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Sewage Handbook Gfd

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LE MANUELDU POMPAGEEN ASSAINISSEMENT

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L’usage de pompes submersibles pour des appli-cations de relevage et d’assainissement a beau-coup progressé ces dix dernières années, depuisleur apparition sur le marché. L’arrivée de pompesde très grosse taille, avec des puissances demoteurs supérieures à 500 kW, autorise leur utili-sation auprès des collectivités. Les qualités tech-nologiques et le haut degré de fiabilité atteintspar ces pompes ont grandement contribué à leurutilisation à la place des matériels classiques dansles systèmes collectifs.

Dans le même temps, les caractéristiques particu-lières des pompes submersibles ont rendu indis-pensable le développement de nouvelles techni-ques pour leur mise en œuvre, comme par exem-ple lors de la conception des stations de pompage.C’est la collaboration entre les fabricants de pom-pes et les ingénieurs de bureaux d’études qui apermis ces améliorations.

Le but de cet ouvrage est d’apporter les informa-tions les plus récentes sur les pompes submersi-bles et sur les stations de pompage, à l’usage detous les professionnels concernés et sous uneforme concise. Le manuel est divisé en chapitresqui traitent chacun d’un sujet particulier.

Le premier chapitre a pour objet la théorie de basesur les pompes, permettant d’en comprendre lesgrands principes de fonctionnement. La concep-tion et la composition des pompes submersibles

sont décrites au chapitre 2. Les performances de lapompe sont expliquées au chapitre 3, qui proposedes méthodes de calcul des caractéristiques dansdifférentes installations. Les données permettantla détermination y sont aussi commentées. Lesdifférents tests standard des pompes sont détai-llés au chapitre 4. Le chapitre 5 fournit les donné-es essentielles pour la conception des stations depompages, aussi bien pour les petites que lesgrosses installations. La régulation en continu despompes submersibles grâce à la variation devitesse est décrite au chapitre 6. Le chapitre 7 pré-sente le concept du coût global de la pompe et dela station de pompage. Les différentes opérationsde contrôle sont exposées au chapitre 8. Celles demaintenances et de fonctionnement sont décritesau chapitre 9. Le chapitre 10 traite du contrôle etde la surveillance des stations de pompage.L’appendice A donne des informations sur lescaractéristiques hydrauliques des composants etaccessoires de la tuyauterie pour le calcul des per-tes de charge. L’appendice B présente une métho-de pour la détermination du volume utile des sta-tions de relevage d’eaux usées et la fréquence dedémarrages des pompes.

L’un des objectifs de cet ouvrage est d’en rendre lecontenu aisément accessible et compréhensible.Le texte est donc enrichi de nombreuses illustra-tions, d’exemples concrets et d’informations pra-tiques.

3

Avant-propos

Avant-propos

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Table des matières

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Table des matières

1 Théorie ........................................................ 71.1 L’équation de pression ................................... 71.1.1 Débit avec perte de charge

ou ajout d’energie ........................................... 71.1.2 Débit s’écoulant d’un réservoir .................... 71.2 Equation de base de la pompe .................... 71.3 Courbe de pompe et différentes pertes .. 101.3.1 Les effets d’un nombre d’aubes fini ......... 101.3.2 Les pertes par frottements Hf ................... 101.3.3 Les pertes variables Hs ................................ 101.3.4 Les pertes par recirculation Hv .................. 101.3.5 Autres pertes ................................................... 111.4. Cavitation et NPSH ........................................ 111.4.1 Définition du NPSH ....................................... 121.4.2 Plan de référence ........................................... 121.4.3 NPSH requis .................................................... 121.4.4 NPSH disponible ............................................ 141.4.5 Marge de sécurité du NPSH ........................ 151.4.6 Variations du débit entrant ........................ 15

2 Constitution des pompes ......................... 162.1 Généralités ...................................................... 162.2 L’hydraulique .................................................. 182.2.1 Les roues mobiles .......................................... 182.3 Les moteurs .................................................... 272.3.1 Généralités ..................................................... 272.3.2 Moteurs antidéflagrants ............................. 272.3.3 Refroidissement des moteurs .................... 272.3.4 Etanchéité des moteurs .............................. 292.3.5 Les roulements du moteur .......................... 312.3.6 Dispositifs de protection des moteurs .... 322.4 Les raccordements ........................................ 342.5 Matériaux de construction,

corrosion et usure ......................................... 362.5.1 Résistance à la corrosion ............................ 362.5.2 Résistance à l’usure .......................................372.5.3 Liquides abrasifs ............................................ 37

3 Les performances des pompes ................ 383.1 La HMT ............................................................. 383.1.1 Pompes submersibles .................................. 383.1.2 Pompes installées en fosse sèche ............ 393.2 Courbes caractéristiques des pompes .... 393.2.1 Courbe de HMT ............................................. 393.2.2 Courbes de rendement ............................... 403.2.3 Courbes de puissance ................................. 403.2.4 Courbe de NPSH ........................................... 403.3 Pertes de charge

et courbes caractéristiques du réseau ..... 413.3.1 Pertes de charge linéaires ........................... 41

3.3.2 Pertes de charge singulières ...................... 433.3.3 Courbes caractéristiques du réseau ........ 433.4 Diamètre de la tuyauterie .......................... 443.4.1 Economies ...................................................... 443.4.2 Passage libre pour les solides .................... 453.4.3 Eviter les dépôts de solides et de boues .. 453.4.4 Le coup de bélier ........................................... 453.4.5 Eviter le coup de bélier ................................ 473.5 Point de fonctionnement de la pompe .. 483.5.1 Fonctionnement avec une seule pompe .. 483.5.2 Fonctionnement en parallèle,

pompes identiques ...................................... 483.5.3 Fonctionnement en parallèle,

pompes différentes ...................................... 483.5.4 Fonctionnement en série ........................... 493.5.5 Point de fonctionnement réel ................... 493.6 Le Pompage de boues ................................. 493.7 Installations de refoulement complexes .. 493.7.1 Que se passe-t-il

dans les installations complexes ? .......... 493.7.2 Détermination de la HMT ........................... 513.7.3 Diamètre de la canalisation

et vitesse d’ecoulement ............................... 513.7.4 Le choix de la pompe .................................... 513.7.5 Confirmation des mesures .......................... 513.8 Evaluation du point de fonctionnement

des stations fonctionnant en parallèle ... 52

4 Test des Pompes ....................................... 544.1 Conditions de tests ...................................... 544.1.1 Tests à la production .................................... 544.1.2 Champ d’application des tests,

point de fonctionnement ........................... 564.2 Tests normalisés ............................................ 574.2.1 Standards de tests ........................................ 57

5 Les stations de pompage ......................... 595.1 Les bases de la conception

de la station de pompage .......................... 595.1.1 Volume de marnage et surface au sol .... 595.1.2 Canalisation d’arrivée

dans la station de pompage ...................... 605.1.3 Profil du sol de la station ........................... 605.1.4 Niveau d’arrêt ................................................ 615.1.5 Niveau de marche ........................................ 625.1.6 Taille et conception

de la tuyauterie d’aspiration ......................625.1.7 Conception de la canalisation

des stations de pompage ........................... 635.1.8 Dispositifs de nettoyage ............................. 635.1.9 Problèmes d’odeurs

dans les stations de pompage .................. 64

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Table des matières

5.1.10 Exemples de conceptions de stations ..... 645.1.11 Position des pompes

installées en fosse sèche ............................ 675.2 Stations de pompage préfabriquées ....... 685.2.1 Stations de pompage d’extérieur ............ 685.2.2 Stations de pompage d’intérieur ............. 705.3 Stations de pompage

avec pompes installées en colonnes ....... 705.4 Détermination de la taille

des stations de pompage ............................ 725.4.1 Stations de pompage classiques .............. 725.4.2 Stations de pompage d’eaux pluviales ... 725.4.3 Relevage mixte d’eaux usées

et de bassins de rétention .......................... 735.5 Détermination de la pompe ...................... 745.5.1 Détermination basée

sur les courbes de pompes ...........................745.5.2 Surveiller le rendement de la pompe ...... 745.5.3 Le nombre de pompes ................................. 755.6 Considérations particulières ...................... 765.6.1 Vibration des pompes .................................. 765.6.2 Bruit de pompe .............................................. 77

6 Pompes d’assainissement contrôléespar variateur de fréquence ...................... 78

6.1 Généralités ..................................................... 786.1.1 Détermination du moteur de pompe ...... 786.1.2 Fréquence maximum ................................... 786.1.3 Fréquence et performances minimums ... 796.1.4 Courbes de pompes

en variation de fréquence .......................... 796.1.5 Colmatage des pompes .............................. 806.1.6 Exigences EMC pour les câbles ................. 806.1.7 Courant dans les roulements .................... 806.1.8 Haute tension ................................................ 816.1.9 Moteurs antidéflagrants ............................. 816.1.10 Etendue de la garantie ................................. 816.1.11 Tests avec variateur de fréquence ............ 816.1.12 Collaboration

avec le constructeur de pompes ............... 81

7 Evaluation des coûts à long terme ......... 827.1 Généralités ..................................................... 827.2 Période de calcul ........................................... 827.3 Coûts d’investissements ............................. 827.4 Coût de l’energie ........................................... 837.4.1 Evolution du rendement ............................. 837.4.2 Calcul de l’energie consommée ................ 847.5 Coût de la maintenance ............................. 847.6 Coopération

avec le fournisseur de pompe ................... 857.7 Publications sur le coût à long terme ...... 85

8 Mise en service ......................................... 86

9 Fonctionnement et maintenance ............ 879.1 Sécurité............................................................. 87

10 Surveillance et conduitedes stations de pompage ......................... 88

10.1 Méthodes de contrôle local ........................ 8810.1.1 Unités de contrôle manuelles .................... 8810.1.2 Unités de contrôle relayées ........................ 8810.1.3 Systèmes de contrôle

logiques programmables ............................ 8810.2 Capteurs pour le contrôle

et la surveillance des pompes.................... 8910.2.1 Capteurs de niveau....................................... 8910.2.2 Capteurs de courant..................................... 9010.2.3 Mesure d’énergie........................................... 9010.2.4 Relais de phase .............................................. 9010.2.5 Système de surveillance SARI 2 ................. 9010.2.6 Module d’alarme ASM 3 ............................... 9110.3 Unités de contrôle des pompes.................. 9110.3.1 Accessoires pour le contrôle........................ 9110.3.2 Conditions de conduite................................ 9210.3.3 Paramètres et signaux ................................. 9210.3.4 Données enregistrées et analysées .......... 9310.3.5 L’Interface utilisateur.................................... 9310.4 Systèmes de surveillance

et de conduite à distance............................ 9310.4.1 Les différents niveaux

du contrôle à distance.................................. 9310.4.2 Logiciels et matériels.................................... 9410.4.3 Transmission de données ............................ 9510.4.4 Transfert d’alarmes ....................................... 9510.4.5 Intégration du système ............................... 9610.5 Surveillance et conduite à distance

via internet et le WAP .................................. 96

Symboles ............................................................ 98

APPENDICE A ..................................................... 101

APPENDICE B ..................................................... 109

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ThéorieCe paragraphe porte sur les bases de la théoriedes fluides pompés, permettant d’acquérir lesconnaissances essentielles pour une bonne com-préhension du comportement des installations depompage.

1.1 L’équation de pression

La figure 1 montre la progression d’un fluide dansune conduite. Entre les sections 1 et 2, aucuneénergie n’est transmise au fluide qui est supposéne provoquer aucun frottement. Ainsi, l’énergietotale du fluide relative au plan de référence T estégale dans les deux sections. Cette énergie totale,constituée d’énergie potentielle, d’énergie depression et d’énergie cinétique, pour un fluide demasse m, se décompose ainsi à chaque section :

où ρ est la densité du fluide et g l’accélération dela pesanteur.

Pour un débit sans frottements, les énergies tota-les aux sections 1 et 2 sont égales :

Si l’on divise chaque partie de l’équation par leterme mg, l’on obtient :

Cette équation est appelée théorème deBernoulli, d’après le nom du savant qui le premieren expliqua le principe. Chaque terme de l’équa-tion exprime une forme de pression, aussi sont-ilsrespectivement appelés pression statique, éner-gie de pression et pression dynamique.

C’est une équation essentielle de la mécaniquedes fluides ; on peut l’utiliser pour expliquer tou-

tes sortes de phénomènes hydrodynamiques telsque la chute de pression qui accompagne la réduc-tion de la section d’une tuyauterie : la vitesse dufluide augmente et, pour que la pression totalereste la même - en supposant que la pression sta-tique ne change pas - c’est l’énergie de pressionqui va diminuer. C’est une équation essentielle dela mécanique des fluides ; on peut l’utiliser pourexpliquer toutes sortes de phénomènes hydrody-namiques tels que la chute de pression qui accom-pagne la réduction de la section d’une tuyauterie :la vitesse du fluide augmente et, pour que la pres-sion totale reste la même - en supposant que lapression statique ne change pas - c’est l’énergie depression qui va diminuer.

1.1.1 Débit avec perte de charge ou ajoutd’énergie

S’il y a des pertes de charge entre la section 1 et lasection 2 sur la Figure 1, l’équation 1 s’écrira :

où Hr est la perte de charge.

Si de l’énergie est ajoutée par l’insertion d’unepompe entre la section 1 et la section 2, l’équation2 s’écrira :

où H est la pression totale (HMT) de la pompe.

7

Théorie 1

Section

Energiepotentielle

Energiede pression

Energiecinétique

v2

p2

p1

v1

h2

h1

2

Q

T

1

Fig. 1

Un débit passe dans les deux sections d’observa-tion de cette vue en coupe. T est le plan de réfé-rence pour les hauteurs potentielles h1 et h2 ; p1 etp2 sont les pressions et v1 et v2 les vitesses d’écou-lement aux sections 1 et 2.

Page 9: Sewage Handbook Gfd

1.1.2 Débit s’écoulant d’un réservoirUn exemple d’application pratique du théorèmede Bernoulli est le calcul du débit d’un fluide s’é-coulant librement par l’ouverture d’un réservoir.

La Figure 2 montre un réservoir ouvert muni d’unorifice près du sol. Pour des questions pratiques,la surface A1 est supposée supérieure à la surfacede l’orifice A2, et la pression atmosphérique p1,en haut est égale à celle présente au niveau del’orifice, p2.

Si l’on choisit le centre de l’orifice comme plan deréférence, le terme h2 est égal à zéro et h1 est égalà h. Puisque A1 est plus grand que A2, on peut sup-

poser la pression dynamique égale à zéro.

L’équation de pression 1 peut donc s’écrire :

D’où :

On obtient ainsi le débit sans pertes de charge :

Pour tenir compte des pertes de charges présen-tes, un coefficient m est ajouté à l’équation 6, cequi donne :

Le coefficient μ dépend de la forme de l’orifice etl’on pourra le trouver dans des manuels traitantdes pertes de charge. Si le niveau du fluide dans leréservoir diminue, cela modifiera la valeur de h etil faudra en tenir compte dans les calculs.

1.2 Equation de base de la pompe

L’équation de base est utilisée pour calculer etconcevoir les formes géométriques et les dimen-sions des pompes centrifuges. Elle permet ausside prévoir la courbe Q/H de la pompe.

La figure 3 présente le dessin des aubes d’uneroue mobile avec ses vecteurs vitesse.

v = vitesse absolue du fluidew = vitesse relative à l’aubageu = vitesse périphériquevu = composante tangentielle

de la vitesse absoluevm = composante radiale de la vitesse absolue

La vitesse relative est parallèle à l’aube à n’impor-te quel point donné.

Aussi Vu1 = V1 . cosα1 et Vu2 = V2 . cosα2

Si l’on suppose l’écoulement sans frottements etle nombre d’aubes infini (∞), l’équation de basedécoule des lois de la mécanique. Cette relation,connue sous le nom d’équation d’Euler, s’exprimeainsi :

Où l’indice t fait référence à un écoulement sansfrottement et ∞ à un nombre d’aubes infinies gui-dant parfaitement le liquide.

Dans une pompe réelle, aucune de ces hypothèsesn’est satisfaite car il y a des pertes de charges et lenombre fini d’aubes ne guide pas parfaitement leliquide.

8

1 Théorie

p2 = p2

p1

v1

h

T

v2

A1

A2

Fig. 2

Vue en coupe d’un réservoir de liquide ayant un ori-fice de sortie près du sol. A1 et A2 sont les diamètresdes aires de la surface du liquide et de la sortie, h ladifférence de hauteur entre la surface et le centrede l’orifice, v1 la vitesse de descente du niveau desurface et v2 la vitesse d’écoulement à travers l’ori-fice. La pression ambiante est constante.

Page 10: Sewage Handbook Gfd

La diminution de pression causée par les frotte-ments est prise en compte par le rendementhydraulique ηh, et les pertes causées par la dévia-tion du flux par rapport à l’angle idéal β2 sontdéterminées par un coefficient d’aubage k. Aprèsces modifications, l’équation de Euler pour unepompe réelle devient :

Il peut être démontré que ηh et k sont inférieurs àl’unité ; il n’en sera pas plus question ici.

Les pompes centrifuges sont normalement con-çues avec α1 = 90°, d’où vu1 = 0.

On peut alors simplifier l’équation ainsi :

u2

v2

vm2

2

2

vu2

1

w1

12d

dvm 1

11

v1

u1

vu

9

Théorie 1

Aube d’une roue mobile avec les triangles de vitesse à chacune de ses extrémités. Vitesse absolue du fluide : v,vitesse relative : w, vitesse périphérique à l’aube : u, composante tangentielle de la vitesse absolue du liquide :vu et composante radiale : vm.

Fig. 3

Page 11: Sewage Handbook Gfd

1.3 Courbe de pompe et différentespertes

La courbe idéale, obtenue à l’aide de l’équation deEuler, est indépendante de la valeur du débit Q. Sila courbe Q/Ht∞ est tracée, elle aura la formed’une ligne droite. La courbe Q/H réelle en décou-le après soustraction des effets du nombre d’au-bes fini et de différentes pertes se produisant àl’intérieur d’un corps de pompe. Voir la Figure 4.

1.3.1 Les effets d’un nombre d’aubes finiAinsi qu’il a été relaté plus haut, un nombre d’au-bes fini diminue la pression par le coefficientd’aubage k. Si l’on en tient compte dans les cal-culs, on obtient la pression théorique Ht. Il estalors possible d’écrire :

Ht n’est pas parfaitement linéaire à cause du coef-ficient d’aubage qui dépend plus ou moins de lavaleur du débit. La diminution de pression entreHt∞ et Ht n’est pas due à des frottements, mais àla déviation du fluide par rapport à l’angle idéal, àcause du nombre fini d’aubes.

1.3.2 Les pertes par frottements HfLes pertes par frottement sont produites par lepassage du liquide dans la roue mobile et le corpsde pompe. Elles augmentent approximativementcomme le carré du débit.

1.3.3 Les pertes variables HsLes facteurs suivants produisent les pertes varia-bles :• Sur le rebord de l’aube, lorsque le fluide rencon-

tre l’extrémité de celle-ci. Les pertes sont les plusfaibles au point de fonctionnement nominal dela pompe, lorsque le fluide rencontre l’aube avecl’angle β1, voir Figure 5 ;

• Lors de la progression du fluide dans la rouemobile, des pertes sont dues aux turbulencesprovoqués par les aubes. Ces pertes augmententapproximativement comme le carré du débit ;

• Dans le corps de pompe, lorsque le débit est dif-férent du débit nominal, quand la vitesse dufluide dans le corps diffère de la vitesse péri-phérique à la roue mobile. Les effets sont repro-duits Figure 6. Ces différences de vitesse provo-quent des turbulences qui augmentent lorsqueaugmente l’écart entre le débit réel et le débitnominal.

Toutes les pertes variables apparaissent sur laFigure 4.

1.3.4 Les pertes par recirculation HvDes fuites se produisent au niveau du jeu entre laroue mobile et le corps de pompe. Même si la tolé-rance est aussi faible que possible, un débit defuite prend naissance entre la zone de haute pres-sion au refoulement de la roue et la zone de bassepression à l’ouie de celle-ci. De ce fait, le débit àl’intérieur de la roue mobile est légèrement supé-rieur à celui au refoulement de la pompe ; la dif-férence constitue les pertes par recirculation Hv.On peut voir ces pertes sur la Figure 4. Les pertespar recirculation auront tendance à augmenteravec l’usure de la pompe.

10

1 Théorie

Reduction of flow, Q

Effect of finite number of vanes Ht

Friction losses Hr

Discontinuity losses HsHN

H

QN Q

caused by leakage losses, Hv

losses

Q > QN

Q = QN

Q < QN

w1'

v1'

v1

w1

v1"

w1"

u1

1

Fig. 4

Diminution de pression par rapport à la pressionthéorique de la pompe Ht∞ aboutissant à la cour-be réelle.

Fig. 5

Vitesse relative en bout d’aube (w) et pertes appa-raissant à différents débits. Il y aura un minimumde pertes au débit nominal, lorsque l’angle d’atta-que du fluide est égal à l’angle du bout de l’aubeβ1.

Réduction du débit, Q dû aux pertes par recirculation Hv

Effet du nombre fini d’aubes Ht

Pertes de charge Hr

Pertes variables Hs

pertes

Page 12: Sewage Handbook Gfd

1.3.5 Autres pertesDans une pompe centrifuge, d’autres pertes exis-tent qui n’affectent pas les caractéristiques Q/H,mais augmentent la puissance requise à l’arbre dumoteur. Elles sont dues :• aux frottements sur les parties externes de la

roue mobile,• aux frottements générés par la garniture méca-

nique,• aux frottement générés par les paliers ou roule-

ments.

Avec les pompes submersibles, les deux dernierspoints sont inclus dans les pertes du moteur.

1.4 Cavitation et NPSH

La cavitation est due à la formation puis à l’implo-sion de bulles de vapeur dans le liquide. Des bullesde vapeur se forment lorsque la pression statiquelocale chute jusqu’à - ou en dessous de - la pres-sion de vapeur du liquide à la températureambiante. Lorsque les bulles, ou le vide, parvien-nent dans une zone où règne une pression supé-rieure, il y a implosions. Ces implosions provo-quent des ondes de choc extrêmement violentesdans le liquide. Lorsque les implosions se produi-sent à proximité d’une surface, les chocs, s’ils sontrépétitifs, peuvent éroder le matériau.

Les phénomènes de cavitation apparaissent engénéral, dans les pompes centrifuges, près desbords extérieurs des aubes, voir Figure 7. La cavita-tion peut aussi diminuer les caractéristiques Q/Hde la pompe ainsi que son rendement. Unepompe qui cavite émet un cliquetis particulier,comme si elle charriait du sable ou des petits cail-loux. Aucun matériau ne résiste parfaitement à cephénomène, aussi faut-il être attentif lorsque lesconditions de fonctionnement présentent des ris-ques de cavitation.

Les marques d’usures de la cavitation s’observentlocalement et consistent en une grêle de petitescavités avec des bords tranchants. Ces cavitéspeuvent être profondes de plusieurs millimètres ;voir la Figure 8.

Normalement, les courbes publiées avec les pom-pes submersibles sont dessinées de telle façonqu’une pompe submergée ne cavitera pas tantque son point de fonctionnement se trouvera surla partie de la courbe Q/H prévue pour cela.

Bulles de vapeur

Bulles de vapeur implosant

( Q > QN )

11

Théorie 1

Vitesse dans le corps de pompe

Vitesse absolue après la roue mobile (vu)

Pertes résultantes

Q<QN Q=QN Q>QN

Fig. 6

Effets de différentes vitesses dans le corps depompe et à la périphérie de la roue mobile. Le corpsde pompe est conçu pour que le débit nominal soitadapté à la vitesse périphérique, ce qui augmente-ra les pertes aux autres débits.

Fluide frappant le bout de l’aube selon un angledifférent de celui de l’aube. Des turbulences et deszones de basse pression se forment sur l’autre facede l’aube. Si la pression descend en dessous de lapression de vapeur, des bulles de vapeur se for-ment. Le flux du débit les entraîne vers une zoneoù règne une pression supérieure où elles peuventimploser. Les conséquences des impacts à grandevitesse qui en résulte sont la formation de trous etl’érosion des structures adjacentes.

Fig. 7

Problème caractéristique de trous provoqués par lacavitation.

Fig. 8

Page 13: Sewage Handbook Gfd

Si la pompe est installée en fosse sèche avec unetuyauterie d’aspiration, l’installation doit êtrecontrôlée en vue d’éviter la cavitation. Des calculsde NPSH seront effectués.

1.4.1 Définition du NPSHNPSH est l’abréviation de Net Positive SuctionHead (Hauteur Nette Positive d’Aspiration). Lesvaleurs suivantes sont utilisées dans le calcul duNPSH :

ht = hauteur géométrique à l’aspirationhA = différence de hauteur entre le plan de

référence et le bord de l’aubeHrt = pertes de charge dans la tuyauterie

d’aspiration= chute de pression due à la vitesse à l’as-

pirationΔh = chute de pression locale au bord de l’au-

bepb = pression ambiante au niveau du liquidepmin = pression statique minimum dans la

pompepv = pression de vapeur du liquide à la tem-

pérature de pompage

Toutes ces valeurs sont placées sur la Figure 9.

Pour éviter la cavitation, la pression statique mini-mum dans la pompe (pmin) devra être supérieureà la pression de vapeur du liquide :

La figure 10 explique comment se répartit la pres-sion statique du liquide dans la tuyauterie d’aspi-ration, la pompe et la tuyauterie de refoulementd’une pompe installée en fosse sèche.

1.4.2 Plan de référenceLe plan de référence est celui à partir duquel lescalculs de NPSH sont effectués. C’est le plan hori-zontal passant par le centre d’un cercle décrit parle bord inférieur des aubes. Avec les pompes hori-zontales, le plan de référence coïncide avec le cen-tre de l’arbre. Pour les pompes verticales, le plande référence est défini par le fabricant de lapompe.

1.4.3 NPSH requisOn obtient le NPSH requis à l’aide de l’équationsuivante :

NPSH necesario =

On peut aussi parler de NPSH de la pompe. On leprésente comme fonction du débit, tel que pré-senté à la Figure 11. Il est indépendant de la tem-pérature et du type de liquide pompé. C’est lefabricant de la pompe qui fournit le NPSH sousforme de valeurs numériques ou d’une courbe.

Toute pompe aura en fait différentes valeurs deNPSH requis, selon ses conditions de fonctionne-

12

1 Théorie

hA

POMPE HORIZONTALE POMPE VERTICALE

Plan de référence

Pression minimumNPSH

pming

Hrt

h

v02

2g

ht pb

pbg

requis

Fig. 9

Dimensions et pressions de références pour les calculs de NPSH.

Page 14: Sewage Handbook Gfd

ment, tel qu’indiqué à la Figure 12. Selon les testsstandard utilisés par les fabricants, le NPSHr estdéfini lorsque la pompe est en situation de pertede pression de 3 % à cause de la cavitation. Cettevaleur est appelée NPSH3.

Une faible cavitation n’aura pas de conséquencesur la pompe, si les bulles de vapeur n’implosentpas à proximité des structures de celle-ci, tellesque les aubes de la roue mobile.

Les écarts entre les différentes valeurs de NPSHsont plus importants avec les pompes ayant desroues mobiles comportant peu d’aubes. Ce qui faitqu’avec les roues monocanales, où la différenceest la plus grande, les tests donnent des valeurstrop favorables. Ainsi, les courbes de NPSHr basé-es sur la règle standard des 3 %, n’offrent que peude marge de sécurité dans les calculs effectuéspour les pompes ayant peu d’aubes.

13

Théorie 1

Pression statique du liquide

Pression de vapeur

Vide absolu

Pression la plus faible dans la pompe

pbg

pming pv

g

pb ht

ht

Fig. 10

Variations de pression dans une installation en fosse sèche. Distribution de la pression statique du liquidedans la tuyauterie d’aspiration, la pompe et la tuyauterie de refoulement.

NPSH requis

(m)

Q N Q

Fig. 11

Courbe caractéristique de NPSH requis par rap-port au débit.

Page 15: Sewage Handbook Gfd

Les courbes de NPSHr publiées par les fabricantsdoivent garantir que la pompe ne subira aucundommage tant qu’elle fonctionne en deçà decelles-ci. C’est particulièrement vrai pour les pom-pes d’assainissement qui ont en général peu d’au-bes à leurs roues mobiles. Il n’existe malheureuse-ment pas de règle précise pour définir de tellesvaleurs de NPSH.

1.4.4 NPSH disponibleLe NPSH disponible indique la pression disponibleà l’aspiration de la pompe aux conditions de fonc-tionnement. On le nomme aussi NPSH de l’insta-llation.

NPSH disponible =

Le terme ht est positif lorsque le plan de référen-ce est en dessous de la surface du liquide et néga-tif lorsqu’il est au dessus. Le NPSH disponible estdéterminé par le concepteur de la station.

La Figure 13 donne la pression de vapeur en fonc-tion de la température de l’eau.

La Figure 14 donne la valeur de pression atmos-phérique en fonction de l’altitude au-dessus duniveau de la mer.

14

1 Théorie

NPSH NPSHF (pas de cavitation)

NPSHdébut du bruit

NPSHdébut de l'érosion

(pas de chute de pression)NPSH0

NPSH3 (chute de pression de 3%)

Q

Fig. 12

Différentes courbes de NPSH.

Temp ( C) Pression (m)

pvg

10010

10

20

30

40

50

60

70

80

90

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0,5

Fig. 13

Pression de vapeur de l’eau en fonction de la tem-pérature.

Pression

Altitude km

m H2Obarométrique

Fig. 14

Pression atmosphérique en fonction de l’élévationau-dessus du niveau de la mer.

Page 16: Sewage Handbook Gfd

1.4.5 Marge de sécurité du NPSHNPSHdisponible ≥ NPSHrequis + marge de sécurité

La marge de sécurité doit être suffisante pourautoriser un fonctionnement correct, même si lesconditions réelles de fonctionnement s’éloignentdes conditions de calcul théorique. Les pertes decharges de la tuyauterie d’aspiration et de refou-lement ont pu être mal estimées et les conditionsréelles de fonctionnement s’éloigner de la théorieà cause de variations de la courbe Q/H. Une cavi-tation destructrice peut apparaître beaucoup plustôt que prévu, ou à une valeur de NPSH plus éle-vée que le NPSH3 (Figure 12). Des variations dansla fabrication de la roue mobile et de ses aubespeuvent avoir un effet sur le comportement de lacavitation. La forme de la tuyauterie d’aspirationpeut aussi affecter le NPSH requis.

Avec les pompes installées horizontalement etpourvues de tuyauteries d’aspiration droites, unemarge de 1 m à 1,5 m est suffisante.

Avec les pompes installées verticalement, lamarge doit monter à 2 m ou 2,5 m, d’autant plus siun coude de réduction est installé à l’aspiration.Le rayon central de courbure du coude devra êtred’au moins D1 + 100 mm, où D1 est le diamètre dela plus large ouverture.

Le sujet du NPSH, des marges de sécurité et desméthodes de mesures sont abordés en détail dansla publication EUROPUMP : “NPSH FOR ROTODY-NAMIC PUMPS, REFERENCE GUIDE” (1997).

1.4.6 Variations du débit entrant

Dans certains cas, le niveau du liquide à l’aspira-tion peut augmenter alors que la pression aurefoulement diminue car le point de fonctionne-ment de la pompe se déplace vers une zone où leNPSHr est > 10 m. Il n’y aura cependant pas decavitation car le NPSHdisponible augmente dans lemême temps et reste supérieur au NPSHrequis.Cela peut se produire lors de pompage en calesèche, avec des égouts obstrués ou en cas de drai-nage avec un niveau de liquide variable à l’aspira-tion.

15

Théorie 1

Page 17: Sewage Handbook Gfd

2 Construction des pompes

Ce chapitre décrit la construction des électropom-pes submersibles modernes. Il y est question desdifférentes conceptions, des principaux consti-tuants mais aussi du fonctionnement et de lamaintenance. L’étude se limite aux pompes d’as-sainissement, aux pompes d’eau usée et drainagepour les collectivités.

2.1 Généralités

Une pompe submersible est une unité compactecomposée d’une hydraulique et d’un moteur élec-trique, destinée à être immergée dans une fossedans le liquide même qu’elle doit pomper. Onpeut la raccorder à la tuyauterie de refoulementpar un système d’accouplement particulier per-mettant de descendre ou de remonter facilementla pompe du fond de la fosse ; il est égalementpossible de la raccorder à une tuyauterie flexibleou d’autres systèmes de refoulement.L’alimentation électrique est assurée par un ouplusieurs câbles souples, d’une longueur adaptéeà l’installation.

Certaines pompes submersibles peuvent être ins-tallées à sec, comme des pompes classiques. Celapermet d’assurer un fonctionnement ininterrom-pu, même en cas d’inondation de la fosse sèche.

Les pompes submersibles peuvent convenir à desapplications et des besoins très variés ; il existeaussi des pompes de conception particulière pourdes usages spécifiques.

Une pompe submersible se compose d’un moteurétanche et d’une hydraulique adaptée.L’hydraulique se compose d’une roue mobile, d’uncorps de pompe et d’un système de raccordementadapté à l’installation : par exemple une griffepour les installations submersibles, s’adaptant àun système de guidage et d’accouplement, un

16

2 Construction des pompes

Fig. 15

Vue en coupe d’une pompe submersible GRUND-FOS de 2,4 kW montrant les détails du moteur etde l’hydraulique. La pompe est livrée avec unegriffe permettant une installation ou une désins-tallation faciles sur un socle immergé dans la sta-tion.

Fig. 16

Vue en coupe d’une pompe submersible GRUND-FOS de 17 kW montrant les détails du moteur etde l’hydraulique. La pompe est livrée avec unegriffe permettant une installation et une désins-tallation faciles sur un socle immergé dans lastation. Il est possible, à l’aide de vis, d’ajuster lejeu pour maintenir la tolérance à l’aspiration dela roue mobile.

Page 18: Sewage Handbook Gfd

socle pour les pompes portatives, les brides néces-saires au raccordement en fosse sèche ou lesjoints de siège pour les installations en colonne.

Le moteur est du type sec à cage d’écureuil, adap-té à toute une gamme d’hydrauliques de caracté-ristiques variées. Le moteur et la pompe ont unarbre commun avec des roulements et une garni-ture mécanique coté moteur. Ce dernier est égale-ment équipé d’entrées de câbles étanches etd’une poignée pour la manutention de l’ensem-ble.

On peut voir, sur la Figure 15, une petite pompesubmersible moderne et, sur la Figure 16, unepompe de taille moyenne. La puissance desmoteurs des pompes de relevage va de 1 à 500 kW,pour des usages du type vide cave portatif jus-qu’au système de relevage d’eaux usées d’uneville entière. La Figure 17 montre une pompe pourinstallation en fosse sèche.

17

Construction des pompes 2

Vue en coupe de l’hydraulique d’une pompe de 160kW. La pompe est prévue pour une installation enfosse sèche et un raccordement sur les tuyauteriesd’aspiration et de refoulement grâce aux brides etaux joints. Le type submersible de la pompe luipermet, en cas d’inondations, de ne subir aucundommage.

Fig. 17

a b c

S

SS

fermée semi-ouverte ouverte

Fig. 18

Différentes formes de roues mobiles. La roue fermée a ses aubes enfermées entre deux disques, alors que laroue semi-ouverte n’en a qu’un seul sur le dessus. La roue ouverte n’est composée que d’aubes et d’un moyeu,ajustés au plus près (tolérance s) du corps de pompe.

Page 19: Sewage Handbook Gfd

2.2 L’hydraulique

L’hydraulique se compose de la roue mobile, ducorps de pompe et de différents accessoires etéquipements.

2.2.1 Les roues mobilesLes pompes submersibles sont équipées de diffé-rents types de roues mobiles, selon leur usage. Onpeut classer ces roues de la façon suivante :• Roues mobiles pour les pompes de relevage• Roue mobiles pour les pompes dilacératrices• Hélices pour les pompes axiales

Il est également possible de classer les rouesmobiles selon leur forme : fermées, ouvertes,semi-ouvertes, voir la Figure 18. L’efficacité desroues ouvertes et semi-ouvertes dépend de latolérance entre la roue et le corps de pompe(environ 0,5 mm) ; le rendement de ce type deroues est sensible à l’usure et il décroît rapide-ment lorsque la tolérance augmente. La Figure 19montre l’effet d’une même usure sur une roueouverte et sur une roue fermée. Des impuretéspeuvent aussi venir se loger entre la plaque d’usu-re et la roue ouverte ou semi-ouverte, ralentissantvoire même bloquant complètement la pompe.

Roues mobiles pour les pompes d’assai-nissementPour éviter le blocage de la pompe ou le colmata-ge, des roues spéciales ont été conçues pour l’as-sainissement : les roues monocanales, bicanaleset les roues vortex. On peut en voir la conceptionsur la Figure 20. Il existe, sur les très grosses pom-pes d’assainissement, des roues avec de multiplescanaux.

Passage libreLe concept du passage libre est l’une des particu-larités des pompes d’assainissement. C’est lacapacité qu’à la pompe à évacuer les solides con-tenus dans le liquide pompé sans se colmater. La

18

2 Construction des pompes

Ailettes

Contrepoids

Roue Vortex 1-Roue monocanale 2-Roue bicanale

Roue fermée

Roue ouverte

Temps de fonctionnement

Fig. 19

Fig. 20

Résultat de tests comparant l’effet de l’usure sur lerendement de différents types de pompes.

Roues types pour les pompes d’assainissement.

Page 20: Sewage Handbook Gfd

taille du passage libre se réfère au plus gros objetsphérique pouvant passer dans la roue et le corpsde pompe. Si le passage libre est constitué dedeux chiffres distincts, il fait référence au plusgros objet oblong pouvant traverser la pompe.

La capacité qu’à une pompe à fonctionner sans secolmater dépend essentiellement de son passagelibre, comme il est montré sur la Figure 21.Normalement, un passage libre de 80 mm est suf-fisant pour le relevage d’effluents non dégrillésavec des pompes de tailles petites et moyennes.Avec les grosses pompes (pour des débits >100 l/s) il faut un passage libre d’au moins 100mm.

A lui seul, le passage libre n’est pas une garantieabsolue contre le colmatage. La géométrie de laroue mobile et de l’aube a aussi son importancedans la prévention du blocage. Les pompes desdifférents constructeurs répondent diversement àce problème. Il est possible de résoudre un problè-me de colmatage en remplaçant la pompe incri-minée par une autre marque ayant les mêmescaractéristiques de passage libre, de nombre d’au-bes et de vitesse de rotation. La tendance qu’au-ront des eaux usées à maltraiter une pompe varied’une installation à une autre ; on peut parler destations de relevage “faciles” ou “difficiles”. Laconception de l’amenée des effluents à la stationde pompage a aussi une influence sur le fonction-nement des pompes car il est possible de traiterl’agglomération de solides y apparaissant. Lesconditions réelles des installations d’assainisse-ment ne pouvant être simulées en laboratoire, lacapacité des pompes de relevage GRUNDFOS à nepas se boucher est issue d’une longue expériencepratique.

Roues monocanalesLa Figure 22 montre une roue monocanale.L’unique aube de la roue est aussi longue que pos-sible, pour un meilleur rendement, dans les limi-tes imposées par le passage libre. Les roues qui nelaissent au liquide pompé qu’une seule voie depassage ont de bonnes capacités à ne pas se col-mater. La forme asymétrique de la roue imposedes contrepoids pour qu’elle soit parfaitementéquilibrée. Le meilleur rendement possible va de70 à 75 %.

19

Construction des pompes 2

Probabilité de colmatage

Passage libre (sphère) [mm]

40 60 80 100 120

Fig. 21

Ce diagramme montre la relation entre la probabilité de col-matage et le passage libre de la pompe. A partir d’un passagede 80 mm, les risques de colmatage deviennent très faibles.

Roue monocanale S-1 GRUNDFOS pour utilisation enassainissement. La roue est du type semi axiale avecune aube longue et continue qui lui confère de bon-nes propriétés contre le colmatage. La forme asymé-trique requière des contrepoids moulés dans la massepermettant de faciliter l’équilibrage statique et dyna-mique de la roue.

Fig. 22

Page 21: Sewage Handbook Gfd

Roues bicanalesOn peut voir une roue bicanale sur la figure 23. Unproblème inhérent aux roues bicanales concerneles fibres longues qui peuvent pénétrer en mêmetemps dans les deux canaux, s’entortiller sur lesaubes et colmater la pompe. Cette situation nepeut être résolue que par une forme particulièredu bord des aubes, et seule l’expérience pratiquedes conditions de fonctionnement dans les sta-tions difficiles en permettra la conception. Avecune forme des aubes adéquate et un passage librede 100 mm au moins, les roues bicanales peuventrelever des eaux usées non dégrillées sans risquede colmatage. Il est possible d’atteindre des ren-dements de l’ordre de 80 à 85 % avec ce type deroues.

Roues à trois ou quatre canauxDans les très grosses pompes, la roue mobile peutavoir trois ou quatre canaux et un passage libre de100 mm avec une bonne capacité à ne pas se bou-cher. La forme des aubes de ces roues est égale-ment très importante. Elles peuvent atteindre desrendements de l’ordre de 82 à 86 %.

Roues vortexLe principe de la roue vortex est de créer un tour-billon au sein du corps de pompe. Le transfert d’é-nergie dans les pompes vortex est donc indirectcar la roue mobile se situe au dessus du flux duliquide pompé. Les pompes vortex ont ainsi d’ex-cellentes propriétés contre le colmatage et unfonctionnement sans heurt. L’amélioration descaractéristiques et du rendement des petitespompes vortex en fait un des matériels de plus enplus utilisés. Elles sont aussi utilisées commeséparateurs de sable dans les stations d’épura-tion. On peut voir une roue vortex sur la Figure 24.Le meilleur rendement possible d’une roue vortexest de 50%. Il est important de noter que ce ren-dement, dans une plage de débit de 3 à 15 l/s estéquivalent à celui des pompes à roue monocana-le.

Plage de débits et pression (Q/H) avecdifférents types de roues mobiles et depompes submersiblesLa Figure 25 présente les plages de fonctionne-ment correspondant aux différents types de pom-pes d’assainissement et de roues mobiles dans lagamme GRUNDFOS. On peut remarquer que lenombre de canaux augmente avec le débit et lataille de la pompe. Le diagramme indique égale-ment quelle plage de Q/H correspond à quel typede pompe pour un usage en assainissement. Laplus grosse pompe dans la gamme GRUNDFOS estéquipée d’un moteur de 520 kW.

20

2 Construction des pompes

Fig. 23 Fig. 24

Roue bicanale S-2 GRUNDFOS. Cette roue possède debonnes propriétés contre le colmatage grâce auxbords affûtés des aubes et à sa conception semi axia-le. La forme symétrique lui permet d’être naturelle-ment équilibrée.

Roue SuperVortex GRUNDFOS. La roue est munie d’ai-lettes brevetées qui préviennent la formation de tur-bulences secondaires sur les bords des aubes, ce quipermet d’augmenter notablement le rendement de lapompe.

Page 22: Sewage Handbook Gfd

21

Construction des pompes 2

Vortex monocanale 3-canaux 4-canauxbicanale

Fig. 25

Fig. 26

Débits et pressions (Q/H) de différents types de roues mobiles.

Pompe dilacératrice GRUNDFOS. L’ensemble coupant est réalisé dans un acier inoxydable dur.

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Roues pour pompes dilacératricesLes pompes dilacératrices ont été développées pourles installations d’assainissement de petite taille.On les retrouve couramment dans les stations derelevage pour maisons individuelles ou campingspeu importants. Les débits requis sont faibles, quel-quefois inférieurs à 1 l/s, mais la HMT est élevée dufait d’une tuyauterie de refoulement longue et d’unfaible diamètre. La plage de débit caractéristiquedes pompes dilacératrices va de 1 à 5 l/s pour deshauteurs manométriques jusqu’à 50 m.

Lorsqu’ils passent dans les pompes dilacératrices,les solides sont déchiquetés en fragments d’envi-ron 10 mm, ce qui permet un refoulement dansdes tuyauteries de petit diamètre : de DN 40 à DN80. Lorsque le débit est très faible, dans les sta-tions équipées d’une seule pompe, il est mêmepossible d’utiliser des diamètres encore inférieursde façon à obtenir une vitesse d’écoulement d’aumoins 0,5 m/s.

Il ne faut pas faire fonctionner les pompes dilacé-ratrices avec des effluents contenant du sable, cequi aurait pour résultat d’user rapidement lesystème sécateur. Lorsque des pompes dilacératri-ces sont pressenties pour des installations degrande taille comprenant plusieurs immeubles, ilest toujours recommandé de faire un comparatiftechnique et économique avec une solutionsbasée sur des pompes traditionnelles.

On peut découvrir une pompe dilacératrice sur laFigure 26. On remarquera, en dessous de la rouemobile, le système sécateur composé d’un coute-au tranchant. Le système sécateur est fabriquédans un acier inoxydable de grande dureté.

Hélices pour pompes axialesLes pompes axiales, équipées du même moteurque les pompes de relevages, sont proposées parde nombreux fabricants. La Figure 27 montre unepompe axiale GRUNDFOS avec une hélice à géo-métrie variable. La pompe est équipée d’aubes deguidage fixes qui transforment le mouvementrotatif de l’eau en énergie de pression, ce qui aug-mente le rendement de la pompe. Les pompesaxiales sont généralement installées dans descolonnes.

Les pompes axiales sont utilisées pour l’évacua-tion des eaux d’orage ou d’inondations, le draina-ge, l’irrigation et le transport d’eau brute, ainsi

que pour le relevage d’eaux usées vers les stationsd’épuration. Les pompes axiales ne doivent pasvéhiculer des eaux non dégrillées, à cause des ris-ques de colmatage. Il ne faut pas utiliser les pom-pes axiales de taille petite et moyenne dans lachaîne de traitement des eaux usées, par exemplele recyclage des boues car les fibres présentesdans ces effluents peuvent colmater et bloquer lapompe. Ces pompes peuvent atteindre des rende-ments de l’ordre de 75 à 85 %.

La plage d’utilisation Q/H des pompes axialesGRUNDFOS apparaît à la Figure 28. Une partie decette plage est aussi couverte par les pompes àroue canal installées dans des colonnes, qui peu-vent parfois représenter un meilleur choix danscertaines applications. Il est recommandé de con-sulter le fabricant de pompes lors de la détermi-nation pour des projets difficiles.

22

2 Construction des pompes

Fig. 27

Pompe axiale GRUNDFOS. L’angle des aubes estajustable pour un meilleur rendement.

Page 24: Sewage Handbook Gfd

Des pompes axiales particulières, comme le mon-tre la Figure 29, ont été mises au point pour larecirculation dans le cycle de traitement des sta-tions d’épuration. Elles sont conçues pour fonc-tionner avec une très faible HMT, seulement 0,3 mà 1,0 m, et de très gros débits, jusqu’à 2000 l/s. Cespompes ont été étudiées pour ne pas se colmater,grâce à des aubes à balayage arrière avec un jeuimportant (10 mm) entre l’hélice et le corps depompe ainsi que par la suppression des aubes deguidage. Le rendement de ce type de pompes nedépasse pas 35 à 50 %. La perte de charge en sor-tie de colonne pénalise la HMT. Il est possible deréduire les frottements et d’augmenter la HMT enutilisant une colonne conique.

23

Construction des pompes 2

10

0 100 200 500 1000 2000 4000 5000

8

6

4

2

0

Fig. 28

Fig. 29

Plage de fonctionnement (Q/H) des pompes axiales GRUNDFOS.

Pompe submersible de recirculation pour les stationsd’épuration. La pompe est descendue sur son empla-cement à l’aide de rails guides.

Page 25: Sewage Handbook Gfd

Roues avec aubes additionnellesDes aubes additionnelles sur l’extérieur de la rouemobile ont un rôle important sur les pompes d’as-sainissement de petite taille. Ces aubes addition-nelles augmentent la vitesse d’écoulement duliquide dans l’espace situé entre la roue et le corpsde pompe. La Figure 31 indique où se situent cesaubes sur une roue monocanale.

Les aubes additionnelles apportent les améliora-tions suivantes lors du fonctionnement de lapompe :• Diminution de la poussée axiale sur les roule-ments, particulièrement avec les roues semiouvertes,• Réduction de l’usure de la roue et du corps depompe au niveau du jeu à l’aspiration,• Prévient le bourrage par des fibres au niveau del’aspiration,• Empêche les chiffons et les fibres de s’entortillerautour de l’arbre derrière la roue mobile.

Il n’est pas possible d’utiliser le système des aubesauxiliaires sur le dessus des roues de grande taillecar l’augmentation de la vitesse ainsi créée provo-querait une chute de la pression à une valeur infé-rieure à la pression de vapeur du liquide, ce quiengendrerait de la cavitation ; mais les risques deblocage sont moindres sur les grosses pompes,grâce à leur couple moteur important. Il n’y a pasnon plus d’aubes auxiliaires sur la partie inférieu-re des roues mobiles de taille importante.

Jeu à l’aspirationLe jeu entre la roue mobile et le corps de pompedoit être le plus réduit possible pour diminuer lespertes par recirculation. Pour la plupart des pom-pes se jeu varie de 0,5 à 1,0 mm. Ce jeu peut êtrecylindrique ou axial, comme le montrent lesFigures 32 et 33.

24

2 Construction des pompes

Aubes

Distribution de la pression

Distribution de la pression

ps

p's

S

avec des aubes auxiliaires

sans aubes auxiliaires

auxiliaires

Fig. 30 Fig. 31

Pompe de recirculation GRUNDFOS.

Les effets des aubes auxiliaires sont une diminution de la pres-sion autour du jeu de l’aspiration. Grâce à un contre-débitplus faible, le jeu augmentera moins vite et les risques de bou-chage sont réduits.

Page 26: Sewage Handbook Gfd

L’évolution dans le temps des performances de lapompe et de son rendement dépend largementde ce jeu. L’effet réducteur du jeu à l’aspiration surle rendement et la HMT peut se calculer à l’aide del’équation empirique suivante :

Q = débit (l/s)H = HMT (m)s = jeu (mm)Δη et Δh sont proportionnels.

Avec les roues semi-ouvertes, l’effet est multipliépar le facteur 1,5.

On peut constater, sur la Figure 34, les résultats detests effectués sur une même pompe fonction-nant avec différents jeux.

Si le jeu augmente de 2 à 3 mm sur les roues sansaubes auxiliaires ou de 4 à 5 mm sur les rouesmunie d’aubes auxiliaires, il devient nécessaire derétablir le jeu d’origine pour retrouver les caracté-ristiques normales de la pompe. Si ce jeu est ajus-table, il sera facile à un technicien de l’adapter sur

25

Construction des pompes 2

Fig. 32

Fig. 33

Fig. 34

Jeu cylindrique à l’aspiration. Ce type de jeu est sus-ceptible de se colmater si, par exemple, des fibress’accumulent dans l’espace entre la roue et le corpsde pompe et font forcer la pompe. Cela nécessite laprésence de bagues d’usure sur la roue et la plaqued’aspiration pouvant être remplacées ou ré-usinées.

Jeu axial à l’aspiration. Ce type de jeu risque moinsde se colmater, car le flux pourra entraîner les maté-riaux accumulés vers l’aspiration de la pompe. Il peutêtre possible de rattraper le jeu pour faciliter la main-tenance et compenser l’usure.

Effet de différentes valeurs du jeu à l’aspiration sur lacourbe de pompe et le rendement.

Page 27: Sewage Handbook Gfd

le site, alors qu’avec les ensembles fixes, il devientnécessaire de transporter la pompe en atelierpour réparation ou, pire, de la mettre au rebut àcause de coûts de pièces et de main d’œuvre tropélevés.

Il est possible, sur les pompes équipées d’unsystème de rattrapage de jeu, d’assurer un main-tient dans le temps des performances grâce à unajustement périodique, lors de la maintenance deroutine. La Figure 35 montre une pompe submer-sible ou la tolérance peut être rattrapée à l’aide detrois vis.

Pour les pompes en fosse sèche, GRUNDFOS adéveloppé un système breveté (le SmartTrim) quipermet de rattraper le jeu sans avoir à démonterla pompe ou les tuyauteries. L’ajustement n’influepas sur les tuyauteries et ne nécessite donc pas unréalignement de celles-ci. Le principe en est expo-sé à la figure 36. L’ajustement est réalisé en dimi-nuant le jeu puis en dévissant les vis d’ajustage de1 mm ; après quoi la chemise d’aspiration est blo-quée à l’aide des boulons de fixation.

Il est possible de réajuster les pompes GRUNDFOSsur 10 à 15 mm, ce qui correspond à la durée de viede la roue mobile.

Fixation de la roue mobileLe raccordement de la roue mobile sur l’arbre doitêtre à la fois fiable et facile à démonter. Le démon-tage est nécessaire lors de la maintenance de lagarniture mécanique, ou pour le remplacementde la roue lorsque la pompe est utilisée pour véhi-culer des particules abrasives. La roue mobile s’a-juste sur un bout d’arbre cylindrique ou conique.

Un ajustement conique est plus facile à démonter.On le bloque avec un écrou, ce qui assure la rigidi-té de l’ensemble et supprime les jeux.

La fixation est primordiale pour la transmissiondu couple. Un raccordement de roue mobile soli-dement ajusté assure un fonctionnement fiablede la pompe ; le démontage doit s’effectuer avecbeaucoup d’attention. Il est recommandé d’utili-ser une clé dynamométrique lors de l’installationde la roue et du blocage de l’écrou de fixation. Lefabriquant de la pompe peut fournir toutes lesindications utiles quand au couple de serrage et àla lubrification éventuelle de l’écrou.

26

2 Construction des pompes

Fig. 35

Ajustement du jeu à l’aspiration à l’aide de trois vis.

Fig. 36

Système externe du jeu sur une pompe installée enfosse sèche.

Page 28: Sewage Handbook Gfd

2.3 Les moteurs

2.3.1 GénéralitésLes moteurs électriques des pompes submersiblessont du type à cage d’écureuil, alimentés en cou-rant alternatif monophasé ou triphasé. Le mono-phasé ne concerne que les plus petites pompes(de 2 kW ou moins). Les moteurs sont proposés en50 ou 60 Hz et dans de nombreuses tensions. Ilssont conçus pour un fonctionnement submersible: indice de protection IP 68, selon IEC. Les particu-larités électriques des moteurs submersibles sontdécrites en détail plus avant dans ce chapitre.

Une pompe submersible est la combinaison d’unmoteur et d’une hydraulique ayant un arbre etdes roulements communs. Le moteur est relié à lapompe par un arbre court et certaines parties,comme la bride de raccordement, sont communesà la pompe et au moteur. Pour de meilleures per-formances, l’hydraulique et le moteur sont conçusensemble, par le même fabriquant, avec une taillede moteur convenant à une gamme d’hydrauli-ques couvrant différentes plages de débits et depressions et différents types d’utilisations. Lemoteur et l’hydraulique sont appariés de tellesorte qu’en tout point de la courbe de la pompe ilne se produise jamais de surcharge.

Les moteurs submersibles sont en général du typeà rotor sec. Certains petits moteurs (1,5 kW oumoins) sont parfois remplis d’huile. C’est unehuile à faible viscosité utilisée aussi dans lestransformateurs, permettant de diminuer aumaximum les pertes par friction du rotor.L’introduction d’huile dans les gros moteurs aug-menterait les pertes et diminuerait le rendement.Les moteurs à bain d’huile sont moins chers queles moteurs à rotor sec car ils ont moins de com-posants.

2.3.2 Moteurs antidéflagrantsLes pompes submersibles existent aussi en ver-sion antidéflagrante, pour un usage dans un envi-ronnement liquide ou une atmosphère suscepti-ble de contenir des gaz explosifs. C’est le cas, parexemple, dans l’industrie pétrochimique, mais,pour des raisons de sécurité, d’autres lieux peu-vent aussi être considérés comme à risque.

La particularité des moteurs antidéflagrants estleur capacité à fonctionner en toute sécurité dansles ambiances explosives, sans produire d’étince-

lles. Il existe deux solutions techniques pour per-mettre cela :• Le moteur est conçu pour contenir toute explo-

sion interne et éviter ainsi qu’elle ne se propagedans un environnement explosible. Ces moteurssont dits de Classe D.

• Le moteur est conçu pour ne générer aucuneétincelle ni haute température. Ces moteurssont dits de Classe E.

Les moteurs antidéflagrants sont conçus et fabri-qués selon des règles et des normes internationa-les (par exemple les Euronormes 50014 et 50018).Les caractéristiques des moteurs de Classe D ysont détaillées, comme par exemple le choix desmatériaux de construction, la forme et les tolé-rances de fabrication des emboîtements, le volu-me interne du moteur, la rigidité de la structure etdes raccordements. Les principales exigences con-cernant les emboîtements concernent les surfa-ces de contact qui doivent être plus importantes,car elles sont supposées servir à étouffer la flam-me. Les certifications et approbations de la con-ception sont assujettis à des tests extensifs, où lacapacité à contenir une explosion interne estdéterminée.

Les moteurs de Classe E ne sont pas soumis à desmodifications de structure, mais sont testés surl’augmentation de la température interne à cer-taines charges. La formation d’étincelles seraempêchée par la mise en place de chicanes entreles parties fixes et les parties rotatives.

Habituellement, les moteurs antidéflagrants sontissus de la gamme standard des fabricants et sontun complément à celle-ci. Les caractéristiquesélectriques sont généralement identiques et lapartie hydraulique est commune aux deux types.Les modifications structurelles apportées auxmoteurs antidéflagrants les rendent plus onéreuxque les moteurs standard.

2.3.3 Refroidissement des moteursLes pertes électriques et mécaniques, dans lemoteur, se transforment en chaleur qui doit êtredissipée. Avec les pompes submersibles standard(voir Figure 15), la chaleur est transférée de la che-mise du stator au liquide par la submersion. Cerefroidissement est suffisant tant que le moteurest submergé au moins sur la moitié de sa hau-teur. Il n’y a pas de risque de surchauffe si le nive-au du liquide descend en dessous de cette valeurpendant de courtes périodes.

27

Construction des pompes 2

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Un moteur fonctionnant de cette façon est effica-cement refroidit, car le refroidissement continueaprès l’arrêt du moteur. Il est donc possible d’au-toriser de fréquents démarrages-arrêts si celacorrespond aux besoins de l’installation.

Température de l’eauLe refroidissement des moteurs submersibles estassuré par le liquide pompé, par la submersion oud’autres manières. La température de l’eau y jouedonc un rôle primordial. En général, les moteurssont conçus pour supporter des températures deliquide jusqu’à 40°C. Il est possible de travailler àdes températures supérieures, mais il fautdemander conseil au fabricant. Les risques decavitation augmentent avec la température, àcause d’une pression de vapeur supérieure duliquide ; dans ce cas, des calculs de NPSH sontdonc nécessaires.

Refroidissement des moteurs dans lesinstallations en fosse sèchePour de multiples raisons, de nombreuses pompessont installées en fosse sèche. Le refroidissementdu moteur est assuré de façon particulière, à l’ai-de de différentes méthodes :

Avec une chemise de refroidissement disposéeautour du moteur. Une partie du liquide pompéest guidé de l’hydraulique vers la chemise avantde retourner dans le corps de pompe. Le liquidepénètre par des orifices de petite taille (environ0,5 mm) faisant office de filtre, situés derrière laroue mobile. La circulation est forcée par les aubesauxiliaires et oblige le liquide à se déplacer dansl’espace entre la chemise et l’enveloppe du statordu moteur. La chaleur en excès est ainsi renvoyéevers l’extérieur, assurant un refroidissement effi-cace. Le principe en est exposé à la Figure 37.L’utilisation des orifices filtrants et d’une sectionde passage assez large permet d’éviter le colmata-ge. Une chemise de refroidissement est disponi-ble en option pour les pompes de petite etmoyenne taille fonctionnant en fosse sèche, alorsque les grosses pompes en sont pourvues d’origi-ne, quel que soit le type d’installation.

Parfois, lorsque le liquide pompé n’est pas appro-prié à la circulation dans la chemise, c’est unrefroidissement externe par eau qui est prévu.Dans ce cas, la pompe est modifiée : on l’équipede raccordements à un circuit d’eau externe et onbouche les orifices du corps de pompe. Un organe

de sécurité est nécessaire pour protéger la pompecontre les surchauffes, lorsqu’il y a rupture dusystème de refroidissement externe.

Avec une enveloppe de stator de forte épaisseur.Cette conception, intéressante pour les pompesde petite taille, utilise l’épaisseur de l’enveloppedu stator pour conduire la chaleur vers le liquidepompé. Sur ce type de pompe, il y a contact directentre le liquide et la bride de raccordement dustator. La bride peut être pourvue de canaux ou dechicanes augmentant la surface de contact avec leliquide pompé. Le stator des pompes en fossesèche peut aussi être en aluminium pour amélio-rer la dissipation de chaleur ; la Figure 38 en mon-tre le principe.

Dans les installations en fosse sèche, seule la che-mise de refroidissement offre une qualité derefroidissement égale, voire supérieure à la sub-mersion. Les autres moteurs doivent être surdi-mensionnés pour cet usage, ce qui limite le choixdans une gamme donnée.

28

2 Construction des pompes

Pompe submersible en fosse sèche GRUNDFOS équipéed’une chemise de refroidissement. Une partie du liquidepompé passe par un orifice filtrant d’environ 0,5 mm dediamètre pour se répartir à l’intérieur de la chemise ; ily est mis en mouvement grâce à l’action des aubesauxiliaires de la roue mobile. L’efficacité du refroidisse-ment est due à la convection du stator et à la dissipa-tion de la chaleur dans le liquide pompé.

Fig. 37

Page 30: Sewage Handbook Gfd

Avec un circuit de refroidissement interne, danslequel circule un liquide de refroidissement à l’ai-de de petites roues mobiles fixées sur l’arbre dumoteur. La pompe est pourvue d’un échangeur dechaleur situé entre le corps de pompe et lemoteur, où le liquide de refroidissement transmetsa chaleur au liquide pompé. La complexité de cesystème pose parfois des problèmes.

2.3.4 Etanchéité des moteursL’intrusion d’eau dans un moteur provoque inévi-tablement des dégâts, ou, si elle est détectée parun système de sécurité, au moins une mise horsservice de la pompe. Le moins que l’on attended’un moteur submersible est sa parfaite étanchéi-té. La qualité de l’étanchéité des moteurs estassurée par une bonne conception et, durant leprocessus de fabrication, des contrôles de la qua-lité en continu ainsi que des tests.

Tous les assemblages des moteurs submersiblessont réalisés par des machines et à l’aide de jointstoriques. Lorsque le moteur est démonté lors de lamaintenance, pour maintenir la qualité de l’étan-chéité, il faut remplacer systématiquement lesjoints toriques.

L’entrée du câble électrique dans le moteur doitaussi être parfaitement étanche. La meilleure fia-bilité est obtenue avec des presse-étoupe en

caoutchouc qui enserrent à la fois le câble et l’en-trée de câble. Le presse-étoupe est compressé à lavaleur prescrite à l’aide d’un contre-écrou et d’unerondelle. Un serre-câble externe maintient lecâble en cas de chocs ou de traction, évitant ladéformation du presse-étoupe.

La possibilité de pénétration d’eau par le câble estbien réelle. Si le bout du câble est susceptible d’ê-tre immergé, l’eau risque de pénétrer jusqu’aumoteur par effet de capillarité entre l’isolant et lecuivre. Cet effet est aggravé par les écarts de tem-pérature du moteur, l’eau peut de cette manière ypénétrer et l’endommager. Cela peut aussi se pro-duire avec des pompes neuves stockées à l’exté-rieur, particulièrement lorsque le bout de câblen’a pas été protégé.

Beaucoup de fabricants proposent leurs pompesavec un manchon de protection sur le bout decâble. Des étiquettes y sont attachées, mettant engarde contre les risques de pénétration de liquidepar le bout de câble, lors du stockage ou de l’ins-tallation.

La réalisation de l’étanchéité des moteurs despompes submersibles nécessite des connaissan-ces particulières et l’utilisation d’un outillage spé-cial, aussi est-il conseillé de retourner la pompe àun atelier spécialisé pour toute réparation. Lesfabricants de pompes proposent des formationset des outils spéciaux à leurs clients. Il peut êtreintéressant, pour les utilisateurs de nombreusespompes submersibles, d’avoir un atelier de répa-ration spécialisé en interne.

Les garnitures mécaniquesLa garniture, qui empêche le passage du liquidedu corps de pompe vers le moteur, est l’un deséléments les plus importants des pompes sub-mersibles.

Les pompes submersibles modernes sont équipé-es exclusivement, pour réaliser l’étanchéité del’arbre, d’une double garniture mécanique avecune chambre à huile. Cette technologie, dévelop-pée et améliorée au cours du temps, assure uneprotection efficace contre les fuites vers le moteurdans la plupart des cas.

La Figure 39 présente un montage de garnituresmécaniques sur une pompe submersible. Il secompose d’une garniture inférieure ou primaire etd’une garniture supérieure ou secondaire.

29

Construction des pompes 2

Pompe submersible GRUNDFOS pour installationimmergée ou en fosse sèche. La faible épaisseur de lapartie inférieure de l’enveloppe du moteur permet dedissiper la chaleur dans le liquide. Cette enveloppe peutêtre en aluminium pour en améliorer l’effet.

Fig. 38

Page 31: Sewage Handbook Gfd

Ces deux garnitures mécaniques, séparées par unbain d’huile, fonctionnent dans des conditionsdifférentes ; cela a une influence sur la combinai-son de leurs matériaux. Chaque garniture estcomposée de deux bagues, l’une fixe (grain fixe,ou siège) et l’autre en rotation (grain mobile ouface) avec l’arbre. Ces bagues sont pressées l’unesur l’autre par un ressort ainsi que, pour la garni-ture primaire, par la pression du liquide.

L’étanchéité entre les deux bagues est assurée parleurs surfaces de contact au fini parfaitement platet très lisse. Seule une infime quantité d’eau peutpasser entre elles. La rectitude et l’état des surfa-ces sont réalisés avec une tolérance de 0,0005mm, puis terminées par rodage. Les bagues sontdisposées sur l’arbre et dans leur logement avecdes joints toriques. Le matériau des joints tori-ques est déterminé pour tenir à des températuresélevées et aux effets de dissolution et de corro-sion de l’huile ainsi qu’aux impuretés du liquidepompé.

Des encoches sur le grain fixe de la garniture pri-maire l’empêchent de tourner. La bague rotativeest rendue solidaire de l’arbre à l’aide d’une cla-vette. Des bagues et des ressorts maintiennent lesgrains dans leur logement en cas de pressionsanormales.

Le matériau des bagues de la garniture primaireest généralement dur, car il est soumis à l’actionabrasive du liquide pompé. Aujourd’hui on utilisecouramment du carbure de silicium (SiC) dont ladureté, autour de 2 000 sur l’échelle de Vickers,

est proche de celle du diamant. Les bagues peu-vent être en carbure de silicium dans la masse ounon ; celles qui ne le sont pas sont revêtues de car-bure de silicium sur une épaisseur d’environ 1 mm.Le carbure de silicium a également une très bonnerésistance à la corrosion, ce qui permet de l’utili-ser dans toutes les applications d’assainissementet de vidange.

Si la garniture mécanique secondaire est lubrifiéeà l’huile, une combinaison de matériaux est utili-sée : une bague fixe dans un matériau tendre,ayant de bonne propriétés d’auto lubrification encombinaison avec un grain mobile en matériaudur permet d’avoir une faible résistance à la rota-tion. L’huile lubrifiante protège les deux faces con-tre l’usure. Les garnitures mécaniques secondairesmodernes sont communément composées d’unebague en carbone et de l’autre en carbure de sili-cium.

Des garnitures mécaniques spécialement conçuespour cet usage équipent les pompes submersiblesactuelles. Les plus grands constructeurs ont misau point des garnitures appropriées. Un systèmed’étanchéité particulier, combinant une garnitureprimaire et une garniture secondaire est montrésur la Figure 40.

30

2 Construction des pompes

Double étanchéité mécanique GRUNDFOS avec garni-ture primaire et secondaire.

Fig. 39

Garniture mécanique double GRUNDFOS de typemonobloc

Fig. 40

Page 32: Sewage Handbook Gfd

Toutes les garnitures mécaniques dont sont pour-vues les pompes submersibles peuvent tournerdans les deux directions : les pompes sont sou-vent mises en service dans le mauvais sens, ouune pompe peut dévirer par suite d’un contre-débit dans les installations sans clapet anti-retour.

Toutes les pompes submersibles équipées dedeux garnitures mécaniques ont une chambre àhuile qui les sépare. L’huile a un intérêt vital dansle fonctionnement des garnitures mécaniques etde la pompe :• Lubrification des garnitures, particulièrement

de la secondaire,• Refroidissement des garnitures,• En cas de fuite, l’émulsion de l’eau et de l’huile

diminue les risques d’intrusion dans le moteur,contrôle d’état. Le contrôle de la qualité de l’hui-le lors de la maintenance permet d’avoir unebonne idée des conditions de fonctionnementet des risques de fuite.

La chambre à huile ne doit pas être remplie com-plètement, pour permettre l’émulsion en cas defuite et pour favoriser l’expansion thermique del’huile. Le constructeur procure toutes les infor-mations quand à la quantité d’huile, au remplis-sage et au contrôle.

Dans des applications particulières, lorsque leliquide pompé transporte de très fines particules,une ouverture de la garniture mécanique peutêtre provoquée par des dépôts sur les faces defriction. On peut résoudre ce problème à l’aided’un rinçage externe en continu de la garnituremécanique. Il est indispensable que le construc-teur et l’installateur considèrent ce type d’insta-llation au cas par cas.

La durée de vie d’une garniture mécanique nepeut être déterminée par la théorie ou par destests en laboratoire. L’évolution des performancesdans le temps est également difficile à prédire. Ladurée de vie peut varier de façon importanteselon les conditions de fonctionnement : cela vade quelques années à plus de quinze ans !

2.3.5 Les roulements du moteur

Charges sur les roulementsLes roulements des pompes submersibles doiventsupporter les charges combinées de l’hydrauliqueet du moteur, qui s’appliquent sur un arbre com-mun. Les forces suivantes, axiales ou radiales, s’e-xercent sur les roulements :• une force radiale hydrodynamique,• une force axiale hydrodynamique,• une force magnétique radiale,• le poids des éléments en rotation.

Les forces les plus importantes s’exerçant sur lesroulements sont les forces hydrodynamiques.

La force hydrodynamique radiale est la résultantede la pression générée dans la périphérie de laroue mobile, à différentes positions relatives, surle corps de pompe. Cette force radiale dépend dela conception de la pompe ainsi que de son pointde fonctionnement.

La force hydrodynamique axiale est la résultantede forces induites dans la roue mobile par la diffé-rence de pression entre l’aspiration et le refoule-ment. Cette force axiale dépend essentiellementdu débit et du point de fonctionnement.

RoulementsCe sont des roulements à billes qui sont ordinaire-ment installés sur les pompes submersibles ; leurcapacité à supporter aussi bien les charges axialesque les charges radiales en a généralisé l’usage.Sur les très grosses pompes, du fait de l’importan-ce des forces mises en œuvre, une combinaison deroulements à billes et de roulements à rouleauxest utilisée.

Pour permettre la dilatation de l’arbre et pour auto-riser des tolérances de fabrication, le roulementsupérieur est pourvu d’un léger jeu axial, alors quele roulement inférieur est bloqué axialement.

La sélection des roulements est définie par lesstandards internationaux considérant leur duréede vie. Selon le standard ISO 5199, “Durée de viedes roulements (B10)”, elle doit être d’au moins17 500 heures.

Les roulements des pompes submersibles sonthabituellement du type lubrifiés à vie, à l’aided’une graisse spéciale adaptée aux conditions defonctionnement et aux températures élevées desmoteurs submersibles.

31

Construction des pompes 2

Page 33: Sewage Handbook Gfd

2.3.6 Dispositifs de protection desmoteursLes moteurs submersibles sont pourvus de diffé-rents dispositifs de protection permettant de lesprotéger contre des risques divers :• la surchauffe,• la pénétration d’eau,• une détérioration des étanchéités,• une détérioration des roulements,• une détérioration de l’isolement des enroule-

ments.

Certains systèmes de protection sont disponiblesen standard, alors que d’autres ne sont proposésque sur demande. Du fait de leur valeur intrinsè-que, les grosses pompes exigent plus d’équipe-ments de sécurité.

Les dispositifs de protection se divisent en dispo-sitifs internes, avec des capteurs à l’intérieur dumoteur et en dispositifs externes, installés dansl’armoire de commande.

Dispositifs de protection internesLes équipements de protections suivants sontmontés à l’intérieur du moteur :• Des interrupteurs thermiques dans les enroule-

ments du moteur. Ce sont en général des inte-rrupteurs miniatures bimétalliques qui s’ou-vrent à une température fixe prédéfinie (voirFigure 41). Trois contacts, un par enroulement,sont installés dans les moteurs triphasés. Cescontacts sont raccordés en série sur le circuit decommande, de façon à arrêter le moteur lors del’ouverture de l’un de ceux-ci. Les contacts sereferment lorsque la température redescend, ce

qui rend possible la remise en route du moteur.Ces interrupteurs thermiques protègent lemoteur contre les surchauffes dues à une insuf-fisance du refroidissement ; ils sont particulière-ment utiles lorsque le refroidissement dépendde la submersion de la pompe.

• Les intrusions d’eau à l’intérieur du moteur peu-vent être contrôlées par un capteur d’humiditéqui réagit à l’augmentation de l’humidité. Engénéral, ce capteur est mis en série avec les inte-rrupteurs thermiques pour déclencher l’arrêt dumoteur en cas d’ouverture. La Figure 42 montreun capteur d’humidité qui réagit lorsque le tauxd’humidité atteint les 100 %. La réaction est irré-versible et le capteur n’est ensuite plus réutilisa-ble. lorsqu’une installation pourvue d’interrup-teurs thermiques et d’un capteur d’humiditéréagit, il est possible de déterminer quel contacts’est ouvert, car seul l’interrupteur thermique sereferme après refroidissement. Il convient d’ou-vrir et de sécher le moteur avant toute tentativede redémarrage, lorsque c’est le capteur d’humi-dité qui a réagit.

• Il est possible de contrôler les intrusions d’eau àl’intérieur du moteur via la garniture mécaniquepar un détecteur de fuites placé dans la cham-bre à huile. L’huile utilisée dans les pompes sub-mersibles entre en émulsion lorsque la quantitéd’eau atteint les 30 %. Le capteur de fuites réa-git, soit lorsque la quantité d’eau dépasse les30 % (détecteur de conductivité), soit par con-trôle de la teneur en eau en continu (détecteurcapacitif).

32

2 Construction des pompes

Interrupteurs thermiques. Ils sont constitués d’uninterrupteur miniature bimétallique qui s’ouvre à unetempérature prédéfinie. Les interrupteurs sont raccor-dés à l’armoire de commande de façon à couper lemoteur en cas de surchauffe.

Fig. 41

Capteur d’humidité GRUNDFOS. Il est constitué dedisques sensibles à l’humidité empilés sur une tigemanoeuvrant un micro-interrupteur. Lorsque l’humi-dité est en excès, les disques augmentent de volume,poussent la tige qui, par l’intermédiaire d’une came,ouvre le micro contact et interrompt le circuit. L’effetest irréversible et le capteur doit être remplacé aprèssa réaction.

Fig. 42

Page 34: Sewage Handbook Gfd

Il est possible de régler ce dernier pour qu’il réa-gisse à n’importe quelle valeur et de s’en servirainsi pour suivre les risques d’intrusions d’eau encontinu. Les détecteurs de fuite ne sont en géné-ral pas proposés en standard, mais disponibles enoption. On peut prévenir les intrusions d’eau dans lemoteur via le câble électrique, par capillarité, àl’aide d’un manchon de protection disposé surl’extrémité du câble en usine. Le manchon nedevra être retiré qu’au moment du raccordementdu câble dans l’armoire de commande.L’état des roulements et de leur graisse peut êtrecontrôlé à l’aide d’un capteur de température. Cecapteur est placé près de l’enveloppe du roule-ment et d’un calibre permettant de contrôler satempérature. Les capteurs de température sontproposés en option.

Dispositifs de protection externesLes dispositifs de protection suivants se trouventdans l’armoire de commande :• La protection contre les courts-circuits est assu-

rée par des fusibles, un disjoncteur ou un systè-me de protection électronique. Il faut dimen-sionner les fusibles ou le disjoncteur de façon àce qu’ils supportent l’intensité de démarrage dumoteur, mais leur valeur ne doit pas être supé-rieure à celle admise par le câble d’alimentationet le sectionneur. Lorsque des fusibles sont utili-sés, il faut qu’ils soient du type accompagne-ment Moteur (aM).

• Une protection contre les surcharges est utiliséedans les situations d’augmentation de la charge,comme par exemple lorsque la roue mobileforce ou se bloque, lorsque la pompe se colmate,ou lorsqu’il se produit une chute de tension.C’est généralement un relais thermique, coupléau contacteur de démarrage du moteur, quiassure la protection contre les surcharges. Il estcomposé d’une lame bimétallique qui réagit enouvrant un contact qui interrompt le circuit decommande du contacteur lorsque le courantdépasse une valeur prédéterminée. Les relaisthermiques sont efficaces contre les chutes detension ou les ruptures de phase à l’alimenta-tion. Il faut régler le relais thermique en fonctiondu courant nominal du moteur. Lorsque qu’undémarrage étoile – triangle est utilisé, le courantqui passe dans le relais thermique est réduit dufacteur 0,58 (1/√3), valeur qui doit être prise encompte lors du réglage du relais. La figure 43présente un relais thermique.

• La résistance des enroulements du stator estcontrôlée par un dispositif de mesure automati-que de la résistance, qui mesure la résistancedes enroulements entre les phases et la résis-tance entre chaque phase et la terre, chaque foisque le moteur s’arrête. Une valeur d’alarme pourles résistances peut être définie, permettant deprévenir les risques de court-circuit et de dété-rioration des enroulements.

33

Construction des pompes 2

Relais de protection thermique. Il est raccordé au con-tacteur moteur et coupe le courant au cas ou l’inten-sité dépasse la valeur réglée.

Fig. 43

Page 35: Sewage Handbook Gfd

2.4 Les raccordements

Une pompe submersible, lorsqu’elle est immer-gée, n’est raccordée qu’à la tuyauterie de refoule-ment. Avec les installations en poste fixe, unsystème d’accouplement automatique est habi-tuellement utilisé.

Système d’accouplement automatiqueLe principe du système d’accouplement automati-que a été mis au point au fil des années, spéciale-ment pour les pompes submersibles. Il permet dedescendre la pompe dans la fosse et de l’accouplerfermement à la tuyauterie sans qu’une personnen’ai besoin d’y descendre aussi. De la même façon,la pompe peut facilement être retirée de la fossepour les besoins de maintenance. Les systèmesd’accouplement automatiques sont pourvus derails ou de tubes qui guident la descente de lapompe jusqu’au pied d’assise. Une bride spéciale,sur le refoulement de la pompe, permet d’accou-pler solidement la pompe à la tuyauterie de refou-lement. Un système d’accouplement automati-

que bien conçu est usiné avec précision et possè-de un joint d’étanchéité permettant un raccorde-ment étanche et robuste. La pompe se met enplace par l’effet de son propre poids. La Figure 44montre un système d’accouplement automatiqueavec ses rails de guidage.

La Figure 45 montre un joint flexible conçu de tellesorte que la pression de l’eau améliore son action,ce qui permet d’assurer dans tous les cas un rac-cordement parfaitement étanche.

Certains fabricants proposent des kits d’adapta-tion qui autorisent l’installation d’une nouvellepompe sur un ancien socle ou le remplacementune marque de pompe par une autre. Cela doitbien entendu pouvoir se faire avec un minimumde coût et de main-d’œuvre.

34

2 Construction des pompes

Système de pied d’assise submersible GRUNDFOS.Lorsqu’elle est installée, la pompe est fermementmaintenue en place par son propre poids. Des surfacesrectifiées avec précision et un joint à lèvre assurentune parfaite étanchéité. Le jeu entre les rails et la grif-fe de la pompe évite que cette dernière ne se coincelors des manipulations, même si elle est sale.

Fig. 44

Joint souple entre la bride de la pompe et celle du piedd’assise. Le joint est conçu pour que son efficacité aug-mente avec la pression, assurant une étanchéité par-faite dans toutes les conditions.

Fig. 45

Page 36: Sewage Handbook Gfd

Raccordement à un tuyau soupleLa Figure 46 présente une pompe submersibleraccordée à un tuyau souple. Cela ne doit être pra-tiqué que dans les installations temporaires oulorsque la pompe doit être changée d’emplace-ment, lors du pompage de boues.

Installation en colonneDurant ces dernières années, la technique d’insta-llation des pompes en colonne s’est développée.La pompe est descendue dans un tube vertical oucolonne, et le corps de pompe circulaire vientreposer sur un joint de siège disposé sur un reborden bas de la colonne (voir Figure 47). La pompe estmaintenue en place par les effets conjugués deson propre poids et de la contre pression lorsqu’e-lle est en fonctionnement. Le corps de pompe,conçu spécialement pour cette application, estpourvu d’aubes de guidage. Le joint de siège estconique, afin d’assurer une bonne étanchéitéentre la pompe et la colonne. L’étanchéité et desgoujons préviennent le dévirage au moment dudémarrage.

L’installation en colonne convient parfaitementaux pompes hélicoïdales, mais aussi aux pompesde relevage classique lorsqu’il est besoin de débitsimportants et de HMT modérées. On peut voir, surla Figure 48, la plage de Q/H qui correspond à lagamme Grundfos. Dans cette plage, les coûts d’a-chat et de mise en œuvre des pompes en colonnesont généralement intéressants, mais il convienttout de même de faire une estimation pour cha-que projet. Les pompes en colonne ont le mêmerendement que les pompes classiques, mais lescourbes sont légèrement différentes du fait ducorps ouvert. L’installation en colonne convientbien au traitement des boues dans les stationsd’épuration. La colonne doit être réalisée en acierinoxydable ou en acier galvanisé à chaud.

Lorsque l’installation fonctionne dans l’eau demer, l’acier inoxydable crée une forte réaction gal-vanique entre la pompe et la colonne, provoquantla corrosion. Les parties galvanisées de la pompepeuvent rapidement se corroder sous l’action dela grande cathode formée par la colonne qui l’en-toure.

35

Construction des pompes 2

Pompe submersible refoulant dans un tuyausouple. Ce type de raccordement n’est utilisé quelors d’un fonctionnement temporaire.

Fig. 46

Joint de siège

Pompe installée en colonne. La pompe reposesur un joint de siège conique installé en bas de lacolonne.

Fig. 47

Page 37: Sewage Handbook Gfd

Si, par exemple, la chaîne de levage reste en place,il faudra la prévoir en acier inoxydable. On protè-gera efficacement les pompes en fonte avec desanodes sacrifiées que l’on remplacera régulière-ment. Il sera bon également d’enduire la colonned’une couche de peinture d’au moins 200 mmpour éviter la réaction cathodique de sa surface etprévenir ainsi la corrosion de la pompe.

2.5 Matériaux de construction,corrosion et usure

2.5.1 Résistance à la corrosionLa fonte est le matériau principal d’une pompesubmersible d’assainissement, avec l’acier inoxy-dable de la boulonnerie et de certaines partiesinternes. L’arbre de pompe est, soit en acier inoxy-dable, soit protégé contre l’action des effluentspompés. Lorsque la pompe ou son socle comportedes parties en acier, celles-ci sont galvanisées àchaud. En fonctionnement dans des conditionsnormales, ces matériaux peuvent durer des dizai-nes d’années.

Parfois, lorsque le liquide pompé contient deseffluents industriels, la résistance à la corrosionde la fonte peut se révéler insuffisante ; c’est par-ticulièrement vrai pour les parties en soumises àune vitesse de liquide importante, par exemple laroue mobile et le corps de pompe, qui seront dété-riorés par une corrosion érosive. Dans ce type

d’application, la couche naturelle d’oxydation qui protège la pompe de la corrosion sera détruite,laissant place à une corrosion rapide. Il est consei-llé d’utiliser de l’acier inoxydable pour ces partiessensibles.

La corrosion par l’eau de mer dépend de multiplesfacteurs tels que la salinité, la teneur en oxygène,la pollution ou la température ; il faudra doncdéterminer le matériau adéquat au cas par cas.Dans certains cas, les anodes en zinc peuventoffrir une protection efficace.

Le matériau de la gaine du câble d’alimentationdoit pouvoir supporter le contact avec les huiles etautres polluants présent dans les effluents. Lesautre parties souples, telles que les joints tori-ques, sont généralement en nitrile ou en néoprè-ne, qui ont une bonne tenue aux hydrocarbures etaux produits chimiques.

Il existe aussi des pompes submersibles entière-ment en acier inoxydable, pour un usage enmilieu très corrosif, tels que les effluents prove-nant de process industriels. Les pompes en acierinoxydable coûtent 3 à 4 fois plus cher que lespompes classiques. Pour ces applications à risque,le constructeur ne peut pas garantir pour chaquecas la tenue à la corrosion, mais pourra aider leclient à trouver la solution la plus adaptée à sonproblème.

36

2 Construction des pompes

Plage de débits et pressions (Q/H) des pompes FRUNDFOS installées en colonne.

Fig. 48

Pompes

axiales

uniquement

Page 38: Sewage Handbook Gfd

2.5.2 Résistance à l’usureLa quantité de sable contenue dans les effluentsest de l’ordre de 0,002 à 0,003 % (en volume).Cette quantité peut augmenter périodiquement,lors de chutes de pluie ou de neige importantes,dans les stations recueillant à la fois les eauxusées et les eaux de pluie. La fonte est capable derésister pendant des années à l’usure dans la plu-part des applications ; mais il faut recourir à desmatériaux particuliers pour le pompage d’ef-fluents très abrasifs, tel que le pompage de liqui-des provenant de stations de traitement avecpiège à sable.

2.5.3 Liquides abrasifsAvec les liquides abrasifs, les performances de lapompe dépendent essentiellement de la quantitéde particules dans l’effluent. Les particules lesplus communes sont le quartz et la silice, pour les-quelles on pourra appliquer directement ce quisuit.

La quantité de sable contenue dans l’eau peuts’exprimer en volume ou en poids ; la relationentre les deux est la suivante :

pm ≈ 3.pv (15)

Où pm est le poids et où pv est le volume en %. Parexemple, lorsque pv = 5%, cela équivaut àpm = 15%.

La densité augmente rapidement avec la quantitéde sable contenue dans l’eau. La puissance absor-bée par la pompe est en relation directe avec ladensité du liquide pompé. Pour chaque cas ou unequantité importante de sable est contenue dansle liquide pompé, il faut s’assurer que la puissanceabsorbée par la pompe ne dépasse pas celle quepeut fournir le moteur. Pour le pompage d’ef-fluents provenant de cuves de dessablage, prévoirune réserve de 30% de puissance est raisonnable.

La densité d’un mélange de sable et d’eau s’expri-me ainsi :

ρ = 1 + 0,007 pm (16)

où pm s’exprime en %.Ainsi, si pm = 15%, ρ = 1,1 kg/l

Les facteurs suivants peuvent affecter la tenue àl’abrasion de la pompe :• la quantité de sable,• la qualité du sable,• les matériaux de la pompe,• la HMT de la pompe,• le type de roue mo

Le diagramme de la Figure 49 montre la relationentre le taux d’usure de la pompe et la quantitéde sable contenu dans le liquide pompé. Unegrande quantité de sable diminuera de façonimportante la durée de vie de la pompe. La vitessed’abrasion du sable contenu dans l’eau est d’au-tant plus rapide que la HMT est élevée.

Il est possible de réduire l’usure en utilisant d’unepompe dans la conception est approprié auxmatériaux. Les métaux et fontes ayant une dure-té d’au moins 500 HB donnent de bons résultats.Il est difficile de travailler les matériaux très durs,tels que aciers et fontes spéciaux, aussi a-t-onrecours à des formes de roues et de corps depompe qui ne nécessitent pas trop d’usinage.

Il faut considérer au cas par cas l’utilisation depompes submersibles dans un environnementabrasif.

37

Construction des pompes 2

Quantité de sable Pm [%]

HMT de la pompe H0 [m]

Durée de vie de la pompe [h]1

0,110000100010010

0,2

0,5

1

5

10

20

50 20 10 5

Taux d’usure de la pompe en fonction de laquantité de sable et de la HMT. H0 est la HMT àQ=0. La durée de vie est celle escomptée d’uneroue mobile en fonte et dépend essentiellementde la quantité de sable et de la HMT. Ce graphi-que, basé sur l’expérience, peut être utilisé dansla majorité des cas.

Fig. 49

Page 39: Sewage Handbook Gfd

3 Les performances despompes

Les performances d’une pompe sont le résultat del’interaction entre les caractéristiques de l’hy-draulique et celles du réseau. Ce chapitre proposeune introduction à la détermination de la pompeet au calcul de la perte de charge des réseaux.

3.1 La HMT

3.1.1 Pompes submersiblesDans ce qui suit, la notion de HMT (HauteurManométrique Totale) est appliquée aux pompessubmersibles. Pour des raisons pratiques, la pres-sion régnant dans la station de relevage (inférieu-re) est supposée identique à celle dans la cuve deréception (supérieure). Si la pression qui règne ences deux endroits est différente, il faudra bienentendu en tenir compte dans les calculs. En pra-tique il n’est pas utile de se préoccuper de la diffé-rence de pression atmosphérique entre le point depompage et le point de refoulement : cette diffé-rence n’est que de 0,001 bar (ou 0,01 m) entre unepompe et un point de refoulement situé 100 mplus haut.

La figure 50 indique quels sont les éléments quidéfinissent la HMT dans une installation submer-sible. Les unités suivantes sont utilisées :H = HMT (m)Hst = hauteur statique (m)Hd = hauteur dynamique (m)Hgéo = hauteur géométrique (m)HJ = pertes de charge dans la tuyauterie (m)PL = pression atmosphérique dans la station depompagePU = pression atmosphérique dans la cuve deréceptionv2 = vitesse d’écoulement au refoulement (m/s)g = accélération de la pesanteur (9,81 m/s2)

Si un tube de mesure est installé sur le refoule-ment de la pompe, le liquide y montera jusqu’àune hauteur Hst par rapport au niveau d’eau de lastation. Cette hauteur représente la hauteur stati-que. De plus le liquide atteint au refoulement unevitesse v2 que l’on peut convertir en pression ouhauteur dynamique Hd à l’aide de l’équation sui-vante :

L’addition de la hauteur statique et de la hauteurdynamique donne la HMT

H = Hst + Hd (18)

Selon les accords internationaux (standard ISO9906), la HMT est calculée selon l’équation 18 lorsdu tracé des courbes des pompes submersibles.

La HMT sert au transport du liquide dans la tuyau-terie de refoulement. La pression (ou hauteurmanométrique) requise pour pomper un débitdonné à l’intérieur d’une tuyauterie est consti-tuée de la hauteur géométrique et des pertes decharge. On peut donc écrire :

H = Hgéo + HJ (19)

La hauteur géométrique Hgéo correspond à la dif-férence physique à un instant donné entre le nive-au dans la station et celui dans la cuve de récep-tion. Les pertes de charges sont constituées despertes par friction dans la tuyauterie (pertes decharges linéaires), des pertes de charge ponctue-lles dans les différents accessoires (pertes de char-ges singulières) et des pertes au point de refoule-ment.

38

3 Les performances des pompes

géo

Fig. 50

Composantes de la HMT pour une pompe sub-mersible.

Page 40: Sewage Handbook Gfd

Les pertes dues à l’entrée du liquide dans lapompe sont considérées comme inhérentes àcelle-ci dans les installations submersibles. Si unetuyauterie d’aspiration est installée en amont dela pompe, il faut en tenir compte dans le calculdes pertes de charge.

3.1.2 Pompes installées en fosse sècheLors du calcul de la HMT pour une pompe installéeen fosse sèche, les caractéristiques en amont de lapompe sont aussi à prendre en compte. La Figure51 illustre cette situation.

Dans ce cas, il est supposé que la cuve d’aspirationdes effluents ainsi que celle de refoulement sontsoumises à la pression atmosphérique et quecette dernière est constante. Ainsi la HMT de lapompe est la somme de la hauteur géométriqueet des pertes de charges dans les tuyauteries d’as-piration et de refoulement. Ce qui donne :

H = Hgéo + HJt + HJp (20)

où HJt représente les pertes de charge linéaires etHJp les pertes de charge singulières.

3.2 Courbes caractéristiques despompes

Les différentes caractéristiques des pompes cen-trifuges sont habituellement données par diffé-rentes courbes qui furent tracées à partir de testssur la pompe ou bien déterminées par le fabricantpour, par exemple, un diamètre de roue mobilehors standard. En ce qui concerne les pompessubmersibles, les informations suivantes sontimportantes ; elles sont en général données sousforme de courbes par rapport au débit :• H courbe de HMT,• η courbe(s) de rendement,• P courbe de puissance.

La Figure 52 propose une fiche technique surlaquelle sont tracées toutes les courbes importan-tes pour l’utilisateur.

3.2.1 Courbe de HMTLa courbe de HMT donne les caractéristiques de hau-teur manométrique totale fournie par la pompe enfonction du débit Q. Cette courbe peut contenir desinformations additionnelles telles que limites decavitation, de vibrations ou de surcharge du moteur.

39

Les performances des pompes 3

géo

Fig. 51

Composantes des pertes de charge dans latuyauterie d’une pompe installée en fosse sèche.

Fig. 52

Débit volumiqueHMT de la pompePuissance absorbée par le moteurRendement globalPuissance absorbée par l’hydrauliqueRendement de l’hydraulique

Tests et tolérances : ISO 9906 (annexe A) niveau 2

Courbier caractéristique des performances d’unepompe submersible. Les parties en pointillés indiquentles zones où un fonctionnement prolongé de la pompecomporte des risques. Les raisons de ces limitationssont la cavitation, les vibrations ou la surcharge dumoteur.

Page 41: Sewage Handbook Gfd

3.2.2 Courbes de rendementLe rendement de la pompe h est lui aussi fonctiondu débit Q. Il est proposé sous forme de ratio oude pourcentage. Dans le cas des pompes submer-sibles, le rendement total ηgr est donné avec lerendement de la pompe η ; le rendement total ηgrcomprend aussi celui du moteur. Il est importantde bien distinguer ces deux rendements, particu-lièrement lorsque l’on compare des performancesde pompes. Les pertes induisant le rendement dela pompe sont traitées dans le chapitre 1 de cemanuel. On peut écrire :

ηgr = ηmot + η (21)

où ηmot est le rendement du moteur.

Il est aussi possible de voir apparaître le rende-ment directement sur la courbe caractéristique dela pompe, avec des chiffres indiquant les différen-tes valeurs de rendement. Lorsque plusieurs cour-bes de pompe sont tracées sur le même graphe,les rendements apparaissent sous la forme d’undiagramme, ou alors sont définies des plages defonctionnement ayant le même rendement. Lecourbier a alors cet aspect particulier que l’onpeut voir sur la Figure 53.

3.2.3 Courbes de puissanceLa puissance requise par la pompe est égalementfonction du débit Q. Sur la Figure 52, on peut voirun courbier représentant à la fois la puissancehydraulique et la puissance électrique. La puissan-ce électrique est la puissance consommée par lemoteur, elle est mesurée à l’alimentation électri-que de celui-ci. Selon les standards internatio-naux de test de pompes, la puissance hydrauliques’appelle P et la puissance électrique Pgr. On peutcalculer la puissance hydraulique requise à l’aidede l’équation :

Equation (22)

où :P = puissance (w)ρ = densité du liquide (kg/m3)Q = débit volumique (m3/s)g = accélération de la pesanteur (9,81 m/s2)H = HMT (m)η = rendement

3.2.4 Courbe de NPSHPuisque l’on ne fait de calcul de NPSH que pour lesinstallations en fosse sèche, la courbe de NPSHn’apparaît pas toujours sur les courbiers. Cettecourbe peut être fournie par le constructeur lors-que l’on craint l’apparition de la cavitation.

La courbe de NPSH est issue de tests réalisés avecde l’eau claire ; elle est néanmoins utilisable avecles effluents de collectivités et la plupart deseffluents industriels ; lorsqu’ils ne contiennentque peu de solides (moins de 0,05%), ces matièressolides n’ont pas d’effet significatif sur les perfor-mances de la pompe.

40

3 Les performances des pompes

0 20 40 60( 80( 100( 120

28(

(

24(

(

20(

(

16(

(

12(

(

8(

(

4(

(

0

Fig. 53

Courbier des performances d’une pompe avec lescourbes pour des roues de différents diamètres ;le rendement est représenté par des zones dessi-nées directement sur les courbes. Le choix de laroue est facilité en reliant les zones ayant lemême rendement.

Page 42: Sewage Handbook Gfd

3.3 Pertes de charge et courbescaractéristiques du réseau

Nous présentons dans ce qui suit la théorie pourle calcul des pertes de charge. Les calculs prati-ques seront faits à l’aide des instructions détaillé-es et des diagrammes fournis dans l’appendice A,ou à l’aide d’un programme informatique.

Les débits mis en oeuvre lors du pompage d’eauxusées doivent être suffisamment élevés pour per-mettre un écoulement turbulent dans la tuyaute-rie. Les pertes de charge, dans ce cas, augmententavec le carré du débit. La perte de charge totaled’une installation est la somme des pertes decharge linéaires, dans les longueurs droites destuyauteries et des pertes de charges singulières,dans tous les accessoires.

3.3.1 Pertes de charge linéairesLes pertes de charge linéaires dépendent des fac-teurs suivants :• longueur de la tuyauterie,• diamètre interne de la tuyauterie,• débit,• rugosité de la tuyauterie,• viscosité cinématique du liquide.

Une valeur sans dimension, le nombre deReynolds est définie ainsi :

où :Re = nombre de Reynoldsv = vitesse d’écoulement (m/s)D = diamètre interne de la tuyauterie (m)ν = viscosité cinématique (m2/s)

La viscosité cinématique de l’eau dépend de satempérature :

L’équation pour les pertes de charges peuts’écrire :

où :Hjp = pertes de charge linéaires (m)λ = facteur de rugositél = longueur de la tuyauterie (m)v = vitesse d’écoulement (m/s)g = accélération de la pesanteur (9,81 m/s2)D = diamètre intérieur de la tuyauterie (m)

On peut obtenir le facteur λ à partir du diagram-me de la Figure 54 pour résoudre l’équation 24. Lesvaleurs de rugosité (en mm) du tableau ci-dessouspeuvent aussi être utilisées :

L’érosion augmente la rugosité du matériau destuyauteries au fur et à mesure de leur vieillisse-ment. La corrosion et les dépôts de sédimentsdiminuent leur diamètre interne : tous facteursconcourant à augmenter les pertes de charges.

L’effet sur les pertes de charge de la modificationdu diamètre de la tuyauterie peut se calculer àl’aide de la relation :

Ainsi, passer d’un diamètre intérieur de 100 mmà 108 mm diminue les pertes de charge de30%.

En pratique, l’équation 25 est suffisamment préci-se pour comparer les pertes de charge dans desdiamètres de tuyauteries différents ; d’autantplus que des valeurs de rugosité précises sontrarement disponibles.

41

Les performances des pompes 3

t0C

ν 10-6 m2/s

0

1,78

20

1,00

40

0,66

60

0,48

100

0,30

Plastique

Acier étiré

Acier soudé

Acier inox étiré

Acier inox soudé

Fonte

Fonte bitumée

Amiante

Béton

0,01

0,05

0,10

0,05

0,1

0,25

0,12

0,025

0,3...2,0

0,25

1,0

1,0

0,25

0,25

1,0

0,25

Matériau k neuf k ancien

Page 43: Sewage Handbook Gfd

On utilise souvent des programmes informati-ques pour calculer les pertes de charges dans lestuyauteries ; ces programmes sont parfois dispo-nibles chez certains fabricants de pompes. Cesmêmes programmes fournissent également uneaide à la détermination de la pompe la plus adap-tée dans la gamme du constructeur. Il faut consi-dérer cette aide à la détermination comme unesuggestion et ne pas hésiter à contacter le fabri-cant en cas de doute.

La tuyauterie de refoulement est parfois séparéeen deux tuyauteries parallèles. Elles peuvent avoirla même longueur, mais peuvent être de diffé-rents diamètres ou constituées de matériaux dif-férents. La répartition du débit dans ces deuxtuyauteries et les pertes de charges qui en décou-lent peuvent être difficiles à déterminer. Grundfosa développé une méthode pour ce cas, danslaquelle les deux tuyauteries se substituent à une

seule tuyauterie virtuelle. Un diamètre équivalentest utilisé pour calculer les pertes de chargesrésultantes des deux tuyauteries réelles.

Le diamètre équivalent est calculé à l’aide deséquations suivantes :

A – Les deux tuyauteries ont le même diamètre :

De = 1,3 . D (26)

où D est le diamètre des tuyauteries parallèles.

B – Les tuyauteries ont un diamètre différent :

D = (D12,65 + D2

2,65)0,3774 (27)

où D1 et D2 sont les deux différents diamètres destuyauteries parallèles.

42

3 Les performances des pompes

TRANSITION ZONE

SMOOTH PIPE

TURBULENT FLOW

RELATIVE SURFACE ROUGHNESS K/d

REYNOLD'S NUMBER Re=

Fig. 54

Diagramme permettant d’établir la valeur du facteur de rugosité λ. La valeur de λ est obtenue à l’aide dunombre de Reynolds et de la rugosité relative k/D, où D est le diamètre interne de la tuyauterie en mm et kla rugosité équivalente en mm. L’écoulement turbulent dans les applications eaux usées est une certitude.

FAC

TEU

R D

E RU

GO

SITÉ

λ

ZONE DE TRANSITION

TUYAU LISSE

REGIMELAMINAIRE

REGIME TURBULENT

RUGOSITE RELATIVE k/D

NOMBRE DE REYNOLDS

Page 44: Sewage Handbook Gfd

On peut calculer le débit dans les tuyauteries dedifférents diamètres avec les équationssuivantes :

A - Les deux tuyauteries ont le même diamètre :

B - Les deux tuyauteries ont un diamètre différent :

Ces équations sont valables pour un régime tur-bulent, qui est le régime normal pour le pompaged’eau. Il est supposé, dans ces équations, que lesdeux tuyauteries ont la même rugosité.

3.3.2 Pertes de charge singulièresLes changements de diamètre et de forme de latuyauterie, les coudes, les vannes, les raccords,etc. installés sur la tuyauterie induisent des pertesde charge supplémentaires qui constituent desfacteurs de turbulences et d’augmentation de larésistance au passage du liquide. L’équation sui-vante est utilisée pour calculer ces pertes :

oùHJn = perte de charge singulière (m)ζ = facteur de résistancev = vitesse d’écoulement (m/s)g = accélération de la pesanteur (9,81 m/s2)

Les facteurs de résistance des différents accessoi-res et éléments de tuyauteries sont fournis àl’Appendice A. Ces valeurs sont données sousforme non pas de facteur de résistance, maisdirectement sous la forme de perte de chargedépendant de leur longueur et de leur diamètreinterne, à utiliser tel quel dans le calcul de la pertede charge totale.

La perte de charge engendrée par un changementde diamètre de la tuyauterie peut se calculer à l’ai-de de l’équation de Borda :

où :HJn = perte de charge singulière (m)ζ = facteur de résistancev = vitesse d’écoulement (m/s)g = accélération de la pesanteur (9,81 m/s2)

Si la modification de diamètre est faite à l’aided’un cône ayant un angle de 10°, la perte de char-ge diminuera de 40 % par rapport à la valeur cal-culée avec l’équation 32. Ce facteur est particuliè-rement important lorsque l’augmentation de lasection est réalisée juste après la bride de refoule-ment de la pompe, où la vitesse d’écoulementpeut être relativement élevée. Grâce à ce côneayant un angle d’expansion de 10°, de l’énergie estéconomisée. Lorsque la section diminue, il estpossible de réaliser un cône plus court car les per-tes de charge y sont moins importantes.

Les pertes de charge sont en général plus élevéeslorsque la vitesse diminue que lorsqu’elle aug-mente.

Le dernier facteur générant des pertes de chargesingulières est l’écoulement en bout de tuyaute-rie. Si cet écoulement est libre, sans aucun acces-soire, la perte est égale à la pression dynamiqueou v2/2g.

Les coefficients de pertes de charges pour diffé-rents types de vannes et clapets sont fournis parles fabricants. Un guide des valeurs pour les van-nes les plus communément utilisées en relevageest présenté à l’Appendice A.

3.3.3 Courbes caractéristiques du réseauDans les installations d’assainissement, la stationde collecte et le point de refoulement sont soumis àla pression atmosphérique ; la courbe caractéristi-que du réseau n’est donc constituée que de la hau-teur géométrique et de la perte de charge. La figure55 montre l’aspect général d’une courbe de réseaucaractéristique. Tant que l’écoulement est turbulentà la vitesse d’écoulement considérée, il est supposéque la perte de charge varie proportionnellementau carré du débit. Ainsi, si la perte de charge à undébit donné est calculée à l’aide de la méthodedécrite ci-dessus, il est possible de retrouver lesautres points de la courbe de réseau, avec uneapproximation suffisante, à l’aide de l’équation :

43

Les performances des pompes 3

Page 45: Sewage Handbook Gfd

3.4 Diamètre de la tuyauterie

Le diamètre de la tuyauterie est défini selon lescritères suivants :• économie,• diamètre interne requis pour l’application,• vitesse d’écoulement la plus faible requise pour

l’application.

3.4.1 EconomiesDans une installation, les économies sont réalisées àla fois sur les coûts d’installation et les coûts de fonc-tionnement tout au long de sa durée de vie. Unebonne partie des coûts d’installation et de fonction-nement dépend directement de la taille de la tuyau-terie ; il peut être intéressant de modifier le diamè-tre de tuyauterie prévu pour différentes raisons :

Lorsque le diamètre de la tuyauterie diminue,• le prix de la tuyauterie diminue,• les coûts inhérents à la station de relevage aug-

mentent car il faut choisir une pompe ainsi queses équipements de taille plus importante, pourvaincre l’augmentation des pertes de charge ; lescoûts des accessoires électriques peuvent s’ac-croître significativement,

• les coûts de fonctionnement sont plus élevés àcause de l’augmentation d’énergie consomméepar des pertes de charge plus importantes.

Il faut, pour faire le choix du diamètre optimal,trouver le meilleur compromis entre les différentscoûts en relation opposée. La figure 56 montrecette relation. On peut utiliser le diagramme de laFigure 57 pour déterminer le diamètre optimal dela tuyauterie ; ce diagramme, qui donne la vitessedécoulement optimum pour différentes installa-tions, s’appuie sur de nombreuses études.

Lorsque c’est possible, une analyse plus détailléepeut, et doit, être réalisée.

44

3 Les performances des pompes

géo

Fig. 55

Courbe de réseau d’une canalisation. Les pertesde charges sont fonction du débit, elle s’ajoutentà la hauteur géométrique qui, elle, est constante.

Fig. 56

Pertes de charge(pertes par frictionet résistanceslocales)

1- Prix de revient de la canalisation2- Prix de revient de la station de pompage3- Coût de l’énergie4- Coûts totaux

Relation entre les coûts d’une installation depompage et la taille de la canalisation. A partirde la relation opposée de la taille de la tuyaute-rie et de la vitesse d’écoulement, un choix opti-mal peut être fait.

Coûts

Taille de latuyauterie

Vitesse d’écoulement

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Fig. 57

Diagramme permettant d’évaluer la vitesse d’écou-lement économique optimale d’une installation depompage submersible. Cette étude s’appuie sur lahauteur géométrique, la longueur des tuyauteriesle temps de fonctionnement annuel et les coûtsénergétiques d’une installation submersible.

Fonctionnement intermittent< 1000 h/an

FonctionnementContinu

Page 46: Sewage Handbook Gfd

Il faut choisir les composants de la tuyauterieinternes à la station de relevage de façon à mini-miser leur coût, sans augmenter de manièreexcessive la perte de charge dans la station. LaFigure 58 donne les valeurs de pertes de chargedans les parties de tuyauteries internes à une sta-tion de pompage comportant deux pompes fonc-tionnant en alternance, ainsi que les diamètreséconomiques des tuyauteries, sur la base de nom-breuses études.

3.4.2 Passage libre pour les solides Pour le pompage d’effluents non traités en prove-nance d’installations collectives, le diamètre depassage prévu est généralement de 100 mm, pourpermettre l’évacuation de solides sans risque decolmatage. Pour les stations à faible débit, le dia-mètre interne de la tuyauterie peut se réduire à80 mm, d’autant plus que le passage libre de lapompe est aussi de 80 mm.

3.4.3 Eviter les dépôts de solides et debouesSi la vitesse d’écoulement dans la tuyauterie derefoulement est trop faible, le sable et les bouesont le temps de décanter et de se déposer, aug-mentant les risques de colmatage. Les dépôts deboues durcissent et forment une croûte à l’inté-

rieur de la tuyauterie, ce qui diminue son diamè-tre, augmente sa rugosité et donc les pertes decharge. Des blocs de boue se mouvant avec ledébit viennent boucher les coudes ou d’autresaccessoires de la tuyauterie.

Pour le relevage des eaux usées collectives, unevitesse d’écoulement minimum de 0,7 m/s estrecommandée. Pour le relevage domestique, lavitesse d’écoulement peut descendre à 0,5 m/s ;mais si du sable est contenu dans l’effluent, cettevaleur risque d’être trop faible. Dans les installa-tions à débit variable, par exemple lorsque lespompes fonctionnent avec un variateur de vites-se, la vitesse d’écoulement peut temporairementêtre plus basse.

Lorsqu’une installation rencontre fréquemment desproblèmes de colmatage, un dégommage à gran-des eaux, avec toutes les pompes fonctionnantsimultanément, est recommandé périodiquement.Le profil de la tuyauterie à aussi son importance : lasédimentation se produira plus facilement dansune tuyauterie pourvue d’une faible pente comme,par exemple, les tuyauteries installées sous lescours d’eau. Dans ces cas-là, une vitesse d’écoule-ment plus élevée est recommandée.

3.4.4 Le coup de bélierDes ondes de choc (pression/dépression) sontgénérées dans la tuyauterie au moment de la miseen route ou de l’arrêt de la pompe. Ce phénomène,qui s’appelle le coup de bélier, peut provoquer, s’ilest de grande amplitude, des dommages à latuyauterie et aux équipements. La sévérité duphénomène dépend de différents facteurs tels quemodification de la vitesse d’écoulement durant ledélai de réflexion, le matériau de la tuyauterie,ainsi que les caractéristiques du liquide.

Lorsque le liquide accélère ou décélère, une ondetransitoire est engendrée, qui oscille dans un va-et-vient rapide jusqu’à son épuisement. La fré-quence des oscillations (ou délai de réflexion)peut se calculer à l’aide de la formule :

μ = (34)

oùμ = durée du cycle de réflexion, pour un aller-

retour de l’onde de choc (s)L = longueur de la tuyauteriea = vélocité de l’onde de choc (m/s)

45

Les performances des pompes 3

Total

Size recommendation

Fig. 58

Pertes de charge en fonction du débit dans lestuyauteries de chacune des deux pompes sub-mersibles fonctionnant en alternance dans unestation de pompage. Chaque tuyauterie indivi-duelle comporte un pied d’assise avec un coude,vanne et clapet, et un coude supérieur pour leraccordement à la canalisation principale.

Tailles recommandées

+ 2La

Page 47: Sewage Handbook Gfd

Le tableau suivant donne les vitesses pour de l’eaupropre avec différents matériaux :

Les eau usées et boueuses contiennent souventde l’air ou des gaz insolubles, qui ont un effet sig-nificatif sur la vitesse de l’onde de choc, comme ilest montré dans le tableau suivant, où celle-ci estexprimée en fonction de la quantité de gaz nondissous dans le liquide :

Les gaz dissous n’ont pas d’effet sur le délai deréflexion de l’onde de choc.

Les écarts de pression résultant de la modificationde la vitesse d’écoulement pendant un cycle deréflexion peuvent se calculer à l’aide de l’équationsuivante :

Δh = (35)

oùΔh = écart de pression (m)a = vitesse de l’onde de choc (m/s)Δv = écart de vitesse d’écoulement pendant uncycle de réflexion (m/s)g = accélération de la pesanteur (9,81 m/s2)

Du fait qu’il n’est pas facile de déterminer l’écartde vitesse d’écoulement au moment où la pompedémarre ou s’arrête, un calcul exact de l’écart depression n’est pas aisé à calculer. Si, par exemple,

une vanne se ferme pendant la durée du cycle deréflexion, et l’écart de vitesse d’écoulement Δv estégal à la vitesse d’écoulement v, il est alors possi-ble de faire le calcul. Du fait que les oscillations sefont aussi dans le sens de la dépression, la pressionpeut chuter en dessous de la pression de vapeur del’eau, ce qui provoque de la cavitation, qui elle-même engendre du bruit et des vibrations. Cela seproduit plus particulièrement au niveau de lapompe, des vannes et des points hauts de latuyauterie. Cette forte dépression peut aussi pro-voquer un écrasement de la tuyauterie.

Dans le pompage d’assainissement, le coup debélier engendré par le démarrage de la pompe estmoins important que celui provoqué par l’arrêt. Lebut est de calculer l’écart de vitesse produit justeaprès l’arrêt de la pompe et la valeur de l’onde dechoc qui en découle. Les valeurs les plus difficilesà déterminer sont la résistance de la pompe et lapression la plus faible induite dans la pompe aumoment où celle-ci est arrêtée. Ces informationsne sont pas disponibles auprès des fabricants.

Un autre facteur d’incertitude est la quantité d’airou de gaz contenue dans l’eau ou la tuyauterie. Lasolution est de faire une analyse avec différentesconcentrations qui permettra de déterminer l’ef-fet des gaz non dissous.

La Figure 59 montre l’effet du coup de bélierobservé dans une installation à deux pompes.Noter les phénomènes suivants :• La durée du délai de réflexion est de 45 secon-

des. Un calcul théorique pour un fluide ne con-tenant pas d’air donnerait une durée de seule-ment 12 à 20 secondes. La différence entre lathéorie et la pratique indique clairement la pré-sence de gaz non dissous dans l’eau.

• Tout de suite après l’arrêt des pompes, la pres-sion descend en dessous de la pression atmos-phérique. Cette valeur ayant été mesurée auniveau de la bride de refoulement de la pompe,on peut admettre que la pression à l’intérieur dela pompe est encore inférieure. Il est probableque la pression dans la pompe est en dessous dela pression de cavitation (-10 m).

Habituellement, le coup de bélier n’est pas audi-ble tant que le phénomène n’est pas trop impor-tant ; on peut l’observer avec un manomètre. Il n’ya émission de bruit qu’en cas de cavitation ou defermeture brutale d’un clapet.

46

3 Les performances des pompes

+ a . Δvg

Matériau de la tuyauterie Vitesse (m/s)

Acier 900 à 1300

Fonte 1 000 à 1 200

Béton armé 1 000 à 1 200

Composites 300 à 500

Quantité de gazen taux volumétrique

HMT = 15 m

Ratio de vitessede l’onde de choc

0

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

1,0

1,0

0,96

0,73

0,32

0,11

Page 48: Sewage Handbook Gfd

Le coup de bélier n’est pas un problème fréquentdans les installations de relevage. La descriptionthéorique du phénomène n’est pas aisée du faitd’un nombre élevé d’inconnues.

3.4.5 Eviter le coup de bélierSi des coups de bélier se produisent dans une ins-tallation, il est possible de les annihiler en prenantl’une ou plusieurs des mesures suivantes :• éviter l’arrêt simultané de deux ou plusieurs

pompes,• installer des vannes à fermeture lente, de 20 à

30 secondes, à la place des vannes classiques ; lapompe ne devra s’arrêter qu’après la fermeturedes vannes,

• arrêter la pompe lentement à l’aide d’un varia-teur de fréquence,

• il est aussi possible d’utiliser un démarreur /ralentisseur progressif, mais le contrôle completde la séquence d’arrêt n’est pas toujours possible,

• installer des purgeurs automatiques aux pointsoù apparaît une pression négative,

• en cas de cavitation au moment du cycle de l’a-rrêt de la pompe, l’installation d’un by-pass avecun clapet anti-retour reliant la station à latuyauterie de refoulement préviendra les chutesde pression à l’intérieur de la pompe. Il faudraque ce by-pass soit d’une taille inférieur à cellede la bride de refoulement de la pompe.

• utiliser des équipements plus solides, qui sup-porteront le coup de bélier ; les dépressions pro-voquent plus de dégâts sur la tuyauterie et sesaccessoires que les surpressions.

47

Les performances des pompes 3

HMT (m)

La p

omp

e 1

dém

arre

La p

omp

e 2

dém

arre

Poin

t d

e fo

nct

ion

nem

ent

Les

pom

pes

1 e

t 2

s’ar

rête

nt

On

de

de

choc

Temps [s]

Fig. 59

Mesure de l’évolution des pressions générées parun coup de bélier en fonction du temps.

Longueur de la canalisation : 3000 mDiamètre : DN 400 PVCDébit des deux pompes ensemble : 140 l/sVitesse d’écoulement : 1,3 m/sHauteur géométrique : 32,4 mClapets anti-retour : DN 200Manomètre sur la bride de refoulement de la pompe

Page 49: Sewage Handbook Gfd

3.5 Point de fonctionnement de lapompe

3.5.1 Fonctionnement avec une seulepompeOn obtient la HMT par addition de la hauteur géo-métrique (Hgéo) et des pertes de charge (HJ). Lahauteur géométrique est une constante, indépen-dante du débit, alors que les pertes de charge,elles varient comme le carré du débit (voir Figure55). Si l’on dessine la courbe caractéristique d’unepompe sur le même diagramme que celui de lacourbe de réseau, on trouvera le point de fonc-tionnement à l’intersection de ces deux courbes.La HMT est ici exactement celle requise par l’ins-tallation ; on peut alors lire le débit à ce pointdirectement sur le diagramme, comme sur laFigure 60.

3.5.2 Fonctionnement en parallèle, pom-pes identiquesLors d’un fonctionnement en parallèle, deux pom-pes ou plus refoulent ensemble dans la mêmetuyauterie. La courbe de réseau est légèrementmodifiée selon le nombre de pompes en marche ;en effet, chaque pompe est équipée de sa propretuyauterie de refoulement, qui modifie donc lescaractéristiques de l’ensemble.

Si l’on suppose deux pompes identiques fonction-nant en parallèle et refoulant dans la canalisationprincipale par l’intermédiaire de tuyauteries sépa-rées, on obtient les courbes caractéristiques de laFigure 61. La courbe des deux pompes en fonc-tionnement est obtenue en additionnant lesdébits à chaque valeur de pression.

3.5.3 Fonctionnement en parallèle, pom-pes différentesLorsque l’on calcule le point de fonctionnementavec deux pompes différentes oeuvrant en para-llèle, il faut tenir compte des caractéristiques dif-férentes des tuyauteries de refoulement de cha-que pompe vers la canalisation principale. Onpeut, pour cela, utiliser la méthode suivante.

Il faut tout d’abord définir les pertes de chargespour chaque pompe dans leur tuyauterie derefoulement séparée ; ce qui permet de tracer denouvelles courbes de pompes tenant compte deces pertes. L’addition des débits pour une pressiondonnée par ces deux courbes modifiées donne lacourbe résultante pour les deux pompes en fonc-tionnement. Le point d’intersection de cette nou-velle courbe avec la courbe de réseau de l’installa-tion indique le point de fonctionnement.

48

3 Les performances des pompes

Fig. 60

Point de fonctionnement de la pompe (D) obtenu àl’intersection de la courbe de la pompe et de la cour-be de réseau de l’installation. La HMT est la sommede la hauteur géométrique (Hgéo) et des pertes decharge (HJ).

Fig. 61

Points de fonctionnement de deux pompes opérantseules (B) ou en parallèle (D). Du fait que la résistan-ce de la tuyauterie augmente lorsque les deux pom-pes fonctionnent ensemble, le débit obtenu (QD) esttoujours inférieur au débit d’une seule pompe. Poursimplifier, on pourra supposer que le débit d’uneseule pompe correspond au point de fonctionne-ment C.

Courbe Q/H de la pompe

Courbe de réseau

Courbe H de pompe

Courbe de réseau avec deux pompes en fonctionnement

Courbe de réseauavec une pompe en fonctionnement

Courbe H avec deux pompes

Hgéo

Page 50: Sewage Handbook Gfd

Si, à partir de ce point, l’on revient en arrière ensuivant une pression constante, on peut trouver,aux points d’intersections respectifs avec les cour-bes corrigées, les débits respectifs de chacune despompes. De la même manière, en suivant la cour-be de réseau, on peut retrouver le point de fonc-tionnement de chaque pompe individuelle, auxpoints d’intersection avec leurs courbes caracté-ristiques. Cette méthode est illustrée sur la Figure62.

3.5.4 Fonctionnement en sérieIl est possible de raccorder plusieurs pompes ensérie, dans le but d’augmenter la pression. La HMTainsi créée est la somme des HMT de chaquepompe à un débit donné. La complexité de cemontage fait qu’il n’est que rarement utilisé ; ilest de loin préférable de trouver, dans la gammedu fabricant, une pompe de taille plus importantequi peut couvrir les besoins à elle toute seule.

Il n’est possible de raccorder en série une pompesubmersible qu’avec une pompe installée en fossesèche. On a alors affaire à deux pompes différen-tes.

Un autre problème inhérent aux pompes en sérieest le risque de faire caviter la deuxième pompeen cas de panne de la première, à cause de l’aug-

mentation des pertes de charges dues à la résis-tance de celle-là. Le concepteur doit réaliser sonétude de manière à éviter les pompes en série, ens’assurant qu’il existe bien des pompes capablesd’atteindre le point requis.

3.5.5 Point de fonctionnement réelLe point de fonctionnement réel est toujours dif-férent de celui calculé. La raison en est l’impréci-sion des méthodes de calcul des pertes de chargesainsi que la tolérance permise sur les courbes deperformance des pompes. D’autre part, ces carac-téristiques vont évoluer dans le temps à cause del’usure, de la corrosion et de la sédimentation, quimodifient la tuyauterie et les pompes avec l’âge.La Figure 63 montre comment un débit peut évo-luer à l’intérieur de ces tolérances. Les tolérancessur les caractéristiques des pompes sont exposéesen détail à la section 4 de ce manuel.

Si le point de fonctionnement se trouve dans lapartie des faibles débits de la courbe Q/H et que lacourbe de réseau est très résistante, la plage detolérance est importante, en proportion du pointde fonctionnement souhaité. Il faut en tenircompte au moment du choix de la pompe.

49

Les performances des pompes 3

géo

Fig. 62

Points de fonctionnement de deux pompes différen-tes refoulant dans une même canalisation. Les pertesde charge des équipements individuels viennent enréduction de la HMT de chaque pompe. La courbecombinée des deux pompes est obtenue en addition-nant les deux courbes réduites, ce qui permet d’obte-nir le point de fonctionnement D. Les points de fonc-tionnement individuels sont A et B. Si les pompestournent seules, les points de fonctionnement serontrespectivement C et E.

Courbes des pompes

Courbe combinée sans les pertes de charge des tuyauteries individuelles

Fig. 63

Zone de tolérance autour du point de fonctionne-ment. Le point de fonctionnement réel pour une ins-tallation donnée se situe dans une zone circonscritepar la plage de tolérance de la pompe et celle de lacourbe de réseau. Cela peut faire varier la puissanceabsorbée de façon conséquente.

Pertes de chargede la canalisationexterne

Pertes dans les tuyauteries individuelles

Tolérance du pointde fonctionnement

Pointde fonctionnementcalculé Courbe de réseau calculée

Plage d’incertitudepour la courbe de réseau

Courbe Q/H de pompe publiée

Plage de tolérance de la courbe C/H

Plage de tolérance du débit

Page 51: Sewage Handbook Gfd

3.6 le pompage de bouesDes boues de consistances variées sont fréquem-ment pompées par les pompes submersibles ins-tallées dans les stations d’épuration. Les pertes decharges augmentent et les performances de lapompe diminuent avec l’accroissement de laquantité de solide dans les boues. Il faut tenircompte de ces deux facteurs lors du choix de lapompe. Le principe en est illustré sur la Figure 64.

La situation se complique du fait que le comporte-ment des boues dans les pompes centrifuges estmal connu. Les boues peuvent contenir une gran-de quantité de gaz, dissous ou non, et cela peutavoir un effet non négligeable sur le comporte-ment de la pompe submersible. En règle générale,on considère que des boues contenant beaucoupde corps solides contiennent également beaucoupde gaz, ce qui diminue significativement les per-formances de la pompe. Dans des cas extrêmes, lapompe peut se désamorcer lorsque les gaz accu-mulés dans la roue mobile empêchent cette der-nière de développer la force centrifuge nécessaire.

A titre de précaution, pour le pompage de bouesdenses, il faut installer la pompe aussi basse quepossible en dessous du niveau de l’effluent, defaçon à assurer une bonne pression positive à l’as-piration. Il faut éviter également les longues tuyau-teries d’aspiration dans lesquels la chute de pres-sion est aggravée par la présence de corps solides.

On peut considérer, lorsque la quantité de corpssolides ne dépasse pas 1%, que les caractéristiques

restent sensiblement les mêmes qu’avec de l’eau.Les caractéristiques Q/H augmentent avec laquantité de solides, mais il est malaisé de définirles nouvelles caractéristiques à cause du manqued’informations sur les boues. Un autre problèmepratique est que, ponctuellement, la quantité deboue peut augmenter considérablement par rap-port à la normale. Avec les boues épaisses, lerefroidissement du moteur peut devenir problé-matique, selon la méthode utilisée.

En général, une pompe d’assainissement standardpeut pomper, sans modification, des boues en pro-venance de systèmes de traitement ayant unequantité de solides maximum de 3%. Ces bouescomprennent les boues primaires, les boues deretour et les boues excédentaires, tandis que pourles boues plus denses, telles que les boues épais-ses et boues digérées, des pompes volumétriquessont préférables. Les volumes à pomper pour cesliquides épais sont relativement faibles.

Les pompes à hélice ne sont pas recommandéespour ce type de pompage, à cause des risques decolmatage. Pour le pompage des boues de retour,une pompe de type canal installée dans unecolonne est une bonne solution.

3.7 Installations de refoulementcomplexesLes longues tuyauteries de refoulement ont sou-vent un profil compliqué, avec des coudes à petitet à grand rayon. Les coudes à petit rayon peu-vent piéger de l’air ou du gaz, ce qui augmenterala HMT, alors que les coudes à grand rayon aug-mentent les risques de sédimentation. Il est descas où la pompe s’avère inadaptée et d’autres oùla sédimentation se produit. Il est difficile de pré-voir les performances de l’installation à cause dufonctionnement intermittent des pompes.L’effluent dans la tuyauterie de refoulement peutne se mouvoir que de cent mètre durant un cyclede pompage, ce qui ne permettra pas à l’air et augaz présents dans la tuyauterie d’être évacués etau débit de se stabiliser durant cette période.

3.7.1 Que se passe-t-il dans les installa-tions complexes ?Sur la Figure 65, la section YK-VP contient de l’air.Lorsque la pompe démarre, le niveau du liquide àVP monte doucement, la pression de l’air aug-mente dans la section YK-VP et le liquide se meten mouvement entre le point VP et le point PK

50

3 Les performances des pompes

H Courbes de pompe

Courbes de réseau

H

Q3% Q2% Q1% Q0% Q

3%2%

2%

3%

1%

1%

0%

0%

Fig. 64

Effets de la quantité de solides contenue dans lesboues sur la courbe de la pompe et la courbe de rése-au. Ce graphique explique simplement le principe et nedoit pas être utilisé pour des évaluations numériques.

Page 52: Sewage Handbook Gfd

(V2). Lorsque la pompe s’arrête, le débit entre VPet PK persiste un certain temps puis s’arrête pro-gressivement.

A cause de la persistance du débit entre VP et PKaprès l’arrêt de la pompe, la vitesse d’écoulementmaximum V2 est inférieure à V1. La faible vitessed’écoulement V2 et l’augmentation de la sectionaprès le point AK accroissent les risques de sédi-mentation. L’air ou le gaz dans la section YK-VPpréviennent la formation d’un effet de siphon, cequi augmente la hauteur géométrique.

Il est difficile d’estimer où se trouve précisément lepoint VP. Si la quantité d’air est constante, il est pos-sible de calculer l’emplacement du point VP en fonc-tion du temps. Mais en pratique la quantité d’airvarie et il n’est donc pas possible d’effectuer ce cal-cul. Si YK se situe en dessous de PK, il est théorique-ment possible d’enlever l’air à l’aide d’un purgeurautomatique. Mais si YK se situe au-dessus de PK,l’air remontera dans la tuyauterie après l’arrêt dela pompe. Les purgeurs automatiques ayant ten-dance à se boucher avec les effluents d’assainisse-ment la solution peut se trouver dans l’installationd’un purgeur manuel que l’on ouvrira à intervallesréguliers, en fonction des informations que l’on aurarecueilli dans le temps sur l’accumulation d’air et degaz.

3.7.2 Détermination de la HMTAvec des installations de refoulement ayant unprofil similaire à celui de la Figure 66, la HMT estdifficile à estimer précisément. On peut tout demême apprécier l’ordre de grandeur. La HMT mini-mum (Hmin) est déterminée lorsque la tuyauterieest pleine d’eau et la HMT sera au maximum(Hmax) dans la situation où toutes les sectionsdescendantes sont pleines d’air ou de gaz. Ainsi :

Hmin = Hgéo + pertes de charge totales dans latuyauterie de refoulement

Hmax = h1 + h2 + h3 + hn + pertes de charge tota-les dans la tuyauterie de refoulement

La HMT réelle se situera forcément entre ces deuxextrêmes ; la moyenne entre Hmin et Hmax estune bonne estimation.

3.7.3 Diamètre de la canalisation et vites-se d’écoulementComme nous l’avons remarqué ci-dessus, la présen-ce d’air ou de gaz dans la canalisation a une influen-ce sur la vitesse d’écoulement, qui diminue dans lesparties basses de la tuyauterie. C’est pour cette rai-son qu’il faut choisir des tuyauteries de diamètresuffisamment petit pour assurer une vitesse d’é-coulement raisonnable. Malgré tout, la taille mini-mum ne doit pas descendre en dessous du DN 100.

Une tuyauterie plus petite dispose aussi un volu-me plus faible, et donc le liquide se déplace surune distance plus importante à chaque cycle depompage, augmentant la vitesse d’écoulementdans les sections basses. D’autre part, une taillede tuyauterie inférieure permet au liquide deséjourner moins longtemps dans la canalisation.Une vitesse d’écoulement plus élevée participeaussi à une meilleure évacuation de l’air contenudans le liquide pompé. Pour toutes ces raisons, lavitesse d’écoulement (v1) doit être d’au moins 0,8m/s et, dans les cas difficiles, encore plus élevée.

3.7.4 Le choix de la pompeAvec les installations complexes, la HMT réellepeut différer considérablement de celle calculée.Si le point de fonctionnement calculé se situe versla droite, au bout de la courbe Q/H de la pompe, ilest risqué de choisir ce modèle. Il est préférable desélectionner une pompe dont la courbe Q/H passeau-dessus du point calculé, ce qui offre une margede sécurité et permet d’augmenter la vitesse d’é-coulement.

3.7.5 Confirmation des mesuresSachant que le point de fonctionnement peut s’é-loigner considérablement de celui calculé dans lesinstallations complexes, il peut être utile demesurer le débit pendant quelques semainesaprès la mise en service de l’installation, en utili-sant une méthode de mesure volumétrique. La

51

Les performances des pompes 3

Fig. 65

Conditions régnant dans la canalisation.

Hgéoh1

h2 h3 hn

Fig. 66

Détermination de la HMT.

Page 53: Sewage Handbook Gfd

comparaison de ces mesures avec les valeurs cal-culées met en valeur les écarts et permet de con-naître les conditions réelles du débit dans la cana-lisation. Les mesures peuvent être reconduitesplusieurs fois au cours de la première année defonctionnement, car la quantité d’air ou de gazdans la canalisation peut évoluer.Des mesures de contrôle sont nécessaires après lamise en service. Toutes les canalisations installéessur des terrains irréguliers nécessitent un suiviattentif, des conditions d’installation particulièreset des solutions techniques appropriées.

3.8 Evaluation du point de fonc-tionnement des stations fonction-nant en parallèleLe débit total de deux stations de pompage ouplus refoulant en différents points dans unemême canalisation principale peut se déterminerà l’aide d’une méthode graphique. Méthode quiest décrite ci-dessous.

La Figure 67 représente graphiquement une situa-tion où deux stations de pompage refoulent enparallèle dans la même canalisation. Lorsque lesdeux stations sont en service, le point de fonc-tionnement des pompes est assujetti à la pressionrégnant au point de jonction 3, où les débits desdeux stations se retrouvent ensemble dans lacanalisation. Les HMT de chaque station sedécomposent comme on peut le voir sur la Figure68. Elles comprennent les valeurs suivantes :

HJ 3-4 = pertes de charge dans la canalisationcommune entre les points 3 et 4Hgéo 1 = hauteur géométrique pour la station depompage 1Hgéo 2 = hauteur géométrique pour la station depompage 2HJ 1-3 = perte de charge dans la tuyauterie indivi-duelle entre les points 1 et 3HJ 2-3 = perte de charge dans la tuyauterie indivi-duelle entre les points 2 et 3

La perte de charge dans la section commune HJ 3-4 est la même pour chaque station de pompage.

Le débit résultant du refoulement de deux sta-tions est déterminé graphiquement en suivant lesétapes de la figure 69 :1. La hauteur géométrique Hgéo et les pertes de

charge de chaque portion de tuyauterie sépa-rée HJ sont soustraites de la courbe de fonc-

tionnement de chaque station. La courbe estissue du fonctionnement d’une ou de deuxpompes ensemble, suivant le cas. La perte decharge HJ est calculée en conséquence,

2. La courbe de réseau HJ 3-4 de la canalisationcommune est tracée,

3. Les courbes réduites 1 et 2 obtenues à l’étape 1sont tracées sur le même diagramme, ainsique la courbe résultante 1+2.

52

3 Les performances des pompes

Tuyauteries séparées

Tuyauterie commune Refoulement

Hgéo 1

Hgéo 2

1

2

3

4

Fig. 67

Stations de pompage fonctionnant en parallèle.Définitions et HMT.

Station 1 Station 2

HJ3-4

Hgéo1

Hgéo 2

HJ1-3

HJ2-3

H2

H1

HFig. 68

Composantes de HMT.

Page 54: Sewage Handbook Gfd

4. Le point d’intersection A entre la courbe com-binée 1+2 des deux stations et la courbe deréseau HJ 3-4 donne le débit conjoint Q1+2 aupoint de refoulement.

5. Une ligne horizontale est tracée, passant par lepoint A, interceptant les courbes individuelles1 et 2 respectivement aux points C et B. Lesdébits correspondant à ces points, Q1 et Q2,sont les débits respectifs de chaque station.

6. Si l’on reporte les débits Q1 et Q2 sur les cour-bes individuelles, on peut retrouver le point defonctionnement de chaque pompe aux pointsd’intersection T1 et T2

Le point de fonctionnement, lorsque chaque sta-

tion fonctionne seule, est obtenu aux intersec-tions C’ et B’ des courbes individuelles avec lacourbe de réseau tracée à l’étape 3.

La méthode peut s’étendre aux installations com-portant plus de deux stations sur une mêmecanalisation. Déterminer les différents points defonctionnement peut alors se révéler ardu. Lesgrosses installations de relevage d’eaux uséescomprenant plusieurs stations et des parties gra-vitaires, se séparent en plusieurs sections distinc-tes qui peuvent alors être déterminées précisé-ment. Il est donc rare d’avoir à faire des calculs decombinaisons complexes.

53

Les performances des pompes 3

H courbe de pompes H courbe de pompes

Station 1 Station 2

Hgéo 1

HJ 1-3H1 T1

Q1 Q

H

Hgéo 2

HJ 2-3

H2 T2

Q1Q

H

1

2

1

1

2

2

H

B C A

B'

C'HJ 3-4

QJ1+2 QQ'1Q1Q2 Q'2

H-courbe de pompeau Point 3

H-courbe de pompeau Point 3

Fig. 69

Etablissement des points de fonctionnement pour des stations de pompage refoulant dans une canalisation commune.

Page 55: Sewage Handbook Gfd

4 Test des pompesLes caractéristiques des pompes sont déterminé-es ou confirmées par des tests. Ceux-ci peuventêtre effectués pour de nombreuses et différentesraisons et en divers endroits. Dans le but d’obtenirdes résultats sans ambiguïté, des standards detests on été développés et agréés. Les standardsrequièrent un matériel contrôlé et calibré et nesont donc généralement pas applicables directe-ment sur site.

Un fabricant de pompe teste sa production à lafois pour des raisons de conformité et des raisonsde qualité. Des tests peuvent être requis pour con-firmer que les performances de la pompe corres-pondent bien à celles annoncées ou pour résoudreun conflit.

Des tests réalisés sur place ne donnent pas uneidée exacte des performances de la pompe, car laprécision avec laquelle ils sont effectués necorrespond pas à celle imposée par les standards.Ces tests donnent malgré tout de précieusesinformations sur les pompes et la station de pom-page et peuvent être utilisés pour la conduite dela station, à condition qu’ils soient réactualiséspériodiquement.

Les standards de tests ont adopté et agréé parconvention l’usage d’un manomètre pour l’éva-luation des performances de la pompe. La présen-tation ci-dessous propose des méthodes pour leurinterprétation. Dans un but de clarté, elles ont étérésumées et seuls les textes officiels seront utili-sés comme référence.

4.1 Conditions de tests

4.1.1 Tests à la productionUn contrôle efficace pendant les tests des pompessubmersibles nécessite un banc de test construitet calibré selon les normes requises par les stan-dards. Le banc de test doit aussi permettre le rac-cordement aisé et rapide des pompes à tester, defaçon à ne pas ralentir la chaîne de fabrication. Lafigure 70 montre le principe d’un banc de testpour pompes submersibles. Le banc comporte lesinstruments nécessaires à la mesure du débit etde la pression. Il peut aussi être équipé d’instru-ments d’enregistrement ainsi que d’un ordinateurqui contrôlera le processus de test et fournira uneprésentation des données mesurées. Un appareilmesurant à la fois la pression statique et dynami-que est utilisé.

54

4 Test des pompes

ManomètreDébit mètre Vanne de contrôle

Q [l/s]

H [m]Z1.2

P2

2D2

D2

M

Fig. 70

Principe d’un banc de test de production de pompes submersibles dans lequel l’eau est en recirculation. Toute l’installa-tion a été conçue pour fournir des conditions de fonctionnement idéales et connues au manomètre et au débitmètrepermettant des lectures sans ambiguïté. Les données obtenues sont entrées dans un ordinateur pour accélérer leur trai-tement et la production.

Page 56: Sewage Handbook Gfd

La HMT a été définie par l’équation 18 et peut s’é-crire :

Equation (35)

= pression mesurée au manomètre

Z1-2 = hauteur du manomètre au-dessus duliquide

= pression dynamique au point de mesure

HJ = pertes de charge entre le point de mesure etla bride de la pompe (calculée).

Selon le standard, le point de mesure de pressionse situera à 2 x D2 de la bride de refoulement de lapompe. Cette partie étant constituée d’une lon-gueur droite de tuyauterie.

4.1.2 Champ d’application des tests, pointde fonctionnementIl est intéressant de tester les pompes directe-ment sur l’installation lorsqu’il n’est pas requisune précision importante ou lorsque les informa-tions serviront à la conduite de celle-ci.

On peut estimer le débit à l’aide de la méthodevolumétrique, où la différence de niveau, dansune station dont les dimensions sont connues, estmesurée pendant un temps donné. Si le débitentrant ne peut pas être neutralisé pendant ladurée de la mesure, il faudra le déterminer lors-que la pompe est à l’arrêt. On pourra ensuite faci-lement calculer le débit de la pompe.

La pression statique est mesurée à l’aide d’unmanomètre installé près du refoulement de lapompe. La HMT de la pompe sera ensuite calculéeà l’aide de l’équation 35 (HJ = 0). La procédure detest est décrite à la Figure 72.

Si une courbe précise de pompe est disponible, onpourra déterminer le point de fonctionnementsans l’aide du débit. La somme de la pression sta-

tique et de la hauteur du manomètre Z1-2 estreportée sur l’axe des pressions du diagramme.

55

Test des pompes 4

H

D

QQD

Z1,2

v22

2 g

p2 g

v22

2 g

Fig. 71

Utilisation d’un courbier de pompe pour estimer unpoint de fonctionnement. Les pressions statiques etdynamiques en fonction du débit sont reportées sur lecourbier. Le point de fonctionnement D est obtenu gra-phiquement.

Manomètre

Tube

Z1,2

D2

Fig. 72

Banc de test pour une pompe submersible. Le manomè-tre est raccordé à la bride de refoulement de la pompe àl’aide d’un tube souple. La hauteur entre le manomètreet le niveau de l’eau dans le banc Z1,2 durant les mesuresest enregistrée. Le diamètre de refoulement de la pompeD2 est utilisé pour le calcul de la pression dynamique sile débit est connu. Il faut enlever l’air contenu dans letuyau après le démarrage de la pompe.

Page 57: Sewage Handbook Gfd

On trace ensuite la courbe de réseau avec ce pointpour origine. Le point de fonctionnement de lapompe se situera à l’intersection de la courbe deréseau avec la courbe de pompe, comme on peutle voir sur la Figure 71.

Ces mesures sur site ne rempliront pas les condi-tions requises par les standards. Aussi les résul-tats ne pourront être utilisés comme des testsofficiels.

Il est possible, à l’aide d’un manomètre raccordé àla canalisation de refoulement, de retrouverapproximativement le point de fonctionnementde la pompe. La hauteur du manomètre au-des-sus du niveau de liquide dans la station, la pertede charge entre la pompe et le point de mesureainsi que la pression dynamique v2/2g) devrontêtre ajoutés à la valeur mesurée. Dans le cas desinstallations en fosse sèche, il faut estimer laperte de charge dans la tuyauterie d’aspiration ;cette valeur est en général très faible.

4.2 Tests normalisésLes tests normalisés sont des protocoles qui per-mettent de valider la concordance les caractéristi-ques des pompes avec celles de la documentation.Les tests normalisés sont soit réalisés par le fabri-cant au cours du processus de fabrication, soiteffectués en présence du client ou de son repré-sentant.

Il est possible d’exécuter les tests normalisés dedeux façons :• La pompe est testée au point de fonctionne-

ment souhaité par l’acquéreur,• La pompe est testée sur plusieurs points cou-

vrant la courbe publiée par le fabricant. Cela sepratique pour les pompes fabriquées en sérieet la tolérance acceptée est plus large qu’avecles pompes réalisées à la demande.

Dans le cas des pompes fabriquées en série, leconstructeur peut décider que le test se porterasoit sur une multitude de points de la courbe, soitsur trois points sélectionnés. Ces trois points sontchoisis, deux sur les extrémités de la courbe et unau milieu.

Le but des standards de test est de proposer uneconduite précise des tests et une plage de tolé-rances dans laquelle il sera possible de l’agréer. Lestandard ne précise pas le comportement à avoir

lorsque la pompe est en dehors des tolérances etles conséquences qui en découlent. Les partiesdevront s’entendre sur la conduite à tenir aumoment de l’achat ou plus tard.

4.2.1 Standards de testsLe but des standards de tests est de définir endétail comment les tests seront réalisés et com-ment les résultats pourront être comparés auxvaleurs garanties. Voici le contenu habituel desstandards :• termes, définitions et symboles,• organisation des tests,• disposition du test,• incertitudes de mesures,• contrôle de la garantie.

Test standard ISO 9906 (Niveaux 1 et 2)Pompes de puissance supérieure à 10 kW :• Point de fonctionnement Q/H• Rendement η ou ηgr

Pompes de puissance inférieure à 10 kW :• Point de fonctionnement Q/H• Rendement η• Puissance absorbée par le moteur Pgr (dans la

plage de fonctionnement)

Pompes produites en série dont la déterminationse fait à l’aide de courbiers de performances(Annexe A) :• Point de fonctionnement Q/H• Rendement η• Puissance absorbée par l’hydraulique P• Puissance absorbée par le moteur Pgr

Test standard ISO 2548 (Classe C)• Point de fonctionnement Q/H• Rendement η ou ηgrPompes produites en série dont la déterminationse fait à l’aide de courbiers de performances(Annexe B) :• Point de fonctionnement Q/H• Puissance absorbée par le moteur Pgr

Test standard ISO 3555 (Classe B)• Point de fonctionnement Q/H• Rendement η ou ηgr

Ces standards donnent des valeurs pour les tolé-rances des variables mesurées.

56

4 Test des pompes

Page 58: Sewage Handbook Gfd

Si des valeurs garanties sont souhaitées dans lesspécifications, les variables suivantes, selon lesstandards de test, peuvent être utilisées :• Point de fonctionnement Q/H,• Rendement η ou ηgr.

Le point de fonctionnement souhaité et le stan-dard de test à utiliser sont également spécifiés.

Les standards ne demandent pas de tester leNPSHr de la pompe, sauf spécification particuliè-re. Les tests de NPSH sont difficiles, demandentdu temps et ne donnent pas de garantie absoluequand aux risques de cavitation, comme on a pule voir au chapitre 1.4.3. L’intérêt d’un test deNPSH est donc discutable. Le standard ISO 9906propose des tolérances pour les valeurs de NPSHr,alors que les standards ISO 2548 et ISO 3555 n’enproposent aucune.

Test standard ISO 9906 (Niveaux 1 et 2)Le nouveau standard de tests ISO 9906 a étépublié en 2000 et est appelé à remplacer lesanciens standards ISO 2548 et ISO 3555.

Le niveau 1 demande beaucoup de précision, alorsque le niveau 2 autorise des tolérances plus lar-ges. Du fait que les pompes submersibles fonc-tionnent habituellement par intermittence, c’estle niveau 2 qui leur convient. Le niveau 1 est desti-née au test de pompes de process mises au pointavec précision et fonctionnant de façon continue.Pour le contrôle de la valeur garantie, on utiliseune méthode de recoupement dont le principe estdécrit à la Figure 73.

L’essai monde illustré à la Figure 73 se déroule dela manière suivante :

Une croix de tolérance avec une branche horizon-tale +tQ.QG et une branche verticale +tH.HG esttracée sur le point garanti QG, HG.La garantie sur le débit et la HMT est valable si lacourbe Q/H mesurée recoupe ou, pour le moins,touche la branche horizontale ou la branche verti-cale.

On peut retrouver le rendement équivalent entraçant une ligne droite passant par l’origine desaxes Q,H et par le point Q/H spécifié, puis en des-cendant verticalement, en partant du point oùcette ligne recoupe la courbe Q/H mesurée, jus-qu’à recouper la courbe de rendement.

On considère que le rendement entre dans la tolé-rance de garantie si sa valeur à ce point est supé-rieure ou au moins égale à ηG (1-tη).

Standards de tests ISO 2548 (Classe C) etISO 3555 (Classe B)Le standard ISO 2548 (Classe C) s’apparente engénéral au standard ISO 9906 niveau 2 et l’ISO3555 (Classe B) à l’ISO 9906 niveau 1. Le standardISO 2548 convient pour les pompes d’assainisse-ment.

Avec ces standards, c’est une méthode graphiqueelliptique qui est utilisée pour la vérification dupoint de garantie. Le principe en est illustré à laFigure 74. La vérification du rendement s’effectuede façon identique à celle du standard ISO 9906.

L’essai illustré à la Figure 74 se déroule de lamanière suivante :

Une zone de tolérance elliptique ayant pour demiaxe QGXQ et HGXH est tracée avec comme centrele point de fonctionnement garanti QG, HG.

La garantie sur le débit et la pression est valable sila courbe Q/H mesurée recoupe ou, pour le moins,touche l’ellipse.

On pourra retrouver le rendement équivalent entraçant une ligne droite passant par l’origine desaxes Q,H et par le point Q/H spécifié, puis en des-cendant verticalement, en partant du point où

57

Test des pompes 4

Courbe mesurée

QG Q

H

HG

G

+ tQ QG- tQ QG

+ t H

XG

. .

.

- tH XG.

Gt

Fig. 73

Vérification des débit, HMT et rendement garantis,selon le standard ISO 9906.

Page 59: Sewage Handbook Gfd

cette ligne recoupe la courbe Q/H mesurée, jus-qu’à recouper la courbe de rendement.

On considère que le rendement entre dans la tolé-rance de garantie si sa valeur à ce point est supé-rieure ou au moins égale à ηG (1-tη).

Grundfos a développé une méthode d’applicationde la zone de tolérance elliptique du standard ISO2548, la rendant plus aisée à utiliser avec des cal-culs numériques. Cette méthode utilise l’inclinai-son de la tangente de la courbe Q/H au point con-trôlé, ce qui rend possible la détermination numé-rique de la valeur de Hmin et Hmax au débitgaranti pour être dans la tolérance.

Autres standards de testsDe nombreux pays ont leur propres standards,équivalents aux standards ISO. Aux USA, un stan-dard de tests national, conçu par l’HydraulicInstitute est généralement utilisé. Ce standarddiffère des standards ISO au niveau de la méthodede détermination de la tolérance.

Déviations réelles autorisées La déviation maximum possible depuis le pointgaranti se compose de l’imprécision inhérente à latechnologie des mesures et de la plage de tolé-rance. Les standards de test spécifient la précisionrequise des instruments de mesure et donne desvaleurs pour la plage de tolérance.

La déviation maximum réelle possible sur le débitsouhaité dépend aussi de la forme de la courbe de

réseau de l’installation et de l’emplacement dupoint de fonctionnement sur la courbe Q/H. Selonles standards ISO 9906 niveau 2 et ISO 2548, ladéviation par rapport au point optimal peut allerde +3 à 10%, en fonction de la forme de la courbede pompe. Selon les standards ISO 9906 niveau 1et ISO 3555, la déviation correspondante peut allerde +2 à 6%. Si le point de fonctionnement se situedans la plage des petits débits de la pompe et quela courbe est plate, la déviation peut être plusimportante.

Ci-dessous les tolérances sur le rendement del’hydraulique selon des standards de test ISO :• ISO 9906 niveau 2 -5%• ISO 2548 -5%• ISO 9906 niveau 1 -3%• ISO 3555 -2,8%

Ce sont des valeurs proportionnelles et non despoints de pourcentage.

Dans le domaine de l’assainissement, les toléran-ces des standards ISO 9906 niveau 2 et ISO 2548sont tout à fait acceptables. Elles sont égalementcompatibles avec les variations normales de laproduction en usine. Des tolérances plus contraig-nantes engendreraient des coûts de productionplus élevés et augmenterait les délais de livraison.Les courbes publiées sont également basées surces standards, tel que précisé sur les courbiers.

Parfois, le client stipule que la partie négative dela tolérance n’est pas admise. Des problèmes etdes malentendus risquent d’en découler, créantdes difficultés à la fois pour le fabricant et pourson client. Les standards ISO ne proposent pas destolérances asymétriques, et les courbes publiéespar les constructeurs sont bien basées sur destolérances symétriques. Si le client pense qu’undébit inférieur à celui indiqué dans les courbespubliées est inacceptable, une solution plus con-venable que celle d’imposer une tolérance nonnégative, est d’augmenter le débit souhaité de 3 à10% et de déterminer la pompe à partir cettevaleur.

Souhaiter une tolérance non négative sur le ren-dement n’a pas plus de sens, car cela obligerait lesfabricants à revoir à la baisse les valeurs publiées.Trop basses, ces valeurs ne seraient plus représen-tatives des performances de la majorité des pom-pes, ce qui amènerait malentendus et confusion.

58

4 Test des pompes

Point garanti QG, HG

Courbe mesurée

HG XH

QG XQ

QG Q

Q

HG

H

H

Fig. 74

Vérification des débit et HMT garantis selon les stan-dards ISO 2548 et 3555.

Page 60: Sewage Handbook Gfd

5 Les stations de pompageL’environnement des pompes submersibles, quel-les que soient leur taille, est la station de pompa-ge. La forme et les matériaux de la station depompage auront une grande influence sur les per-formances des pompes ; sa conception doit fairel’objet d’une grande prudence et de beaucoupd’attention. Ce qui suit propose une approchepour la conception de la station de pompage,offrant des suggestions et des conseils utiles auconcepteur et à l’utilisateur. Certains aspects del’interaction entre le fonctionnement des pompeset les canalisations de la station de pompage ysont également abordés.

5.1 Les bases de la conception de lastation de pompage

Une forme hydrodynamique efficace est un fac-teur décisif dans le fonctionnement des stationsde pompage. Une forme mal étudiée conduit àdes disfonctionnements des pompes, un pompa-ge non économique et de fréquentes interven-tions de dépannage et de nettoyage.

Les stations modernes sont conçues pour pomperdes effluents non dégrillés, les critères de concep-tions sont donc différents de ceux utilisés avec del’eau claire. Il sera traité, dans ce chapitre, du pro-fil et des spécifications particulières des stationsde pompage d’eaux usées et d’eaux de pluie.

5.1.1 Volume de marnage et surface au solA chaque application son volume de marnage ouvolume utile : trop grand, il favorise l’accumula-tion de boues et de dépôts dans la station, et troppetit il engendre une fréquence de marche/arrêtstrop élevée des pompes. L’utilisation de pompessubmersibles modernes, capables de supporter defréquents démarrages, permet de diminuer la tai-lle de la station et augmente son efficacité.

Le volume utile est compris entre le niveau dedémarrage et celui d’arrêt de la pompe ; on peutle déterminer à l’aide de normogrammes en fonc-tion du nombre de démarrages permis. Uneméthode pour le calcul du volume utile est décri-te à l’Appendice B de ce manuel.

En fait, le volume entrant dans la station de pom-page varie de façon importante dans le temps, ce

qui entraîne un nombre de démarrages moinsimportant qu’en théorie.

Lorsque la station est bien conçue, les niveaux dedémarrage et d’arrêt sont relativement prochesl’un de l’autre pour les raisons suivantes :• Les démarrages doivent être assez fréquents

pour prévenir les dépôts de boues et d’impure-tés,

• Il est possible que le débit entrant soit faible.

A titre indicatif, la hauteur de marnage devra êtrede moins de 1 m dans les petites stations et de 2 mdans les stations de taille importante.

Il est possible de remplacer le volume utile par lasurface utile à l’aide de l’équation suivante :

AW = (36)

oùAW = surface utile en m2

Q = débit total de la station en l/s

Pour les petites stations, cependant, le diamètrede la cuve et par conséquent la surface utile peutêtre imposée en fonction du type de pompes.

59

Les stations de pompage 5

Q20

B = 1,5 DC = 0,8 D

Dimensions recommandées pour l’installation depompes submersibles.

Fig. 75

Page 61: Sewage Handbook Gfd

La surface utile est alors plus importante que cellecalculée avec l’équation 36. La figure 75 indiquequelles sont les cotes d’installation recommandées.Lorsque transitent dans les stations des débitsimportants, il faut examiner avec attention lesens d’arrivée du liquide par rapport aux pompes.Si le débit arrive par l’arrière, le pied d’assise de lapompe provoquera des remous qui gênent le bonfonctionnement de la pompe, diminuant ses per-formances et son rendement et augmentant lesrisques de cavitation et de vibrations.

5.1.2 Canalisation d’arrivée dans la sta-tion de pompageLa position et la taille de la canalisation d’arrivéedans la station vont jouer un rôle important dansle fonctionnement de la station. Les problèmesrencontrés lors du fonctionnement des pompessont fréquemment causés par une canalisationd’arrivée mal conçue.

Une canalisation située trop haut par rapport à lasurface du liquide ou avec une vitesse d’arrivéedes effluents trop élevée risque de provoquer laformation de bulles d’air et de remous en écla-boussant dans la station. L’air contenu dans leseffluents à tendance à y rester car les bulles d’airadhèrent aux particules présentes dans le liquide.Une chambre de repos séparée ne résoudra doncpas le problème.

Il faut par conséquent diminuer la hauteur d’arri-vée des effluents de manière à ce qu’elle nedépasse pas 1 m lorsque le niveau dans la stationest à son minimum ; et cela sans tenir compte dufait que la station soit ou non équipée d’unechambre de repos. L’installation de chicanes nerésoud pas non plus le problème posé par unehauteur d’arrivée trop élevée.

L’air contenu dans l’eau a tendance à s’accumulerdans la roue mobile de la pompe, où la force cen-trifuge le retient autour des aubes. Cela provoqueune augmentation de la puissance absorbée etune diminution des performances et du rende-ment. Si la quantité d’air dans la pompe est tropimportante, cette dernière finit par se désamor-cer.

Ce problème se produit fréquemment lorsque l’onpompe directement à partir du bassin d’aérationd’une station d’épuration, à cause de la grandequantité d’air contenue dans l’eau. Si une pompeest installée dans un bassin d’aération, il faudra la

placer aussi bas que possible, avec une tuyauteried’aspiration près du fond.

Il faut que la tuyauterie d’arrivée se situe aussiloin que possible de l’aspiration des pompes. LaFigure 76 montre ce qui est à éviter.

La vitesse d’arrivée des effluents ne doit pasdépasser 1,2 m/s pour ne pas provoquer desremous dans la station.

5.1.3 Profil du fond du poste de relevageLe profil du fond du poste de relevage joue un rôleimportant dans le bon fonctionnement de celle-ci. Un profil bien étudié prévient les dépôts desédiments, et permet aussi d’éviter la formationde mousse et l’accumulation de débris flottant àla surface. Les quelques principes suivants perme-tent d’obtenir un bon profil :

Tous les pans doivent être inclinés à 45°, dans lespetits postes, l’inclinaison peut aller jusqu’à 60°.L’angle peut être moins prononcé si la surface estbalayée par un courant.

60

5 Les stations de pompage

Ces emplacements d’arrivée sont à éviter. Une hau-teur de chute trop importante entraîne de l’air direc-tement dans l’entrée de la pompe, où le long desparois, avec pour conséquence des problèmes defonctionnement pour la pompe.

Fig. 76

Page 62: Sewage Handbook Gfd

Il faut que la surface du fond de cuve soit la pluspetite possible et que le volume de marnage soitaussi faible que possible.

La diminution de la surface du fond de cuve et duvolume utile augmente la vitesse du courantd’eau dans la station, ce qui facilite l’évacuationdes boues et des dépôts. Une surface plus faiblepermet aussi de diminuer les débris en surface.

5.1.4 Niveau d’arrêtLes niveaux de marche et d’arrêt sont spécifiés auparagraphe du dimensionnement de la station. Ilfaut toujours les contrôler à la mise en route, etéventuellement les modifier pour optimiser lefonctionnement de la station.

Il faut que le niveau d’arrêt soit aussi bas que pos-sible, de façon à obtenir une vitesse d’écoulementau refoulement la plus élevée qui soit à la fin ducycle de fonctionnement. La hauteur limite duniveau d’arrêt est imposée par la hauteur d’im-mersion minimum du moteur permettant d’assu-rer correctement son refroidissement, ou par leniveau à partir duquel de l’air risque d’être aspirépar la pompe. Ce dernier niveau n’est pas forcé-ment connu, mais on peut le déterminer à l’aided’essais au moment de la mise en service de lastation.

Dans les stations équipées de deux pompes fonc-tionnant alternativement, il est possible de situerle niveau d’arrêt en dessous des moteurs, mêmes’ils sont refroidis principalement par submer-sion, voir Figure 77. Les pompes sont identiques,elles ont été définies pour fournir individuelle-ment le débit requis et le risque de voir le niveaurester au plus bas est très faible. Les pompes sub-mersibles sont également équipées de systèmesde protection contre la surchauffe qui les arrêteen cas de mauvaises conditions de refroidisse-ment.

Lorsque la station comprend plusieurs pompessubmersibles fonctionnant dans des conditionsvariées, il faut faire en sorte que le niveau d’arrêtpermette une submersion suffisante des moteurspour assurer un bon refroidissement. Dans ce typed’installation, les pompes équipées de chemisesde refroidissement ou de tout autre système derefroidissement indépendant sont préférables.

Le niveau d’arrêt dans les stations en fosse sèchedépend de la position de la tuyauterie d’aspira-tion, de sa forme et de la vitesse d’écoulement.200 mm au-dessus de la tuyauterie d’aspirationest une bonne hauteur, à utiliser en pratique. Laforme de la tuyauterie d’aspiration est importan-te et les règles à observer sont exposées auxFigures 78 et 79. Pour cette forme de tuyauterie, ilest possible de calculer le niveau d’arrêt par rap-port au fond à l’aide de l’équation suivante :

(37)oùhs = hauteur du niveau d’arrêt (m)Q = débit de la pompe (l/s)

61

Les stations de pompage 5

hs1 = E+a

hs1

hs2

K

E

hs2 = E+k/2a = 100-300mm

Niveau d’arrêt recommandé selon le cas. hs1 = niveau d’arrêtpour deux pompes submersibles fonctionnant en alternanceou pour des pompes possédant un système de refroidisse-ment indépendant de la submersion. hs2 = niveau d’arrêtrecommandé pour des installation comportant plusieurspompes avec des moteurs refroidis par submersion. Les ulti-mes réglages de niveau d’arrêt seront effectués durant lesessais lors de la mise en service.

Fig. 77

Coude

Dp

D2

D1L R

F

hs

0,2 m

G

45réduit

Dimensions recommandées pour l’installation de pompesverticales en fosse sèche. F = 0,5 . D1, v1max = 2,0 m/s, G = Dp,L ≥ D1 + 100 mm, R≈L

Fig. 78

hs = 0,04 √Q + 0,2

Page 63: Sewage Handbook Gfd

Dans les stations de pompage comportant diffé-rents niveaux n’arrêt, ainsi qu’avec les installationspilotées par un variateur de fréquence, il est impor-tant de programmer un pompage jusqu’au niveaud’arrêt le plus bas au moins une fois par jour pourpermettre le nettoyage du sol de la station.

5.1.5 Niveau de marcheSi la surface utile AW de la station est déterminéeà l’aide de l’équation 36, le niveau de marche de lapremière pompe, dans la configuration avec deuxpompes fonctionnant alternativement, peut sesituer 1 m au-dessus du niveau d’arrêt. Lorsque ledébit entrant est faible, le niveau de marche deêtre inférieur à cette valeur. Le niveau de marche dela deuxième pompe se situe 0,2 à 0,3 m au-dessus.

Dans le cas des stations de pompage comportantplus de deux pompes, les niveaux de marche sontdéfinis au cas par cas. Si toutes les pompes ont unniveau d’arrêt commun, il est possible de prévoirle premier niveau de marche 1 m au-dessus decelui-ci, puis les autres niveaux de marche à inter-valles réguliers de 0,3 m. Si les niveaux d’arrêtssont étagés, les niveaux de marche peuvent l’êtreaussi à des intervalles équivalents.

Dans le cas de pompes installées en fosse sèche, leniveau de marche se situe toujours au-dessus duniveau du corps de pompe de façon à ce qu’il soiten charge au moment du démarrage. Avec lespompes verticales, cette hauteur peut être impor-tante et l’on pourra la définir avec une margecomme le propose la Figure 78.

Il n’y a pas de remarque particulière concernant leniveau de marche des pompes installées à l’horizon-tale, si la tuyauterie d’aspiration a été conçue pourprévenir la formation de poches d’air. Voir la Figure 79.

5.1.6 Taille et conception de la tuyauteried’aspirationLa conception et la taille de la tuyauterie d’aspira-tion ne sont pas à négliger car une canalisationmal conçue risque de causer des vibrations, dediminuer le rendement de la pompe et de provo-quer de la cavitation.

Il faut déterminer le diamètre de la tuyauterie d’as-piration pour que la vitesse d’écoulement ne dépas-se pas 2,0 m/s avec les pompes verticales et 2,5 m/savec les pompes horizontales. Lorsque des pompesneuves de plus grosse taille sont mises en placedans une station ancienne, Il est possible de dépas

ser ces valeurs. Il faut alors considérer la situationau cas par cas. Une marge de sécurité importantepour le NPSH limite les risques de cavitation.

Les Figures 78 et 79 illustres les conceptionsrecommandées des tuyauteries d’aspiration.L’aspiration vers le bas favorise le nettoyage dufond de la station et diminue les risques d’entréed’air à partir de la surface.

Sur les pompes verticales, la tuyauterie est tournéede 90° pour permettre le raccordement à la brided’aspiration. Le coude sur l’aspiration de la pompeest crucial pour son bon fonctionnement, car il peutprovoquer des irrégularités dans le débit. Un coudetrop brusque cause de la cavitation, une chute durendement de la pompe et des vibrations. Si le dia-mètre d’aspiration de la pompe est inférieur à celuide la tuyauterie d’aspiration, il faut utiliser un couderéduit pour le raccordement, de façon à limiter lesproblèmes. La Figure 78 donne des recommanda-tions quand aux dimensions de ce coude.

Il faut que la réduction de la tuyauterie de raccor-dement sur l’aspiration d’une pompe horizontalesoit excentrée avec une génératrice supérieurehorizontale, de façon à éviter la formation depoches d’air pouvant désamorcer la pompe.

Si le débit traversant la tuyauterie d’aspiration esttrop élevé, la chute de pression qui en découlepeut conduire à la cavitation. Il faut se préoccuperde la marge de NPSH avec les installations dont leprofil de la tuyauterie d’aspiration semble dou-teux. Les notions de cavitation et de NPSH ainsique les marges conseillées sont expliqués endétail au Chapitre 1 du présent ouvrage.

62

5 Les stations de pompage

Réduction

D2

D1

F

hs

0,2 m

45

excentrée

Dimensions recommandées pour l’installation depompes horizontales en fosse sèche. F = 0,5 . D1,V1 max. = 2,5m/s.

Fig. 79

Page 64: Sewage Handbook Gfd

5.1.7 Conception de la canalisation desstations de pompageIl faut déterminer les canalisations des stations depompage de façon à générer une vitesse d’écoule-ment de 2 à 3 m/s. Lorsque l’effluent contient dusable, il faut absolument que la vitesse d’écoule-ment soit d’au moins 2 m/s. Cette vitesse, dited’auto curage, permet son évacuation. Lorsquel’installation fonctionne avec un variateur de fré-quence, cela peut poser problème dans les bassesfréquences. La Figure 58 du Chapitre 3 donne lestailles recommandées ainsi que leurs pertes decharge. Les canalisations doivent avoir un diamè-tre d’au moins 100 mm dans les stations impor-tantes et 80 mm dans les petites, à condition quele passage libre de la pompe soit lui aussi de 80mm.

L’utilisation de manchettes flexibles n’est pasrecommandée, car la plupart des vibrations sontinduites par la pression générée par le flux duliquide et ne pourront donc pas être suppriméespar la pose de manchettes souples. Lorsque l’oninstalle des manchettes flexibles, la tuyauterie estsectionnée et cette portion est soumise à uneforce de séparation dont l’amplitude est la pres-sion de la pompe multipliée par la surface de latuyauterie. La pression près de la pompe est pul-sative à une fréquence déterminée par la vitessede rotation et le nombre de canaux de la rouemobile, ce qui entraîne la vibration de la tuyaute-rie. Cette vibration est plus prononcée lorsque desmanchettes souples sont installées. Ces manchet-tes sont également susceptibles de se détériorer.

Le diamètre de la canalisation augmente souventaprès la pompe. De façon à économiser de l’éner-gie, la pièce de transition doit avoir une formeconique avec un angle a maximum de 10°. Voir àce sujet la Figure 79.

Pour les pompes verticales installées en fossesèche ainsi que pour la pompe vortex submersi-bles, il faut installer le clapet anti-retour aussi loinque possible de la pompe de façon à limiter les ris-ques d’air dans la pompe au moment du démarra-ge.

Dans le cas des pompes de grosse taille installéesà l’horizontale et équipées de roulements séparéssupportant les forces axiales et radiales, il ne fautpas disposer le clapet tout près du refoulement dela pompe. Des chocs provoqués par la fermeture

brutale du clapet peuvent secouer durement lapompe et finir par endommager le roulementradial.

Lorsque l’installation comporte de multiples pom-pes, il faut que les tuyauteries de refoulementsoient raccordées à la canalisation principaled’une manière telle qu’il n’y aura pas de risqued’accumulation de solides lorsque les pompes nefonctionnent pas, ce qui pourrait provoquer leblocage des vannes et des clapets. Les bonnesfaçons de procéder sont présentées sur la Figure80.

5.1.8 Dispositifs de chasse automatiqueLes dispositifs de nettoyage des stations de pom-page sont composés d’une vanne by-pass contrô-lée à distance et raccordée sur le refoulement dela pompe. Lorsque la vanne est ouverte, le débitqui retourne dans la station engendre des remousqui provoquent la dispersion des boues et desdépôts. Les matières en suspension peuventensuite être pompées après fermeture de lavanne.

63

Les stations de pompage 5

Différents types de raccordements. Ils doivent êtreconçus de façon à ce que la transition soit progressiveet à empêcher que la boue présente dans la canalisa-tion ne se dépose dans les vannes en sortie de pompeau moment de l’arrêt de celles-ci.

Fig. 80

Page 65: Sewage Handbook Gfd

Il faut utiliser une vanne de nettoyage du typenormalement fermée (par exemple une vannepneumatique à ressort) de façon à ce qu’en cas deproblème la pompe puisse continuer à fonction-ner normalement.

Lorsque la station a été correctement conçue etréalisée, un dispositif de nettoyage est générale-ment superflu. On trop des dispositifs de chassesous pression d’eau seulement dans les anciennesstations, lorsque le volume utile est important,ainsi que dans des cas particuliers, lorsque l’ef-fluent contient beaucoup de corps étranger, parexemple des graisses. Les dispositifs de nettoyagepeuvent être également modernisés sans modifi-cation des structures de la station. Ces dispositifsde nettoyages sont des produits spécifiques etdes informations détaillées les concernant sontdisponibles auprès des fabricants de pompes.

5.1.9 Problèmes d’odeurs dans les sta-tions de pompageUne station de relevage d’eaux usées peut engen-drer des problèmes d’odeurs dans son environne-ment immédiat. De multiples facteurs peuvent enêtre la cause : localisation de la station, qualitédes effluents, situation en amont de la station,volume utile et conception de la station. Si la sta-tion de relevage est alimentée par une autre sta-tion située en amont, les temps de transfert et deséjour sont parfois tels que les effluents devien-nent sceptiques par action anaérobique. Ceseffluents sceptiques produisent de l’hydrogènesulfuré (H2S) qui, en plus d’être toxique, a uneodeur caractéristique d’œuf pourri.

Il est pratiquement impossible de prévoir l’appari-tion des odeurs. En cas de problème sérieux, onpeut tenter d’apporter des corrections à l’aide desmesures suivantes :• Diminuer le volume de pompage utile, de

façon à réduire le temps de rétention dans lastation et la formation des boues,

• Installer un coude immergé à l’aspiration pourattirer le flux entrant en dessous de la surfaceet diminuer ainsi le contact avec l’air,

• Installer des filtres sur les ventilateurs d’air dela station,

• Traiter l’effluent contre les odeurs en amont dela station.

5.1.10 Exemples de conceptions de sta-tionsLa conception de la cuve dépend de la taille de lastation et des débits mis en œuvre. Les Figure 81 à84 proposent des conceptions de cuves pour diffé-rents cas et tailles de stations. On peut concevoirune station équipée de pompes submersiblespour des débits importants comme le montre laFigure 83. Si les pompes le requièrent, le niveaud’arrêt peut se situer à la hauteur hs2. La vitessed’écoulement du débit entrant vD dans la parties’élargissant de la station doit être suffisammentélevée pour éviter les dépôts de boues. Une bonnevitesse pour vD est comprise entre 0,1 et 0,3 m/slorsque le liquide est au niveau d’arrêt. La dimen-sion D peut se calculer à l’aide de la relation :

D = (38)

oùQ = débit de pompage de la station (l/s)

64

5 Les stations de pompage

Type de station de relevage pour deux pompes submersibles etdes débits relativement faibles (de 4 à 50 l/s). La forme idéale deces stations est le cylindre qui diminue les surfaces en contactavec le liquide et supprime les angles où les dépôts pourraients’accumuler. Un diamètre d’au moins 1,5 à 2 m facilite la mainte-nance.

Fig. 81

Q

1000 . VD. C

Page 66: Sewage Handbook Gfd

vD = vitesse d’écoulement dans la partie diver-gente (de 0,1 à 0,3 m/s)

D, C = dimensions de la station (m)

65

Les stations de pompage 5

Type de station de relevage pour deux pompes submersibles et des débits modérés (de 50 à 2000 l/s). La formeallongée a beaucoup d’importance, elle permet de placer des tuyauteries d’arrivée assez loin des pompes etempêche la formation de dépôts sur le sol.

Fig. 82

Page 67: Sewage Handbook Gfd

66

5 Les stations de pompage

arrêtvmax = 1,2 m/s

Type de station de relevage pour plusieurs pompes et débits élevés. Si le refroidissement des pompes dépend de la sub-mersion des moteurs, il faut choisi un niveau d’arrêt hs2 adapté.

Fig. 83

Page 68: Sewage Handbook Gfd

5.1.11 Position des pompes installées enfosse sèchePour les installations en fosse sèche, la plupartdes fabricants proposent des pompes pouvant sepositionner horizontalement ou verticalement.L’installation d’une pompe à l’horizontale est engénéral plus intéressante pour plusieurs raisons :• tuyauterie simplifiée, moins de coudes,• arrivée uniforme du débit dans la roue mobile,• position plus basse de la pompe.

Pour les pompes de grosse taille, la marge desécurité qu’impose le NPSH peut facilement êtredépassée avec les pompes installées verticale-ment du fait de leur position, alors qu’avec unepompe horizontale le problème ne se poseraitpas. Il faut considérer tous les points de fonction-nement lors du calcul de NPSH pour des installa-tions comportant plusieurs pompes qui fonction-nent simultanément.

Les grosses pompes installées horizontalementsont posées sur des rails de guidage qui facilitentle démontage du moteur. Voir la Figure 17 duChapitre 2.

67

Les stations de pompage 5

vmax = 1,2 m/sarrêt

Type de station de relevage pour plusieurs pompes installées en fosse sèche. Vitesse d’écoulement dans la tuyauteried’aspiration V0 = 0,3 à 0,4 m/s lorsque le liquide est au niveau d’arrêt. On peut mettre les mêmes distances entre lespompes qu’avec les pompes submersibles, où la dimension B dépend de la hauteur de chute du flux d’arrivée, et peutassurer un éventuel débit au niveau des tuyauteries d’aspiration.

Fig. 84

Page 69: Sewage Handbook Gfd

5.2 Stations de pompage préfabri-quées

5.2.1 Stations de pompage d’extérieurLes stations de pompage préfabriquées sontentièrement montées en usine pour installationsur le site. Les matériaux utilisés sont le polyesterrenforcé à la fibre de verre (GRP) ou, pour les sta-tions plus petites, le polyéthylène (PE) ; ces sta-tions sont complètement équipées, avec lestuyauteries internes et tous les accessoires enplace. Il ne reste plus ensuite qu’à les mettre enplace dans le trou, les fixer sur un socle, raccorderles tuyauteries entrantes et sortantes, raccorderl’armoire de contrôle à l’alimentation électrique etfaire les connexions éventuelles de télémétrie.

Le poste peut flotter dans la nappe lorsqu’il estvide, par conséquent il faut le lester avec un soclede béton, qui peut aussi être préfabriqué puis lefixer au poste à l’aide de boulons. La masse de cesocle peut se calculer à l’aide de l’équation :

MB = 2000 VG (39)

oùMB = masse du socle (kg)VG = volume de la station en dessous de lanappe phréatique (m

3

)

La station doit être ventilée pour prévenir la for-mation de gaz toxiques ou explosifs. Dans lespays froids où il y a risque de gel, il faut isoler lapartie supérieure de la station.

Les stations préfabriquées sont livrées avec uncouvercle d’accès en aluminium ou en acier galva-nisé qui épouse la structure. Les tuyauteries inter-nes, les coudes et les raccordements sont en acierinoxydable. Les vannes et clapets peuvent être enfonte et prévus pour fonctionner à l’horizontalecomme à la verticale. Les Figure 86 à 88 montrentdifférents types de stations préfabriquées.

68

5 Les stations de pompage

Profil des tuyauteries de stations avec pompes enfosse sèche. Il est possible d’installer les pompesverticalement (A) ou horizontalement (B). Cespompes, dérivées des submersibles, sont capablesde supporter sans dommage une inondation de lafosse sèche. Une pompe de relevage séparée, ser-vant au relevage des eaux d’infiltration, est dispo-sée dans la fosse sèche. On pourra installer l’armoi-re de contrôle dans le local sec, au-dessus du nive-au inondable.

Fig. 85

Page 70: Sewage Handbook Gfd

69

Les stations de pompage 5

Station de relevage préfabriquée comportant unplancher technique dans un local au-dessus de lastation. Le plancher technique de la station sou-tient le bâtiment.

Fig. 86

Station de relevage préfabriquée classique. La sta-tion est complète, avec une plateforme techniquepour le contrôle et la maintenance des vannes etclapets.

Fig. 87

Page 71: Sewage Handbook Gfd

5.2.2 Stations de pompage d’intérieurIl est possible d’installer les stations de pompagede très petite taille à l’intérieur, par exemple dansle sous-sol d’un bâtiment, près de l’origine deseffluents. Les pompes sont placées à l’intérieurdes cuves ou les moteurs des pompes peuventêtre externes. La Figure 89 montre une installa-tion classique.

5.3 Stations de pompage avec pom-pes installées en tube

Les stations de pompage équipées de pompes encolonnes sont généralement prévues pour desdébits importants, et les pompes axiales utiliséesici sont sensibles aux conditions d’aspiration. LaFigure 90 indique les distances recommandéesentre les pompes et entre les pompes et les murs.Il est primordial que le débit entrant dans lapompe n’engendre pas une vitesse d’écoulementsupérieure à 0,5 m/s.

70

5 Les stations de pompage

Station préfabriquée avec pompes en fosse sèche. Laforme cylindrique de la station allie solidité et facilitéd’entretien. Les pompes en fosse sèche ne craignentpas les inondations et sont faciles à entretenir et ànettoyer. La plateforme intermédiaire permet l’accès àl’armoire de contrôle installée au-dessus du niveauinondable.

Fig. 88

Station de relevage pour petits débits. La pompe estintégrée à la structure de la cuve et peut être facile-ment démontée. Il existe des stations étanches auxodeurs pour une installation à l’intérieur des bâti-ments, où placées à proximité de la source deseffluents.

Fig. 89

Fig. 90

Distance entre les pompes et vitesses d’écoulementrecommandées dans les installations en tube.

Pompe installée en tube

diamètre du tube

Largeur de l’aire d’arrivéeNombre de pompesdébit d’une pompe0,3 à 0,5 m3/sprofondeur de l’eau à la section A-A (m) ; S + C

Page 72: Sewage Handbook Gfd

L’immersion de la pompe doit être suffisante pouréviter la formation de vortex. La Figure 91 exposeun diagramme de recommandation de dimen-sionnement selon les propositions du nouveaustandard CEN (projet). L’apparition d’un vortex defond est impossible à prévoir de façon certaine.Les caractéristiques de la pompe et les conditionsde fonctionnement influencent le développementéventuel d’un vortex de fond. La forme de lachambre d’aspiration peut aussi générer la forma

tion d’un vortex de surface. On peut éviter l’appa-rition de ce type de vortex en plaçant une plaqueflottante juste sur lui, lorsque c’est possible.

Les pompes installées en colonne refoulent engénéral à la verticale dans celle-ci. Dans ce cas, laforme de la partie supérieure peut avoir uneinfluence sur la HMT de la pompe et l’énergiemise en œuvre. Une forme correcte est présentéeà la Figure 92.

71

Les stations de pompage 5

10 50 100 500 1000 5000

3

2

1

3

2

1

1

Fig. 91

Profondeur d’immersion recommandée selon le standard CEN (projet).

Fig. 92

Profil de la partie supérieur et détermination de la HMT des pompes installées en colonne.

Plage recommandée

Débit de la pompe (l/s)

déversoir avec bords arrondis

déversoir avec bords droits

v = vitesse d’écoulement (m/s)

Q = débit (m3/s)

b = largeur du déversoir [m]

Page 73: Sewage Handbook Gfd

La colonne s’interrompt juste en dessous dudéversoir, ce qui permet au débit de se régulariseravant qu’il ne traverse ce dernier. Pour ce profild’installation, on pourra calculer la HMT de lapompe avec une bonne précision à l’aide de l’é-quation de la figure 92. Les pertes de charge dansla colonne pourront être négligées.

5.4 Détermination de la taille desstations de pompage

La taille de la station de pompage dépend dudébit entrant estimé parfois de façon empirique.Il n’est pas toujours possible d’appliquer desvaleurs données car ce débit dépend d’un grandnombre de variables. Des chiffres sont disponiblesauprès des concepteurs d’installations ou, defaçon plus théorique, dans la littérature techniqueconcernant ce sujet. Il faut également prendre enconsidération les possibilités d’extensions futureset prévoir une réserve dans la taille de l’installa-tion et celle des pompes. Le débit entrant a égale-ment tendance à varier de façon importante dansle temps, aussi bien à long qu’à court terme.

On commence toujours par estimer le débitentrant à partir de l’analyse de ses constituants.On peut les classifier ainsi :• eaux usées urbaines,• effluents industriels,• eaux pluviales (pluie et neige fondue),• eaux d’infiltrations.

Les eaux d’infiltration sont celles qui se mêlentaux effluents à partir des nappes phréatiquessuite à des fissures dans les canalisations, ainsique les eaux pluviales pénétrant intempestive-ment dans la station par les trous d’homme oud’autres ouvertures, telles que l’excavation du site.

Pour pouvoir dimensionner correctement une ins-tallation, il faut tout d’abord connaître sa destina-tion. Les systèmes de relevage peuvent être classi-fiés ainsi :• relevage d’eaux usées, concernant unique-

ment les effluents urbains et/ou les effluentsindustriels,

• relevage des eaux pluviales, concernant uni-quement ces dernières,

• relevage mixte, combinant les eaux usées etles eaux pluviales dans des proportions varia-bles.

5.4.1 Stations de pompage classiquesL’estimation du débit pour les eaux usées urbai-nes est habituellement basée sur le nombre d’é-quivalents habitants. Ce débit varie selon descycles journaliers et hebdomadaires, dans uneplage de 0,5 à 1,5 fois le débit moyen. Les débitsdes effluents industriels seront estimés au cas parcas, en fonction de leur provenance. La quantitédes eaux d’infiltration dépend de nombreusesvariables, tel que le niveau de la nappe, la pluvio-métrie et le type de sol locaux, ainsi que l’état descanalisations enterrées. On peut les estimer enfonction de la longueur de tuyauterie, ou propor-tionnellement à la quantité d’effluents.

Il faut aussi prendre en compte les risques de débor-dement de la station avec toutes les conséquencesqui en découlent pour l’environnement. Pour cetteraison, les stations de relevage sont équipées dedeux pompes fonctionnant soit alternativement,soit en relève l’une de l’autre, et capable chacune deprendre en charge la totalité du débit. Ainsi, il n’y apas risque de débordement lorsqu’une pompe esten panne ou arrêtée et démontée pour sa mainte-nance. Si le débit de la pompe est calculée avecdeux pompes fonctionnant en parallèle, il faut enprévoir une troisième en stand-by. On peut se per-mettre de n’installer qu’une seule pompe dans lespetites stations domestiques ou pour le petit collec-tif car le débit entrant peut facilement être contrô-lé et sujet à restrictions si besoin.

5.4.2 Stations de pompage d’eaux pluvialesLes débits d’eaux de pluies sont bien plus impor-tants que les autres sources en provenance d’in-tempéries, telles que la neige fondue. Le dimen-sionnement des stations est basé sur une estima-tion du débit entrant le plus élevé. Du fait de larelative innocuité de l’eau de pluie, cette évalua-tion ne tiendra pas forcément compte des précipi-tations les plus sévères possibles. Le type de sol etl’environnement urbain ont aussi un impact surles calculs. Les eaux d’infiltration sont aussi à con-sidérer dans les calculs.

Le contrôle du débit entrant à la station est con-trôlé par des déversoirs qui dévient le débit versune autre direction, un fossé ou un canal.

On ne demande pas à une station de relevaged’eaux pluviales la même fiabilité qu’à une sta-tion relevant les effluents, aussi le débit maxi-mum peut-il être pris en charge par toutes lespompes fonctionnant ensemble en parallèle.

72

5 Les stations de pompage

Page 74: Sewage Handbook Gfd

5.4.3 Relevage mixte d’eaux usées et debassins de rétentionLe débit d’une station collectant les effluents d’unréseau unitaire est la somme des débits deseffluents, des eaux pluviales et des eaux d’infiltra-tion. Il faut que le niveau de fiabilité soit le mêmequ’avec les stations de relevage d’eaux usées ; il estdonc impératif de prévoir au moins une pompe enstand-by. Les proportions d’eaux usées et d’eauxpluviales dans ce type de station risquent de varierfortement, aussi l’utilisation des réseaux unitairesest-elle déconseillée, voire prohibée.Les stations relevant à la fois les eaux usées et leseaux pluviales sont souvent équipées d’un bassinde rétention, qui permet de stocker les effluentsentrants lorsque leur débit dépasse celui de la sta-tion. Lorsque le débit diminue, par exemple aprèsun orage, le bassin est vidé par pompage ou gravi-tairement, et la station peut reprendre un servicenormal. Un bassin de rétention peut aussi servir àréguler les fluctuations de débits entrant dansune station d’épuration. Il est essentiel de pouvoirévacuer les corps solides du bassin de rétention aumoment de la vidange. Cela peut être résolu parune forme de bassin dite “autonettoyante”, oupar agitation et mélange du contenu du bassin.Des éjecteurs particuliers ont été mis au point parles fabricants de pompes, le principe consiste àaspirer de l’air de la surface pour l’injecter dansl’eau de refoulement de la pompe. Le principe enest exposé à la Figure 93.

L’air envoyé par l’éjecteur dans l’eau permet unmélange plus efficace lorsque le niveau est bas. Lapuissance de la pompe peut être estimées à 70 Wpar m2 de surface au sol de bassin. Il faut dirigerl’éjecteur de façon à ce que le flux entraîne lessolides vers les évacuations du bassin.

73

Les stations de pompage 5

Fig. 93

Pompe et éjecteur pour bassin de rétention.

Page 75: Sewage Handbook Gfd

5.5 Détermination de la pompe

5.5.1 Détermination basée sur les courbesde pompesLes pompes des stations de pompages sont déter-minées avant tout à l’aide des méthodes décritesau chapitre 3 de ce manuel. Il est conseillé de choi-sir plusieurs pompes dans la gamme du fabricant,dont la courbe passe au plus près du point defonctionnement souhaité.

On peut inclure à ce choix aussi bien les pompesdont la courbe passe au-dessus du point quecelles dont la courbe passe au-dessous ; cela pourdes raisons économiques, telles que le rendementde l’hydraulique ou le coût de la pompe.

Le caractère intermittent du fonctionnement despompes dans les stations de pompage autoriseune marge importante dans la sélection, laissantlibre le technicien de faire son choix au-delà dupoint de fonctionnement souhaité. Ce point defonctionnement, calculé théoriquement, est tou-jours incertain, car la HMT peut varier à cause del’évolution des niveaux de marche et d’arrêt,modifiés par un système de contrôle programmé,l’usure de la pompe, ainsi que les tolérances surles tuyauteries et courbes de pompes.

Par exemple, une pompe dont la courbe est surdi-mensionnée par rapport au besoin peut néan-moins s’avérer économique, particulièrement si lacourbe de réseau de la tuyauterie est plate, ou siles pertes de charge sont faibles comparées à lahauteur géométrique.

Le concepteur de la station pourra de ce fait sepasser d’une pompe hors standard, conçue spé-cialement pour les caractéristiques requises, maischoisira plutôt dans la gamme standard du fabri-cant. Avec une pompe standard, les pièces derechange sont plus facilement disponibles et sonremplacement, si besoin est, plus facile.

Il faut aussi s’assurer, lors de la détermination dela pompe, qu’en aucun cas le point de fonctionne-ment ne sortira de la plage autorisée de la courbede pompe. Un certain nombre de restrictions sontimposées pour de nombreuses raisons, telles quela cavitation ou la surcharge. Il faut porter sonattention sur les points suivants :• Les points de fonctionnement de chaque

pompe individuellement, dans le cas d’une sta-

tion comportant plusieurs pompes refoulanten parallèle dans la même canalisation. Ce con-trôle portera sur les points de fonctionnementlorsqu’une, deux pompes ou plus tournent,

• Les effets des variations du niveau du liquide surle point de fonctionnement. Ce niveau peut varieraussi bien dans la station elle-même que dans leréservoir de refoulement. Si le point de fonction-nement se déplace vers la zone de cavitation(NPSHr > 10 m), à cause de la hausse du niveaudans la station et donc de la charge à l’aspiration,la pompe peut normalement continuer à fonc-tionner sans risque, car le NPSHA va augmenterparallèlement. Il n’y aura donc pas risque de cavi-tation et seul la puissance absorbée par rapport àla puissance fournie par le moteur devront êtrecontrôlés. Il est recommandé de consulter lefabricant de pompes dans les cas douteux. Il estparticulièrement important de vérifier toutes lescombinaisons de niveaux possibles avec les pom-pes axiales, car elles ont des plages de fonction-nement Q/H permises très étroites, à cause d’im-portantes variations de puissance.

5.5.2 Surveiller le rendement de la pompeLe rendement est un élément important dans lechoix des pompes de grosse taille. Lorsqu’il estgaranti, il permet des calculs de coûts sur la duréede vie de la pompe dans toutes sortes de cas. Voirà ce sujet le Chapitre 7. Il faut se préoccuper detous les points de fonctionnement dans toutes lessituations possibles. Les quatre cas suivants peu-vent être examinés séparément :A. Deux pompes fonctionnant alternativement, ou

plusieurs pompes refoulant dans une tuyauterieséparée. Dans ces cas, la pompe a un seul point defonctionnement (sans tenir compte des varia-tions de niveau du liquide), nous sommes ici dansune situation simple du point de vue du rende-ment. Il ne faut pas choisir une pompe dont lacourbe Q/H passe près du point de fonctionne-ment souhaité, mais dont le rendement est loinde son maximum. Il sera plus avisé de choisir unepompe, dans la même gamme de prix, dont lacourbe passe au-dessus du point souhaité, maisavec un rendement plus intéressant.

B. Plusieurs pompes refoulant dans une tuyauteriecommune. Dans ce cas de figure, les pompesauront plusieurs points de fonctionnement,selon le nombre de pompes en marche.Normalement, le choix se fait à partir du point defonctionnement lorsque toutes les pompes tour-nent. Pour que le rendement reste correct, mêmelorsqu’il y a moins de pompes en fonctionne

74

5 Les stations de pompage

Page 76: Sewage Handbook Gfd

ment simultané, il faut choisir la pompe de façonà ce que le point de rendement puisse se dépla-cer vers la droite de la courbe, voir la Figure 94.

C. Pompes fonctionnant avec un variateur de fré-quence. Pour que le rendement reste correctdans les basses fréquences, tout en ayant undébit Qmin assez petit, il faut prévoir un glis-sement vers la gauche de la courbe du le pointde rendement, voir la Figure 95.

D. Plusieurs pompes refoulant dans la mêmecanalisation et fonctionnant avec un variateurde fréquence. Dans ce cas, il faut porter sonchoix sur une pompe dont le meilleur rende-ment coïncide avec le point de fonctionne-ment souhaité.

Souvent, plusieurs pompes, même d’une marqueidentique, peuvent convenir au point de fonction-nement souhaité. L’une a un prix plus intéressantalors que l’autre a un meilleur rendement. La déci-sion sera prise après une analyse des coûts defonctionnement sur toute la durée de vie des pom-pes. Cette analyse est généralement effectuée parle client ou son bureau d’études, car le fabricantn’a pas toutes les données permettant de la menerà bien. La position de l’acheteur influe sur sa déci-sion : un entrepreneur met l’accent sur les coûtsd’achat et d’installation alors qu’un utilisateurs’intéresse plutôt aux coûts de fonctionnement.

Malheureusement, le fabricant est souvent obligéde choisir et de proposer des pompes sans connaî-

tre tous les détails du projet ; sa déterminationpeut donc ne pas être optimale, voir même inco-rrecte. Il est particulièrement intéressant d’avoir desinformations sur les points suivants :• Y aura-t-il une pompe ou plus refoulant dans

la même canalisation ? Dans ce cas, des infor-mations sur la courbe de réseau de l’installa-tion ou le nombre de pompes et la hauteurgéométrique sont utiles,

• Information sur l’utilisation d’un variateur defréquence,

• Dans le cas des pompes installées en tube, desinformations concernant la nature du liquidessont nécessaires, de façon à décider le l’utilisa-tion ou non d’une pompe axiale.

5.5.3 Le nombre de pompesLe nombre de pompes dans une station de releva-ge d’eaux usées est déterminé de manière à cequ’au moins une pompe soit en stand-by. Dans lesstations de taille importante, il faut définir lenombre de pompes de façon à optimiser leurfonctionnement aussi bien que les coûts d’inves-tissement. Le coût du pompage, ou la puissanceabsorbée en kW, diminue avec l’augmentation dela taille des pompes. D’un autre coté, le coût de lapompe de secours est important dans le cas d’unpetit nombre de pompes de grosse taille. Lescoûts d’installation sont quand à eux relative-ment constants pour une capacité donnée, quelque soit le nombre de pompes mises en œuvre. Dela même façon, les coûts énergétiques restent

75

Les stations de pompage 5

Selection point

max

Plusieurs pompes refoulant sur une canalisation com-mune. Le rendement ηmax risque de se retrouver surla droite du point déterminé.

Fig. 94

Selection point

max

Fonctionnement avec variateur de fréquence. Le ren-dement ηmax risque de se retrouver sur la gauche dupoint déterminé.

Fig. 95

Point déterminé Point déterminé

Page 77: Sewage Handbook Gfd

constants, à condition que les pompes puissenttourner au plus près de leur point de fonctionne-ment optimal.

L’exigence d’une production régulière ou continueest un autre facteur influençant le nombre depompes. Une pompe arrêtée parmi un grandnombre à une faible influence sur le débit total.

Sauf cas particuliers, le nombre optimal de pom-pes dans les stations de petite et moyenne tailleest de deux.

Lorsqu’une station est équipée de plusieurs pom-pes, il est préférable de les choisir identiques.Dans certains cas particuliers, ou le débit entrantfluctue de façon aléatoire et importante, parexemple suite à un gros orage, il est prudentd’installer des pompes de taille plus importantepour pallier ces pics de débit.

L’incidence du nombre de pompes installées surles coûts d’investissement pour un besoin donné,varie d’un fabricant à un autre, car les écarts detaille sont différents selon le constructeur. Il estplus intéressant d’augmenter le nombre de pom-pes avec un fabricant, alors qu’avec un autre, l’o-pération peut se révéler plus onéreuse. Lorsque demultiples pompes sont requises pour le pompagedans une station, et lorsque le choix final du nom-bre n’est pas décidé, il en revient au fabricant d’endonner les limites. Une surenchère sur le nombrede pompes risque de ne pas être très compétitive.

5.6 Considérations particulières

5.6.1 Vibration des pompesBeaucoup de pompes d’assainissement vibrent. Cesvibrations sont causées par un déséquilibre des par-ties mécaniques en rotation et par des pulsationsdu débit générées par les aubes de la roue mobile etpar les forces hydrodynamiques radiales produitespar la masse du fluide en rotation dans les rouesmonocanales. Les roues vortex vibrent beaucoupmoins car elles ne produisent pas de pulsation à lapression. La vibration générée par le déséquilibrerésiduel des pompes ayant un corps en forme devolute est négligeable par rapport aux autres fac-teurs de vibrations. Si le fabricant améliore les pro-cédures d’équilibrage, cela n’a pas d’incidence nota-ble sur le taux de vibrations de la pompe.

Les roues mobiles des pompes d’assainissement(sauf les roues vortex) produisent bien plus devibrations que les roues conçues pour de l’eau clai-re, à cause du petit nombre d’aubes et de la sectionde passage importante. La méthode d’installationdes pompes a également un impact sur le niveau devibrations. Une pompe submersible posée à l’aided’un système de barres de guidage et d’accouple-ment automatique et qui se maintient en place parson propre poids génère plus de vibrations qu’unpompe fixée à la tuyauterie. Une pompe disposéeverticalement en fosse sèche a tendance à vibrerplus qu’une pompe installée horizontalement, àcause des systèmes de support. La tuyauterie d’as-piration peut elle aussi provoquer des vibrations.

Des informations sur le calcul et la prévision desvibrations sur les pompes d’assainissement sontdisponibles dans la publication EuroPump “Guideto Forecasting the Vibrations of CentifugalPumps” (Guide pour la Prévision des Vibrationsdes Pompes Centrifuges), 1992 EuroPump. Lesdonnées présentées dans cet ouvrage sont vala-bles pour des mesures faites sur le roulement leplus près de la roue mobile. Tout niveau de vibra-tion effectué à ce point, supérieur à 10 mm/s(RMS) est considéré comme une situation anor-male pour la pompe. On peut en chercher la rai-son dans un colmatage de l’hydraulique, un fonc-tionnement hors courbe, une cavitation impor-tante, une quantité élevée d’air dans l’effluent ouune roue mobile endommagée. Un déséquilibremécanique éventuel est mis en évidence en fai-sant fonctionner la pompe hors eau, lorsque leniveau de vibrations mesuré ne dépasse pas2 mm/s (RMS).

76

5 Les stations de pompage

Page 78: Sewage Handbook Gfd

La fréquence de vibration des pompes pourvuesd’un corps volute est égale à la vitesse de rotationmultipliée par le nombre d’aubes.

Si la pompe ou les canalisations sont supportéesde façon telle que leur fréquence de résonancesoit proche de la fréquence de vibration de lapompe, le principe de résonance augmente letaux de vibrations. Si cela se produit, les supportsdoivent être renforcés. Il est possible, avec lespompes entraînées par un variateur de fréquence,à cause du phénomène de résonance, que lesvibrations soient plus importantes à certaines fré-quences.

Les pulsations de pressions engendrées par lapompe sont entraînées dans la tuyauterie surquelques mètres, y créant des vibrations. Un nive-au de vibration des tuyauteries inférieur à 10mm/s (RMS) est considéré comme normal. Unniveau supérieur peut provoquer une cassure dela tuyauterie. Cela provient, soit de supports malétudiés, soit de la résonance.

Les pompes en tube ont un faible niveau de vibra-tion, grâce aux canaux de guidage qui absorbentefficacement les pulsations de pression. Une rouemonocanale provoque toujours des pulsations depression, à cause des forces hydrodynamiquesinduites importantes.

5.6.2 Bruit de pompeDifférents facteurs ont une influence sur le niveaude bruit de la station de pompage :• les vibrations de la pompe,• les vibrations de la canalisation transmises par

les pulsations de pression ou d’autres vibra-tions,

• le débit dans la tuyauterie. Les coudes, vannes,tés causent des turbulences génératrices debruit,

• les caractéristiques acoustiques de la station,• le flux d’arrivée dans la station,• la cavitation de la pompe.

Le niveau de bruit d’une station se compose detous les éléments ci-dessus, et des informationssur le seul niveau de bruit de la pompe ne sont pastrès utiles et difficiles à mesurer sur site. Le bruitémis par la tuyauterie est souvent le plus impor-tant, à cause de la grande surface d’émission devibrations. Une mesure correcte du niveau debruit de la pompe suppose qu’elle soit faite dansun local insonorisé, avec les tuyauteries de refou-

lement à l’extérieur. Il n’y a pas de standard demesure de bruit disponible concernant les pom-pes d’assainissement. Un protocole de mesure duniveau de bruit des pompes submersibles est dif-ficile à mettre en œuvre, du fait de toutes les dif-ficultés pratiques que cela entraîne.

Le bruit dans les stations de pompage n’est pas unproblème fréquent. Une station construite pourun immeuble d’habitation ou de bureaux peutparfois provoquer des nuisances sonores. Dans lessituations extrêmes, il est toujours possible d’iso-ler phoniquement les tuyauteries et les moteursdes installations en fosse sèche.

77

Les stations de pompage 5

Page 79: Sewage Handbook Gfd

6 Pompes d’assainissementcontrôlées par variateur defréquence6.1 Généralités

Les principales raisons d’utiliser un variateur defréquence sont les suivantes :• contrôle du débit pour des raisons techniques

de process,• économies d’énergies grâce à l’exploitation de

la courbe de réseau la plus favorable.

Les raisons techniques de process pour lesquellesla vitesse variable est intéressante se retrouventdans les applications suivantes :• application de pompage de boues de retour,• pompes de recirculation dans les traitements

de dénitrification,• stations de pompage en amont de stations de

traitement.

Il est aussi possible de réguler le débit en aug-mentant le nombre de pompes dans la station depompage finale. Il est possible d’égaliser la pro-duction à l’aide de démarreurs progressifs et enaugmentant le nombre de démarrages. Des bas-sins de postes de traitement et des canaux per-mettront aussi d’égaliser le débit. Dans les autrestypes de stations de pompage, on ne décidera d’u-tiliser la variation de vitesse que si l’on peut espé-rer une économie d’énergie conséquente.

Les variateurs de fréquence ne permettent d’éco-nomiser de l’énergie que si la tuyauterie de refou-lement est longue et que les pertes de chargereprésentent au moins 40% de la HMT. Si l’insta-llation a une hauteur géométrique importante,l’utilisation d’un variateur de fréquence risqued’augmenter la consommation d’énergie, car lepoint de fonctionnement est susceptible de sedéplacer vers une plage de la courbe de pompe oule rendement est moins bon. Des pertes sontgénérées par le variateur lui-même, qui diminuentle rendement du moteur. Lorsqu’un variateur defréquence est installé dans le but unique d’écono-miser de l’énergie, il faut calculer séparément lapériode de retour des investissements du systèmede contrôle. Pour cela, il est impératif de connaîtreles variations de débit et le rendement de lapompe à différentes fréquences. Celui-ci dépendaussi des caractéristiques de la canalisation. Il est

utile de connaître également les rendements duvariateur et du moteur à différentes fréquences.

La variation de fréquence augmente les risques decolmatage. Lorsque le choix est fait de la variationde fréquence, il faut porter toute son attentionsur la conception et la sélection des pompes.

6.1.1 Détermination du Moteur de PompeLe courant fourni par un variateur de fréquence n’estpas d’aussi bonne qualité que celui du réseau, ce quidiminue de façon non négligeable le rendement dumoteur. En général, cependant, si l’on prend en con-sidération le point de fonctionnement souhaité et lesconditions de fonctionnement, le moteur standardpeut être utilisé, à la condition que la fréquence nor-male d’utilisation (50 ou 60 Hz) ne soit pas dépassée.Le choix du moteur sera confirmé par le fabricant quipossède des informations complètes sur sa puissan-ce et ses caractéristiques d’échauffement.

6.1.2 Fréquence maximumLorsque l’installation comporte une pompe à vitessevariable et d’autres pompes non régulées fonction-nant toutes en parallèle, le flux est irrégulier au pointou une pompe à vitesse fixe est mise en service ouarrêtée ; ce qui risque d’entraîner la pompe contrôléepar un variateur de fréquence à tourner à une vites-se supérieure à la vitesse nominale. La sur-fréquencegénéralement requise est de 53 Hz pour les pompes50 Hz. Cette situation est décrite à la Figure 96.

78

6 Pompes d’assainissement contrôlées par variateur de fréquence

H2

H

HJpipe

fN fmax fmin

(fN)

(fmin)

Q1 Q2Q

Pompes à vitesse variable fonctionnant en parallèle.Le variateur de fréquence ne contrôle qu’une pompe àla fois. Q1 = débit nominal d’une pompe, Q2 = débitd’une pompe régulée à sa vitesse maximum. Le débitde la pompe en vitesse variable est augmenté de Q2,ce qui permet de diminuer le nombre de démarrageset d’arrêts des autres pompes. fN = fréquence nomi-nale 50 ou 60 Hz), fmax = fréquence maximum, fmin= fréquence minimum, η = rendement.

Fig. 96

Page 80: Sewage Handbook Gfd

Si toutes les pompes d’une installation en parallè-le fonctionnent en variation de fréquence, le fluxest régulier et un fonctionnement au-delà de lafréquence normale n’est pas nécessaire.

Si un fonctionnement en sur-fréquence est souhai-té, il se doit d’apparaître clairement dans les appelsd’offres pour permettre au fabricant d’en tenircompte lors du processus de détermination de l’hy-draulique et du moteur. Dans certains cas, l’utilisa-tion d’un moteur 60 Hz à la place d’un moteur 50 Hzdans une installation à variation de fréquence peutse révéler intéressante, mais il faut aussi envisagercette solution sous l’angle de ses inconvénients :• Si le variateur de fréquence est en panne et

que la pompe fonctionne seulement à 50 Hz,les caractéristiques de la pompe 60 Hz vontchuter de 50 à 80%, par rapport à celles d’unepompe 50 Hz, selon le profil de l’installation etles pertes de charge.

• Le moteur a probablement des enroulementsdifférents de ceux d’un moteur 50 Hz, à causedes tensions différentes dans les standards60 Hz, ce qui posera problème en cas debesoins en pièces de rechange.

• Le rendement risque d’être moins bon, du faitque certaines pompes 60 Hz sont dérivées du50 Hz simplement par la réduction du diamè-tre de la roue mobile.

6.1.3 Fréquence et performances mini-mumsLa fréquence minimum permise pour une pompeparticulière est souvent demandée. Une réponseprécise à cette question requière des informationssur l’installation et les canalisations, car cettevaleur dépend de la forme de la courbe Q/H de lapompe et des caractéristiques de la canalisation.Il est souhaitable que la fréquence minimumrequise pour un débit donné soit déterminée àl’aide de la courbe Q/H de la pompe et des carac-téristiques de la canalisation.

Un débit d’eaux usées trop faible (à une fréquencetrop basse) risque de conduire à une usure excessivede la pompe à cause du sable et d’autres substancesabrasives qui stagnent dans la pompe au lieu d’êtreévacuées avec le liquide pompé. Un débit insuffisantpeut également être responsable du colmatage dela pompe. Si la composante hauteur géométrique dela HMT est importante (autour de 40%), le point defonctionnement a tendance à se déplacer vers lagauche de la courbe Q/H, où le rendement estmoins bon et où les coûts énergétiques risquent

d’augmenter. En règle générale, on peut limiter lesperformances à 25% du débit nominal au meilleurrendement et à la fréquence nominale (Qopt).

Si la courbe de réseau de la canalisation est pen-tue et que plusieurs pompes ont la possibilité defonctionner simultanément, il peut être nécessai-re de définir différents niveaux de débits mini-mums, en fonction du nombre de pompes tour-nant ensemble. Les pompes devront alors êtrecontrôlées par un automate programmable adap-té. Une fréquence minimum déterminée pour unmaximum de pompes fonctionnant ensemble, etutilisée dans toutes les situations possibles, aveccomme résultat des performances minimumsvariées, dépend du nombre pompes utilisées.

6.1.4 Courbes de pompes en variation defréquenceLes courbes Q/H des pompes à différentes fréquen-ces sont nécessaires pour déterminer les perfor-mances des pompes à différentes vitesses, refou-lant dans une canalisation aux caractéristiquesdonnées. Il faut établir quelle sera la fréquenceminimum, ainsi que le rendement de l’hydrauliqueà différentes fréquences. Il est facile de tracer lescourbes de pompes à différentes fréquences en sebasant sur les lois d’affinité, mais seul le fabricantpourra décider des limites d’utilisation de ces cour-bes. Il est intéressant de demander au fabricant lescourbes Q/H et Q/h pour différentes fréquences,par exemple avec des intervalles de 5 Hz.

Il est possible de calculer les courbes à différentesfréquences, basées sur les lois d’affinité, en utili-sant les équations suivantes :

Ces équations sont valables pour les calculs despoints de fonctionnement équivalents, mais sontégalement suffisamment précises pour des appli-cations pratiques.

79

Pompes d’assainissement contrôlées par variateur de fréquence 6

Page 81: Sewage Handbook Gfd

6.1.5 Colmatage des pompesLes risques de colmatage des pompes augmen-tent lorsqu’elles sont entraînées par un variateurde fréquence pour les raisons suivantes :• Le niveau du liquide dans la station est immobile,

du fait de la précision du contrôle de vitesse, cequi favorise l’accumulation des débris à la surfaceet dans le fond.

• Les pompes fonctionnent en continu sur de troplongues périodes, ce qui empêche l’évacuationdes débris de la pompe par contre débit aumoment de l’arrêt.

• Les pompes contrôlées par un variateur de fré-quence s’arrêtent très progressivement, ce quiempêche l’évacuation des débris de la pompe parcontre débit au moment de l’arrêt. Le démarrageprogressif pose le même problème.

• Une vitesse lente en combinaison avec les pertesde charges augmentent les risques de colmatage.

Chaque installation à vitesse variable est différentedes autres, ce qui rend les prévisions sur le comporte-ment de la pompe impossible. On peut diminuer lesrisques de colmatage à l’aide des actions suivantes :• Après le démarrage, la fréquence est contrôlée

de manière à ce que le niveau dans la stationdescende jusqu’au niveau d’arrêt en une heuredans des conditions normales ; après quoi lapompe est arrêtée.

• Idem ci-dessus, mais avec en plus une program-mation permettant à la pompe de fonctionnerpendant 30 secondes à sa vitesse nominalesavant de parvenir au niveau d’arrêt.

• La pompe est programmée pour une ou deuxséquences de nettoyage par heure, en augmen-tant la vitesse jusqu’au régime nominal pen-dant 20 secondes, après quoi la pompe est arrê-tée sans variation de fréquence ou avec unralentissement avec la variation de fréquenceaussi rapide que possible jusqu’à la vitesseminimum où elle demeure pendant environ 20secondes. Elle peut ensuite repartir sur un cyclede fonctionnement normal.

• La pompe est programmée pour tourner dans lemauvais sens pendant un certain temps aprèschaque démarrage. Cela nettoie tout début decolmatage provenant du précédent cycle defonctionnement. Lorsque la pompe tourne àl’envers, la fréquence doit être inférieure à savaleur nominale de façon à éviter les vibrations,par exemple 30 Hz pour une pompe 50 Hz.

• Utiliser une vanne automatique à la place duclapet anti-retour, et la programmer pour qu’e-lle reste ouverte quelques instants après l’arrêt

de la pompe, de manière à provoquer un netto-yage par contre courant.

Lorsque la pompe s’arrête brusquement, la quan-tité de liquide contenu dans la canalisation derefoulement continu d’avancer, ce qui permet unnettoyage efficace de la roue mobile, la débarras-sant d’un début de colmatage éventuel.

Il est possible de planifier les mesures ci-dessusdans la station de pompage, mais de les mettre enœuvre seulement si nécessaire.

L’utilisation d’un variateur de fréquence avec lesboues de retour et les pompes de recirculationn’augmente pas les risques de colmatage. C’estaussi le cas pour la dernière station de pompagejuste avant la station d’épuration, si un systèmede dégrillage a été mis en place en amont.

6.1.6 Exigences EMC pour les câblesSelon la “Directive du Conseil pour laCompatibilité Electromagnétique ou CEM” euro-péenne, les fabricants de variateurs de fréquencedoivent exiger que le câble d’alimentation dumoteur des pompes submersibles soit remplacépar un câble conforme. Les caractéristiques descâbles en conformité vont compliquer l’installa-tion et augmenter le prix de revient. Les câblesCEM compliquent également la manutention despompes car ils sont moins souples que les câblesd’alimentation électrique classiques. Le choix despompes submersibles contrôlé par un variateurde fréquences est dicté par le besoin, ou pas, d’uncâble CEM. On peut se passer d’utiliser des câblesCEM, si le variateur de fréquence est équipé de fil-tres supprimant les émissions d’ondes parasites.

6.1.7 Courant dans les roulementsDans certaines circonstances, la variation de fré-quence peut induire des courants d’interférence àtravers les roulements des moteurs à cage d’écu-reuil de grande taille refroidis par air, ce qui peutles détériorer. Il est rare que les pompes submersi-bles soient sujettes à ce phénomène, car elles sontbien connectées à la terre par l’intermédiaire de latuyauterie et de leur submersion dans l’eau, et dece fait correctement protégées. Cette hypothèseest soutenue par Grundfos dont l’expérience dansles moteurs submersibles n’a jamais été confron-tée à des problèmes de roulement sur les pompessubmersibles à ce jour. Un isolement supplémen-taire des roulements requière une nouvelle con-ception des moteurs et des coûts additionnels.

80

6 Pompes d’assainissement contrôlées par variateur de fréquence

Page 82: Sewage Handbook Gfd

6.1.8 Haute tensionLorsque l’alimentation est faite avec une tensionsupérieure à 500 V, un convertisseur de fréquenceprovoque des fluctuations de tension trop impor-tantes pour un moteur standard. Dans ce cas, ilfaut revoir la conception du moteur avec desenroulements spéciaux et des roulements isolés.Il est par conséquent fortement déconseillé d’uti-liser des variateurs de fréquence avec des ten-sions supérieures à 500 V.

6.1.9 Moteurs antidéflagrantsLe moteur fonctionne, avec la variation de fré-quence, à une température plus élevée que la nor-male. Aussi une certification ADF valable pour unmoteur qui tourne à sa fréquence nominale n’aplus de valeur s’il est contrôlé par un variateur defréquence. La certification ADF du câble risque dene pas être valable avec un câble EMC.

Si un moteur antidéflagrant est requis pour uneinstallation avec variateur de fréquence, celadevra être clairement stipulé sur le cahier descharges, pour permettre au fabricant de s’assurerde la conformité de l’hydraulique et du moteur.L’ajout d’un variateur de fréquence sur une insta-llation existante justifie que l’on contacte le fabri-cant pour accord.

6.1.10 Etendue de la garantieLes exigences essentielles quand aux performan-ces d’une pompe sont qu’elle donne le débitattendu tout en restant dans les coûts énergéti-ques prévus.

De façon à s’assurer de la production totale, lepoint de fonctionnement garanti doit être obtenuavec la marche en parallèle des pompes. Si la cour-be de réseau est plate (Grande Hgéo), ou si cha-que pompe a sa propre tuyauterie de refoule-ment, le même point de fonctionnement convientà l’évaluation du rendement de pompe garanti.Inversement, si la courbe de réseau est abrupte ousi la hauteur géométrique est fluctuante, ildevient difficile de trouver le point de rendementgaranti. Le point de garanti de h peut se révélerdifférent selon qu’on le considère du point de vuedu débit ou de celui de la HMT. Il est prudent dedécider quel point sera utilisé pour l’évaluation durendement de la pompe. Ce point peut correspon-dre au rendement maximum, ou au point d’inter-section entre la courbe de la pompe et la courbede réseau à la fréquence nominale. Un point degarantie à une fréquence autre que la fréquence

nominale peut également être choisi. Il est ànoter que, selon les standards de test, la vitessede rotation à laquelle s’effectue le test peut diffé-rer de 20% de la vitesse spécifiée pour le point defonctionnement nominal ; dans ce cas, les résul-tats issus du banc de test seront ramenés auxvaleurs du point nominal à l’aide des équationsd’affinité.

6.1.11 Tests avec variateur de fréquence S’il est souhaité un contrôle du rendement globaldes combinaisons de pompes, la situation dufabricant de pompes devient inconfortable. Cetravail requière des informations précises sur lerendement du variateur de fréquence ainsi quesur le moteur de la pompe soumis à un courantmodulé, lorsque la tension est différente de celleà fréquence non modulée. Les données sont pro-pres au type de matériel utilisé et il est impossibled’obtenir au préalable des informations précises ;il faudra les estimer. Les standards de tests ne pro-posent pas de valeur de tolérance pour les rende-ments totaux mesurés dans ces conditions. Il fautfournir à l’avance le variateur de fréquence auconstructeur pour les tests, ce qui complique leschoses et augmente les coûts. Ce type de test n’aque peu de valeur pratique.

6.1.12 Collaboration avec le constructeurde pompesIl est beaucoup plus compliqué de concevoir et demettre en œuvre une installation avec des varia-teurs de fréquence que lorsqu’il n’y en a pas. Uneétroite collaboration entre le fabricant et le clientest par conséquent souhaitable, ne serait-ce quepour planifier les étapes du travail. Le point defonctionnement garanti et le standard de testsutilisés seront négociés chaque fois que c’est pos-sible.

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Pompes d’assainissement contrôlées par variateur de fréquence 6

Page 83: Sewage Handbook Gfd

7 Evaluation des coûts àlong termeLa démarche de détermination d’une pompe doitcomporter une évaluation des coûts sur le longterme (toute sa durée de vie), qui comprend uneestimation de tous les coûts : d’acquisition, defonctionnement et de maintenance de la stationde pompage tout au long de la durée de vie pré-vue. L’intérêt de l’évaluation des coûts à longterme s’accroît avec la taille de l’installation depompage. Pour exemple, le coût de l’énergie d’unepompe d’assainissement de taille moyenne(30 kW) sur trois ans est équivalent à son coûtd’acquisition d’origine.

7.1 Généralités

Les coûts à long terme des installations de pom-page sont utiles pour le calcul des projets finan-ciers et l’estimation des investissements. Parexemple, pour un projet de rénovation de station,lorsque les anciennes pompes sont remplacéespar de nouvelles, le critère d’évaluation principalpour les investissement est le coût à long terme.Un calcul correct de ces coûts tient compte del’augmentation probable du prix de l’énergie, del’inflation et des taux d’intérêts. De tels calculsdemandent de solides connaissances, aussi biendans la conduite financière du projet que dans latechnique des pompes.

Les coûts à long terme sont fréquemment utiliséspour comparer les pompes au moment de l’achat.On prend en considération aussi bien des pompesprovenant de plusieurs constructeurs que desmodèles différents chez le même constructeur.Lors de ces comparaisons, l’élément financier anormalement la même amplitude pour les diffé-rents choix. Il est très difficile de prévoir l’évolu-tion du prix de l’énergie et de celui de la maind’œuvre de maintenance, aussi sera-t-il plus sim-ple d’effectuer le calcul des coûts à long terme enutilisant les prix actuels, sans analyse financière.On peut ainsi utiliser deux approches différentespour effectuer cette analyse :• Les coûts à long terme sont calculés pour les

différentes solutions sur la base des prix réels,puis comparés,

• On compare la solution la moins onéreuse ; letemps de retour est calculé avec des coûts defonctionnement et de maintenance moins éle-vés.

Il faut bien comprendre que ces méthodes présen-tent une marge d’erreur relativement importantepour les coûts énergétiques et de maintenancecar ils reposent sur des prévisions, telles que levolume pompé ou le taux d’usure.

La décision peut aussi être soumise à des raisonsde principe ou commerciales. Il se peut que l’as-pect environnemental ait également une inciden-ce sur les coûts. Si les pompes ne sont qu’une par-tie d’un contrat plus large et achetées par unconstructeur, il est possible que le seul prix d’a-chat soit pris en compte.

7.2 Période de calcul

La durée de vie des pompes d’assainissementmodernes est estimée à environ 25 ans. On peutdécider de la rénovation d’une station de pompa-ge plus tôt, par exemple à cause de problèmes devoisinage, ou lorsque des mesures de destructionou de déplacement doivent être prises. Il se peutaussi que les pièces détachées ne soient plus dis-ponibles, ce qui rend les pompes obsolètes. Unepériode convenable pour le calcul économique ducoût à long terme est de 8 à 10 ans.

7.3 Coûts d’investissements

Le constructeur, à la suite d’appels d’offres oud’une négociation propose un prix. Le prix d’ac-quisition peut aussi comprendre d’autres coûtsd’achat ou commerciaux comme, par exemple, letransport. Il faut donc tenir compte de ces autrescoûts d’acquisition sur le choix final de la pompe.Un moteur plus gros demande, par exemple, unconvertisseur de fréquence ou des équipementsélectriques de taille plus importante, qui augmen-tent les coûts d’investissement.

La Figure 97 montre l’effet proportionnel qu’aurala taille d’une pompe de vitesse nominale 15001/min sur son coût. Une pompe fonctionnant àune vitesse de rotation inférieure coûtera pluscher, à puissance égale, qu’une pompe tournantplus vite, car sa taille est plus grande. La Figure 97indique que, pour des pompes dont la puissanceest inférieure à 10 kW, le prix d’achat est une partimportante du coût à long terme.

82

7 Evaluation des coûts à long terme

Page 84: Sewage Handbook Gfd

7.4 Coût de l’énergie

Pour effectuer correctement le calcul des coûtsénergétiques, on doit utiliser le rendement (ηgr) -car il est garanti par le constructeur selon lesessais normalisés - même si l’on ne possède pasd’informations sur la puissance. Il est importantque l’essai normalisé utilisé soit approuvé à cestade, car tous les essais normalisés proposentdifférentes valeurs de tolérances pour le rende-ment de la pompe, qui peuvent affecter les cour-bes de rendement fournies par le fabricant. Sereporter au Chapitre 4, essais des pompes, pourplus d’informations.

7.4.1 Evolution du rendementA l’exception des pompes vortex, le rendementdes pompes d’assainissement a tendance à sedétériorer avec le temps, à cause du jeu entre laroue mobile et la plaque d’usure qui augmenteavec l’érosion. Il est important de prendre encompte cette évolution lors des calculs de con-sommation d’énergie. On peut utiliser les facteursde réduction de rendement suivants, basés surdes tests et sur l’expérience :

• Roue fermée avec rattrapage de jeu :-1,5% (points de ηgr),

• Roue semi-ouverte avec rattrapage de jeu :-3% (points de ηgr),

• Roue fermée sans rattrapage de jeu :-3% (points de ηgr),

• Roue semi-ouverte sans rattrapage de jeu :-5% (points de ηgr).

Les facteurs de réductions proposés ci-dessusdémontrent que dans la pratique, les pompesd’assainissement fonctionnent avec un rende-ment sensiblement inférieur à celui de pompesneuves. Les valeurs plus élevées pour des pompessans possibilité de rattrapage de jeu s’appuientsur le fait que ces pompes fonctionnent plus long-temps avant que l’on ne rétablisse le jeu correct,car le travail doit s’effectuer en atelier. L’effet estplus marqué pour les pompes équipées de rouessemi-ouvertes car elles s’usent plus vite et leurrendement est donc plus sensible au changement(Voir Paragraphe 2.2.1 Roues Mobiles).

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Evaluation des coûts à long terme 7

Price/PN

200

100

010 50 100

PN (kW)5002

(%)

Relation entre la taille de la pompe et son coût Prix/PN lorsque la vitesse nominale est de 1500 1/min ; la base est unepompe de 10 kW.

Fig. 97

Prix

Page 85: Sewage Handbook Gfd

7.4.2 Calcul de l’énergie consomméeIl est possible de calculer l’énergie consommée àl’aide de deux méthodes :

• Evaluation utilisant le volume d’effluentspompé annuellement, commencer par calculerl’énergie spécifique à l’aide de l’équation sui-vante :

H = HMT au point de fonctionnement (m),

g = 9,81 (m/s2

)

ηgr = rendement total (pompe + moteur) aupoint de fonctionnement (en valeur décimale)

La densité du liquide est supposée être de 1.

• Evaluation basée sur le fonctionnement horai-re, commencer par calculer la puissance absor-bée au point de fonctionnement à l’aide de l’é-quation suivante :

Q = débit volumique au point de fonctionne-ment (l/s)

H = HMT au point de fonctionnement (m),

g = 9,81 (m/s2)

ηgr = rendement total (pompe + moteur) aupoint de fonctionnement (en valeur décimale)

La densité du liquide est supposée être de 1.

La consommation d’énergie est calculée à l’ai-de de la puissance et du temps de fonctionne-ment horaire annuel estimé. Si la courbe depompe se situe au-dessus du point de fonc-tionnement souhaité, son débit sera supérieuret, par conséquent, le temps de fonctionne-ment inférieur. Cela doit être pris en compte sil’on utilise la méthode de la consommationhoraire.

Les méthodes de calcul de consommation d’éner-gie sont assez faciles à appliquer lorsque l’on aaffaire à des pompes fonctionnant sur un seulpoint. La situation se complique avec les pompesoeuvrant en parallèle ou si le moteur est alimentépar un variateur de fréquences. Si les pompesfonctionnent en parallèle, il faut faire des calculsséparés pour les différents points de fonctionne-ment, et déterminer approximativement les volu-mes pompés ou les temps de fonctionnementpour chacune d’elles.

Avec un convertisseur de fréquences, la pompefonctionne sur une infinité de points différents. Ilfaut, dans ce cas, choisir un point de fonctionne-ment moyen à utiliser pour les calculs. Un autrefacteur d’incertitude, pour le calcul de la consom-mation d’énergie des pompes en variation de fré-quence, est le fait que le rendement global est dif-ficile à déterminer avec précision. Pour des calculscomparatifs, on peut utiliser les valeurs de rende-ment sans variateur de fréquence.

7.5 Coût de la maintenance

Il est recommandé, pour les pompes submersi-bles, d’effectuer une maintenance de routine unefois par an. Cette visite inclura le contrôle de laqualité de l’huile, de l’isolement et des valeurs derésistances du moteur, des tolérances d’usure et,si nécessaire, un ajustement de celles-ci, ainsiqu’une inspection générale de surface. La plupartdes fabricants conseille ce type de routine. La dis-tinction entre des pompes de différents construc-teurs se fait au niveau de la possibilité d’ajuster lejeu d’usure et de rétablir le rendement.

Si la pompe est équipée d’un système de rattrapa-ge de jeu à l’aspiration, le coût de maintenance durendement ne s’ajoute pas aux coûts généraux,dans la mesure ou l’opération peut être menée àbien lors du contrôle de routine. Inversement, si laremise à niveau du rendement nécessite des piè-ces de rechange ou une intervention en atelier, ilfaut tenir compte de ces coûts additionnels lorsdu calcul du coût à long terme.

84

7 Evaluation des coûts à long terme

Page 86: Sewage Handbook Gfd

7.6 Coopération avec le fournisseurde pompe

Les calculs comparatifs et ceux sur le coût à longterme sont rarement exempts d’ambiguïté, et ilest donc prudent de les conduire ouvertement eten pleine coopération avec le vendeur. De cettefaçon, des problèmes d’incompréhensions peu-vent être évités, et les suggestions et alternativesproposées par le fournisseur peuvent être prisesen compte et étudiées lors de la sélection.

7.7 Publications sur le coût à longterme

L’association des fabricants de pompes européensEuropump et L’Hydraulic Institut américain ontpublié conjointement un guide sur l’évaluation ducoût à long terme des pompes, (LCC ou Life CycleCosts) :COÛT GLOBAL DES POMPES UN GUIDE D’ANALYSE DU COÛT GLOBAL (ISBN 1-880952-58-0)

Cette publication traite des étapes de la concep-tion complète de systèmes de pompage, des ins-tallations existantes et propose des exemples d’a-méliorations à y apporter.

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Evaluation des coûts à long terme 7

Page 87: Sewage Handbook Gfd

8 Mise en serviceLors de la mise en service, les points suivants sontvérifiés :• Contrôle du point de fonctionnement à l’aide

d’un manomètre et, si possible, d’un débitmè-tre, à l’aide de la méthode volumétrique, puisle comparer avec les valeurs prévues et confir-mer que le point de fonctionnement réel estbien dans les limites autorisées de la courbe

Q/H de la pompe.Avec de longues canalisations, comportant denombreux point hauts et bas, il faut parfois uncertain temps pour que le point de fonctionne-ment se stabilise. Il est utile, dans ce cas, derépéter les mesures après un certain temps defonctionnement suite à la mise en service pourconfirmer le point de fonctionnement.

• Contrôle du niveau de bruit et du niveau devibrations. Recherche des signes de cavitation.

• Comparer les niveaux de marche et d’arrêt àceux qui étaient prévus ; les ajuster si néces-saire. Le niveau d’arrêt le plus bas possible,dans les installations en fosse sèche, est trou-vé par essais successifs, en observant l’entréede l’air dans la tuyauterie d’aspiration.

Lorsque des pompes submersibles fonctionnent àun débit important, contrôler la présence éven-tuelle de vortex de surface au niveau bas ; ajusterle niveau d’arrêt si nécessaire.

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8 Mise en service

Page 88: Sewage Handbook Gfd

9 Fonctionnement et main-tenanceLes pompes submersibles d’assainissement doi-vent être soumises à des inspections de routine età une maintenance annuelle. La maintenanceprogrammée se déroule sur le site et inclut :• Le contrôle de l’huile et son remplacement si

nécessaire,• Le contrôle du jeu (roue mobile/plaque d’usu-

re) et son ajustement si l’espace a augmentéde 2 mm ou plus à cause de l’usure. Avec lespompes qui ne sont pas pourvues d’un systè-me de rattrapage du jeu pour le rétablisse-ment des performances, il faut procéder auremplacement de la pièce d’usure,

• Mesure de la résistance à l’isolement dumoteur à partir de l’armoire,

• Contrôle de la chaîne et des mousquetons delevage,

• Inspection générale de la pompe et contrôledu fonctionnement.

Le cahier de suivi comporte toutes les opérationsréalisées pendant la maintenance.

C’est, soit l’utilisateur, soit une société sous con-trat qui effectue la maintenance de routine. Il estpossible, si nécessaire, de remplacer la roue mobi-le sur site. Le changement de la garniture mécani-que et les autres travaux nécessitant de séparer lapompe du moteur doivent être réalisés en atelierpar un personnel compétant.

Lorsque l’on a affaire à un constructeur de pom-pes reconnu, il n’y a pas de problème de disponi-bilité de pièces détachées. Les pompes sont fabri-quées en série et les pièces sont tenues en stockaussi bien pour l’assemblage de nouvelles pom-pes que pour la pièce détachée. Le pré-stockagedes pièces n’est normalement pas garanti.

9.1 Sécurité

Les facteurs de risques les plus importants, asso-ciés aux opérations de pompage d’assainissementsont les suivants :• électricité,• levage et manutention des pompes,• température de surface élevée des pompes en

fosse sèche,• manipulation des pièces détachées lors de la

maintenance et des réparations,• risque de feu ou d’explosion sur les sites dan-

gereux,• risque pour la santé provenant du contact avec

l’effluent.

Les standards internationaux suivants traitent dela sécurité avec les pompes et le pompage :

• EN 809 (1998)Pompes et systèmes de pompage pour liqui-des – règles de sécurité communes requises.

• prEN 13386 (1999)Pompage de liquides – pompes submersibleset systèmes de pompage – règles de sécuritéparticulières (projet 2002)

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Fonctionnement et maintenance 9

Page 89: Sewage Handbook Gfd

10 Surveillance et conduitedes stations de pompage Toutes les stations de pompage d’assainissement,qu’elles fonctionnent individuellement ou au seind’un système comprenant plusieurs stations, doi-vent être surveillées d’une manière fiable defaçon à offrir un fonctionnement sûr et efficace.Les technologies de contrôle électronique moder-nes offrent la possibilité de concevoir et de fabri-quer des systèmes de conduite et de surveillanceadaptatifs permettant de réduire les coûts defonctionnement à long terme et d’augmenter lafiabilité de fonctionnement.

Les stations de pompage d’eaux usées peu fiablesreprésentent un risque économique aussi bienqu’écologique sous la forme d’effluents débor-dant vers l’environnement ou vers les fondationsd’un immeuble. La fiabilité est donc l’exigenceprincipale dans la conception d’un système deconduite de station de relevage.

Ce chapitre décrit quels types de capteurs il estpossible d’utiliser pour réaliser une installationsûre, différentes techniques de contrôle baséessur les règles de l’art modernes et, pour finir, unréseau de surveillance et de conduite de station àdistance ainsi que ses extensions futures possi-bles combinant Internet et la technologie WAP.

10.1 Méthodes de contrôle local

Il est toujours utile d’avoir un système de contrôlelocal sur le site de la station de pompage, qui per-met de contrôler le fonctionnement des pompes.Différentes techniques de contrôle et de survei-llances sont proposées, en fonction des caractéris-tiques de l’installation et du prix.

10.1.1 Unités de contrôle manuellesLe contrôle manuel est la méthode de contrôle laplus simple. Elle se compose simplement d’uninterrupteur (auto – manuel – arrêt) ainsi que durelayage et des sectionneurs nécessaires à l’arrêtet à la marche des pompes. Le contrôle manueln’est généralement pas utilisé comme système decontrôle principal, mais plutôt utilisé commeméthode de secours en cas de disfonctionnementsde l’unité principale, ou durant les travaux de répa-ration et de maintenance, pour s’assurer du bonfonctionnement des pompes. Il est possible quedes unités de contrôle manuelles existent seules.

10.1.2 Unités de contrôle relayéesLorsqu’aucune condition de surveillance particu-lière n’est requise pour les pompes, il est possibled’utiliser une unité de contrôle relayée. Les systè-mes de contrôles relayés sont de simples unitéspermettant la marche et l’arrêt des pompes surdes niveaux fixes ou ajustables. Elles peuvent êtreéquipées d’un système de démarrage successifdes pompes ou le proposer en option.

Dans le cas où un contrôle continu du niveau estutilisé, il doit être pourvu d’un réglage simple desniveaux de marche et d’arrêt, ainsi que d’un affi-chage local du niveau. Ainsi, dans la plupart descas, les unités de contrôle relayées sont équipéesdes interrupteurs de niveau préréglés ou ajustablesmanuellement comme les interrupteurs à flotteur.

Les unités de contrôles relayées sont à la fois fia-bles et faciles à utiliser, grâce à la simplicité deleur conception. Elles sont intéressantes dans lesstations de petite taille ou les stations secondai-res, qui demandent peu ou pas de flexibilité.

10.1.3 Systèmes de contrôle logiques pro-grammablesLes systèmes de conduites de stations basés sur lecontrôle logique programmable (PLC) offrent despossibilités étendues pour la surveillance et la con-duite des pompes, la réception et l’analyse de don-nées ainsi qu’un contrôle souple de la pompe. Laconception d’un système performant de contrôlebasé sur le PLC demande de solides connaissancesdans le fonctionnement et les exigences des sta-tions de relevage d’assainissement ainsi que dansle domaine de la programmation. Il faut être capa-ble, entre autre, de choisir des signaux de mesureset de contrôle, du type d’analyse de la pompe et dela station, des capteurs de mesure de niveau.

88

10 Surveillance et conduite des stations de pompage

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10.2 Capteurs pour le contrôle et lasurveillance des pompes

Les unités de contrôle des pompes, du simple con-trôle relayé jusqu’au système programmable,nécessitent différents capteurs pour récupérer desinformations sur le fonctionnement des pompesainsi que sur toute la station de pompage commel’on peut le voir sur la Figure 98. Ces capteurs four-nissent des informations sur le niveau du liquide,la consommation électrique, l’état de la garnituremécanique primaire ou encore la résistance à l’iso-lement des enroulements du moteur.

10.2.1 Capteurs de niveauL’information de base requise par un système decontrôle automatisé est le niveau d’eau dans lastation. Il existe de multiples manières d’obtenircette information, du fait que différents types derenseignements sont également disponibles.Selon le capteur, le niveau de liquide est transmisen continu par un signal analogique ou, par unsignal tout–ou–rien, uniquement lorsque le nive-au dépasse une valeur préétablie.

Par expérience, il est certain que les capteurs depression offrent la méthode la plus sûre et la pluséconomique de mesurer le niveau dans une appli-cation eaux usées. Plus particulièrement les cap-teurs piézo–résistifs, qu’ils soient montés dans untube en acier inoxydable ou qu’ils soient herméti-quement encapsulés dans une gaine de caout-chouc remplie de liquide, sont excellents pour unusage avec des liquides chargés. Les capteurs depression fournissent un courant analogique(0–20 mA ou 4–20 mA) ou une tension (0–45 mV)proportionnels au niveau du liquide.

Les capteurs de pression sont sensibles à la sédi-mentation, mais ce problème peut être évité sil’on installe le capteur dans un tube protecteurcomme on le voit sur la Figure 99.

On utilise un capteur ultrasonique lorsqu’un cap-teur de pression ne peut pas être mis en contactavec le liquide. Les capteurs ultrasoniques moder-nes offrent des fonctions programmables variéespour la plage de mesure ou les conditions de fonc-tionnement. Les capteurs ultrasoniques sont plusonéreux que les capteurs de pression.

Les capteurs ultrasoniques sont généralementprécis et fiables. Mais d’un autre coté, la forma-tion de vagues et de mousses à la surface du liqui-de risque de perturber les mesures ou de provo-quer la perte totale de l’écho, ce qui interrompt lamesure. Pour éviter les problèmes inhérents à cegenre de situation, on prend soin d’installer desorganes de secours pour les fonctions les plusvitales, tel qu’un interrupteur à flotteur pour unealarme niveau haut.

89

Surveillance et conduite des stations de pompage 10

De multiples capteurs transmettent des informationsà l’unité de conduite et de surveillance des pompes.

Fig. 88

Il est essentiel d’installer correctement un capteur deniveau. Le capteur étanche est descendu dans la sta-tion et son élément piézo-résistif transmet le signal deniveau à l’unité de surveillance. On utilise ce type decapteur, qui effectue une mesure en continu, avec lesunités de surveillance et de conduite électroniques.

Fig. 89

Unité de contrôle

Gaine de protection

Partie inférieure du capteur émergeantde la gaine

Page 91: Sewage Handbook Gfd

De nouveaux systèmes de captage de niveau sontde type capacitif. Ce type de capteur est aussi ins-tallé dans la station et consiste en une vessie decaoutchouc ou d’élastomère, raccordée à un tubevertical et contenant un liquide de référence. Unfil électrique est installé dans le tube et connectéà un transmetteur de signal. Le niveau du liquidede référence dans la vessie monte et descend avecle liquide de la station, la capacité de l’élémentdans le tube évolue parallèlement et le signal esttransformé par le transmetteur en signal adapté àl’unité de contrôle de la pompe.

Les appareils capacitifs sont habituellement fia-bles, mais sujets à des dysfonctionnements lors-que des sédiments s’accumulent sur la vessie aufond de la station. Ce dispositif nécessite une ins-tallation soigneuse et demande plus de mainte-nance que les capteurs de pression.

On utilise les interrupteurs de niveau à flotteur pourle contrôle du niveau dans les stations de pompagedepuis de nombreuses années. C’est le moyen le plussimple de faire un contrôle à un niveau fixe, mais ilsne permettent pas de faire une surveillance en conti-nu. Lorsque l’installation comporte de multiples inte-rrupteurs de niveau, il y a toujours un risque pourqu’ils s’enchevêtrent entre eux ou avec le câble de lapompe. Les interrupteurs de niveaux, raccordés à uneunité de contrôle relayée, sont aujourd’hui principa-lement utilisés dans les petites installations.

D’autre part, du fait de leur simplicité et de leur fiabi-lité, on n’hésite pas à les utiliser également dans lesstations de grande taille comme système de secoursou pour la surveillance du niveau trop haut. Cela per-met un fonctionnement de secours lorsque les équi-pements de contrôles principaux sont en panne.

Un tube de niveau est également un appareil sim-ple pour le contrôle de niveau. Il consiste en uncylindre de plastique ou de métal, ouvert en bas etraccordé sur le haut à un tube de plastique relié ausystème de contrôle. Lorsque le niveau du liquidemonte autour du cylindre, la pression de l’air dansle cylindre et dans le tube augmente, autorisant lafermeture de contacts de pressostats auxquels letube est relié, et permettant ainsi la mise en routede la pompe. Avec ce type d’appareil, la pompe estgénéralement arrêtée après une durée prédéfinie.

10.2.2 Capteurs de courantLe courant qui alimente la pompe est surveillé parun transformateur d’intensité à travers lequel passel’une des trois phases. Il faut prévoir un transforma-teur d’intensité par pompe pour assurer un contrô-

le efficace. Les transformateurs d’intensité fournis-sent un signal analogique (0–20 mA ou 4–20mA)proportionnel au courant consommé par la pompe.

10.2.3 Mesure d’énergieLes stations de pompage modernes contrôlées élec-triquement peuvent aussi être équipées d’un systè-me de mesure de l’énergie consommée, pourvu ensortie d’un contact pulsé libre de potentiel. Ce systè-me fournit un certain nombre de pulsations par kilo-watt heure consommé par la station de pompage, cequi permet de surveiller la consommation d’énergie.

10.2.4 Relais de phaseLes trois phases sont reliées à un relais de phase.Cet appareil enclenche un signal d’alarme lors-qu’une phase est défectueuse ou lorsque l’ordredes phases est inversé.

10.2.5 Système de surveillance SARI 2Le système Grundfos SARI 2 combine la surveillancede la résistance à l’isolement du moteur et celle del’état de l’huile des garnitures mécaniques. La résis-tance à l’isolement est mesurée entre l’une des pha-ses d’alimentation et la terre lorsque la pompe estarrêtée et déconnectée de l’alimentation. Une résis-tance à l’isolement qui diminue indique la présenced’humidité dans le moteur, ce qui peut conduire à sadestruction et à des coûts de réparations élevés.

Lorsque la pompe est pourvue du transmetteurd’état de l’huile OCT 1, le SARI 2 peut aussi survei-ller l’intrusion d’eau dans la chambre à huile.Quand la garniture mécanique primaire est uséeet que de l’eau pénètre dans la chambre à huile, lasonde OCT 1 réagit en indiquant la présence d’hu-midité. L’information parvient au système de sur-veillance SARI 2 qui déclenche une alarme.

90

10 Surveillance et conduite des stations de pompage

Système de surveillance Grundfos SARI 2. Le SARI 2 estmonté sur un rail DIN dans l’armoire de contrôle. Ilpeut servir à la fois d’unité d’alarme autonome etd’interface avec un système de contrôle à distance.

Fig. 90

Page 92: Sewage Handbook Gfd

10.2.6 Module d’Alarme ASM 3Tous les moteurs submersibles Grundfos sontlivrés avec un capteur d’humidité à contact et descapteurs de température dans chaque enroule-ment de moteur. Ces organes de sécurité sont rac-cordés en série et, si l’un d’eux réagit, le contrôleurarrête la pompe et envoie une alarme. Avec lemodule ASM 3, les deux alarmes (humidité et sur-chauffe) sont différenciées, ce qui permet de four-nir un message d’alarme approprié.

10.3 Unités de contrôle des pompes

Un système de contrôle moderne et adaptable estbasé sur l’utilisation d’un microprocesseur et d’unlogiciel appropriés. L’unité est du type PLC avec unprogramme d’application incorporé pour le con-trôle et la conduite des pompes. Il est équipéd’une interface permettant l’accès aux paramè-tres utiles. Ainsi, il est aisé de vérifier et d’ajusterles niveaux de marche et d’arrêt. Une unité decontrôle complète se compose d’un système cen-tral électronique et d’une batterie d’équipementsauxiliaires tels que capteurs de niveau, transfor-mateurs d’intensité, relais de phase, etc., formantun ensemble cohérent. On peut voir, sur la Figure92, une unité de contrôle de pompes.

10.3.1 Accessoires pour le contrôleLe paramètre principal à mesurer est le niveaud’eau dans la station. C’est un appareil de mesurede niveau en continu qui est toujours utilisé avecce type d’unité de contrôle. Il existe un grand nom-bre de capteurs disponibles sur le marché, tels quecapteurs de pression ou appareils ultrasonique.

Le contrôle de la séquence des pompes est en géné-ral très simple : dans les applications classiques depermutation cyclique, le préréglage portera dansl’ordre sur le niveau d’arrêt, le premier niveau demarche et le second niveau de marche. La pompe deservice démarre lorsque l’eau dans la station atteintle niveau de marche et s’arrête lorsque l’eau estredescendue au niveau d’arrêt. La pompe de serviceest alternée à chaque cycle, de façon à avoir untemps de marche et une usure identique des deuxpompes. La deuxième pompe se met en route sil’eau atteint le deuxième niveau de marche, dans lecas ou le débit entrant est supérieur au débit d’unepompe. S’il y a plus d’une pompe en secours, onpeut les faire démarrer ensemble au même niveau,ou à intervalles réguliers, ou à différents niveaux.

Lorsque l’eau atteint le niveau d’arrêt, toutes lespompes en marche sont arrêtées simultanémentou à des intervalles réguliers. Dans certaines ins-tallations multi-pompes, elles peuvent avoir desniveaux de marche et d’arrêt différents. Cela rendles conditions de mesures plus compliquées etmoins fiables.

Dans certains cas, une pompe de grosse taille estinstallée séparément, pour pallier les situationsde gros débits. Cette pompe ne participe pas aucycle et est contrôlée par une unité séparée, indé-pendamment des autres pompes.

91

Surveillance et conduite des stations de pompage 10

Unité de surveillance et de conduite électroniqueGrundfos PumpManager. Cette unité contrôle toutesles fonctions de la station de pompage à l’aide du logi-ciel stocké dans un circuit PLC. Tous les paramètres defonctionnement sont réglés à l’aide du clavier et de l’é-cran LCD de l’unité. L’ensemble des données concer-nant la station de pompage enregistrées et calculéespar le PumpManager sont accessibles sur l’écran aprèsla frappe d’un code d’accès sur le clavier ou depuis unsystème de contrôle à distance. Une fonction défile-ment permet à l’utilisateur d’avoir accès aux informa-tions les plus importantes sans manipulations excessives.

Fig. 92

Module d’état de défauts Grundfos ASM 3.

Fig. 91

Page 93: Sewage Handbook Gfd

Une mesure du débit est possible, à l’aide d’undébitmètre indépendant. Cette mesure doit s’ef-fectuer à l’aide de la méthode volumétrique, oùles évolutions du niveau dans une station dedimensions connues sont mesurées dans letemps. Un logiciel calcule ensuite le débit entrantet celui de la pompe avec la même précision qu’undébitmètre électromagnétique. La méthode volu-métrique permet aussi de définir la capacité de lapompe, qui est mesurée en continu comme unemoyenne des dix dernières opérations.

En cas de débordement de la station de pompage, ilest possible d’en mesurer le volume précisément etsans ambiguïté, ce qui permet de porter réclama-tion sur les éventuels dommages. Si le débit entrantest connu dans le temps ainsi que la durée dudébordement, le volume peut en être calculé par lelogiciel pour rapport aux autorités compétentes.

Il est nécessaire, pour des raisons de protection etde surveillance, de mesurer le courant absorbé parle moteur de la pompe. S’il est possible de pro-grammer des limites minima et maxima, lemoteur sera protégé de tout fonctionnementanormal. Si le courant absorbé dépasse la limitemaximum, lorsque le moteur risque d’être mis encourt–circuit, suite à un problème d’hydrauliqueou un colmatage, la pompe est automatiquementarrêtée. L’utilisation combinée de relais thermi-ques et de protections électroniques sur lesdémarreurs moteurs offre une protection moteurincontestablement efficace. Une chute d’intensitéimportante indique que la pompe ne marche pasnormalement, à cause peut-être d’une usure de laroue mobile, de la présence de gaz dans l’effluentou d’un désamorçage.

Le temps de fonctionnement de la pompe et lenombre de démarrages sont des informations inté-ressantes, qui permettent de programmer la main-tenance. Ces valeurs sont également utiles au con-trôle du fonctionnement général de la station ainsiqu’à la détermination correcte des niveaux de mar-che et d’arrêt au moment de la mise en service.

Toutes les informations et mesures décrites ci-des-sus sont disponibles sur l’unité de surveillance etde conduite PumpManager de Grundfos ; il estpossible de les afficher sur une interface écran.Cela simplifie la conception de l’armoire de contrô-le car il n’est pas utile de prévoir d’ampèremètres,de compteurs horaires et de relais de commandecar tous ces accessoires sont compris dans le PLC.

Lorsque le contrôle de la pompe est entièrementeffectué par un logiciel, il est facile d’y ajouter desprogrammations particulières. Il est par exemplepossible d’autoriser la pompe à fonctionner endessous du niveau minimum à intervalles régu-liers (contrôle de la marche à sec). Cela permet laprévention d’accumulation de boues et de la for-mation de croûtes sur le sol de la station. Il estainsi possible d’éviter les blocages de pompes etd’économiser sur des interventions non program-mées. C”est aussi, par expérience, une bonnefaçon d’éviter les problèmes d’odeurs.

Une autre possibilité intéressante est de fairefluctuer le niveau de démarrage de la pompeautour de sa valeur nominale ; on évite de cettefaçon la formation de dépôts de boues sur lesmurs de la station à la hauteur de ce niveau.

L’unité de surveillance est également program-mée pour indiquer tous les problèmes de fonc-tionnement dans la station, tels que alarme nive-au haut, niveau bas, et d’autres alarmes baséessur le paramétrage de valeurs limites.

10.3.2 Conditions de pilotageL’unité de surveillance contrôle et pilote la pomped’une façon entièrement automatique en fonc-tion de paramètres enregistrés et analysés. Lafaçon dont le niveau monte et descend durant uncycle de pompage est enregistrée, ce qui permetde calculer les performances de chaque pompe.L’unité compare ensuite ces valeurs aux donnéesmises en mémoire concernant la pompe etenclenche une alarme si les performances sont endehors des limites programmées.

L’avantage d’un tel système est de provoquer desalarmes très tôt, alors que le problème n’est encorepas trop aigu, et d’éviter ainsi une panne imprévueet ses conséquences sur l’environnement. Un pro-blème au niveau de la canalisation peut aussi êtredétecté grâce à une analyse fine des performancesde la pompe. Un autre intérêt d’un tel système estde programmer le fonctionnement de la stationd’un point de vue économique, permettant de pla-nifier et d’exécuter les opérations de maintenance.Cela permet d’éviter les réparations de dernièreminute et de favoriser une maintenance préventive.

10.3.3 Paramètres et signauxPour fonctionner correctement, l’unité de survei-llance a besoin de connaître un certain nombre deparamètre. Ceux-ci concernent la taille de la sta-tion de pompage et d’autre valeurs récupérées surplan ou mesurées sur site.

92

10 Surveillance et conduite des stations de pompage

Page 94: Sewage Handbook Gfd

Pour la calibration on peut utiliser, soit des valeursdimensionnelles, soit des pourcentages de réfé-rence. On programme différentes valeurs de nive-aux, telles que ceux de marche et d’arrêt des pom-pes, les niveaux d’alarme trop haut ou trop bas,ainsi que les niveaux de risque de débordement.Les autres paramètres habituellement utiliséssont la taille de la station et les valeurs nominalesde courant et de capacité des pompes, disponiblesà partir de leur documentation technique.

Différents signaux sont nécessaires pour que lasurveillance de la pompe puisse s’effectuer commeprévu. Ils peuvent aussi bien être analogiques quenumériques. Les signaux digitaux d’entrée ou desortie donnent des états de tout ou rien. Les sig-naux digitaux d’entrée nécessaires fournissent desindications de marche ou d’arrêt de la pompe,reprises sur le contacteur, ainsi que sur des con-tacts secs depuis le relais de phase et le compteurd’énergie, lorsqu’ils sont disponibles. Des signauxdigitaux de sortie sont nécessaires pour donner lesordres de marche et d’arrêt à la pompe.

Les signaux analogiques sont utilisés pour diffé-rentes mesures en continu en provenance de cap-teurs additionnels. Ces signaux donnent, parexemple, la température des enroulements oudes roulements du moteur, des informations surla qualité de l’huile dans la boite à huile, des don-nées provenant d’un débitmètre ou d’un variateurde fréquence, etc. L’exploitation de ces signauxnécessite une carte d’extension additionnelle etune version particulière du logiciel d’application.

10.3.4 Données enregistrées et analyséesL’unité de surveillance possède une capacité mémoi-re suffisante pour enregistrer et analyser des donné-es sur une certaine période de temps. L’unité doitenregistrer au moins les temps de fonctionnement,le nombre de démarrage des pompes et les valeursanormales de courant absorbé par le moteur. Elle aaussi pour fonction d’analyser et de calculer le débit,les capacités des pompes et les risques de déborde-ment d’après les données enregistrées. Ces donnéespeuvent être collectées à intervalles réguliers pouranalyse ultérieure par téléchargement sur un ordi-nateur portable, ou en continu à l’aide d’un systèmede commande à distance automatique.

Même lorsque l’unité de surveillance et de com-mande des pompes fonctionne comme un péri-phérique d’un système en réseau, il lui faut unecapacité mémoire suffisante pour enregistrer etstocker des données sur plusieurs jours. Cela pouréviter que des valeurs essentielles ne soient per-

dues en cas de rupture de communication entrel’unité centrale et le périphérique.

10.3.5 L’Interface utilisateurPour que le technicien puisse accéder aux donnéeset modifier des paramètres, il a besoin d’une interfa-ce sur l’unité de surveillance des pompes. Cetteinterface comprend au minimum un petit écran LCDet un clavier. L’opérateur a ainsi la possibilité d’entrertous les paramètres nécessaires et de lire les infor-mations enregistrées et calculées. L’utilisation decette interface doit être simple et logique.

Normalement, quelques astuces d’aide, comme lafonction de défilement automatique, rendent lecontrôle des données plus rapide et plus aisé. Desvoyants LED séparés transmettent des indicationsd’état d’alarmes et de fonctionnement des pompes.

10.4 Systèmes de contrôle et desurveillance à distance

Les stations de pompage d’eaux usées sont toujourssurdimensionnées, de façon à pouvoir pallier un ris-que de débordement ou une panne de pompe.Cette capacité de réserve n’a pas le pouvoir, malgrétout, d’empêcher un débordement si le défaut estresté invisible pendant une longue période. A ellesseules, les visites planifiées ne peuvent prévenirtous les problèmes possibles inhérents aux stationsde pompage. C’est pour cela qu’ont été conçus lessystèmes de contrôle et de surveillance à distance,ainsi que les alarmes relayées.

Les alarmes visibles et audibles utilisées à l’exté-rieur des stations de pompage ces dernières anné-es sont maintenant relayées par des systèmessophistiqués de contrôle à distance. Les systèmesles plus récents consistent en une unité de con-trôle et de surveillance PLC dans la station depompage, fonctionnant comme un périphériquede télémétrie, connectée à un ordinateur centraléquipé d’un logiciel spécial de supervision.

10.4.1 Les différents niveaux du contrôle àdistanceLes unités de surveillance modernes permettentl’adaptation du système de contrôle et de survei-llance à distance selon les souhaits de l’utilisateur.

Lorsqu’un système très simple de transfert auto-matique d’alarme est désiré, l’unité de surveillancepeut être raccordée à un modem GSM, à partirduquel les alarmes générées par l’unité de survei-llance sont transmises au téléphone GSM de la per-sonne d’astreinte sous forme de messages SMS.

93

Surveillance et conduite des stations de pompage 10

Page 95: Sewage Handbook Gfd

Un tel système offre une grande fiabilité pour uninvestissement modeste, puisque l’on peut sepasser de centre de contrôle. D’autre part, les uni-tés de surveillance modernes sont capables d’en-richir les messages SMS en y ajoutant les informa-tions enregistrées et analysées les plus importan-tes dans le message d’alarme ; des informationsdu type temps de fonctionnement des pompes,nombre de démarrage, consommation d’énergie,débits entrants et capacités des pompes, parexemple. Un tel système peut créer et envoyer desrapports automatiques à la personne de service,sur une base hebdomadaire, même en dehors dessituations critiques. Il est ainsi possible de dimi-nuer significativement les visites à la station depompage.

Lorsqu’un réseau de contrôle et de télésurveillan-ce est mis en place, il y a différentes manières deconstruire la communication entre les sous-sta-tions et l’unité centrale. Les paragraphes suivantstraitent de ce sujet.

10.4.2 Logiciels et matérielsLe système central se compose d’un PC, d’uneimprimante permettant l’impression des rapportset d’un logiciel spécialement conçu pour cetteapplication. L’interface utilisateur du logiciel peutêtre accessible avec la souris sur des menusdéroulants pour un usage souple et aisé. Selon laconfiguration du système, il est théoriquementpossible de piloter un nombre illimité de pompesà partir d’une seule station de surveillance. Enpratique, ce nombre est limité à 200 sous–sta-tions, à cause du temps requis pour recueillir lesdonnées de chacune d’elle pendant la nuit.

Le système central pilote la télésurveillance, à par-tir desquelles les conditions de fonctionnementen temps réel des stations sont accessibles à toutmoment. Cela permet de limiter largement lesvisites sur site du personnel de maintenance. Il estpossible de mettre en route ou d’arrêter les pom-pes, de modifier les niveaux et d’autres paramè-tres, et ainsi de suite. Le système récolte journe-llement toutes les données en provenance desstations et les stocke dans la base de données àpartir de laquelle il est facile de récupérer, parexemple, des données sur les pompes et les débitssur plusieurs années pour analyse.

94

10 Surveillance et conduite des stations de pompage

Fig. 93

La solution Grundfos pour l’administration à distance d’un réseau. Les unités de contrôle locales sont connectées à la sta-tion de surveillance centrale par l’intermédiaire d’une ligne téléphonique classique, d’un modem radio ou GSM, ou d’unecombinaison de ces systèmes. Il est aussi possible d’utiliser des lignes privées, mais cette technique est peut utilisée.

CENTRE DE

CONTRÔLE

PERSONNEL

D’ASTREIN

TE

STATIONS ELOIGNEES

SYSTEME DE

SUPERVISIONGRUNDFOS

RESEAUTELEPHONIQUE

COMMUTE

RESEAU GSM

RESEAU MODEMRADIO

ARRIVÉE D’EAU

RESERVOIRD’EAUSTATION

DE SURPRESSION

GRUNDFOSPUMPMANAGER

2000

NDFOS MANAGER 2000

STATION DE POMPAGE

ALARMES SOUS FORME DE MESSAGES SMS

MODEM CONNECTÉ AU CENTRE DE CONTRÔLE

Page 96: Sewage Handbook Gfd

Le logiciel fournit également des rapports numé-riques et graphiques sur le débit, les caractéristi-ques des pompes, les alarmes et d’autres paramè-tres. La figure 93 montre une disposition possibled’un système de surveillance à distance.

10.4.3 Transmission de donnéesBien que l’unité de surveillance et de conduite despompes soit capable de fonctionner de manièretotalement indépendante, la transmission dedonnées est cruciale pour un bon fonctionnementdu système. La durée du transfert des donnéespeut être réduite si l’unité de contrôle s’occupe detoutes les analyses localement et stocke ensuiteles résultats dans sa mémoire. Il est possible de netransférer que les données analysées, à la place detoutes les autres données, au système central.Cela permet aussi à l’unité de contrôle de fonc-tionner de façon autonome, sans être connectéeen permanence à l’ordinateur central.

On peut aussi stocker le résultat au niveau de lasous–station pendant une période de temps don-née, généralement une semaine, après quoi elleest transmise d’un seul bloc. C’est une dispositionimportante en cas de rupture de communicationavec l’unité centrale.

La transmission de donnée est configurée defaçon à répondre aux besoins de l’utilisateur. Lesvoies de communication possibles sont diverses :réseau téléphonique commuté, modems radio,modems GSM ou autres. Il est également possibled’utiliser des lignes privées, mais ce choix estrarement fait à cause du coût de la location men-suel et de la fiabilité incertaine. Un modem estindispensable aux deux extrémités de la ligne decommunication de façon à pouvoir moduler lesdonnées transférées. Le choix entre les différentesméthodes de transfert est fait par le client, quidoit alors garder à l’esprit les coûts d’installation,de transmission et les possibilités offertes parchaque méthode.

En général, les modems radios et les lignes privé-es sont utilisés sur de faibles distances et toujoursdans les cas ou il est souhaité une communicationen continu, par exemple avec une boucle de con-trôle entre un réservoir d’eau potable et le débitentrant à la station. Si l’on utilise le réseau publiccommuté, la distance entre la station de pompa-ge et le système de surveillance central est prati-quement illimitée. Le réseau public permet aussi à

une troisième partie, telle qu’un fournisseur d’é-quipements ou une société de service, d’avoiraccès à une partie des données.

La technologie de communication moderne GSMoffre des solutions intéressantes pour la surveillan-ce et la conduite à distance de sous-stations trèséloignées. Le GSM offre la meilleure solution pourles installations rétrocédées, car les lignes PSTNsont onéreuses et leur fiabilité est limitée. Il est évi-dent que la connexion par modem GSM va devenirdans l’avenir l’une des techniques les plus utilisées.

10.4.4 Transfert d’alarmesLes alarmes survenant dans la sous–station sonttransmises au centre de surveillance où elles sontstockées dans la base de données. Le logiciel fonc-tionnant sur le PC central inclut un classementdes alarmes ainsi qu’un calendrier des astreintesdu personnel de service, ce qui lui permet d’envo-yer l’alarme en temps voulu à la bonne personne(à la condition que cette alarme soit classéecomme à reporter). Le système de surveillancecentral est parfois équipé d’une imprimante d’a-larmes séparée qui imprime toutes les alarmespour analyse ultérieure.

L’alarme est normalement transmise au télépho-ne GSM de la personne de service, sous la formed’un message SMS (texte). Le message peut aussicomprendre un texte d’alarme, le nom de la sta-tion et d’autres informations concernant les pom-pes (marche/arrêt/défaut), le débit entrant dansla station, le volume pompé journellement, lesautres alarmes actives (classées comme à ne pastransmettre), etc.

Il est aussi possible de transmettre les alarmes surun pageur. Le système de surveillance central créele texte d’alarme à reporter, contacte l’opérateuret envoie le message qui apparaît alors sur lepageur. Ce message contient en général des infor-mations codées sur l’identité de la station et letype d’alarme.

L’unité centrale a également la possibilité detransmettre les alarmes via des messages vocaux.Un texte vocal correspondant à l’alarme est stoc-ké sur le disque dur, récupéré par le logiciel ettransmit à l’opérateur par la voie téléphonique.L’ordinateur peut être programmé pour appelerdifférents numéros, jusqu’à ce que l’alarme soitreçue par un opérateur.

95

Surveillance et conduite des stations de pompage 10

Page 97: Sewage Handbook Gfd

10.4.5 Intégration du systèmeUn système de surveillance et de conduite de sta-tions de pompage d’eaux usées peut s’intégré àun autre système de contrôle, comme un systèmede surveillance de station d’épuration ou un systè-me appartenant à une compagnie des eaux.

L’intégration ne signifie pas que tout le systèmefonctionne sur le même ordinateur avec le mêmelogiciel. Il est préférable d’utiliser des logicielsadaptés à chaque application puis de les combi-ner à un niveau donné. Il peut y avoir, par exem-ple, un logiciel commun pour la gestion et letransfert des alarmes. Pour que l’intégration soitpossible, les systèmes doivent fonctionner avecdes protocoles standards communs, comme celuides PC ; remarque valable aussi pour les standardsde transmission et les protocoles d’entrées et desortie des signaux.

10.5 Surveillance et conduite à dis-tance via Internet et le WAP

Le transfert d’alarme au personnel de service parSMS est une source d’information en sens unique.Si le technicien avait la possibilité de contrôler lesystème et de modifier quelques paramètresvitaux à partir de son téléphone mobile, on pou-rrait alors vraiment parler de centre de contrôlemobile totalement flexible.

Les dernières innovations dans le domaine destechniques de télésurveillance utilisant Internetet le WAP permettent de largement dépasser leslimitations des systèmes traditionnels décrits plushaut. Les systèmes de surveillance via Internet etle WAP sont d’un réel intérêt pour les collectivités.La figure 104 montre un diagramme de surveillan-ce et de conduite basé sur le WAP ou sur Internet.

96

10 Surveillance et conduite des stations de pompage

Le système Grundfos de surveillance et de conduite par Internet/WAP permet d’avoir un centre de contrôle mobile com-plet à partir d’un téléphone cellulaire WAP. De plus, le système passe par Internet pour le stockage de données ce quipermet au client de conduire sa sous-station et d’éditer des rapports à partir de n’importe quel ordinateur connecté àInternet. Le système donne également accès à toutes les possibilités de surveillance et de conduite à distance définiespar un contrat d’entretien.

Fig. 94

CONNEXION WAP À LA SOUS-STATION

CONNEXION WAP À LA SOUS-STATION

CONNEXION WAP À LA SOUS-STATION

NAVIGA-TEUR INTERNET

NAVIGATEUR INTERNET

NAVIGATEUR INTERNET

SOUS-STATIONSRESERVOIR D’EAU

STATION DE RELEVAGE

ARRIVEE D’EAUSTATION DE SURPRESSION

SOUS-STATIONS

RESERVOIR D’EAU

STATION DE RELEVAGE

ARRIVEE D’EAU

STATION DE SURPRESSION

SOUS-STATIONSRESERVOIR D’EAU

STATION DE RELEVAGE

ARRIVEE D’EAU

STATION DE SURPRESSION

CLIENT A

CLIENT B

WAP

INTERNET

SYSTÈME DESUPERVISION GRUNDFOS

CLIENT C

SE

RVEUR INTERNET

Page 98: Sewage Handbook Gfd

Les systèmes de surveillance et de conduite utili-sant Internet permettent de visualiser des donné-es d’historique de la sous-station à partir de n’im-porte quel endroit ; il est possible d’autoriser à quil’on veut la collecte d’information. Après avoirentré le mot de passe de l’opérateur, le techniciende service, l’ingénieur responsable du système,l’utilisateur final, etc. est autorisé à consulter deshistoriques de données concernant la sous-sta-tion depuis un an à partir de son propre ordina-teur de bureau. La figure 95 montre la page Webque Grundfos a élaboré pour les contrôles demaintenance.

97

Surveillance et conduite des stations de pompage 10

A partir d’Internet, les clients peuvent éditer des historiques de leur propre sous-station, quel qu’en soit l’emplacement.Il est facile de partager ces informations avec toute personne autorisée dans l’organisation : personnel d’entretien, per-sonnes d’astreinte, responsables, ainsi qu’avec les concepteurs du système de relevage.

Fig. 95

Page 99: Sewage Handbook Gfd

Symboles

A aireAW surface utile au sol de la stationa vélocité de l’onde de chocD diamètre interne de la tuyauterieFa force axialeFr force radialefH facteur d’incertitude dans la mesure

de HMTfmax fréquence maximumfmin fréquence minimumfN fréquence nominalefQ facteur d’incertitude dans la mesure

du débitg accélération de la pesanteur (9,81 m/s2)H pression totale de la pompe (HMT)H0 pression à débit nulHd pression dynamiqueHf pertes par frottementHG HMT garantieHgéo hauteur géométriqueHJ pertes de charge dans la tuyauterieHJn pertes de charge singulièresHJp pertes de charge dans les tuyauteries

de refoulementHJt pertes de charge dans les tuyauteries

d’aspirationHmax HMT maximum autoriséeHmin HMT minimum autoriséeHr pertes de pressionHrt pertes de pression dans la tuyauterie

amontHs pertes de pression discontinuesHst hauteur statiqueHt HMT théoriqueHt∞ HMT idéaleHv pertes par fuitesh hauteurhA différence de hauteur entre un plan

de référence et le bord extérieur de l’aubehs niveau d’arrêt de la pompeht hauteur géométrique amontI courant électriqueIl courant de ligneIph courant de phasek coefficientL longueur

l largeurMB masse du socle en béton (kg)MH incertitude dans la mesure de la HMTMQ incertitude dans la mesure du débitm masseNPSH hauteur nette positive à l’aspirationn vitesse de rotationnN vitesse de rotation nominaleP puissance absorbée par l’hydrauliquePgr puissance absorbée par la pompep pressionpb pression ambiante au niveau du liquidepL pression atmosphérique dans la station

de pompagepm quantité de sable en poidspmin pression statique minimum à la pompepu pression atmosphérique dans le réservoir

d’arrivéepv pression de vapeur du liquide, quantité

de sable en volumeQ débit volumiqueQ0 débit volumique à HMT 0Ql débit volumique, une pompeQll débit volumique, deux pompesQin débit entrantQN débit volumique nominalq quantité de liquideRe nombre de ReynoldsS inclinaison de la courbeT durée d’un cyclet temps de fonctionnement d’une pompetH facteur de tolérance de la HMTtQ facteur de tolérance du débitUl tension de ligneUph tension de phaseu vitesse périphériqueV volumeVG volume d’eau de la stationVH volume utile de la stationVh volume utile de la stationv vitesse réelle du fluideV2 vitesse du liquide à l’entrée de la pompevm composante radiale de la vitesse réellevu composante tangentielle de la vitesse

réellew vitesse relative à l’aubeXH facteur de tolérance de la HMTXQ facteur de tolérance du débitZ fréquence de démarrages

98

Symboles

Page 100: Sewage Handbook Gfd

Z1.2 hauteur du manomètre au-dessus du niveau de l’eau

Zlmax fréquence de démarrages maximum de la pompe

Zllmax fréquence de démarrages maximum de la pompe

Zmax fréquence de démarrages maximum de la pompe

β angle de l’aube de la roueΔh chute de pression locale à l’entrée

de la roue mobileΔh différence de pressionΔHL écart le plus faible autorisée de la HMTΔHT écart autorisé de la HMTΔHU écart le plus élevé autorisé de la HMTΔQL écart le plus faible autorisé au débitΔQT écart autorisé au débitΔQU écart le plus élevé autorisé au débitΔv écart de vitesse d’écoulementζ facteur de résistance singulièreη rendement de l’hydrauliqueηgr rendement globalηh rendement hydrauliqueηmot rendement du moteurλ facteur de frictionμ durée du cycle de réflexionν viscosité cinématiqueρ densité du fluide

99

Symboles

Page 101: Sewage Handbook Gfd
Page 102: Sewage Handbook Gfd

Facteurs de pertes de char-ge locales

Embranchements

101

Appendice A

Qh vh

Qs

vs v

Q

Qh vh

Qs

vsv

Q

Débits divergents

Qh/Q α= 90º α= 45º

ζh0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

ζs ζh ζs0,95

0,88

0,89

0,95

1,10

1,28

0,04

-0,08

-0,05

0,07

0,21

0,35

0,90

0,68

0,50

0,38

0,35

0,48

0,04

-0,06

-0,04

0,07

0,20

0,33

Débits convergents

Qh/Q α= 90º α= 45º

ζh0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

ζs ζh ζs-1,00

-0,40

0,08

0,47

0,72

0,91

0,04

0,17

0,30

0,41

0,51

0,60

-0,90

-0,38

0,00

0,22

0,37

0,37

0,04

0,17

0,19

0,09

-0,17

-0,54

Page 103: Sewage Handbook Gfd

102

Appendice A

Qhvh

Qs

vs v

Q

45

Qhvh

Qs

vs v

Q

45

DébitsdivergentsQh/Q

ζh0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

ζs-0,82

-0,30

0,17

0,60

1,04

1,38

0,06

0,24

0,41

0,56

0,80

1,13

DébitsconvergentsQh/Q

ζh0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

ζs0,92

0,97

1,12

1,31

1,50

0,06

-0,06

0,00

0,09

0,20

0,30

Page 104: Sewage Handbook Gfd

Coudes

103

Appendice A

D

R

D

D

R

D

D

R

90

R/D = 1,5; ζ = 0,4 R/D = 1,5; ζ = 0,7

R/D

ζ

R/D

ζ

1

0,36

8

0,27

2

0,19

10

0,32

3

0,16

12

0,35

4

0,15

16

0,39

6

0,21

20

0,41

Page 105: Sewage Handbook Gfd

104

Appendice A

D

R

α

ζ

α

ζ

20º

0,03

90º

1,00

40º

0,12

120º

1,86

50º

0,24

140º

2,43

70º

0,54

180º

3,00

80º

0,74

ζ

α R/D

1

20º

40º

60º

80º

90º

120º

140º

160º

180º

2 4

0,07

0,13

0,20

0,27

0,32

0,39

0,46

0,52

0,60

0,03

0,06

0,10

0,13

0,15

0,19

0,23

0,26

0,30

0,03

0,06

0,09

0,12

0,13

0,17

0,20

0,23

0,26

Page 106: Sewage Handbook Gfd

Augmentations et réductions

105

Appendice A

v1 v2

v1

A1

A2

v2

βº

5

10

15

20

30

40

k

0,13

0,17

0,26

0,41

0,71

0,90

βº

45

50

60

70

80

90

k

0,93

1,05

1,12

1,13

1,10

1,07

βº

100

120

140

160

k

1,06

1,05

1,04

1,02

HJn =

HJn ≈ 0

(V1_ V2)2

2g

Non compris les pertes par friction

Page 107: Sewage Handbook Gfd

106

Appendice A

A1

A2

v2v1

v2v1<<v2

v2v1<<v2

A2/A1

ζ2

A2/A1

ζ2

0

0,50

0,5

0,24

0,1

0,46

0,6

0,18

0,2

0,41

0,7

0,12

0,3

0,36

0,8

0,06

0,4

0,30

0,9

0,02

HJn = 0,5V

2g

22

HJn = ζV2g

22

HJn = 0,5V

2g

21

Page 108: Sewage Handbook Gfd

Combinaison de coudes Types d’aspiration

107

Appendice A

ζ = 2 x ζ90º

ζ = 3 x ζ90º

ζ = 3,0

ζ = 0,2

ζ = 0,05ζ = 4 x ζ90º

Page 109: Sewage Handbook Gfd

Vannes et clapets

La valeur de ζ dépend principalement de sa forme. Il faudra utiliser les valeurs des fabricants lorsqu’elles sontdisponibles.

Les valeurs de ζ ci-dessus sont données pour des vannes ou des clapets complètement ouverts. En positionentrouverte, ζ peut être de 1,5 à 2 fois plus élevé. Selon la forme et la position, un certain débit minimum estrequis dans la vanne ou le clapet pour que l’on puisse le considérer comme étant complètement ouvert. Desinformations précises sur chaque vanne et clapet sont disponibles chez le fabricant ou le fournisseur.

108

Appendice A

Vannes papillon sans réduction : ζ = 0,1 à 0,3Vannes papillon avec réduction : ζ = 0,3 à 1,2

Clapets à boule ζ = 1,0 (ouvert en grand)

Clapets à battant ζ = 0,5 à 1,0 (ouvert en grand)

Page 110: Sewage Handbook Gfd

Fréquences de démarrage et capa-cité de pompage des stations derelevage

Dans une station de pompage, le volume utilecomprend le volume d’eau situé au-dessus duniveau d’arrêt le plus bas des pompes ; il fluctueselon la façon dont les pompes fonctionnent etselon l’importance du débit entrant. La fréquencede démarrages des pompes est fonction de leurdébit respectif et de la quantité d’eau entrante.

Les différents cas suivants sont envisagés :• station équipée d’une seule pompe,• station équipée de deux pompes en fonction-nement alterné,• stations équipées de plus de deux pompes.

Station équipée d’une seule pompeLe volume d’eau entrant durant une unité detemps (un cycle) peut s’écrire :

Qin = débit entrantT = durée du cycle

La pompe doit pomper le même volume pendantle cycle, d’où

Q = débit de la pompet = temps de fonctionnement de la pompe

Si l’on combine les équations B1 et B2, on obtient :

Lorsque la pompe s’arrête, le volume entre le nive-au de marche et le niveau d’arrêt Vh se remplitpendant un temps T - t, d’où :

Si l’on substitue l’expression de B3 à t :

La résolution de l’équation B5 pour T permet d’ob-tenir :

La fréquence de démarrages est la valeur inversede T, ce qui donne :

La fréquence de démarrages est fonction du ratioQin/Q, comme sur la Figure B1.

Une division de l’équation B7 par Qin donne :

L’équation B8 est égale à O quand Qin = ? Q

Supposons que Qin = ? Q dans l’équation B7 :

109

Appendice B

Zmax

Qin/Q

Z [%]

Courbe Z de la fréquence de démarrages pour une sta-tion de pompage équipée d’une seule pompe, fonc-tion du rapport entre le débit entrant Qin et le débitde la pompe Q.

Fig. B1

Page 111: Sewage Handbook Gfd

La capacité de pompage de la station est obte-nue :

L’équation B10 est représentée graphiquement surla Figure B2.

Dans la pratique, on peut rencontrer des situa-tions où le débit entrant dans la station est trèspetit et seulement transitoire, par exemple lors-qu’une station reçoit les effluents de quelquesmaisons. Dans ce cas, il faut sélectionner unecapacité plus grande de la pompe de façon àatteindre une vitesse d’écoulement suffisammentrapide dans la tuyauterie de refoulement pouréviter la sédimentation. Dans cette situation leratio Qin/Q est tout petit et la valeur Zmax n’estpas atteinte du tout ou seulement de temps entemps.

110

Appendice B

1000

100

10

Vh [m3]

2 10 100 1000

Q [l/s]

0,12000

1

Q = Débit de la pompe, l/s

Vh = Volume utile, m3

Zmax = Fréquence de démarrages maximum, 1/h

Diagramme pour la détermination du volume utiled’une station de pompage avec une seule pompe.

Fig. B2

Niveau de démarrage 2

Niveau de démarrage 1

NiveauŁd'arrêt

Qin

Ql ou Qll

Hh

A B

Station de pompage équipée de deux pompes fonc-tionnant alternativement. La pompe de service se meten route lorsque l’eau arrive au niveau de démarrage1. Si le débit entrant dépasse les capacités de lapompe, celle de secours démarre au niveau de démar-rage 2. Les pompes alternent service et secours à cha-que cycle de fonctionnement.

Fig. B3

A AB

t

t

T

t Qin /Ql < 1

AB t

Tt1 Qin /Ql > 1

BA

t2

Diagramme du temps de fonctionnement de lapompe de service et de la pompe de secours lorsque ledébit entrant (Qin) est soit plus petit, soit plus grandque celui d’une seule pompe (QI).

Fig. B4

Page 112: Sewage Handbook Gfd

Station équipée de deux pompes en fonc-tionnement alternéLe principe de fonctionnement d’une station équi-pée de deux pompes identiques est exposé à laFigure B3. A chaque cycle de fonctionnement, lapompe passe de l’état service à l’état secours.Lorsque le liquide dans la station atteint le pre-mier niveau de démarrage, la pompe de service semet en route. Le volume d’eau est pompé jus-qu’au niveau d’arrêt où la pompe stoppe, ce quipermet au liquide de remonter de nouveau jus-qu’au premier niveau de marche, alors le cycle estcomplet.

La pompe de service seule est capable de relever ledébit normal entrant dans la station, et la pompede secours ne démarrera que si le débit entrant(Qin) est supérieur à la capacité d’une pompe (QI)et que le liquide continue de monter jusqu’àatteindre le deuxième niveau de marche, faisantdémarrer la deuxième pompe. Si la capacité com-binée des deux pompes (QII) est supérieure audébit entrant, les deux pompes s’arrêtent ensem-ble lorsque l’eau atteint le niveau d’arrêt.

La Figure B4 propose un diagramme de cycle defonctionnement de deux pompes en alternance,ainsi que son principe d’utilisation.

111

Appendice B

Qin = Débit entrant, l/s

Qin/Ql <1 Qin/Ql >1

Ql (l/s)

Ql

Vh

(m3)

Qll

VH = Volume utile au niveau de démarrage 2, m3Vh = Volume utile au niveau de démarrage 1, m3Zlmax = Fréquence de démarrages maximum lorsque Qin>Ql, 1/hZlmax = Fréquence de démarrages maximum lorsque Qin<Ql, 1/hQll = Capacité de pompage de deux pompes lorsque Qin/Ql >1, l/sQl = Capacité de pompage lorsque Qin/Ql <1, l/s

Diagramme pour la détermination du volume utile Vh et de la fréquence de démarrages Z pour une station de pompa-ge équipée de deux pompes en fonctionnement alterné.

Fig. B5

Page 113: Sewage Handbook Gfd

Qin < QI

On peut utiliser les équations B9 et B10 dans lessituations où le débit entrant est inférieur audébit d’une pompe, pour le calcul de la fréquencede démarrages de chaque pompe. Lorsque lespompes fonctionnent alternativement, le résultatest divisé par deux, d’où :

La résolution des équations B11 et B12 est donnéegraphiquement à la Figure B5.

Qin > QI

Dans le cas ou le débit entrant est supérieur audébit d’une pompe, il faut considérer deux fac-teurs supplémentaires : le rapport de la capacitéde pompage de la station au premier niveau dedémarrage, Vh et au deuxième niveau de déma-rrage, VH, et la capacité de pompage des deuxpompes ensemble, QII. L’équation suivante, pourla fréquence de démarrages, en est dérivée :

L’équation B13 peut être résolue par différentia-tion, mais l’expression en est très complexe. Unereprésentation graphique de la solution est pro-posée par la Figure B5.

La Figure B6 montre la relation entre la fréquencede démarrages et le ratio Qin/QI. On peut consta-ter que le nombre de démarrage augmente sensi-blement lorsque les conditions requièrent unfonctionnement en parallèle. On trouve, sur cediagramme, une valeur maximum ZIImax.

Le diagramme de la Figure B7 montre l’effet duratio Vh/VH sur Z lorsque VH est constant et Vhvariable. Dans le cas ou le ratio QII/QI est 1,6. Onpeu conclure, au regard de la Figure B7, que lors-que le premier niveau de démarrage est plus bas,cela diminue ZIImax et augmente ZImax.

Le diagramme de la figure B8 montre l’effet duratio QII/QI sur Z lorsque Vh/VH a une valeurconstante de 0,8. Lorsque les pertes de chargedans la canalisation augmentent, cela a pour effetde diminuer QII/QI ainsi que ZIImax.

Si les pompes ont été déterminées de façon à cequ’une seule puisse fournir tout le débit, ZIImaxn’est plus significatif.

Station de pompage équipées de plus dedeux pompesOn peut diviser en deux catégories les stationséquipées de multiples pompes :• Stations avec un niveau d’arrêt commun à tou-

tes les pompes,• Stations avec des arrêts différents pour chaque

pompe ou étagés.A chaque cycle de démarrage, il y a normalementalternance de pompes, pour permettre une usureidentique du matériel.

112

Appendice B

Qin/Ql < 1 Qin/Ql > 1

Qin/QlQll

Zllmax

Zlmax

Z

Fig. B6

Courbe de fréquence de démarrage Z pour une pompeet pour deux pompes dans une station de pompageéquipée de deux pompes en fonctionnement alterné enfonction du rapport entre le débit entrant Qin et celuide la pompe QI.

Page 114: Sewage Handbook Gfd

Capacité de pompage des stations et fré-quences de démarrage Lorsque plusieurs pompes sont installées dansune même station de pompage, la fréquence dedémarrages évolue de façon importante avec lesvariations du débit entrant. Cette fréquence dedémarrages évolue entre zéro et différentesvaleurs de pointe.

De grandes variations de débit sont fréquentesdans le pompage d’eau usées, ce qui rend impos-sible et donc inutile un calcul numérique des fré-quences de démarrage de chaque pompe. Il estpossible, à l’aide de diagrammes appropriés, dedéterminer la capacité totale des pompes et lesfréquences de démarrage, sur lesquelles s’appuie-ra la conception de la station dans tous les caspratiques.

On peut utiliser les diagrammes suivants selon lesdifférents types de stations considérés.

Niveau d’arrêt communLa figure B9 propose un diagramme grâce auquelil est possible de retrouver VH ou Z, en fonction dudébit total Qoverall.

Pour chacune de ces catégories, il est conseillé dediviser le volume total de pompage (VH) par desniveaux de démarrage à intervalles identiqueslorsque les pompes sont du même modèle. Si lespompes sont de tailles différentes, on peut diviserle volume de pompage en intervalles proportion-nels à la capacité des pompes. L’utilisation d’équi-pements de contrôle électronique de niveaumodernes facilite l’optimisation des niveaux dedémarrage, aussi bien manuellement qu’automa-tiquement.

113

Appendice B

Qin/Ql

Vh/VH = 0,4 Vh/VH = 1,0

Z

0

1,0

0,6

0,8 0,4

0,6

0,8

1,0 1,6

Fig. B7

Courbes de fréquence de démarrage pour différentsrapports Vh/VH avec VH constant et un rapport QII/QIde 1,6.

Qin/Ql

Z

0

2,0

1,0

Qll/Q=

1,81,6

1,41,2

Fig. B8

Courbes de fréquence de démarrage pour différentsrapports QII/QI et un rapport Vh/VH de 0,8.

Page 115: Sewage Handbook Gfd

Niveaux d’arrêt étagésLa figure B10 propose un diagramme grâce auquelil est possible de retrouver VH ou Z, en fonction dudébit total Qoverall.

Fréquence de démarrages recommandéeLa sollicitation et l’usure des équipements de con-trôle et de la pompe est complètement subordon-née au nombre de démarrages et d’arrêt, sur unelongue période, par exemple un an, lorsqu’unefréquence de démarrages importante est autori-sée à court terme. Si des pics de fréquences dedémarrages sont utilisés pour dimensionner lastation, leur occurrence devra être étudiée. Ainsiqu’il a été démontré plus haut, la valeur maxi-mum de nombre de démarrages pour une pompeZImax n’est jamais atteinte en réalité. De la mêmefaçon, la fréquence de démarrages maximumpour deux pompes fonctionnant en parallèleZIImax est généralement supérieur (de 1,5 à 2 fois)à ZImax et ne survient qu’occasionnellement.

114

Appendice B

PompePompe Pompe Pompe

Marche

Marche

Marche

Marche

Arrêt

Pour des pompes identiques :etc.

Qoverall = Débit, l/s

Qoverall [l/s]

VH [m3]

V1 V2 V3

V1

V2

V3

V4

1 2 3 4

= Volume utile au niveau le plus haut, m3= Nombre approximatif de démarrages de pompes, 1/h

VH

Z

Fig. B9

Diagramme des fréquences de démarrage pour une station de pompage ayant plus de deux pompes et un niveau d’ar-rêt commun.

Page 116: Sewage Handbook Gfd

On peut déterminer la fréquence de démarragesen fonction des recommandations données parles constructeurs concernant la pompe et leséquipements. Le tableau suivant propose des fré-quences de démarrages admissibles pour lespompes submersibles :

115

Appendice B

Marche

Marche

Marche

Arrêt

Pour des pompes identiques :etc.

Qoverall = Débit, l/s

VH [m3]

Qoverall [l/s]

Marche

Arrêt

Arrêt

Arrêt

V4

V3

V2

V1

VH

V1 V2 V3

PompePompe Pompe Pompe1 2 3 4

= Volume utile au niveau le plus haut, m3= Nombre approximatif de démarrages de pompe, 1/h

VH

Z

Puissance de la pompe

0...5 kW

5...20 kW

20...100 kW

100...400 kW

Z admissible

25 1/h

20 1/h

15 1/h

10 1/h

Fig. B10

Diagramme des fréquences de démarrages pour une station de pompage ayant plus de deux pompes et des niveauxd’arrêts étagés.

Page 117: Sewage Handbook Gfd

Dia

gram

me

de p

erte

s de

ch

arge

dan

s le

s tu

yau

teri

es

pou

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20

°CQ

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Dia

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mk

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J=

Pert

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00

m

Q=

12 l/

sD

=10

0 m

mk

=0,

1 m

mH

J=

2,5

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10

0 m

Exem

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Val

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Aci

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Aci

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tiré

Aci

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Cim

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0,0

10,

05

0,1

0,0

50,

10,

250,

150,

120,

3 à

2,0

0,0

25

Tuya

ux

neu

fsk

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)

0,25 1,0

1,0

0,25

0,25 1,0

Tuya

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)M

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Page 118: Sewage Handbook Gfd

Dia

gram

me

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Cou

de

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0º,

R/D

= 1

,50,

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0 (t

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Cla

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0,7.

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vite

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ent

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Pert

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arge

, m

Exem

ple

Q=

12 l/

sD

=10

0 m

mv

=1,

55 m

/sΣ

ζ=

5H

J=

0,6

m

Page 119: Sewage Handbook Gfd