Epuisement par pompes immergées dans l'extraction de lignite à ciel ouvert

* aux confins de l’ex RDA et de la Tchécoslovaquie

L’utilité du système de télésurveillance.

Source d’énergie primaire allemande, le lignite, prend une place importante dans la balance énergétique de l’Allemagne, envisagée sous l’angle de la politique à long terme. En Lusace, les mines de lignite représentent un important secteur industriel : la veine de lignite, qui s’est formée il y a environ 17 millions d’années, s’étend sur la superficie prodigieuse de 4 000 km², c’est-à-dire qu’environ 13 milliards de tonnes de lignite y sont enfouies, créant ainsi la base d’une énergie stable et peu coûteuse, garantissant la survie à long terme de la région industrielle de Lusace. L’exploitant du lignite à ciel ouvert est la société Laubag, qui emploie actuellement environ 10 000 personnes et dégage un chiffre d’affaires de 2,6 milliards de DM. Presque 80 % du lignite extrait est transformé en électricité et en chaleur dans des centrales modernes.

L’épuisement, une mesure de sécurité

L’exploitation du lignite a lieu à ciel ouvert, jusqu’à 100 m de profondeur.

Pour assurer la sécurité des mineurs et des installations minières, il faut procéder à de nombreuses opérations d’assèchement : les formations géologiques reposant au-dessus de la veine de charbon sont asséchées, les couches inférieures sont détendues. À l’origine, il y avait assèchement des galeries souterraines. Depuis les années soixante, c’est l’assèchement par puits filtrants et pompes immergées qui s’est imposé. Des poutres contiguës au mur et poutres de champ bloquent l’afflux d’eau vers les mines à ciel ouvert tant que cela est nécessaire à la bonne marche de l’exploitation en toute sécurité. 2 300 puits de drainage actuellement en service permettent d’évacuer environ 365 millions de mètres cubes d’eau par an.

Il est intéressant de s’arrêter sur les rapports volumétriques : ainsi, pour chaque tonne de lignite extraite, il faut transporter environ 5,8 m³ de minerai et 6,5 m³ d’eau. Suivant l’évolution de l’exploitation à ciel ouvert, il est nécessaire de procéder par avance à des travaux d’assèchement sur plusieurs années afin de préparer le terrain à temps en vue de l’extraction.

Du fait de l’action engagée sur une grande surface, l’assèchement minier

représente une intervention significative dans le régime naturel des eaux.

Même après l’œuvre de veine, l’épuisement doit encore rester en service pendant un certain temps pour empêcher que l’eau affleurant ne s’écoule trop rapidement dans la décharge et dans la fosse résiduelle. L’ensemble des déblais sont stockés en vrac. Si la décharge se saturait trop en eau sans possibilité de dépôt à long terme, il se produirait une surpression de l’eau interstitielle, présentant un risque d’éboulement par tassement. Dans une mine à ciel ouvert abandonnée, donc là où les eaux souterraines remontent déjà lentement, des cas d’éboulement par tassement ont déjà été observés, au cours desquels plusieurs millions de mètres cubes de déblais ont glissé d’un seul coup.

L’eau contenant du sable fin transporte des matériaux stables

Un grand nombre de pompes immergées d'une puissance comprise entre 2 et 40 kW, parfois même plus, sert à assécher les puits d’extraction (“puits filtrants”) dont la profondeur est comprise entre 70 et 185 m. Les pompes standard extraient environ 5 à 120 m³/h pour une hauteur de refoulement allant jusqu’à 200 m.

Le travail “à ciel ouvert” n’est pas un problème simple pour une pompe immergée, ne serait-ce qu’en raison des particules de sable fin constamment entraînées lors de l’extraction. Pour cette raison, tous les éléments essentiels tels que l’arbre, les rotors et les chambres intermédiaires des pompes immergées, très répandues en Lusace, sont en acier au nickel-chrome. Les joints sont fabriqués en élastomères spéciaux, les paliers en un alliage métallocéramique dur. L’eau de dénoyage refoulée se caractérise en outre par des charges de fer (fer bivalent) naturelles de différentes teneurs.

En se combinant à l’oxygène de l’air, avec lequel il entre déjà en contact à l’intérieur des puits, certaines parties des charges de fer s’oxydent pour former du fer trivalent.

Des combinaisons d’hydroxyde ferrique se déposent, générant l’incrustation ferrique des pompes, tant redoutée. Dans tous les circuits hydrauliques d’une pompe immergée où surgissent des turbulences à l’écoulement, c’est-à-dire en particulier sur les rotors et dans le secteur des conduites d’alimentation et d’évacuation, des combinaisons d’hydroxyde ferrique pâteux brun se déposent. Par suite de cette incrustation ferrique, le rendement de la pompe diminue sans cesse, l’énergie fournie étant de plus en plus mal utilisée. À terme, non seulement les circuits hydrauliques de la pompe, mais encore les conduites montantes risquent d’être totalement bouchées. Cette incrustation ferrique est un problème pressant dans la technique des puits en général auquel personne n’a, jusqu’à présent, apporté de solution véritablement satisfaisante. Celui qui concevra une solution en ce domaine trouvera une clientèle étendue (et reconnaissante).

Une télésurveillance centralisée augmente le rendement

Tout cela mis à part, l’exploitation minière soumet les pompes immergées à de dures conditions. Contrairement aux puits d’eau potable conventionnels, où l’on rencontre toujours à peu près la même hauteur de refoulement et le même débit, le rabattement et le maintien du niveau sous la veine de charbon constituent l’objectif de l’assèchement. À cela s’ajoute le fait que plusieurs pompes conduisent dans un circuit de tuyauteries commun. Les rapports de compression changeants peuvent se répercuter sur les différentes pompes et influer sur leur capacité d’extraction.

La conséquence de ce mode de fonctionnement est, entre autres, que lors de la conception hydraulique des pompes, il faut prévoir une certaine réserve de puissance pour s’assurer que les pompes ne soient pas “éprouvées à la pression” en alternance. Même sur les moteurs d’entraînement, les réserves ont leur importance, et c’est pourquoi ces moteurs ont été optimisés tant sur le plan mécanique que sur le plan électrique. Ils ne sont pas conçus pour fournir le rendement hydraulique maximum de la pompe, mais ils prennent en compte tous les autres paramètres d’environnement rencontrés dans l’exploitation minière (changement fréquent des débits, variations de tension, absence de refroidissement). Cette conception présente un autre avantage : en raison de la charge thermique réduite, l’amélioration du rendement du moteur peut atteindre 6 %.

Ce qui est spécifique à l’exploitation minière, ce sont les exigences extrêmement élevées du contrôle des pompes. La société Laubag équipe de plus en plus ses moteurs de pompes immergées d’un système de protection générale des moteurs. En effet, seul celui qui fait fonctionner en permanence des pompes dans des conditions d’utilisations constantes en excluant impérativement tout risque de marche à sec obtient un dispositif de protection du moteur simple : en général, les bilames ou relais thermiques sont suffisants. Étant donné les conditions changeantes de l’exploitation minière, et comme il faut prévoir la possibilité de couper l’électricité à la fois sur place et

Depuis la salle de contrôle, la société Laubag recherche un dispositif de protection intégrale du moteur. Le point le plus important, à cet égard, est la mesure de température directement dans l’enroulement du moteur : c’est là, en effet, que se trouve l’emplacement décisif pour la durée de vie du moteur. Ce n’est qu’avec cette valeur de température que l’on peut “pousser” le moteur de façon optimale. Toutes les autres mesures effectuées ne montrent, pourrait-on dire “de loin”, qu’une image de la réalité de l’enroulement ; un bilame ne reproduit que le comportement thermique d’un moteur.

La protection intégrale du moteur

Grundfos a conçu, en étroite collaboration avec la société Laubag, le superviseur des moteurs et des pompes CU3. Au départ de cette initiative, du fait des nombreuses défaillances de moteurs sur les pompes immergées, le service électrotechnique de la société exploitante avait parlé de concevoir un système plus fiable de contrôle des moteurs. Grundfos disposait déjà d’un système de base perfectible : le système de contrôle CU2.

Le capteur de température incorporé à l’enroulement (“Tempcon”) conçu par Grundfos est incorporé d’origine à toutes les pompes immergées. Un avantage décisif est que, sans câbles ni lignes supplémentaires, il transmet ses informations en surface au dispositif de coupure de courant : la valeur mesurée est acheminée au transformateur de courant sous forme de signal à haute fréquence par le câble d’alimentation du moteur. Ce n’est que dans le système CU3, exploité sans entretien, que le signal est converti en valeur de température. Le capteur CU3 découple également la valeur analogique de température sur le câble à courant fort ; résultat : les températures de la sonde de température sont toujours exactes.

Fonctionnement alterné en rabattement de nappe phréatique

Le mode de fonctionnement normal des pompes veut qu’elles fonctionnent en continu et que le débit de pompage s’adapte en permanence au niveau de l’eau. Dans la section d’abattage immédiate où les excavatrices travaillent tout près des pompes, on ne constate absolument pas de fortes variations du niveau de la nappe phréatique déclenchant l’arrêt de la pompe. Ces fonctions sont également détectées par le relais de protection du moteur CU3 : dès que la colonne d’eau descend trop bas et que la pompe aspire de l’air, cela se répercute sur le courant du moteur ; la diminution de l’intensité du courant sert à protéger la pompe contre la marche à sec.

La fonction spéciale de “fonctionnement alterné” permet, en cas de sous-intensité (correspondant à un début de marche à sec), de couper la pompe uniquement pendant une certaine période et de la redémarrer automatiquement. Adaptable, la commande de cette fonction de rabattement optimise automatiquement le temps qui s’écoule entre deux coupures. La pratique montre qu’une pompe surdimensionnée élimine davantage les à-coups. Malgré le surdimensionnement, le calcul des coûts est le suivant : le fonctionnement alterné permis par le superviseur CU3 réduit les coûts de l’énergie et augmente la durée de vie utile des éléments dans le puits.

Il existe en outre une série d’autres fonctions : les relais contrôlent l’isolation lorsque la pompe est hors tension, ils détectent le sens de rotation du réseau électrique, ils contrôlent la symétrie du courant, tandis qu’une limitation du nombre de commutations augmente la durée de vie utile ; par ailleurs, en régime d’hiver, il est possible d’invalider cette limitation pour que les installations ne gèlent pas. Voilà ce qui distingue le relais de ce système des autres variantes : l’ensemble de la partie électrique passe par le relais, la tension d’alimentation totale (500 V) est connectée et le courant du moteur passe également par des transducteurs. Ainsi, l’opérateur dispose de tous les paramètres électriques intégrés au relais.

Le programme de remise à niveau technique réduit les frais d’exploitation

Dans le cadre d’un grand programme de remise à niveau technique engagé par la société Laubag, l’extraction du charbon est mise au niveau technique actuel. Dans la majorité des projets engagés, le niveau technique est en outre redéfini, avec l’aide de gros fournisseurs d’équipements. L’objectif est de réduire au minimum les frais d’extraction du lignite pour en assurer la compétitivité à long terme.

Depuis le début des années 80, un système de télésurveillance est mis en place progressivement pour pouvoir surveiller et commander les équipements d’assèchement (constitués d’en-

viron 2 300 puits) à partir d'un point central. Il faut savoir, à cet égard, que les frais d’assèchement représentent une part considérable du total des coûts d’extraction du lignite. Par ailleurs, les coûts de l’énergie représentent presque 40 % des frais d’assèchement. L’objectif du système de télésurveillance et de télécommande est d’exploiter les pompes immergées avec le meilleur bilan énergétique possible, réduisant ainsi les frais. Le système décrit sera ultérieurement intégré à ce système de télésurveillance par un coupleur simple. Avec 2 300 puits, même une économie de 0,5 % sur les coûts d’énergie représente une somme non négligeable.

À cela s’ajoute la sécurité supérieure des prévisions, du fait qu’une télétransmission qui fonctionne permet un réglage optimum de rabattement de la nappe phréatique sur l’avance de l’exploitation à ciel ouvert. En effet, l’assèchement du massif rocheux ne devrait pas intervenir trop rapidement. Cela ne fonctionne toutefois que si l’on dispose d’une masse d’informations suffisante et assez précise.

Dans la configuration finale, la technique de transmission employée doit être en mesure de surveiller l’assèchement des cinq exploitations à ciel ouvert de la société Laubag, pour l’essentiel. Employer une technique novatrice, cela signifie créer des effets de rationalisation ; ainsi, la société Laubag, grâce à ce système de télésurveillance, remplacera ses pompes avec davantage de précision et donc d’efficacité, réduisant les frais de réparation des pompes au minimum et diminuant dans l’ensemble son stock de motopompes immergées.