Le pilotage des vannes dans la gestion de l'eau

Ceux-ci sont des systèmes asservis dont la fonction est de maintenir, à une valeur de consigne ajustable, la valeur d'un paramètre tel que débit, pression, niveau, température appartenant à un système plus ou moins complexe qui est soumis à un contrôle.

En conséquence, une vanne de régulation est insérée dans une boucle d’asservissement qui comporte essentiellement :

• — le système sous contrôle, désigné sous le nom générique de processus industriel,
• — un capteur mesurant la valeur actuelle du paramètre régulé,
• — le sous-ensemble régulateur proprement dit, qui définit l’écart entre la valeur actuelle et la valeur de consigne du paramètre contrôlé et élabore le signal de commande de la vanne ou de son positionneur,
• — la vanne de régulation, qui modifie son débit en fonction de ce signal, dans le sens voulu pour annuler l'erreur.

Dans la production et la distribution de l'eau, les vannes de régulation se retrouvent aux différents niveaux des installations :

• — organes de régulation de débit à l’entrée de station de traitement ou dans le processus d’injection des réactifs,
• — organes de régulation de pression à l'entrée de blocs d'osmose inverse ou à l'entrée d’un réseau à maintenir à une pression constante,
• — organes de régulation de niveaux afin de maintenir le niveau dans un réservoir,
• — organes de réglage permettant de maintenir constants certains paramètres physico-chimiques de l'eau (température, salinité, pH, etc.) à des valeurs prédéterminées.

Avant d’examiner les servo-moteurs et accessoires nécessaires à la régulation, nous allons tout d’abord nous étendre sur les caractéristiques essentielles de différents types de vannes.

1. NOTIONS ESSENTIELLES.

1.1. Coefficient de débit Cv.

C’est un coefficient caractérisant les possibilités de débit d'une vanne. La publication 534-1 de la Commission Electrotechnique Internationale en définit plusieurs. Dans tout ce qui suit, le coefficient Cv, actuellement le plus répandu, est utilisé.

Ce coefficient expérimental est défini comme étant le débit d’eau à la température de 15 °C, exprimé en Gallons U.S. par minute (1 Gallon U.S. = 3,78 l), traversant le corps de vanne considéré, à pleine ouverture de l’obturateur, sous une chute de pression entre l’amont et l'aval de 1 psi (0,07 bar).

Formule pour les fluides incompressibles :

Cv = 1,156 × Q × √d / ∆p

avec :

• 1,156 : coefficient de conversion d’unité
• Q : débit en m³/h
• d : densité
• ∆p : pression différentielle en bar effectif

1.2. Caractéristiques intrinsèques de la vanne.

Il existe un Cv de la vanne pour chaque position d’ouverture et on peut établir la courbe relatant le

Cv à l’ouverture qui s'appelle « courbe caractéristique de débit » de la vanne.

Il est possible de modeler, grâce à un usinage adéquat du clapet, l’allure de cette courbe.

1.2.1. Caractéristique linéaire

La variation de Cv est proportionnelle à l’ouverture.

1.2.2. Caractéristique égal pourcentage

La variation relative de Cv est constante tout au long de la courbe pour un même accroissement de l’ouverture.

Il est intéressant de signaler que l'on peut aussi modeler la fonction en introduisant un positionneur à came sur le servo-moteur.

1.3. Coefficient intrinsèque de réglage (autres appellations utilisées, plage de réglage ou rangeabilité).

Il faut faire la distinction entre la plage de réglage intrinsèque définie à perte de charge constante qui est en fait le rapport du Cv maximal contrôlable au Cv minimal contrôlable, et la plage de réglage réelle qui tient compte des conditions réelles.

1.4. Étanchéité.

Dans la plupart des applications, en outre de sa fonction de régulation, on demande à la vanne d’assurer également la fonction d’isolement.

L'étanchéité à la fermeture est alors caractérisée par un débit de fuite appelé Cv de fuite, 0,05 à 0,5 % du Cv nominal dans le cas de portées métal sur métal.

Pour obtenir une « étanchéité à la bulle », Cv de fuite de 0,01 à 0,0001 % du Cv nominal, il est nécessaire de prévoir des portées métallo-plastiques.

2. DIMENSIONNEMENT DANS LE CAS DE FLUIDES INCOMPRESSIBLES.

Une vanne est donc caractérisée par son coefficient de débit Cv à la course nominale, souvent appelé Cv nominal.

Pour l’ingénieur qui conçoit une installation, le problème du choix d’une vanne commence par la détermination de son diamètre nominal.

Le choix de ce diamètre se fait suivant deux critères :

• — la vanne doit être capable de passer le débit souhaité,
• — la vitesse d’entrée dans la vanne et la vitesse de sortie doivent satisfaire à certains critères qui dépendent du type de la vanne, de sa réalisation technologique et de la nature du fluide qui la traverse.

Pratiquement, ce choix s’effectuera selon le processus suivant :

• — calcul du Cv équivalent au débit devant passer à travers la vanne aux conditions de service données. Le coefficient de débit ainsi calculé est appelé le Cv de calcul ou Cv calculé,
• — comparaison de ce Cv calculé aux Cv nominaux d’un type de vanne donné et ainsi choix d’un diamètre nominal,
• — calcul de la vitesse d’entrée dans la vanne et de la vitesse de sortie de la vanne à partir du diamètre nominal choisi,
• — comparaison des valeurs ainsi calculées aux valeurs admises suivant le type de la vanne, sa technologie et la nature du fluide qui la traverse.

Suivant les résultats obtenus, le diamètre ainsi déterminé est retenu ou les calculs précédents sont repris à partir d'une autre valeur de celui-ci.

La considération du Cv et des vitesses permet donc la détermination du diamètre nominal de la vanne et de sa section de passage. Ces critères essentiels ne sont pas toujours suffisants pour faire un choix définitif. En effet, d'autres phénomènes comme la cavitation, le bruit sont d'une grande importance pour choisir une vanne de régulation. Néanmoins, dans le courant de la détermination d'une

vanne, leur calcul et examen se fait postérieurement à ceux du Cv et des vitesses.

2.1. Informations nécessaires à la détermination de la vanne.

— Nature du fluide— Densité (d)— Température (T° en °Celsius)— Variation des pressions amont (P₁, en bar effectif)— Variation des pressions aval (P₂, en bar effectif)— Débit mini et maxi à réguler (Qmin - Qmax en m³/h)— Diamètre de la tuyauterie (DN en mm)

2.2. Exemple de calcul.

— Fluide : eau potable— d : 1— T : 15 °C

— P₁ max : 3 bars— P₂ max : 1,5 bar— Qmin : 40 m³/h— DN : 300 mm

Cv max.

Pour le calcul du Cv max, il est nécessaire de considérer la pression différentielle minimale (Δh min) aux bornes de la vanne ainsi que le Qmax à réguler.

Δh min = P₁ min — P₂ max

P₁ min : 2,3 barsP₂ min : 1,2 barQmax : 400 m³/h

Δh min = 2,3 — 1,5 = 0,8 bar

1,156 × 400 × 1,4
Cv max = ————————— = 516
         √0,8

Par mesure de sécurité, il sera souvent prudent de choisir une vanne dont le Cv nominal sera de 15 à 20 % supérieur au Cv max calculé, soit :

Cv max = 516 + 20 % = 620

Vitesse.

La vitesse à l’entrée au Qmax ne doit pas être supérieure à la vitesse autorisée par le constructeur de la vanne choisie.

Cavitation.

La cavitation est la transformation d'une partie du liquide en phase vapeur, lors de l’accélération rapide au passage du liquide entre le clapet et le siège.

La cavitation se produira chaque fois que la pression statique atteindra une valeur correspondant à la tension de vapeur du liquide à la température de l’écoulement.

Cavitation : Critères de formation.

Suivant la valeur de la perte de charge ΔP, on distingue deux régimes de cavitation : la cavitation naissante que l’on peut tolérer car ses effets sur la vanne sont sans conséquence et la cavitation totale qu’il est impératif d’éviter à cause des dommages qu’elle engendre.

Calcul de la ΔP critique (ΔPc)

ΔPc = KM (P₁ — Pᵥ)

ΔPc en bar effectifP₁ en bar absoluPᵥ : pression de vaporisation en bar absolu

Courbe débit/perte de charge.

L’étude de cette courbe représentant Q en fonction de ΔP permet de distinguer les zones suivantes :

• Zone I : Écoulement laminaire ou quasi-laminaire
• Zone II : Écoulement turbulent normal

KM : Coefficient de débit critique défini par la technologie de la vanne.

Cette ΔP critique est à comparer avec la ΔP aux bornes de la vanne. Si elle est supérieure : aucune cavitation ou cavitation variable. Si elle est inférieure : cavitation totale ayant comme conséquence une destruction de l’équipement interne, la création de vibrations et l’émission de bruits.

Bruit.

L’écoulement d’un fluide à travers une vanne de régulation s’accompagne d’une émission de bruits, en général d’origine mécanique d’une part, aérodynamique ou hydrodynamique d’autre part.

Les premiers, qui proviennent essentiellement des vibrations des pièces mobiles composant la vanne, créés par les effets dynamiques du fluide, s’éliminent par un choix approprié de la technologie du matériel et par le respect de certains critères limitant à la fois les vitesses d’écoulement et les pertes de charge.

C’est le bruit d’origine aérodynamique ou hydrodynamique qui est en général prépondérant.

L’expérience montre que dans 5 à 10 % des cas, le niveau de ce bruit dépassera la valeur de 85-90 dBA. Il faut donc que le technicien proposant des vannes de régulation soit à même sur le plan pratique de détecter au vu des conditions de service celles qui seraient bruyantes puis de recommander une ou plusieurs solutions aux problèmes ainsi posés.

• Zone III.1 : Écoulement turbulent avec cavitation naissante sans saturation de débit
• Zone III.2 : Écoulement turbulent avec cavitation totale avec saturation de débit
• Zone III.3 : Écoulement turbulent avec vaporisation avec saturation de débit

3. — LES TYPES DE VANNES.

Le choix d’une vanne se fera en comparant le résultat des calculs précédents aux caractéristiques des différents types de vannes présentées par les constructeurs.

Les vannes de régulation peuvent se classer en trois catégories :

• — les vannes à corps droit où le clapet est animé d’un mouvement linéaire,
• — les vannes à opercule où le clapet, qui peut être un disque excentré, un papillon, une boule, est animé d’un mouvement rotatif,
• — les vannes spéciales soit par leur usage ou leur conception (vanne d’angle, vanne à membrane, microdébit, vanne à corps revêtu), soit par leur système de commande (vanne hydraulique, vanne numérique).

À l’heure actuelle, le marché se divise approximativement en 50 % pour les vannes à corps droits (dont 20 % pour les vannes à clapet et 30 % pour les vannes à cage) et 50 % pour les divers types de vannes rotatives, la tendance étant à une augmentation de ce dernier chiffre due à l’intérêt économique.

que présente cette technologie, les vannes spéciales représentent une faible part.

3.1. Les vannes à corps droit.

— À soupape.

On distingue deux types de soupapes, simple siège pour les faibles ΔP, double siège pour les fortes différentielles. Ces vannes sont utilisables pour des liquides chargés ou non.

— À cage.

Ces vannes peuvent être utilisées pour des vitesses d'entrée élevées (10 m/s pour les liquides). Les étanchéités vont de 0,05 % du Cv nominal pour une cage et un obturateur à double portée à l'étanchéité à la bulle pour les portées plastiques.

Les vannes à cage sont utilisées pour les régulations de fluides non chargés.

Leur conception les destine plus spécialement aux problèmes où la pression différentielle est élevée et où les débits sont moyens.

3.2. Les vannes à obturateur rotatif.

Les vannes papillons offrent les avantages suivants :

• a) Perte de charge minimum à pleine ouverture
• b) Coefficient de débit plus important comparé à ceux des vannes conventionnelles de même diamètre
• c) Rangeabilité intrinsèque importante : 100 (papillon équilibré seulement)
• d) Sens d’écoulement indifférent

Conséquences :

Ce type de vanne est très employé lorsque l’organe de réglage doit créer des pertes de charge relativement faibles et lorsque les Cv demandés sont importants.

Les vannes à obturateur rotatif excentré ont une grande variété d'applications industrielles. Elles ont des Cv très importants, car la veine liquide est peu perturbée, le passage étant direct. Elles conviennent donc pour des débits élevés et des ΔP faibles ou moyennes.

3.3. Comparaison des différents types de vannes.

4. MOTORISATION.

Dans une chaîne de régulation, le servo-moteur constitue le maillon qui relie le signal issu du régulateur, signal généralement à faible niveau, à l’organe de commande mécanique qui requiert de la puissance.

C'est pourquoi il remplit un double rôle :

• a) Celui de convertisseur du signal correcteur d'entrée en mouvement mécanique coordonné, soit rectiligne alternatif, soit angulaire alternatif.
• b) Celui d'amplificateur de puissance pour transformer l'énergie très faible du signal d'entrée en une énergie capable de mouvoir les très importants dispositifs de contrôle.

Dans ces deux fonctions, notamment dans la deuxième, le servo-moteur est aidé par le relais intermédiaire appelé positionneur.

4.1. Différents types de servo-moteur.

Il est intéressant de classer les différents types de servo-moteur selon les possibilités d'apport de puissance qu'ils permettent, car nous saurons dans ce cas choisir celui qui est le plus approprié à des manœuvres très rapides (transitoires brusques) ou à des efforts très grands.

4.1.1. Le servo-moteur pneumatique qui possède d'immenses possibilités et qualités de souplesse et robustesse, et qui pour ces raisons est sans doute le plus usuel, n'est pas bien placé à cet égard.

4.1.2. Le servomoteur électrique possède des possibilités d'apport de puissance illimitées théoriquement, puisque l'on peut construire des moteurs très gros. Malheureusement, à mesure que le moteur grossit, s'accroît également l'inertie de son rotor, qui empêche soit des changements de sens de rotation instantanés, soit des variations de vitesses rapides.

Il est donc à recommander dans le cas de commande d'organes de contrôle nécessitant de très gros efforts, avec des automatismes relativement lents.

4.2. Équipements annexes d'une vanne à motorisation pneumatique

— Le positionneur. (Voir le tableau plus loin.)

• - Il asservit la position réelle de la vanne au signal de consigne délivré par le régulateur.
• - Il assure la puissance nécessaire délivrée au servomoteur.
• - Il rend le servomoteur moins sensible aux perturbations diverses.
• - Il augmente la vitesse de réponse de l'organe de contrôle aux impératifs de sécurité.
• - Il assure, par l'intermédiaire d'une came, la modification de la loi de la vanne.

Enfin, il peut assurer la conversion du signal d'entrée électrique en signal pneumatique.

— Les contacteurs de position.

Monté sur la vanne, le contacteur permet de transmettre électriquement des points de repère de course ou d'alarme par ouverture ou fermeture de contacts à 1 ou 2 microrupteurs.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

5. CONCLUSION.

L'exposé ci-dessus démontre, s'il en était besoin, la complexité du choix d'une vanne de régulation dans un circuit d'eau.

Une vanne bien calculée et bien adaptée aux conditions de service est essentielle.

Sa détermination arbitraire pourrait conduire à un dimensionnement trop petit qui ne permettrait pas d'assurer pleinement sa fonction ou trop grand qui constituerait un mauvais choix économique et des performances insuffisantes.