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Optimiser la durée de vie et le rendement des turbines : comment Global Hydro et la solution CONMONSense de SDT ont permis la mise en place d'une surveillance acoustique en temps réel dans le secteur hydroélectrique

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L'érosion sédimentaire et la cavitation comptent parmi les forces les plus destructrices auxquelles sont confrontées les centrales hydroélectriques à travers le monde.

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Secteur : Énergie hydroélectrique et énergies renouvelables
Application : Turbines hydrauliques (Francis et Pelton)
Site : Centrale hydroélectrique de Tumpen-Habichen, Tyrol, Autriche
Solution : Capteurs CONMONSense AE de SDT Ultrasound, qui alimentent les solutions logicielles SediSense (sédiments) et CaviDect (cavitation) de Global Hydro au sein de la plateforme IoT Hydrox

Résumé
L’érosion sédimentaire et la cavitation sont deux des forces les plus destructrices auxquelles sont confrontées les centrales hydroélectriques du monde entier. Jusqu’à récemment, les exploitants de centrales s’appuyaient sur des capteurs de turbidité en amont ou sur des restrictions d’exploitation statiques, sans disposer d’une visibilité directe et en temps réel sur les dommages physiques réels survenant à l’intérieur de la turbine.

En combinant la technologie de détection d’émissions acoustiques (AE) par transmission structurelle de haute précision de SDT avec l’architecture « edge-and-cloud » Hydrox IoT de Global Hydro, cette dernière a démontré avec succès une solution de surveillance unifiée et en temps réel. Mise en œuvre sur trois turbines Francis de la centrale de Tumpen-Habichen (15 MW) en Autriche, cette innovation conjointe a permis d’isoler l’énergie d’impact des sédiments, d’identifier les seuils de déclenchement de la cavitation, et a révélé que la cavitation active obligeait la turbine T3 à fonctionner avec une ouverture des aubes directrices supérieure de 6 % à celle nécessaire pour atteindre la même puissance de sortie – une perte temporaire de rendement hydraulique liée à la cavitation elle-même, distincte de l’usure continue due à l’érosion par les sédiments de la centrale et auparavant masquée par celle-ci.

Grâce à ces informations en temps réel, les opérateurs sont passés d’une maintenance réactive à une protection prédictive des actifs, en réduisant dynamiquement la puissance pour éliminer la cavitation active tout en maintenant

Le défi : une double menace pour les turbines
Les centrales hydroélectriques situées dans des bassins versants alpins et alimentés par des glaciers sont soumises à de fortes contraintes opérationnelles dues à une eau chargée en sédiments. Le quartz dur et le sable fin contournent les systèmes de désensablement en amont, provoquant une usure hydro-abrasive sur les roues, les aubes de guidage et les tubes d’aspiration.

À ce problème s’ajoute la cavitation, c’est-à-dire l’implosion de bulles de vapeur provoquant des micro-jets et une piqûre de surface. Les particules de sédiments abaissent le seuil de pression nécessaire à la cavitation, tandis que les surfaces rendues rugueuses par la cavitation accélèrent l’érosion abrasive.

Les opérateurs du site de démonstration ont dû faire face à trois obstacles principaux :

Des indicateurs peu fiables
Les capteurs de turbidité en amont mesurent la diffusion de la lumière dans l’eau, et non l’impact cinétique réel ni le potentiel destructeur des sédiments grossiers atteignant la turbine.
Pertes de rendement cachées
En l’absence de surveillance interne en temps réel, les opérateurs attribuaient toute l’usure des composants uniquement aux sédiments, sans se rendre compte que la cavitation active était également présente, érodant silencieusement les surfaces hydrauliques au fil du temps et, à chaque instant, réduisant le rendement hydraulique dès que la turbine fonctionnait dans une plage de fonctionnement propice à la cavitation.
Exploitation prudente ou risquée
La prévention traditionnelle de la cavitation repose sur des limites d’exploitation statiques, basées sur le scénario le plus défavorable, qui sacrifient soit la production d’énergie à partir d’eau propre, soit échouent en cas de variations imprévues du débit.
La solution : l’association d’une technologie de détection et de l’IoT avancé
Pour surmonter ces limites, Global Hydro a intégré les capteurs CONMONSense AE de SDT comme base de détection pour SediSense, sa solution de surveillance des sédiments alimentée par l’IA, déployée directement sur les surfaces hydrauliques externes des turbines (carter en spirale, aubes de guidage et cône du tube de tirage). Ces mêmes capteurs détectent à la fois l’érosion sédimentaire et la cavitation ; selon les besoins du client, il est possible d’activer SediSense (surveillance des sédiments) ou CaviDect (surveillance de la cavitation).

Principales capacités techniques :

Détection ultrasonique à haute fréquence (20–100 kHz) : les capteurs piézoélectriques de SDT captent l’énergie à haute fréquence générée par les impacts de particules et les micro-implosions, tout en filtrant les bruits de fond à basse fréquence (<20 kHz) provenant des machines.
Hétérodynage intégré au capteur : le système d’hétérodynage interne de SDT convertit les signaux ultrasoniques vers le spectre audible. Cela permet au matériel PLC Beckhoff standard d’échantillonner efficacement les données sans nécessiter de systèmes d’acquisition coûteux à très large bande passante.
Décomposition statistique du signal : un modèle de mélange par la méthode de l’espérance-maximisation (EM) sépare le signal en deux indicateurs distincts :
Composante de bruit de Rayleigh : mesure le bruit de fond continu lié aux impacts de particules (indicateur d’érosion sédimentaire).
Composante impulsive de Weibull : elle capture les pics transitoires brusques et à haute énergie (indicateur de cavitation).
Compensation de la ligne de base par apprentissage automatique : un modèle d’apprentissage automatique de type « gradient boosting » (entraîné sur la plateforme cloud de Global Hydro) prédit le bruit hydraulique opérationnel à partir des données de télémétrie (puissance, hauteur de chute, pression, ouverture des vannes). La soustraction de cette base de référence permet d’isoler l’activité sédimentaire pure en temps réel.
Résultats et impact opérationnel
La validation sur le terrain, menée sur trois turbines Francis, a permis des avancées opérationnelles remarquables :

1. Mise en évidence de la cavitation cachée et de son coût en termes de rendement en temps réel
Sur la turbine T3, la surveillance acoustique a révélé de brusques pics d’impulsion lorsque l’ouverture des aubes directrices dépassait 85 %. Lorsqu’elle fonctionnait dans ce régime de cavitation, la turbine nécessitait une ouverture des aubes directrices supérieure de 6 % pour atteindre exactement la même puissance de sortie que dans des conditions sans cavitation. Le système AE a permis de déterminer avec précision à la fois le seuil d’apparition exact et la perte immédiate de rendement hydraulique liée à la cavitation active – un effet opérationnel en temps réel distinct de toute baisse de rendement à long terme que les sédiments ou l’érosion par cavitation pourraient éventuellement causer par usure accumulée, et mesurable bien avant celle-ci.

2. Déclassement préventif de la puissance et élimination des risques
Grâce à la visibilité en temps réel fournie par les capteurs SDT, les opérateurs ont plafonné de manière dynamique l’ouverture maximale des aubes directrices de la turbine T3, réduisant ainsi la puissance de pointe de 3 200 kW à 3 000 kW. Au cours des mois de surveillance continue qui ont suivi l’intervention, les salves d’impulsions de cavitation ont disparu et la composante de puissance impulsive de Weibull s’est effondrée, tandis que le signal de fond de Rayleigh (sédiments) est resté stable, confirmant que la réduction de puissance avait éliminé l’activité de cavitation sans affecter le signal de sédimentation en cours. La production totale de la centrale n’a pas été affectée, les turbines voisines ayant compensé la charge. L’avantage est double : les opérateurs ont immédiatement récupéré le rendement hydraulique perdu en raison de la cavitation active, tout en éliminant l’activité de cavitation qui aurait autrement contribué à l’érosion à long terme des surfaces hydrauliques de la turbine.

3. Visibilité réelle de l’érosion localisée
Lors des opérations de vidange du bassin d’alimentation, la puissance du bruit de déformation acoustique (AE) a chuté immédiatement dès que les sédiments ont été détournés de la prise d’eau de la turbine. En revanche, les capteurs de turbidité conventionnels installés à la prise d’eau sont restés à des niveaux artificiellement élevés. La technologie de détection par vibrations structurelles de SDT a prouvé qu’elle mesure les dommages réels causés par les particules atteignant le rotor, plutôt que la qualité générale de l’eau en amont. C’est là la capacité fondamentale offerte par SediSense : mesurer l’impact réel des sédiments au niveau de la turbine, et non un indicateur de la qualité de l’eau en amont.

Résumé des principaux avantages
Défi Approche traditionnelle Solution CONMONSense de Global Hydro × SDT
Surveillance des sédiments (SediSense) Capteurs de turbidité en amont (indicateur par diffusion de la lumière). Quantification directe de l’énergie d’impact sur les composants hydrauliques internes.
Détection de la cavitation (CaviDect) Limites de fonctionnement statiques basées sur des hypothèses prudentes. Identification en temps réel des seuils via une analyse transitoire à haute fréquence.
Efficacité des données Large bande passante et matériel d’acquisition spécialisé coûteux. Hétérodynage intégré permettant l’acquisition via du matériel PLC standard.
Stratégie de gestion des actifs Maintenance réactive après l’apparition d’une usure importante. Protection prédictive des actifs et contrôle dynamique en fonction de l’état.
Ensemble, ces résultats montrent que la technologie apporte une valeur ajoutée à deux échelles de temps : une optimisation immédiate des performances, en détectant et en évitant les conditions de fonctionnement cavitationnelles qui réduisent le rendement hydraulique et augmentent l’ouverture des aubes de guidage nécessaire pour une puissance de sortie donnée, et une protection à long terme des actifs, en atténuant l’érosion due aux sédiments et à la cavitation qui use progressivement les composants de la turbine. Les exploitants n’ont plus à attendre une réduction mesurable de l’usure pour constater un retour sur investissement, car les gains de rendement liés à la prévention de la cavitation sont visibles dès le premier jour.

Cette application éprouvée sur le terrain met en évidence la forte synergie entre CONMONSense de SDT, en tant que fournisseur de capteurs haut de gamme, et Global Hydro, en tant qu’équipementier innovant et fournisseur de solutions numériques. Ensemble, ils offrent aux exploitants hydroélectriques un outil évolutif permettant de prolonger la durée de vie des turbines, d’optimiser leur rendement et de préserver les infrastructures énergétiques vertes essentielles à l’échelle mondiale.