la demande
electrique
contraintes
capteurs
crues
environnementales
exemple 3 : la Moselle canalisée
APACH
Légende
Barrages
La Moselle et ses affluents
barrages VNF
KOENIGSMACKE
Ecluses
Micro-Centrales
biefs de navigation
écluses
(
(
Prises d'eau
centrales, pompages
190
180
170
160
PONT-A-MOUSSON
ligne d'eau
d'étiage
150
AINGERAY
Apach
200
z fond
Uckange
Koenigsmaker
210
Jouy
Wadrineau
Argancy
220
JOUY AUX ARCHES
Aingeray
Frouard
Pompey
Liegeot
PAM
Villey-le-Sec
Chaudeney
230
170
220
270
320
pK (km)
LIEGEOT
POMPEY
FROUARD
(
(
(
CHAUDENEY
140
120
Hauconcourt
ARGANCY
WADRINAU
EDF, indépendants
m NGF
240
UCKANGE
(
Stations Limni
(
0
VILLEY
LE SEC
5
10
kilomètres
(
Tonnoy
9
exemple 3 :
la Moselle canalisée
régulation à niveau amont constant

qui a la main ?
capteurs
convention
passage de main
automatismes locaux
crue
Q débit
instantané de
la Moselle
0<Q<Qd
usine arrêtée
débit au
barrage
Qd<Q<Qe
débit dans
l’usine
Qe<Q<Qc
débit
usine+barrage
Qc<Q
régulation
manuelle
barrage de Liégeot (Moselle)
Usine
barrage
barrage
(compensation) (régulation)
U
écluse
U
VNF
U
U
U
VNF
U
VNF
VNF
VNF
VNF
VNF
U
caractéristiques hydraulique
secteur amont (Toul)
tirants d’eau non problématiques
surfaces de plan d’eau importantes
secteur médian (PAM)
surfaces de plan d’eau faibles : Frouard, Pompey,
tirants d’eau problématiques
barrage de Pompey (en crue)
190
Liegeot
200
Frouard
Pompey
210
❖ ouvrages vétustes
❖ pas de régulation automatique
❖ surfaces de plan d’eau importantes
Taval
Aingeray
220m NGF
Chaudeney
Villey-le-Sec
secteur aval (Metz)
z fond
180
ligne d'eau d'étiage
170
150
160
170
180
190
200
210
pK
(km)
220
10
fonctionnement hydraulique : Aingeray-Frouard
inconvénient de la régulation du niveau

conditions d’étiage 65 m3/s
abaissement du niveau de 0.10 m à Aingeray
propagation du sur-débit
amplification du ∆y dans le bief aval
débit (m3/s)
180
débit à Aingeray
0.30
écart de niveau (m)
160
0.25
140
0.20
120
0.15
variations du niveau à Frouard
100
0.10
80
0.05
60
-
variations du niveau à Aingeray
40
-0.05
20
-0.10
-
-0.15
-
0.50
1.00
1.50
temps
2.50(heures)
2.00
3.00
la gestion des barrages amont par consigne de niveau n’est pas adaptée
fonctionnement hydraulique : Aingeray-Frouard
manœuvres inadaptées

conditions d’étiage 65 m3/s
éclusée (47m3/s en 6 minutes) à Aingeray
oscillations T≈20 minutes
amortissement
niveau amont
barrage (NGF)
197.86
débit (m3/s)
écluse de Blénod
120.00
197.84
100.00
197.82
80.00
197.80
60.00
197.78
40.00
Y S379
Q S379
197.76
197.74
-
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
20.00
temps (heures)
1.80
2.00
ne pas entretenir les oscillations du plan d’eau pas des manœuvres
intempestives
11
la Moselle canalisée
12 m3s-1
18 m3s-1
dysfonctionnements actuels

échouage
instabilités entretenues
fatigue des structures
autres usagers
capteurs
crues
environnementales
30 m3s-1 (mini)
3 m3s-1
12 m3s-1
station de pompage (3x6m3s-1) pour le refroidissement de la centrale de Blenod (Moselle)
projet GCC
rénovation électrique et instrumentation
+ communication
analyse
GCC
le maillon faible
traitement centralisé (+ vision locale) des informations
démodulation
annonce de crue
compensation
MO + étude
12