Une installation de pompage peut schématiquement être représentée par les trois éléments essentiels suivants (figure 1) : — la source, dans laquelle se trouve l’eau à un niveau Z1 et sous une pression P1, — la distribution, dans laquelle on désire transférer l’eau de la source à un niveau Z2 et sous une pression P2, — le réseau hydraulique, destiné à canaliser l’eau entre la source et la distribution. Ce réseau hydraulique oppose une résistance au déplacement de l’eau du fait de l’existence de pertes de charge linéaires (tuyauteries) et singulières (accessoires) de la forme kQ² (avec Q = volume de l’eau transférée par unité de temps, appelé débit).
Analyse technico-économique
Jeumont — Schneider
Une installation de pompage peut schématiquement être représentée par les trois éléments essentiels suivants (figure 1) :
- — la source, dans laquelle se trouve l’eau à un niveau Z1 et sous une pression P1,
- — la distribution, dans laquelle on désire transférer l’eau de la source à un niveau Z2 et sous une pression P2,
- — le réseau hydraulique, destiné à canaliser l’eau entre la source et la distribution.
Ce réseau hydraulique oppose une résistance au déplacement de l’eau du fait de l’existence de pertes de charge linéaires (tuyauteries) et singulières (accessoires) de la forme kQ² (avec Q = volume de l’eau transférée par unité de temps, appelé débit).
Près de la source est installée une pompe centrifuge qui peut être définie comme une machine destinée à transférer par unité de temps un volume Q et à communiquer à ce volume une énergie suffisante pour l’élever (Z2 - Z1), augmenter sa pression (P2 - P1) et vaincre les pertes de charge (kQ²) pour assurer son déplacement de la source vers la distribution.
Ces énergies potentielles et cinétiques sont exprimées en mètres de colonne d’eau (mCE) et constituent la hauteur :
H = (Z2 — Z1) + (P2 — P1) + Hf(Q²)
La ligne représentative de cette hauteur en fonction du débit est appelée communément « courbe réseau » et caractérise le besoin réel. Elle est de forme parabolique.
POMPES CENTRIFUGES ET HÉLICOCENTRIFUGES À VITESSE FIXE
Ce sont des pompes dans lesquelles l’accroissement d’énergie est obtenu par le passage continu de l’eau dans une roue constituée par un ensemble d’aubes ou de pales.
Courbes caractéristiques
Les performances d’une pompe sont données par un ensemble de courbes caractéristiques obtenues pour une vitesse de rotation donnée (figure 2) :
- — courbe caractéristique : H = f(Q)
- — courbe de rendement : η = f(Q)
et, par déduction :
- — courbe de puissance absorbée : P = f(Q) avec P de la forme QH / η
- — courbe de consommation : C = f(Q) avec C = P / Q de la forme H / η
Cette consommation constitue l’élément essentiel et déterminant dans la recherche des dépenses d’énergie.
- — courbe de capacité d’aspiration NPSH = f(Q).
La courbe de rendement passe par un maximum pour le débit nominal Qn de la pompe ; ce débit nominal est le débit de calcul de la pompe. Les profils géométriques de tous les éléments internes (roue, diffuseur, volute, redresseur, etc.) sont déterminés en tenant compte des directions et des vitesses réelles du liquide à l’intérieur de la pompe pour ce débit. De même, les pertes hydrauliques, le niveau de bruit et les vibrations présentent leurs valeurs minimales ; le fonctionnement est « tranquille » et la fiabilité maximale.
Dès que le débit de fonctionnement s’écarte de façon importante du débit nominal, la direction réelle du liquide ne correspond plus aux différents profils internes, le rendement chute, le niveau de bruit et les vibrations augmentent (décolléments, tourbillons, prérotation, …), des contraintes mécaniques anormales peuvent se développer (poussée radiale, flexion d’arbre, …) et être à l’origine d’incidents de marche (échauffement palier, système d’étanchéité de passage d’arbre défectueux, rupture d’organes, etc.).
Point de fonctionnement
Le point de fonctionnement d’une pompe centrifuge est déterminé par le point d’intersection de la courbe caractéristique de la pompe avec la courbe réseau. On recherchera toujours, dans la mesure du possible, à situer ce point d’intersection dans la zone de meilleur rendement autour du point correspondant au débit nominal de la pompe (figure 3). Toute évolution présumée de la courbe réseau sera prise en considération pour explorer tous les points probables d’intersection avec la courbe caractéristique de la
pompe et définir ainsi les limites de fonctionnement de la pompe.
La figure 4 précise les limites couramment admises pour exploiter les pompes centrifuges et hélicocentrifuges dans les meilleures conditions possibles, techniques et économiques.
Régulation
Pour obtenir un débit variable dans le réseau, avec une pompe à vitesse fixe, il suffit de faire varier la forme de la courbe réseau en agissant simplement sur une « vanne de régulation », en créant des pertes de charge supplémentaires. Ce principe permet de parcourir tout ou partie de la courbe caractéristique de la pompe au détriment de la consommation et de la fiabilité de la pompe pour les débits extrêmes éloignés du débit nominal (figure 5).
Un autre principe consiste à incorporer dans le réseau un volume tampon constitué par un réservoir ouvert (château d’eau) ou fermé (réservoir hydropneumatique) et à limiter la zone de fonctionnement de la pompe autour du débit nominal, en assujettissant la marche de la pompe entre deux niveaux ou entre deux pressions. Ce principe conduit, selon la valeur du débit dans le réseau, à un fonctionnement permanent ou intermittent de la pompe ; la consommation est réduite et la fiabilité assurée (figure 6).
Le volume tampon est déterminé par le débit moyen de la pompe, entre les limites de fonctionnement fixées et par la fréquence imposée des démarrages.
POMPES CENTRIFUGES ET HÉLICOCENTRIFUGES À VITESSE DE ROTATION VARIABLE
L'idéal, du point de vue énergétique, serait de suivre parfaitement la courbe réseau en recherchant une pompe dont la courbe caractéristique évoluerait de façon à fournir le débit désiré à la hauteur juste nécessaire avec, à chaque point d’intersection, le meilleur rendement (figure 7).
Il se trouve que les pompes centrifuges et hélicocentrifuges présentent cette faculté en agissant uniquement sur leur vitesse de rotation. En effet, les lois de similitude appliquées à ces pompes montrent que simultanément :
- — le débit varie comme la vitesse de rotation,
- — la hauteur varie comme le carré de la vitesse de rotation,
et que le rendement hydraulique est conservé pour les points homologues situés sur des paraboles issues de l'origine. En particulier, tous les points de meilleur rendement se trouvent sur une parabole, à l'image d'une courbe réseau d’un circuit fermé, ce dernier constituant le cas idéal de l'application de la vitesse variable. La figure 8 montre l'évolution de la courbe caractéristique d'une pompe centrifuge ou hélicocentrifuge en fonction de la vitesse de rotation.
- en fonction des matériaux et de leur mode d’élaboration,
- pression de service de la pompe (charge à l’aspiration augmentée de la pression engendrée par la pompe),
- — contraintes mécaniques des éléments tournants.
L'entraînement à vitesse variable des pompes centrifuges et hélicocentrifuges trouve une application d’autant plus justifiée que la hauteur représentative des pertes de charge est importante, ou que la différence de hauteur entre la courbe réseau et la courbe caractéristique Q,H de la pompe est importante.
Le calcul de l'amortissement d’une telle installation doit tenir compte du temps réel de fonctionnement pour chaque valeur du débit demandé.
La figure 9 montre une installation dans laquelle le débit varie entre 60 et 100 m³/h. Le tableau met en évidence, par les valeurs de consommation, les économies d’énergie réalisées avec un entraînement à vitesse variable en comparaison d'avec une régulation par vannage.
Système de régulation
Régulation de débit : un fonctionnement à débit constant peut être assuré quelles que soient les variations de niveau ou de pression en amont et en aval de la pompe en asservissant la vitesse de rotation à un capteur de débit.
Régulation de niveau : quel que soit le débit à évacuer, un niveau peut être maintenu constant en asservissant la vitesse de rotation de la pompe à un capteur de niveau.
Régulation de pression : quel que soit le débit désiré, la pression est maintenue constante en asservissant la vitesse de rotation de la pompe à un capteur de pression.
Régulation « Réseau » : la vitesse de rotation de la pompe est asservie à un ré-
Régulateur intégrant la valeur du débit et de la pression selon une loi parabolique à l'image de la courbe réseau. Cette régulation permet de suivre la courbe réseau au plus près et de garantir la consommation la plus juste eu égard au besoin.
Fonctionnement en parallèle
Dans les installations de grand débit et de forte puissance installée, il est souvent préférable, dans le but de réduire l’investissement, d’associer des pompes à vitesse fixe à une ou plusieurs pompes entraînées à vitesse variable. La figure 10 montre une telle installation à régulation de pression. Les zones d’enclenchement et de déclenchement des pompes à vitesse fixe doivent être soigneusement étudiées pour assurer un fonctionnement continu et régulier de l'installation.
Les recouvrements de caractéristiques à débit croissant ou décroissant peuvent être obtenus par des dépassements de vitesse de rotation (pompes identiques) ou sans dépassement (pompes identiques avec deux pompes à vitesse variable en parallèle, ou roue de diamètre différent, ou pompes différentes).
POMPE CENTRIFUGE VITESSE FIXE VITESSE VARIABLE PRESSION (capteur de pression) VITESSE (capteur de fréquence) consignes. Q — Kv/pN
LES DIFFÉRENTES TECHNIQUES DE L’ENTRAÎNEMENT À VITESSE VARIABLE
Le tableau porté en figure 11 montre les différentes techniques les plus couramment utilisées pour l'entraînement des pompes centrifuges et hélicocentrifuges.
Les entraînements mécaniques et hydrauliques se retrouvent fréquemment dans des applications industrielles. Par contre, dans les installations d’adduction et d'irrigation, les entraînements électriques sont mieux adaptés, et plus particulièrement les moteurs à courant continu (tension variable) et à courant alternatif (fréquence variable et récupération d'énergie).
Pour les petites et moyennes puissances (quelques centaines de kW) l’évolution s'oriente vers la fréquence variable, laquelle offre de nombreux avantages (matériels de pompage banalisés, application aux groupes immergés et submersibles, secours automatique).
CONCLUSION
L’application de la variation de vitesse à l'entraînement des pompes centrifuges apporte les avantages suivants :
— économie d’énergie,
— réduction du génie civil par diminution ou suppression des capacités tampons (bâche, réservoir) et suppression des vannes de régulation,
— élimination des excès de pression, en particulier aux faibles débits,
— meilleure adaptation de la grandeur des pompes,
— fonctionnement des pompes dans la zone de meilleur rendement assurant une plus grande fiabilité des pompes (poussée radiale, usure, vibration, bruit),
— souplesse de fonctionnement éliminant les surpressions dans le réseau hydraulique par variation lente et contrôlée des vitesses de circulation au moment des démarrages (remplissage du réseau), des accélérations et des arrêts des pompes,
— asservissement des divers paramètres (pression, débit, niveau) aisé et fidèle,
— automaticité complète.
