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BTS ÉLECTROTECHNIQUE Session 2014 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique i

BTS ÉLECTROTECHNIQUE Session 2014 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel : Pré-étude et modélisation Code : 14PO-EQPEM Page : 1/15 BREVET DE TECHNICIEN SUPÉRIEUR ÉLECTROTECHNIQUE Épreuve E4.1 ÉTUDE D’UN SYSTÈME TECHNIQUE INDUSTRIEL PRÉ-ÉTUDE ET MODÉLISATION SESSION 2014 Durée : 4 heures Coefficient : 3 Matériel autorisé : - Calculatrice à fonctionnement autonome autorisée conformément à la circulaire nº 99-186 du 16/11/99. L’usage de tout autre matériel ou document est interdit. Documents à rendre avec la copie : - Le candidat répondra sur le document-réponse et sur feuilles de copie. Le document-réponse est à rendre agrafé au bas d’une copie. Dès que le sujet vous est remis, assurez-vous qu’il est complet. Ce sujet se compose de 15 pages numérotées de 1/15 à 15/15 dont 1 document-réponse. Les parties A, B et C sont indépendantes Il sera tenu compte de la qualité de rédaction, en particulier pour les réponses aux questions ne nécessitant pas de calcul. Le correcteur attend des phrases complètes respectant la syntaxe de la langue française. Utiliser les notations indiquées dans le texte, justifier toutes les réponses, présenter clairement les calculs et les résultats. BTS ÉLECTROTECHNIQUE Session 2014 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel : Pré-étude et modélisation Code : 14PO-EQPEM Page : 2/15 Nouvel aménagement hydroélectrique sur la Romanche (Isère 38) Entre la sortie de la plaine de Bourg d'Oisans et la commune de Vizille, à une trentaine de kilomètres de Grenoble, la Romanche emprunte un long défilé de 13 km constituant une chute naturelle de près de 400 mètres. Ce tronçon de rivière qui présente un fort potentiel énergétique a été équipé de longue date pour l'usage de la force hydraulique et la production d'hydroélectricité. Six centrales hydroélectriques, fonctionnant au fil de l’eau ont été construites à partir de la fin du 19ème siècle et au début du 20ème et sont toujours exploitées : Livet, Les Vernes, Les Roberts, Rioupéroux, Les Clavaux et Pierre-Eybesse. La puissance totale installée de ces six ouvrages est de 82 MW pour une production annuelle moyenne de l’ordre de 405 millions de kW.h. Livet Les Vernes Les Roberts Rioupéroux Les Clavaux Pierre-Eybesse La position de ces six centrales, ainsi que la volonté d’aménagement de l’ensemble de la vallée de la Romanche a conduit EDF à étudier deux scénarii pour poursuivre et améliorer l’exploitation du potentiel hydroélectrique : la réhabilitation des centrales existantes ou bien leur remplacement par un nouvel aménagement. Le coût de la réhabilitation des six centrales existantes étant du même ordre que le coût de construction d’un nouvel aménagement, EDF a choisi cette dernière option. Ce choix présente également d’autres avantages : l’amélioration de la sécurité de l’exploitation, une meilleure intégration des ouvrages dans l’environnement, un accroissement de la production d’électricité à partir d’une source d’énergie propre et renouvelable, et la suppression des ouvrages actuels présents dans la rivière et à proximité. Le projet de nouvel aménagement hydraulique de Romanche-Gavet représente pour EDF un investissement de l’ordre de 250 millions d’euros. La centrale sera souterraine et équipée de deux groupes de production d’une puissance unitaire de 47 MW soit une puissance maximale de 94 MW. Vers Vizille Bourg d’Oisans Massif de Belledonne Massif du Taillefer BTS ÉLECTROTECHNIQUE Session 2014 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel : Pré-étude et modélisation Code : 14PO-EQPEM Page : 3/15 Usine vue en coupe Usine vue de dessus La production annuelle potentielle sera de 560 millions de kW.h. Les 155 millions de kW.h supplémentaires qui seront produits chaque année correspondent à la consommation résidentielle annuelle d’une ville de 60 000 habitants. L’ouvrage hydroélectrique fonctionnera au fil de l’eau, c’est-à-dire sans capacité de stockage de l’eau dans la retenue, et produira donc son électricité en fonction des apports d’eau du moment. L’énergie électrique produite sera transportée par le réseau HTA 63 000 V. Enjeu : Remplacer les installations existantes par une unité de production plus performante et plus respectueuse de l’environnement. Problématiques : - Exploiter le potentiel hydraulique du site en respectant les contraintes imposées par les caractéristiques géographiques et géologiques. - Concevoir et dimensionner les installations techniques assurant la mise en œuvre de l’alternateur et son couplage au réseau en respectant la sûreté de fonctionnement. L’épreuve E41 est constituée de 3 parties indépendantes : − dans la partie A, on justifiera la solution retenue concernant l’ouvrage hydraulique pour que le groupe produise une puissance unitaire de 47MW, − dans la partie B, on abordera la solution retenue pour refroidir l’alternateur sans que la température de l’air de la caverne souterraine ne s’élève, − dans la partie C, on traitera du couplage de l’alternateur au réseau 63kV. Caverne centrale Caverne transformateurs Conduite forcée, arrivée d’eau Retour à la Romanche Galerie d’accès Caverne centrale Caverne transformateur Retour à la Romanche BTS ÉLECTROTECHNIQUE Session 2014 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel : Pré-étude et modélisation Code : 14PO-EQPEM Page : 4/15 A. DÉTERMINATION DE LA PUISSANCE HYDRAULIQUE MISE EN JEU Pour des raisons environnementales, il a été retenu de supprimer les 6 centrales existantes au fil de l’eau par une centrale souterraine unique en tirant profit du potentiel hydraulique. Nous allons dans cette partie étudier les propriétés de l’ouvrage hydraulique retenu et vérifier qu’il permet une production unitaire de 47 MW. Le circuit hydraulique est schématiquement représenté en figure 1 : c’est un croquis et les distances ainsi que les altitudes ne sont pas représentées à l’échelle. Altitudes Z 852 m Air Eau Lit rivière air A 706 m 452 m B C Air C Eau Lit rivière Figure 1 L’eau est prélevée dans le lit de la rivière à l’altitude 852 m. Elle s’écoule par gravitation jusqu’à la sortie du canal de fuite à l’altitude 452 m. La vanne de tête permet de régler la valeur du débit d’eau à turbiner en fonction de la valeur de puissance active électrique à fournir au réseau de distribution. Vanne de tête Prise d’eau avec dégrilleur Cheminée d’équilibre d’eau avec Turbine Canal de fuite Montagne Conduite forcée blindée Diamètre supposé constant et égal à 2,70 m Débit volumique égal à 22,2 m3.s-1 Galerie longue de 13km, pente de 1,12 m pour 100 m BTS ÉLECTROTECHNIQUE Session 2014 Épreuve E4.1 : Étude d’un système technique industriel : Pré-étude et modélisation Code : 14PO-EQPEM Page : 5/15 A.1. CALCUL DE LA CHARGE DE L’EAU À L’ENTRÉE DE LA CONDUITE FORCÉE BLINDÉE (point A) On rappelle que la charge de l’eau à une altitude z quelconque, notée charge z , est exprimée en J.m-3. La charge a pour expression P + ρ ρ ρ ρ.g.z +(½ ). ρ ρ ρ ρ.v2 avec, P la pression relative de l’eau à l’altitude z et exprimée en Pa ou en J.m-3, ρ ρ ρ ρ.g.z l’expression de l’énergie potentielle volumique à l’altitude z et exprimée en J.m-3 et (½ ). ρ ρ ρ ρ.v2 l’expression de l’énergie cinétique volumique à l’altitude z et exprimée en J.m-3. La pression atmosphérique notée Pat sera prise comme origine des pressions. Toutes les pressions utilisées seront donc des pressions relatives mesurées par rapport à cette origine arbitraire. A.1.1. Montrer que la valeur de la pression relative de l’eau notée PA à la surface libre au point A de la figure 1 est nulle. On donne la masse volumique de l’eau ρ ρ ρ ρ = 1000 kg.m-3 et la valeur de l’accélération de la pesanteur g = 9,81 m.s-². L’altitude absolue (mesurée par rapport au niveau de la mer) de la surface libre en sortie de canal de fuite repérée par le point C de la figure 1 est notée ZC et est égale à 452 m. L’altitude absolue de la surface libre de l’eau dans la cheminée d’équilibre repérée par le point A de la figure 1 est notée ZA , elle est égale à 706 m. Par la suite, C sera pris comme origine des altitudes. Les altitudes prises en référence à C seront notées z . A.1.2. Donner les valeurs de zC et zA. Calculer la valeur de l’énergie potentielle volumique de l’eau au point A notée EpvA. Le diamètre intérieur de la conduite forcée blindée est égal à 2,70 m et est supposé constant sur toute la longueur de celle-ci. Dans les conditions de fonctionnement nominal, la valeur du débit volumique est égale à 22,2 m3.s-1. A.1.3. Calculer la valeur de la section interne de la conduite blindée. En déduire la valeur nominale de la vitesse linéaire d’écoulement de l’eau à l’entrée de la conduite blindée. A.1.4. Calculer la valeur de l’énergie cinétique volumique de l’eau au point A notée EcvA. A.1.5. Montrer que la valeur de la charge de l’eau au point A, notée chargeA, est voisine de 2,5 MJ.m-3. A.2. CALCUL DE LA CHARGE DE L’EAU À L’ENTRÉE DE LA TURBINE (point B) On rappelle que le théorème de Bernoulli correspond à un bilan de charge appliqué à l’écoulement de l’eau entre deux altitudes, à savoir : charge en amont de l’écoulement = charge en aval de l’écoulement + pertes de charges BTS ÉLECTROTECHNIQUE Session 2014 uploads/Industriel/ bts-et-2014-noumea.pdf