Guide de conception des stations de pompage 99.pdf

GUIDE DE

CONCEPTION- DES

STATIONS DE POMPAGE

J. DJOUKAM Juin 1999

.

TABLE DES MATIERES

0 0 0 0 0 0 0 0

CHAPITRE 1 : GENERALITES .................. .............................................................................. 1.1. D é h t i o n du domaine .......................................................................................................................... 4 1.2. Rappels d‘hydraulique .......................................................................................................................... 4

........................................................... 4 2.2.Théorème de Bernouilli .............................................................. 5

....................................... 5 1.2.4. Caractéristique d’une conduite ................................................ 1.2.5. Débit équivalent .................................................................................................................. 7

CHAPITRE 2 : PROCESSUS D’ELABORATION DUN PROJET DE STATION DE POMPAGE ....................... 8 2.1. Introduction ......................................................................................................................................... 8 2.2. Les grandes lignes du projet ................................................................................................................. 8

........................................................ 9 ............................................................. 9

1.2.1. Les pertes de charge linéaire ...............

1.2.3. Ligne de charge et ligne piézométrique ................................... ............................

2.2.1. Definition du caractere generai du projet ....... 2.2.2. Définition du service attendu . 2 . 2 . 3 . Les contraintes de site .... 10 2.2.4. Rappels des dispositions générales ....................................................................................... 11 2.2.5 Choix d’une disposition generale .......................................................................................... 13

CHAPITRE 3 : CHOIX DES POMPES ................................................................................................................... 17 3.1, Introduction ......................................................................................................................................... 17

................................................................................ 17

................................................................................ 17 3.4. Choisir une vitesse de rotation ............................................................................................................ 18

............................................................................................ . . . . I I

3 .2 . Choisir le nombre de groupes de pompage ..... 3.3. Choisir le système de régulation ......................

3 . 5 . Conduite de la définition des groupes de pompage .............................................................. 3.5.1. Description du besoin ......................................................................................... 3.5.2. Choix de la pompe correspondant au besoin ......... .......................................................... 26 3.5.3. Etude du fonctionnement de l’installation ............................................................................ 30

CHAPITRE 4 : CHOIX DES DlSPOSITlONS PARTICULIERES ......................................................................... 33 4 . 1 . Introduction ......................................................................................................................................... 33 4 7 Protection de la prise d’eau contre les transports solides 33 4 3 Protection contre les incidents d’origines hydrauliques 33

. .

. .

. .

. ......................................................................

. ..................................................................... 4.4. Protection contre les incidents d’origines électriques ........................................................................... 3 5 4.5. Détermination d’un ballon anti-bélier par la méthode de Meunier et Puech ........................................... 3 5 4.6. Détermination des groupes electrogenes ............................................................................................ 40

4 6 2 Choix du nombre de groupes et du type pour l’électrification des zones isolées ................... 41 4.6.3. Critères de choix d’un groupe électrogène ......................................................................... 42

. . ................................................................... 4 6 I Description des caractéristiques d’un groupe 40

4.7. ECONOME D‘UNE INSTALLATION DE POMPAGE .................................................................... 44 4.7 1 . Coùts d’investissement ........................................................................................................ 44 4.7 2 . Coùts d’exploitation ......................................................................................................... 34 4 7 . 3 . Amortissements ................................................................................................................. 45 4 7 4 . Coùts du projet ................................................................................................................... 47

. .

1

LISTE DES TABLEAUX

Pages Tableau no 1 Coefficient des pertes de charge linéaires 5

<* 2 Compatibilité des dispositions générales avec le marnage

3 Compatibilité des dispositions générales avec la vitesse de l'eau

4 Compatibilité des dispositions générales avec le débit soiide-

13

14

14

4 bis Compatibilité des dispositions avec le débit solide 14

15

15

11

5 Compatibilité des dispositions générales avec l'exposition au vent

6 Compatibilité des dispositions générales avec le type de fondation

7 Comptabilité des dispositions générales avec le niveau stabilise

dans les puits et forages 16

8 Choix de la motorisation 18

9 Choix de la vitesse suivant q, H et le type d'énergie 18

1 O Adaptation des groupes motopompes à la catégorie de station de

pompage 19

1 1 Adaptation des groupes motopompes aux dispositions générales 19

12 Données de base pour la sélection d'une pompe 20

13 Cadre de description du besoin 26

14 Spécifications techniques du groupe de pompage pompe

sélectionnée 32

15 Protection à l'amont de la station 33

16 Protection a l'aval de la station 34

17 Protection électrique. 35

2

LISTE DES FIGURES

Figure 1 Ligne de charge et ligne piezornetnque

II 2

3

4 Disposition en aspiration

caractéristique de conduites en parallèle

Caractéristique d'une conduites et de conduites en série

5 Disposition en charge

6 Disposition tour

7 Disposition en Estacade

8 Disposition en Exhaure et reprise

9 Disposition flottante

1 O Plage d'utilisation des groupes de surface

11 Plage d'utilisation des groupes spécialises

12 Détermination des diamètres des conduites d'aspiration et de

refoulement

13 Choix d'un modèle de pompe dans le diagramme synoptique

6

7

11

11

12

12

12

12

13

22

23

24

28

31 14 Etude du point de fonctionnement.

. -

CHAPITRE 1 : GENERALITES

1 .l. Définition du domaine

Les stations de pompage sont utilisées dans différents domaines. Elles utilisées en Assainissement, dans plusieurs domaine de l'Industrie. (Hydro-électrique, pétrole, etc.) et beaucoup plus en hydraulique (Alimentation en eau potable, Irrigation...).

Le présent travail repose, pour l'essentiel, sur l'usage hydraulique des stations de pompage. Une extension pourra être faite intégrer l'assainissement.

Les utilisateurs potentiels visés sont les nouveaux projeteurs dont l'E.1.E.R. assure la formation d'une grande partie.

Nous allons d'abord présenter des généralités sur l'hydraulique avant d'aborder l'analyse de la démarche de conception d'un projet de station de pompage.

1.2. Rappels d'hydraulique

1.2.1. Les pertes de charae linéaire

La circulation de l'eau dans une conduite provoque des pertes d'énergie dues à l'état de la conduite (frottement de I'eau contre les parois) et aussi a des changements de direction.

L'énergie ainsi perdue s'appelle perte de charge (J) ; j = J/L est la perte de charge linéaire

L'expression générale de j est : j h* V2/(2*g*D) où : V = vitesse de l'écoulement (m/s) ;

pour une conduite de longueur i. Son unité est m/m.

g = accélération de la pesanteur D = diamètre de la conduite ; h = coefficient de perte de charge

Les travaux menés dans ce domaine ont permis d'établir des formules pratiques de calcul de j. Lesdonnées sont: j : perte de charge unitaire (m/m) Q : débit (m3/s) D : diamètre intérieur (m)

h : viscosité cinématique de I'eau A =

avec t= température de l'eau en Oc ; h= la viscosité cinématique de l'eau en m' / s 106 k rugosité absolue (Colebrook) (m) Ks : rugosité Manning Strickler K : Rugosité William et Hazen

178 1 + 0.00337t + 0.000221t2

4

8Q' k 2.51/2106 Formule de Colebrook j = d g D ï

410'3 Q' x2K,'D16'3

Formule de Manning j =

10.66 Q' 852

8j2 DJ 871 Formule de William et Hazen j =

2.2.Théoreme de Bernouilii

"En tout point d'un filet liquide pris dans une masse liquide de fluidité parfaite en mouvement permanent et soumis a la seule action de la pesanteur, de la cote, la hauteur représentative de la pression et la hauteur représentative de la vitesse forment une constante".

1 z + ~ / m + ~2 / 29 = H = constante 1 Z : altitude (m) P : pression relative (bar)

V : vitesse (mk) 9 m

(mesurée par rapport à la pression atmosphérique)

: accélération de la pesanteur : masse volumique du liquide

1.2.3. Liane de charge et ligne piézométrique

ligne de charge I k

ligne

1 I I h. I I

piézomètri

1 I

Fiqure 1 : Ligne de charge et ligne piézometrique 5

_. , clPrIlquant ie théorème de Bemouilli nous obtenons :

au point A : HA = ZA + P~/ ' i r + VA^/ 2g

au point B : HE =Zg + P d a +V$/ 2g

EntreA et B il y a une perte d'énergie : JAB (perte de charge entre A et B)

Nous déduisons HA = Hg + JAB ;

Cette expression peut se mettre sous la forme suivante :

Les points de niveau (2 + P/m + V2/2g) forment une droite appelée ligne de charge. Les points de niveau (Z + P/a) forment une droite appelée ligne piézométrique. On appelle côte piézométrique un point de la ligne piézométrique :

côte piézométrique = Z + P/a.

Dans la pratique le terme V212g est négligeable et ligne de charge et ligne piézométrique sont confondu es.

En alimentation en eau potable V est de l'ordre de 0,5 à 1 3 mis V2/2g vane alors de 0,Ol a 0 , l m et P/a varie de 10 à 100 m.

V2/2g varie alors de 0,05 à 0,5 rn et P/a varie de 30 a 300 rn.

Dans les réseaux d'irrigation en charge V est de l'ordre de 1 à 3 m/s

1.2.4. Caractéristique d'une conduite

La caractéristique d'une conduite est la courbe qui traduit les variations de pertes de charge en fonction du débit.

Elle est généralement représentée dans un système de coordonnées (Q, H) avec i l = Hgeo + J ; (Hgéo = hauteur géométrique) ;

- Conduites en parallèle Soient Cq(H = F1(Q) ) et C2 (H = F2(Q) ) les caractéristiques de deux conduites montées en parallèle. Désignons par C(H = F(Q) ) la caractéristique résultante. On a la relation suivante : (Q, H) C e ii existe Q i et Q2 tel que QI + Q2 = Q et H = FI(Q), H = F2(Q) ;

Fiaure 2 : Caractéristique d'une conduite et de conduites en série de conduites en série

6

Pour les hauteurs inférieures a h C est confondues avec C2

- Conduites en série

Soient Cq(H = FI(Q) ) et C2 (H = F2(Q) ) les caractéristiques de deux conduites montées en série. Désignons par C(H = F(Q)) la caractéristique résultante. On a la relation suivante : (a, H) C il existe H l et H2 tel que H l + H2 = H

et H1 = F1(Q), H2 = F2(Q) ;

niveau statique

I I

c B a ' Q *P

Fiaure 3 : Caractéristique de conduites en série

1.2.5. Débit éauivalent

Nous avons jusque la traité de conduites qui assurent un service d'extrémité : le débit est constant d'une extrémité a une autre. Mais dans la réalité une conduite assure souvent un service en route.

Soit q le débit servi sur une unité de longueur et L la longueur de la conduite. A l'entrée de la conduite nous avons un débit Qo = Q1 + qL OU Q1 est le débit d'extrémité. Le débit équivalent est le débit Q d'extrémité qui entraînerait la même perte de charge J. La loi de perte de charge linéaire peut se mettre sous forme j = kQ2/Dm.

Sur un tronçon élémentaire dx le débit desservi est qdx. A un point x (x t L) le débit porté par la conduite est Q(x) = Qo - qx = Q1 + q(L-x).

Soit dJ la perte de charge élémentaire : dJ = (kQ(x)2iDm)dx) = (k/Dm) (Qq + q(L - x))2 dx

Si nous intégrons sur la longueur L, J = k/DmIL (QI + q(L-x))2 dx

a J = WDm[Q12x - Qlq(L-x)2 - (q2(L-x)3)/3]L = J = kUDm[Qi2x - QqqL+ (q2L2)/3)

Le débit équivalent est Q/(KLQ2/Dm) = (KL(Qi2 + Q1qL + q2L2/3))

=j Q = ( Q q 2 + QqqL + q2 L2/3)11* Nous pouvons écrire que : (Qi2 + QlqL + q2 L2/4) < Q < (Qq2 + Q1qL + (&/2)q2L2) ~j Q1qLl2)~ < Q2 < (QI + (1 &)qL)2 a (Q1 + qLQ) < Q

< (Qq + (1I f i )qL) Nous en déduisons que : Q1 + 0,5 qL < Q < Q1 + 0,58 qL En général Q est pris égal a Qq + 0 3 5 CIL.

7

. .._< . I_ .

CHAPITRE 2 : PROCESSUS D'ELABOMTION D'UN PROJET DE STATION, DE POMPAGE

2.1. Introduction

La conception d'un projet en général fait appd & des connaissances qui sont de deux natures :

- des connaissances théoriques - des connaissances pratiques résultant de l'expérience.

Dans le domaine des stations de pompage, l'établissement d'un projet n'échappe pas a cette règle générale : la démarche d'établissement d'un projet de stations de pompage est partiellement intuitive, partiellement déductive.

L'impact de l'une ou l'autre partie de la démarche dépend de l'expérience et de l'esprit de synthèse du projeteur. Toutefois les deux parties sont indispensables.

La démarche adoptée ici consiste, pour le projeteur, à définir progressivement chaque élément de son projet a partir d'une étude détaillée des contraintes et en utilisant des connaissances résultant de l'expérience. Cette démarche revient donc à découper le projet en un ensemble de sous-projets et de procéder a l'étude de chaque sous-projet.

La méthode est la suivante :

-tracer les grandes lignes du projet par une définition des dispositions générales du projet ;

- choisir la pompe qui répond aux besoins définis précédemment : étude du fonctionnement de la pompe ;

- enfin, prendre les dispositions particulières liées aux contraintes de fonctionnement de la station de pompage.

Nous allons maintenant expliciter la démarche exposée précédemment et voir les moyens dont dispose le projeteur pour mener son projet.

2.2. Les grandes lianes du Droiet

Le travail dans la première phase du projet constitue a situer le contexte du projet par : - une définition du caractère général de la réalisation - une définition du service attendu - la prise en compte des contraintes de site - le choix des dispositions générales.

8

2.2.1. Definition du caractere qeneral du pmiet

II s'agit pour le projeteur, de définir essentiellement la catégorie de station de pompage, de déterminer la ressource en eau qui sera utilisée et éventuellement décider du fractionnement de la réalisation dans le temps et dans l'espace.

Les stations de pompagesont regroupées en six (6) catégories :

- Alimentation en Eau Potable - Irrigation - Industrie - Assainissement rural - Assainissement urbain.

Dans le cadre du présent travail, seules les trois premières catégories sont prises en compte.

La ressource en eau est soit :

- l'eau de surface : cours d'eau (rivières, fleuves) ou plan d'eau (barrage) ; - l'eau souterraine : puits ou forage.

Le fractionnement de la réalisation dans le temps permet :

- d'éviter une sous-utilisation de la réalisation au départ - une bonne adaptation a l'évolution quantitative et qualitative de la demande et contribue a

une bonne rentabilité financière de la réalisation.

Le fractionnement dans l'espace permet de créer des stations dispersées situées a proximité des besoins a satisfaire.

Si le principe de fractionnement est adopté, la réalisation peut être d'une progressivité, faible, normale ou élevée.

La qualité du service, la compétence du service d'entretien existant, la nécessité d'une régulation automatique et le choix de la motorisation (électrique ou diesel) sont des paramètres qui peuvent être définis (s'ils ne sont pas imposés) ou des contraintes a prendre en compte.

2.2.2. Définition du service attendu

Après avoir localise le site, le projeteur détermine les besoins que la station de pompage doit satisfaire.

La localisation du site se fait par ses coordonnées géographiques, la côte du terrain (en mètre) .

Une carte de distribution est ensuite établie faisant ressortir pour chaque point de distribution le débit, la côte du terrain et la pression de service.

Le débit (QT) total à fournir est déterminé par sommation :

En désignant par Qi le débit au point de distribution i, on a. QT = C Qi.

9

Si les besoins varient en fonction des périodes, c'est généralement le cas, il doit alors déterminer le débit maximal (Qmax), débit de pointe et le débit minimal (Qmin) que la station doit être a mesure de satisfaire.

II calcule la hauteur manométrique totale (HMT) ' qui correspond à l'énergie que la pompe doit consommer pour porter l'eau aux points de distribution. Un choix judicieux du site permet de minimiser la hauteur manométrique.

2.2.3. Les contraintes de site

La station doit être située en tenant compte de la nature de la ressource en eau et notamment :

- du niveau des plus basses eaux (PBE) - du niveau des plus hautes eaux (PHE)

- La différence entre les plus hautes eaux et les plus basses eaux donne le marnage.

- du débit solide

Une station de pompage ne doit pomper que de l'eau. Aussi la présence en quantité importante de débit solide est une contrainte dont il faut tenir. On entend par débit solide les corps flottants, les matériaux en suspension (sables, limons), le charriage de fond (graviers) qu'on peut trouver dans l'eau.

- De la qualité du site

Dans le cas d'une eau souterraine, le principal probleme est celui de la pérennité de la ressource. II est conseillée d'avoir un débit stabilisé d'essai de pompage de longue durée supérieur au débit requis pour le projet et si possible que le débit stabilisé soit le double du débit du projet.

Quand la ressource est un cours d'eau, II est conseillé d'établir la station à une partie stable du lit du cours d'eau. Le tracé du lit peut être fait, par reconstitution, a l'aide des cartes existantes ou directement par une reconnaissance sur le site. Suivant la hauteur d'eau une estimation est faite sur le débit solide. Une estimation, par relevé de mesure, est faite sur la vitesse de l'eau en crue. La qualité du site dépend de ta nature des berges et des rives :

.

- s'il y a érosion des berges, suivant l'intensité, le site est très exposé ou exposé.

- s'il y a de la végétation sur les berges ou si les rives sont constitués de matériaux non érodables le site est peu exposé ou sûr.

- a l'extérieur amont d'un méandre le site est peu expose. - le site est à rejeter s'il y a présence d'un confluent a i'amont.

Lorsque la ressource est un barrage, suivant les dispositions de ce dernier, la prise d'eau pourra être plus ou moins imposée. La meilleure solution est la construction de la prise en aval du barrage et en charge. Mais on peut aussi faire une prise d'eau a l'amont de la digue en bordure de la retenue, avec un chenal d'alimentation en période d'étiage. La qualité du site dépend de sa situation par rapport au vent. Le site sera considéré sûr s'il est sous le vent exposé s'il est au vent. S'il est au vent avec un vent fort et un plan d'eau profond, le site est très exposé. II est peu exposé quand il est au vent avec un faible et un plan d'eau peu profond.

voir éléments de base pour le choix des pompes 1

10

- l'environnement

Cimplantation d'une station de pompage doit être faite en tenant compte des effets sur l'environnement. En particulier, on évitera d'installer la station dans urr site où il y a risque certain de pollution du milieu aquatique.

- Les fondations

La nature des sols du site, leur capacité à supporter ou leur influence sur le génie civil de la station, influence le choix des dispositions générales.

2.24. Rappels des dispositions qenerales

Avant de voir comment le projeteur fait un choix des dispositions. générales, voyons qu'est- ce qu'une disposition générale, et quelles sont les différentes dispositions.

On entend par disposition générale, la manière dont la station de pompage est installée par rapport à la ressource.

On distingue six (6) dispositions générales :

La disposition en aspiration

C'est une disposition courante pour les groupes motopompes et les stations de faible importance et lorsqu'on ne peut pas faire autrement.

I 1 I 1

Fiqure 4 : Disposition en aspiration

La disposition en charge

La disposition en charge est la plus souhaitable si elle est réalisable.

Fisure 5 : Disposition en charge

11

La disposition Tour

Cette disposition est une disposition classique et convient bien aux débits importants et a

Elle permet de s'affranchir d'un marnage important (de I'ordre de 10 mètres). La sécurité de fonctionnement est élevée même en site exposé.

des conditions de sécurité élevées.

Fiqure 7 : Disposition en estacade

- Fiqure 6 : Disposition Tour u Fiqure 6 : Disposition Tour

La disposition Estacade U U U C'est une disposition relativement rare qui ne peut être établie que dans un couranr taible.

Elle est choisie pour u n e berge peu marquée, des fondations incertaines et une structure généralement métallique.

La dis position Exhau re-Reprise

Elle permet des réalisations rapides et est souvent employée dans les installations de chantier. Elle s'adapte à un fort marnage.

Fiqure 8 : en exhaure et reprise

12

. -

La disposition Flottante

Cette dispositiom correspond à. des écoulements lents ou le marnage est important. Elle nécessite un entretien et un contrôle sérieux.

Si la ressource est un cours d'eau, la vitesse de la rivière doit être faible et il ne doit pas y avoir des corps flottants.

\

\ \\

Fisure 9 : Disposition flottante

2.2.5 Choix d'une disposition qénérale

Le choix des dispositions générales est basé sur les tableaux ci-après, qui en fonction des contraintes de site, indiquent les possibilités d'utilisation des dispositions.

A l'intersection d'une contrainte (colonne du tableau) et d'une disposition (ligne du tableau) se trouve une information qui doit être exploitée comme suit :

- l'information "bien adaptée" traduit le fait que la disposition peut être utilisée pour la contrainte sans prise de précautions spéciales.

- pour une disposition qu'on n'est pas très sûr d'être adaptée à une- contrainte, ou pour laquelle contrainte, ou pour laquelle contrainte il faut prévoir des dispositions spéciales, l'information est "possible".

- l'information "déconseillée" indique pour une disposition générale, une incompatibi-lité avec une contrainte.

Avant de passer à la présentation des tableaux, signalons qu'ils ne sont pas établis de manière formelle : les plages d'utilisation sont données approximativement.

Tableau no 2 : compatibilité des dispositions générale avec le marnage

Ce tableau s'applique quand la ressource utilisée est un cours d'eau ou un plan d'eau.

13

Tableau no 3 : compatibilité des dispositions générales avec la vitesse de l'eau

Vitesse (m)

Disposition

En charge

En aspiration

Tour

Estacade

O a 0.5 0.5 à 1 l à 2 plus de 2

bien adaptée bien adaptée déconseillée déconseillée

bien adaptée déconseillée déconseillée déconseillée

bien adaptée bien adaptée bien adaptée bien adaptée

bien adaptée bien adaptée possible déconseillée

Exhaure-Reprise 1 bien adaptée 1 bien adaptée 1 possible 1 déconseillée

Transports solides Graviers

Disposition

En charge possible

Flottante 1 bien adaptée 1 bien adaptée 1 déconseillée 1 déconseillée

Corps flottants Feuilles

entre eaux)

Sables Limons (corps flottants (en surface)

possible déconseillée déconseillée

Ce tableau s'applique quand la ressource est un cours d'eau.

Tour

Estacade

Exhaure-Reprise

Tableau no 4 : compatibitité des dispositions générales avec le débit solide



déconseillée déconseillée bien adaptée possible

Flottante

1 En aspiration

déconseillée déconseillée bien adaptée possible

1 possible 1 possible 1 déconseillée 1 déconseillée

Tableau no 4 bis : compatibilité des dispositions générales avec le débit solide

Pour le cas d'un plan d'eau, le transport solide est seulement fait de corps flottants en surface.

14

Pour ces deux tableaux, une contrainte n'est prise en compte que si elle est présente sur le site.

~

En aspiration

Tour

Estacade

Exhaure-Reprise

Tableau no 5 : compatibilitédes dispositions générale avec l'exposition au vent

~~~ ~

déconseillée déconseillée possible bien adaptée


déconseillée possible bien adaptée bien adaptée

déconseillée déconseillée possible bien adaptée

Pour les cours d'eau et les plans d'eau, l'exposition du site au vent et autres risques, constitue une contrainte dont il faut tenir compte.

Sables Alluvions franches

Fondation Roche Disposition

Feu exposé 1 Sûr Disposition

Vases

En charge 1 déconseillée 1 déconseillée 1 possible 1 bienadaptée

En aspiration

Tour

Estacade

~~ ~ ~

bien adaptée bien adaptée décon seiilée déconseillée

bien adaptée bien adaptée bien adaptée déconseillée


Flottante 1 possible 1 bien adaptée 1 déconseillée 1 bien adaptée

Flottante

Tableau no 6 : compatibilité des-dispositions générales avec le type de fondation


La fondation du site est une contrainte qui a une incidence importante sur le Génie Civil des stations.

1 En charge 1 bien adaptée 1 bien adaptée 1 déconseillée 1 déconseillée 1

1 Exhaure-Reprise 1 possible 1 bien adaptée 1 bien adaptée 1 bien adaptée 1

Le tableau est pris en compte quand la ressource est un plan d'eau ou un cours d'eau.

Tableau no 7 : Compatibilité des dispositions générales avec le niveau stabilisé dans les puits et forages

NS (m) * 0 à 5 1 5 à 7 1 7 à 20 Disposition

En fonction de la profondeur du niveau stabilisé, les possibilités de choix de dispositions générales pour les eaux souterraines (puits ou forage) sont données dans le tableau ci-après.

20 à 50 plus de 50

bien adaptée

possible

En charge Arbre vertical En charge groupe immergé

possible déconseillée déconseillée déconseillée

possible bien adaptée bien adaptée déconseillée

Exhaure-Reprise

* Hns = Profondeur du niveau stabilisé, essai longue durée.

possible bien adaptée bien adaptée bien adaptée bien adaptée

Pour qu'une disposition soit réalisable il faut qu'il existe, pour chaque contrainte du site, une compatibilité (bien adaptée ou possible) entre la disposition et la contrainte.

Une disposition déconseillée est rejetée.

Afin d'opérer un choix final le projeteur se sert de l'incidence du caractère général de la réalisation sur les dispositions générales :

- Les dispositions en Aspiration, Estacade, Exhaure-reprise, Flottante sont déconseillées si la qualité de service attendu de la station est élevée ;

- Toutes les dispositions autre que la disposition en Aspiration nécessite une régulation automatique.

- La régulation automatique est aussi nécessaire en cas de puits ou forage.

- La disposition Flottante nécessite obligatoirement une motorisation électrique.

- La motorisation n'a pas d'incidence sur les dispositions en Charge ou en Aspiration.

- Une motorisation électrique offre plus de sécurité qu'une motorisation diesel.

- Quant aux coûts approximatifs :

* ils sont faibles pour la disposition en charge ; * très faibles pour la disposition en aspiration ; *très élevés pour une disposition en tour ;

élevés pour une disposition estacade ; * faibles pour les dispositions exhaure-reprise et flottante.

16

CHAPiTRE 3 : CHOIX DES POMPES

3.1. Introduction-

La pompe est i'élément central dans une staüon de pompage : c'est le coeur d e la --on. Le projeteur, après avoir determine une disposition générale: doit maintenant déterminer la pompe qui réponde aux besoins du projet.

Avant le choix de la pompe certains paramétres restent encore à

3.2. Choisir le nombre de qrouoes de pomwcle

II peut être choisi

- comme le quotient Qmax/Qmin arrondi. - en fonction du système de régulation (voir plus loin)

3.3. Choisir le système de régulation

Si la nécessite d'une régulation a été retenue le choix du système de régulation se fait en fonction du graphique joint en annexe.

II existe quatre systèmes de régulation qui sont :

- la régulation avec réservoir à surface libre (RSL) ; - la régulation avec réservoir sous pression (RSP) ; - la régulation avec débitmètre (DEB) ; - la régulation à l'aide d'un moteur à vitesse variable (W).

La régulation a pour but d'adapter le fonctionnement de la pompe en fonction des demandes. En alimentation en eau potable, par exemple, les demandes ne surviennent pas toutes au même moment.

Les systèmes de régulation sont classés dans l'ordre de fiabilité suivant :

- réservoir à surface libre - débitmètre - réservoir sous pression - vitesse variable.

Le système de régulation influe sur le nombre de groupe de pompes qu'on peut utiliser. Ce nombre varie de :

- 2 a 6 pour le premier système de régulation (RSL) ; - 2 a 3 pour le second (RSP) ; - 4 à 6 pour les débitmètres (DEB) ; - 3 a 6 pour les moteurs a vitesse variables (VV).

17

3.4. Choisir une vitesse de rotation

-,

sécurité coût Observation Moteur électrique ++ - Si possible Moteur thermique - - pas toujours possible

Le choix d’une vitesse se fait sur la base : - de la motorisation et : - des valeurs de q et H.

N vitesse (Vmn) 725 1450

Electrique débit (Ils) > 1000 10 à 1000 HMT (m) < 100 10 2 300

Diesel débit (Ils) - 20à200

10 à 100 HMT (m)

2900

1 à 100 10 à 300

10 à 50 10 à 50

Tableau no 9 : Choix de la vitesse suivant q, H et le type d’énergie

3.5. Conduite de la définition des groupes de pompage

La sélection d’un groupe moto-pompe suppose comme préalable, le choix du site d’implantation de la station de pompage. II s’agit de choisir dans le catalogue d’un constructeur la machine hydraulique qui convient le plus au problème à résoudre. C’est un processus en trois étapes comprenant :

- La description du besoin ; - La recherche de la pompe correspondant au besoin décrit ; - l’étude du fonctionnement de l’installation équipée de la ou les pompe(s) choisie(s) ;

La sélection d’une pompe s’appuie sur des données de bases qu’il faut d’abord rassembler. Le tableau de la figure N”9 rappelle celles à prendre en compte pour le pompage de l’eau.

L‘objet de ce chapitre est de permettre au lecteur de maîtriser les principes, les critères et les démarches permettant de conduire convenablement chaque étape de la sélection.

3.5.1. Description du besoin

3.5.1 -1 - Choix du type de groupe

Les tableaux ci-après donnent la compatibilité du groupe de pompage à la catégorie de station de pompage et aux dispositions générales.

Dans ces tableaux les conventions sont les suivantes : BA signifie bien adapté ; P signifie possible ; D signifie déconseillé ;

18

Catégorie station

AEP IRRl N D ASS UR groupes

Horizontal BA BA BA D

Verticalisé BA BA BA D

Vertical

forage

épuisement Immergé D BA P BA ex hau re I m merg é D BA P P hélice

Arbre P BA BA D

Immergé BA P P D

Immergé D BA P D

N.B. : AEP lRRl ASS RU ASS UR IND

adduction d'eau potable Irrigation Assainissement Rural Assainissement Urbain Industrie

ASS RU

D

D

D

D

D

BA

BA

L'assainissement n'est pas indue dans la présente étude, mais pour une future extension les conditions des deux tableaux sont prises en compte.

Tableau no 11 : Adaptation des groupes motopompes aux dispositions générales.

Groupes En En Tour Estacad Exhaure Reprise motopompes Forage Puits charge Aspir. e

Horizontal D D BA BA D D P

Verticalisé D P P P P P D

Arbre P BA D D BA BA D

Immergé BA BA D D D D D

Immergé BA P BA D P P P

Immergé D P BA D P P P

Immergé D D BA D P P D

Vertical

forage

épuisement

exhaure

hélice

Flottante

P

BA

D

D

P

P

D

Puits ou forage profond

Lorsqu’on doit pomper de l’eau d’un forage ou d’un puits profond, les types de groupes possibles sont :

- groupes de surface, si le niveau dynamique de l’ouvrage n’est pas a plus de 7 m du niveau du terrain naturel;

- groupes immergés de forage, les groupes à ligne d’arbre verticale, ou groupes submersibles si le niveau dynamique de l’ouvrage est à plus de 7m du niveau du terrain naturel.

Tableau NO12 : données de base pour la sélection d’une pompe

Don nées topoci ra ph ia ues

Profil en long de la conduite de refoulement Côtes du plan d’eau a l’aspiration et au refoulement Côte d’implantation de la ou des pompe(s) Côte d’un éventuel point haut sur le profil en long de la conduite de refoulement

Ci rc u it hvd ra u lia ue

Nature et longueurs conduites d’aspiration et de refoulement Diamètre conduites d’aspiration et de refoulement Singularités à l’aspiration et au refoulement des pompes dans la station

Nature de l’eau

Température moyenne Eau chargée ou eau claire ? Si eau chargée, préciser la nature de la charge. Eau corrosive ? abrasive ? Viscosité et poids spécifique

Environnement qéneral.

Altitude moyenne Température moyenne Utilisation prévue de l’eau Sources d’énergie possible Catalogues de constructeurs de pompes

Capacité de la pompe

Débit à pomper Hauteur manométrique totale

Eau de surface ou puits peu profond

Si la ressource est une eau de surface ou un puits peu profond, le choix du type de groupe doit prendre en compte la clarté de l’eau : Pour de l’eau claire, si la distance verticale de la côte minimale du plan d’eau à la côte d’implantation présumée de la pompe ne dépasse pas 7 m, il est préférable d’utiliser des groupes de surface en charge ou en aspiration. Ils sont fiables, ont des bons rendements et sont économiques. On peut aussi utiliser des groupes immergés de forage en installation horizontale ou des groupes submersibles mais ils ne se justifient pas dans ces conditions.

20

Lorsque le niveau minimal du plan d'eau de la ressource se trouve à plus de 7 m en-dessous de la côte d'implantation présumée de la pompe, on peut choisir entre les groupes à ligne d'arbre verticale, les groupes submersibles et les groupes immergés de forage. Pour le pompage des eaux chargées, les groupes submersibles s'imposent. Ils présentent les avantages suivants : II n'y a aucun risque de désamorçage et de colmatage de la conduite d'aspiration qu'on aurait par exemple avec les groupes de surface. Ils ne nécessitent qu'un génie civil léger et fonctionnent avec un faible niveau de bruit. Toutefois, des groupes de surface équipé de roue a large section de passage peuvent aussi être utilisés.

3.5.1.2. Choix du tvpe de pompe

Diagramme de la figure No l 19 permet, pour les groupes de surface, de déterminer le type de pompe de série en fonction du débit à pomper et de la hauteur manométrique totale. Pour les groupes spécialisés, le diagramme de la figure 120 No permet d'adapter plus précisément le type de groupe au besoin. Dans ce dernier cas, le type de roue devant équiper la pompe peut être choisi en considérant la valeur de la vitesse spécifique ou la nature du liquide à pomper.

3.5.1.3. Nature du matériaux de la roue et du corps de pompe

Lorsqu'on doit pomper un liquide corrosif, il faut choisir le corps de pompe et la roue en acier inoxydable. Si le liquide est abrasif, il faut préférer le matériau fonte ou un matériau moins dur avec les pièces d'usure en contact avec le liquide revêtues de caoutchouc ou de polyuréthanne. Si le liquide n'est ni abrasif ni corrosif, c'est le bronze qui convient.

3.5.1.4. Choix de l'étanchéité au passaqe

II faut choisir entre la garniture de presse-étoupe à tresses et la garniture mécanique. La capacité du service de maintenance peut être un critère déterminant. En effet l'entretien d'une garniture mécanique demande une plus grande competence quecelle d'une garniture de presse étoupe à tresses. Les pompes immergées de forage et les pompes submersibles sont toujours équipées de garnitures de mécaniques.

3.5.1.5. Performances de la pompe

Définition du circuit hydraulique:

II convient d'abord, de définir la côte d'implantation des pompes et la côte du point de refoulement de l'eau. II faut ensuite, définir les tracés et les diamètres des conduites d'aspiration et de refoulement. Enfin, il faut faire le choix des singularités du réseau.

Les critères d'implantation des pompes ne sont pas les mêmes pour les groupes de surfaces, les groupes spécialisés (groupes immerges, groupes à ligne d'arbre vertical, groupes submersibles). Les groupes de surface doivent être en permanence hors d'eau. Ils sont par conséquent implantes soit au- dessus du niveau-des plus hautes eaux (station en aspiration), soit au-dessous du même niveau (station en charge) dans un abri protégé des inondations.

Les fabricants de groupes spécialisés proposent dans leurs catalogues, des types d'installation pour leur matériel. II n'est pas mal de s'y conformer, mais il faudra de plus s'assurer que le tirant d'eau au-dessus des groupes est suffisant pour éviter la formation de vortex pendant le pompage. La conséquence en serait le désamorçage de la pompe.

Nous avons déjà dit que la conduite d'aspiration doit être courte. II convient d'ajouter que son tracé doit être régulier, sans contre pente, et comporter le moins de singularités possible.

21

400

a (D

__

H ri

N w

600 500 400

300 250 200 160

120 1 O0 80

60 50 40

Fibüre 12: detemination des diamètres des concknteç d’aspkatgm et de refoatément

30 25 20

1 1,2 1,6 2 3 4 5 6 8 1012 1620 30 40506C 80100 140 200 300

Cébi t en litres par seconde

Diamétres intérieurs des conduites d’aspiration et de refoulement (Les chiffres indiqués le long des courbes indiquent les vitesses)

v, = vitesse cm m/s dans la conduite d’aspiration SL vd = vitesse o n m / s dans la conduite de refclulement DL

24

L'étude du tracé de la conduite de refoulement doit permettre de fixer définitivement le point de la conduite de refoulement à considérer pour le calcul de la HMT. Ce point peut être différent du point où on veut amener l'eau s'il y a un point haut intermédiaire important. Pour s'en assurer, il faut tracer la ligne piézométrique de la conduite de refoulement : si cette ligne piézométrique passe au-dessous du profil en long au niveau d'un point haut, alors ce point haut est celui de refoulement de la station. II faut alors adopter la côte du terrain naturel en ce point comme côte imposée de la ligne piézométrique ; elle servira a la détermination de la hauteur géométrique de la station de pompage

Le point de refoulement de l'eau peut être le point le plus défavorisé d'un réseau sous pression un canal à ciel ouvert, ou un réservoir à niveau variable. Lorsque le point de rejet est un réservoir à niveau variable, il faut déterminer les niveaux hauts et bas dans ce réservoir. Lorsque le point de rejet fait partie d'un réseau, il faut connaître non seulement la côte de rejet mais la pression de service en ce point.

On peut déterminer les diamètres des conduites d'aspiration et de refoulement de chaque pompe, ainsi que le diamètre du collecteur, en se référant au graphique de la figure N"121. II donne les débits maximaux admissibles. Le diamètre de la conduite de refoulement de l'installation se détermine a l'aide des formules de détermination des diamètres économiques données en annexe.

Débit à pomper

Le débit total de la station de pompage se détermine aisément à partir des consommations spécifiques et a l'aide de formules et méthodes de calculs fournies dans les cours d'adduction d'eau potable et d'irrigation. Le nombre de pompes dans la station dépend de la modulation du débit en fondion du temps et du mode de régulation choisi ; il permet de fixer le débit d'une pompe.

Hauteur manométrique totale

La hauteur manométrique se détermine une fois que le circuit hydraulique est défini à partir des formules vues au chapitre 4 sur le fonctionnement d'une installation de pompage.

3.5.1.6. Spécification du besoin

Découlant de ce qui précède, les informations à fournir pour décrire le besoin sont données ci-après.

Tabieau N"'i3: cadre de description du besoin

- qualités de I'efluent ( eau claire ou chargé ? agressive ? corrosive ?) ; - source d'énergie possible ; - utilisation prévue de la pompe -type de groupe ; - type de pompe ; - débit et hauteur manométrique ; - vitesse de rotation - nature matériaux corps et roue de la pompe ; -type d'étanchéité au passage de l'arbre.

3.5.2. Choix de la Dompe cotrespondant au besoin.

II faut se reporter à un catalogue de constructeur. II vaut mieux choisir le catalogue d'un constructeur bien représenté dans le pays, ayant une bonne réputation, et qui offre bien sûr, le produit désiré.

26

Dans le catalogue du constructeur, il faut d'abord choisir une série de pompes. Les constructeurs présentent en effet différentes séries de pompes selon le domaine et les conditions d'utilisation. Pour choisir, il faut ccmparer les spécifications du besoin avec la description générale des pompes de chaque série fournie par le constructeur.

3.5.2.2- Choix du modèle de DomPe :

II faut se reporter au diagramme général de la série pour la vitesse d'entraînement choisie. Le diagramme synoptique donne les plages d'utilisation des différents modèles proposés par un fabricant en fonction du débit et de la hauteur manométnque totale, pour une fréquence du courant d'alimentation donnée.

Le choix de la vitesse d'entraînement de la pompe doit être fait en ayant à l'esprit que les groupes à grandes vitesses d'rntraînement ont des NPSHr élevés et s'usent vite d'une part, qu'à travail égal les groupes a grande vitesse sont pius peiits dont moins chers à l'achat.

La fréquence du courant dans les pays francophone est en général de 50 HZ. Dans les pays anglo- saxons, elle est de 60 HZ.

Dans le diagramme synoptique le modèle de pompe qui convient au projet se trouve à l'intersection de la vertical passant par la valeur du débit désiré et de i'horizontale passant par la valeur de la nauteur manométrique totale calculée dans les conditions les plus défavorables. (fi9 122)

La désignation des modèles est généralement codée, mais la grille de décodage est toujours donné dans le catalogue du constructeur.

3.5.2.3. Caractériçtiaues du modèle :

Courbes caractéristiques

Pour déterminer !es courbes caractéristiques, il faut se reporter au diagramme particulier du modèle.

Pour les pompes de surface, le diagramme particulier présente les courbes caractéristiques du modèle de pompe en fondion des différents diamètres de roue pouvant équiper le modèle. Elles sont souvefit présentées sur un plan verticale, les unes au-dessus des autres. On peut ainsi le long de la verticale passant par un débit donné et a l'intersection des courbes correspondant à une roue donnée, lire la pression, la puissance âbsorbée, le rendement et le NPSHr.

Pour déterminer le diamètre de la roue, on utilise uniquement la plage du diagramme donnant les caractéristiques débithauteur en fonction du diamètre de la roue. L'intersection de la verticale passant par la valeur du débit désiré et de l'horizontale passant par la valeur de la hauteur manométrique totale tombe généralement entre deux courbes caractéristiques correspondant à deux diamètres de roues différents. On peut adopter ia courbe immédiatement au-dessus de ce point d'intersection comme courbe caractéristique de la pompe . Le diamètre de la roue correspond généralement au chiffre indiqué un extrémité de wurbe. Ce choix implique un débit plus élevé que le débit objectif au point de fonctionnement.

On peut aussi adopter comme courbe hauteur débit de la pompe celle immédiatement en bas du point d'intersection. Le diamètre de la roue se déduit alors comme dans le premier cas. Mais ce choix implique un débit plus faible que le débit objectif au point de fonctionnement. Le choix entre les deux options doit être fait en considérant la possibilité de modification de la durée de pompage et les rendements au point de fonctionnement

27

B

400

300

H 1 1

a (D

100

200

50

40

. . . . . < . .

On pourrait ordonner un rognage de la roue supérieure pour s’adapter exactement au point voulu. Nous le déconseillons en Afrique Pour trois raisons : premièrement, c’est une opération de professionnels qui ne peut être réalisée partout; deuxièmement, faire la commande au constructeur pourrait revenir beaucoup plus cher que d’adopter tout simplement une roue de son catalogue ; enfin, il est rare qu’une station de pompage fonctionne au même point de fonctionnement tout le temps.

Pour les groupes ligne d’arbre vertical, les courbes caractéristiques sont données par nombre d’étages pour différents diamètres de forage. Les courbes hauteuddébit sont données par étage et pour différentes vitesses de rotation du moteur. I I faut d’abord déterminer la hauteur manométrique par étage et ensuite isoler la courbe permettant d’élever le débit voulu a cette hauteur.

La deuxième plage du diagramme donne le rendement de la pompe en fonction du débit pour différentes vitesses de rotation. La courbe de rendement du projet est celle correspondant la vitesse de rotation de la courbe hauteuddébit déterminée précédemment.

l

i

Pour les groupes immergés de forage, les courbes caractéristiques du modèle correspondent pour différents diamètres de forage à des tranches de débit et de hauteur. Une première plage du diagramme permet de choisir le nombre d’étages nécessaire pour élever le débit voulu a la hauteur manométrique totale du projet. Une deuxième plage du diagramme permet, en fonction du débit a pomper de déterminer le point de fonctionnement par étage de l’installation

Pour les groupes submersibles, les courbes caractéristiques de certains modèles sont présentées comme celles des pompes de surface et doivent être exploités de la même manière. Four d’autres, les courbes caractéristiques donnent plutôt les plages d’utilisation du modèle en fonction du débit et de la hauteur. Elles permettent seulement de déterminer la puissance du moteur d’entraînement de la pompe. Si on veut avoir les caractéristiques habituelles, il faut en faire la demande au constructeur.

Y

*)

Autres caractéristiques

II faut relever les caractéristiques du modèle qui sont nécessaires pour l’étude du génie civil, l’étude économique de la station et le calcul des coûts de transport. I I s’agit notamment des principales côtes d’encombrement, des diamètres des orifices d’aspiration et de refoulement de la pompe, du poids et des paramètres électriques du moteur d’entraînement.

3.5.3. Etude du fonctionnement de l’installation

3.5.3.1 PomDes centrifuqes

Point de fonctionnement le plus défavorable

Le point de fonctionnement le plus défavorable correspond, rappelons le , à la situation où la hauteur géométrique et les besoins sont à leurs valeurs maximales. Si I’on fait du pompage dans une rivière pour l’irrigation d’un périmètre, le point de fonctionnement défavorable correspondra a l’étiage absolu du cours d’eau et a la demande d’eau maximum sur le périmètre.

La pompe a été choisie avec le couple (Q.H) correspondant au point de fonctionnement défavorable. Mais le point de fonctionnement est l’intersection de la courbe caractéristique débit hauteur de la ou des pompe(s) et de la courbe caractéristique réseau de l’installation. Cette dernière est une parabole de concavité tournée vers le haut et dont nous connaissons un point : celui ayant servi au choix de la pompe. II nous suffit maintenant de déterminer deux autres points pour construire la courbe.

29

On recalcule la HMT de l'installation pour deux autres débits, l'un à 20 % au-dessus, l'autre à 20 % au- dessous du débit désiré. En joignant les trois points dans la plage du diagramme correspondant à la caractéristique débdhauteur, on détermine le point de fonctionnement, à l'intersection avec la caractéristique de la ou des pompe(s). Le point de fonctionnement est caractérisé par les paramètres Q, H, D,q et NPSH, qui peuvent tous être lues sur le diagramme.

Le point de fonctionnement étant connu, on vérifie qu'il n'y a aucun risque de cavitation . Pour cela, on calcule le NPSHd au point de fonctionnement et on s'assure que l'on a bien NPSHd > NPSH,. Si ce n'est pas le cas on redimensionne certains éléments de l'installation (conduite d'aspiration, hauteur d'aspiration) et on refait la vérification. Si l'insatisfaction persiste, il faut changer de pompe.

Point d e fonctionnement favorable :

Lorsque la pompe choisie satisfait au test de non cavitation au point de fonctionnement le plus défavorable, on passe à l'étude du point de fonctionnement favorable. Cette étude n'est pas nécessaire pour les pompes hélicocentrifuge, et les pompes a hélice. Le point de fonctionnement favorable correspond, rappelons le, à la situation où la hauteur géométrique de l'installation et les besoins en eau sont a leurs valeurs minimales. Dans l'exemple du pompage dans une rivière pour l'irrigation d'un périmètre, cela correspondrait au niveau de crue maximale de la rivière et a une irrigation d'appoint par pompage.

La hauteur manométrique totale est la somme de la hauteur géométrique calculée entre les plans d'eau maximum a l'aspiration et minimum au refoulement, et des pertes de charge calculées avec les besoins minimum du périmètre.

Pour trois débits bien choisis, on calcule les hauteurs manométriques totales correspondantes et on trace la courbe caractéristique réseau de l'installation. Son intersection avec la courbe caractéristique débiühauteur de la pompe est le point de fonctionnement de l'installation. Le point de fonctionnement est caractérisé comme ci-dessus par les grandeurs Q, H, 7 et NPSH,. Ici, il faut vérifier la condition de non cavitation et comparer les puissances absorbées en fonctionnement le plus défavorable et en fonctionnement favorable.

La puissance absorbée la plus importante servira de base pour fixer la puissance installée du moteur

3.5.3.2. Pompes à hélice et pompes hélicocentrifuqes

II n'est pas nécessaire d'étudier le fonctionnement favorable. II faut seulement déterminer le diamètre de la roue, le point de fonctionnement le plus défavorable, la puissance et les caractéristiques électriques du moteur d'entraînement.

30

Fiqure 14: étude du point de fonctionnement

A = point de b z r b o w ou chargeavarine fe rmk ( Q = O> 8 = p o l n l de fwictimnmen~:

31

.. . . ._

3.5.3.3. Présentation des résuitats

Tableau NO14 : spécifications techniques du groupe de pompage pompe sélectionnée

1. Spécifications du type de pompe.

- désignation ;

- tension d’utilisation ;

- fréquence du courant

- vitesse de rotation ;

- étanchéité au passage de l’arbre

- matériau roue et corps de pompe

- domaine d’utilisation.

2. Spécification du modèle choisi.

- Nom du constructeur

- Nom de la série de pompe

- désignation ;

- débit nominal;

~~~~~ ~~~

- Hauteur manométrique nominale ;

- Diamètre de la roue ;

- Diamètres orifices d’aspiration et de refoulement

- Poids ;

- Côtes d’encombrement

3. Points de fonctionnement.

- Point de fonctionnement le plus défavorable ;

- Point de fonctionnement favorable ;

- Puissance du moteur d’entraînement de la pompe

- Courant nominal et courant de démarrage ;

- Tension d’utilisation.

32

CHAPITRE 4 : CHOIX DES DISPOSITIONS PARTICULIERES

Interrupteur à flotteur

4.1. Introduction

Régulateurs immergés

Dans la dernière phase d'établissement de son projet, le projeteur doit prendre certaines dispositions spéciales afin de garantir un bon fonctionnement de la station.

Electrodes de niveau

En fonction des résultats et choix précédents certaines précautions doivent être prises. Ces précautions se traduisent par la mise en place de dispositifs de protection.

manostat et horloge

4.2. Protection de la prise d'eau contre les transports solides

Eau de A P

II s'agit essentiellement de prendre les dispositions et ce, dans le cas des eaux de surface, pour protéger la prise de la pompe afin d'éviter au maximum le transport solide. Le choix de ces dispositions dépend du tirant d'eau à l'étiage (TEE). Le tirant d'eau à l'étiage est la profondeur maximale des eaux en période de plus basses eaux :

P A

Si TEE > = 2 m : la prise peut être établie sans précaution spéciale sur la rive.

Si TEE est de 1 a 2 m : installé un dispositif de prise en queue de poisson ou utiliser un

Si TEE est de 0,5 à 1 m : si le fond est assez dur pour y creuser un chenal on reconstitue un

Si TEE < = 0,5 m : un barrage de reprise est nécessaire.

groupe d'épuisement en exhaure.

fond de deux mètres sinon établir un barrage de reprise.

surface Puits et

4.3. Protection contre les incidents d'oriqines hvdrauliques

D D A A

Les tableaux ci-après donne les diverses protections possibles à l'amont et à l'aval de la station de pompage

Cheminée régulateur d'équilibre de pression

stations a HMT au faible HMT départ

avale

excessive

Tableau 15 : Protections à l'amont de la station

Soupapes de décharge

lutte contre la surpression

ballon antibélier

ventouses à 3 fonctions

Cas d'utilisation

protection phénomènes conduite de gazeux refoulement

Tableau 16 : Protection à l'aval de la station

vidanges

Aux points bas

Ventouse simples

Aux points hauts

A = adapté P = possible

3 3

4.4. Protection contre les incidents d'oriqines éledrhues

- Disjoncteur Relais à minimum discontacteur Sectionneur

d'intensité différentiel manque ou A inversion de phase Mise sous tension Isolement moteur et discontacteur Sous-intensité Su ri ntensité

A A A

A A

MlSe SOI

Isolement moteur et discontacteur Sous-intensité Su ri ntençitA

A= adapté

A A

A A

4.5. Détermination d'un ballon anti-bélier par la méthode de Meunier et Puech

A. DONNEES DE BASE

A.1. Profil en lona de la conduite

II faut disposer du profil en long de la conduite, montrant aussi la ligne piezomètrique entre le ballon et le réservoir.

La méthode utilise difiérentes pressions (statique, dynamique,...). II importe de bien faire la différence entre pression absolue et pression relative.

A.2. Paramètres adimensionnels

On connaît l'équation de la caractéristique liant les valeurs de cote et débit entre ballon et réservoir.

On peut rendre adimensionnel les débits et les cotes en divisant les premier par Qo, les seconds par P s L'équation devient

a q b =z, f-q, a +J-d" j - gs Ps gs ps P S

2 f-

A est un coefficient sans dimension qui rend compte de l'importance du coup de bélier.

Par ailleurs, on pose j K . t i a K Po - Ps est un coefficient

35

dimension qui rend compte des pertes de charge dans la conduite de refoulement.

Perte de charge au remplissage pour le débit Q3 K = r ps

Par analogie avec le coefficient des pertes de charge en ligne, on définit

(4)

- Un coefficient Kv des pertes de charge à la base du ballon en phase de vidange

Perte à la vidange pour Ie débit Qo K, = (3)K

ps L I

- Un coefficient des pertes de charge à la base du ballon en phase de remplissage

Au niveau du ballon on peut écrire

A volume = At x Q avec PVy = Po AV L

- y -. fl P V a

= cste, d'où

Si on prend At = - , et sachant par ailleurs que

AP = - y - QL AV = QL, il vient __ a P aV

AP Q,,L P avo

à l'instant initial, on peut donc écrire - = - y-

On pose p = - QoL et on définit un coefficient B tel que B = pXA = LQo ' O . Pour des raisons av0 avo ps

pratiques on remplace souvent P s par Po dans cette formule.

On a alors :

B est un nombre sans dimension qui rend compte de la capacité de détente du ballon de protection.

Enfin, on définit aussi un coefficient en rapport avec le temps de vidange du ballon

avec T = durée de la phase de vidange

36

Régimes Pression absolue Initial PO

Pression minimum "min

Pression maximum Pmsr Final Ps

(dynamique)

(fin de vidange)

A.4. Abaques supoortde la méthode

Volume d'air vo

Vmax

Vmi" vc;

La méthode s'appuie sur 13 abaques ; comprenant - les abaques pour la détermination de la dépression (no 1 a 9) - les abaques pour la détermination de la surpression (no 1 O a 12) - les abaques pour la détermination de la durée de vidange du ballon (no 13).

B. OBJECTIFS DE LA METHODE

- Détermination du volume du ballon - Détermination de la perte de charge a la base du ballon en phase de vidange - Détermination du temps de vidange.

C. DEMARCHE PRATIQUE

C.I. Calculer Po. Ps, a et Uo

C.2. Etablir qu'une protection Dar ballon est nécessaire

Sans ballon la dépression en tête atteint s. On en déduit les pressions relatives au droit g

du ballon, au réservoir et au point caractéristiques de la conduite (par exemple au point haut).

S'il apparaît par endroit des pressions relatives négatives, voir si elles peuvent être comblées par exemple par une aspiration auxiliaire. Dans le cas contraire on peut adopter une protection par ballon.

C.3. Déterminer la surpression maximal (Pmax) - a ne pas dépasser au ballon.

On trace la ligne de surpression admissible en décalant le profil en long vers le haut d'une valeur égale à celle de la pression maximale admissible du tuyau.

Pmax est défini par la ligne horizontale évitant tout risque sur la conduite

C.4. Calculer A et K

A et K sont encadrés par des valeurs A1 et A2 , K i et K2 appartenant aux séries proposées pour les abaques. On a donc

A1 < A < A 2 K i < K < K2

37

C.5. Construction de la liqne de cavitation en variables réduite

On construit d'abord le profil en long par l'équation

(Z(x) - 2 ballon) + 10,33 zsoi (x) = (l),

ps puis la ligne de dépression admissible par l'équation :

(Z(x) - 2 ballon) + P, + marge Zadm (x) = (2)

ps Pv Marge = Marge de sécurité au-dessus de la pression de vapeur saturante.

= tension de vapeur saturante

En pratique, pour K1 puis K2, on sélectionne les abaques correspondant a A1 et A2. On y reporte les points caractéristiques de la courbe (2) et on détermine les valeurs maximum de B telle que la ligne de dépression correspondante ne coupe pas la ligne de dépression admissible. On

détermine aussi les valeurs de - en traçant les courbes de dépressions maximum en contact

avec les courbes des dépressions admissibles.

P min

ps

P min B et - pour K et A sont déterminés par interpolation selon les schémas suivants

ps

I I A1 I A2 I

22

P min pour K

ps

U B pour K

Prnin Fi Pmin

U P min

pour K ps

C.6. Calcul du volume total du réservoir

LQ, U, gp, B

On a le volume initial V, =

38

Pmin De - on détermine Pmin, puis la cote piezometrique minimale au ballon égale a Z ballon

P S

+ Pmin - 10,33.

Le volume d'air en fin de détente est

v,, = v, p) pmll

La capacité totale du ballon est "totale = 1 $2 "mm

IJY avec y = 1,2

C.7. Pertes de charae au remdissaae du ballon.

Pmax - P On connaît A, B et K par les calculs précédents. On calcule ' , puis on sélectionne

PS

les abaques qui conviennent aux valeurs de K.

Pour A1 et A2 on détermine dans chacune des abaques, les valeurs de Kr à l'intersection de Pmax - P

Ps l'horizontale passant par et de la courbe correspond a B (surpression maximale).

La valeur de Kr pour A et K est détermine par interpolation selon le schéma donne en C5.

On peut alors déterminer le diamètre du clapet percé par la formule

avec d = diamètre du clapet percé en m D = Diamètre de la conduite de la conduite de refoulement en m

C.8. Durée de la vidanqe

Pour A, B et K on détermine dans l'abaque no 13 la valeur de a et on calcule la durée de la vidange par la formule.

L a

T = c c . - . A

avec T = durée de la vidange en secondes ; L = longueur de la conduite de refoulement en m ; a = célérité des ondes en m/s ; A= coefficient sans dimension, de la méthode.

39

4.6. Détermination des qroulies électroqènes

4.6.1. Description des caractéristiques d’un qroupe

Le groupe électrogène se compose essentiellement :

[Dll- d’un moteur thermique, de son tableau de commande et ses accessoires permettant d’en contrôler le fonctionnement,

- d’un alternateur avec son dispositif d’excitation et de régulation,

- d’une armoire d’appareillage électrique de commande et de contrôle,

- d’un châssis commun et de son habillage, adapté aux conditions d’emploi.

Le moteur thermique, pour la gamme de puissance correspondant aux besoins de l’électrification des zones isolées est un DIESEL fonctionnant au fuel domestique.

Les groupes sont répartis dans 4 classes de service correspondant chacun à un type d’usage.

SERVICE A : Groupe de Production

Marche continue possible à 414 de charge pendant 24/24 h.

II faut dans ce cas soigneusement choisir la puissance du groupe et ne lui faire subir aucune su rc ha rg e .

SERVICE B : Groupe de Production

Marche continue mais limités à 4 O00 h/an et à charge

Possibilité de fonctionner 24/24 h pendant certaines périodes.

Possibilité de surcharge transitoire de 1 O % environ pendant 1 heure par jour.

SERVICE C :

Marche à charge variable acceptant une surcharge de 1 O %.

Service quotidien inférieur ou égal à 12 heures. Durée totale annuelle limitée à 2 O00 heures.

Peut-être utilisé comme groupe de production pour courtes durées.

SERVICE D :

Marche occasionnelle à charge variable sans surcharge.

Service d’une durée annuelle maximale de 500 heures.

II s’agit des groupes dits de secours

40

Tension foumie :

k 1,5 % de la nominale pour un facteur de puissance compris entre 0,T et 1 et une charge équilibrée à 10 % près.

4.6.2. Choix du nombre de groupes et du Wpe pourl’électrificaüon des zones isolées

Les moyens de production doivent être adaptés à la nature de la distribution envisagée :

- distribution intermittente

6 h /24 h : éclairage

Un seul groupe pourra suffÏr (prévoir cependant la coupure pour l’entretien, pendant quelques jours par an).

- distribution semiconünue

12 h/24 h : éclairage, quelques besoins artisanaux, quelques quelques services (pompage).

Deux groupes suffisent en général si la puissance minimale se situe entre 50 et 100 YO de la puissance nominale de base.

La coupure totale est évitée dans cette solution.

Si la puissance minimale est inférieure à 50 YO de la puissance nominale, un 3“” groupe sera prévu pour assurer les périodes de veilles et éviter ainsi l’encrassement des moteurs qui seraient surdimensionnés.

- distribution continue

24 h/24 h dans les agglomérations où existe une activité industrielle et artisanale suffisamment importante.

Trois groupes minimum sont nécessaires, en pncnipe de puissance différente pour permettre la meilleure adaptation aux charges et éviter un fonctionnement en dessous de 50 % de la puissance nominale.

Si le réseau permet d’éviter la marche en parallèle cela est préférable.

Sinon, la nécessité de coupler oblige à choisir des groupes dont les puissances ne sont pas dans un rapportn supérieur à 2.

En général, le neutre n’est pas couplé pour éviter la circulation des harmoniques entre les machines.

La répartition des puissances actives est assurée à k 10 %.

On choisira donc une puissance telle que :

P à fournir inférieure ou égale à :

0,85 a 0,9 x Puissance des groupes.

41

Le couplage nécessite des appareillages spéciaux, en particulier pour visualiser la synchronisation des vitesses :

- lampes de phase, - s y n c h ron oscope, - voltmètre différentiel, - coupleur contrôlant fréquence et tension avant couplage.

4.6.3. Critères de choix d’un qrouoe électroqène

Environnement

- pression barométrique : la puissance du moteur thermique varie avec l’altitude (- 1 % pour

- température ambiante : nécessite en principe une étude particulière si elle dépasse 38” C,

- degré hygrométrique : standard 70 %,

- atmosphère poussiéreuse (+ ou -).

100 m),

Ces éléments vont avoir une influence sur la puissance et sur le type de refroidissement

(aéro, eau + échangeur eau).

Choix de la puissance

La puissance est donnée en KVA pour un facteur de puissance de 0,8.

Un groupe de puissance P est donc dimensionne pour fournir sous 400 volts :

- une intensité 1 = P(KVA)/UJ;;r

- une puissance active P ( KW ) = P (KVA) x 0,8.

- Notion de capacité transitoire

La fermeture d’un circuit pour alimenter une charge provoque sur le groupe ce que l’on appelle un impact.

Pour le démarrage des moteurs notamment, on aura à assurer transitoirement une puissance qui pourra être supérieure à la puissance nominale.

Les coefficients de surcharge transitoire sont particuliers à chaque constructeur et type de groupe.

On peut cependant retenir des coefficients que l’on retrouve fréquemment :

. les aiternateurs admettent en général un impact compris entre O et 2 fois leur puissance nominale (la chute de tension transitoire instantanée peut alors atteindre 25 %.

. les moteurs DIESEL admettent un impact à vide de O à 50 % de leur puissance nominale active, et en charge un impact de 66 % de la puissance nominale dans la limite de leur puissance maximale de secours.

42

- Définition de la puissance en réqime établi

Soit P 1 la puissance en KVA, P 2 la puissance active en KW.

II faudra PG supérieur ou égal à P 1, et P G supérieur ou égal à P 2/0,8.

- Définition de la puissance en réqime transitoire

Ce calcul est nécessaire lorsque l’installation comporte des moteurs importants (c’est-à-dire d’une puissance nominale supérieure à 10% de la puissance totale de l’installation en régime établi), présentant de forts courants d’appel au démarrage.

Le calcul à mener consiste à déterminer le cas le plus défavorable pour la puissance active, à venfier que cette marche transitoire est admissible par le groupe pour la marche à régime établi ou à déterminer un nouveau groupe dans le cas contraire.

Le cas le plus défavorable pourra être par exemple : . le démarrage du plus gros des moteurs de l’installation, . le démarrage aléatoire d’un moteur quand tout est alimenté, . la reprise totale de l’installation, . le démarrage du dernier moteur d’une cascade, . la magnétisation d’un transformateur.

Exemple de dimensionnement :

L’installation à alimenter est constituée de 50KW d’éclairage incandescent ; d’un ensemble de petits moteurs démarrés séparément et constituant une charge de 79KW à cos9 = 0.85, soit 135A, et d’un compresseur frigonfique à marche automatique thenostatée ayant un In = 70A a cos9 = 0.80, un ldlln = 7 et cos9 = 0.40 au démarrage.

P1 en KVA en régime établi P1= c KVA +CI x U A P1= 50 + ( 1 3 + 70)0.400& P1 = 192 KVA

P2 en K W en régime établi P2 = KW + (c I x U A Cosp)

P2 =50+(135+ 70)0.400&x0.85 P2 = 170 K W

43

Le régime transitoire le plus défavorable est le démarrage aléatoire du compresseur.

P’1 en régime transitoire - Charge initiale P = 50 + ( 1 35~0.400 A) = 143KVA - impact - impact P = ~ O X ~ X O . ~ O O X J ~ =339KVA .d’où charge maximale transitoire kVA

P’2 en régime transitoire - Charge initiale P =50 + (135x0.400&x0.85)=129KW

P = 339 KVA x COS <p d = 136 KW

d’où charge maximale transitoire kW P’ 1 -3 3 9 + 1 4 3-482 kVA . P’2-129+136-265 kW.

Le groupe a retenir devra pouvoir satisfaire aux besoins en régime établi et en régime transitoire

. . P’1 PG > P1 et PG > -

2 PG > P2+0.8 et PG > P2+0.8

PG > 192 PG > 170+0.8 - 21 2 KVA PG > 482+2-241 PG > 265+0.8 - 331 KVA

- Le groupe sera un ACB 330 délivrant 350 KVA en secours.

4.7. ECONOMIE D‘UNE INSTALLATION DE POMPAGE

L’économie d’une installation de pompage comprend les coûts d’investissement, les coûts d’exploitation et les coût d’amortissement.

4.7.1. Coûts d’investissement

II s’agit de toutes les dépenses initiales au titre des fournitures et des travaux nécessaires pour la réalisation de la station de pompage.

4.7.2. Coûts d’exploitation

a)Energie

Consommation en fuel des moteurs thermiques (densité du fuel : 0,85)

- 10 à 20 CV 250 g OU 0,294 I/CV/h - 28 à 46 CV : 190 g OU 0,223 I/CV/h - 60 à 100 CV : 180 g OU 0,211 IICVIh - au-dessus de 100 CV: 170 g ou 0,21 IICVlh

Consommation de lubrifiants des moteurs thenniaues

Moteur thermique d’une puissance - au-dessous de 50 CV : 0,005 I/CV/h - au-dessus de 50 CV : 0,003 I/CV/h

44

Coût de I’énerqie et des consommables

~

B T 20 083 57 108 Triphasé 4 fils Moyenne tension 44 370 43 94 A

Le prix de du fuel et des consommables varie d’un pays à un autre. Le prix de l’énergie électrique annuel est donné par une formule du type :

Courant

C E = T F * P + T P * t * P CE = coûts énergétiques annuels ; TF = terme fixe du tarif applicable en FCFA par KW souscrit par an. P = hssance de l’installation en KW t = durée annuelle de fonctionnement en heures TP= terme proportionnel du tarif applicable en FCFAKWh consommé

Terme fixe (TF) en FCFAKW souscrit Terme proportionnel (TP) en FCFAKWh co11somme

Au Burkina Faso. on retiendra les valeurs suivantes :

Heures pleines : de Ohà 10h, de 14h à 16h et de 19 h à 24h Heures de pointe : de 10h a 14 h et de 16h à 19 heures

b) Entretien

Frais d’entretien

Les dépenses de réparation et d’entretien normal pour les moteurs peuvent se déduire par les formules empiriques suivantes, à paxtir du prix d’achat A

- moteurs thermiques : une révision équivalente à 8% de la valeur d’achat tous les 1000 heures de

- moteurs électrique : une révision équivalente à 1% de la valeur d’achat toutes les 1 O00 heures de fonctionnement ;

fonctionnement.

Les dépenses d’entretien de la station de la station de pompage se décomposent en :

- entretien des pompes - Génie civil conduites et apparedlage hydraulique

: 10% de la valeur d’achat par an : 1% de la valeur d’achat par an

Frais de surveillance

A déterminer selon la grde de salaire du pays, le nombre et les catégories d’employé

4.7.3.Amortissements

a) Durée de vie des moteurs

Moteurs électriques 30.000 heures Moteur diesel de puissance entre :

- 10et20CV 4.000 heures - 28/31 et 42/46 CV 5.000 heures - 50et95CV 10.000 heures - au-dessus de 100 CV 12.000 heures

45

Moteur à essence 8.000 heures Groupe électrogène 15.000 heures Bélier hydraulique 45.000 heures Pompes à piston 25.000 heures

Turbopompe 30.000 heures

Taux d'a mor- tissement %

9,6

9,6

b) Durée de vie du Génie Civil

Nbre 'année

10

10

Le Génie Civil comprend des massifs, des bâtiments et la tuyauterie ( toute nature). On admet forfaitairement une durée de vie de 30.000 heures.

- Pompe

- Moteur électrique

cl Détermination annuité de renouvellement

30

30

On connaît l'amortissement horaire du Génie Civil et du matériel. En considérant la durée annuelle de fonctionnement réelle, on détermine la durée de vie en année.

19,7

28,2

L'annuité de renouvellement est donné par la formule :

4

2,6=3

i C l = .Y, 1-(1+$"

Avec i= taux d'intérêt, n= durée de vie, a = annuité de renouvellement Va = Valeur d'achat ou coût de réalisation

Exemple

Durée annuelle de fonctionnement réel

Matériel 1 O00 heures

d'année 7 - Moteur diesel de + 1 de

100 cv - Moteur a essence

- Génie Civil

Taux 3'amortissement Y3

6,5

6 5

11,3

17,3

6,5

2000 heures 1 3000 heures

Nbre i'année

15

15

6

4

15 9,6 1 10

Taux i'amor- :issement %

13

10,6

28,2

36,7

13

d) Amortissement de l'emprunt 46

d) Amortissement de I’emrmnt

Ii est fonction du montant de l’emprunt, du taux d’intérêt et de la durée de l’empnint. L’annuité de remboursement se détermine par la formule :

i a = X E

1 - (1 + i)-”

Avec i= taux d’intérêt, n= durée de remboursement a = annuité de remboursement E = montant de l’emprunt

4.7.4. Coûts du projet

Les coùts du projet comprennent

- les coûts d’investissement actualisés donnés par la formule :

Avec Ia = Coûts d’investissement totaux actualisés Io = Investissement de départ Ik = investissement de l’année k a = taux d’actualisation

- le coût total actualisé du projet

Avec CT = coût total actualisé du projet Ck = montant total des coûts d’exploitation à l’année k Ia = coûts d’investissement totaux actualisés a = taux d’actualisation

- Prix de revient du mètre cube d’eau pompé

Avec P = Prix de revient du mètre cube d’eau pompé Vk = volume pompé à l’année k HMT = Hauteur manométrique totale de l’installation Ia et Ck ont été définis plus haut

47

GROUPE DE POMPAGE

J. Djoukam Juin 1999

48

- groupe immergé

Eau claire? MARNAGE<Srn d'arbre verticaie

f Oui - roue revêtue de Oui h i caoutchouc OU de

poly-uréthane dans le v cas des liquides

Fonte, Acier inox corr0sif.s Acier inox ou roue revètue

t Description du besoin

- Type de groupe - Type de pompe.

I Oui

v - Hauteur manornétnque totale - Débit

1

- pompe centrifuge monoceiiuiaire - pompe muiticeiluiaire

- Vitesse de rotation - Nature étanchéité au passage de l'arbre

- . - pompe héiico-centrifuge - pompe à hélice - pompe centrifuge double corps

Groupes électropornpe submersible

+ 'I

l I

I

Eaux usées + particules de grande dimension

1 eaux usées + boue + particules solides

1 1

fibres longues

1 Roue vortex < Roue dilacératrice k l

Etanchéité par garniture mécanique 1_1 presse étoupe

49

1 2. SPECIFICATIONS TECHNIQUES DETAILLEES DU GROUPE 1

P

ICatalogue dés constructeurs 1

Point de fonctionnement favorable

- caractéristique nbre minimum t

c

Tracer la caractéristique des pompes -Tracer la caractéristique réseau

Décalquer les courbes caracteristiques

Editer les spécification techniques détaillées du groupe

d’entrainement du groupe

oui Cavitation?

Calcul NPSHd

l t

, Q, HMT, Pabs, NPSHr, q

favorable: Qmin, Hgeomin I t oui

I

Spécifications détaillées du groupes - Nom du constructeur de pompe - Désignation de la série chez le constructeur - Modèle de pompe - Diamètre de la roue (ou des roues) - Point de fonctionnement le plus

Non défavorable - Point de fonctionnement le plus

Cavitation? Pompe centrifuge ? favorable - NPSHd - Puissance n o d i s é e du moteur d’entraînement - Intensité nominale et de démarrage - C o q du moteur - Poids du groupe - Principales côtes d’encombrement

Edition des spécifications techniques détaillées du

ou changer de pompe

50

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