Montage et Installation d'une Centrale - Cours PDF

# TROISIÈME PARTIE ## FORCES MOTRICES ### MONTAGE ET INSTALLATION D'UNE CENTRALE ### FONDATIONS La première considération dans le montage d'une centrale à un endroit particulier est le support adéquat de sa masse. Il faut tenir compte de la capacité porteuse du sol, la masse globale des éléments d...

# TROISIÈME PARTIE ## FORCES MOTRICES ### MONTAGE ET INSTALLATION D'UNE CENTRALE ### FONDATIONS La première considération dans le montage d'une centrale à un endroit particulier est le support adéquat de sa masse. Il faut tenir compte de la capacité porteuse du sol, la masse globale des éléments de la centrale et des édifices et la quantité de vibration prévue. ### Forage d'essai Les conditions des fondations du site doivent être examinées et la nature du sol déterminée par forage ou une autre méthode. Des strates de sol molles à des profondeurs souterraines considérables peuvent faire en sorte que des fondations adéquates s'avèrent une opération plus coûteuse que prévue ou peuvent endommager la centrale par le tassement subséquent si le problème n'est pas découvert et corrigé au moment de la construction. Une fois que la nature du sol sous le site de la centrale est déterminée, il est possible de choisir le type de fondation selon les capacités porteuses du sol. La table 1 indique des valeurs généralement acceptées. | Nature du sol | Charges sécuritaires suggérées pour les sols | |---|---| | Roche dure | 160 (ou plus) | | Carapace | 85-105 | | Gravier | 53-64 | | Argile dure | 32-42 | | Sable grossier sec | 32-42 | | Mélange de sable et d'argile | 20 | | Sable fin mouillé | 20 | | Argile molle | 10 | ### Le sondage du sol Le sondage du sol consiste à enfoncer une sonde jusqu'à ce qu'elle atteigne le sol dur. La sonde peut être faite d'un tuyau en acier de petit diamètre en longueurs vissées et muni d'une tête pointue. Elle est enfoncée en la frappant jusqu'à ce qu'une forte résistance indique la présence de sol dur. ### Fossés d'essai Des fosses d'essai entre 1,5 m et 2 m carrés sont creusées pour inspecter et tester les strates pour les fondations peu profondes. ### Forage Le forage est effectué pour des fondations plus profondes. Des échantillons des strates traversées sont amenés à la surface pour être examinés. - [Figure 1: Essai pour la valeur porteuse du sol](./images/figure1.jpg)  ### Empattements de murs de fondations Le schéma (a) de la figure 2 représente un mur de fondation basé sur de la roche ou une carapace. Lorsqu'un sol de capacité portante moindre est rencontré, il faut augmenter l'aire de support en ajoutant un empattement. - [Figure 2: Empattements de murs de fondations](./images/figure2.jpg)  ### Dalles flottantes Quand un nombre d'empattements isolés portant les charges d'une structure sont disposés en carré ou en rectangle et ont une forme telle que les empattements occupent la grande partie de l'aire, des dalles flottantes sont normalement construites. Ce sont des blocs de béton plein ou alvéolaire se prolongeant sur toute l'aire de la structure qui permettent une distribution égale de la charge à porter. - [Figure 3: Dalles flottantes alvéolaires](./images/figure3.jpg)  ### Pilotis Quand les pieux transmettent la charge de la structure du sol mou jusqu'à la roche du fond, ils s'appellent alors des pieux à pression. Quand ils transmettent la charge par la friction agissant sur leur longueur dans les strates du sol, ce sont alors des pieux à friction. ### Les pieux Les pieux sont en bois, en acier ou en béton. Les pieux en bois ou en acier ont une coupe transversale uniforme sur toute leur longueur et ils sont enfoncés en place. ### Pieux en bois Les pieux en bois sont employés lorsque l'enfoncement est relativement facile. Les bois appropriés sont le sapin de Douglas, le cèdre, le chêne et le pin du sud. Dans ce cas, il faut tenir compte du niveau d'eau permanent du sol puisqu'un pieu en bois sous ce niveau est constamment submergé dans l'eau et il reste en bonne condition, mais au-dessus de ce niveau il est seulement humide et le bois pourrit. ### Pieux en H en acier Les pieux en H en acier servent là où les charges dépassent 60 tonnes par pieu et dans les situations où l'acier n'est pas endommagé par les propriétés corrosives du sol. ### Pieux en béton Les pieux en béton sont employés plus souvent que n'importe quel autre type en raison de leurs capacités pour porter des charges élevées et leur bonne résistance à la corrosion. ### Pieux en béton coulés sur place Les pieux en béton sont coulés sur place ou prémoulés, puis enfoncés. Les types prémoulés sont souvent carrés en raison de la facilité du moulage et de la grande superficie qui est un avantage si le pieu est utilisé comme un pieu à friction. ### ÉDIFICES Les édifices à construire pour la centrale dépendent de la taille de la machinerie, des conditions atmosphériques de l'endroit et de l'environnement. ### Petites centrales Les petites centrales peuvent consister en un groupe électrogène transportable, comme celui illustré à la figure 9, et une chaudière préassemblée, ce qui veut dire que l'installation est assemblée à l'usine du fabricant et n'exige qu'une fondation sur le site. ### Grandes centrales Les grandes centrales sont du type intérieur, semi-extérieur et complètement extérieur. Le choix repose sur le coût relatif et les conditions atmosphériques locales. La centrale complètement extérieure ne convient qu'aux climats les plus tempérés. ### Appareillage de connexion Pour les centrales, l'appareillage de connexion est souvent installé à l'extérieur. Il n'y a aucune raison d'abriter des chaudières ou des turbines. Des édifices sont toujours nécessaires cependant pour les bureaux, les ateliers, les entrepôts et l'équipement de commande. - [Figure 4: Installation extérieure Générale Électrique](./images/figure4.jpg)  - [Figure 5: Installation extérieure Générale Électrique avec un abri de plain-pied pour la turbine](./images/figure5.jpg)  - [Figure 6: Poste semi-extérieur Elliott avec des turboalternateurs](./images/figure6.jpg)  ### Centrale semi-extérieure Une centrale semi-extérieure comprend des édifices pour les turboalternateurs et leurs auxiliaires qui se prolongent pour couvrir partiellement les chaudières. La figure 6 illustre un poste semi-extérieur avec des turboalternateurs Elliott. ### Assises des machines Les éléments lourds de la machinerie, comme les moteurs alternatifs, les turbines à vapeur, les pompes, les chaudières et les cheminées, doivent être installés sur des assises qui peuvent supporter leur poids et, particulièrement dans le cas des moteurs alternatifs, absorber les vibrations causées par les forces déséquilibrées dans la machinerie en marche. ### Plaque de fondation individuelle Dans le cas des moteurs et des pompes, une plaque de fondation individuelle est conçue pour chaque appareil. Ces plaques doivent être isolées les unes des autres et des fondations de l'édifice pour réduire au minimum la transmission des forces vibratoires. - [Figure 7: Turbine à vapeur qui commande une pompe pour l'eau d'alimentation d'une chaudière Babcock](./images/figure7.jpg)  - [Figure 8: Turboalternateur à engrenage avec commande de soupapes de contrôle à vapeur automatique muni d'une excitatrice à courroie. Cette unité de 300 kW fonctionne avec de la vapeur à une pression de 1700 kPa et à une température de 263 °C et elle évacue à la pression du condenseur soit 10 kPa.](./images/figure8.jpg)  - [Figure 9: Groupe transportable 350 kW, 1482 kPa, 270 °C, la pression du condenseur est de10 kPa.](./images/figure9.jpg)  ### BÉTON POUR LES FONDATIONS Le béton est un mélange de ciment, d'agrégat fin, d'agrégat grossier et d'eau. L'eau réagit chimiquement avec le ciment, ceci durcit la pâte d'eau-ciment et lie ensemble les particules d'agrégat. ### Mélanges de béton Les mélanges de béton sont définis selon la relation entre la quantité de ciment, la quantité d'agrégat fin et la quantité d'agrégat grossier. Par exemple, un béton 1:3:6 contient 1 partie de ciment, 3 parties d'agrégat fin et 6 parties d'agrégat grossier. Ces proportions sont précisées en masse ou en volume. La spécification par masse est plus précise, mais plus difficile et plus coûteuse; la spécification par volume est plus pratique et est raisonnablement précise. ### Ciment Portland Le ciment Portland est le type principal utilisé puisqu'il est solide et il durcit rapidement. Les ciments naturels sont parfois employés en faibles proportions avec le ciment Portland dans des cas particuliers lorsqu'un béton sert pour des structures soumises à des conditions atmosphériques sévères. ### Agrégats L'agrégat fin consiste habituellement en sable fin sec. Des déchets de criblage de pierre peuvent être utilisés pourvu qu'ils possèdent des caractéristiques semblables. ### Agrégat grossier L'agrégat grossier est de la pierraille ou du gravier lavé de la grosseur appropriée. Il doit être propre et être gradé proportionnellement de 6 mm jusqu'au maximum selon le travail à accomplir. Les petits travaux renforcés ou les murs minces exigent une grosseur maximale de 20 mm et les blocs plus grands, 50 mm. ### Eau L'eau employée doit être propre, douce (pas salée) et libre d'huile, d'acides, de matières organiques et autres. ### Proportionnement Comme nous l'avons déjà mentionné, le mélange de béton est défini par les proportions de (1) ciment, (2) agrégat fin et (3) agrégat grossier. - 1:3:6 pour le béton de masse, les planchers de béton solide et autres. - 1:2:5 pour le béton ordinaire, les assises de machines, les fondations ordinaires, les murs et autres. - 1:1:2 pour les colonnes et les poutres en béton à haute résistance. ### Maniabilité Le béton mélangé doit être suffisamment maniable pour atteindre les coins des formes et autour des renforcements et autres. Ceci dépend du mélange utilisé et du rapport d'eau-ciment. Un essai d'affaissement pour les bétons permet de mesurer la consistance ou la maniabilité. ### Durcissement du béton Le béton durcit en raison des réactions chimiques qui se produisent entre le ciment et l'eau. Ces réactions continuent indéfiniment, tant qu'il y a de l'humidité et des températures favorables. La résistance du béton augmente avec l'âge et les conditions dans lesquelles il durcit. ### Contraction et dilatation Le béton se dilate avec l'augmentation de la température et se contracte avec la chute de la température. Le coefficient moyen de dilatation est de 6 x 106. Le béton se contracte également quand il est sec et il se dilate quand il est mouillé. Cette propriété n'est pas confinée au béton fraîchement coulé, mais elle s'applique aussi au vieux béton. ### Adhésion L'adhésion du béton au travail précédent est parfois importante. Le vieux béton doit être complètement mouillé, nettoyé, rendu rugueux et enduit d'un coulis de ciment avant de couler le nouveau béton. Si le vieux béton n'est pas suffisamment mouillé, il soutire de l'humidité du nouveau béton, laissant une quantité insuffisante d'eau pour une bonne consistance ce qui produit un béton faible au joint. ### Assises de petits moteurs Un petit moteur alternatif et générateur peut être utilisé pour représenter une petite installation. - [Figure 10: Groupe turboalternateur à gaz sur une assise en acier](./images/figure10.jpg)  - [Figure 11: Gabarit pour placer les boulons de l'assise](./images/figure11.jpg)  - [Figure 12: Méthodes de coulage de mortier](./images/figure12.jpg)  - [Figure 13: Alignement des moteurs et des générateurs à un roulement ou des compresseurs à moteurs à un roulement](./images/figure13.jpg)  - [Figure 14: Fissure de fatigue typique](./images/figure14.jpg)  - [Figure 15: Élévation d'une plaque d'assise d'un turboalternateur type](./images/figure15.jpg)  - [Figure 16: Vue d'une plaque d'assise pour une machine Allis-Chalmers](./images/figure16.jpg)  - [Figure 17: Vue de bout d'une turbine en montage](./images/figure17.jpg)  - [Figure 18: Alignement des roulements et des alésages de presse-étoupe à l'aide de la méthode du fil étiré](./images/figure18.jpg)  - [Figure 19: Alignement des accouplements](./images/figure19.jpg)  - [Figure 20: Calibres utilisés pour l'alignement des arbres](./images/figure20.jpg)  - [Figure 21: Alignement des arbres](./images/figure21.jpg)  - [Figure 22: Mesures d'alignement](./images/figure22.jpg)  - [Figure 23: Calibres utilisés pour l'alignement des arbres](./images/figure23.jpg)  - [Figure 24: Vue de bout d'une turbine avec le couvercle soulevé](./images/figure24.jpg)  - [Figure 25: Arrangement de levage](./images/figure25.jpg)  - [Figure 26: Étapes pour glisser le rotor de l'alternateur sur le stator](./images/figure26.jpg)  ### TUYAUTERIE Les paragraphes qui suivent portent sur le plan d'ensemble de la tuyauterie d'une centrale. Les principes à suivre dans l'installation de toutes les sections de tuyauterie se résument comme ci-dessous. 1. L'arrangement choisi doit assurer la fiabilité maximale de la centrale. Ceci signifie que certaines sections doivent être complètement doublées. 2. L'inspection et l'entretien de n'importe quelle section doivent être possibles sans mise hors service complète. 3. La taille des tuyaux pour les systèmes de vapeur, d'eau d'alimentation et d'eau de circulation doit être suffisante pour permettre des agrandissements futurs de la centrale. 4. Les routes choisies doivent être aussi directes et simples que possible. 5. Le nombre de robinets et de tuyaux d'interconnexion doit être aussi bas que possible, sans oublier la nécessité de sectionner pour l'entretien. Les robinets doivent être regroupés et placés pour en faciliter le fonctionnement. 6. Il faut prévoir adéquatement le drainage et le dégagement de l'air. 7. Il faut prévoir la dilatation et la contraction. 8. Les tuyaux doivent être aussi longs que possible pour réduire le nombre de joints. Les joints et les garnitures devraient être normalisés. 9. Les tuyaux de gabarit ou de fermeture doivent être le moins nombreux possible pour diminuer le temps de montage. 10. Il faut prévoir des trappes d'accès aux tuyaux dans les tranchées si c'est possible, sinon l'entretien est difficile et les fuites et les autres problèmes ne sont pas détectés. 11. Un soin particulier doit être pris pour permettre suffisamment de flexibilité dans les tuyaux reliés à des éléments fixes de la centrale, comme les moteurs, les condenseurs et les pompes, et ce, pour empêcher des fatigues indues causées par la dilatation et la contraction. ### Tuyaux principaux de vapeur Le plan d'ensemble de la tuyauterie à vapeur est très difficile à arranger de façon satisfaisante puisqu'elle subit les plus grands changements de température. Il faut prévoir la dilatation et la contraction. La tuyauterie en acier se dilate de 25 mm pour une augmentation de température de 50 °C par 30 m de longueur de tuyau. ### Mise en service Les remarques qui suivent portent sur le mode opératoire de mise en service d'une nouvelle centrale après son installation. Une centrale thermique consistant d'une ou de plusieurs chaudières et de turboalternateurs avec de l'équipement auxiliaire constitue un exemple type. ### Services auxiliaires Les services de la centrale, soit l'air, l'eau et l'électricité, sont installés à l'achèvement des édifices et ils doivent être terminés et disponibles avant les éléments importants de la centrale. Les alimentations en eau de refroidissement des condenseurs principaux, des refroidisseurs pour l'huile lubrifiante, des refroidisseurs à huile pour transformateur et autres doivent être terminées. De même, le système d'air comprimé et le système d'alimentation électrique auxiliaire doivent être vérifiés, éprouvés pour déceler les défauts de prise d'air ou les fuites à la terre, puis mis en service. ### Chaudières Les chaudières sont toujours le premier élément important d'une centrale qu'il faut employer. Le système d'alimentation en combustible doit être terminé et mis à l'essai, les dispositifs d'alimentation en charbon mis en marche, les soutes remplies, les broyeurs de combustible pulvérisé mis en marche, les préchauffeurs d'air vérifiés et tous les ventilateurs mis en marche. Entre-temps, la chaudière elle-même est examinée et soumise à un essai hydrostatique avec ses conduites de vapeur et d'alimentation. Le système de traitement de l'eau d'alimentation doit être essayé et si c'est possible, une réserve d'eau traitée peut-être préparée. ### Turbines L'huile circulée à l'aide des pompes à huile commandées séparément. Ceci sert à tester toute la tuyauterie et autre pour déceler les fuites et à rincer les roulements. ### Alternateurs Les alternateurs principaux, communs à toute la machinerie électrique de la centrale, subissent un essai d'isolement. Habituellement, l'alternateur est asséché avant d'être mis en service. Pour ce faire, l'alternateur est mis en marche avec les conducteurs principaux court-circuités, soit à pleine vitesse ou à vitesse réduite, mais quel que soit le cas, l'excitation doit être juste suffisante pour alimenter un courant sécuritaire au stator. La résistance d'isolement est mesurée à des intervalles fréquents pendant le cycle d'assèchement. Elle tombe rapidement au début du cycle en raison de l'augmentation de la température de l'enroulement jusqu'à ce qu'elle atteigne un minimum, puis elle augmente lentement à mesure que l'humidité est éliminée. ### Essai de qualification Tous les éléments principaux de la centrale doivent être soumis à des essais assez tôt après la centrale est bien celui qui est garanti et ensuite, pour établir un ensemble de valeurs d'essai qui forment une base de comparaison pour des vérifications subséquentes. Il vaut mieux effectuer ces essais pendant que toutes les surfaces de transfert de chaleur sont encore relativement propres et que la condition physique des pièces sujettes à l'usure est presque neuve. ### EXERCICE #### MÉCANICIEN DE MACHINES FIXES 1. En supposant qu'un site a été choisi pour une centrale de 100 MW, expliquez entièrement une méthode pour déterminer la capacité porteuse du sol. 2. Après avoir déterminé la charge que le sol peut porter au site ci-dessus, indiquez l'arrangement de la fondation qui vous apparaît nécessaire. 3. (A) Si la fondation d'un turboalternateur à engrenages du type préassemblé s'affaisse à une extrémité pendant l'opération, quels problèmes peuvent se présenter dans l'unité? (B) Expliquez le mode opératoire étape par étape pour l'installation d'un petit moteur alternatif et générateur. Précisez la qualité du béton à utiliser. 4. De la corde à piano est parfois employée pour aligner les roulements d'une turbine et les cylindres d'un moteur. Expliquez comment une pièce de machinerie est alignée à l'aide de cette méthode. Faites un croquis illustrant comment la corde est supportée. 5. (A) Quel est l'objet de la vérification de l'alignement d'un vilebrequin? (B) Faites un croquis d'une vue en coupe d'un vilebrequin et montrez quel type de fissure peut se produire. 6. (A) Décrivez une méthode précise d'alignement d'un moteur et d'un générateur à un roulement. (B) Quelle tolérance faites-vous pour la déformation du vilebrequin causée par son propre poids? 7. (A) L'alignement de l'arbre se fait également en alignant les accouplements de l'arbre. Illustrez à l'aide d'un croquis cette méthode de mesure de l'alignement et expliquez comment elle est effectuée. (B) Faites un croquis d'un calibre d'alignement d'arbre et expliquez comment vous l'utiliseriez pour aligner un arbre. 8. Décrivez le mode opératoire pour installer un rotor d'alternateur de grande taille dans le stator de l'alternateur. Illustrez votre réponse avec des croquis. 9. (A) Quelles considérations doivent être prises pour le plan d'ensemble de la tuyauterie dans une centrale? (B) Donnez trois méthodes pour permettre la dilatation dans la tuyauterie à vapeur et indiquez les avantages de l'étirage à froid par rapport aux autres méthodes. 10. (A) Expliquez brièvement comment vous mettriez en service une nouvelle centrale thermique consistant en chaudières, turboalternateurs et équipement auxiliaire. (B) Pourquoi est-ce important d'effectuer des essais dès que la centrale est mise en service? - [Figure 27: Plan de contour et assise Unité de 15 000 kW, 5860 kPa et 480 °C](./images/figure27.jpg)  - [Figure 28: Plan de contour et d'assise Unité de 30 000 kW, 5860 kPa et 480 °C](./images/figure28.jpg)  - [Figure 29: Poste de Riverside de la Consolidated Power Co. de Baltimore](./images/figure29.jpg)  - [Figure 30: Centrale électrique de turbine à gaz](./images/figure30.jpg)