LA REGULATION DES STATIONS DE POMPAGE
COURBES DE POMPE Les courbes caractéristiques d’une pompe sont données par le constructeur. La courbe HMT=f(Q) est la principale. Elle permet de procéder au choix de la machine et de déterminer le point de fonctionnement. Les autres courbes fournies sont : Rendement = f(Q) courbe débit-hauteur.
L’indication du rendement est parfois superposée à la
Puissance = f(Q) Il s’agit de la puissance mécanique. Cette courbe n’est pas toujours fournie pour les pompes monobloc (ensemble moteur+pompe indissociable) NPSHrequis = f(Q) Le pouvoir d’aspiration est rarement indiqué pour les pompes submersibles d’assainissement pour lesquelles la condition anti-vortex est prépondérante. Toutes ces courbes sont établies avec de l’eau. Si le produit pompé présente une masse volumique ou une viscosité différentes de celles de l’eau, il est nécessaire de corriger les valeurs données par les courbes. Ces courbes sont établies à une vitesse donnée. Une modification de la vitesse de rotation implique l’établissement de nouvelles courbes. On sait qu’entre deux points dits « homologues », c' est-à-dire présentant des conditions d’écoulement géométriquement semblables, les lois suivantes s’appliquent :
=
×
=
=
=
×
×
×
Le rendement est sensiblement constant entre deux points homologues. Ces lois de variation sont parfaitement démontrées car basées sur la théorie de fonctionnement des turbomachines. Il conviendra cependant d’être prudent car les points dits « de fonctionnement » sur une installation à vitesse variable seront en général très différents des points dits « homologues ».
COURBIER D’UNE POMPE DE SURFACE MONOETAGEE Les cinq courbes mentionnées sur le courbier correspondent à une même référence de machine dont la roue est rognée à cinq valeurs de diamètres différents. Le rognage est une façon simple pour le constructeur de s’adapter à un large éventail d’applications (différentes valeurs de débit combinées à différentes valeurs de HMT) avec un minimum de modèles dans sa gamme de machines. Si une ETANORM 80-250 est commandée sans autre précision, elle sera fournie avec sa roue non modifiée ce qui correspond à la courbe la plus haute (diamètre 269mm). On remarque que le constructeur a bien mentionné la vitesse (2900tours/mn) à laquelle le courbier a été établi. On voit que le point nominal de la machine est 210m3/h pour une HMT de 88m. Ce sont les coordonnées de ce point qui seront mentionnées sur la plaque signalétique même si la pompe a été choisie pour travailler à un autre point de sa courbe. Il est logique cependant de faire travailler la machine à un point proche du point nominal. On remarque que la puissance augmente lorsque le débit augmente. C’est un comportement caractéristique des pompes centrifuges. Si on ferme une vanne au refoulement, la pression augmente mais le moteur « force » moins et absorbe donc une intensité moindre. Une pompe hélice a un comportement opposé (puissance qui augmente lorsque le débit diminue).
COURBIER GENERAL D’UNE MONOETAGEES NORMALISEES
GAMME
DE
POMPES
DE
SURFACE
Le courbier général permet d’identifier, au sein de la gamme, le modèle susceptible de donner le débit combiné à la HMT souhaités. On se reporte ensuite au courbier détaillé de la (des) machine(s) présélectionnée(s) afin de lire toutes les caractéristiques et de finaliser le choix.
COURBE RESEAU La courbe réseau exprime la relation entre l’énergie à fournir au liquide (hauteur) et le débit que l’on veut faire passer dans la conduite. Cette énergie est essentiellement utilisée pour vaincre le dénivelé (appelé Hauteur Géométrique Totale) ainsi que les pertes de charge. La Hauteur Géométrique peut varier en fonctionnement mais indépendamment du débit. En revanche les pertes de charges sont souvent proportionnelles au carré du débit (cela dépend en réalité du régime d’écoulement) ce qui donne une allure parabolique à la courbe. L’énergie cinétique (v2/2g) fait partie de l’énergie à fournir au liquide mais, compte tenu des vitesses de déplacement de ce dernier dans les conduites (1 à 2m/s), elle s’avère négligeable face aux autres paramètres. Lorsque le réseau est constitué d’un refoulement simple, sa courbe caractéristique ressemble effectivement à une parabole. Lorsqu’il existe, sur le refoulement, de nombreuses ramifications, cette courbe devient bosselée car elle résulte d’un ajout de plusieurs paraboles à des hauteurs différentes. Dans le cas d’un refoulement distribution, la courbe réseau ne cesse de fluctuer en fonction de la demande
des abonnés. Cette fluctuation se fait entre deux courbes extrêmes correspondant à la demande minimale et à la demande maximale. C’est ce qui se passe également dans un réseau d’irrigation surpressé.
PRESSION RESIDUELLE Au moment de déterminer la Hauteur Manométrique Totale devant être fournie par la pompe, il convient de tenir compte, dans certaines applications, d’une pression résiduelle. C’est la pression qui sera maintenue en extrémité de conduite lorsque la conduite ne débouche pas gueule bée (canon asperseur ou rampes d’aspersion en irrigation, lance ou sprinklers en protection incendie ou tout simplement robinet de distribution sur un réseau surpressé). Dans le cas d’un réseau de distribution d’eau, cette énergie est en général perdue au point d’utilisation mais dans le cas d’une aspersion sur des cultures, cette énergie est transformée en énergie cinétique (énergie de vitesse) propulsant le liquide au loin sur les cultures. La lance est le dispositif qui transforme (avec aussi peu de pertes de charge que possible) la pression en vitesse. Cette dernière étant au plus égale à , la pression résiduelle en amont d’une lance se comporte comme une perte de charge en fonction du débit.
POINT DE FONCTIONNEMENT Lorsque l’on associe une pompe avec un réseau, le débit qui s’établit dans cet ensemble est celui pour lequel l’énergie que demande l’un (le réseau) correspond à l’énergie que fournit l’autre (la pompe). Le point de fonctionnement est, par définition, le point d’intersection des courbes pompe et réseau. Cette notion est fondamentale dans l’étude du comportement d’un ensemble pompe+réseau. Un choix de pompe peut être considéré comme satisfaisant lorsque le débit obtenu est proche ou égal à la valeur souhaitée et que le point de fonctionnement est proche du point nominal de la pompe.
VARIATION DE LA COURBE RESEAU Deux paramètres peuvent être à l’origine de la variation de la courbe réseau : • •
La variation de la hauteur géométrique (variation du niveau du plan d’eau à l’aspiration par exemple). La courbe translate vers le haut ou vers le bas. La variation des pertes de charge (ouverture ou fermeture d’une vanne). Les variations de pertes de charge peuvent avoir comme origine les fluctuations de la demande sur un réseau de distribution (ouverture et fermeture des vannettes sur les périmètres irrigués). La courbe réseau est alors plus ou moins incurvée.
Dans les deux cas, le point de fonctionnement se déplace sur la courbe pompe avec des effets sur le débit, la HMT, le rendement, la puissance et le NPSHR.
COUPLAGE EN PARALLELE DE DEUX POMPES Pour obtenir la courbe globale de deux pompes couplées en parallèle, il suffit d’ajouter les débits de l’une et de l’autre sous une même HMT. On répète l’opération sous différentes hauteurs afin d’obtenir un nombre de points suffisant. Des pompes différentes peuvent être couplées en parallèle. Il est important cependant de choisir des machines dont les HMT nominales soient proches voire identiques car la Hauteur Manométrique Totale sera le paramètre de fonctionnement commun aux deux pompes.
COUPLAGE DE POMPES IDENTIQUES En regardant ce schéma, on comprend pourquoi le débit obtenu avec 4 pompes n’est pas le quadruple du débit obtenu avec une. Cela ne remet pas pour autant en cause le principe du cumul des débits. Une pompe seule donne le débit Q1p (par exemple 100m3/h) son point de fonctionnement étant A1 sous la hauteur h1. Quatre pompes ensemble donneront le débit Q4p (par exemple 280m3/h). Ces machines travaillent en effet sous la hauteur h4 et donc le point de fonctionnement de chacune d’entre elles est A4 donnant le débit QA4 (70m3/h). Plus la courbe réseau est incurvée (pertes de charges importantes), plus le gain en débit est faible lorsque l’on rajoute des pompes en parallèle.
REFOULEMENT SIMPLE C’est le système le plus simple à exploiter. La courbe réseau est constante. Il n’est en général pas nécessaire de fractionner le débit pompé, autrement dit, la configuration précédemment évoquée avec de 0 à 4 pompes simultanément en service est rare. Elle serait éventuellement motivée par un faible volume de réserve. Dans de nombreux cas, on trouve des stations de pompage équipées de deux pompes pour une question de sécurité de fonctionnement, c' est-à-dire qu’une seule pompe débite à la fois. Le refoulement débouche gueule bée à l’atmosphère. Il n’y a donc pas de pression résiduelle.
REFOULEMENT SIMPLE. COMMANDE PAR LIGNE PILOTE C’est le mode de pilotage le plus couramment utilisé en zone urbaine. Des contacteurs ou des sondes de niveau détectent les niveaux bas et hauts ce qui entraîne démarrages et arrêts des pompes. Le système est fiable mais présente certains inconvénients en zone rurale : • • •
Coût du câble Coût de l’enfouissement du câble si ce dernier n’a pas été posé en même temps que la conduite Franchissement d’obstacles naturels comme les oueds
On peut se passer de câble avec une liaison radio. Il n’y a plus de travaux d’enfouissement mais l’investissement est important et il faut l’énergie électrique au réservoir
(ou alors panneaux solaires et batteries avec les coûts de maintenance qui vont avec). Le relief peut également poser des difficultés pour la transmission. Il existe d’autres possibilités que la ligne pilote (câblée ou radio) pour commander la marche des pompes mais cette solution demeure quasiment incontournable lorsque l’on désire une modulation du débit pompé (1, 2 ou 3 pompes en service en fonction de plusieurs niveaux bas et hauts). Compte tenu de la nécessité d’aborder les plages horaires de consommation maximale avec le réservoir plein, il peut être souhaitable de programmer sur horloge des ordres de démarrages au cours des heures qui précèdent. On évitera ainsi d’attaquer les heures de consommations maximales avec un réservoir moitié plein, les niveaux bas n’ayant pas été atteints.
REFOULEMENT SIMPLE. COMMANDE PAR ROBINET A FLOTTEUR ET MANOMETRE A CONTACT Un robinet à flotteur équipe l’extrémité de la conduite et se ferme lorsque le château d’eau est plein. La pression augmente dans le refoulement. Un manomètre à contact placé à la station de pompage détecte l’augmentation de pression et arrête la pompe. Le redémarrage se fait sur horloge. Ce dispositif simple et efficace permet de se passer de toute liaison entre le réservoir et la station de pompage. Le manomètre à contact doit être privilégié par rapport à un manocontact car sa sensibilité plus grande permet la détection d’une augmentation de pression de quelques mètres de colonne d’eau. On évite ainsi un possible fonctionnement prolongé avec le robinet à flotteur partiellement étranglé entraînant une inutile dissipation d’énergie. Il faut compter une « réserve de sécurité » pour le redémarrage compte tenu des possibles variations de consommations d’un jour à l’autre. Il est également nécessaire de concevoir l’automatisme tel que la temporisation soit automatiquement remise à zéro en cas de coupure d’électricité. La pompe démarrera automatiquement au retour du courant et on évitera ainsi d’occasionner ou de prolonger un manque d’eau pour les utilisateurs. Un des inconvénients majeurs de ce dispositif est l’impossibilité de gérer plusieurs pompes avec des démarrages en cascade. Lorsque l’on souhaite augmenter le débit et faire fonctionner deux pompes simultanément, il est nécessaire de refaire le réglage du manomètre à contact (pression de refoulement supérieure due aux pertes de charges). Un autre inconvénient est la maintenance demandée par les robinets à flotteur qui vieillissent souvent assez mal et dont l’accessibilité est problématique. Deux solutions s’offrent au concepteur : • •
Le remplacement du robinet à flotteur par une vanne motorisée pilotée par des poires de niveau. Cette solution présente, en plus d’un coût élevé, l’inconvénient de nécessiter la présence d’énergie au réservoir. La conception d’aménagements permettant une meilleure accessibilité des robinets à flotteur afin de faciliter leur maintenance (plate-forme au dessous, anneau de levage au dessus…).
REFOULEMENT DISTRIBUTION La différence fondamentale par rapport au dispositif précédent est la présence de ramifications sur la conduite principale permettant une distribution « en route » d’une partie du débit. Lors des fortes pointes de consommations, il arrive que le réservoir fournisse un complément de débit. La courbe réseau n’est pas constante. Elle s’incurve plus ou moins en fonction de la demande entre deux positions extrêmes : Lorsque de nombreux points d’eau sont ouverts, la courbe est aplatie car le réseau offre une moindre résistance au passage du débit. Lorsqu’il n’y a aucune consommation (robinets de distribution fermés) la courbe est incurvée. Elle est alors équivalente à celle d’un refoulement simple. Pour de telles applications, on privilégie l’utilisation de pompes dont les courbes sont les plus plongeantes possible. On évite ainsi que les variations de HMT subies par la pompe n’engendrent de trop fortes fluctuations de débit et donc de rendement. Le pilotage des pompes peut difficilement se faire autrement que par ligne pilote et détection de niveau. En effet, la résistance variable du réseau fait qu’à un même débit correspondent plusieurs lignes piézométriques et donc plusieurs pressions de refoulement. On ne peut plus se baser sur le franchissement d’un seuil de pression précis pour commander l’arrêt. Quant à considérer l’ensemble comme un réseau surpressé sur lequel le réservoir constituerait un point de consommation comme un autre, cela ne fonctionne en général pas davantage. En effet, les pertes de charge sur la ligne principale étant souvent supérieures à la hauteur de marnage du château d’eau, il y aura généralement ordre de démarrage bien avant que la cuve ne soit vidée. Il est alors impossible de bénéficier du volume de stockage offert par le réservoir. Certains préfèreront la simplicité du refoulement simple suivi d’une distribution gravitaire, tant à la conception qu’en exploitation. Cependant, le refoulement distribution est un excellent compromis dans une situation assez courante où l’on souhaite concilier : La sécurité offerte par du stockage dans un réservoir La présence d’un relief (on construira bien entendu le réservoir sur ce relief) La situation des périmètres irrigués entre le relief (et donc le réservoir) et la ressource On utilisera ainsi une seule conduite pour l’adduction et la distribution ce qui, dans le cas de diamètres importants, limitera l’investissement.
SURPRESSION DIRECTE Dans ce dernier cas, les pompes refoulent directement sur le réseau. Il n’y a plus de réservoir pouvant stocker tout ou partie de la consommation journalière. Cela implique que la station de pompage devra avoir une capacité suffisante pour couvrir les pointes de consommation et que, si des « tours d’eau » ont été organisés, ces derniers devront être scrupuleusement respectés.
ENCLENCHEMENT MANOMETRIQUE Dans de nombreuses stations de surpression (et en particulier dans celles de petite taille), la mise en marche et l’arrêt des pompes se fait sur franchissement de seuils de pression. • •
Pmini atteinte : mise en marche d’une pompe supplémentaire. Pmaxi atteinte : arrêt d’une des pompes.
Selon les automatismes retenus, il peut y avoir un ou plusieurs seuils pour les pressions minimum et maximum. Dans le cas où il n’existe une seule valeur commune pour l’ensemble des pompes, des temporisations retardent le démarrage et l’arrêt de certaines machines. On évite ainsi de démarrer ou d’arrêter l’ensemble des pompes lorsque le seuil de pression est atteint. L’avantage du dispositif est de n’utiliser que deux contacteurs manométriques. L’inconvénient est le déplacement possible du point de fonctionnement en dehors de la fourchette de pression prévue le temps que les temporisations se soient écoulées. Dans le cas contraire, on a autant de valeurs pour Pmini et Pmaxi qu’il y a de pompes équipant la station de pompage. Chaque machine possède ses propres valeurs de réglage (on prévoira cependant une permutation automatique dans l’ordre des démarrages). Les réglages de Pmini et Pmaxi vont en diminuant au fur et à mesure que l’on rajoute des pompes. Lorsque cette option est retenue, il est préférable d’opter pour le choix d’un capteur de pression plutôt que d’une multitude de contacteurs manométriques. Lorsqu’un enclenchement manométrique est retenu, il est préférable de disposer de courbes de pompes plongeantes surtout si la détection se fait par contacteur manométrique.
INFLUENCE DU RESERVOIR HYDROPNEUMATIQUE On trouve, sur la conduite de refoulement, un réservoir hydropneumatique. Ce réservoir, appelé parfois Hydrofore (dénomination du constructeur Charlatte) constitue un stockage dont le rôle est uniquement de limiter le nombre de démarrage des pompes afin de garantir la tenue des moteurs. Ce réservoir contient de l’eau et de l’air, parfois séparés par une vessie. Cette vessie n’est là que pour éviter la dissolution de l’air dans l’eau et donc sa perte rapide. L’air est l’eau sont donc toujours à la même pression. • •
A la valeur Pmini l’air est détendu et l’eau occupe moins de volume A la valeur Pmaxi l’air est comprimé et l’eau occupe plus de volume
La différence du volume occupé par l’eau entre Pmini et Pmaxi constitue le volume utile du ballon c' est-à-dire le volume de stockage. La présence du ballon fait que, lorsque le point de fonctionnement atteint le point A (une seule pompe ne suffit plut et le débit croit) et qu’une pompe supplémentaire démarre, le point de fonctionnement ne va pas se placer en B mais en B’. En effet, au moment du démarrage, la bulle d’air est détendue. Dans l’instant qui suit le démarrage, on se retrouve avec deux pompes en service sur un refoulement à la pression Pmini. Ce n’est qu’ensuite que
le point de fonctionnement va progressivement passer de B’ en B au fur et à mesure du remplissage du ballon. Il en est de même au cours de l’arrêt d’une pompe avec un point de fonctionnement qui passe de C en D’.
RECOUVREMENT DES PLAGES DE DEBIT Nous devons nous intéresser à la couverture des plages de débit sachant que n’importe quelle valeur peut être demandée à la station de pompage. Cette valeur n’est que la somme des besoins de l’ensemble des utilisateurs à un temps T. On voit que la fourchette de pression Pmini Pmaxi définit des tronçon de courbes pour 1 pompe, 2 pompes, 3 pompes…n pompes. Ces tronçons de courbes définissent des plages de débit pouvant être obtenues en fonctionnement continu (puisque les points de fonctionnement correspondant sont situés entre Pmini et Pmaxi). On voit que ces plages peuvent se chevaucher ou non. Il y a en général chevauchement sur la droite du courbier car plus on ajoute des pompes et plus la courbe résultante est plate. On a également davantage de chances d’obtenir ce recouvrement qu’il existe un écart important entre Pmini et Pmaxi. Lorsqu’il n’y a pas recouvrement entre les débits de n pompes et de (n+1) pompes, un débit intermédiaire ne peut être fourni qu’avec un fonctionnement discontinu. Le ballon de régulation joue alors un rôle essentiel puisqu’il restitue un appoint de débit quand n pompes sont en marche et il absorbe l’excès de débit quand (n+1) pompes sont en marche. Dans cette situation, le nombre de démarrages est d’autant plus faible que le volume utile du ballon est important. Lorsqu’il y a recouvrement des plages, un débit intermédiaire sera obtenu avec un fonctionnement continu de n pompes ou de (n+1) pompes (selon que ce débit aura été atteint par valeurs croissantes ou décroissantes). Le Ballon de régulation ne joue alors aucun rôle et il pourrait être absent sans que cela n’ait d’incidence sur le fonctionnement.
TEMPS DE CYCLE Le temps de cycle (temps entre deux démarrages successifs) est la somme du temps de marche et du temps d’arrêt. Sur une plage de débit non couverte en fonctionnement continu, ce temps de cycle passe par un minimum lorsque le débit est égal à une valeur dite de « débit critique ». On se trouve alors dans une situation où le nombre de démarrages est maximum. C’est ce débit critique qui est pris en compte pour dimensionner le ballon de régulation. Il est égal à la moitié du débit pompé c' est-à-dire que, lorsque l’on couple trois pompes de 60m3/h (débit moyen de la plage couverte), les débits critiques sont 30m3/h, 90m3/h et 150m3/h. C’est la première plage de fonctionnement discontinu qui est prise en compte parce que la plus large. Si le réservoir est correctement dimensionné pour un fonctionnement alternatif 0 pompe/1 pompe, il sera forcément correctement dimensionné pour les fonctionnements 1 pompe/2 pompes et 2 pompes/3pompes. Le fait d’opérer automatiquement une permutation circulaire lors des démarrages permettra de diviser le volume utile total calculé par le nombre de pompes. On ne se privera donc pas de cet artifice. On tiendra cependant compte de la présence d’une pompe de secours et on prévoira de ne pas dépasser le nombre maximum de démarrages lorsqu’une des machines sera en réparation.
INFLUENCE DU REGLAGE DES SEUILS DE PRESSION SUR LE NOMBRE DE DEMARRAGES Sur une installation donnée composée de 3 pompes et d’un ballon de régulation, si on modifie les réglages des seuils de pression afin d’en réduire l’écart : •
•
On réduit l’étendue des plages de débit obtenues en fonctionnement continu (et on fait apparaître de nouvelles plages de fonctionnement discontinu comme 2 pompes/3 pompes dans l’exemple choisi). On a alors statistiquement davantage de chances de se trouver sur une plage non couverte. On réduit le volume utile du ballon de régulation puisque la bulle d’air est moins comprimée et moins détendue aux pressions seuils. Le nombre de démarrages augmente alors de façon considérable.
On comprend que l’on doive s’accommoder d’un écart de pression minimum (de 1 à 2 bars) entre Pmini et Pmaxi si l’on souhaite un ballon de régulation de dimension raisonnable. Ce P augmente avec la pression de service.
DIMENSIONNEMENT DU BALLON DE REGULATION Le volume utile du ballon se calcule à partir du nombre maximum de démarrages et du débit critique. Ensuite le volume total se calcule à partir de Pmini et Pmaxi en appliquant la loi : Pression x Volume = constante (dans cette formule, la pression s’exprime en valeur absolue). Exemple : Station de pompage composée de 4 pompes de 240m3/h dont un secours 6 démarrages/heure maximum Pmaxi = 3,5 bars Pmini = 2,5 bars Le débit critique est 120m3/h (soit 2m3/min) et le temps de cycle minimum est donc de 10 minutes (5minutes de remplissage et 5 minutes de vidange) ce qui nous donne : Volutile = 5 x 2 = 10m3 On retrouve la même chose avec la formule :
×
= =
×
=
Si on fait permuter automatiquement les machines à chaque démarrage (permutation sur trois pompes afin de tenir compte de la machine de secours :
=
=
Soit P2 = Pmaxi Soit P1 = Pmini
= =
= =
×
=
×
avec
−
=
=
soit
+
donc
×(
+
)=
(
×
)+
(
×
)+ (
× =
×
)=
×
×
= =
+
=
Le volume V1 du gaz détendu ne doit pas représenter plus de 80% du volume total du bidon afin de conserver une marge et d’éviter de perdre de l’air dans la conduite ou de plaquer la vessie sur la grille anti-extrusion.
=
=
=
Calcul de la valeur de prégonflage :
×
=
=
×
×
=
=
×
×
=
=
On retrouve ce résultat en appliquant la formule suivante :
=(
×
)−
(Formule dans laquelle les pressions sont exprimées en valeur relative) Soit :
=(
×
)−
=
COUVERTURE DES PLAGES DE DEBIT Afin d’améliorer la couverture des différentes plages de débit, on peut envisager le couplage de pompes de capacités différentes. Le plus logique est alors d’envisager le couplage de pompes de « demi-débit ». Ainsi plutôt que de ne disposer que de pompes de 200m3/h (ne laissant comme possibilités : 0m3/h, 200m3/h, 2x200m3/h ou 3x200m3/h), on combinera des machines de 100m3/h à celles de 200m3/h (on disposera alors des combinaisons : 0m3/h, 100m3/h, 200m3/h, 200m3/h+100m3/h, 2x200m3/h, (2x200m3/h)+100m3/h, 3x200m3/h, 3 3 (3x200m /h)+100m /h). On obtiendra ainsi une couverture beaucoup plus large de débits en fonctionnement continu et le débit critique sera de 50m3/h et non plus de 100m3/h ce qui réduira le volume utile du ballon de régulation. Cependant, un tel dispositif présente certains inconvénients : L’automatisme doit gérer des pompes de tailles différentes et non plus de tailles identiques ce qui en complique la gestion. Si on souhaite équiper la station de pompes de secours, il faut prévoir des machines supplémentaires pour les deux tailles de pompes. Les combinaisons obtenues donnent des chevauchements des plages de débits inutilement importantes sur la droite du courbier, c' est-à-dire lorsqu’un grand nombre de machines sont en service. Au final, cette solution technique est assez peu répandue.
ENCLENCHEMENT DEBITMETRIQUE (OU MANODEBITMETRIQUE) Avec ce mode de régulation, c’est le franchissement de seuils de débits et non plus de pressions qui engendre démarrages et arrêts des pompes. Seul l’enclenchement de la toute première pompe est obligatoirement sur seuil de pression d’où l’appellation « manodébitmétrique ». Ceci est incontournable car, dans le cas contraire, le ballon de régulation pourrait être entièrement vidé avec un débit réduit sans que la première machine ne démarre. Ce principe de fonctionnement implique de mesurer le débit. Cette mesure est souvent réalisée à l’aide d’un débitmètre électromagnétique dont le coût est sans commune mesure avec celui d’un capteur de pression (lui aussi nécessaire). Un des gros avantages de ce mode de régulation est qu’il permet de fixer des seuils de débits tels qu’il y ait toujours chevauchement des plages de fonctionnement continu. Il ne restera, comme plage non couverte, que celle correspondant au fonctionnement 0 pompe/1 pompe. Avec ce mode de
régulation, on pourra limiter au strict nécessaire le chevauchement des plages de débit sur la droite du courbier (grand nombre de pompes en service). On conservera ainsi des points de fonctionnement plus proches du point nominal et on évitera de les faire inutilement remonter sur le haut des courbes ce qui est préjudiciable à la consommation spécifique. Tant que le débit demandé est au moins équivalent au minimum fourni par une pompe, on est certain de le fournir avec une marche continue des machines. Ce mode de régulation est bien adapté aux grosses stations de pompage dont les machines ont fréquemment des courbes plates (monoétagées) et pour lesquelles le franchissement d’un seuil de débit est plus net que le franchissement d’un seuil de pression. Compte tenu de la taille des machines il est également important de limiter le nombre de démarrages et de garantir un fonctionnement sur une plage de rendement élevé. Il reste le problème de la couverture des faibles débits avec de grosses machines dont le débit minimum de fonctionnement peut s’établir à 20% ou 25% du débit nominal. Afin de limiter le volume utile du ballon de régulation, on fait prendre le relais de ces grosses pompes à des machines de même HMT mais fournissant un débit deux ou trois fois moindre. Ces pompes ont des courbes plus plongeantes et leur enclenchement et déclenchement est manométrique. On n’hésitera pas à régler des seuils de pressions relativement écartés afin de limiter le volume total du ballon de régulation. Lorsque le débit augmente et que la première grosse pompe démarre, ces « petites » machines s’arrêtent alors. Elles ne se remettront en marche à la redescente des débits que lorsque la dernière grosse pompe s’arrêtera. Cela donne par exemple sur une station de pompage équipée de 2 pompes de 80l/s et 4 pompes de 250l/s , lors des débits croissants (ordre inverse pour les débits décroissants): 1x80l/s en discontinu 1x80l/s en continu 2x80l/s 1x250l/s 2x250l/s 3x250l/s 4x250l/s Le mode de calcul du volume utile du ballon de régulation ne change pas. On doit tenir compte du débit moyen fourni par la première machine (milieu de la plage de débit), des pressions aux points de fonctionnement aux points extrêmes de son tronçon de courbe et de la présence de permutations.
STATION DE SURPRESSION AVEC VARIATION DE VITESSE Le principal intérêt de la variation de vitesse sur une pompe rotodynamique est de procurer différentes courbes pour une même machine. On ne peut s’intéresser aux avantages procurés par la variation de vitesse en pompage en faisant abstraction du mode de régulation c' est-à-dire sans répondre à la question : « comment et en fonction de quel paramètre augmente-t-on ou diminue-t-on la vitesse ? ». En distribution d’eau et en irrigation, le plus logique est en général de maintenir une pression la plus constante possible dans le réseau, et ce, quelle que soit la demande des utilisateurs. On a donc recours à une régulation manométrique.
REGULATION MANOMETRIQUE ET VITESSE VARIABLE Il s’agit là d’une régulation en boucle fermée, c' est-à-dire que l’on mesure en permanence le paramètre que l’on souhaite réguler (la pression de refoulement dans le cas présent). Un capteur mesure la pression et transmet un signal électrique 4-20mA (ce peut être du 0-20mA ou du 0-10V) proportionnel à cette pression. Ce signal est transmis à un régulateur. C’est lui le véritable « pilote » de l’installation. Il a été programmé, sur ce régulateur, une valeur dite « consigne » qui constitue l’objectif à atteindre. Un grand nombre de paramètres sont programmés sur le régulateur afin que ce dernier réagisse avec la bonne amplitude et ce, ni trop lentement ni trop rapidement. Le régulateur délivre un signal électrique (4-20mA) appelé « commande » au variateur de fréquence. Le régulateur agit sur la commande en fonction de l’écart mesure/consigne. Le variateur de fréquence délivre au moteur un courant dont la fréquence est proportionnelle au signal de commande. Dans la pratique cela donne : Mesure < Consigne Mesure > Consigne Mesure = Consigne
augmentation de la commande (donc de la vitesse) diminution de la commande maintien de la commande à sa valeur
Au final, la pression de refoulement étant maintenue constante, la HMT est sensiblement constante (la pression à l’aspiration des pompes variant très peu) et le point de fonctionnement se déplace donc sur une horizontale. Cette notion est importante et elle est souvent occultée lors de la présentation des possibilités offertes par la variation de vitesse sur les applications pompage.
VITESSE VARIABLE ET REGULATION MANOMETRIQUE. UNE SEULE POMPE AVEC VARIATION DE VITESSE Quatre pompes équipent la station de pompage et une seule est équipée d’un variateur de fréquence. La première machine à démarrer est précisément la pompe à vitesse variable afin que l’on puisse couvrir les faibles débits. Ce sera également la dernière à être arrêtée en fin de cycle. On ajoutera, à cette pompe à vitesse variable, 1, 2 ou trois pompes supplémentaires à vitesse fixe. Les démarrages et arrêts des pompes à vitesse fixe sont gérés par les conditions suivantes au niveau des automatismes : Pmesurée < Pconsigne et vitesse maxi atteinte Pmesurée > Pconsigne et vitesse mini atteinte
démarrage d’une pompe à vitesse fixe arrêt d’une pompe à vitesse fixe
La courbe de la pompe obtenue à la vitesse donnant débit nul est mentionnée sur le courbier. Si l’on souhaite pouvoir couvrir toutes les plages de débits, il est indispensable que la vitesse minimale soit réglée à une valeur inférieure à la vitesse donnant débit nul. Ainsi, lorsque le régulateur aura ramené la vitesse de la pompe à son minimum, le débit fourni ne proviendra que des pompes à vitesse fixe. On voit ainsi sur le courbier les plages de débits couvertes en fonctionnement continu avec les différentes combinaisons de pompes.
UNE SEULE POMPE EN VARIATION DE VITESSE. UTILITE DE LA SURVITESSE. Lorsque l’on regarde les plages de débits couvertes en fonctionnement continu, on remarque que Qmaxi n pompes = Qmini (n+1) pompes Ceci est gênant car, si par hasard on se retrouvait avec une demande de débit fluctuant légèrement autour de cette valeur, on aurait de nombreux démarrages et arrêts successifs des machines à vitesse fixe. C’est pour cette raison que l’on prévoit, dans ce cas, une légère survitesse de la pompe à vitesse variable (52 ou 53Hz). Ainsi cette pompe à vitesse variable peut fournir un débit maximum supérieur à celui d’une pompe à vitesse fixe. On obtient ainsi un chevauchement des plages de débits en fonctionnement continu puisque : Qmaxi n pompes > Qmini (n+1) pompes Il faut tenir compte de cette survitesse lors du choix des moteurs. En effet, la puissance augmente avec le cube de la vitesse. De plus on prévoira un déclassement de 5% comme cela est l’usage avec des variateurs récents (ce déclassement était de 20% avec les premières générations de variateurs de fréquence en raison de la piètre qualité du courant délivré). Le ballon de régulation est réduit à quelques litres puisque le fonctionnement est continu quel que soit le débit. Il sert au maintient de pression dans l’installation lorsque les pompes sont à l’arrêt. Afin d’éviter un fonctionnement prolongé à débit nul en régime de barbotage (suite à une réduction progressive du débit), certains constructeurs installent un dispositif de détection de débit nul sur le refoulement afin d’arrêter les pompes. D’autres programment une accélération forcée ponctuelle au bout d’une certaine durée à vitesse constante. S’il n’y a aucun débit consommé, l’augmentation de pression aura légèrement comprimé l’air du ballon et on aura Pmesurée > Pconsigne. La décélération de la pompe n’y changera rien jusqu’au moment où elle atteindra sa vitesse minimale. Les conditions seront alors remplies pour commander l’arrêt de la pompe. Une telle conception peut être retenue pour des surpresseurs de puissance modeste (quelques kW par pompe). Elle présente cependant quelques inconvénients majeurs qui justifieront d’autres choix techniques pour des installations plus importantes : On ne tient pas compte du débit minimum de fonctionnement de la pompe à vitesse variable (problème de vibrations, cavitation et tenue mécanique pour des grosses machines. Problèmes d’usure prématurée de butées sur les groupes immergés de forage en raison de l’augmentation des forces axiales). On fait travailler la pompe sur le haut de sa courbe à des rendements peu favorables (dépense énergétique). On sera donc amené, dans bien des cas, à tenir compte de ce débit minimum de fonctionnement et à prévoir deux machines en variation de vitesse.
VITESSE VARIABLE ET REGULATION MANOMETRIQUE. DEUX POMPES AVEC VARIATION DE VITESSE Cette configuration va permettre : De tenir compte du débit minimum de fonctionnement.
D’assurer le recouvrement des plages de débits sans recourir à la survitesse. De faire travailler les pompes à vitesse variable à des rendements plus favorables. Cette fois, la vitesse minimale est réglée de manière à ce que le débit QM obtenu à cette vitesse soit au moins égal au débit minimum de fonctionnement. Le débit minimum aux différentes vitesses s’obtient en appliquant les lois de similitude au point de débit minimum à vitesse nominale. Soit Q1 le débit obtenu avec 1 pompe à 50Hz. Il est impératif de respecter la condition Q1>2QM afin qu’il y ait superposition des plages de débits. La première pompe à démarrer est à vitesse variable. La deuxième est également à vitesse variable puis on rajoute des pompes à vitesse fixe autant que nécessaire. Les arrêts successifs se font dans l’ordre inverse. Le débit maximum sera : Q1 avec 1pompe 2Q1 avec 2pompes 3Q1 avec 3 pompes Le débit minimum sera : Q1 + 2QM avec 3 pompes 2QM avec 2 pompes QM avec 1 pompe Un débit demandé compris entre 0 et QM implique un fonctionnement discontinu. Le fonctionnement est toujours continu au-delà de QM. Il sera nécessaire de dimensionner un ballon de régulation présentant un volume utile permettant de respecter le nombre maximum de démarrages par heure. Cependant, le principe de régulation à pression constante fait que ce ballon ne « respire pas » et a un volume utile nul quel que soit le volume total. En conséquence, on prévoira un démarrage de la première pompe sur seuil de pression avec une valeur inférieure à la pression de régulation. La bulle d’air du réservoir pourra alors se détendre procurant à ce dernier un minimum de volume utile. Plus on admettra un écart important de pression entre Pconsigne et Pdémarrage et plus on pourra réduire le volume total du ballon de régulation. Les grosses stations de pompage seront ainsi configurées. Cependant, compte tenu du volume considérable de certains ballons de régulation, on fait prendre le relais par des pompes plus petites sur les plages de faibles débits. Nous verrons que l’utilisation de la vitesse variable sur ces machines plus petites est discutable : La variation de vitesse permet d’aller chercher des débits inférieurs (20 ou 25% de QN) mais la régulation manométrique prive le ballon de régulation de son volume utile. Il faut donc prévoir Pdémarrage très inférieur à Pconsigne. Un fonctionnement à vitesse fixe avec enclenchement manométrique permet de bénéficier du volume utile nécessaire du ballon de régulation sans en augmenter exagérément le volume total. L’expérience montre que, lorsqu’un débit minimum doit être respecté, le recours à la variation de vitesse sur les petites machines de la station de pompage ne permet pas de diminuer sensiblement le volume total du ballon de régulation. Cela permet en revanche de d’étaler la plage de fonctionnement continu vers les faibles débits.
ASPECTS ENERGETIQUES DE LA VARIATION DE VITESSE La Consommation énergétique est un argument fréquemment utilisé pour justifier le choix de la vitesse variable dans une station de pompage. Les choses ne sont cependant pas aussi simples qu’on veut parfois le laisser entendre. Il convient de rappeler que les points de meilleurs rendements de la pompe à différentes vitesses sont les points homologues du point de meilleur rendement indiqué par le constructeur (application des lois de similitude). Ils sont donc placés sur une même parabole passant par l’origine des axes. En développant l’expression de la consommation spécifique
=
, on
parvient à l’expression :
=
la HMT.
ρ× × η ×η
La consommation énergétique par mètre cube transporté est donc proportionnelle à
Lorsqu’on aborde le sujet des économies d’énergie en variation de vitesse, on part souvent du principe que le point de fonctionnement suit la courbe réseau puisque seule la courbe pompe est modifiée. Ce scénario est très favorable car, lorsque le débit diminue, la HMT diminue et la consommation spécifique est réduite dans les mêmes proportions. De plus, les points de fonctionnement restent proches des points de rendement maximum. Ce mode de fonctionnement est d’autant plus favorable que le réseau au présente d’importantes pertes de charge et une faible hauteur géométrique (refoulement long et plat). Pour une même variation de débit, le point de fonctionnement descend très bas en HMT, donc en consommation spécifique et ce, avec d’excellents rendements. Cependant, le déplacement du point de fonctionnement le long de la courbe réseau ne correspond qu’à certaines applications : Commande manuelle de la vitesse sur un refoulement simple Refoulement simple avec régulation de niveau dans le réservoir d’arrivée Circulation de l’eau dans une boucle de chauffage avec pilotage par une (ou des) valeur(s) de température Dans l’application étudiée (réseau surpressé et maintient d’une pression constante) on ne peut pas se reposer sur de telles affirmations. L’utilisateur agit sur la courbe réseau lorsqu’il ouvre et ferme ses robinets. L’installation de pompage adapte sa vitesse de façon à ce que la pression de refoulement reste constante. Le point de fonctionnement se déplace donc globalement le long d’une droite horizontale (matérialisant la consigne sous forme de HMT). C’est évidemment beaucoup moins favorable qu’un point de fonctionnement se déplaçant le long de la courbe réseau : Pas de perte de HMT lorsque le débit diminue On quitte rapidement les points de meilleurs rendements qui suivent une parabole
Cela ne veut pas dire pour autant que la vitesse variable avec régulation manométrique n’est pas intéressante d’un point de vue énergétique mais il sera nécessaire de mener une étude détaillée pour parvenir à un résultat chiffré. Cette étude tiendra compte : De la courbe de la pompe Du mode de régulation retenu De la répartition des débits dans le temps (combien de m3 pompés à quel débit ?). L’écart de consommation spécifique entre vitesse fixe et vitesse variable avec régulation manométrique est d’autant plus important que la courbe de pompes est plongeante. On constate que cet écart se creuse lorsque le débit diminue ce qui est logique. Au débit maximum, en revanche, la variation de vitesse devient plus coûteuse que la vitesse fixe alors que le point de fonctionnement de la pompe est rigoureusement le même. Cette différence est due au rendement du variateur. Ainsi, avec une pompe Jeumont Schneider MPE 175 (pompe à plan de joint axial) dont la courbe est relativement plate, on obtient, sur banc hydraulique, les résultats suivants en variation de vitesse avec régulation manométrique et ce, en couvrant une plage de débit de 150 à 250m3/h (QN=200m3/h à 1460tours/mn) : CS réduite de 18% à 150m3/h CS réduite de 9% à 200m3/h CS augmentée de 5% à 250m3/h
VITESSE VARIABLE DANS LE CAS D’UN FORAGE SOUMIS A DE GRANDES VARIATIONS DE RABATTEMENT C’est effectivement un cas d’utilisation de la vitesse variable tant les conditions de pompage peuvent être différentes d’une période de l’année à l’autre. Il convient cependant de bien étudier au préalable les diverses conditions d’exploitation avec, en particulier, les différentes combinaisons entre rabattement et débit demandé. En effet, la régulation manométrique se trouve mise en œuvre avec un capteur de pression placé en aval de la tête du forage. Ainsi, pour une même pression (maintenue constante) en sortie de forage, on pourra avoir une pompe travaillant sous des HMT différentes, ceci en fonction du rabattement. La pompe travaille en effet sous une HMT égale à
ρ×
+
, H étant la
hauteur entre le niveau dynamique et l’emplacement du capteur de pression. Ainsi pour un même débit QB : Le point de fonctionnement est B2 à la vitesse N2 si H=H1 Le point de fonctionnement est B3 à la vitesse N3 si H=H2 Le point à prendre en compte pour établir la vitesse minimale (afin de respecter le débit minimum de fonctionnement) est celui obtenu avec le plus fort rabattement. Si on prend QA comme débit minimum, on considèrera que A2 est le point le plus à gauche admissible sur la courbe et donc que la vitesse minimale à régler sur le variateur est N2. En revanche on prendra QB (point de fonctionnement B2) pour déterminer le volume utile du ballon de régulation. Il est d’autant plus important de respecter le débit minimum de fonctionnement sur les groupes de forage que ces machines sont équipées de butées hydrodynamiques à
patins. Ces dernières peuvent subir une usure prématurée lors de fonctionnements prolongés sur le haut de la courbe, zone dans laquelle l’augmentation de la poussée axiale ajoutée à la réduction de la vitesse de rotation ont pour effet la diminution voire la disparition du film d’eau entre partie fixe et partie tournante de la butée.
ETUDE DE CAS : VOLUME DU BALLON DE REGULATION L’étude de cas est réalisée sur une station de pompage équipée de quatre pompes de 250l/s chacune. Dans certains cas on rajoute deux pompes supplémentaires de 80l/s chacune. On détermine les volumes des ballons de régulation dans les différentes configurations et ce, avec et sans variation de vitesse. On peut tirer de cette étude les conclusions suivantes : • • •
Se priver d’une permutation automatique des pompes conduit à un surdimensionnement inutile et coûteux du ballon de régulation Le fait de rajouter deux machines de débit 1/3 permet de réduire le volume du ballon de régulation bien davantage que le fait d’équiper les grosses pompes de variation de vitesse Le fait d’équiper les « petites pompes » (80l/s) de variateurs de fréquence ne permet pas de réduire, de façon significative, le volume du ballon de régulation. En revanche, cela permet d’étendre sensiblement la plage des débits couverts en fonctionnement continu à pression constante (20l/s au lieu de 90l/s).
FONCTIONS DES RESERVOIRS HYDROPNEUMATIQUES Les réservoirs hydropneumatiques rencontrés sur les stations de pompage peuvent avoir deux fonctions distinctes : •
Ballon anti-bélier :
Son rôle est d’atténuer les effets des régimes transitoires •
Ballon de régulation :
Il constitue une réserve et assure le bon fonctionnement de la station de pompage en respectant du nombre maximum de démarrages des moteurs. Ils peuvent, l’un comme l’autre, être équipés ou non d’une vessie. La présence d’un ballon de régulation a des effets positifs sur les régimes transitoires. On devra tenir compte de sa présence lors de l’étude de ces régimes. Il arrive que les deux fonctions, lorsqu’elles sont nécessaires simultanément, soient assurées par un seul et même ballon. Cependant l’expérience montre qu’il est souvent plus économique de dimensionner un ballon pour chaque fonction, chacun ayant sa propre valeur de prégonflage.
LES RESERVOIRS SANS VESSIE Ils sont moins coûteux que les réservoirs à vessie mais souffrent davantage de la corrosion. Aux opérations de maintenance sur la cuve, il faut rajouter celles que nécessite tout le dispositif d’appoint d’air (compresseurs, sondes, automatismes…). En effet, la perte d’air par dissolution est telle que des compresseurs doivent refaire automatiquement l’appoint. Ces ballons sont toujours verticaux afin de réduire la surface de contact entre eau et air. Les exploitants sont souvent confrontés au problème de la perte de l’air dans le réseau lors de disjonctions de l’installation ou de coupures de courant.
LES RESERVOIRS A VESSIE La vessie permet de séparer l’air et l’eau. On n’est plus confronté au problème de la perte d’air par dissolution dans l’eau et on peut ne vérifier le gonflage du ballon qu’une fois par trimestre. On évite ainsi le montage de compresseurs à demeure avec leurs automatismes. La vessie contient l’eau et la cuve reste sèche (c’est l’inverse pour les antibéliers montés sur l’eau usée. Dans ce cas la vessie contient la bulle d’air). On est donc beaucoup moins confronté à la corrosion avec toutes les opérations de maintenance qui en découlent (sablage et peinture). Les réservoirs à vessie peuvent être horizontaux ou verticaux. Avec ce type de réservoir, on n’est, en général, pas confronté au problème de la perte de l’air dans le réseau lorsqu’une disjonction se produit.
BALLONS SANS VESSIE ; DETECTION DU NIVEAU •
Détection par sondes
Elles sont placées en général dans des pots séparés qui peuvent être isolés afin de procéder aux opérations de maintenance sans avoir à vider le ballon. Les tubes assurant le raccordement des pots à la cuve subissent la corrosion et se bouchent parfois du fait des eaux chargées. •
Détection par capteur sur niveau magnétique
Ce dispositif est intéressant car il n’y a pas de contact entre le liquide et le capteur assurant la détection. Un flotteur se déplace dans un tube vertical en acier inoxydable relié à la cuve en haut et en bas. Un aimant est embarqué sur le flotteur et des volets magnétiques basculent à son passage. On bénéficie, avec ce dispositif, d’un excellent contrôle visuel du niveau. On peut équiper le tube de capteurs afin de démarrer et d’arrêter les compresseurs et de transmettre d’éventuelles alarmes. Un niveau magnétique de 1500mm et équipé de 4 capteurs a un prix de revient d’un millier d’Euros environ. Il est possible de monter ce dispositif sur des ballons à vessie mais leur maintien permanent en eau n’est pas très cohérent sur ce type de réservoir.
DISPOSITIFS PERMETTANT D’EVITER LA PERTE D’AIR A LA DISJONCTION La perte de l’air dans le réseau à la disjonction de la station de pompage est une crainte des exploitants en particulier lorsque les ballons de régulation sont dépourvus de vessie. La présence d’air plus ou moins détendu dans le réseau peut occasionner des mouvements d’eau incontrôlés ainsi que des fins de purges susceptibles de générer des régimes transitoires très destructeurs. Par ailleurs, après chaque disjonction et lors de la remise en eau, les compresseurs vont fonctionner pendant de longues heures pour reconstituer la bulle d’air dans le ballon de régulation. Les compresseurs n’étant pas dimensionnés dans cette optique, il est courant de les « tuer » par ces longues marches répétées. Il existe des moyens d’éviter ou de limiter la perte de l’air dans les réseaux. •
Ballon sans vessie avec tube de niveau raccordé sur la cuve
Les ballons sans vessie peuvent être équipés d’un « flotteur fond de cuve ». Ce flotteur est constitué d’une virole soudée avec deux fonds. Il est attaché au bas du réservoir par une chaîne qui le maintient entre deux eaux et il est guidé verticalement par trois tiges placée à 120°. L’ensemble est réalisé en acier inoxydable. Lorsque le niveau descend suite à la disjonction de la station de pompage, le flotteur se pose sur un gros joint circulaire entourant l’orifice de vidange. Le flotteur est lesté afin qu’il descende bien verticalement et qu’il obture avant que toute l’eau ne soit évacuée. En effet, si l’étanchéité est imparfaite, le débit de fuite sera inférieur avec de l’eau qu’avec de l’air. Le manque d’étanchéité est le principal reproche formulé à l’encontre de ce dispositif. Il est vrai qu’avec des eaux chargées, on ne pourra pas retenir l’air si l’arrêt se prolonge une demi-journée (on a cependant, dans ce cas, le temps de manœuvrer les vannes à la main pour isoler le ballon). Certaines stations sont équipées de ballons dont le raccordement est muni d’un clapet anti-retour. Ce clapet permet à l’eau de rentrer mais pas de sortir. Le réservoir restitue l’eau par un by-pass équipé d’une grosse électrovanne de diamètre 80mm (fermée au repos). Une telle électrovanne est coûteuse et on peut douter de la parfaite étanchéité du clapet après plusieurs années d’exploitation. Mais le principal reproche que l’on peut faire à ce dispositif est qu’il prive totalement le réseau de l’effet protecteur du ballon puisqu’il l’empêche de débiter dès que le courant est coupé. Ceci est très gênant car la présence du ballon de régulation a un effet très positif sur les régimes transitoires qui se produisent à l’arrêt des pompes. Elle permet parfois d’assurer à elle seule la protection anti-bélier. Dans les autres cas, elle permet de limiter le volume du réservoir anti-bélier par rapport à ce qu’il serait sans ballon de régulation. Il ne faut donc pas éliminer l’effet protecteur du ballon de régulation en l’empêchant de débiter. •
Ballon sans vessie avec bras inférieur du tube de niveau raccordé sur la manchette
Dans ce cas, le flotteur fond de cuve doit être complété par des électrovannes (fermées au repos) montées sur les bras de raccordement. En effet, le tube de niveau constitue un by-pass du flotteur par lequel l’air peut s’échapper. Par ailleurs, lorsque le bras inférieur est raccordé sur la manchette et non sur la cuve (c’est toujours le cas sur les ballons à vessie), il se produit un effet Venturi qui crée une chute de pression lors d’un écoulement rapide dans la manchette. Ainsi, alors que le réservoir est en phase de remplissage, peut-on voir le niveau baisser dans le tube alors que
c’est précisément l’inverse qui se produit dans la cuve. Il faut avoir conscience que, lorsqu’un tube est raccordé sur la manchette, le niveau observé lors des régimes transitoires n’est pas l’illustration de ce qui se passe dans la cuve. Ce phénomène occasionne parfois la perte d’une petite partie de l’air. •
Ballon à vessie avec tube de niveau ouvert pour contrôle permanent du niveau
La vessie assure la séparation air eau mais on peut craindre la perte de l’air par le tube de niveau (tube verre ou niveau magnétique) qui est maintenu ouvert. Il suffit, pour éviter cette perte, d’installer une électrovanne sur chaque bras de raccordement (électrovanne fermée au repos). Il faut rappeler que le maintien ouvert du tube, bien que procurant une visualisation permanente du niveau dans le ballon, présente de sérieux inconvénients : l’eau s’évapore dans le tube et l’air se charge en humidité. Les variations de température engendrent de la condensation sur les parois de la cuve et au fil du temps, des litres d’eau s’accumulent dans la partie supérieure du réservoir. On peut craindre davantage de corrosion que sur un ballon dont le tube est maintenu fermé (avec le coût des opérations de maintenance qui en découlent). Il sera également nécessaire de procéder à des purges régulières. Ces purges sont contraignantes car, en service, la vessie est plaquée sur l’orifice de purge. Si on ne vidange pas le ballon, la vessie empêchera l’eau de s’écouler. Elle subira également un « poinçonnement » au niveau de l’orifice de purge susceptible de l’endommager. •
Ballon à vessie avec tube de niveau isolé et purgé en exploitation
C’est le choix le plus rationnel lorsque l’on craint les pertes d’air dans le réseau à la disjonction des pompes. Aucun dispositif n’est nécessaire puisque la vessie assure la séparation air eau et que le tube de niveau est maintenu fermé (ce qui est le plus logique en matière d’exploitation de ballons à vessie). La séparation est très étanche et l’arrêt de la station peut durer plusieurs heures sans qu’il y ait perte d’air. Chez Charlatte, les réservoirs sont conçus pour que la vessie puisse s’appuyer sur le fond de la cuve et sur la grille antiextrusion. •
Ballon à vessie avec dispositif de pesée
C’est une excellente solution lorsque l’on souhaite concilier : Conservation de l’air en cas de disjonction Fiabilité du dispositif Contrôle permanent des proportions air eau Le gros avantage par rapport au dispositif d’électrovannes sur les bras de raccordement est l’absence d’humidité dans l’air et donc de corrosion. Il permet une télésurveillance du remplissage mais n’offre pas le même type de visualisation qu’un niveau magnétique à volets.
MISE EN PLACE DES VESSIES
suivant :
Certains exploitants ou metteurs en route disent avoir observé le phénomène
A la mise en service du ballon, et après avoir procédé au prégonflage tel qu’indiqué précédemment, la quantité d’eau entrant dans le réservoir lors de la mise en eau est inférieure à celle calculée à l’aide de la formule PxV=constante. La différence est parfois de quelques pourcents mais elle atteint souvent 30% voire davantage. Le phénomène est surtout observé sur les ballons horizontaux. Le volume d’eau est toujours inférieur à la valeur théorique, jamais l’inverse. Ce volume est mesuré à l’aide du compteur de la station, et non du tube de niveau (dans un réservoir cylindrique horizontal, il n’y a pas proportionnalité entre hauteur et taux de remplissage). Le type et la précision du compteur excluent, à priori, toute erreur de mesurage de ce dernier. Ce phénomène semble bien connu des constructeurs de réservoirs à vessie comme Charlatte. Il est dû à une mauvaise mise en place de la vessie qui conserve des plis importants engendrant des contraintes. Il faut se méfier de ce problème car il est à l’origine de nombreuses ruptures prématurées de vessies. Une vessie correctement mise en place ne prendra jamais de mauvais plis par le seul fonctionnement du réservoir, même si elle vient s’appuyer sur la grille anti-extrusion. Des plis occasionnés au montage peuvent disparaître au cours du fonctionnement s’ils sont de petite taille. En revanche, des plis importants ne pourront pas se relâcher et imposeront de sévères contraintes à la vessie. C’est la traction excessive dans certaines parties de la vessie qui limite l’entrée d’eau (la traction normale dans une vessie correctement mise en place peut générer un écart de volume de 2 à 3%. Il n’est pas tenu compte de l’élasticité de la vessie dans les calculs de détermination des ballons). Plus l’écart de volume est élevé, plus on peut craindre de gros plis et une traction importante dans la vessie. Le problème se rencontre moins sur les ballons verticaux à l’intérieur desquels la vessie est attachée en haut. Elle n’est pas attachée dans les ballons horizontaux. Sur les ballons verticaux, il faut prendre garde à ne pas blesser la vessie sur les goujons du trou d’homme. Il est important de bien informer les monteurs afin que les vessies soient correctement mises en place. La vessie est déplié sur une bâche propre (attention aux petits graviers qui pourraient venir se coller à sa surface). Elle est ensuite roulée comme un cigare et attachée pour être rentrée par le trou d’homme. Le monteur pénètre en chaussettes à l’intérieur. Il détache la vessie, la raccorde à la sortie et la déplie. On commence à mettre la vessie en eau avec le trou d’homme ouvert (donc avant tout prégonflage) ce qui permet au monteur de parfaire la mise en place et d’éliminer les derniers plis. Une fois certain que la vessie est correctement déployée, on referme le trou d’homme. On peut alors procéder à la vidange du ballon et à son prégonflage. Ce premier remplissage avec trou d’homme ouvert est également nécessaire pour un ballon livré avec sa vessie montée en usine. En effet, on ne sait pas dans quelles positions il a été manutentionné et transporté. Le non respect de ces règles est encore, aujourd’hui, à l’origine de nombreuses ruptures prématurées de vessies. Il faut savoir qu’une vessie correctement montée et exploitée a une durée de vie comprise entre 100.000 et 200.000 cycles.
LES REGIMES TRANSITOIRES On devra toujours se préoccuper du problème des régimes transitoires. C’est, en général, au cours de l’arrêt simultané de toutes les pompes (disjonction de la station de pompage ou coupure d’alimentation) que la situation est la plus critique. En effet, on va brutalement passer de la vitesse maximale d’écoulement dans la conduite à zéro ce qui aura pour effet de créer une dépression susceptible d’écraser le tuyau, d’aspirer les joints (joints non verrouillés), de faire entrer une pollution dans la canalisation (transport d’eau potable) ou de faire caviter l’eau (ce qui risque engendrer ensuite un éclatement de la conduite).
L’interruption du débit n’est en réalité pas instantanée. La pompe, du fait de son inertie, décélère en quelques fractions de secondes. Les Cahiers de Clauses Techniques Générales (fascicules 81 et 73) indiquent qu’il n’est, à priori, pas nécessaire de d’entreprendre une étude sur les régimes transitoires dans le cadre des stations de pompage si
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à moins que le profil en long ne soit défavorable (profil en bosse). L est la
longueur de la canalisation de refoulement et a la célérité d’onde (300 à 400m/s pour des conduites en PVC et PEHD, 1000 à 1300m/s pour des conduites en acier, fonte, béton). Le profil en long de la conduite est un élément essentiel à fournir à l’ingénieur qui réalisera l’étude. Il faudra indiquer les principales caractéristiques de la conduite (diamètre, épaisseur, matériau) ainsi que les surpressions et dépressions maximales admissibles sans oublier le débit maximum pour lequel on souhaite protéger la conduite. Il est préférable de fournir le moment d’inertie de la pompe ou au moins son type de manière à ce que l’ingénieur hydraulicien chargé de l’étude puisse retrouver ce paramètre. Il est fondamental d’indiquer les caractéristiques d’un éventuel ballon de régulation. La présence de ce dernier aura un effet très bénéfique. Dans certains cas, il permettra d’assurer la protection de la conduite. Dans d’autres cas, il conduira à la réduction du volume du réservoir anti-bélier. Le ballon de régulation est en général prégonflé à une valeur supérieure à celle de l’anti-bélier. Réunir les deux fonctions sur un seul réservoir est techniquement possible mais souvent économiquement non intéressant. Il est souvent plus économique de dimensionner chaque réservoir pour sa fonction avec ses propres valeurs de prégonflage. Lors d’un arrêt brutal de la station de pompage, le ballon de régulation va restituer de l’eau au réseau. Si ce dernier est plat, le ballon va se vider complètement et la vessie venant se plaquer sur le fond va brutalement interrompre le débit. Cette interruption aura pour effet de créer une dépression qui peut être non acceptable pour la canalisation. Le réservoir anti-bélier, qui, à cet instant, contient encore de l’eau, va finir de se vider et ainsi protéger la conduite. C’est au cours de cette période qui succède à la fin de vidange du ballon de régulation que les régimes transitoires seront particulièrement étudiés par l’hydraulicien. Les études des régimes transitoires et le dimensionnement des protections sont réalisés, aujourd’hui, à l’aide de logiciels spécifiques.
