Contrôle du débit d’eau – Fonctionnement

Qu’est-ce que les vannes de régulation de débit ?

Les vannes de contrôle de débit sont conçues pour maintenir un débit maximal constant prédéfini, indépendamment des variations de la demande ou de la pression du système. La limitation du débit est nécessaire aux points de sortie des systèmes principaux vers les consommateurs tels que les systèmes secondaires (ligne principale vers ligne de bouche d’incendie ; ligne de bouche d’incendie vers ligne de distribution), réservoirs, etc., afin de protéger le système d’alimentation contre la surconsommation. La consommation est déterminée par la demande des utilisateurs en aval de la vanne de contrôle de débit — selon le nombre d’émetteurs sur le terrain et leurs données de débit, le nombre d’utilisateurs irriguant simultanément, ainsi que les composants extérieurs tels que les réservoirs et les systèmes de secours.

Débit du système en fonction du temps avec limiteur d’ouverture et sans (ligne en pointillés)

Ne pouvant pas contrôler les utilisateurs, les concepteurs utilisent des vannes de contrôle de débit afin de garantir que le débit ne dépasse pas de manière significative le débit de conception. En limitant le débit, nous protégeons le système d’alimentation contre une demande excessive, en le priorisant par rapport aux utilisateurs lorsqu’ils tentent de consommer au-delà des spécifications du système.

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Introduction

La modernisation de l’irrigation vise à économiser l’eau et l’énergie en améliorant l’infrastructure d’irrigation — en passant de l’irrigation gravitaire à des systèmes sous pression et, ce faisant, en augmentant l’efficacité de l’irrigation et en optimisant l’utilisation des ressources en eau existantes. La conception hydraulique des systèmes d’irrigation sous pression repose sur deux paramètres principaux : le débit et la pression. Sur la base de ces paramètres, la conception complète du système est établie : les pompes sont sélectionnées, le type et la taille du système de filtration sont déterminés, les matériaux et diamètres des conduites principales et de distribution sont définis, en plus du nombre, des dimensions et de l’emplacement des réservoirs requis.

L’utilisation d’un débit plus faible sur une plus longue durée fait du « schéma d’exploitation de l’irrigation » (postes d’irrigation) un outil de conception principal pour réduire l’énergie requise ainsi que le diamètre des canalisations et des composants du système. L’irrigation est alors divisée en postes permettant des économies d’énergie et de coûts initiaux. Cette conception détaillée repose sur le fait que le débit dans la conduite principale et le débit requis pour chaque poste d’irrigation sont connus.

Ainsi, si nous ne limitons pas le débit dans les systèmes comportant plusieurs utilisateurs, la consommation non contrôlée entraînera une chute de pression significative dans l’ensemble du système. Cela peut provoquer la cavitation de la pompe et des composants, une surcharge de la consommation d’énergie, la génération d’air, l’aspiration de saletés, etc. Un écart important de plus de 10 à 15 % par rapport aux paramètres de conception connus de débit et de pression entraînera un système d’irrigation qui fonctionne très mal. Cela peut être évité en mettant en place des vannes de limitation de débit.

Une demande sur le terrain supérieure au débit prévu peut survenir en raison de :

• Remplissage de la conduite
• Changement des tours d’irrigation
• Rupture
• Rétrolavage du filtre
• Remplissage du réservoir

Applications de contrôle du débit dans les systèmes d’irrigation

1. Protection de la pompe et du système

a) Limiter le débit à la sortie vers la parcelle afin de protéger la pompe contre la surcapacité, la surcharge et la cavitation, et de maintenir le débit de conception.
b) Limiter le débit sur la conduite principale afin de protéger la pompe et le système contre la surcharge et la cavitation, pour maintenir une courbe de pompe plate comme illustré dans le graphique ci-dessous. Lorsque la demande est nettement supérieure au débit de conception :

• La pression fournie sur le terrain est réduite 
• La turbine de la pompe tourne à une vitesse très élevée, ce qui entraîne des conditions de cavitation et une charge verticale sur l’arbre.
• La consommation électrique dépasse les paramètres de conception, entraînant une utilisation de courant plus élevée qui pourrait provoquer des problèmes de pompe en raison d’une surcharge du réseau électrique.

2. Les lignes vides « remplissent » le contrôle 

Contrôle de débit pour les systèmes qui sont vidangés entre les cycles d’irrigation, tels que :

• Machines d’irrigation et pivots centraux
• Systèmes d’arrosage en pente
• Systèmes de goutte-à-goutte non compensés à basse pression
• Systèmes d’irrigation par impulsion  

La vidéo suivante montre le processus de remplissage d’une machine d’irrigation (pivot central) :

3. Contrôle du débit pendant le lavage à contre-courant du filtre

Contrôle du débit afin d’éviter l’écoulement du fluide hors du filtre, des tamis et l’éventuel effondrement de l’élément filtrant, tout en économisant l’eau et l’énergie.

La vidéo suivante présente différents types de vannes de contrôle nécessaires dans un système de filtration, parmi lesquelles des vannes de contrôle de débit :

4. Remplissage du réservoir et contrôle du niveau

Les vannes de régulation de niveau contrôlent l’ouverture lorsque le niveau d’eau dans le réservoir baisse. Lorsque cela se produit en même temps que le système fonctionne/irrigue, cela peut entraîner une chute de pression pour tous les autres utilisateurs. Ainsi, en limitant le débit de remplissage du réservoir, nous protégeons le système contre ce type de chute de pression. De plus, l’utilisation d’une vanne de contrôle de débit et de niveau permet de protéger à la fois la vanne et le réservoir contre les débits de remplissage élevés et les phénomènes de cavitation.

Systèmes avec vannes de contrôle de débit – Principes

1. Vannes de contrôle de débit réagissent à une augmentation des paramètres qu’elles contrôlent en se fermant progressivement.
2. Il s’agit d’un processus « progressif » = une augmentation de la demande entraîne une réduction progressive du débit par la vanne.
3. Plus la vanne se ferme, plus la pression en aval diminue.
4. Lorsque la demande est inférieure aux paramètres de conception, la vanne s’ouvre complètement.

Si le débit réglé de la vanne est égal au débit nominal prévu, la vanne sera constamment en mode de régulation, ce qui entraînera une perte de charge plus élevée (pression aval plus faible au champ) et des conditions de fonctionnement plus exigeantes, augmentant le risque de dommages par cavitation de la vanne.

Quelques bonnes raisons de calibrer 10 à 15 % au-dessus du débit de conception :

Bermad recommande fortement d’étalonner la vanne de contrôle de débit à 10-15 % au-dessus du débit nominal de conception de la parcelle pour les raisons suivantes :

1. Si le débit de consigne de la vanne est égal au débit nominal prévu, la vanne sera constamment en mode de régulation, les utilisateurs subiront une pression de service faible et la vanne sera en permanence soumise à des conditions de fonctionnement difficiles.
2. La probabilité que tous les utilisateurs d’un système d’irrigation sous pression irriguent en même temps est statistiquement faible ; par conséquent, le risque de demande excessive dans le système, même lorsque le réglage est 15 % au-dessus du débit nominal, est très peu probable.
3. Les considérations de conception portent sur les calculs énergétiques et l’utilisation de vannes avec une perte de charge minimale est souhaitée. Forcer les vannes à être constamment en mode de régulation perturbe et contredit cette tendance.
4. Si nous réglons sur le débit nominal, le débit n’augmentera pas même en cas de rupture sur la parcelle, empêchant ainsi le contrôleur du système d’identifier et d’alerter en cas de rupture.

Vanne de régulation de débit – Capteurs de débit courants & méthodes de contrôle

1. Orifice amont comme capteur de débit

Fixée en amont de la vanne, la plaque à orifice usinée est dimensionnée pour créer une pression différentielle connue pour un débit donné.

2. Conduit de pression différentielle (orifice-tube interne) comme capteur de débit

Le conduit interne de pression différentielle est en réalité un dispositif interne, installé à l’intérieur de la vanne, conçu pour détecter une pression différentielle connue pour un débit donné. Les avantages du TubeOrifice par rapport à l’orifice standard sont les suivants :

3. Orifice aval comme capteur de débit (pour les applications de remplissage de réservoir)

Situé en aval de la vanne, la pression différentielle à l’orifice peut être déterminée en contrôlant uniquement la pression d’entrée de l’orifice, car la pression en aval de l’orifice est constante et égale au niveau d’eau du réservoir. La vanne limite le débit de remplissage du réservoir en réduisant simplement la pression en amont de l’orifice (entre l’orifice et la vanne), donnant ainsi la priorité aux consommateurs par rapport au remplissage du réservoir, tout en assurant le contrôle du niveau et la protection contre la cavitation de la vanne.

4. Pilote à palette comme capteur de débit

• Si la demande augmente, la vitesse d’écoulement s’accroît — poussant le disque, de sorte que le pilote commande la vanne pour se fermer progressivement et limite le débit au réglage du pilote. Si la demande diminue, la vitesse d’écoulement baisse, permettant au ressort du pilote de repousser le disque vers la position verticale et le pilote commande la vanne pour une ouverture totale.
• Cette méthode est associée à une très faible perte de charge (comparée aux capteurs de pression différentielle) et à une plage de réglage très large, facilement ajustable sur site.

Remarque : Pour des vitesses d’écoulement inférieures à 1 m/s, il est recommandé d’utiliser un pilote servo à palette de type 2/3 voies.

Vannes de contrôle de débit – Installations de projets

Système de gestion des points de distribution Orissa, Inde

Les photos ci-dessous présentent un système typique de gestion de sortie en Inde, équipé d’un contrôle de débit et de réduction de la pression par ventouses de terrain (Bermad Modèle IR-2″L-172). Chaque ventouse contrôle l’irrigation d’une parcelle appartenant à un agriculteur différent. Le projet comprend 726 Systèmes de Gestion de Sortie (OMS), chacun incluant une vanne d’isolement, un pré-filtre à pierres, une ventouse, une ventouse de terrain et une automatisation.

Le débit est contrôlé par des pilotes à palette 3 voies.

Bermad est le principal fournisseur de ce projet en cours avec environ 3 500 vannes polymériques ; chacune a été testée et calibrée conformément aux exigences de conception à l’usine Bermad.

L’image de gauche montre la vanne de régulation de débit et de réduction de la pression Bermad modèle IR-172 sur banc d’essai pour les tests et l’étalonnage ; l’image de droite montre l’installation OMS sur site, Orissa, Inde.

Étude de cas : CCRR Callen en Espagne

CCRR Callen en Espagne est un consortium d’irrigation de 1 872 ha composé de 70 utilisateurs qui cultivent du maïs, de l’orge, du blé et de la luzerne. Le consortium souhaitait moderniser son infrastructure d’irrigation car elle était obsolète, inefficace et nécessitait une exploitation manuelle intensive.

La solution d’irrigation intégrée de Bermad pour Callen comprenait une canalisation principale et des solutions anti-bélier, ainsi que des hydromètres IR-972 à réduction de pression et contrôle de débit, commandés à distance, pour chaque parcelle.

Le consortium contrôle à distance chaque hydromètre selon les tours d’irrigation prévus.

Les hydromètres de contrôle de débit IR-972 avec pilote à palette sont installés en tête d’irrigation afin de contrôler :

• Irrigation normale : Maintien de la pression du système et des composants (pompes, conduites, filtres, vannes, ventouses) afin de ne pas dépasser les exigences de conception.
• Remplissage de la conduite : Limite le débit de remplissage de la ligne, prévenant la chute de pression dans le système d’alimentation et le coup de bélier pouvant être causé par une vitesse élevée en fin de remplissage.
• Rupture : Garantit le fonctionnement du système même en cas de rupture de canalisation côté agriculteur.