Les stations de pompage automatiques : asservissement et sécurité, vanne à fonctions multiples

1. 1° Les remises en service du réseau, par exemple après un arrêt accidentel dû à une panne de courant (avec éventuellement les remplissages de conduite qui en résultent), ne provoquent pas d’incidents aux pompes ou dans le réseau ;
2. 2° Les fluctuations du débit des utilisateurs ne créent pas de variations trop importantes de la pression dans le réseau ;
3. 3° Les ruptures éventuelles dans le réseau ne provoquent pas l’arrêt ou la limitation du débit refoulé.

Ces trois conditions sont commentées ci-après.

I. – SÉCURITÉ DES MISES EN SERVICE

Cette condition doit être réalisée avec un soin tout particulier. On sait, en effet, qu'un grand nombre des accidents (ruptures de canalisation ou fatigue de matériel) répertoriés sur les réseaux a lieu au moment des remises en service.

La séquence des opérations doit être soigneusement respectée, ce qui implique soit la présence d'un personnel qualifié, soit l'automaticité des manœuvres, avec un matériel bien adapté. Sauf pour les très grandes stations de pompage, l’exploitant ne pourra fournir au bon moment le personnel nécessaire. Il faudra donc confier le démarrage de la station à un automate d'excellente fiabilité.

Quels sont les problèmes qui se posent lors d'une mise en service ?

Généralement, après une panne du pompage, le réseau se sera partiellement ou totalement vidé, les robinets ou bouches des points d'utilisation étant restés ouverts. Il y a donc lieu d’évacuer l’air sans créer de surpressions et pour cela deux conditions sont nécessaires :

• — le réseau doit être convenablement équipé, en particulier de purgeurs d’air adaptés aux tuyauteries ;
• — le remplissage doit s'effectuer à débit réduit, le rapport Qᵣ/Qmax de ce débit au débit maximal du réseau dépendant de l’équipement du réseau et de son profil en long.

Il y a deux raisons principales à cette limitation du débit pendant la phase de remplissage :

• — un fonctionnement des pompes à pression de refoulement faible entraîne le fonctionnement des machines à un débit supérieur à leur débit nominal, ce qui peut engendrer une cavitation dangereuse ;
• — si le débit de remplissage est élevé, la vitesse de propagation des poches d’air vers leur point d’évacuation est importante et ceci, joint à l’élasticité de ces poches, peut occasionner des pulsations de pression dangereuse.

Remarquons aussi que certains organes placés sur les conduites (clapets par exemple) peuvent souffrir d'une arrivée brutale du front d'eau.

Soit Hₑ la hauteur géométrique de la borne de distribution la plus élevée et Δhᵣ la perte de charge due au débit de remplissage. Généralement Qᵣ étant faible devant Qmax, Δhᵣ sera faible devant Hₑ ; la pression à la station doit donc rester, pendant la phase de remplissage, voisine de Hₑ.

• • Pompe centrifuge
• • Vanne auto-régulation
• • Collecteur de refoulement

Ainsi la consigne doit être de fonctionner à Qr, tant que la pression en A n'a pas dépassé Hc ; puis d'achever la mise en service à un débit plus élevé.

Un moyen simple de réaliser les fonctions ci-dessus est de disposer à l'aval des pompes, sur le collecteur de refoulement, une vanne automatique de régulation (R) qui maintiendra, pendant le remplissage, une pression constante Hr à son amont immédiat (en B). Une détection des pressions sera faite en B et en A.

Au démarrage de la station, le réseau étant vide et en l'absence de la vanne R, le débit pourrait atteindre la valeur Qm (point caractéristique O’).

La pompe doit démarrer vanne fermée (point caractéristique O) puis l’ouverture de la vanne est commandée et sa position asservie à la pression en B de telle sorte que Hs = Hr, donc que Q = Qr (point caractéristique 1).

Au fur et à mesure du remplissage, Ha augmente et la vanne s’ouvre progressivement pour maintenir Hr et Qr : la parabole représentative de l’ouverture de la vanne passe de (I) en (II) et le point caractéristique reste en 1.

Lorsque Ha atteint la valeur de consigne Hc, la vanne est automatiquement ouverte de façon à porter le débit à sa valeur nominale Qn (point caractéristique 2).

Ce procédé peut être mis en défaut si un grand nombre de robinets ou de bouches sont restés ouverts. Bien que ces bouches fonctionnent sous faible charge pendant le remplissage, leur débit total peut être supérieur à Qr et le réseau ne se remet pas en pression. On peut remédier à ce défaut par la mise en place de la séquence d'automatisme suivante :

• — La vanne R reste un temps t₁ en régulation amont : pression réglée Hr, n pompes en service, débit Qr.
• — Au bout de t₁, si la pression en A n'a pas dépassé Hc, une (n + 1)ᵉ pompe est mise en service et la vanne R reste en régulation amont pendant un autre laps de temps t₁.
• — Si au bout du temps 2 t₁ la pression en A dépasse Hc, la vanne s'ouvre en grand (avec une vitesse de manœuvre raisonnable).

Elle se refermera automatiquement ou non, quand la station sera en panne et que la pression baissera dans le réseau.

Il faut remarquer que la différence de pression aux bornes de l'organe de régulation Hr — Ha peut être importante pendant ces phases de remplissage ; elle sera comprise entre les valeurs Hr — Hc et Hr. Il en résultera une valeur faible du nombre de cavitation (Ha abs — ht)/(Hs — Ha). Cette faible valeur du nombre de cavitation « disponible » nécessitera un organe conçu pour avoir un nombre de cavitation « requis » le plus faible possible.

II. – RÉGLAGE DE LA PRESSION DANS LE RÉSEAU

Le maintien de la pression sensiblement constante, quelles que soient les variations du débit demandé, peut être assuré de trois façons différentes :

• — en jouant sur le nombre de pompes en fonctionnement,
• — en modifiant la vitesse de rotation des pompes,
• — en créant une perte de charge au refoulement des pompes.

Il existe de nombreux dispositifs de régulation des stations de pompage utilisant ou combinant ces procédés, ceux-ci étant eux-mêmes selon les cas combinés avec la respiration de réservoirs hydropneumatiques.

Dans le cas où le nombre d’heures de fonctionnement annuel de la station de pompage est assez faible pour rendre sans intérêt sur le plan économique le réglage de la vitesse de rotation des pompes, on peut être conduit à disposer à la sortie de la station une vanne régulatrice qui maintienne constante la pression en A quel que soit le débit.

Même dans le cas où des pompes à vitesse variable ont été installées, il peut être intéressant de compléter l’ajustement de la pression dans le réseau par une perte de charge à réglage automatique, c’est-à-dire de placer en R un organe à pression en aval constante.

Il peut s’agir du même régulateur que celui préconisé plus haut pour les remplissages à condition que l’on puisse le faire passer d’une fonction « pression amont constante » à une fonction « pression aval constante ».

Quand le débit diminue, la perte de charge du régulateur augmente automatiquement pour compenser la montée de pression due aux caractéristiques H(Q) des pompes.

Ce système peut être combiné avec la modification du nombre de pompes en service.

III. – LIMITATION DES CONSÉQUENCES D’ACCIDENTS

Si une fuite importante se produit dans le réseau, la pression baisse et le débit quittant la station de pompage peut dépasser le débit nominal des pompes.

L’exploitant peut souhaiter que, lorsque le débit nominal est dépassé de 5 % par exemple (soit Q1 ce débit), la station s’arrête. Mais dans certains cas, pour ne pas risquer de vider le réseau, en particulier si l’on craint une pollution des conduites vides, on peut désirer limiter à Q2 le débit de la station sans interrompre le refoulement. Ce cas peut aussi se présenter lorsque la station constitue un point de livraison d’eau à un gros consommateur : le fournisseur souhaite alors que, quelle que soit la pression dans le réseau de l’abonné, le débit pompé ne dépasse pas la valeur maximale contractuelle.

On retrouve ainsi la nécessité de placer en R un système limiteur de débit. Ce peut être le même organe que celui prévu pour le remplissage, c’est-à-dire un régulateur à pression constante, la pression en A étant alors réglée pour que le débit des pompes ne dépasse pas la valeur Q2 désirée. Ainsi les pompes conservent un fonctionnement correct, le débit est limité, la pression baisse dans le réseau et l’alerte est donnée.

Bien entendu, il faut qu’il y ait une temporisation pour éviter qu’un dépassement de Q2 de quelques secondes, à cause d’un régime transitoire, n’enclenche la séquence de sécurité.

DESCRIPTION D’UN ÉQUIPEMENT REMPLISSANT CES CONDITIONS

Nous avons vu, dans ce qui précède, que les conditions de sécurité et de réglage décrites pouvaient être réalisées en plaçant sur le collecteur de refoulement, en R, un organe unique à fonctions multiples, le « Débivar », par exemple, qui permet :

• — d’assurer, selon les moments, chacune des fonctions I, II et III ;
• — de mesurer débit et volume refoulés ;
• — de pouvoir être connecté à un automate de la station ou intégré dans un système de gestion centralisée.

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT EN RÉGULATION DE PRESSION, MESURE ET RÉGULATION DE DÉBIT

Cet appareillage combine une vanne multijets, à performances hydrauliques particulièrement intéressantes, à un servomoteur et à un calculateur-régulateur programmé qui assure les fonctions réglage de pression, mesure du débit et limitation du débit. La vanne multijets permet une dissipation d’énergie sans bruit et avec faible nombre de cavitation au moment des fonctionnements à forte différence de pression entre A et B.

L’association d’un régulateur de pression à un débitmètre à diaphragmes multiples permet de conserver à ce dernier la même précision aux gros et aux faibles débits. La détection des pressions amont et aval nécessaires à la régulation et à la mesure peut se faire à proximité immédiate (moins de deux diamètres) de la vanne multijets, ce qui peut être un gros avantage dans les stations de pompage où il est souvent difficile de trouver deux longueurs droites de 15 ou 20 diamètres.

Au moment de la mise en service du réseau, le Débivar fonctionne en « déverseur » à pression réglée ajustable, de manière à limiter le débit des pompes pendant la phase de remplissage. La sécurité du processus est complétée par l’interdiction de démarrage des pompes tant que la vanne du Débivar n’est pas fermée et prête à régler.

Pendant le fonctionnement normal du réseau, le Débivar fonctionne à pression aval constante,

Enfin, en cas d'incident sur le réseau (appel anormal de débit), le Débivar joue le rôle de limiteur de débit.

Le passage d'une fonction à l'autre s'effectue automatiquement grâce à la présence de deux capteurs de pression placés de part et d’autre de l'organe en A et en B.

La connaissance de ces deux pressions et du degré d’ouverture de la vanne multijets permet en outre au microprocesseur de calculer et d’afficher le débit.

CONCLUSION

L'automatisme des stations de pompage est facile à assurer tant que celles-ci ne sont pas soumises à des disjonctions inopinées. Mais quand il faut remettre en route une station après un incident qui a vidé partiellement ou totalement le réseau, des précautions particulières doivent être prises. S'il est bien conçu, l’équipement de la station peut aussi répondre à ce cas de fonctionnement avec une sécurité au moins aussi grande que s'il y avait intervention humaine.

Nous avons donné les spécifications auxquelles doit répondre cet équipement et décrit une vanne automatique qui permet d'assurer à la fois un fonctionnement hydraulique correct aux régimes normaux et exceptionnels, les fonctions réglage de la pression et sécurité et, si on le désire, la fonction comptage.