La régulation des stations de pompage industriel

LES GRANDS SYSTÈMES DE RÉGULATION

Nous classons les systèmes en trois groupes principaux :

1. — Les systèmes tout ou rien :

Une pompe tourne ou ne tourne pas. Le point de fonctionnement se déplace sur la courbe naturelle (hauteur de refoulement/débit) et le principe de la régulation consiste à enclencher ou déclencher des groupes selon les besoins (niveau, pression, température, etc.).

2. — Les systèmes à organes de réglage extérieur :

Pour affiner les caractéristiques, on adjoint des organes tels que vannes de laminage (montées en direct ou en recirculation, vannes trois voies) qui, si elles laissent travailler les groupes sur leur courbe naturelle, n’injectent cependant au réseau que sa demande propre.

3. — Les systèmes à réglage interne :

Il s’agit essentiellement des groupes à vitesse variable (avec variateur ROTAFLUX®, moteurs alimentés à fréquence variable, moteurs courant continu, variateurs hydrauliques, mécaniques), bien que certaines pompes ou types de pompes présentent intrinsèquement un caractère d’autorégulation sur un paramètre (débit pour les pompes volumétriques, hauteur de refoulement pour certaines pompes centrifuges).

Les principes généraux de ces trois groupes de systèmes sont bien connus.

Si pour les deux premiers systèmes on démarre ou on arrête un groupe sur un manque ou un excès de fluide, quitte ensuite à affiner avec un organe extérieur, le troisième système charge un ou plusieurs groupes à vitesse variable d’ajuster à tout instant la demande aux besoins.

Présentée ainsi, la classification n’aide pas tellement au choix. Les éléments pris habituellement en compte sont ensuite lors de la décision :

— le coût du groupe de pompage et de son système de commande,

— coût à l’achat,

— coût à l’exploitation (énergie),

— les contraintes techniques liées au problème hydraulique posé,

et très souvent on en reste là, ne voyant pas très bien ou ignorant même volontairement des aspects qui ne sont plus visibles immédiatement. Il en est ainsi d’ailleurs assez souvent avec le problème du coût d’exploitation, lorsque le client n’est pas l’exploitant ; pour pouvoir présenter un devis bas, les solutions tout ou rien sont très souvent retenues alors qu’elles ne se justifient pas toujours si on examine les coûts d’entretien, d’exploitation ou de matériels annexes. (Certaines installations à vitesse variable s’amortissent en seize mois sur la base du prix actuel de l’énergie).

Nous sommes persuadés qu’il n’est pas globalement plus cher d’acheter un système de pompage régulé continuellement que d’acheter un système tout ou rien.

Analyses quelques points souvent passés sous silence :

— Équipement aval :

Un système régulé permet de mieux dimensionner les équipements avals, de les faire travailler sur un point de rendement optimal ou même de les alléger (cas des tuyauteries, de la robinetterie). Pour une pression de travail régulée de 9,9 bars, PN 10 suffit quelle que soit la pression à vanne fermée de la pompe. La soupape de décharge, si elle existe, n'est plus un moyen de régulation, mais un organe de sécurité qui n’intervient que lorsque le système de régulation est défaillant, c’est-à-dire pratiquement jamais avec les systèmes actuels.

— Bilan énergétique :

Si cet aspect est souvent pris en compte, il l'est malheureusement de façon incomplète en se limitant soit au point nominal, soit à l'évaluation des pertes des systèmes à vitesse variable.

En réalité, si l'on veut comparer deux solutions, il faut le faire complètement en partant de la vérité suivante qui est bien souvent ignorée dans son application :

LA PUISSANCE ÉLECTRIQUE ABSORBÉE PAR UN ÉQUIPEMENT EST L'IMAGE DE LA PUISSANCE HYDRAULIQUE OU MÉCANIQUE QUI RESSORT D'UN SYSTÈME.

Si donc on utilise une régulation, il y aura à tout instant fourniture de l’énergie mécanique strictement nécessaire, donc, a priori, économie.

Prenons par exemple le cas du château d'eau :

Jo = ka × Q*max  jd = kd × Q*max

Le problème réel est de fournir au point A un débit aléatoire 0 < a < 1 avec une pression au maximum égale à Po.

Avec un château d'eau, cette condition devient : hgeo > Po + jd et pour une pompe non régulée fonctionnant à 0 ou à Qmax, sa pression de refoulement devra être Pr = hgeo + ja.

Finalement, l'énergie hydraulique fournie sera Pr Qmax avec un rapport cyclique a, soit a Qmax [Po + (ka + kd) Q*max].

Si on pose maintenant le problème de la régulation, trois énoncés sont possibles :

• a) stabiliser la pression de la pompe à la valeur ci-dessus ;
• b) réguler le niveau du réservoir à la hauteur maximum ;
• c) réguler la pression à la distribution.

Il est bien évident que les deux premiers énoncés sont compatibles avec la condition de base, mais ils ne profitent pas de tous les avantages possibles. Une comparaison menée sur ces bases ne serait pas cohérente.

Si on mène par contre la comparaison complètement, on s'aperçoit d'un gain hydraulique très important, l'énergie fournie étant :

a Qmax [Po + (ka + kd) (1 — a²)]

Au niveau de l'énergie hydraulique à fournir, le maximum de gain est obtenu pour a = 0,577 et vaut 38,5 % de Q*max (ka + kd).

On peut gagner ainsi 38,5 % de l'énergie hydraulique qui était consacrée aux pertes de charge au débit maximum (sur le plan hydraulique).

Si on ajoute ensuite que, si on formule le problème sous sa forme c, le château d'eau, en tant qu'élément de régulation, n'est plus utile, on voit que la comparaison limitée à celle des rendements sur un point nominal est très approximative.

Pour terminer le bilan, il faut regarder ces valeurs à travers les rendements pompe et moteurs.

— Temps de réponse

Le temps de réponse peut sembler a priori un élément facile à appréhender ; en réalité, il n’en est pas toujours ainsi et dans les problèmes d’évaluation globale il est prudent de prendre comme définition :

Période avec laquelle une séquence critique peut se reproduire sans entraîner d’anomalies graves dans le système.

Un seul exemple à l’appui de cette optique différente :

Un groupe de pompage entraîné par un moteur asynchrone démarre en quelques secondes, son temps de réponse peut être assimilé à cette valeur, mais une seule fois. Au-delà, il faut considérer la capacité de démarrage horaire du moteur et des éventuelles résistances statoriques. Sur un fonctionnement répétitif, notre critère donne des valeurs de quelques minutes au mieux, alors qu'un

raisonnement succinct laissait espérer quelques secondes. Ainsi faut-il tenir compte des éléments suivants lorsque l'on considère le temps de réponse

— du groupe de pompage :

• — capacité de démarrage des moteurs asynchrones, de leurs équipements annexes,
• — capacité du poste MT pour les surcharges ci-dessus (sauf si des coupleurs électromagnétiques ou hydrauliques permettent de « débrayer » des moteurs) ;

— et pour le système de régulation :

• — temps de passage de 0 au maxi
• — pour les vannes de réglage,
• — pour les moteurs type SCHRAGUE,
• — pour les coupleurs hydrauliques ou mécaniques.

Les autres systèmes ont tous des temps de réponse équivalents dès qu'ils permettent de développer le couple nominal du moteur à tous les régimes. Certaines précautions sont toutefois à prendre vis-à-vis des échauffements admissibles (moteurs Courant Continu = CC à basse vitesse et variateurs de fréquence pour certains types).

Maintenant, il s'agit d'évaluer le temps de réponse hydraulique de l'installation, mais de l'installation seule ; si en effet, pour les besoins du groupe de pompage, on a été amené à placer de fortes capacités sur le réseau (réservoirs), il ne faut pas en tenir compte ; seuls compteraient éventuellement les réservoirs faisant partie du processus et dont le volume est imposé par lui.

Les temps de réponse rencontrés habituellement sont :

• — soit très courts (quelques secondes), habituellement pour les régulations de pression, débit ;
• — soit très longs (température d'échangeurs, niveau, concentration).

Nous entendons ici le terme « temps de réponse » au sens automatique du terme : temps au bout duquel la grandeur à réguler atteint sa nouvelle valeur finale à x % près, après un échelon de la grandeur réglante (vitesse pompe dans notre cas).

Enfin, il y a lieu également de s'interroger sur la nature des grandeurs perturbatrices et leur rapidité. Pour fixer les idées, disons qu'il n'y a pas de commune mesure entre l’usure de la roue de la pompe, grandeur perturbatrice lente que l'on est amené à compenser sur les installations de traitement de minerai par exemple et l'ouverture d'une électrovanne appelant instantanément 50 % du débit d'un groupe.

Les définitions étant posées, partons du problème à résoudre et évaluons :

• a) le temps de réponse hydraulique, le circuit étant dépouillé des accessoires qui ne servent pas au process proprement dit, ou qui ont une utilité annexe (réserve incendie par exemple) ;
• b) la vitesse des grandeurs perturbatrices.

Éliminons le cas simple des grandeurs perturbatrices lentes qui s'accommode pratiquement de tous les systèmes de régulation.

Le cas de grandeurs perturbatrices rapides sur des installations à temps de réponse lent correspond à des cas de fonctionnement anormaux ou exceptionnels le plus souvent.

Reste donc la configuration « système et perturbations rapides ».

Si l'on est dans cette configuration, alors le temps de réponse du système peut avoir une influence déterminante sur le coût et le dimensionnement des équipements périphériques.

Prenons un exemple pour illustrer ce propos :

PROBLÈME

Un débit aléatoire à recueillir dans une bâche doit être renvoyé dans un collecteur sous pression.

Le débit d'arrivée varie de 0 à Q max. Le temps de mise en vitesse de la colonne liquide entre la pompe et le collecteur étant très court. L’inertie du groupe motopompe étant elle-même faible, on arrive à des temps de réponse de l'ordre de la seconde.

Supposons maintenant que l'on utilise un système de régulation dont le temps de réponse soit de cinq minutes. Nous devons pouvoir stocker le débit maximum arrivant pendant ces cinq minutes (cas le plus défavorable). Si au contraire on répond en cinq secondes, la capacité du réservoir d’aspiration sera soixante fois plus petite. On voit tout de suite les gains de génie civil et de place que l'on peut obtenir surtout quand les débits sont très importants.

De la même façon, pour une précision de régulation donnée, y compris sur les transitoires, on est amené à ajouter dans le cas d'une régulation de pression, un réservoir sous pression dont le volume est en fait le produit de trois termes à un facteur près :

• — le débit,
• — le temps de réponse,
• — la précision de régulation.

Il est évident que la diminution du temps de réponse permet une diminution sensible de ce volume tampon.

Pour conclure le chapitre du temps de réponse, disons que beaucoup d'équipements annexes ont un volume proportionnel au temps de réponse.

CONCLUSION

Le principe général que nous avons tenté de faire ressortir de cet article à travers quelques exemples est que l'on ne peut comparer valablement les différents types de régulation que si, pour chaque système, on repose le problème hydraulique de base, débarrassé des contraintes héritées de tel ou tel système de régulation.

Chaque système permet : — l'un de gagner sur un diamètre de canalisation, — l'autre de gagner sur le coût de l'armoire d'automatisme.

Et il est nécessaire d'envisager la totalité de ces postes, sans se limiter au prix unitaire des groupes.

Ch. RUAUX.

Les installations équipées de variateurs électromagnétiques ROTAFLUX illustrent les nombreuses possibilités offertes par la variation de vitesse telle que décrite plus haut.

RECTIFICATIF : Une grosse erreur s'est glissée à l'imprimerie à la page 67 du n° 41-42 de janvier-février.

Les lignes ayant été décalées, il fallait lire le texte tel qu’il est dans l'encadré ci-dessous.

LES POMPES À CANAL LATÉRAL

J. BERNARD, Pompes SIHI.

PRÉAMBULE

Chaque utilisateur d’un matériel de pompage est avant toute chose soucieux d’obtenir un bon fonctionnement de son installation.

Il considère dans la plupart des cas que cette fiabilité dépend de deux critères :

1. 1. — la qualité des appareils
2. 2. — l’utilisation correcte.

En ce qui concerne la qualité des matériels, c’est très souvent l’image de marque du constructeur qui sécurise l’utilisateur. Quant à l’utilisation correcte, l’expérience et la compétence de l’utilisateur apportent les garanties complémentaires.

Le constructeur de pompes fournira les précisions nécessaires lorsqu’il s’agira d’applications particulières.

Malgré cela, il n’est pas rare de rencontrer des difficultés d’exploitation, de constater que la solution retenue pour réaliser l’installation n’est pas toujours la plus simple et la moins onéreuse, et de s’apercevoir que l’investissement réalisé n’est pas toujours le plus rentable.

CHOIX DU MATÉRIEL

En fait, c’est au niveau du choix du matériel, de sa conception, de ses performances techniques que le problème n’est pas toujours totalement traité. Il est très souvent ramené à une question de débit hauteur.

D’autres éléments sont à prendre en considération (bien connus mais souvent oubliés) et sont très souvent à l’origine de difficultés qui auraient pu être évitées : capacité d’aspiration, facilité de réamorçage, évacuation d’éventuelles entrées d’air à l’aspiration, pompage d’un liquide contenant un gaz dissous, formation de poches gazeuses dans un collecteur d’aspiration...

Des solutions existent bien entendu dans tous les cas, cependant elles font intervenir systématiquement un ou plusieurs « accessoires » qui compliquent l’installation, augmentent l’investissement à l’achat et peuvent être à l’origine d’autres problèmes.

TECHNIQUE DES POMPES À CANAL LATÉRAL

La pompe à canal latéral est très répandue dans tous les secteurs d’activité sous l’appellation de « pompe à amorçage automatique ».

Elle a été conçue dès son origine pour faire face à l’ensemble de ces problèmes.

Chaque étage de pompage est constitué par une roue à ailettes prisonnière dans un jeu de corps intermédiaires. Le liquide amené latéralement par l’ouïe du corps d’aspiration est distribué partiellement entre quelques ailettes de la roue. Il est alors d’une part centrifugé à la périphérie de cette dernière, et d’autre part, en suivant le canal existant sur le corps de refoulement, il est repris en partie pour être à nouveau centrifugé. Il en résulte un double mouvement du liquide entre chaque ailette — mouvement qui est à l’origine de la formation d’une veine liquide en forme d’hélice.

La roue est libre en translation sur l’arbre et s’équilibre au démarrage, les jeux entre corps (emprisonnant la roue) et la roue elle-même sont très réduits. La forme particulière de la veine liquide et l’existence de jeux réduits sont à l’origine de la forte capacité d’aspiration de ces pompes.

Le double effet de centrifugation crée une très forte augmentation de pression par étage de pompage. Sur chaque jeu de corps intermédiaires la position des ouïes d’aspiration et de refoulement permet à la pompe de conserver, après chaque période d’arrêt, la quantité de liquide nécessaire au réamorçage de la tuyauterie d’aspiration.

La pompe à canal latéral fonctionne sans clapet de pied.

CONCLUSION

Les pompes à canal latéral conviennent donc parfaitement dans tous les cas d’aspiration difficile :

• — hauteurs d’aspiration très importantes,
• — liquides chauds,
• — gaz liquide,
• — hydrocarbures,
• — puisage à grande distance,

... ainsi que dans les cas où l’on désire obtenir de faibles variations de débits pour de fortes variations de pression, problèmes de contre-pression fluctuante d’où les applications spécifiques telles que :

• — alimentation de chaudière,
• — extraction sous vide,
• — récupération de condensats...

[Graphique : Plage d’utilisation des pompes, n = 1450 r/min]

Il existe une gamme de pompes tournant à 1450 r/min seulement, dont le débit est compris entre 500 l/h et plusieurs dizaines de m³/h, les pressions engendrées pouvant atteindre 30 bars.