TG-LL
Mécanique des fluides
Généralités sur les stations de pompage
Introduction :
La station de pompage regroupe l’ensemble des appareils (pompes, moteurs, transformateurs…) ainsi que divers équipements de commande, de régulation et protection des installations (contacteur, disjoncteur, pressostat, horloge.) Pour des raisons de sécurité et de fiabilité, une station de pompage est normalement équipée de:
• deux sources d’alimentation en énergie (réseau et groupe électrogène de secours).
• deux ou plusieurs pompes montées en parallèle.
En général, elle dispose soit de deux pompes pouvant débiter chacune le débit maximum nécessaire aux bassins d’élevage et fonctionnant alternativement, soit de trois groupes débitant chacun la moitié du débit maximum et fonctionnant par deux, le troisième servant de secours.
Station de pompage pour groupe centrifuge de surface :
Elle est constituée par un local abritant la pompe sur laquelle se raccordent obligatoirement une conduite d’aspiration et une conduite de refoulement.
Certaines règles sont à respecter pour l’installation de ces canalisations. Le point le plus important étant de veiller à ce que la canalisation d’aspiration soit protégée contre toute entrée ou accumulation d’air pouvant entraîner le désamorçage de la pompe.
Station enterrée pour pompe immergée :
Ces stations sont constituées par une cuve de section rectangulaire ou de préférence circulaire enfoncée dans le sol à un niveau inférieur au niveau de la mer afin que la cuve puisse être alimentée par gravité, les groupes ne travaillant qu’au refoulement. On distingue deux types de stations enterrées selon le groupe de pompage utilisé :
Dans le cas d’un groupe à turbine, la cuve ne comporte qu’un seul compartiment d’aspiration.
Dans le cas d’une pompe à hélice, la cuve comporte deux compartiments:
• une chambre d’aspiration ou partie basse dans laquelle débouche la prise d’eau,
• une chambre de relèvement ou partie haute dans laquelle la pompe élève l’eau jusqu’à la conduite d’évacuation.
Les pompes à hélice sont disposées à l’intersection des deux chambres qu’elles séparent hermétiquement. Toute station enterrée doit comporter une vanne sur la conduite d’arrivée permettant d’isoler la cuve de la mer pour effectuer la vidange de celle-ci en vue du démontage des groupes et de leur entretien.
Prise d’eau en mer :
Il existe plusieurs types de prise d’eau généralement utilisée pour alimenter hydrauliquement une installation de pompage d’eau de mer. Ces prises d’eau se classent en deux catégories :
• les prises d’eau par aspiration.
• les prises d’eau gravitaires.
Prise d’eau par aspiration :
Elle constitue la conduite d’aspiration d’un groupe de pompage de surface. Cette conduite a un trajet, en partie terrestre et en partie maritime, lequel doit être plus ou moins protégé selon l’exposition du site. Son extrémité est équipée d’une crépine évitant l’entrée de corps étrangers pouvant endommager la pompe ainsi que d’un clapet qui empêche la canalisation de se vider lors des arrêts de pompage. Dans le cas de plage (sable), la conduite d’aspiration peut être constituée par un réseau de drains.
Prise d’eau gravitaire :
Si le site est bien protégé, la prise d’eau peut être un simple canal d’amenée. En mer, on prévoit généralement une canalisation protégée par des enrochements.
Une variante peut être un petit canal enserré entre deux épis protégeant l’extrémité de la canalisation alimentant la station. Cette formule plus coûteuse a l’avantage de disposer d’une prise d’eau accessible, d’un entretien facile, ce qui n’est pas le cas de la canalisation noyée dans un épi.
Conception d’une station de pompage :
Les développements spectaculaires de l’informatique ont permis la mise au point de techniques d’études très puissantes avec lesquelles il est possible de simuler de très nombreuses hypothèses d’équipements et de fonctionnement pour connaitre très vite les résultats d’exploitation qui en découlent et notamment la consommation énergétique.
Des programmes de calculs sophistiqués sont maintenant au point et permettent de tenir compte de très nombreux paramètres :
– puissance souscrite.
– tarification retenue.
– nombre de démarrage des pompes.
– consommation des abonnés.
– pertes de charge dans le réseau.
– niveaux de réservoirs d’aspiration.
– niveaux de réservoir de refoulement.
– stock de sécurité aspiration.
– stock de sécurité refoulement.
– temps de marche des pompes.
Les résultats relatifs à l’énergie peuvent être exprimés directement en énergie spécifique ou en coût. Le concepteur d’une station de pompage peut ainsi tester divers types de pompes divers modes de gestion ou à contrario déterminer les caractéristiques des pompes à installer en fonction de résultats qu’il s’est préalablement fixé pour d’autres paramètres.
Muni des caractéristiques à obtenir, il est alors possible de faire appel aux constructeurs pour choisir définitivement le matériel. En dehors des règles générales exposées plus haut, nous voudrions préciser quelques problèmes particuliers relatifs aux pompes, à la variation de vitesse et aux automatismes.
Pompes :
Les moyens informatiques mis maintenant à la disposition des concepteurs permettent de réaliser des études très précises pour déterminer les caractéristiques des pompes. On peut ainsi comparer très rapidement les résultats que l’on obtiendra avec différentes pompes ou combinaison de pompe. Il est cependant nécessaire de rappeler quelques points importants.
Les constructeurs ont réalisé ces dernières années par des études plus poussées, grâce aux moyens informatiques, progrès sensibles dans les rendements des pompes ; 2 à 3% d’amélioration ont ainsi pu être obtenus grâce à de meilleures traces hydrauliques. De même, le meilleur rendement peut être maintenu dans une plage de débit non négligeable, on obtient ainsi une courbe de rendement très plate.
Enfin, il peut paraitre inutile de rappeler l’influence néfaste sur le rendement de rognage des roues [2].
Variation de vitesse :
Ce procédé est de plus utilisé dans l’application de pompage et d’irrigation. Il permet outre l’économie d’énergie, de s’adapter aux conditions requises par l’hydraulique.
Les convertisseurs électroniques permettant cette variation sont fabriqués en grandes séries et utilisent généralement des circuits à microprocesseur leur conférant fiabilité, précision, facilité d’adaptation, et mise en œuvre simplifiée.
La vitesse variable permet de maintenir a tous les instants de fonctionnement de la pompe le rendement maximal il est en effet toujours possible, en augmentant ou en diminuant la vitesse de faire en sorte que le point de fonctionnement se trouve sur la courbe d’équirendement maximum. Il découle de ces propriétés que le rendement moyen annuel d’une telle pompe est quasiment égal au rendement maximal. Il faut enfin prendre soin d’équiper la pompe de la roue maximale afin d’éviter toute perte due au rognage.
Nous insisterons cependant sur le fait qu’il ne faut jamais considérer la vitesse variable comme la panacée pour obtenir des économies d’énergie. Il suffit pour s’en convaincre de se rappeler que l’introduction d’un très bon système de variation de vitesse dans le dispositif d’entrainement d’une pompe fait chuter le rendement global du groupe de (1.5 à 2 %) puisque le rendement maximal des systèmes de variation de vitesse avoisine au mieux (98 – 98.5%).
Ce n’est donc qu’après une étude complète et approfondie des conditions à remplir que l’on jugera de la nécessité et de l’intérêt de son emploi .Le calcul du rendement moyen annuel avec la technologie à vitesse variable est plus complexe et il est souhaitable de confier la réalisation d’une telle installation à un responsable unique pour l’ensemble pompe, moteur, variateur.
Automatismes :
Depuis quelques années, les automates programmables industriels ont fait leur entrée dans la station de pompage. Ils effectuent très simplement toutes les sécurités et séquences de fonctionnement.
Cependant, leur puissance de calcul permet :
• d’effectuer directement et en continu les calculs des ratios de fonctionnement : énergie spécifique rendement et de prévenir immédiatement de toute dérive importante,
• de réaliser des automatismes plus poussés autorisant d’aller plus loin dans l’optimisation de la gestion.
C’est ainsi que l’on peut écrire, d’une manière simple des programmes permettant d’éviter tout dépassement de puissance souscrite au contrat d’alimentation en énergie électrique dans le but d’éliminer les pénalités.
Mais il est aussi possible de composer des programmes d’automatismes donnant un fonctionnement plus optimisé qu’une simple marche sur 1, 2 ou 3 tranches de niveau. L’automate programmable est capable de surveiller le tirage, et compte tenu du contrat d’alimentation en énergie électrique souscrit, d’ajuster la marche de la station de pompage en moindre coût.
Environnement des stations de pompage :
Il faut noter que les stations de pompage sont des ouvrages peu polluants, et de plus souvent situés dans des zones rurales, loin de toutes les habitations. Cependant nous avons estimé nécessaire d’attirer l’attention des concepteurs sur deux problèmes.
– la transmission des bruits et des vibrations, problèmes en général mals connus et délicats à résoudre.
– les odeurs dégagées par les effluents dans le cas de stations de relèvement d’eaux usées.
Ce sont aussi des ouvrages présentant, en général, peu de danger pour le personnel d’exploitation sous réserve de prendre, dés la conception, un certain nombre de dispositions.
Figure II.1 : Environnement d’un matériel
Bruit et vibrations dans les stations :
Le problème du bruit et des vibrations causées par les installations de pompages ne sont pas nouveaux. Il apparaît de façon plus aigue aujourd’hui, en raison de l’exigence de confort qui se développe.
Les bruits les plus aigus sont les plus pénibles à supporter, mais les plus faciles à absorber ou à arrêter, la fréquence propre de la plupart des matériaux étant basse.
Par contre, les sons graves sont difficiles à absorber et se propagent très facilement. En effet, les hautes fréquences se transmettent par l’air et se réfléchissent sur les parois où il est facile de les absorber, alors que les basses fréquences se transmettent par la structure même du bâtiment [5].
L’isolation phonique obéit à d’autres règles que l’isolation thermique avec laquelle elle est souvent confondue, ainsi l’utilisation de cloisons ou de verres doubles est en général de peu d’effet, le poids étant le paramètre essentiel.
Par contre, une bonne isolation phonique conduit à réduire au minimum les ouvertures, où à y placer des obstacles (chicanes, silencieux) à la propagation des sons, qui ont pour effet de limiter la ventilation naturelle du local.
Origine des bruits :
Groupe électropompe :
Dans un groupe électro pompe fonctionnant normalement la pompe fait peu de bruit, le moteur est l’origine du problème, Ces bruits sont :
– Mécaniques (roulements, accouplements).
– Magnétiques.
– Aérodynamiques (ventilations).
C’est toujours la ventilation qui est responsable des bruits les plus puissants et les plus désagréables. Ceci est du en partie au fait que pour réduire le rapport poids/puissance des machines et améliorer l’utilisation de leur partie actives, il a fallu constamment accroître les débits et vitesses de l’air, provoquant ainsi inévitablement une augmentation du bruit aérodynamique. D’autre part, on maîtrise mieux les bruits électromagnétiques que précédemment.
Dans la pratique et bien qu’il n’y pas de loi absolue, le bruit s’accroît avec la puissance du moteur et avec sa vitesse. Ce sont donc les gros moteurs à 3000tr/mn qui seront les plus bruyants. Mais d’une façon générale, c’est le ventilateur qu’on entend le plus.
Sauf dans le cas de cavitation, phénomène par ailleurs dangereux pour la pompe, puisqu’elle conduit non seulement à des chutes de rendement, mais à l’érosion des matériaux en contact avec le fluide [5].
Canalisations et appareils hydrauliques :
Aux vitesses élevées, on peut observer des bruits de turbulence dans les canalisations, mais dans le niveau demeure très inférieur aux perturbations acoustiques engendrées par les machines tournantes.
La cavitation dans les vannes et autre appareils hydrauliques constitue généralement la plus important si on a placé un réservoir anti-bélier à l’aval immédiat du clapet et le bruit des compteurs volumétriques qu’on observe parfois et qui est du au piston sur les parois [5].
Vibrations :
Les fréquences aigues se transmettent par l’air en se réfléchissant sur les parois ou il est facile de les absorber, alors que les basses fréquences sont plus difficiles à arrêter parce qu’elles se transmettent par la structure même des matériaux.
On peut classer parmi ces bruits à basse fréquence les vibrations transmises par les machines tournantes. Leur fréquence est égale à la vitesse de rotation de la machine :
50 Hz pour les machines à 3 000 tr/mn.
25 Hz pour les machines à 1500 tr/mn.
Non seulement ces vibrations à basse fréquence peuvent avoir un effet néfaste sur les appareils situés à proximité et provoquer une usure anormale des pièces mécaniques telles que les roulements, mais elles se transmettent par le sol, le génie civil, et les canalisations, parfois sur de longues distances. Si leur amplitude est suffisante (de l’ordre du micron), et si leur fréquence est suffisante (supérieure à 15 Hz) elles peuvent même devenir audibles [2].
Vibrations liées aux écoulements dans les pompes :
Vibrations d’origine mécanique :
Ces vibrations proviennent avant tout :
du moteur et de son système de ventilation.
du rotor (balourd mécanique, déformations, thermique).
des paliers, roulements et engrenage.
Vibrations d’origine hydraulique :
Ces vibrations sont liées à la circulation des fluides dans la machine (roue, diffuseur, tuyauteries et composants associés).
Balourd hydraulique :
En plus du balourd d’origine mécanique, on peut rencontrer dans les pompes, une force tournante engendrée par les dissymétries de pression sur les roues. En effet, lors de la fabrication des aubes, il subsiste des différences géométriques dans le profil des roues qui sont cause de légères dissymétries de pression. L’intégrale de ces dissymétries de pression sur la surface de la roue crée le balourd hydraulique. Ce balourd hydraulique d’une pompe varie avec les conditions de fonctionnement.
Joints :
La présence de joints dans les pompes a un effet bénéfique sur l’amortissement des vitesses critiques du rotor .mais, ils se comportent comme des paliers hydrodynamiques et créent des efforts d’autant plus importants que les jeux sons faibles.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Rappels de cours de mécanique des fluides
I.1 Introduction
I.2 Débit
I.2.1 Débit-masse
I.2.2 Débit-volume
I.2.3 Relation entre débit masse et débit volume
I.2.4 Ecoulements permanents ou stationnaires
I.3 Equation de conservation de la masse ou équation de continuité
I.3.1 Définitions
I.3.2 Conservation du débit
I.3.3 Expression du débit en fonction de la vitesse
I.3.4 Vitesse moyenne
I.4 Théorème de BERNOULLI
I.4.2 Cas d’un écoulement (1) (2) sans échange de travail
I.4.3 Cas d’un écoulement (1) (2) avec échange d’énergie
I.5 Application du Théorème de Bernoulli
I.5.1 Tube de Pitot
I.5.2 Phénomène de Venturi
I.6 Viscosité
I.6.1 Viscosité dynamique
I.6.2 Viscosité cinématique
I.7 Pertes de charges
I.7.1 Les différents régimes d’écoulement : nombre de Reynolds
I.7.2 Théorème de Bernoulli appliqué à un fluide réel avec pertes de charge
I.7.3 Expression des pertes de charge
I.7.3.1 Influence des différentes grandeurs
I.7.3.2 Pertes de charges systématiques
I.7.3.3 Pertes de charge accidentelles
I.7.4 Théorème de Bernoulli généralisé
Chapitre 2 : Généralités sur les Stations de pompage
II.1 Introduction
II.2 Station de pompage pour groupe centrifuge de surface
II.2.1 Station enterrée pour pompe immergée
II.2.2 Prise d’eau en mer
II.2.2.1 Prise d’eau par aspiration
II.2.2.2 Prise d’eau gravitaire
II.3 Conception d’une station de pompage
II.3.1 Pompes
II.3.2 Variation de vitesse
II.3.3 Automatismes
II.4 Environnement des stations de pompage
II.4.1 Bruit et vibrations dans les stations
II.4.1.1. Origine des bruits
II.4.1.2. Vibrations
II.4.1.3. Vibrations liées aux écoulements dans les pompes
II.5 Entraînement et systèmes auxiliaires
II.5.1 Types d’entraînement
II.5.1.1. Moteurs électriques
II.5.1.2. Moteurs diesel
II.5.2. Transmissions moteur-pompe
II.5.3. Choix de la puissance et du couple moteur
II.6 Installation des pompes centrifuges
II.6.1 Préparation pour l’embarquement
II.6.2. Entretien de l’équipement sur le champ
II.6.3. Location de la pompe
II.6.4 Fondations
II.6.5 Alignement
II.6.6 Tuyauterie
II.6.6.1. Aspiration
II.6.6.2 Refoulement
II.6.6.3 Contraintes de la tuyauterie
II.6.6.4 Joints d’extension
II.6.6.5 Filtres d’aspiration
II.6.6.6 Event et Purge
II.6.7. Robinets
II.6.7.1 Fonctions des robinets
II.6.7.2 Paramètres déterminant le choix de pompe
II.6.8 Amorçage
II.6.9 Contrôles avant le démarrage
II.6.10. Procédures de démarrage et d’arrêt
Chapitre 3 : Constat de la station de pompage « ALZINC »
III.1 Introduction
III.2 Présentation de l’entreprise AL ZINC
III.3 Station de pompage de la société “ALZINC”
III.3.1 Appareils de la station
III.3.1.1 Alimentation de l’installation
III.3.1.2 Centrale de vide
III.3.1.3 Filtres
III.3.1.4 Robinetteries de la station
III.3.1.5 Organes de manutention
III.3.1.6 Pompes centrifuges de reprises
III.3.1.7 Pompes centrifuges principales
III.3.2 Mise en marche et arrêt de la station
III.4 Description de la pompe principale
III.4.1 Moteur électrique
III.4.2 Support de moteur
III.4.3 Tête de transmission
III.4.4. Transmission et le tube de refoulement
III.4.5 Pompe et sa crépine
III.4.5.1 Pavillon d’aspiration et la crépine
III.4.5.2 Volute
III.4.5.3 Roue
III.4.5.4 Arbre
III.4.5.5 Palier
III.4.5.6 Culotte de refoulement
III.4.5.7 Accessoires
III.4.6 Exemple graphique
III.5 Spécificité du pompage en milieu marin
Chapitre 4 : Remarques et solutions des problèmes
Introduction
IV.1 Pertes de charge
IV.1.1 Les pertes de charges linéaires
IV.1.2 Les pertes de charge singulière
IV.2 Le dépôt des moules
IV.3 La corrosion
IV.3.1 : Corrosion uniforme
IV.3.2 Corrosion galvanique
IV.4 Les pannes des pompes et le cout des pièces pour la réparation
IV.5 Hygiène et sécurité dans les stations de pompage
IV.5.1 Risques à considérer lors de la conception des ouvrages
IV.5.1.1. Risques provenant des matériels et machines
IV.5.1.2 Risques provenant de produits dangereux
IV.5.2. Travaux dans les stations de pompage
IV.6 Quelque solution pour les problèmes dans la station de pompage
IV.6.1 Protection contre Le dépôt des moules et coquillage
IV.6.1.1 Etat de surface des bétons et des tuyauteries
IV.6.1.2 maintien dans l’obscurité des bassins
IV.6.1.3 Chloration de l’eau
IV.6.2 Protection contre la corrosion
Chapitre 5 : Aalcul de la station de pompage
V.1 Introduction
V.2 Cas de deux pompes
V.2.1 Les pertes de charge linéaires
V.2.1.1 Au niveau de la station
V.2.1.2 Au niveau de la conduite
V.2.2 calcul des pertes de charge singulières
V.2.2.1 Au niveau de la station
V.2.2.2 Au niveau de la conduit
V.3 Cas d’une pompe
V.3.1 les pertes de charge linéaires
V.3.1.1 Au niveau de la station
V.3.1.2 Au niveau de la conduite
V.3.2 calcul des pertes de charge singulières
V.3.2.1 au niveau de la station
V.3.1.2 Au niveau de la conduit
V.4 Conclusion
Conclusion générale
Annexe
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