Guide technique

Systèmes de pompage

Les économies d'énergie électrique dans les systèmes de pompage

L e s é c o n o m i e s d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e d a n s l e s s y s t è m e s d e p o m p a g e

© 1993 Hydro-Québec

I

Hydro-Québec tient à remercier la direction d'Ontario Hydro d'avoir permis l'utilisation des renseignements et données techniques du manuel intitulé • P e r f o r m a n c e O p t i m i z a t i o n F a n ,

P u m p a n d B l o w e r S y s t e m s - A s s e s s m e n t G u i d e .

II

La principale raison d'être d'Hydro-Québec est de produire et de distribuer une énergie électrique fiable et économique, tout en respectant l'environnement. Afin d'y parvenir, Hydro-Québec entend collaborer avec les entreprises commerciales, institutionnelles et industrielles en vue d'optimiser leur consommation d'électricité. Cette action commune permettra aux consommateurs d'utiliser efficacement l'électricité mise à leur disposition. Cela leur assurera un meilleur rapport coût-bénéfice, donc une rentabilité et une compétitivité accrues.

La majeure partie des applications, systèmes ou procédés offrant une possibilité d'optimisation de la consommation d'énergie électrique. Pour obtenir plus de renseignements, consultez votre représentant d'Hydro-Québec.

A v e r t i s s e m e n t

Hydro-Québec publie ce guide à l'intention de sa clientèle industrielle.

Les renseignements de tous ordres qu'il contient proviennent de sources diverses et habituellement fiables. Nous ne prétendons toutefois pas qu'il s'agit d'un recueil exhaustif ; il existe probablement d'autres méthodes et moyens valables d'optimisation du rendement des systèmes qui ne sont pas consignés dans cette publication.

Par ailleurs, la référence à un fabricant, à une marque de commerce, à un procédé ou à un produit n'est donnée qu'à titre d'information et ne saurait engager la responsabilité d'Hydro-Québec ou de ses représentants.

De même, Hydro-Québec, ses représentants et ses gestionnaires ne se portent pas garants de la performance des équipements et des appareils dont il est fait mention ni des résultats qu'ils produisent dans des utilisations particulières.

III

La gestion efficace de l'énergie représente un défi. La rentabilité des mesures d'efficacité énergétique et leurs retombées nombreuses sur le plan de l'environnement, des frais d'exploitation et des frais d'entretien sont de plus en plus reconnues.

Hydro-Québec propose ce guide afin de faire connaître les multiples possibilités d'économies d'énergie électrique réalisables dans les systèmes de pompage. Ce guide n'épuise pas le sujet, car d'autres possibilités d'économie d'énergie existent.

Les premiers chapitres présentent une revue générale des systèmes de pompage et de la théorie des pompes.

Les chapitres qui suivent portent sur les différentes mesures d'économie d'énergie électrique (MEEE) réalisables dans les systèmes de pompage. Ces mesures ont été classifiées selon les particularités suivantes :

• modulation de la vitesse ;

• réduction de l'impulseur ;

• augmentation du rendement ;

• fonctionnement et entretien.

Ces quatre aspects représentent les possibilités de base applicables aux systèmes de pompage en vue de réduire leur consommation. Cependant, les MEEE peuvent, dans certains cas, s'appliquer à plus d'un élément.

Un chapitre spécial est consacré aux pompes de réseaux de distribution, qu'il s'agisse de réseaux d'eau fraîche, d'eau de procédé, d'eau blanche, etc., compte tenu des particularités de ces systèmes. Ils présentent en effet certaines possibilités comme la combinaison d'une pompe en parallèle avec un entraînement à vitesse variable, le réglage de la pression au point d'utilisation ou bien encore, l'installation d'une ou plusieurs pompes en série.

Les derniers chapitres soumettent quelques suggestions en rapport avec le calcul des économies d'énergie, les méthodes de mesure et les logiciels disponibles.

IV

A v a n t - p r o p o s

I n t r o d u c t i o n

T a b l e d e s m a t i è r e s

L i s t e s d e s f i g u r e s

e t d e s t a b l e a u x

SECTION 1 1 . 0 S y s t è m e s d e p o m p a g e .................................................1 1.1 Généralités .........................................................................................................................1 1.2 Courbe du système ............................................................................................................5

SECTION 2 2 . 0 R e v u e d e l a t h é o r i e d e s p o m p e s .....6 2.1 Courbe caractéristique des pompes.................................................................................6 2.2 Point de fonctionnement ..................................................................................................7 2.3 NPSH - Hauteur nette absolue à l'aspiration .................................................................7 2.4 Vitesse spécifique ..............................................................................................................8 2.5 Fonctionnement en série et en parallèle ........................................................................9 2.6 Lois de similitude ..............................................................................................................9

SECTION 3 3 . 0 C a l c u l d e s m e s u r e s d ' é c o n o m i e

d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e ...................................................12 3.1 Calcul des économies d'énergie électrique ...................................................................12 3.2 Sommaire des mesures d'économie d'énergie électrique ...........................................15

SECTION 4 4 . 0 M o d u l a t i o n d e l a v i t e s s e ..............................16 4.1 Généralités .......................................................................................................................16 4.2 Calcul des économies d'énergie électrique....................................................................17 4.3 Mesures d'économie d'énergie électrique avec modulation de la vitesse ................17

4.3.1 Installation d'un entraînement à vitesse variable................................................17 4.3.2 Installation d'un moteur à vitesses multiples ......................................................27 4.3.3 Installation des entraînements à vitesse variable pour des pompes

en parallèle ...............................................................................................................28

SECTION 5 5 . 0 R é d u c t i o n d u d i a m è t r e d e

l ' i m p u l s e u r d e l a p o m p e ..................................29 5.1 Généralités .......................................................................................................................29 5.2 Calcul des économies d'énergie électrique ...................................................................30 5.3 Mesures d'économie d'énergie électrique ....................................................................30

5.3.1 Redimensionnement des vannes de régulation...................................................30 5.3.2 Réduction des pertes dans le système .................................................................33 5.3.3 Ouverture ou fermeture complète des robinets .................................................34 5.3.4 Optimisation du diamètre de la tuyauterie .........................................................35 5.3.5 Contrôle des lignes de recirculation ....................................................................37

V

SECTION 6 6 . 0 R e d i m e n s i o n n e m e n t d e l a p o m p e 39 6.1 Généralités ....................................................................................................................... 39 6.2 Calcul des économies d'énergie électrique ................................................................... 39 6.3 Mesures d'économie d'énergie électrique .................................................................... 39

6.3.1 Sélection d'une pompe fonctionnant à son point d'efficacité maximale ....... 39

SECTION 7 7 . 0 F o n c t i o n n e m e n t e t e n t r e t i e n ............... 41 7.1 Généralités ....................................................................................................................... 41 7.2 Calcul des économies d'énergie électrique ................................................................... 41 7.3 Mesures d'économie d'énergie électrique .................................................................... 42

7.3.1 Réduction des transferts de liquide inutiles ....................................................... 42 7.3.2 Fonctionnement de pompes en parallèle ........................................................... 44 7.3.3 Réduction de la viscosité du liquide pompé ....................................................... 46 7.3.4 Augmentation de la concentration du liquide pompé....................................... 46 7.3.5 Élimination de la cavitation dans les pompes .................................................... 48 7.3.6 Entretien préventif ................................................................................................ 49

SECTION 8 8 . 0 P o m p e s e n s é r i e , i n d é p e n d a n t e s e t

p a r a l l è l e s p o u r l e s r é s e a u x ...................... 52 8.1 Généralités ....................................................................................................................... 52 8.2 Calcul des économies d'énergie électrique ................................................................... 53 8.3 Mesures d'économie d'énergie électrique .................................................................... 53

8.3.1 Applications de pompes en série ........................................................................ 53 8.3.2 Applications de pompes indépendantes ............................................................ 56 8.3.3 Applications de pompes en parallèle .................................................................. 58

SECTION 9 9 . 0 A u t r e s m e s u r e s d ' é c o n o m i e d ' é n e r g i e

é l e c t r i q u e .......................................................................................... 59 9.1 Mesures d'économie d'énergie électrique .................................................................... 59

9.1.1 Redimensionnement du moteur........................................................................... 59 9.1.2 Augmentation de l'efficacité du moteur.............................................................. 60

SECTION 10 1 0 . 0 É v a l u a t i o n f i n a n c i è r e d e s m e s u r e s

d ' é c o n o m i e d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e . 61 10.1 Immobilisations pour l'implantation de mesures d'économie d'énergie

électrique ........................................................................................................................ 61 10.2 Calcul de la période de recouvrement de l'investissement ..................................... 61

VI

SECTION 11 1 1 . 0 M é t h o d e s d e m e s u r e .............................................63 11.1 Essai .................................................................................................................................63

11.1.1 Essai de rendement .............................................................................................63 11.1.2 Instruments et méthodes de mesure..................................................................63

11.2 Paramètres à mesurer ...................................................................................................64 11.2.1 Débit ......................................................................................................................64 11.2.2 Pression .................................................................................................................64 11.2.3 Puissance ...............................................................................................................66 11.2.4 Vitesse (tr/min) ....................................................................................................67 11.2.5 Température ..........................................................................................................67

SECTION 12 1 2 . 0 L o g i c i e l s ........................................................................................68 12.1 Généralités sur la sélection de logiciels ......................................................................68 12.2 Les logiciels d'analyse hydraulique ..............................................................................69 12.3 Utilisation du chiffrier électronique pour les analyses hydrauliques.......................70

SECTION 13 1 3 . 0 C o n c l u s i o n .................................................................................71

SECTION 14 1 4 . 0 A n n e x e s .............................................................................................72

Annexe A - Glossaire.......................................................................................................72 Annexe B - Lexique français-anglais..............................................................................75 Annexe C - Tableaux - Facteurs de correction pour l'efficacité des moteurs et des entraînements à fréquence variable- .........................77 Annexe D - Tableau de conversion des unités ...........................................................78 Annexe E - Bibliographie ...............................................................................................79

VII

1.1 Exemple type d'un système de pompage ...................................................................... 1 1.2 Exemple type d'un système de pompage en fonction des élévations indiquées....... 2 1.3 Variation de la hauteur manométrique totale et du débit ............................................ 4 1.4 Courbe du système ............................................................................................................ 5 1.5 Effets de la hauteur statique sur la courbe du système ............................................... 5 1.6 Effets de l'ouverture de la vanne sur la courbe du système......................................... 5

2.1 Courbes caractéristiques d'une pompe centrifuge à vitesse constante ...................... 6 2.2 Courbe du système et courbe de la pompe.................................................................... 7 2.3 Effets de la vanne de régulation sur les points de fonctionnement du système ...... 7 2.4 Diverses formes d'impulseurs en fonction de la vitesse spécifique ........................... 8 2.5 Courbe à vitesse constante par rapport aux courbes à vitesse variable .................... 9 2.6 Courbe de la pompe et courbe de similitude............................................................... 10 2.7 Courbe de la pompe à vitesse réduite et courbe du système

avec hauteur statique par rapport à la courbe de similitude ...................................... 10 2.8 Courbe de similitude déterminant le point de fonctionnement

à vitesse réduite ............................................................................................................... 11

3.1 Hauteur statique totale ....................................................................................................14

4.1 Économies d'énergie électrique par modulation de la vitesse .................................. 16 4.2 Profils de charge .............................................................................................................. 16 4.3 Chute de pression dans une vanne de régulation en fonction du débit

et de la hauteur statique pour une pompe à vitesse fixe ............................................ 18 4.4 Point de fonctionnement d'une pompe à vitesse variable en fonction

du débit et de la hauteur statique................................................................................... 19 4.5 Système de pompage avant et après le recours à une MEEE (avec EFV) ............. 20 4.6 Courbe de la pompe à vitesse constante ..................................................................... 21 4.7 Courbes de la pompe à vitesse variable (modulation du débit) ............................... 21 4.8 Système de pompage avant et après le recours à une MEEE (avec EFV) ............. 24 4.9 Diverses courbes d'utilisation des pompes à vitesse variable

(modulation du débit avec changement de la hauteur statique) ............................... 25

5.1 Effets combinés de la réduction de la hauteur manométrique totale et de l'impulseur sur un système de pompage ............................................................. 29

5.2 Effets combinés de l'élimination d'un débit de recirculation et de la réduction de l'impulseur ................................................................................... 29

5.3 Réduction de l'impulseur avec vanne de diamètre supérieur ................................... 31 5.4 Recirculation sur demande ............................................................................................. 38

6.1 Pompe peu efficace .........................................................................................................39 6.2 Pompe efficace ................................................................................................................ 39

7.1 Élimination (ou déviation) d'un réservoir tampon entre les cuves A et B ..................................................................................................... 43

7.2 Délestage de pompes en parallèle pendant les baisses de débit ................................ 44 7.3 Augmentation de la consistance pour limiter le débit ................................................ 47 7.4 Jeu interne d'une pompe type ....................................................................................... 49

8.1 Illustration d'un système de pompage à points d'utilisation multiples .................... 54 8.2 Illustration d'un système de pompage avec pompe en série .................................... 55 8.3 Courbe de la pompe existante........................................................................................ 55 8.4 Illustration d'un système de pompage avec pompe indépendante .......................... 56 8.5 Courbe de la pompe aux conditions existantes ........................................................... 57

VIII

1.1 Débits types du système....................................................................................................2 1.2 Hauteurs statiques types....................................................................................................3 1.3 Pertes de charge types en fonction du débit .................................................................3 1.4 Hauteur manométrique totale du système .....................................................................4

3.1 Sommaire des économies d'énergie électrique des diverses MEEE.........................15

4.1 Pompe à vitesse constante ..............................................................................................22 4.2 Pompe à vitesse variable avec régulateur de pression.................................................23 4.3 Pompe à vitesse constante ..............................................................................................25 4.4 Pompe à vitesse variable ................................................................................................26

8.1 Conditions existantes.......................................................................................................54

IX

1 . 0 S y s t è m e s d e p o m p a g e

1 . 1 G é n é r a l i t é s

Le rôle premier d'une pompe est d'aspirer et de refouler efficacement des fluides dans un système. Il est plus facile de maintenir une haute efficacité de pompage et de satisfaire aux exigences de la pompe en matière de débit, lorsque l'on comprend les exigences d'un procédé.

Afin de démontrer la méthode générale d'analyse requise pour obtenir le fonctionnement optimal d'un système de pompage, on peut faire appel à un système simple de transfert des fluides d'un réservoir à travers un filtre, puis, vers un deuxième réservoir (voir la figure 1.1).

Une simple esquisse ou un diagramme de la tuyauterie et de l'instrumentation (P&ID) peut fournir des données sur les exigences du procédé. Cette esquisse du système doit comporter un minimum de renseignements, c'est-à-dire non seulement la source d'approvisionnement d'une pompe donnée, mais également toutes les composantes à travers lesquelles le fluide passera avant d'atteindre le ou les points de refoulement final. On devrait inclure tout autre renseignement relatif au fonctionnement du procédé et de la pompe : le diamètre des tuyaux, les boucles de régulation et les détecteurs, de même que les régulateurs de débit comme les robinets et les vannes de régulation.

Par la suite, il est important de connaître les débits de fonctionnement requis. Ces débits comprennent les débits de fonctionnement minimal, normal et maximal.

1

Le tableau 1.1 illustre les débits types de l'exemple à deux réservoirs. Le débit normal est celui observé le plus souvent au cours du fonctionnement du système. Si le débit normal est variable ou si le système fonctionne pendant une période de temps non négligeable à un débit différent, les données de ces débits devront être intégrées au tableau d'analyse.

Pour chaque point de fonctionnement, il est utile de connaître les exigences du système en matière de hauteur statique. Cela déterminera la puissance requise pour élever le fluide et fournir la pression nécessaire aux divers points de fonctionnement du procédé. La hauteur statique repose sur trois éléments : • la densité du fluide (densité relative) ; • la différence d'élévation entre le point d'aspiration et le point de refoulement de la

pompe ; • la différence de pression de fonctionnement entre les points d'aspiration et de

refoulement. La figure 1.2 reprend l'exemple des deux réservoirs en fonction de leur élévation respective. Le premier point à noter est la différence d'élévation entre les bases des deux réservoirs. Selon cet exemple, la base du réservoir A est de dix pieds plus élevée que celle du réservoir B. Lors du fonctionnement normal et à partir du niveau de référence 0 pied, le niveau du réservoir d'approvisionnement (A) a un minimum de 15 pieds et un maximum de 35 pieds. Dans ce cas, le niveau du réservoir A ne peut être abaissé à moins de 5 pieds de liquide pendant le fonctionnement réel de la pompe.

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On constate que le niveau du réservoir de réception (B) varie d'un minimum de 0 pied à un maximum de 50 pieds. Bien que le niveau minimal de ce réservoir puisse être de 0 pied, l'emplacement à 40 pieds du tuyau d'alimentation impose le niveau minimal d'élévation requis pour la pompe.

En supposant que les deux réservoirs sont soumis à la pression atmosphérique, le tableau 1.2 présente les hauteurs statiques minimale et maximale du système requises par le procédé. Si le réservoir B était pressurisé, il faudrait alors en indiquer la pression et en tenir compte dans l'évaluation de la hauteur statique.

Pour chaque débit de fonctionnement requis, on doit évaluer la chute de pression dans les équipements et la tuyauterie à travers laquelle passera le fluide transporté. Selon notre exemple, nous devons mesurer la chute de pression à travers le filtre pour chaque débit. Des équipements comme les filtres, les grilles et les échangeurs de chaleur créent des chutes de pression lors du passage du fluide. Des données sur les chutes de pression s'obtiennent à partir de mesures réelles ou des spécifications fournies par les fabricants des équipements.

Les pertes par frottement dépendent des propriétés du fluide, du diamètre et de la longueur des tuyaux, du nombre de raccords comme les coudes et les manchons de réduction, de même que de l'âge de la tuyauterie. La meilleure façon de déterminer les pertes par frottement demeure la mesure de la pression réelle dans les tuyaux. On peut également évaluer les pertes par frottement lorsque les indications de la pression dans la tuyauterie ne sont pas disponibles ou que le système est encore à l'étape de la conception. Les logiciels servant à l'évaluation des pertes par frottement sont abordés à la section 12 de ce guide.

Le tableau 1.3, basé sur l'exemple des deux réservoirs avec de l'eau en guise de fluide, présente des données sur la chute de pression des équipements et les pertes par frottement pour les débits de fonctionnement requis. Ce tableau démontre la pression nécessaire qui doit être fournie par la pompe afin de surmonter la résistance du système. Cette pression s'accroît à mesure que le débit de fonctionnement augmente.

3

La hauteur manométrique totale nécessaire au transfert du fluide dans le système est définie par la somme de la hauteur statique requise par le système, de la chute de pression de l'équipement et des pertes par frottement et aux étrangleurs (la chute de pression causée par le réglage des débits). Comme l'indique le tableau 1.4, la hauteur manométrique totale minimale peut varier selon les conditions de fonctionnement. Cela n'inclut pas les pertes causées par la vanne de régulation. On ne peut pas faire le choix d'une pompe sans incorporer les pertes de charge de la vanne de régulation.

La figure 1.3 fournit une représentation graphique des variations de la hauteur manométrique totale minimale et du débit exigées par le procédé.

Les chapitres qui suivent spécifient les éléments et la démarche pour optimiser la performance des systèmes de pompage et de leurs commandes.

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1 . 2 C o u r b e d u s y s t è m e

Il est possible d'établir la courbe du système en déterminant la hauteur manométrique totale pour une gamme de débits. Comme l'indique la figure 1.4, la courbe du système illustre la relation entre le débit et la hauteur manométrique totale requise.

La hauteur statique du système est définie par la hauteur manométrique totale, là où la courbe du système est au débit 0. À mesure que le débit s'accroît, une hauteur supplémentaire est requise afin de surmonter la résistance du système à l'écoulement. Cette résistance est généralement proportionnelle au carré du rapport des débits, sauf pour certains types de fluides (ex. : pâte à haute consistance).

Les paramètres connus qui suivent déplaceront ou modifieront la courbe du système :

• la hauteur statique du système ;

• l'ouverture de la vanne de régulation.

D'autres paramètres inconnus, comme l'encrassement, la rouille et l'usure des composantes du système viendront modifier la courbe du système.

La figure 1.5 démontre comment une variation de la hauteur statique déplacera la courbe du système. La variation des niveaux de fonctionnement des réservoirs est un exemple de variation de la hauteur statique. Les résultats de la figure 1.3 sont inclus dans la figure 1.5 afin de démontrer les effets du niveau du réservoir sur la courbe du système. La variation de la pression de fonctionnement des équipements (ex. : réservoir sous pression ou filtre pressurisé) constitue un autre exemple qui déplacera la courbe du système.

Effets de la hauteur statique sur la courbe du système

La forme de la courbe du système peut changer en fonction du degré d'ouverture de la vanne de régulation, comme l'indique la figure 1.6. L'ouverture de la vanne peut ainsi avoir des effets sur le débit et la hauteur manométrique totale.

5

2 . 0 R e v u e d e l a t h é o r i e d e s p o m p e s

Les pompes fournissent l'énergie requise pour déplacer un liquide et vaincre la résistance de la tuyauterie, du procédé et des changements d'élévation. Les pompes sont généralement regroupées en 2 catégories : les pompes centrifuges et les pompes volumétriques. Dans ce guide, nous traiterons uniquement des pompes centrifuges, car ce sont les plus répandues et elles s'appliquent à des puissances supérieures. Elles représentent donc le potentiel d'économie d'énergie le plus élevé. 2 . C o u r b e c a r a c t é r i s t i q u e d e s

p o m p e s

La performance des pompes centrifuges à vitesse constante peut être illustrée directement sur une courbe caractéristique pour un diamètre d'impulseur donné. Les courbes caractéristiques indiquent la hauteur manométrique totale fournie par la pompe, sa puissance, son efficacité et son NPSHreq (net positive suction head : hauteur nette absolue à l'aspiration, définie à la section 2.3) à partir du débit nul jusqu'à la capacité maximale.

La valeur de puissance BHP (brake horse power) indiquée sur la courbe de la pompe vaut pour l'eau. Cette valeur doit être multipliée par la densité relative du liquide utilisé.

Les facteurs de correction doivent être appliqués pour l'évaluation du débit, la hauteur manométrique totale et l'efficacité lorsqu'il s'agit d'un fluide dont la viscosité est très différente de celle de l'eau. Ces facteurs de correction se trouvent dans les catalogues des fabricants.

La figure 2.1 illustre les courbes caractéristiques d'une pompe centrifuge pour plusieurs diamètres d'impulseur.

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2 . 2 P o i n t d e f o n c t i o n n e m e n t

La figure 2.2 indique une courbe de pompe à vitesse constante pour un diamètre d'impulseur donné, ainsi que la courbe caractéristique d'un système (voir la section 1.2).

Le point d'intersection de la courbe de la pompe et de la courbe du système correspond au point de fonctionnement (figure 2.2). La pompe fonctionne habituellement selon une gamme de débits variables et parfois même selon une gamme de hauteurs statiques variables. Pour satisfaire toutes ces conditions, on doit faire correspondre la courbe du système avec la courbe d'une pompe à vitesse constante en utilisant une vanne de régulation (figure 2.3). Les points correspondant à chaque fonctionnement particulier définissent un champ de fonctionnement sur la courbe de la pompe. Les points de fonctionnement idéaux tiennent compte de facteurs comme l'efficacité et le NPSHreq.

2 . 3 N P S H - H a u t e u r n e t t e a b s o l u e à

l ' a s p i r a t i o n

Plusieurs paramètres doivent être vérifiés pour assurer une bonne performance des pompes centrifuges. L'un de ces paramètres est la hauteur nette absolue à l'aspiration (NPSH) du liquide à l'impulseur.

Deux valeurs de NPSH doivent être considérées : la hauteur nette à l'aspiration requise (NPSHreq) et la hauteur nette à l'aspiration disponible (NPSHdisp).

Le NPSHreq est déterminé par le fabricant de la pompe. Cette valeur dépend de plusieurs facteurs comme la géométrie de l'impulseur, le débit de la pompe, la vitesse de rotation, la nature du liquide, etc.

On définit ensuite le NPSHdisp selon l'équation suivante :

NPSH disp = ha - hvap ± hst - hfs

ha : pression absolue à la surface du liquide au point d'alimentation de la pompe (pi de liquide)

hvap : pression de vapeur absolue du liquide à la température de pompage (pi)

hst : différence de hauteur du liquide à l'alimentation par rapport au centre de la pompe

hfs : pertes de charge par frottement dans le tuyau d'aspiration (pi)

Pour obtenir un bon fonctionnement d'une pompe centrifuge, il faut que la valeur du NPSHdisp soit supérieure à celle du NPSHreq afin d'empêcher la cavitation.

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2 . 4 V i t e s s e s p é c i f i q u e

Les pompes centrifuges sont conçues en fonction de la vitesse spécifique. La vitesse spécifique (Ns) est un nombre adimensionnel qui est utilisé pour classifier les impulseurs de pompe selon leur type et leur taille. Ce nombre est défini comme étant la vitesse (en tr/min) à laquelle un impulseur de géométrie similaire fonctionnerait s'il était conçu pour fournir un gallon par minute avec une hauteur manométrique totale de un pied. Mathématiquement, la vitesse spécifique est établie selon l'équation suivante

Il est d'usage d'indiquer le système d'unités (ex. : Ns(us) pour le débit en gpm (US) et la hauteur en pieds). La vitesse spécifique est calculée au meilleur point d'efficacité, avec un diamètre maximal d'impulseur. La figure 2.4 représente la géométrie de différents impulseurs ainsi que leur courbe caractéristique en fonction de la vitesse spécifique.

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2 . 5 F o n c t i o n n e m e n t e n s é r i e e t e n p a r a l l è l e

Un système peut être alimenté par plusieurs pompes. Elles peuvent être installées en série ou en parallèle de façon à augmenter respectivement la pression ou le débit.

Ainsi, pour deux ou plusieurs pompes en série, on obtient la caractéristique de l'ensemble des pompes en additionnant, à débit constant, les hauteurs manométriques totales de chaque pompe.

Pour deux ou plusieurs pompes en parallèle, on obtient la caractéristique de l'ensemble des pompes en additionnant, pour une hauteur manométrique totale donnée, les débits fournis par chaque pompe. La caractéristique du système inclut les pertes de charge dans une des conduites individuelles, à condition que les pertes dans ces conduites soient égales. Pour des pompes différentes, la caractéristique individuelle est modifiée pour limiter les pertes de charge dans les conduites correspondantes.

2 . 6 L o i s d e s i m i l i t u d e

Les relations entre la hauteur manométrique totale (H), le débit (Q), la puissance (P), la vitesse (N), la densité relative (Sg) et le diamètre de l'impulseur (D) suivent des règles bien définies, connues sous le nom de lois de similitude.

Ces relations ont d'abord été obtenues expérimentalement, mais elles possèdent un fondement théorique. Ces lois stipulent que

Les indices 1 et 2 représentent respectivement les conditions de fonctionnement existantes et les nouvelles conditions.

À vitesse variable, le calcul vise à déterminer la puissance requise pour atteindre les divers points de fonctionnement du système en utilisant la vitesse comme variable de contrôle. La figure 2.5 montre les diminutions de vitesse qui entraînent une baisse graduelle de la courbe de la pompe. Si une hauteur statique initiale existe dans le système, il n'est pas facile de déterminer la réduction de la vitesse ; pour y parvenir, il faut recourir à la notion de courbe de similitude.

Les lois de similitude établissent la relation fonctionnelle entre les variables comme la vitesse, le débit, la pression, la puissance, la densité relative et le diamètre de l'impulseur. Les représentations graphiques de ces relations fonctionnelles s'appellent les courbes de similitude. Pour les relations pression-débit ou pression-vitesse, les courbes sont paraboliques et leur sommet est situé à l'origine.

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La figure 2.6 illustre une série de courbes de similitude superposées sur une courbe type pression-débit d'une pompe. Lorsqu'il n'y a pas de hauteur statique, la courbe du système est une courbe de similitude passant par le point de conception. Il est donc facile de déterminer la puissance à vitesse réduite. Le nouveau point de fonctionnement désiré se trouve à l'intersection de la courbe de similitude (ou la courbe du système) et la courbe de la pompe à vitesse réduite. En présence de pression statique, la courbe du système ne correspond plus aux courbes de similitude et il devient alors plus complexe de déterminer les variables de vitesse réduite. Pour ce genre de système, lorsqu'on détermine la puissance à vitesse réduite, cela entraîne une surévaluation de la réduction de vitesse et de puissance et, de là, une surévaluation des économies d'énergie électrique possibles. La figure 2.7 indique que pour le même débit, le point de fonctionnement de la fausse courbe de la pompe à vitesse réduite donne une hauteur de pression moins importante que le point réel de fonctionnement à vitesse réduite. Étant donné que la puissance est directement proportionnelle à la hauteur manométrique totale, l'erreur se reflète aussi dans le calcul de la puissance. Cependant, si la hauteur statique est inférieure à 5 % de la hauteur manométrique totale, l'utilisation de la courbe de similitude peut être acceptable quant à la précision.

10

Comme l'indique la figure 2.8, la courbe de similitude qui croise la courbe du système au point de fonctionnement désiré se prolonge pour finalement rencontrer la courbe de la pompe à vitesse constante. Lorsqu'il y a réduction de la vitesse, l'intersection de la courbe de similitude et de la courbe de la pompe longe la courbe de similitude à mesure que la courbe de la pompe s'abaisse. Avec une réduction de vitesse appropriée, l'intersection devrait coïncider avec le point de fonctionnement voulu.

Le débit Qi, à l'intersection de la courbe de similitude et de la courbe de la pompe à vitesse constante, peut être déterminé de façon graphique. Le débit Q2, se trouve au point de fonctionnement à la vitesse réduite désirée. La puissance P1, qui correspond à Q1, peut être déterminée graphiquement à partir de la courbe de puissance.

Ensuite, la puissance désirée, P2, est calculée selon l'équation suivante:

Pour trouver la constante c, on résout l'équation en y introduisant les valeurs de la hauteur manométrique totale et du débit correspondant au point de fonctionnement à la vitesse variable désirée.

Dans les équations de calcul, la puissance à vitesse réduite P2 est calculée directement à partir des valeurs de la pression et du débit ou à partir des lois de similitude.

11

3 . 0 C a l c u l d e s m e s u r e s d ' é c o n o m i e d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e 3 . 1 C a l c u l d e s é c o n o m i e s

d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e

Le calcul des économies d'énergie électrique réalisables dans un système de pompage doit être effectué en évaluant la consommation d'énergie avant et après l'implantation d'une mesure d'économie d'énergie électrique (MEEE). L'équation de base suivante sert à évaluer la puissance requise à l'arbre de la pompe

il est important de noter que pour les pompes servant à transporter des fluides visqueux, le débit, la hauteur manométrique totale et l'efficacité doivent être corrigés pour évaluer approximativement la puissance BHP. Par la suite, on évalue la puissance requise du moteur à l'aide de l'équation suivante

Enfin, la consommation d'énergie est obtenue en multipliant la puissance par le nombre d'heures de fonctionnement • Consommation d'énergie : kW x h = kWh (3-3) Le calcul des économies d'énergie électrique entre les deux hypothèses est donc • Économies d'énergie : (kW - kW') x h = kWh/an (3-4)

kW : puissance consommée (avant MEEE) kW' : puissance consommée (après MEEE) h : nombre d'heures de fonctionnement dans une année

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• Lorsqu'il existe plusieurs points de fonctionnement, on doit calculer l'énergie consommée pour chacun d'eux avant et après les modifications.

Économies d'énergie électrique totales

(kW1 - kW' 1) x h1 + (kW2 - kW'z) x h2= kWh économisés (3-5)

h1 : nombre d'heures de fonctionnement au point de fonctionnement 1

h2 : nombre d'heures de fonctionnement au point de fonctionnement 2

Ces équations nous permettent de déduire que la réduction de la consommation d'énergie électrique d'une pompe est réalisable en proposant une ou plusieurs des modifications suivantes

• réduire le débit requis (Q);

• réduire la hauteur manométrique totale requise (H);

• réduire le temps de fonctionnement (h);

• augmenter l'efficacité de la pompe (Ep);

• augmenter l'efficacité du moteur (Em);

• réduire la densité relative (Sg).

Cependant, plusieurs de ces paramètres sont directement reliés au système, tels le débit (Q), la hauteur manométrique totale (H) et le temps de fonctionnement (h). C'est pourquoi les possibilités d'économie d'énergie électrique sont réalisables en examinant non seulement la pompe, mais également le système dans son ensemble.

il faut retenir deux aspects importants en relation avec les paramètres précédents

• les paramètres ont un effet les uns par rapport aux autres. Par exemple, une modification du débit influencera habituellement la valeur des autres paramètres, comme l'efficacité et la hauteur manométrique totale requises (H) ;

• en calculant les économies d'énergie électrique pour plusieurs AEEE, l'énergie totale économisée ne sera pas nécessairement la somme des économies calculées individuellement, puisque certaines MEEE influenceront les paramètres.

Par conséquent, il est important d'évaluer le gain net en comparant les différentes hypothèses par rapport à l'état actuel compte tenu de l'influence des différents paramètres.

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D'autres équations permettent d'évaluer certains paramètres nécessaires aux calculs précédents. Ces équations sont

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3 . 2 S o m m a i r e d e s m e s u r e s d ' é c o n o m i e d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e

Le tableau 3.1 qui suit résume toutes les mesures d'économie d'énergie électrique (MEEE) expliquées dans ce guide. Les valeurs dont il fait état doivent être analysées en tenant compte des exemples d'où elles sont tirées (se référer à la section donnée).

Dans certains cas, divers facteurs peuvent influencer les résultats obtenus, par exemple

le matériau utilisé (pompes, tuyauterie, etc.) ;

la présence ou non d'une pompe de réserve (stand-by pump) à modifier ;

la dimension de la pompe et de la tuyauterie ;

l'ordre de grandeur de la hauteur manométrique totale, du débit et de la puissance ;

l'installation existante ou nouvelle (conversion ou conception).

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4 . 0 M o d u l a t i o n d e l a v i t e s s e 4 . 1 G é n é r a l i t é s

Une pompe à vitesse constante a habituellement une hauteur manométrique totale plus importante que celle requise par le procédé et à des conditions autres que le point de conception de la pompe. L'exploitation d'une pompe à vitesse variable peut permettre des économies d'énergie électrique en répondant aux exigences réelles du procédé, comme l'indique la courbe du système à la figure 4.1. Le débit est transmis à la hauteur manométrique totale requise par le procédé lorsque la vitesse de la pompe est réglée par un entraînement à vitesse variable (EVV).

Pour bien comprendre le fonctionnement d'un entraînement à vitesse variable, il faut bien saisir que le point de fonctionnement se déplace alors sur la courbe du système et non plus sur la courbe de la pompe à vitesse constante. Ainsi, les économies réalisées dépendent de la différence de hauteur entre la courbe de la pompe à vitesse constante et la hauteur requise par le système à chaque débit donné, comme l'indique la figure 4.1.

Lorsqu'une pompe fonctionne avec une grande variation de débit ou de hauteur statique, la modulation de la vitesse peut être une mesure intéressante pour optimiser le rendement. Les deux graphiques présentés à la figure 4.2 démontrent des profils de charge irréguliers et réguliers d'une pompe. Un profil irrégulier offre un plus grand potentiel d'économie d'énergie qu'un profil régulier.

Les modèles d'entraînements à vitesse variable offerts sont présentés dans le Guide technique - Entraînements à vitesse variable.

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4 . 2 C a l c u l d e s é c o n o m i e s d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e

Les économies d'énergie électrique d'un système de pompage muni d'un entraînement à vitesse variable sont établies grâce aux formules de calcul décrites à la section 3.1, y compris les méthodes suivantes

• la puissance requise à l'arbre de la pompe (BHP) est établie en utilisant la formule 3-1, soit à l'aide de la courbe de la pompe à vitesse variable indiquée par le fabricant ou des lois de similitude décrites à la section 2.6 ;

• la puissance requise par le moteur (Pm) (kW) est évaluée en utilisant la formule 3-2 de la section 3.1;

• la puissance requise par l'EW (kW) est calculée au moyen de la formule :

La vitesse de fonctionnement est déterminée soit par la courbe de la pompe à vitesse variable ou par les lois de similitude.

• À l'aide des formules de calcul 3-3 à 3-5 du chapitre 3.0, on peut déterminer les économies d'énergie électrique totales.

4 . 3 M e s u r e s d ' é c o n o m i e d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e a v e c m o d u l a t i o n d e l a v i t e s s e

4 . 3 . 1 I n s t a l l a t i o n d ' u n e n t r a î n e m e n t à v i t e s s e v a r i a b l e

L'utilisation de la pompe à vitesse variable par rapport à l'utilisation de la pompe à vitesse constante peut offrir des économies d'énergie électrique substantielles quand il y a une grande variation des débits ou des pressions nécessaires au procédé.

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Les pompes sont conçues de façon à satisfaire aux conditions de fonctionnement normales et extrêmes, et à fournir les débits et la hauteur manométrique totale exigés par le procédé. Comme l'indique la figure 4.3, l'impulseur de la pompe à vitesse constante est dimensionné afin de satisfaire à la condition extrême qui définit la courbe spécifique de la pompe. Un entraînement à vitesse variable offre un degré supplémentaire de liberté pour optimiser le fonctionnement réel de la pompe.

Lorsque le procédé requiert un débit moins important, la pompe à vitesse constante fournira ce débit à une hauteur manométrique totale telle qu'elle est dictée par la courbe de la pompe. De plus, le procédé exigera une hauteur moins grande grâce à la réduction des pertes de charge dans la tuyauterie, occasionnées par le faible débit. Une vanne de régulation doit être ajustée afin de fournir un débit faible et éliminer tout excédent de pression produit par la pompe. Cette chute de pression supplémentaire provoquée par la vanne de régulation constitue une perte d'énergie.

La vitesse de la pompe peut être réglée à un débit de procédé réduit afin de s'harmoniser avec la courbe du système, comme l'indique la figure 4.4. Si la pompe alimente un seul point, la vitesse de la pompe pourra alors être ajustée à l'aide d'un régulateur et la vanne de régulation pourra être éliminée. Lorsque plus d'un point est alimenté par la pompe, chacun de ces points requiert une vanne de régulation ou un robinet pour ajuster le débit. Toutefois, on peut maintenir constante la chute de pression dans les vannes de régulation en réglant la vitesse de la pompe.

En état de fonctionnement normal, la hauteur statique requise par le système est habituellement moins importante qu'au point de conception de la pompe. Cela s'applique notamment dans le cas des pompes raccordées aux réservoirs. Dans le cas d'une pompe à vitesse constante, la hauteur supplémentaire doit être perdue dans une vanne de régulation, comme l'indique la figure 4.3. Dans le cas d'une pompe à vitesse variable, la vitesse de la pompe peut être réduite, comme le démontre la figure 4.4. La pompe à vitesse variable profite de la hauteur statique supplémentaire grâce au niveau du réservoir d'approvisionnement avec, comme résultante, une consommation d'énergie réduite.

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Si la pompe alimente un seul point du procédé, une vanne de régulation n'est pas nécessaire. La vitesse de la pompe est réglée afin de fournir une régulation équivalente à celle de la vanne de régulation. Dans le cas d'un système existant, la vanne peut être ouverte à 100 %, minimisant ainsi sa chute de pression. Des économies encore plus grandes sont possibles en éliminant la vanne de régulation à l'étape de la conception. L'élimination de la vanne de régulation dès le début permettra non seulement une économie au chapitre des immobilisations, mais éliminera les chutes de pression associées au fonctionnement des vannes et la consommation d'énergie correspondante.

L'utilisation de la pompe à vitesse variable peut également augmenter l'efficacité de fonctionnement du système de pompage. La présence d'un impulseur de dimension maximale plus efficace est la raison principale de cette économie d'énergie. Il est possible d'établir des limites de vitesse afin de protéger la pompe si le moteur est choisi en fonction des conditions de fonctionnement et non de la capacité maximale de pompage (vitesse).

On a habituellement recours à la recirculation lors du fonctionnement d'une pompe à vitesse constante et ce, pour les raisons suivantes

• le procédé requiert une pression constante pour tous les débits ;

• le procédé requiert une protection minimale de débit pour la pompe.

Une pression constante pour tous les débits fera en sorte que la pompe fonctionnera à son point de conception et que la consommation d'énergie demeurera constante indépendamment des débits requis par le procédé. Des économies d'énergie électrique sont réalisables en utilisant la vitesse de la pompe pour régler la pression de la pompe au refoulement. Une élimination importante du débit de recirculation engendrera également des économies d'énergie.

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Exemple 4.1 : Pompe à vitesse variable fonctionnant à quatre débits

Une pompe existante entraînée par un moteur de 200 HP, d'une vitesse de 1200 tr/min, est utilisée pour alimenter deux points, comme l'indique la figure 4.5. Des vannes de régulation sont installées pour régler le débit à chaque point. L'installation d'un entraînement à fréquence variable (EFV) et d'un régulateur de pression, pour maintenir une pression constante à la vanne supérieure, peut s'avérer un moyen efficace pour optimiser le rendement du système. Les tableaux 4.1 et 4.2 illustrent la situation avant et après le recours à une MEEE. Les figures 4.6 et 4.7 fournissent les données de fonctionnement dans ces deux situations.

Économies annuelles en énergie

992 000 kWh/an - 714 000 kWh/an = 278 000 kWh/an

20

21

22

23

Exemple 4.2 : Pompe à vitesse variable comportant d'autres avantages

Une pompe existante entraînée par un moteur de 150 HP, d'une vitesse de 1200 tr/min, est utilisée pour approvisionner un seul point, comme l'indique la figure 4.8. Une vanne de régulation sert à régler le niveau dans le réservoir. L'utilisation d'un EFV est un moyen efficace pour régler le niveau du réservoir. Les tableaux 4.3 et 4.4 présentent les conditions antérieures et nouvelles des systèmes. La figure 4.9 illustre le fonctionnement de la pompe à vitesse variable.

Cet exemple démontre qu'une pompe à vitesse variable utilisant un EFV produira des économies d'énergie électrique grâce à • une hauteur statique réduite au cours du fonctionnement réel (avec un niveau

de réservoir de cinq pieds au-dessus du point de conception) ; • une chute de pression minimale dans la vanne de régulation existante, ouverte

à 100 %, puisque la vitesse de la pompe est réglée pour contrôler le débit ; • une amélioration de l'efficacité de fonctionnement de la pompe en raison de

l'augmentation du diamètre de l'impulseur. Économies annuelles en énergie: 810 000 kWh/an – 522 000 kWh/an = 288 000 kWh/an

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25

Indices qui favorisent l'utilisation d'un EVV • Les bruits et les vibrations dans la vanne de régulation peuvent indiquer une perte

d'énergie. • Les réservoirs d'une hauteur importante qui fonctionnent à des niveaux élevés.

Avantages de l'utilisation d'un EVV • fournit seulement l'énergie requise par le procédé ; • offre la possibilité de faire appel à la force motrice totale lors du fonctionnement ; • prolonge la vie de la pompe grâce à la période de fonctionnement à vitesses réduites; • augmente l'efficacité de fonctionnement du système de pompage grâce à l'utilisation

d'un impulseur de dimension maximale ; • élimine la nécessité de moduler les vannes de régulation ou réduit leurs frais

d'entretien ; • réduit le bruit et les vibrations dans les vannes et la tuyauterie ; • offre un démarrage progressif de la pompe (soft start) ; • fournit une période de recouvrement rapide basée sur l'élimination de certains coûts

pour les nouvelles installations ou les installations nécessitant des modifications ; • peut améliorer le facteur de puissance.

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Inconvénients de l'utilisation d'une pompe à vitesse variable

• augmente le prix d'achat d'un entraînement à vitesse variable ;

• exige de l'espace pour l'entraînement à vitesse variable ;

• engendre une perte par l'entraînement à vitesse variable ;

• crée des harmoniques électriques (brouillage fréquence-radio) dans le cas d'une conception inappropriée (voir le Guide technique - Entraînements à vitesse variable) ;

• nécessite des services d'entretien.

Remarques

Si la variation du débit est étendue, la pompe à vitesse variable peut nécessiter une protection de vitesse minimale uniquement à un très faible débit du procédé et à la hauteur manométrique totale minimale correspondante. Cette protection peut être acquise au cours d'un fonctionnement à bas débit en exécutant une recirculation du débit ou en fixant une vitesse minimale et en fonctionnant à un niveau plus élevé de pression au refoulement.

4 . 3 . 2 I n s t a l l a t i o n d ' u n

m o t e u r à v i t e s s e s m u l t i p l e s

Le moteur à vitesses multiples d'une pompe peut réduire la consommation d'énergie électrique lorsque le procédé requiert seulement quelques points de fonctionnement spécifiques. La vitesse du moteur peut être modifiée selon les exigences du procédé. On doit conserver la vanne de régulation et moduler à partir de quelques points spécifiques. Un moteur à double enroulement spécial peut être réglé à deux, trois ou quatre vitesses.

Avantages de la pompe à moteur à vitesses multiples :

• immobilisations moindres que pour un entraînement à vitesse variable ;

• élimination des pertes et de l'entretien d'un entraînement à vitesse variable.

Inconvénients de la pompe à moteur à vitesses multiples

• les vitesses de fonctionnement sont limitées à des valeurs spécifiques et restreignent donc la flexibilité de l'exploitation ;

• la possibilité de devoir entreposer un moteur à vitesses multiples de réserve ;

• l'achat et l'installation d'un démarreur spécial ;

• la nécessité de recourir à un câblage plus volumineux (un câble de puissance pour chaque vitesse).

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4 . 3 . 3 I n s t a l l a t i o n d e s e n t r a î n e m e n t s à v i t e s s e v a r i a b l e p o u r d e s p o m p e s e n p a r a l l è l e

Les systèmes munis de plusieurs pompes fonctionnant en parallèle peuvent permettre des économies d'énergie importantes en faisant appel à des entraînements à vitesse variable.

On doit comparer l'utilisation d'entraînements à vitesse variable avec l'utilisation optimale des pompes en parallèle à vitesse constante.

Un système de pompage servant à l'approvisionnement en eau potable est un bon exemple de l'utilisation des EVV. Ce type de système est habituellement muni d'une ou de plusieurs pompes, de même que d'une pompe de réserve. Une seule pompe à vitesse variable peut être utilisée afin de régler la pression combinée au refoulement. Cela permettra aux pompes à vitesse constante de fonctionner à un point fixe.

De multiples pompes à vitesses variables peuvent fournir des économies d'énergie supplémentaires pour le fonctionnement de pompes parallèles.

Avantages de l'exploitation de pompes à vitesse variable

• l'efficacité de fonctionnement du système peut être optimisée afin de minimiser la consommation d'énergie ;

• le fonctionnement demeure inchangé même en faisant appel à la pompe de réserve ;

• l'utilisation des pompes à des vitesses réduites entraîne une réduction de leur entretien.

Inconvénients de l'utilisation de pompes à vitesse variable :

• une protection des pompes est nécessaire afin d'éviter un fonctionnement à vitesse minimale ou maximale ;

• la conception des systèmes de régulation doit assurer qu'un fonctionnement instable ne puisse survenir ;

• frais d'immobilisations plus élevés.

Remarques Les éléments suivants doivent être étudiés pour l'utilisation de pompes à vitesse constante et variable munies d'un orifice récepteur au refoulement

• une protection minimale de la vitesse afin que la pompe à vitesse variable ne puisse fonctionner à un débit nul ;

• une protection maximale de la vitesse afin d'éviter que la pompe à vitesse variable ne s'emballe et entraîne son déclenchement ;

• des modes de fonctionnement variés auxquels il faut recourir lorsqu'une pompe de réserve à vitesse constante est utilisée au lieu d'une pompe à vitesse variable ;

• la nécessité de concevoir des régulateurs de vitesse afin d'éviter un fonctionnement instable lorsque plus d'une pompe à vitesse variable est mise en marche ;

• des économies d'énergie électrique acquises grâce à l'utilisation maximale de la pompe à vitesse variable.

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5 . 0 R é d u c t i o n d u d i a m è t r e d e l ' i m p u l s e u r d e l a p o m p e

5 . 1 G é n é r a l i t é s

Chacune des mesures d'économie d'énergie électrique (MEEE) de ce chapitre doit être considérée comme une étape préliminaire qui va permettre de réduire le diamètre de l'impulseur de la pompe et de réduire ainsi l'énergie d'entraînement (BHP) consommée par le moteur.

Ces mesures d'économie d'énergie électrique (MEEE) requièrent un investissement minime pouvant engendrer des économies d'énergie importantes, ce qui permet en général une période de recouvrement très courte, souvent inférieure à un an.

La figure 5.1 illustre comment des modifications, visant à réduire la perte de pression dans le système, permettent d'économiser de l'énergie pour le pompage (ex. : redimensionner la vanne de régulation).

La figure 5.2 illustre les effets des modifications du système visant à réduire la consommation de débit sur les économies d'énergie (ex. : réduire la recirculation continue).

Plusieurs pompes installées sont surdimensionnés en raison du facteur de sécurité élevé, alors que, dans bien des cas, une marge de sécurité minimale sur les conditions maximales suffirait. Ainsi, des économies d'énergie de 10 à 20 % pourraient être réalisées, uniquement en réduisant le diamètre de l'impulseur de ces pompes (1)

Les causes fréquentes du surdimensionnement sont les pertes de charge élevées à travers les vannes de régulation, la tuyauterie, les filtres, les robinets partiellement ouverts et les pertes engendrées par les boucles de recirculation inutiles. On peut citer également le manque de connaissance des débits requis par le procédé et une attitude trop conservatrice dans l'exploitation des équipements (pressions, débits).

Enfin, on a tendance à surdimensionner l'impulseur de la pompe pour éventuellement compenser les pertes de pression causées par la corrosion de la tuyauterie ou par l'encrassement des équipements, ou encore pour des augmentations futures de la capacité du procédé. Dans certains cas, ces conditions ne se produiront qu'après plusieurs années de fonctionnement. La pompe fonctionne alors à des conditions dépassant les besoins, et ce, avec des pertes inutiles pendant plusieurs années.

(1) KOVACKO, R., Optimum Pump Operation Can Cut Energy Costs in your Mill, Pulp and Paper Canada, No. 86:4, April 1985.

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5 . 2 C a l c u l d e s é c o n o m i e s d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e

Les pertes de pression élevées à travers certaines composantes du procédé constituent des limites physiques entraînant une augmentation de la hauteur manométrique totale requise par la pompe. Voici les composantes énergivores que l'on rencontre souvent

• vannes de régulation mal dimensionnées ;

• filtres ou échangeurs partiellement bloqués ;

• tuyauterie de diamètre insuffisant ;

• robinets partiellement ouverts ;

• débitmètre à forte restriction (ex. : plaque orifice).

En choisissant des composantes à faibles pertes de charge, on réduit la perte de pression dans le système, ce qui permet de réduire le diamètre de l'impulseur de la pompe pour obtenir le même débit avec une réduction de l'énergie servant au pompage.

Les formules de calcul des économies d'énergie électrique sont présentées au chapitre 3.0. 5 . 3 M e s u r e s d ' é c o n o m i e

d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e 5 . 3 . 1 R e d i m e n s i o n n e m e n t

d e s v a n n e s d e r é g u l a t i o n

Cette mesure d'économie d'énergie électrique (MEEE) consiste à réduire la chute de pression à travers les vannes de régulation. Dans certains cas, cette perte est associée à un ou plusieurs des facteurs suivants

• vannes trop petites ;

• vannes trop fermées ;

• type inapproprié de vannes.

Dans l'industrie, on a tendance à dimensionner les vannes de régulation à une ouverture de 50 % (débit moyen) et de 70 % (débit maximal). Or, dans plusieurs cas, des ouvertures supérieures permettront de réduire la perte de charge. La perte de précision associée à ces modifications peut souvent être absorbée par le procédé.

Exemple 5.1 : Augmentation du diamètre de la vanne de régulation

Un système de pompage muni d'un moteur de 75 HP alimente un réservoir à travers une vanne de régulation de 4 pouces de diamètre, comme l'indique la figure 5.3. On constate que la vanne fonctionne à une ouverture de 54 % durant 6 000 h/an et à un maximum de 78 % durant 2 000 h/an. On propose de la remplacer par une vanne de régulation de 6 pouces. La perte de précision est considérée comme acceptable quant au procédé.

30

31

DIAMÈTRE DE LA VANNE (po) 4,0

(existant) 4,0

(existant) 6,0

(nouveau) 6,0

(nouveau) Temps de fonctionnement (h) 6 000 2 000 6 000 2 000 Ouverture de vanne (%) 54 78 50 72 Débit (gpm) 750 1 000 750 1 000 Perte de charge – vanne (pi) 100 82 37 15 Hauteur manométrique totale (pi) 180 170 117 103 Diamètre de l'impulseur (po) 13 13 10,8 10,8 Efficacité de la pompe (%) 72 78 74 77 BHP de la pompe (HP) 47,3 55,0 29,9 33,8 Efficacité du moteur (%) 87,8 89,0 81,4 84,0 Puissance du moteur (kW) 40,2 46,1 27,4 30,0 Economies annuelles en énergie : ((40,2-27,4) kW x 6 000 h) + ((46,1 - 30,0) kW x 2 000 h))

= 109 000 kWh/an

Indices qui motivent le redimensionnement des vannes de régulation

• les vannes de régulation bruyantes ou dont le niveau de vibration est élevé ;

• les vannes de régulation dont l'ouverture moyenne est de moins de 50 %.

Avant de choisir la vanne de régulation, il faut vérifier si la condition suivante est satisfaite afin d'éviter la cavitation

Avantages du redimensionnement d'une vanne de régulation

• économies d'énergie électrique ;

• élimination de la cavitation ;

• réduction des vibrations ;

• réduction des frais d'entretien (robinet, tuyauterie) ;

• réduction du bruit ;

• meilleure rentabilité à l'étape de la conception.

Inconvénients

• perte possible de précision qui est néfaste pour certains procédés ;

• s'il y a un remplacement de la vanne de régulation (conversion), la période de recouvrement de l'investissement est plus longue ;

• réduction de la souplesse de fonctionnement de la pompe pour des demandes inhabituellement élevées du procédé.

Remarque

Dans les cas où la perte de précision et/ou de capacité reliée au dimensionnement de la vanne de régulation n'est pas acceptable, on peut également considérer l'installation d'un entraînement à vitesse variable (voir le chapitre 4.0).

32

5 . 3 . 2 R é d u c t i o n d e s p e r t e s

d a n s l e s y s t è m e

Lors de la conception d'un système de pompage, il faut

• choisir des raccords à faible perte de charge : coudes à rayon optimal (rayon/diam. = 1,5 à 3), tés à 45°, coudes à 45°, robinets de retenue à frottement minimal, raccords soudés, surfaces lisses, matériaux anticorrosion, etc. ;

• choisir le parcours le plus direct possible ;

• choisir des débitmètres à faible restriction hydraulique (ex. : débitmètres magnétiques et ultrasoniques) ;

• limiter la perte de pression dans les filtres : prévoir des systèmes de purge à rebours (backwasb) automatiques, des filtres en parallèle pour permettre l'entretien sans attendre un arrêt de production, ainsi que des alarmes de haute pression différentielle sur les filtres, étager la filtration et choisir l'efficacité de filtration minimale qui satisfait le procédé et les équipements ;

• limiter la perte de pression dans les échangeurs de chaleur, donc prévoir des manomètres aux entrées et sorties des échangeurs de chaleur, bien dimensionner les échangeurs et éviter les modèles à pertes de charge élevées.

Exemple 5.2 : Augmentation de la fréquence des purges d'un système de purge automatique sur un filtre d'eau fraîche.

Les tableaux ci-dessous montrent l'effet de réduction de la chute de pression à travers un filtre.

La pompe est conçue pour une perte de charge de 20 lb/po2 à travers le filtre.

Lorsque le filtre exige moins de pression, la hauteur manométrique totale excédante livrée par la pompe est gaspillée par l'étranglement de la vanne de régulation.

33

Économies annuelles en énergie : (43,0 kW – 35,8 kW) x 8 000 h/an = 57 600 kWh/an

Avantages d'utiliser des parcours hydrauliques plus directs et des équipements à faibles pertes de charge

• économie de l'énergie de pompage ;

• économie d'espace (tuyauterie) ;

• économie de matériel et de main-d'oeuvre pour l'installation de la tuyauterie.

Inconvénients

• main-d'oeuvre supplémentaire pour le déplacement des équipements et le perçage des murs et des planchers ;

• installations et équipements plus coûteux (débitmètres, échangeurs, réservoirs de condensation et systèmes de purge automatiques).

5 . 3 . 3 O u v e r t u r e o u f e r m e t u r e

c o m p l è t e d e s r o b i n e t s

Les robinets servant à contourner un réservoir, une vanne de régulation, un équipement ou à isoler cet équipement pour en faire l'entretien sans avoir à vidanger la tuyauterie, devraient être maintenus ouverts ou fermés à 100 %.

Il arrive que ces robinets soient utilisés pour ajuster un débit par étranglement.

Si la chute de pression à travers la vanne est élevée, cela peut être un indice que l'impulseur de la pompe est surdimensionné.

Dans certains cas, le simple fait de laisser le robinet ouvert à 100 % et de réduire le diamètre de l'impulseur de la pompe peut être une solution rentable à court terme (voir l'exemple ci-dessous).

Exemple 5.3 : Effet de l'ouverture d'un robinet

Le tableau suivant montre la relation entre le degré d'ouverture de deux types de robinets et la consommation d'énergie électrique du moteur de la pompe. il s'agit d'un cas théorique, après redimensionnement de l'impulseur de la pompe.

• Robinet à papillon de 6 po de diam.

• Débit : 900 gpm

• Hauteur manométrique totale : 150 pi

• Vélocité : 10 pi/s

• Efficacité de la pompe : 70%

• Puissance nominale du moteur : 60 HP

• Temps de fonctionnement : 8 000 h/an

34

Dans cet exemple, les économies réalisables en ouvrant le robinet de 50 % à 100 compenseraient le coût d'usinage de l'impulseur, ce qui permettrait une période de recouvrement d'environ un an.

Avantages de cette MEEE

• réduction de l'usure du robinet ;

• réduction de la vibration ;

• réduction du bruit.

Inconvénient:

• certains modèles de robinets ne donnent aucune indication de l'ouverture.

5 . 3 . 4 O p t i m i s a t i o n d u d i a m è t r e

d e l a t u y a u t e r i e

Pour maintenir un frottement raisonnable et limiter l'érosion dans la tuyauterie, la vélocité d'un fluide Newtonien (similaire à l'eau) dans un tuyau droit ne devrait pas dépasser une valeur donnée. Cette dernière dépend de divers facteurs : type de liquide, diamètre de la tuyauterie, type de procédé et d'industrie, rugosité de la tuyauterie, etc.

Lorsque la vélocité du liquide est telle qu'elle entraîne des pertes de charge élevées, on doit vérifier si l'énergie consommée pour vaincre le frottement ne coûte pas plus cher que le coût de remplacement de la tuyauterie pour un diamètre supérieur, ou encore l'installation d'une tuyauterie en parallèle avec la tuyauterie existante.

Lorsque la durée de vie de la tuyauterie peut atteindre cinquante ans, même une période de recouvrement de trois à cinq années pourrait alors justifier cette intervention. Une combinaison d'une ou plusieurs des situations suivantes en accélérera la rentabilité :

• le choix est fait à l'étape de la conception ;

• le matériau est peu coûteux (acier standard) ;

• la vélocité est élevée.

La période de recouvrement de l'investissement est habituellement plus courte avec une tuyauterie de faible diamètre, même si l'énergie récupérée est moindre.

35

Exemple 5.4 : Effets du diamètre de la tuyauterie

Un système de pompage existant fonctionne à un débit supérieur aux conditions nominales, soit 1500 gpm (US).

La tuyauterie comprend 300 pieds de tuyau droit de 6 pouces de diamètre, en acier au carbone standard (spécification 40), 15 coudes de 90 degrés et deux robinets.

Cet exemple montre comment l'augmentation du diamètre de la tuyauterie, visant à réduire les pertes de charge, permet d'économiser de l'énergie pour le pompage.

Avantages de cette MEEE

• économies d'énergie ;

• réduction du bruit ;

• réduction des vibrations ;

• réduction de l'usure de la tuyauterie, des vannes et des accessoires.

• dans le cas où la décision serait prise à l'étape de la conception d'un nouveau système la période de retour sur investissement serait considérablement réduite.

Inconvénients

• investissement élevé pour remplacer une tuyauterie existante (surtout les matériaux spéciaux) ;

• augmentation de l'espace requis ;

• application à des vélocités marginales.

DIAMÈTRE NOMINAL - TUYAU 6 po 8 po

Débit (gpm) (US) 1 500 1 500 Vélocité (pi/s) 16,7 9,6 Pertes de charge – tuyauterie (pi) 58 15 Hauteur manométrique totale (pi) 160 117 Diamètres de l'impulseur (po) 13,0 12,0 Efficacité de la pompe (HP) 71 73 BHP de la pompe 85,4 60,7 Puissance du moteur 70,5 52,3

Économies annuelles en énergie : (70,5 x 52,3 kW) x 8 000 h/an = 145 600 kWh/an

5 . 3 . 5 C o n t r ô l e d e s l i g n e s d e r e c i r c u l a t i o n

Utilisée avec les pompes centrifuges, la ligne de recirculation (continue ou intermittente) sert habituellement à maintenir un débit minimal pour éviter d'endommager la pompe. Le débit minimal peut être maintenu avec l'utilisation d'une vanne de recirculation ou une soupape de sûreté.

Cette mesure vise à réduire le débit de la pompe en réglant la ligne de recirculation afin de réduire l'énergie requise.

Une réduction du débit de la pompe permettra de tronquer l'impulseur pour conserver la même hauteur manométrique à la sortie de la pompe (voir la figure 5.2).

Exemple 5.5 : Élimination de la recirculation

Une ligne de recirculation est utilisée pour maintenir un débit afin d'éviter d'endommager la pompe si la demande du procédé venait à baisser, ce qui n'arrive pratiquement jamais. Le système actuel comporte un débit de recirculation constant, alors que le système modifié élimine la recirculation 99 % du temps (voir la figure 5.4).

Remarques

• D'habitude, 10 à 20 % du débit au point d'efficacité maximale est suffisant à la ligne de recirculation pour empêcher le réchauffement interne dans la pompe.

• Si les débits faibles durent suffisamment longtemps, il faut penser à utiliser des pompes plus petites en parallèle, avec délestage (voir le chapitre 8) ou un entraînement à vitesse variable (voir le chapitre 4).

• Une pompe fonctionnant à un débit nul peut être sévèrement endommagée et peut même provoquer éventuellement une explosion.

Avantages de cette MEEE

• économies d'énergie pour le pompage ;

• diminution de l'usure par érosion.

Inconvénient:

• période de recouvrement généralement longue, sans aide financière.

6 . 0 R e d i m e n s i o n n e m e n t d e l a p o m p e

6 . 1 G é n é r a l i t é s

Cette mesure d'économie d'énergie électrique (MEEE) requiert un investissement important. La rentabilité sur le plan énergétique s'échelonne habituellement sur deux ans ou plus.

Elle doit donc être considérée après d'autres mesures moins coûteuses (ex. : modes de fonctionnement, réduction du diamètre de l'impulseur, etc.).

6 . 2 C a l c u l d e s é c o n o m i e s

d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e

Une augmentation de l'efficacité de la pompe (Ep) se traduit par une réduction de sa puissance. Voir la section 3.1 pour les formules de calcul des économies d'énergie totales.

6 . 3 M e s u r e s d ' é c o n o m i e

d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e

6 . 3 . 1 S é l e c t i o n d ' u n e p o m p e f o n c t i o n n a n t à s o n p o i n t d ' e f f i c a c i t é m a x i m a l e

Il n'y a qu'un débit pour lequel une pompe donnée fonctionne à son point d'efficacité maximale. Ce débit se situe au point de croisement, entre la courbe du système et la courbe de la pompe, qui correspond au diamètre maximal de l'impulseur.

Si on a opté pour une marge de sécurité trop grande pour le débit et la hauteur manométrique ou que les contraintes du système ont été surestimées, on se retrouve en présence d'une efficacité inférieure à l'efficacité prévue.

Il est important de noter que deux modèles de pompe fournissant un travail similaire (débit et hauteur manométrique totale) peuvent avoir des efficacités différentes. Le modèle présentant la meilleure efficacité offre évidemment de plus grandes économies d'énergie électrique.

Exemple 6.1 : Une pompe usagée fonctionne à un taux d'efficacité de 45 %. Son remplacement par une nouvelle pompe d'une conception plus efficace peut économiser de l'énergie et réduire les frais d'entretien.

39

Économies annuelles en énergie: (38,0 kW – 25,2 kW) x 8 000 h/an = 102 400 kWh/an

Avantages de cette MEEE

• économies d'énergie électrique intéressantes ;

• gain d'espace, si la nouvelle pompe est plus petite ;

• lors de la conception, si le dimensionnement est fait selon des conditions de fonctionnement réalistes, il y a économie sur le prix d'achat des pompes, des moteurs, des démarreurs, etc.

Inconvénient

• investissement élevé pour le remplacement d'une pompe.

Remarques

• Lorsqu'il y a une pompe de réserve, la période de recouvrement est deux fois plu; longue. On peut cependant considérer le remplacement d'une seule pompe et fait en sorte qu'elle fonctionne la plupart du temps.

• Utiliser le débit normal (maximum d'heures de fonctionnement) pour atteindre le point d'efficacité maximale.

• Définir la capacité suffisante de la pompe pour satisfaire la demande maximale.

40

7 . 0 F o n c t i o n n e m e n t e t e n t r e t i e n

7 . 1 G é n é r a l i t é s

Ce chapitre traite des mesures d'économie d'énergie électrique (MEEE) touchant le choix du mode et des conditions de fonctionnement. Il illustre les effets du bon fonctionnement et de l'entretien préventif des systèmes de pompage sur leur performance.

Ces mesures exigent habituellement des investissements peu importants qui peuvent se traduire par des économies d'énergie électrique intéressantes. La période de recouvrement est habituellement très courte, souvent même inférieure à un an.

Les modes de fonctionnement qui suivent permettront de réduire la consommation d'énergie et l'entretien des pompes.

• Arrêter la pompe lorsque le débit est nul. Cela permettra une réduction de la consommation d'énergie et des frais d'entretien de la pompe.

• Ne pas faire recirculer plus que le débit minimal requis afin de protéger la pompe. Par exemple, si le débit minimal requis de la pompe est de 200 gpm (US), faire recirculer seulement lorsque les exigences du procédé sont inférieures à 200 gpm (US). Arrêter la recirculation lorsque la demande est supérieure à 200 gpm (US). Si le débit de la pompe n'est pas mesuré, la pression au refoulement de la pompe peut être utilisée comme indication de débit minimal.

• Arrêter et faire démarrer les pompes en parallèle au besoin. Déterminer les points de pression ou de débit lorsqu'il y a arrêt ou démarrage des pompes en parallèle.

• Utiliser des pompes de réserve lorsque c'est nécessaire et ne pas faire fonctionner les pompes de réserve en parallèle avec une pompe déjà en marche.

7 . 2 C a l c u l d e s é c o n o m i e s

d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e

Les économies d'énergie électrique des MEEE de ce chapitre peuvent se résumer ainsi :

• éliminer les transferts de liquide inutiles (voir la section 7.3. 1);

• délester les pompes en parallèle (voir la section 7.3.2) ;

• réduire la viscosité du liquide pompé (voir la section 7.3.3) ;

• augmenter la concentration (consistance) dans le procédé (voir la section 7.3.4) ;

• éliminer la cavitation dans la pompe (voir la section 7.3.5) ;

• rétablir les tolérances internes de la pompe (jeu entre l'impulseur et la surface d'usure, diamètre de l'impulseur) ;

• utiliser un revêtement lisse (boîtier et impulseur) ;

• utiliser un lubrifiant synthétique (basse viscosité) ;

• remplacer les roulements usés ;

• remplacer les garnitures par des joints mécaniques.

Les formules de calcul de base sont présentées à la section 3.0.

41

7 . 3 M e s u r e s d ' é c o n o m i e d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e 7 . 3 . 1 R é d u c t i o n d e s t r a n s f e r t s

d e l i q u i d e i n u t i l e s

Cette mesure vise à réduire les déviations ou transferts de liquide répétés d'un réservoir à un autre.

Exemple 7.1 : Dans un procédé donné, si les cuves n'ont pas une capacité suffisante, on a recours à un réservoir tampon intermédiaire de grande capacité qui permet de transférer tout le liquide de la cuve A à la cuve B (voir la figure 7.1). Pour réduire de 50 % le temps de fonctionnement de la pompe du réservoir tampon, on installe une conduite de dérivation du réservoir qui relie directement les deux cuves A et B. Le réservoir tampon sert alors uniquement à empêcher les débordements des cuves A et B vers l'égout, par exemple, lors des variations de débit du procédé.

La pompe du réservoir A peut satisfaire les deux directions, comme on le voit dans le tableau ci-dessous :

Pompe de la cuve A :

Direction Réservoir tampon Cuve B

Débit (gpm) (US) Hauteur statique (pi) Pertes de charge - tuyauterie (pi) Pertes de charge – vanne de régulation (pi) Hauteur manométrique totale (pi)

2 000 50 20 30 100

2 000 20 40 40 100

Le résultat obtenu sans l'utilisation de la pompe du réservoir tampon représente l'économie de puissance suivante: Pompe du réservoir tampon :

Débit (gpm(US))

H (pi)

Diamètre de l'impulseur

(po)

Efficacité de la pompte (%)

BHP Puissance du moteur (kW)

2 000 70 10,9 71 50 41,9 Économies annuelles en énergie : 41,9 kW x 8 000 h/an x 50% = 168 000 kWh/an

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Avantages de cette MEEE

• économies d'énergie électrique importantes dans plusieurs cas ;

• réduction de l'entretien et de l'usure de la pompe (réduction du temps de fonctionnement).

Inconvénient:

• période de recouvrement de l'investissement relativement longue.

Remarques

• Vérifier l'utilité de pomper plusieurs fois un même liquide sans lui faire subir une transformation (ex. : dilution, filtration, etc.).

• Lors de la conception d'une nouvelle installation, prévoir une capacité tampon suffisante des réservoirs collecteurs.

• Vérifier la quantité d'énergie supplémentaire exigée par la pompe principale (ex. : pompe de la cuve A).

43

7 . 3 . 2 F o n c t i o n n e m e n t d e p o m p e s e n p a r a l l è l e

Lorsque la demande de pression d'un procédé est constante et que son profil de demande en débit varie de façon significative, il est d'usage courant d'installer plusieurs petites pompes en parallèle plutôt qu'une seule grosse pompe. Cependant, pour que ce système soit performant, il faut que, le délestage (arrêt) d'une ou plusieurs pompes soit effectué durant les chutes de débit. Cette mesure de délestage entraînera une économie en énergie motrice tout en maintenant une efficacité optimale des pompes en état de fonctionnement.

Exemple 7.2 : Un système est muni de trois pompes existantes en état de fonctionnement continu, d'où un débit qui varie en fonction de la demande.

Variation du débit : 2 000 gpm (US), 5 000 h/an 3 500

gpm (US), 2 500 h/an 4 350

gpm (US), 500 h/an

Le tableau ci-dessous illustre les conditions existantes et nouvelles du système. La figure 7.2 illustre le nouveau mode de fonctionnement du système.

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Économies réalisées à l'aide de trois pompes en parallèle (avec délestage lors des faibles débits) comparativement à un mode de fonctionnement continu :

Économies annuelles en énergie

[ (159-55) kW x 5 000 h] + (142-105) kW x 2 500 h = 612 500 kWh/an

Avantages de cette MEEE

• économies d'énergie électrique importantes ;

• réduction du temps de fonctionnement des pompes ;

• réduction de l'usure de chaque pompe fonctionnant plus près de son point d'efficacité optimale ;

• rentabilisation rapide de cette mesure.

Inconvénient:

• cette mesure ne s'applique que lorsque les variations de débit sont suffisamment longues et importantes pour justifier l'arrêt d'une pompe.

Remarques

• Lorsque des pompes sont installées en parallèle, si on n'effectue aucun délestage (arrêt) de pompe à faible débit, ce système coûtera plus cher à faire fonctionner qu'une seule grosse pompe fonctionnant continuellement.

• Utiliser des aspirations indépendantes et semblables pour chaque pompe en parallèle.

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7 . 3 . 3 R é d u c t i o n d e l a v i s c o s i t é d u l i q u i d e p o m p é

Cette MEEE consiste à diminuer la viscosité d'un liquide afin de réduire les pertes de charge et l'énergie servant au pompage. Cette MEEE est applicable dans le cas où l'énergie utilisée pour chauffer le fluide afin d'en réduire la viscosité provient d'une source qui serait autrement perdue. Il ne faut jamais oublier que les pertes dans la pompe, la tuyauterie et les équipements sont transformées en chaleur normalement dissipée dans le fluide.

Avantage de cette MEEE :

• réduction de la consommation d'électricité pour le pompage.

Inconvénients

• la limite de température à laquelle on peut chauffer le liquide avant le pompage correspond à celle utilisée dans le procédé ;

• cette méthode ne convient qu'aux liquides très visqueux (huile, mélasse, etc.).

Remarques

• Lorsque la viscosité est très élevée (ex. : 500 cP), une pompe à déplacement positif est habituellement plus économique pour l'énergie servant au pompage.

• Utiliser des liquides à basse viscosité et à haute performance énergétique (ex. : huiles spéciales pour assurer le transfert de la chaleur).

• Éviter de surchauffer le liquide (risque de cavitation).

7 . 3 . 4 A u g m e n t a t i o n d e l a

c o n c e n t r a t i o n d u l i q u i d e p o m p é

Cette MEEE consiste à augmenter la concentration (ou la consistance) du liquide pompé (ex. : pâte à papier) pour réduire le débit de la pompe de même que l'énergie servant au pompage.

Exemple 7.3 : Pour réduire le débit d'une pompe de dilution (eau blanche) et la hauteur manométrique totale d'une pompe d'alimentation d'un tamis (pâte), on élève la consigne de consistance de la pâte à l'entrée du tamis de seulement 0,2 (voir le tableau suivant).

La figure 7.3 illustre le système actuel et le système modifié après le recours à une MEEE.

46

47

Avantages de cette MEEE

• courte période de recouvrement ;

• investissement limité à l'usinage des impulseurs ;

• capacité de production équivalente malgré une capacité d'entreposage moindre à concentration élevée.

Inconvénients

• concentrations maximales limitées par les équipements du procédé ;

• augmentation de la puissance requise par la pompe due au frottement dans la tuyauterie à partir d'une concentration donnée (ex. : pâte à 3 % de consistance) ;

• impossibilité de ramener le système aux conditions initiales sans remplacer les impulseurs.

Remarques

• Lors de la conception d'un procédé, choisir des équipements fonctionnant efficacement à plus haute consistance (ex. : épurateurs, tamis, pompes).

7 . 3 . 5 É l i m i n a t i o n d e l a

c a v i t a t i o n d a n s l e s p o m p e s

La cavitation apparaît lorsque la pression totale absolue du liquide à l'impulseur est inférieure à sa pression de vapeur. Il y a alors formation de bulles de vapeur qui implosent sous la pression élevée des pales de l'impulseur, ce qui détériore l'impulseur et le boîtier de la pompe.

Les indices de cavitation sont

• une vibration élevée et des bruits secs dans la pompe ;

• la pression et le débit anormalement faibles (perte d'efficacité).

Remarques

• Pour éliminer la cavitation, il faut que : NPSHDISP. > NPSHREQ. (voir la section 2.4).

NPSHDISP. : NPSH disponible du système

NPSHREQ. . NPSH requis par la pompe

1) Augmenter NPSHDISP. (solutions économiques)

• augmenter la pression du réservoir ;

• élever le niveau du réservoir (côté aspiration) ;

• réduire le frottement par la tuyauterie d'aspiration plus courte, plus droite ou plus large (voir Pump Handbook (l)) ;

• refroidir le liquide (moins économique).

(l) KARASSIK, I.J.,KRUTASCH, W.C., FRASER, W.H., and MESSINA, J.P., Pump Handbook, 2nd Edition, McGraw Hill, 1986.

48

2) Réduire NPSH,fQ. (solution coûteuse) :

• réduire le débit : tronquer l'impulseur ou utiliser des pompes plus petites en parallèle (voir la section 7.3.2) ;

• régler la vitesse : entraînement à vitesse variable (voir le chapitre 3) ;

• remplacer la pompe : pompe à double succion.

3) Lorsque le NPSHDISP s'approche du NPSHreq,, veillez à réduire la turbulence dans le réservoir et l'aspiration pour restreindre la formation de bulles de vapeur ou d'air dans la pompe (voir Pump Handbook (1)) .

Avantages de cette MEEE

• rétablissement de l'efficacité, du débit et de la pression au niveau de la conception ;

• coûts peu élevés ;

• réduction du bruit et des vibrations ;

• réduction de l'entretien.

7 . 3 . 6 E n t r e t i e n p r é v e n t i f

1) Rétablissement des jeux internes

Un jeu excessif entre l'impulseur et la surface d'usure (wearing face) peut causer une perte de capacité et de pression de la pompe. Une partie du débit est dérivée et recircule vers l'impulseur, comme l'indique la figure 7.4.

Le jeu optimal varie d'un modèle à l'autre (vérifier auprès du fabricant).

49

Avantages de cette MEEE

• conservation de la performance initiale de la pompe ;

• période de recouvrement intéressante.

Inconvénient:

• difficulté d'établir la fréquence d'inspection des jeux internes pour rentabiliser les frais d'entretien.

Les indices signalant le besoin de rétablir les jeux internes sont

• une hauteur manométrique totale de la pompe moins élevée ;

• un liquide corrosif ou abrasif ;

• un pourcentage élevé de solides ;

• une cavitation ou une vibration ;

• un matériau mal sélectionné (dureté ou résistance à la corrosion) ;

• une recirculation interne (vanne étranglée) ;

• un taux de fuites plus élevé que prévu avec les pompes à impulseur mince et de grand diamètre ;

Pour suivre la progression de l'usure et du jeu, on doit mesurer le débit et la hauteur manométrique de la pompe. Une perte de 10 pieds (pour un débit donné) peut être un indice révélateur.

2) Vérification du diamètre de l'impulseur

En présence de liquides abrasifs (ex. : boues, sable dans l'eau) ou corrosifs, le diamètre de l'impulseur peut diminuer de façon significative et affecter la performance de la pompe.

Les indices de remplacement de l'impulseur sont

• une réduction progressive de la hauteur manométrique et du débit ;

• un milieu abrasif ou corrosif.

Méthode

• Pour un milieu très abrasif, choisir un matériau très dur pour l'impulseur et le

• boîtier (ex. : carbures et alliages spéciaux) ou avec revêtement.

Pour un milieu corrosif, choisir un matériau anticorrosif approprié pour l'impulseur et les composantes en contact avec le liquide (ex. : aciers inoxydables).

3) Vérification de l'état des roulements

Un roulement à billes défectueux de la pompe ou du moteur peut entraîner une augmentation importante du couple requis, donc de la puissance du moteur.

Les indices de roulements défectueux sont

• une vibration ou un bruit anormal ;

• une température plus élevée du roulement ;

• une augmentation subite du courant du moteur.

50

4) Application d'un revêtement lisse sur l'im i ulseur et le boîtier

Il s'agit d'un revêtement à base de résine synthétique qui réduit les pertes hydrauliques en aplanissant la rugosité de la surface (Ra = 0,08 - 0,4 µm).

Dans certains cas, l'efficacité de la pompe peut augmenter de 4 à 10 % (par ex. : l'efficacité peut passer de 80 à 84 %) et dépasser son efficacité initiale. Consulter le fabricant du revêtement et de la pompe pour connaître les détails d'efficacité applicables.

Exemple 7.4 : Une pompe à eau à double aspiration d'une station de pompage a été traitée avec une résine synthétique à faible indice de rugosité. Ce traitement a permis d'en augmenter la performance et de tronquer ainsi l'impulseur.

Économies annuelles en énergie

(266 - 253) kW x 8 000 h/an = 104 000 kWh/an

Avantages de cette MEEE

• efficacité accrue au pompage ;

• amélioration de la résistance à la corrosion.

Inconvénients :

• ce revêtement s'applique à une gamme donnée de températures et de pH et à des contenus peu abrasifs ;

• ces produits sont relativement nouveaux (une dizaine d'années environ) ;

• il faut avoir recours à une pompe de remplacement pour la durée du traitement.

Remarque

• La période de recouvrement de l'investissement sera plus courte pour de plus grosses pompes.

51

8 . 0 P o m p e s e n s é r i e , i n d é p e n d a n t e s e t p a r a l l è l e s p o u r l e s r é s e a u x

8 . 1 G é n é r a l i t é s

La hausse des prix de l'énergie rend nécessaire l'optimisation du fonctionnement de chaque système de pompage dans un réseau de distribution. Le point d'utilisation dont le cheminement est le plus critique (la perte de pression et la pression requise au point d'utilisation, y compris la hauteur statique) dicte la hauteur manométrique de la pompe. Il y a perte d'énergie pour d'autres points d'utilisation qui requièrent une hauteur manométrique de pompe moins importante. L'usage d'une pompe en série ou d'une pompe indépendante à vitesse constante pour satisfaire le point d'utilisation critique peut réduire la consommation globale d'énergie.

Les anciens systèmes de pompage à vitesse constante, habituellement conçus pour minimiser les frais d'installation, sont habituellement munis de pompes desservant plusieurs points d'utilisation. Des modifications apportées au système de pompage afin de redistribuer et d'équilibrer les points d'utilisation peuvent supposer une période de recouvrement rapide basée sur les prix actuels de l'énergie.

Les nouvelles installations de pompage doivent tenir compte des hausses futures des prix de l'énergie afin de minimiser éventuellement les frais d'exploitation. Des immobilisations supplémentaires peuvent conduire à des économies substantielles sur le plan de la consommation d'énergie et donc, des frais d'exploitation à venir.

Avantages d'une installation de pompage en série ou indépendante

• réduction de la consommation globale d'énergie ;

• recouvrement rapide des coûts compte tenu des économies d'énergie électrique;

• réduction de l'usure des vannes causée par des chutes de pression inutiles ;

• élimination ou réduction des bruits et des vibrations dans les tuyaux, les vannes et les robinets.

Inconvénients

• étude minutieuse du système existant afin de déterminer les besoins de chaque point d'utilisation en matière de débit et de pression ;

• investissement pour la nouvelle pompe et les canalisations correspondantes ;

• espace à prévoir pour la nouvelle pompe et les canalisations correspondantes ;

• réduction de l'efficacité de fonctionnement de la pompe existante ;

• services d'entretien pour la nouvelle pompe.

52

8 . 2 C a l c u l d e s é c o n o m i e s d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e

La hauteur manométrique totale de la pompe dépend habituellement du point d'utilisation critique. Pour chaque point d'utilisation, une certaine hauteur manométrique totale est nécessaire pour un débit donné. La hauteur requise pour un débit donné d'un point d'utilisation sera la somme de

• la pression requise au point d'utilisation ;

• la hauteur statique du point d'utilisation ;

• les pertes de charge dans les tuyaux permettant au débit d'atteindre le point d'utilisation ;

• la chute de pression dans la vanne ou le robinet.

Cette analyse se propose de définir les exigences des points d'utilisation du procédé. Voir les formules de calcul des économies d'énergie électrique à la section 3.1.

8 . 3 M e s u r e s d ' é c o n o m i e d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e

8 . 3 . 1 A p p l i c a t i o n s d e p o m p e s e n s é r i e

Des économies d'énergie électrique sont réalisables dans le cas d'une pompe à vitesse constante approvisionnant plusieurs points d'utilisation. Les résultats d'études démontrent que des économies d'énergie importantes sont réalisables dans le cas de pompes en série à vitesse constante.

Le point d'utilisation exigeant la plus grande hauteur dictera la hauteur manométrique totale de la pompe à vitesse constante. Les points d'utilisation qui nécessitent une pression plus basse exigent une chute de pression dans la vanne de régulation ou autre (comme un orifice, par exemple). Cette chute de pression est le résultat de la pression disponible qui n'est pas requise pour tous les points d'utilisation.

Exemple 8.1 : Pompe en série

La figure 8.1 fournit l'exemple d'une pompe à vitesse constante approvisionnant cinq points d'utilisation. Le tableau 8.1 illustre les exigences de chaque point. La somme des cinq débits réels des points d'utilisation détermine le débit réel requis par la pompe.

53

54

La figure 8.2 présente un système modifié. L'usage d'une pompe en série à vitesse constante pour satisfaire les exigences du point d'utilisation numéro 5 peut mener à des économies d'énergie substantielles. Le point d'utilisation critique de la pompe initiale devient maintenant le point d'utilisation numéro 2.

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Indices d'utilisation d'une pompe en série

• quelques points d'approvisionnement exigent une pression élevée et d'autres, une pression basse ;

• quelques points exigent une hauteur statique élevée et d'autres, une hauteur statique basse ;

• quelques points sont éloignés de la pompe d'alimentation et d'autres sont situés près de la pompe.

Remarques

• Le fonctionnement d'une pompe en série est nécessaire pour satisfaire le point de pression le plus élevé.

• Une protection est requise pour éviter le fonctionnement de la pompe en série lorsque la pompe d'alimentation est à l'arrêt.

8 . 3 . 2 A p p l i c a t i o n s d e p o m p e s

i n d é p e n d a n t e s

Des économies d'énergie électrique substantielles sont réalisables en éliminant un point d'utilisation d'une pompe à vitesse constante approvisionnant plusieurs points. Cette redistribution est possible grâce à l'installation d'une pompe indépendante à vitesse constante.

Non seulement l'installation d'une pompe indépendante réduira très légèrement le débit de la grande pompe à vitesse constante, mais elle réduira aussi considérablement sa hauteur manométrique totale.

Les économies d'énergie électrique potentielles d'une nouvelle pompe indépendante peuvent amener une période de recouvrement rapide pour le total des frais d'installation de la pompe, y compris la modification de la tuyauterie.

Exemple 8.2 : Pompe indépendante

La figure 8.4 illustre la façon dont une pompe indépendante peut être utilisée dans l'exemple précédent pour les conditions existantes (voir le tableau 8.1, Conditions existantes).

56

La figure 8.5 démontre comment l'installation de la pompe indépendante de 300 gpm (US) réduira la hauteur manométrique totale de la pompe existante à vitesse constante, de 210 pieds à 140 pieds. Le diamètre de l'impulseur de la pompe existante peut être réduit afin de satisfaire le point d'utilisation critique du point numéro 2.

Nouvelles conditions

69 57

8 . 3 . 3 A p p l i c a t i o n s d e p o m p e s e n p a r a l l è l e

Plusieurs mesures d'économie d'énergie électrique (MEEE) peuvent être étudiées pour les applications des pompes en parallèle des réseaux de distribution. Il est essentiel d'établir la courbe du système et le profil de charge pour évaluer les MEEE. Cela exige une bonne compréhension du procédé.

Les trois MEEE applicables aux pompes en parallèle sont expliquées ci-dessous

• La première MEEE consiste à faire fonctionner uniquement les pompes requises pour satisfaire la demande du procédé. Le démarrage et l'arrêt des pompes en fonction de la pression au refoulement est un moyen simple et efficace pour économiser un minimum d'énergie, selon l'énoncé de la section 7.3.2.

Pour les réseaux dont la courbe du système varie de façon importante, l'économie d'énergie peut être optimisée par le démarrage et l'arrêt des pompes, basés sur la pression au point d'utilisation avec le cheminement le plus critique.

Remarques

• Lorsque le point d'utilisation critique n'est pas atteint, le fonctionnement des pompes en parallèle peut être basé sur le prochain point critique ou la pression au refoulement de la pompe en parallèle.

• Le démarrage et le délestage fréquents des pompes durant les périodes de pointe à courte durée peuvent réduire la durée de vie du moteur.

• Les moteurs des pompes en parallèle doivent être en mesure de fonctionner à la condition extrême à débit maximal (run-out condition).

• La deuxième MEEE est l'utilisation des moteurs à vitesses multiples. L'application des moteurs à vitesses multiples est expliquée à la section 4.3.2.

Remarque

• On doit s'assurer de respecter les exigences de débit minimal et de NPSH lorsqu'on fait fonctionner une pompe en parallèle à une vitesse inférieure à celle des autres pompes.

• La troisième MEEE disponible est l'utilisation d'une ou plusieurs EVV pour régler la vitesse des pompes en parallèle. Cette option est présentée à la section 4.3.3. Cette mesure offre une plus grande possibilité d'optimisation et s'adapte mieux aux réseaux plus complexes.

Les mesures présentées dans les autres chapitres de ce guide peuvent être un complément à l'une ou l'autre des trois principales mesures expliquées dans cette section.

Lorsqu'on considère les mesures d'économie d'énergie électrique (MEEE), on doit tenir compte de la complexité d'un réseau et de son effet sur le fonctionnement.

58

9 . 0 A u t r e s m e s u r e s d ' é c o n o m i e d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e

9 . 1 M e s u r e s d ' é c o n o m i e d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e

9 . 1 . 1 R e d i m e n s i o n n e m e n t d u m o t e u r

Redimensionner le moteur pour le faire fonctionner à une charge quasi-maximale peut être une MEEE intéressante. Habituellement, le rendement d'un moteur fonctionnant à moins de 50 % de sa pleine charge diminue de façon appréciable.

Les économies peuvent être estimées à l'aide des formules suivantes :

Exemple 9.1 : Une pompe est entraînée par un moteur de 150 HP. On mesure une tension de 580 volts et un courant de 67,7 ampères au démarreur, aux conditions normales de fonctionnement. L'installation d'un moteur plus petit (75 HP) permettrait des économies d'énergie.

59

Économies annuelles en énergie: (47,6 – 43,5) kW x 8 000 h/an = 32 800 kWh/an

Remarque :

Assurer la capacité suffisante du moteur pour satisfaire la capacité maximale de la pompe.

9 . 1 . 2 A u g m e n t a t i o n d e

l ' e f f i c a c i t é d u m o t e u r

L'utilisation d'un moteur à plus haute efficacité (les moteurs à haute efficacité de 95 et plus) coûte plus cher, mais peut être intéressante pour une nouvelle installation ou lors du redimensionnement d'un moteur (1).

Condition Moteur Courant (Ampères)

Efficacité du moteur (%)

Facteur de puissance (%)

Puissance d'entrée (kW)

Puissance de sortie (kW)

Existante 150 HP 67,7 87 70 47,6 41,4 Nouvelle 75 HP 50,9 95,2 85 43,5 41,4

60

1 0 . 0 É v a l u a t i o n f i n a n c i è r e d e s m e s u r e s d ' é c o n o m i e d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e

La décision d'appliquer une mesure d'économie d'énergie électrique (MEEE) repose sur les avantages financiers qu'elle suppose. La méthode simple de calcul pour la période de recouvrement de l'investissement (PRI) est largement utilisée lors de cette prise de décision. Cette méthode offre une mesure simple du temps qu'il faudra avant que les sommes économisées soient égales à l'investissement en capital.

1 0 . 1 I m m o b i l i s a t i o n s p o u r

l ' i m p l a n t a t i o n d e m e s u r e s d ' é c o n o m i e d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e

Il est important de faire une estimation des immobilisations des mesures d'économie d'énergie électrique afin de déterminer la période de recouvrement de l'investissement.

Dans le cas d'un nouveau système ou d'un système nécessitant des modifications, il est nécessaire d'évaluer les coûts en ayant recours ou non à des mesures d'économie d'énergie électrique. Chaque estimation devra inclure le coût des composantes nécessaires au fonctionnement du système. À titre d'exemple, dans le cas d'une pompe, une vanne de régulation peut ne pas être nécessaire si un entraînement à vitesse variable est proposé comme mesure d'économie d'énergie électrique. Les coûts d'une vanne de régulation devront alors être compris dans le calcul de base, mais non dans le calcul des économies d'énergie.

L'écart entre les sommes des deux estimations représente les frais marginaux de l'implantation de la mesure d'économie d'énergie électrique. S'il s'agit d'un système déjà en fonctionnement, les coûts de l'implantation de la mesure d'économie d'énergie électrique représentent les frais marginaux.

Chaque devis devra comporter tous les coûts des matériaux et de la main-d'oeuvre nécessaires à l'implantation de la mesure. Les fournisseurs d'équipements spécifiques peuvent fournir des prix pour le coût des équipements. En se reportant au design préliminaire, le prix des matériaux (comme les tuyaux, les vannes, les conduites, les câbles, le béton, etc.) peut également être obtenu auprès des fournisseurs. Par ailleurs, les entrepreneurs compétents peuvent fournir des prix sur l'installation.

La précision des estimations aura une influence majeure sur la rentabilité du projet proposé.

1 0 . 2 C a l c u l d e l a p é r i o d e

d e r e c o u v r e m e n t d e l ' i n v e s t i s s e m e n t

Il existe plusieurs façons d'évaluer le mérite de l'investissement proposé. Le calcul simple de la période de recouvrement de l'investissement est une méthode fréquemment utilisée lors de l'évaluation des projets. Cette méthode offre un calcul facile et rapide visant à déterminer la période de temps requise pour que les économies égalent l'investissement initial. Une courte période de recouvrement des coûts est une bonne indication de la faisabilité d'un projet.

61

Voici une méthode de calcul simple de la période de recouvrement de l'investissement

Dans le cas d'une nouvelle installation ou d'un système exigeant des modifications, la somme des frais marginaux nécessaires à l'implantation de la mesure d'économie d'énergie électrique proposée devra être appliquée plutôt que les immobilisations totales. La période de recouvrement de l'investissement démontrera alors le temps qu'il faudra avant que les économies puissent équivaloir aux immobilisations supplémentaires du projet.

Bien que le calcul de la période de recouvrement de l'investissement ne tienne pas compte de la valeur de rendement de l'argent, sa simplicité en fait une méthode intéressante. D'autres méthodes d'analyse financière plus rigoureuses dépassent la portée de ce guide.

1 1 . 0 M é t h o d e s d e m e s u r e

1 1 . 1 G é n é r a l i t é s

1 1 . 1 . 1 E s s a i d e r e n d e m e n t

Un essai de rendement peut être nécessaire pour vérifier l'état de fonctionnement d'une pompe.

En gros, l'essai de rendement consiste à mesurer les paramètres suivants :

• la pression totale à l'aspiration de la pompe (rapportée au centre de la pompe) ;

• la pression totale au refoulement de la pompe (rapportée au centre de la pompe) ;

• le débit de la pompe (converti aux conditions standard du fabricant) ;

• la puissance à l'entrée du moteur ;

• la vitesse de rotation de la pompe (tr/min) .

Ensuite, on calcule

• la hauteur manométrique totale (différence entre la pression au refoulement et la pression à l'aspiration de la pompe) ;

• la puissance à l'entrée de la pompe (enlever les pertes dans l'accouplement).

On corrige s'il y a lieu pour tenir compte de la différence de la viscosité ou de la densité (voir Pump Handbook(1)) et on reporte les points de fonctionnement suivants sur le graphique du fabricant

• la hauteur manométrique totale par rapport au débit ;

• la puissance à l'entrée de la pompe par rapport au débit.

S'il existe un écart appréciable (ex. : plus de 20 %) entre les valeurs obtenues et théoriques, on doit en vérifier la cause. Une perte de performance peut être due à une perte des tolérances initiales de la pompe (augmentation du jeu impulseur-surface d'usure, usure de l'impulseur, défaut du joint d'étanchéité de la pompe), ou encore à un fonctionnement marginal compte tenu d'un NPSH insuffisant (se référer aux sections appropriées de ce guide).

1 1 . 1 . 2 I n s t r u m e n t s e t

m é t h o d e s d e m e s u r e

La précision des mesures et des résultats obtenus dépendent :

• de la précision, des limitations, de la calibration, de l'installation et de l'interprétation à donner des instruments ;

• de la formation de celui ou de celle qui les utilise ;

• de la stabilité du procédé (les ouvertures des vannes de régulation, les niveaux des réservoirs, les pressions de fonctionnement, les débits, la vitesse du moteur

• devraient être maintenus constants pour la durée des tests).

(1) KARASSIK, I.J., KRUTASCH, W.C., FRASER, W.H., and MESSINA, J.P., Pump Handbook, tnd Edition, McGraw Hill, 1986.

63

1 1 . 2 P a r a m è t r e s à m e s u r e r 1 1 . 2 . 1 D é b i t

Lorsque des débitmètres permanents ne sont pas installés au refoulement de la pompe, il existe un certain nombre d'éléments pour en déterminer le débit

• réservoir et chronomètre ;

• mesure de la puissance d'entrée du moteur (courbe de la pompe) ;

• différence entre la pression à l'aspiration et la pression au refoulement d'une pompe (courbe de la pompe) ;

• formule de calcul du débit avec certains équipements de procédé (ex. : épurateurs centrifuges où le débit est fonction de la différence entre la pression à l'aspiration et la pression au refoulement) ;

• débitmètre portatif ultrasonique (transit, etc.) ;

• manomètres à l'entrée et à la sortie d'une restriction de débit ;

• bilan de masse combiné avec quelques mesures de débit.

Voici quelques exemples de débitmètres installés en permanence que l'on retrouve assez souvent (par ordre croissant de coût)

• plaque-orifice et deux manomètres ;

• rotamètre ;

• débitmètre à vortex ;

• débitmètre électromagnétique ;

• débitmètre massique.

Causes fréquentes d'erreur

• débitmètre défectueux ou mal calibré ;

• méconnaissance des limitations du débitmètre (taux de solides, viscosité, densité, diamètre de la tuyauterie, etc.) ;

• non-respect du mode d'installation (éloignement des réducteurs et des zones de turbulence, etc.).

1 1 . 2 . 2 P r e s s i o n

Lorsqu'aucun manomètre n'est installé à l'entrée d'une pompe, on peut calculer la pression statique selon l'équation suivante

P (stat.) entrée = P (air) + Hs - Hf (11-1)

P (air) pression relative de l'air au-dessus du liquide (dans un réservoir fermé) (pi) ;

Hs différence de hauteur entre le niveau du réservoir et le centre de la pompe (pi) ;

Hf pertes de charge dans la conduite d'aspiration de la pompe (pi).

64

À la sortie d'une pompe, on devrait toujours prévoir un manomètre placé à une distance d'environ 10 fois le diamètre du tuyau en aval du dernier coude. Celui-ci devrait posséder un robinet d'isolement permettant d'enlever le manomètre pour le protéger des vibrations après utilisation (erreur fréquente : le manomètre est installé à la bride de sortie de la pompe).

On peut calculer la pression statique à la sortie de la pompe selon l'équation suivante :

P (stat.) sortie = P mano. + Hs + Hf (11-4)

P mano. : pression relative du liquide au point d'installation du manomètre (pi)

Hs différence de hauteur entre le niveau du manomètre et le centre de la pompe (pi)

Hf pertes de charge dans la tuyauterie entre la pompe et le manomètre (pi)

La pression totale est calculée de la même façon.

Habituellement, il existe toujours au moins un manomètre en un point quelconque de la tuyauterie de refoulement d'une pompe. Il est alors possible de déterminer la pression à la sortie de la pompe en appliquant la formule précédente.

Un exemple d'instrument de mesure de la pression que l'on retrouve assez souvent est le manomètre à jauge (de Bourdon ou autre). Erreurs fréquentes :

• manomètre défectueux ou mal calibré (vibration et absence du robinet d'isolement) ;

• mauvais emplacement du manomètre (à une distance équivalente moindre d'un raccord, d'une vanne, d'un robinet, etc. de 5 fois le diamètre de la conduite) ;

• oubli de retrancher la pression à l'aspiration de la pression au refoulement pour déterminer le débit (courbe de la pompe) ;

• oubli de conversion (pression relative à pression absolue ou vice versa) ;

• oubli de corriger l'élévation du manomètre par rapport au centre-ligne de la pompe ;

• oubli de tenir compte de la pression dynamique dans le calcul de la pression totale (surtout au refoulement).

65

1 1 . 2 . 3 P u i s s a n c e

On peut également déterminer le débit d'une pompe en mesurant la puissance consommée par le moteur. On doit alors corriger et ajouter la perte d'efficacité à travers l'accouplement (direct ou glissant), pour obtenir la puissance efficace fournie par la pompe et non par le moteur. À l'aide de cette puissance et de la courbe de la pompe pour un diamètre d'impulseur donné, on peut alors estimer le débit pompé.

On devrait idéalement mesurer directement la puissance consommée à l'entrée d'un moteur électrique en utilisant un wattmètre, particulièrement avec les moteurs c.a. triphasés.

Si l'on ne possède pas de wattmètre, on peut utiliser un voltmètre et un ampèremètre. La puissance peut alors être estimée à l'aide de la formule suivante :

Puissance requise par le moteur, en kW

Erreurs fréquentes

• utilisation d'un facteur de puissance et d'une efficacité autres que ceux du fabricant du moteur ;

• mesure du courant que pour une des 3 phases ;

• tension nominale plutôt que réelle (ex. : 600 V au lieu de 576 V) ;

• mauvaise calibration du wattmètre, du voltmètre ou de l'ampèremètre ;

• erreur de branchement du wattmètre au démarreur.

66

1 1 . 2 . 4 V i t e s s e

Pour pouvoir utiliser une courbe de pompe, on doit connaître la vitesse de rotation exacte de la pompe. On peut alors corriger le débit et la hauteur manométrique obtenus à l'aide de cette courbe. Pour ce faire, on peut utiliser les lois de similitude, mais on doit tenir compte de l'effet de la charge statique dans ces formules (voir la section 2.7).

Les instruments suivants sont couramment utilisés pour déterminer la vitesse de rotation d'une pompe

• le stroboscope ;

• le tachymètre.

Erreur fréquente

• sous-estimation de l'effet de la hauteur statique sur les lois des affinités.

1 1 . 2 . 5 T e m p é r a t u r e

Lorsque le NPSH disponible est près du NPSH requis, une augmentation de température peut faire chuter la performance de la pompe en raison de la cavitation.

La température peut aussi influencer la viscosité de certains liquides de façon importante (ex. : les huiles). Il faut donc en tenir compte dans l'interprétation des résultats puisqu'une augmentation de la viscosité réduit nécessairement le rendement de la pompe.

On ne peut parler dans ce guide de la conversion en tenant compte de l'effet de la viscosité sur la performance. La consultation de certains manuels d'hydraulique est donc recommandée.

Voici quelques types d'instruments de mesure de la température :

• thermomètre à immersion (ex. : tube au mercure) ;

• thermocouple ;

• thermomètre à spirale.

Erreur fréquente

• prise de température à l'extérieur d'un tuyau ; on devrait utiliser un thermomètre à immersion et faire couler le liquide par un robinet d'échantillonnage.

1 2 . 0 L o g i c i e l s

Il existe plusieurs logiciels disponibles permettant de réduire le temps nécessaire à l'analyse de systèmes et de procédés. Ces logiciels spécialisés sont constamment revus et améliorés afin de fournir une analyse plus souple et plus complète. De plus, des logiciels encore plus performants sont régulièrement mis sur le marché.

Les logiciels disponibles peuvent être groupés selon les trois catégories suivantes

1. l'analyse hydraulique ;

2. la sélection des pompes ;

3. la sélection des vannes de régulation.

Cette section comprend quelques lignes directrices pour la sélection d'un logiciel répondant à vos besoins.

1 2 . 1 G é n é r a l i t é s s u r l a

s é l e c t i o n d e l o g i c i e l s

On doit tenir compte des éléments suivants lors de la sélection d'un logiciel :

• Est-il compatible avec votre ordinateur (PC, Mac, etc.) ?

• Votre ordinateur a-t-il une mémoire suffisante pour lancer le logiciel ?

• Est-ce que d'autres logiciels sont requis pour son fonctionnement (Windows, version DOS, etc.) ?

• Un usage optimal du logiciel requiert-il un écran particulier, une carte graphique, ou les deux ?

• Le menu du logiciel fonctionne-t-il à partir de l'écran ?

• Le logiciel est-il limité à une seule des trois catégories de logiciels énumérées précédemment ?

• Le logiciel interagit-il avec des logiciels d'une autre catégorie ?

• Avez-vous assisté à une démonstration du logiciel ?

• Le rapport des résultats répond-il à vos besoins et permet-il une certaine souplesse ?

• Connaissez-vous une personne qui utilise ce logiciel et qui en est satisfaite ?

• Le logiciel comprend-il des problèmes types pour en faciliter l'apprentissage ?

• Le logiciel comprend-il un menu-écran ou un manuel d'utilisation dans la langue de votre choix (français ou anglais) ?

68

1 2 . 2 L e s l o g i c i e l s d ' a n a l y s e h y d r a u l i q u e

Des douzaines de logiciels sont actuellement disponibles pour aider à la conception et à l'évaluation d'un système hydraulique. On peut se les procurer auprès des fournisseurs de systèmes de pompage ou des firmes de logiciels techniques.

Ces logiciels indiquent généralement la hauteur requise pour un débit donné du procédé. Les données suivantes sont habituellement requises

• identification du liquide (densité relative, concentration ou consistance) ;

• température du liquide transporté (et autres propriétés correspondantes, comme la densité relative et la viscosité) ;

• nombre de sections de tuyau ;

• hauteur statique entre les sections de tuyaux (écarts d'élévation) ;

• débit dans chaque section de tuyau ;

• diamètre, longueur et type de matériel pour chaque section de tuyau ;

• nombre et type de vannes et raccords dans chaque section de tuyau ;

• caractéristiques internes (équipements, vannes de régulation, orifices, etc.) ayant une chute de pression spécifique.

Si les renseignements énumérés ci-dessus ne sont pas requis lors de la saisie des données, le logiciel risque d'effectuer une simplification excessive et de fournir des résultats et des conclusions erronés.

D'autres caractéristiques peuvent être ajoutées afin de faciliter ou de simplifier l'analyse. La liste suivante indique quelques-unes des fonctions courantes disponibles et les limites à surveiller

Rapport imprimé des résultats

• Ce rapport contient-il les données saisies ? Ces données sont utiles lorsqu'il s'agit de prendre des décisions basées sur les résultats. Si les données saisies ne reflètent pas les exigences réelles du procédé, les résultats n'ont aucune valeur.

• Le rapport est-il imprimé dans la langue de votre choix (français ou anglais) ? S'il n'est pas dans la langue requise, les termes utilisés sont-ils compris dans l'autre langue (exemple : kPa, pied, efficacité, etc.) ?

Représentation graphique de la courbe du système

• Cette courbe fient-elle compte de la hauteur statique ou passe-t-elle toujours par le point 0 ? Si la hauteur statique n'est pas incluse, la précision de la courbe diminuera au fur et à mesure que vous vous éloignerez du point de conception. La prudence est de mise lors de l'utilisation de courbes aussi imprécises.

69

• Cette courbe tient-elle compte du type de fluide pompé ? Lorsqu'on a affaire à un fluide qui ne se comporte pas de la même façon que l'eau, la forme de la courbe du système sera influencée par la viscosité du fluide. Si le logiciel n'exige pas ces données et ne s'ajuste pas en fonction de ces fluides, les résultats utilisés pour produire la courbe seront erronés. La pulpe à consistance élevée, la boue à concentration élevée de solides, les polymères, etc. sont des liquides qui ne se comportent pas comme l'eau et correspondent à des courbes de système différentes.

• Votre imprimante peut-elle imprimer cette courbe ?

L'interaction avec d'autres logiciels est peut-être possible.

• Le logiciel vous limite-t-il à une interaction avec un logiciel portant sur un type spécifique de pompe ou de vanne de régulation que vous n'avez pas ou que vous n'avez pas l'intention d'obtenir ?

Le profil de la consommation énergétique annuelle de la pompe

• Ce profil tient-il compte des conditions réelles de fonctionnement comme le débit, la hauteur, l'efficacité de la pompe, l'horaire de fonctionnement annuel, etc. ? Si ce profil est basé uniquement sur les conditions de conception, la prudence est de mise lorsque des comparaisons sont faites. Dans la plupart des cas, le fonctionnement réel diffère des valeurs de conception ou des valeurs théoriques - ce qui doit se refléter dans un bon profil. L'utilisateur doit donc fournir ces données au logiciel.

1 2 . 3 U t i l i s a t i o n d u c h i f f r i e r

é l e c t r o n i q u e p o u r l e s a n a l y s e s h y d r a u l i q u e s

Il est possible d'utiliser des logiciels de type chiffrier électronique (spreadsheet) pour créer votre propre programme d'analyse hydraulique. Une fois que les formules de calcul sont établies dans les programmes, il est facile d'évaluer les différentes options de mesures d'économie d'énergie électrique.

Des documents de référence comme le Flow of Fluids Tbrougb Valves, Fittings and Pipe(1), le Cameron Hydraulic Data (2) et autres manuels peuvent être consultés pour retrouver les formules de calcul.

(1) CRANE CO., Flow ofFluids Through Valves, Fittings and Pipe, Technical Paper No. 410-C, 24th edition, 1990.

(2) INGERSOLL-RAND, Cameron Hydraulic Data, l7th Edition, New Jersey, USA, 1988.

70

1 3 . 0 C o n c l u s i o n

Une partie importante des frais d'électricité de l'industrie provient de l'utilisation des systèmes de pompage. Une gestion optimale de l'énergie de pompage peut être atteinte lorsque les besoins du procédé sont bien établis et la performance évaluée. Plusieurs mesures communes d'économie d'énergie électrique ont été présentées dans ce guide.

Il peut exister d'autres mesures particulières à une exploitation spécifique ou à un type donné d'industrie.

Nous invitons les lecteurs et lectrices à nous en faire part en nous adressant leurs commentaires.

71

A n n e x e A - G l o s s a i r e

BHP Puissance requise à l'arbre de la pompe.

cavitation Phénomène qui survient lorsque la hauteur nette absolue à l'aspiration disponible (NPSH disp.) est plus petite que la hauteur nette absolue à l'aspiration (NPSH req.).

Le fluide s'évapore localement partout où l'on rencontre cette condition, ce qui est très perturbant pour le fonctionnement de la pompe.

courbe de la pompe Représentation graphique des caractéristiques de la performance d'une pompe d'un débit nul jusqu'à l'écoulement maximal.

courbe du système Représentation graphique illustrant la hauteur statique et les pertes de charge en fonction du débit.

cycle de service Temps de fonctionnement pour différents débits.

densité relative (Sg) Rapport entre la densité d'un liquide et celle de l'eau à 60 °F (15 °C).

diagramme de tuyauterie et d'instrumentation (P&ID) Diagramme d'un procédé représentant la

relation entre l'ensemble de l'équipement et la tuyauterie ainsi que les capteurs, régulateurs et contrôleurs qui y sont associés.

Il est généralement accompagné d'une séquence de fonctionnement.

entraînement à vitesse variable (EVV) Dispositif électrique ou mécanique utilisé pour faire varier la vitesse du moteur ou d'un équipement en fonction de la charge.

étranglement Procédure de fermeture partielle d'une vanne pour régler le débit ou la pression dans un système.

72

hauteur nette absolue requise Valeur spécifiée par le fabricant de la à l'aspiration (NPSH req.) pompe (voir la section 2.4).

hauteur nette absolue disponible Sommation des facteurs de pression à l'aspiration (NPSH disp.) qui contribuent à l'alimentation de la

pompe moins la sommation des facteurs qui s'y opposent (voir la section 2.4).

hauteur manométrique totale (H) Somme de la hauteur statique totale et de la charge de frottement totale agissant sur une pompe.

hauteur statique totale (Hs) Pression statique d'un fluide exprimée d'après la hauteur de la colonne de fluide qu'il est en mesure de supporter, la différence de pression entre la provenance et la destination du débit ainsi que la densité du liquide pompé.

hauteur d'aspiration statique Hauteur totale du système du côté de l'aspiration d'une pompe à débit nul.

Elle peut être positive ou négative.

lois de similitude Formules fondées sur les théories clas-siques de la mécanique des fluides et de la thermodynamique.

Elles mettent en relation les variables de performance des pompes.

MEEE Mesure d'économie d'énergie électrique.

modulation de la vitesse Procédé de réglage dans lequel la vitesse d'une machine tournante varie à l'infini entre des vitesses préréglées afin de conserver un point de consigne (voir la section 4.0).

moteur à induction Moteur à courant alternatif dans lequel l'enroulement du circuit primaire (stator) est relié à la source d'alimentation.

L'enroulement secondaire (rotor) porte le courant induit.

point de fonctionnement Intersection de la courbe caractéristique du système et de la courbe de performance de la pompe.

73

pompe multi-étage Pompe qui utilise des impulseurs en tandem par lesquels le liquide passe d'une roue à la suivante, créant ainsi une pression différentielle beaucoup plus élevée sur le liquide transporté.

pompe de réserve Pompe ayant pour but de fonctionner en cas d'arrêt ou de bris d'une ou de plusieurs pompes principales.

pression dynamique (v2/2g) Pression existant en fonction de sa vitesse de mouvement en un point précis d'un fluide.

puissance (HP) Mesure de travail qui équivaut à soulever d'un pied 550 livres en une seconde ou 745,7 watts.

puissance nominale Valeur nominale du moteur (figurant sur la plaque signalétique).

tension de vapeur Pression absolue nécessaire pour maintenir le fluide dans la phase liquide ; cette tension dépend de la température du fluide.

viscosité État d'un fluide dont l'écoulement est freiné par le frottement entre les molécules qui le composent.

vitesse spécifique (N8) Nombre qui définit la géométrie d'un impulseur de pompe et les caractéristiques de performance (voir la section 2.4).

vitesse synchrone Vitesse du champ magnétique tournant d'un moteur à induction, déterminée par le nombre de pôles magnétiques à chaque phase des enroulements du stator et par la fréquence appliquée.

74

A n n e x e B - L e x i

composante énergivore power consuming device

courbe de similitude affinity curve

courbe du système system curve

courbe parabolique parabolic curve

dérivé by-passed

débit flow

débitmètre flowmeter

démarrage progressif soft start

densité relative specific gravity

diagramme de tuyauterie et piping and instrumentation diagram

d'instrumentation (P&ID) (P&ID)

diamètre de l'impulseur impeller diameter entraînement à fréquence variable (EFV) variable frequency drive (VFD) entraînement à vitesse variable (EVV) variable speed drive (VSD)

esquisse de système system sketch

gallon US par minute (gpm (US)) U.S. gallon per minute (US gpm)

hauteur statique static head

hauteur manométrique totale (H) total discharge head (TDH)

lubrifiant synthétique synthetic lubricant

mesure d'économie d'énergie électrique electrical energy-saving measure (MEEE)

modulation de la vitesse speed modulation

moteur multivitesse multi-speed motor

NPSH (hauteur nette absolue NPSH (net positive suction head) à l'aspiration)

75

période de recouvrement payback period on investment (PRI) de l'investissement (PRI)

perte de charge pressure drop ; pressure loss

pompe à double succion double succion pump

pompe de réserve stand-by pump

pompe de surpression booster pump

pompe en parallèle parallel pump

pompe en série booster pump

pompe indépendante single pump

pression d'entrée inlet pressure

pression de sortie ourlet pressure

pression requise required pressure

puissance absorbée consumed power

recirculation recirculation

redimensionner resize, to

robinet valve

surdimensionné oversized

surface d'usure wearing face

terme quadratique quadratic terra

tour par minute (tr/min) revolution per minute (rpm)

tuyauterie piping

vanne de régulation control valve

viscosité viscosity

vitesse de rotation rotational speed

76

A n n e x e C - T A B L E A U C l

FACTEURS DE CORRECTION POUR L'EFFICACITÉ DES MOTEURS À INDUCTION À BASSE CHARGE

À moins de disposer de valeurs plus précises, on utilise un facteur de correction pour calculer l'efficacité des moteurs à basse charge. Ce facteur doit être multiplié par l'efficacité nominale du moteur.

A n n e x e C - T A B L E A U C 2

EFFICACITÉ TYPE D'UN ENTRAÎNEMENT À FRÉQUENCE VARIABLE À moins de disposer de valeurs plus précises, ce tableau peut être utilisé pour l'étude préliminaire.

89 77

Juillet 1993

78

A n n e x e E - B i b l i o g r a p h i e

ALDWORTH, G.A., Energy-SavingPump Selection, journal AWWA, October 1983, p. 496-501.

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