Prévention du coup de bélier dans les stations de pompage.

Bonjour et bienvenue sur Controlling Water, un espace où nous parlons de vannes, d’eau, de compteurs et d’analyses intéressantes sur l’industrie de l’eau. À chaque épisode, nous recevons des professionnels du secteur spécialisés dans tous les aspects liés aux vannes, aux compteurs et aux bonnes pratiques dans l’industrie de l’eau. Nous sommes ici avec Colin Kirkland, de BERMAD Australia, qui est l’un des ingénieurs en Australie.

Avec plus de 30 ans d’expérience dans le secteur, Colin nous rejoint aujourd’hui pour parler davantage du coup de bélier. Cette fois, nous allons aborder la prévention du coup de bélier dans les stations de pompage. Bon retour parmi nous, Colin. C’est toujours un plaisir de t’avoir ici.

Heureux d’être ici. Merci.

Je suis conscient que c’est une question assez longue, mais pouvez-vous d’abord expliquer pourquoi le coup de bélier se produit, en particulier dans une station de pompage ?

Oui. Eh bien, dans les épisodes précédents, nous avons effectivement discuté de ce qu’est le coup de bélier, et bien sûr, il s’agit d’une augmentation rapide de la pression générée par un changement très soudain du débit. C’est ce qu’une station de pompage fait chaque jour. Ainsi, nous voyons que nous avons de nombreuses stations de pompage où les pompes peuvent démarrer et fonctionner pendant des jours, voire des semaines, ou nous pouvons avoir des pompes qui effectuent 20, 30, 40 démarrages par jour.

L’effet net est que, dans une station de pompage, lorsque vous démarrez une pompe, vous générez un changement de débit. Lorsque vous arrêtez cette pompe, vous générez un changement rapide de débit. Donc ces conditions, avec une montée en puissance contrôlée et une descente contrôlée, se produisent, que cela vous plaise ou non. Tout dépend de la façon dont vous contrôlez cela pour obtenir le résultat final.

Les stations de pompage sont donc probablement l’une des principales sources de génération de coups de bélier dans toutes les industries, que ce soit dans l’exploitation minière, l’eau, l’irrigation ou autre. L’élément clé ici est vraiment de comprendre ce qu’est la conception d’une station de pompage, et de la faire fonctionner efficacement dans des conditions normales de fonctionnement, mais aussi dans des conditions non contrôlées.

En d’autres termes, en cas de panne de courant ou dans des conditions non contrôlées. Ainsi, les stations de pompage sont assurément les plus grands générateurs de coups de bélier que j’ai rencontrés en de nombreuses années.

Alors, comment les concepteurs minimisent-ils généralement cette condition ?

D’accord. Donc, si nous devions concevoir une station de pompage elle-même, si nous pensons aux pompes typiques, nous pourrions avoir un moteur électrique, un accouplement et une pompe. Et lors de la conception de ces pompes, on conçoit généralement une pompe capable de produire suffisamment de débit et d’énergie pour transférer l’eau là où elle doit aller. Et la plupart des gens, lorsqu’ils assemblent cet ensemble de pompage et qu’ils envisagent un moteur électrique, considèrent également différentes voies pour pouvoir démarrer et arrêter ce moteur.

Il existe donc de nombreux procédés qui existent depuis très longtemps. Il y a ce que l’on appelle le DOL, qui signifie démarrage direct sur ligne, et le démarrage direct sur ligne signifie essentiellement que lorsque quelqu’un appuie sur le bouton de démarrage, bam, la pompe démarre immédiatement et c’est parti, on l’arrête et elle s’arrête instantanément. Aucun contrôle, terrible pour l’anti-bélier.

Et puis il y a des dispositifs comme les démarreurs étoile-triangle. Un démarreur étoile-triangle est une configuration en plusieurs étapes qui permet de démarrer sur une période contrôlée pour monter en puissance. Et généralement, la descente est également très mauvaise. Mais aujourd’hui, beaucoup de travaux ont été réalisés sur la manière de contrôler le démarrage des pompes. Il existe de nombreux dispositifs appelés démarrages progressifs ou variateurs de vitesse, ou encore appelés variateurs. Ce sont des produits électriques qui permettent essentiellement au moteur de monter en puissance à une vitesse lente et contrôlée.

Et inversement, lorsqu’on les arrête, ils permettent de ralentir progressivement. Maintenant, ce que la plupart des gens regardent, c’est que lorsqu’ils conçoivent une station de pompage, ils ne prennent généralement pas en compte l’anti-bélier. C’est un aspect secondaire. Ce qu’ils recherchent, c’est que la pompe soit la plus efficace possible. Et ils savent que s’ils démarrent la pompe très rapidement, cela consomme beaucoup d’énergie. Il faut donc 30 % de puissance en plus pour démarrer la pompe. Mais si on le fait avec un variateur et qu’on monte en puissance doucement, on n’a pas besoin d’autant d’énergie. Le moteur est donc plus petit, l’infrastructure est plus petite et c’est plus efficace, donc il existe de nombreuses situations très avantageuses pour démarrer et arrêter ces moteurs efficacement.

Ce que nous examinons toujours, du point de vue de l’anti-bélier, c’est de voir comment vous démarrez et arrêtez la pompe. Et nous pouvons voir quels sont les effets nets sur la qualité de l’anti-bélier, mais ils ne l’envisagent généralement pas sous cet angle. Ils cherchent simplement à ce que cela fonctionne et que cela fonctionne efficacement.

Ainsi, aujourd’hui, la plupart des concepteurs, lorsqu’ils conçoivent cette station de pompage, intégreront l’une des procédures de démarrage pour ces pompes, que ce soit un variateur, un démarrage progressif ou un DOL. L’élément clé, c’est ce que nous recherchons du point de vue de l’anti-bélier, donc nous voulons quelque chose qui monte progressivement et qui redescende progressivement, qui soit doux pour le système. Certains de ces systèmes peuvent aider à la prévention de l’anti-bélier, mais certainement pas tous.

Bon à savoir. Bon à savoir. Colin, je voudrais revenir sur quelque chose que tu as dit tout à l’heure. Tu as mentionné que, dans de nombreux cas, la conception peut permettre de minimiser l’anti-bélier.

Oui.

Je suppose cependant qu’il existe des conditions dans lesquelles cette modification de conception pourrait ne pas fonctionner. Quelles sont certaines de ces conditions ?

D’accord. Si nous parlons de ces dispositifs de démarrage de base dont nous avons parlé – démarrage direct en ligne, vitesse de démarrage très rapide, arrêt rapide, n’a vraiment aucun effet sur l’anti-bélier.

D’accord.

Les démarreurs directs étoile-triangle ont un léger effet car ils permettent une augmentation légèrement progressive de la vitesse de rotation des pompes, ce qui n’est pas trop mauvais, mais les démarreurs progressifs peuvent avoir un effet vraiment bénéfique.

Ainsi, un démarreur progressif ou un variateur peut accélérer lentement et introduire progressivement le débit et la pression dans la canalisation, ce qui est une bonne chose. Mais la conception globale à laquelle pense l’opérateur est la suivante : si je faisais monter cette pompe en régime sur 60 secondes, l’hypothèse est que le débit va augmenter progressivement pendant ces 60 secondes, et ce n’est pas toujours le cas.

À mesure qu’une pompe commence à augmenter sa vitesse, elle commence à développer de la pression. Or, le débit ne commence à circuler qu’une fois que la hauteur statique est dépassée. Pour simplifier, imaginez que je pompe vers le haut d’une colline située à un kilomètre, et que la colline fait 50 mètres de hauteur. Tant que la pompe ne génère pas 51 mètres d’énergie, elle n’a pas surmonté toute cette énergie statique contre laquelle elle travaille, et l’eau ne commence à s’écouler qu’à ce moment-là.

Maintenant, si la pompe monte en régime sur 60 secondes, mais que 50 secondes sont nécessaires pour atteindre 51 mètres, aucun débit n’a été transféré, elle n’a fait que monter en régime sans rien faire. Et tout à coup, d’un coup, c’est ouvert. Donc, en réalité, je n’ai eu que cinq secondes de transfert, ce qui est plutôt inutile.

Oui.

Donc, pour répondre à votre question, si la hauteur statique dont nous parlons, en d’autres termes ces 15 mètres de hauteur, est très proche de la hauteur en fonctionnement, disons 60 mètres, alors il est peu probable que cela ait un effet positif sur le coup de bélier, car cela ne permettra pas d’augmenter le débit progressivement. Et, plus important encore, cela ne permettra pas de réduire le débit progressivement.

Dès que vous commencez à le réduire après 10 secondes, cela va arrêter le débit instantanément. Donc, en résumé, si la hauteur statique est très proche de la hauteur en fonctionnement, c’est vraiment inefficace contre le coup de bélier, et l’entraînement ne fera pas grand-chose, voire rien du tout.

Bon à savoir. Donc, dans cette situation où les pressions sont très similaires, que pouvez-vous faire pour obtenir le même résultat ? Je suis sûr qu’avec votre expérience au fil des années, vous avez probablement trouvé quelques solutions.

Oui Sarah, nous en avons une. Nous avons une très bonne solution appelée la vanne de contrôle de pompe Bermad modèle 740. Elle existe depuis que je fais partie de l’organisation et elle est devenue une véritable référence, un produit qui a fonctionné de manière fiable pendant de très nombreuses années.

Ce que fait réellement ce produit, c’est que, quelle que soit la vitesse de montée en puissance de la pompe, ce que nous voulons obtenir, c’est une augmentation progressive du débit lorsque nous pompons vers le haut de la colline. Ce qu’est la vanne de contrôle de pompe ou le modèle Bermad 740, c’est une vanne à solénoïde. Cela signifie que, lorsque je démarre la pompe, j’alimente le solénoïde, et une fois qu’il développe suffisamment de pression, la vanne s’ouvre à un rythme très lent et contrôlé, et moins d’eau circule dans la conduite. C’est exactement comme si un opérateur disait : j’ai une vanne à guillotine, et je vais commencer avec cette vanne fermée, puis, lorsque je démarre la pompe, l’opérateur va ouvrir la vanne à guillotine très lentement et introduire l’eau dans la conduite progressivement. C’est idéal pour le démarrage d’une pompe et la vanne Bermad le fait très bien, simplement et de façon fiable.

Il est vraiment important de noter que la plupart des coups de bélier se produisent lorsque l’on arrête la pompe. Donc, si j’étais un opérateur et qu’on me disait de m’assurer d’arrêter la pompe en toute sécurité, je laisserais la pompe tourner et je fermerais lentement la vanne à guillotine sur une ou deux minutes. Je réduirais le débit, réduirais le débit, réduirais le débit. Une fois que le débit est descendu à 10 % de sa valeur nominale, j’arrête la pompe, et il y a très peu de variation de débit, donc pas de coup de bélier. C’est aussi ce que fait la vanne Bermad.

Ainsi, lorsque le signal d’arrêt de la pompe arrive, la pompe continue de tourner, mais la vanne est désactivée, et la vanne indique qu’elle va se fermer lentement à un rythme linéaire contrôlé, et une fois qu’elle atteint 90 % de fermeture, un petit micro-interrupteur indique d’arrêter la pompe. Cela se fait automatiquement.

J’adore.

Il s’agit donc d’une vanne à l’apparence très simple, mais qui s’avère extrêmement efficace pour assurer une augmentation progressive du débit, une diminution progressive du débit, quel que soit le type de conception. Ainsi, dans des applications telles que le pompage, les immeubles de grande hauteur, les mines qui transfèrent sur de longues distances, l’alimentation en eau ou l’irrigation, le contrôle de la pompe est un outil particulièrement efficace.

De plus, comme il s’agit d’une vanne hydraulique à double chambre, elle fait également office de clapet anti-retour. En effet, chaque pompe est généralement équipée d’un clapet anti-retour afin de garantir qu’aucun débit inverse ne se produise lorsque la pompe est arrêtée. Cette fonction est également intégrée à la fonction double chambre de notre vanne. Il s’agit donc d’une vanne à ouverture et fermeture lentes, et d’un clapet anti-retour, réunis en une seule fonction.

Waouh. Faisons une courte pause.

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Revenons maintenant à l’émission.

Colin, d’après ma brève compréhension, la plupart des stations de pompage sont toujours équipées d’une vanne de non-retour sur la sortie de la pompe. Cela signifie-t-il que l’on peut retirer la vanne de retenue existante ?

Oui. C’est une question importante, Sarah, car il n’est pas recommandé d’installer des clapets anti-retour en série. Comme notre vanne de contrôle de pompe est déjà un dispositif anti-retour, vous ajoutez en fait un produit secondaire sans réel avantage.

Le problème peut survenir si les clapets anti-retour se ferment à des vitesses différentes : il peut alors y avoir une accumulation de pression entre les deux lors de la fermeture, ce qui peut provoquer des rebonds et des coups de bélier, ce qui n’est pas souhaitable.

Donc, pour répondre à votre question, nous n’aimons pas utiliser un clapet anti-retour secondaire lorsque nous utilisons la vanne de contrôle de pompe, car elle assure déjà cette fonction. Il est donc préférable de l’éliminer. Cela fait une chose de moins à gérer en termes de perte de charge, d’entretien, etc.

Ça marche. Et la vanne peut-elle remplir d’autres fonctions que simplement l’ouverture/fermeture et l’anti-retour ?

Oui, donc la vanne est une vanne de régulation à membrane. Son fonctionnement repose sur l’application d’eau dans la chambre supérieure de la vanne, ce qui la ferme, et sur le retrait de cette eau pour l’ouvrir. Nous pouvons intégrer de nombreuses fonctionnalités supplémentaires dans un seul et même appareil.

Pour donner quelques exemples, disons que lorsque la pompe fonctionne et alimente un réseau de distribution d’eau, un incendie se déclare. Dans cette situation, de nombreux camions de pompiers puisent de l’eau supplémentaire dans la conduite principale. Si l’on prélève trop d’eau de la conduite principale et que la pompe atteint la fin de sa courbe ou de sa capacité, plus on pompe d’eau, plus le moteur consomme d’énergie. Si l’on atteint un niveau critique et que l’on continue à vouloir augmenter le débit, la consommation d’énergie augmente également. Et si l’on va trop loin, le moteur va disjoncter et s’arrêter. Cela serait catastrophique en cas d’incendie, car il n’y aurait alors plus de pression d’eau.

Dans de nombreux cas, nous pouvons fournir ce que nous appelons une fonction de contrôle de débit. Si, par exemple, nous savons que le débit critique de cette pompe est de 100 litres par seconde, nous laissons la pompe fonctionner jusqu’à cette valeur. Mais si la demande sur le terrain commence à dépasser la capacité de la pompe, je m’assure que la pompe ne s’arrête pas, et c’est là tout l’intérêt de la fonction de contrôle de débit.

Parfois, selon la forme de la courbe de la pompe, qu’elle soit raide ou plate, nous pouvons également utiliser une fonction de maintien de pression qui a un effet assez similaire au contrôle de débit, et qui maintient la pompe sur sa courbe. Ce qui est très important, c’est de veiller à ce que la pompe fonctionne toujours de manière efficace et qu’elle n’opère pas dans une zone de cavitation. Si une vanne cavite, cela peut entraîner une défaillance prématurée et une usure importante à l’intérieur de la pompe, ainsi que d’autres problèmes.

En ajoutant ces fonctions supplémentaires, nous pouvons également limiter cela. Il peut même y avoir une fonction où, par exemple, vous alimentez un réservoir de distribution et il se peut qu’une partie de cette alimentation soit coupée pour alimenter un autre réservoir plus petit. Tout à coup, le débit est réduit de moitié, la pression devient trop élevée – c’est un problème. Nous pourrions alors intégrer une fonction de réduction de pression. Nous pouvons ajouter ces fonctions supplémentaires lors de l’installation ou ultérieurement. En résumé, c’est très polyvalent. Les points principaux sont donc que c’est une vanne anti-retour, qu’elle prévient les coups de bélier en s’ouvrant et se fermant lentement, et qu’elle peut assurer le contrôle, le maintien ou la réduction du débit si nécessaire. C’est, en quelque sorte, un couteau suisse avec tous ses petits outils.

On dirait bien. J’adore ça.

Donc, si quelqu’un envisage d’utiliser une vanne de contrôle de pompe, est-ce que cela génère une perte de charge supplémentaire à la station de pompage ? Euh, je pars du principe que l’efficacité de pompage est essentielle dans toute conception.

Absolument. Oui, tout à fait Sarah. Donc, nous savons que lorsque vous concevez une pompe et que vous examinez un réseau, ce que vous essayez de faire, c’est d’obtenir une pompe vraiment efficace, qui consomme peu d’énergie, afin de maintenir l’ensemble du système assez efficace et écologique. Si je place quelque chose dans le trajet de l’écoulement qui génère une forte perte de charge, cela signifie soudainement que j’ai besoin d’une pompe plus grande avec un moteur plus puissant, ce qui n’est pas efficace.

Nous avons donc tendance à toujours concevoir la vanne pour qu’elle s’adapte au tuyau de refoulement du corps de pompe, tout en veillant à ce que la perte de charge soit à peine perceptible. Ainsi, la conception en Y de Bermad est extrêmement efficace pour produire une faible perte de charge. Elle est donc absolument conçue pour une application de contrôle de pompe afin de garantir qu’il n’y ait pratiquement aucune, ou très peu, de perte de charge.

Il semble donc que la vanne de contrôle de la pompe soit une conception flexible et efficace qui peut réduire l’effet du coup de bélier à chaque démarrage de la pompe. Que se passe-t-il en cas de coupure de courant à la station de pompage ?

D’accord. D’accord. Donc, euh, ce que nous avons expliqué, c’est ce que la vanne peut réellement faire, ou ce que le processus peut faire, dans des conditions contrôlées normales. Si l’alimentation est coupée, que tout est à l’arrêt, la vanne se ferme et vous ne voulez pas savoir ce qui se passe après. Donc, il s’agit maintenant de parler du coup de bélier dans des conditions non contrôlées. Ce sera peut-être un sujet pour le prochain podcast. Qu’en penses-tu, Sarah ?

On dirait bien que c’est peut-être Colin.

Voilà qui conclut l’épisode de cette semaine sur la prévention du coup de bélier dans les stations de pompage, la vérification des vannes et les conceptions mises en place pour minimiser le coup de bélier.

Merci de votre écoute et nous avons hâte de vous retrouver pour le prochain épisode. Pour en savoir plus sur l’industrie de l’eau, y compris les produits, conseils, installations, fonctionnement et techniques de maintenance, rendez-vous sur https://www.bermad.com.au et abonnez-vous à notre newsletter professionnelle. Vous rejoindrez plus de 3000 professionnels du secteur et profiterez de l’expertise de l’équipe Bermad composée de spécialistes expérimentés.

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