Un groupe de surpression équipant une installation de distribution d’eau collective ou industrielle doit être apte à satisfaire les besoins en eau, quelles que soient les variations du soutirage dans le temps, et cela avec un maximum de sécurité du service. Les pompes centrifuges couramment utilisées dans ce type d’applications remplissent parfaitement cette fonction, mais, malheureusement, elles ne permettent pas de garantir un niveau de pression constant au point de puisage et, de plus, le coût du m³ pompé augmente considérablement lorsque le débit demandé est faible. Un surpresseur équipé de pompes à vitesse variable apporte une solution définitive et économique aux problèmes de régulation de pression ainsi posés.
Élaboration d’un projet d’installation de surpression
Une installation de surpression permet d’amener à un niveau plus élevé une pression trop basse (ou nulle), existant par exemple dans un réseau d’eau potable, et cela afin de garantir une pression suffisante au point de consommation.
Deux paramètres essentiels sont pris en considération dans le calcul d’un surpresseur : la hauteur manométrique totale et le débit maximal. Or, il est particulièrement difficile d’évaluer le débit exact d’un groupe de surpression, compte tenu de la grande fluctuation des consommations d’eau au cours de la journée et du taux variable d’occupation des bâtiments. Dans un projet, il faut donc évaluer ces éléments en fonction des équipements desservis : habitations, bureaux, exploitations agricoles, procédés industriels, hôpitaux, etc. Différentes méthodes d’évaluation (par abaques ou par le calcul) existent à cet effet ; associées à une bonne expérience, elles permettent de déterminer le débit maximal recherché.
La pompe permettra de fournir l’énergie nécessaire au transfert de ce volume d’eau sous une pression (ou hauteur manométrique totale), qui est la somme de la hauteur statique et de la hauteur dynamique, suivant la formule :
P₂ − P₁ (V₂)² − (V₁)²
H = ——— + Z₂ − Z₁ + ————— + J f (V)²
ρg 2g
H statique H dynamique
dans laquelle les paramètres se définissent comme suit :
P₂ − P₁ / ρg : augmentation de pression statique ou pression résiduelle fournie par la pompe
Z₂ − Z₁ : hauteur géométrique
(V₂)² − (V₁)² / 2g : variation de pression dynamique, avec V = Q/S (si la section S de la tuyauterie est identique de part et d’autre de la pompe, la variation de la pression dynamique est nulle)
J f (V)² : pertes de charge ; l’affaiblissement du courant est fonction du carré de la vitesse moyenne du liquide, donc du débit
Dans la figure 1, schématisant une station de pompage, la caractéristique débit/pression d’une pompe centrifuge est représentée par une courbe plongeante, tandis que la courbe de réseau monte avec l’accroissement des pertes de charge liées au débit. Le point de calage de la pompe sur le réseau se situe alors au point d’intersection des deux courbes. Pour modifier la position de ce point de fonctionnement, deux possibilités s’offrent : soit modifier la courbe de réseau, soit modifier la courbe de pompe.
Modification de la courbe de réseau
Pour modifier la courbe de réseau, il suffit de changer la valeur des pertes de charge en créant artificiellement une résistance locale au moyen d’une vanne. La pression augmentant, le débit diminue et le point de fonctionnement se déplace sur la courbe de la pompe (figure 2). L’un des facteurs déterminants est le coût du m³ pompé. Cette consommation s’exprime par la formule C = P/Q (puissance/débit), autrement dit : QH/ηQ soit H/η.
Le coût du m³ pompé s’accroît donc avec l’augmentation des pertes de charge et la diminution du rendement. Créer artificiellement une résistance revient donc à consommer inutilement de l’énergie. Pour optimiser la consommation, il convient alors de limiter les pertes de charge à une valeur utile et de situer le point de fonctionnement dans la zone de meilleur rendement. D’une façon générale, il est préférable de placer le point de fonctionnement à droite du point de meilleur rendement ; en effet, une installation qui vieillit voit ces pertes de charge augmenter du fait de la corrosion ou de l’entartrage ; dans ce cas, le point de fonctionnement se déplace vers la gauche et le rendement s’améliore. Lorsque le point de fonctionnement se déplace vers la droite de la courbe, les capacités d’aspiration de la pompe diminuent, ce qui entraîne le phénomène de cavitation et le désamorçage de la pompe.
Modification de la courbe de la pompe
Du point de vue de l’exploitation, l’idéal est de positionner le point de fonctionnement par rapport aux débits et pressions requis. Si ces paramètres sont fixes, il est possible d’adapter le diamètre de la roue ; la nouvelle caractéristique de la pompe ainsi obtenue est sensiblement parallèle à la courbe initiale. Le débit et la hauteur sont proportionnels au carré du diamètre si l’usinage du diamètre de la roue n’excède pas 15 % : H/H’ = Q/Q’ = (D/D’)².
La figure 3 montre que la réduction du diamètre de la roue (ou rognage) a également une influence sur la capacité d’aspiration de la pompe et sur la puissance.
Dans le cas d'utilisation d’un surpresseur, la demande en eau varie de façon importante ; il faut donc adapter les caractéristiques de la pompe automatiquement et en permanence (figure 4). En augmentant la vitesse de rotation de la pompe centrifuge, celle-ci fournit plus de débit et de pression, et inversement. Pour toute vitesse de rotation, il est possible de tracer une nouvelle courbe débit/hauteur en respectant les lois de similitude :
Q1/Q0 = (V1/V0) H1/H0 = (V1/V0)²
Il faut noter également que la courbe de rendement se déplace en fonction de la vitesse de rotation, mais que la valeur du rendement pour des points situés sur une parabole semblable à une courbe de réseau est sensiblement constante (figure 5).
La capacité d’aspiration de la pompe est également modifiée par la vitesse de rotation. Dans le cas d’une réduction de vitesse, le NPSH requis de la pompe semblerait diminuer, ce qui serait favorable à une meilleure aspiration et augmenterait la marge de sécurité. En réalité il est nécessaire de retracer les courbes de NPSH requis et de NPSH disponible pour s'assurer que le NPSH requis n'est pas détérioré par la diminution de vitesse. Le croisement des courbes inverse l'effet d'amélioration ou de détérioration du NPSH requis (figure 6).
Pompes en parallèle.
Fonctionnement en cascade
Lorsque la demande fluctue de façon importante, il est judicieux de faire fonctionner plusieurs pompes en parallèle, lesquelles s’enclenchent et se déclenchent successivement en fonction de la demande.
Le démarrage et l’arrêt des pompes sont commandés par la pression qui agit sur deux manostats, l’un réglé pour la pression (Pe) et l’autre pour la pression (Pd). Sur appel de débit la pression chute, la pompe 1 atteint la pression Pe2 et le manostat commande la cascade P1 + P2 puis P1 + P2 + P3. Pour éviter le fonctionnement intempestif des pompes, les seuils de pression Pe2 et Pe3 sont séparés par un intervalle de temps commandé par des temporisations réglées à des valeurs différentes. Sur réduction du débit, les pompes commandées par Pd s’arrêtent en cascade (figure 7).
Dans la plupart des cas, dans les installations de petite ou moyenne importance, la régulation de type manométrique à seuil de pression est tout à fait acceptable d’un point de vue économique comme sur le plan du confort d'utilisation, et cela, bien que le passage d’une pompe à une autre se traduise par une variation de pression de 1 à 2 bars dans les cas les plus courants. Un surpresseur équipé d’une pompe à débit variable permet alors d’éliminer presque complètement la variation de pression et de supprimer le problème de la zone de recouvrement. Ce problème se traduit par l’absence
de pompe en fonctionnement pour un débit donné. La figure 8 montre que le débit (Q2) n’est assuré ni par les pompes 1 + 2, ni par les pompes 1 + 2 + 3 pour un réglage de pressions différentielles ΔP1.
Pompes en parallèle.
Pompes à vitesse variable : régulation de pression constante
La vitesse variable de la pompe est assurée par un convertisseur de fréquence qui agit sur le moteur ; tous les points situés entre A0 et A1 (figure 9) sont obtenus par la variation de vitesse de la pompe 1. Lorsque la pression dans l'installation diminue au-delà du point A1, la pompe 2 se met immédiatement en service à vitesse fixe. La pompe 1 ralentit de façon telle que tous les points situés entre A1 et A2 puissent être obtenus par contrôle de la vitesse variable. La bande PV, dont la largeur est réglable par programmation d’une temporisation, est nécessaire pour accorder aux moteurs un temps de réaction assez long. Ce temps de réaction évite d'incessantes variations de régime des moteurs ainsi que les démarrages et arrêts de pompes lorsque les faibles fluctuations de débit ne sont pas confirmées par un laps de temps suffisant.
Ces fluctuations de pression peuvent encore être temporisées par l’installation d’un réservoir à diaphragme à pression d’air (figures 10 et 10a).
Sur la figure 10a, la pompe (P1) fonctionne à vitesse réduite, la pompe P2 fonctionne à vitesse fixe maximum. Les deux pompes en
parallèle donnent la courbe (P1 + P2). La valeur de la pression de consigne coupe cette courbe au point (A). Lorsque le débit est réduit, le point (A) se déplace en (A’) par réduction de la vitesse de rotation de la pompe (P1). Au point (A’), la pompe (P2) s’arrête et (P1) passe en vitesse maximum. La fluctuation de pression ne dépasse pas 0,2 bar. Généralement la pompe (P1) ne descend pas en dessous de 60 % de sa vitesse maximum. Par exemple, pour une pression maximum de P0 = 5 bars à N0 = 3000 tr/min, en appliquant la règle P1/P0 = (N1/N0)², on trouve pour une vitesse N1 de 1800 tr/min (soit 60 % de la vitesse maximum) P1 = 1,8 bar. Cela signifie que la pompe P2 doit s’arrêter dès que la pression est inférieure à 1,8 bar, car elle ne débite plus et « barbote ».
Pompes à débit variable.
Régulation avec compensation des pertes de charge
Une régulation de type mano-débitmétrique permet de rapprocher la courbe de la pompe de la courbe de réseau, autrement dit de limiter les pertes de charge à la valeur strictement nécessaire au déplacement du liquide. Une pompe à vitesse variable contrôlée par un convertisseur de fréquence, associée à un micro-ordinateur, permet d’obtenir une régulation linéaire dans l’utilisation d’un capteur débitmétrique, et le micro-ordinateur calcule le débit avec une précision suffisante. La valeur minimum (30 % de la pression maximum) est obtenue dès le démarrage de la première pompe à vitesse variable. Lorsque toutes les pompes sont en service, la pression atteint ainsi sa valeur maximum pour un débit maximum (figure 11).
Cette régulation permet de réduire la différence entre pression réelle et pression utile, d’où une réduction importante de la consommation d’énergie particulièrement appréciable.
Dans le cas de grosses installations, le rendement global, dont la caractéristique parabolique est proche d'une courbe de réseau, est, lui aussi, largement amélioré (figure 5).
Rôle du réservoir dans une installation à vitesse variable
Le contrôle de la pression de refoulement est assuré par un capteur de pression qui transmet un signal au régulateur. Si la pression mesurée est inférieure à la pression programmée, le régulateur envoie une information au convertisseur de fréquence pour augmenter la vitesse de la pompe, et inversement. Un capteur de pression placé au niveau de l'aspiration évite le fonctionnement à sec du surpresseur, en interdisant son démarrage. L’application de ce principe simple permet un fonctionnement sans utilisation d’un réservoir ; par contre, celui-ci est indispensable dans un système de régulation manométrique commandé par des seuils de pression maxi et mini, le réservoir jouant alors le rôle de tampon destiné à absorber les faibles variations de pression (figure 9). Le réservoir permet également de maintenir une pression lorsque toutes les pompes sont à l’arrêt. Pour obtenir un fonctionnement stable du surpresseur à vitesse variable, il est recommandé d'utiliser un réservoir à diaphragme : un réservoir de 80 litres, par exemple, est suffisant pour faire face à un débit de 60 m³/h par pompe. Alors que, comme l’indique l’abaque de la figure 13, un surpresseur avec pompes à débit fixe devra être équipé d'un volume de 1000 l environ, dans des conditions extrêmes de fonctionnement comportant jusqu’à 100 démarrages-arrêts par heure. Le faible coût du réservoir, associé à une réduction importante de l'encombrement, devront être pris en compte au moment du choix.
Commande et surveillance des pompes à vitesse variable par micro-ordinateur
Le micro-ordinateur est un système intelligent, qui tient compte de la contexture de l'installation. Ce qui permet une régulation sur la base d’un seul paramètre : la pression de refoulement (solution beaucoup plus simple que celles qui utilisent des systèmes de type PID).
Grâce à la programmation du software, la caractéristique de la pompe est intégrée dans l’algorithme de régulation, programme qui peut être modifié aisément sur place en fonction des conditions d'utilisation.
Le programmateur permet de sélectionner trois courbes de fonctionnement et de passer de l'une à l'autre, grâce à un programme horaire comprenant un maximum de 16 commutations par courbe.
La fiabilité du surpresseur est l’un des critères de choix important. Pour l’assurer, des tests de fonctionnement sont effectués automatiquement sur toute pompe qui n’a pas fonctionné depuis 24 heures. En cas de panne d’une pompe, la suivante entre automatiquement en service, et le défaut, mémorisé, est visualisable sur l’écran frontal (figure 15).
Conclusion
Pendant longtemps, la variation de vitesse des pompes a été considérée comme une solution technique intéressante, mais dont le coût était difficile à amortir. Aujourd’hui toutes les conditions à remplir pour assurer un amortissement rapide des petites et moyennes installations sont remplies par un ensemble compact standard fiable. Celui-ci offre un ensemble de fonctions de régulation, contrôle et surveillance à un coût largement inférieur à celui d’un surpresseur étudié « sur mesure ». Il permet de réaliser jusqu’à 70 % d’économies d’énergie grâce à la compensation des pertes de charge. Cet ensemble qui fonctionne avec des moteurs standards asynchrones bénéficie d’un faible encombrement du réservoir, dont le prix peut être de 8 à 10 fois moins élevé que celui d'un réservoir utilisé dans une installation à pompes fixes.
La suppression des coups de bélier au démarrage et à l’arrêt des pompes, le fonctionnement souple et sans à-coup sont également des avantages non négligeables attachés à ce type d’installation.
