Pompage en ligne (Première partie) : origine, principe et description du système

Aujourd’hui, même si le DIP système®, nouvelle approche du pompage sur le marché, enregistre une bonne progression, il reste méconnu et son fonctionnement mal compris. Lyonnaise des Eaux et la société SIDE Industrie ont donc décidé de consacrer deux articles techniques au DIP système® pour en décrire la technologie et le fonctionnement.

Ce premier article décrit le produit et son fonctionnement pour le rendre familier aux utilisateurs et aux prescripteurs. Il décrit aussi les principales évolutions du DIP système® depuis sa création et ses principaux composants.

L’écoulement dans un poste de pompage équipé d’un DIP système® est un écoulement tourbillonnaire diphasique. Cet écoulement est créé par la pompe à effet vortex et propagé vers l’amont du poste par le coude d’alimentation de la pompe et le raccordement du coude à la conduite d’amenée. Une fois établi, l’écoulement est caractérisé, en amont de la pompe, par la présence d’un vortex ouvert qui aspire de l’air. La traversée du corps de la pompe favorise la fermeture du cœur du vortex et la dispersion de l’air dans l’eau. On retrouve ainsi un écoulement tourbillonnaire diphasique dans le refoulement.

On compte, à la date de rédaction de cet article, à peu près 510 sites équipés du DIP système® en France. Ce système a été conçu en 2000, les premiers prototypes datent de 2001 et il est protégé par un brevet daté de 2002. Le DIP système® reste encore mal connu malgré sa progression sur le marché des systèmes de pompage. De surcroît, le fonctionnement du DIP système® surprend car il bouscule notamment le principe conventionnel du pompage qui veut qu’une pompe centrifuge n’aspire pas d’air pendant son service.

Lyonnaise des Eaux et la société SIDE Industrie, conceptrice et fabricante du DIP système®, ont donc entrepris de restituer, dans deux articles techniques, les conclu-

Mots clés : Eaux usées, roue vortex, vitesse variable, stations ou postes de relevage

Éditions d'une analyse technique commune du fonctionnement du DIP système®.

L'objectif de ces articles est de permettre aux exploitants et aux maîtres d’œuvre de mieux connaître le DIP système®, ses particularités et les préconisations d'utilisation pour faire l'usage le plus approprié de cet équipement dans un contexte donné.

Le présent article est consacré à la description du DIP système®. Il est censé apporter des informations historiques et technologiques à destination des utilisateurs et des prescripteurs.

Origine, gamme, évolutions

Origine

Le DIP système® est, à l’origine, un système temporaire de transfert d’effluents. Construit et conçu par SIDE Industrie, ce système a été conçu pour apporter une réponse adaptée aux besoins des exploitants en permettant :

• • d’assurer la continuité du transit des effluents en pompant au fil de l'eau, pendant une intervention sur un poste de pompage, sans utiliser de volume de marnage et de préserver ainsi le milieu naturel de déversements intempestifs ;
• • une mise en œuvre rapide et fiable (absence de bouchage…) ;
• • d’offrir des conditions d’intervention plus sûres et des conditions améliorées d'hygiène.

Quelques avatars de chantier ont conduit à laisser le DIP système® en place plus longtemps que prévu. Dans certains cas, le système a fonctionné plusieurs semaines, voire plusieurs mois, sans interruption et sans la moindre défaillance. L'idée est alors née d'utiliser ce système comme un équipement de pompage permanent pouvant être implanté aussi bien lors de la réhabilitation d’un poste existant que dans le cadre de la création d'une nouvelle unité de pompage.

Description

Le poste de pompage équipé du DIP système® est un poste en fosse sèche connecté directement au réseau gravitaire. Les équipements composant le DIP système® sont identifiés sur la figure 1. En général, le DIP système® est composé de deux pompes (figure 2) mais certains modèles peuvent être fournis avec une seule pompe (figure 3).

Dans un poste conventionnel correctement conçu, on s’efforce de maintenir le plan d’eau sous la cote du fil d’eau d’arrivée dans la bâche. Cet arrangement a pour objectif d'imposer à l’écoulement de passer par une section critique dont la présence s'oppose à la transmission de l'influence du niveau d'eau dans la bâche sur le niveau d'eau dans le réseau.

Dans un poste rénové équipé d’un DIP système®, l'écoulement ne passe par une section critique que si le DIP système® est de troisième génération (figure 9). Dans les autres cas, l'écoulement dans la conduite d’amenée peut subir une influence aval, déterminée par le tirant d’eau à l’entrée du DIP système®.

En pratique, cette influence aval peut être réduite à son minimum en procédant à un réglage correct, à la mise en route, de la valeur de consigne du niveau de pompage en régime permanent.

De plus, SIDE Industrie recommande de créer, en amont du poste, un tronçon de réseau d’environ 5 m de longueur dont la pente est de 1 cm/m pour faire apparaître une section critique dans le regard en amont du poste et regrouper les arrivées dans un regard distant du DIP système®.

Principe de codification commerciale

L'acronyme DIP est l’abréviation de Direct In Line Pump System (Système de pompage direct en ligne). Le principe de la codification commerciale est présenté ci-après.

Tableau 1 : Principe de codification commerciale des produits DIP système®

La classification commerciale des produits DIP système® est indiquée dans le tableau 1.

Gamme de produits

Il existe aujourd’hui 56 modèles dans la gamme de produits, avec différentes motorisations.

Courbe type

La courbe type est illustrée par la figure 4 ; elle délimite une plage de fonctionnement dans laquelle se déplace la courbe de performance de la pompe en fonction de la vitesse de rotation de la roue (en version de base, le DIP système® fonctionne en vitesse variable).

Évolutions du DIP système® depuis sa création

On compte trois générations dans la gamme de produits DIP système®. Dans sa première génération (figure 5 et figure 7), le montage fonctionne comme suit :

• • La roue vortex amorce un tourbillon ;

Le passage de la première à la seconde génération est marqué par le remplacement de la forme inférieure et du cône par un coude. La troisième génération de DIP système® bénéficie d’une évolution récente (2007) de la géométrie de la conduite en amont des raccordements aux pompes : l’entrée est fortement coudée vers le bas.

Technologie et fonctionnement

Construction et assemblage

Les pièces sont chaudronnées en acier inoxydable. Les découpes sont exécutées au laser ou au plasma et les soudures par les procédés TIG et MIG Pulsé. Toutes ces opérations sont réalisées dans les ateliers de SIDE Industrie à Villemer (Seine-et-Marne), ainsi que les essais sur un banc d’essai conçu pour les produits DIP système®. SIDE Industrie n’externalise que :

• • La construction des moteurs d’entraînement, préparés selon ses spécifications ;
• • La construction des automates de pilotage, chargés d’un programme propriétaire ;
• • La construction des instruments de contrôle, préparés selon ses spécifications ;
• • La robinetterie et la vantellerie.

SIDE Industrie peut apporter son concours pour la sélection des modèles, la conception de l’installation, l’assistance à la pose et à la mise en route des postes équipés de ses systèmes.

Raccordement au réseau

Les pompes sont raccordées directement au réseau par une canalisation en acier inoxydable boulonnée sur une platine fixée sur la paroi du poste (figure 11). Le poste peut être isolé du réseau par une vanne de sectionnement (figure 10).

Pompe

Type de roue et corps de pompe

Il existe deux types de roue suivant la gamme de caractéristiques demandées, soit une roue vortex radiale bidirectionnelle (figure 13), soit une roue quadri-canal ouverte directionnelle pour les gros débits (figure 14). Elles sont toutes fabriquées par chaudronnerie en acier inoxydable. La première est une roue vortex typique : elle a des aubes radiales et c’est une roue

Charge nominale : courbe de performance à vitesse nominale d’entraînement ;

Charge minimum : courbe de performance à la plus petite vitesse d’entraînement ;

Partie étiquetée « 2 » : limite des courbes de performance imposée par la puissance du moteur d’entraînement ;

Partie étiquetée « 3 » : limite des courbes de performance imposée par l’hydraulique de la volute et de la roue.

ouverte. Les aubes ont deux hauteurs et sont alternativement hautes et basses. Les pales qui constituent les aubes sont aptes à réduire les corps rigides longs qui pourraient s'introduire dans la volute, de façon à éviter le recours au dégrillage préalable. Le second type de roue permet d’atteindre des rendements plus élevés pour les pompages à fort débit.

Dans une pompe à effet vortex, une petite fraction seulement de l’écoulement traverse la roue, le reste est véhiculé par effet induit car les pompes à effet vortex sont le siège d'une double circulation, l'une tangentielle et l'autre méridienne. La combinaison des deux circulations, tangentielle et méridienne, donne à la trajectoire d'une particule la forme d'une hélice, ou d'un tire-bouchon, enroulée sur un cercle. On observe donc un mouvement d’ensemble de la masse liquide qui est illustré par le schéma n° 1 de la figure 12 et un mouvement des particules le long du parcours de la masse liquide, ce mouvement est illustré par le schéma n° 2 de la figure 12. L’aptitude particulière des pompes à effet vortex à véhiculer des fluides qui sont à la fois (ou successivement au cours d’un process) érosifs et abrasifs, porteurs de fibres, porteurs de gros corps solides découle de ce que la majeure partie de l’écoulement ne passe pas par la roue de la pompe. Cette aptitude particulière, conjuguée avec la forme hémisphérique du fond de volute (figure 15) qui laisse de l’espace entre la roue et le fond de la volute, explique qu'une torche de filasses peut s'accrocher sur la roue vortex sans affecter notablement la capacité hydraulique de la pompe. En effet, comme une roue vortex agit indirectement sur le fluide (c’est-à-dire que le fluide n’est ni guidé par les aubes, ni forcé à circuler entre les aubes), cette action indirecte est peu affectée par une torche qui vient se loger sur la roue s'il y a suffisamment d’espace dans le fond de volute pour que le vortex puisse continuer à se développer malgré les solides plaqués sur la roue.

Écoulement tourbillonnaire à l’entonnoir

En fonctionnement, le DIP Système™ entretient un vortex ouvert et pompe donc de l’air et de l'eau. Le vortex est induit par le mouvement de la roue de la pompe. Il naît sur une interface et se termine sur une autre interface. Le vortex se creuse donc à la surface du liquide, dans le collecteur d’amenée, et se termine en aval de la pompe. Le Hydraulic Institute propose une classification des vortex (figure 16). Malheureusement, nous ne disposons pas de résultats expérimentaux qui permettent de relier ces six types de vortex aux régimes de fonctionnement des pompes du DIP système®. Il est cependant très probable qu’en régime établi, les vortex à l’amont du DIP système® soient de type 5 ou 6. Le raccordement latéral et le coude introduits à la seconde génération entretiennent l’effet tourbillonnaire amorcé par la roue. La description de l’écoulement dans un coude écrite par A. Lencastre (1995) permet de comprendre la contribution du coude en amont du corps de pompe :

« Un coude provoque une perturbation dans l’écoulement, par suite de l'augmentation de pression (et de la diminution corrélative de la vitesse) qui se produit dans la partie extérieure de la courbe et de la diminution de pression (et de l'augmentation corrélative de la vitesse) dans la partie intérieure. Cette différence provoque une modification de la forme de l’écoulement et un tourbillon double se produit dans la section transversale de la conduite. L’influence de ce tourbillon persiste sur une longueur considérable de la conduite, en aval du coude (à peu près 50 fois le diamètre de la conduite) ».

T Les résultats théoriques de la cinématique des liquides appliquée à l’écoulement tourbillonnaire, en particulier les théorèmes de Helmholtz (in IL RHYMING, 2004) énoncent qu'un tube tourbillonnaire ne peut prendre naissance ou disparaître qu’aux surfaces, frontières du fluide.

Les commentaires faits par A. Lencastre pour le coude s’appliquent à la bifurcation qui correspond à la soudure du coude sur la canalisation d’amenée. Le coude et la bifurcation ajoutent leur contribution à celle de la pompe pour créer un écoulement tourbillonnaire qui envahit la conduite d’amenée.

Le coude à l'entrée introduit à la troisième génération favorise la mise en place d’une section critique dans l’écoulement qui isole en permanence le DIP système® du réseau et évite que le pompage ne crée d’influence aval qui perturberait l’écoulement dans le réseau.

Le montage d’un DIP système® à deux pompes est symétrique de part et d’autre du plan sagittal de la conduite d’amenée. Par conséquent, le sens d’enroulement du mouvement en spirale dans la bifurcation, le coude et la pompe de droite est opposé au sens d’enroulement du mouvement en spirale dans la bifurcation, le coude et la pompe de gauche. Il est donc tout à fait indispensable que les deux moteurs tour-

nent dans des sens de rotation opposés et que le sens de rotation de chaque moteur soit compatible avec le sens d’enroulement du mouvement en spirale dans la bifurcation et dans le coude en amont de la pompe.

Dent de dilacération optionnelle

La dent de dilacération n’est justifiée que pour les petits modèles dont le diamètre de refoulement est de 70 mm et pour les applications où il y a risque d’obstruction du refoulement par des corps encombrants. La dent de dilacération est donc installée pour prévenir des bouchages mais elle altère les caractéristiques hydrauliques.

Étanchéité au droit de l’arbre menant

Pour son mode de fonctionnement principal, le DIP système® produisant un pompage diphasique, très aéré, à régimes variables, l’étanchéité est en standard de type dynamique. Ce sont des bagues radiales en élastomère, sans huile, dont la lèvre (unitaire ou multiple suivant la taille) est appliquée sur la portée d’arbre par la pression à l’arrière de la roue. Ce montage autorise une marche à sec prolongée et est très peu sensible à la cavitation. Une version supérieure de ce montage est le système d’étanchéité VICAP (paragraphe 3.3.6). Pour les pressions très élevées ou pour un fonctionnement en pompage monophasique (sans air), en aval d’une bâche par exemple, l’étanchéité est de type mécanique, sans huile, refroidie par le liquide pompé.

Système VICAP

Le système VICAP, introduit en 2007, se compose de trois éléments principaux :

• • Un orifice de prise d’air ambiant, à l’extérieur du bloc pompe ;
• • Une bague à lèvre souple en fluoréthylène dont la lèvre s’appuie légèrement sur l’arbre qui entraîne la roue ;
• • Des ailettes radiales sur la face dorsale de la roue de la pompe.

La pose d’ailettes sur le côté haute pression des roues est une technique utilisée pour équilibrer la poussée axiale sur les roues radiales des pompes centrifuges. Les ailettes contribuent à abaisser la pression sur la face haute pression en créant des courants de recirculation. Dans le cas du DIP système®, les ailettes peuvent favoriser l’entrée d’air si la pression s’abaisse sous la pression atmosphérique (augmentée de la résistance à la flexion de la lèvre). Il faut que le DIP système® fonctionne pendant un certain temps à un régime minimum pour que le mouvement du fluide sur la face haute pression de la roue atteigne un régime stable propice à laisser entrer l’air.

Boîte à clapet et clapet à battant

Les deux pompes du DIP système® sont raccordées à une seule colonne de refoulement. Un clapet à battant, installé dans une boîte à clapet contenue dans le corps commun, s’oppose au reflux du liquide pompé à travers le corps de la pompe à l’arrêt. En cas de rotation des deux pompes simultanément, le battant trouve une position médiane par équilibrage des pressions de refoulement de chaque pompe.

Industrie. L'automate ajuste la vitesse des pompes et le nombre de pompes en marche de manière à maintenir le tirant d’eau au plus près de la valeur de consigne de la variable régulée.

Les grandeurs de contrôle des conditions de fonctionnement sont notamment :

• • Les paramètres de fonctionnement du moteur : l'intensité appelée aux bornes, la tension, la fréquence et le couple. Si la pompe fonctionne à vide, l’intensité appelée et le couple baissent ; si un corps étranger obstrue la pompe, le couple résistant opposé au moteur augmente et l'intensité appelée aux bornes augmente ;
• • L'absence ou la présence d’un signal de mesure en provenance de la sonde de mesure du tirant d'eau :
  • – Si ce signal est absent ou défectueux, le coffret pilote la pompe en mode dégradé, c’est-à-dire à vitesse fixe réglable ;
  • – En mode dégradé, le système ausculte les indicateurs de fonctionnement du moteur pour piloter le DIP système® ; seul le débit entrant régule alors le débit de sortie.

En outre, il est indispensable que les deux pompes fonctionnent à la même pression (lorsqu’elles fonctionnent en parallèle) pour que le clapet à battant reste ouvert pour les deux pompes.

Matériel de contrôle-commande

Le matériel utilisé par SIDE Industrie est robuste et nécessite peu d’entretien. Les retours d'expérience montrent cependant qu’une inspection périodique doit être programmée à titre préventif.

produit par la société Vacon Plc, établie à Vaasa, en Finlande. Ce matériel peut commander simultanément jusqu’à quatre pompes, ventilateurs ou compresseurs. En pratique, le DIP système® ne comportant qu’un ou deux moteurs par groupe, le système proposé par Vacon Plc est bien adapté aux besoins de SIDE Industrie. Pour des applications à très grand débit, deux groupes de deux pompes peuvent fonctionner en tandem. Le coffret de pilotage comprend deux entités principales :

• • Un convertisseur de fréquence ;
• • De l’intelligence artificielle, programmée sur des cartes électroniques, et logée dans le coffret de pilotage.

Dans les systèmes traditionnels, un seul convertisseur de fréquence est raccordé aux moteurs des pompes par une série de contacteurs et de relais. En revanche, le système employé par SIDE Industrie s’appuie sur le principe « un moteur/un convertisseur de fréquence ». Chaque moteur est commandé individuellement par un convertisseur de fréquence (figure 20 et figure 21).

De plus, toute l’intelligence nécessaire aux variateurs est intégrée dans les convertisseurs de fréquence, sans qu’il soit nécessaire de prévoir de contacteurs distincts, de blocs de contacteurs supplémentaires ni leurs circuits logiques associés. Chaque moteur est donc commandé par un équipement complet comprenant un convertisseur et son intelligence artificielle programmée dans le coffret de pilotage.

Redondance

Chaque variateur est une unité de commande et est raccordé à la sonde de mesure de tirant d’eau. Une défaillance dans une partie quelconque du système stoppe l’entraînement lié. La communication continue entre les unités de commande permet d’adapter le système à toutes situations particulières. Ainsi, en cas de coupure du variateur maître, la pré-programmation assure le transfert automatique de ses fonctions sur l’autre variateur. Le transfert pré-programmable de la fonction maître d’un variateur à un autre permet, par exemple, d’assurer une répartition uniforme de l’usure et du vieillissement entre les entraînements.

L’unité contient le convertisseur de fréquence et les cartes sur lesquelles sont programmés les logiciels utilisés pour l’application développée par SIDE Industrie.

Instrumentation

Le DIP système® est équipé de deux sondes : une sonde piézométrique mesure le niveau d’eau à l’amont immédiat des pompes à laquelle peut s’ajouter, en option, un indicateur de débit (sonde électromagnétique à insertion) placé sur le refoulement de l’installation.

La sonde de mesure de hauteur est à membrane affleurante. Elle a une plage de mesure de 0 à 10 m avec une précision de 1 cm et délivre un signal 4-20 mA. Ce signal étant recopié aux bornes de la platine de commande pour pouvoir être raccordé à une télégestion, sa plage de mesure est utilisée également pour déclarer des seuils

d'alertes ou de trop-plein. Depuis juillet 2007, toutes les sondes livrées par SIDE portent l'indice de protection IP68 et sont équipées de 10 m de câble étanche blindé.

L'indicateur de débit proposé par SIDE Industrie est un débitmètre électromagnétique à insertion. Le phénomène physique qui est utilisé par le capteur pour faire la mesure est le même que celui qui est utilisé par un débitmètre électromagnétique annulaire, à ceci près que le champ électromagnétique généré est concentré aux abords du doigt de mesure (19 mT à 1 cm) et non pas dans toute la section de la conduite. Le débitmètre électromagnétique à insertion fait une mesure de la vitesse en un point situé à une distance maximum de 2 cm de la paroi de la conduite. La conversion de cette lecture ponctuelle en une valeur moyenne en rapport avec le diamètre intérieur de la conduite est assurée par l’électronique qui est associée au capteur.

Ces appareils peuvent être calibrés sur site, notamment par la vidange d’un volume connu (camion-citerne). Ils sont capables d'intégrer dans leur électronique une erreur mesurée au cours du calibrage. L'expérience de la calibration par un volume connu montre que le procédé de mesure par débitmètre électromagnétique à insertion permet d’indiquer le débit du flux aérien au refoulement d’un système DIP avec une incertitude relative de 10 %. Cette incertitude relative peut être ramenée à 4 % dès lors que les conditions d’implantation et de mise en service recommandées sont respectées.

La conversion de la lecture ponctuelle en valeur moyenne peut être entachée d’erreurs, notamment à cause des sources d’incertitudes suivantes :

• La connaissance incertaine du champ de vitesses de l’écoulement dans la section où est placée la sonde de mesure : le champ de vitesses à l’aval du système DIP n'est pas un champ axial, ce qui ne respecte pas l'une des hypothèses de base utilisées dans la mesure avec un débitmètre électromagnétique ;  
• La position exacte de la sonde dans la section de mesure, définie par les variables suivantes :  
  – Position sur l’axe de symétrie cylindrique de l’écoulement ;  
  – Perpendicularité à l’axe de l’écoulement dépendante du montage.

Un débitmètre électromagnétique (à insertion ou annulaire) ne fonctionne pas précisément lorsque l’écoulement transporte des bulles d’air. Il est probable que ces dernières affectent la conductivité du liquide lorsqu’elles sont en grand nombre.

Ajout fait sur le courbier pour les besoins de l'explication. Cette étiquette n'apparaît pas sur les courbiers du constructeur. Même remarque que pour la portion étiquetée « 2 ».

Références bibliographiques

A. Lencastre – Hydraulique générale, 633 pages. Éditeur : Eyrolles. Édition revue et augmentée. Langue : français. ISBN-10 : 2212018940. ISBN-13 : 978-2212018943. 1995.

Inge L. Ryhming – Dynamique des fluides, 484 pages. Éditeur : Presses Polytechniques et Universitaires Romandes – PPUR; édition : 3e, collection : PU Polytec Rom. Langue : français. ISBN-10 : 2880744091. ISBN-13 : 978-2880744090. 2004.