Dimensionnement D'une Station de Pompage [PDF]

Zitiervorschau

République Tunisienne

Université de Gafsa Ecole Nationale d’Ingénieurs de Gafsa

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Projet de fin d'études

Projet de fin d'études soutenu à

L’École Nationale d’Ingénieurs de Gafsa

En vue de l’obtention du grade de : Ingénieur en génie énergétique et technologies de l’environnement

Présenté par :

Hend MANSOUR Encadré par : Encadrant universitaire Encadrant industriel ed M Ammar ABBASSI Ali GRIRA Sujet du PFE :

Etude et dimensionnement d’une station de pompage d’eau brute à fonctionnement automatique

Soutenu le jeudi 06 Juillet 2017 devant le jury composé de:

Kamel RABHI

Maître de conférences à l’Ecole Nationale D’Ingénieurs de Gafsa

Président

Lazhar AYED

Maître de conférences à l’Ecole Nationale D’Ingénieurs de Gafsa

Rapporteur

Med Ammar ABBASSI

Maître assistant à l’Ecole Nationale D’Ingénieurs de Gafsa

Encadrant

Rached NECIRI

Ingénieur à la Compagnie des Phosphates de Gafsa

Invité

Année universitaire 2016-2017

Remerciements

À l’occasion de mon projet de fin d’études, je souhaite tout d’abord remercier profondément mon encadrant au sein de la société, monsieur Ali GRIRA, qui a veillé sur mon travail durant ces quelques derniers mois et pour sa précieuse aide, ainsi que tous les membres du bureau d’étude pour leur aide considérable et leur accueil très chaleureux, et spécialement monsieur Riadh BEN MARZOUG pour ses nombreux conseils et le temps qu’il m’a accordé pour m’aider à mieux avancer. Je tiens aussi à présenter toute ma gratitude envers mon encadrant universitaire monsieur Mohamed Ammar ABBASSI que j’ai un peu embêté vers le début pour l’avoir pour encadrant cette année encore et qui m’a présenté de très bon conseils pour pouvoir avancer de mon mieux tout au long de ce processus. Je remercie aussi tous les professeurs que j’ai eu l’honneur d’avoir dans l’école d’ingénieurs pour leur dévouement au cours de ce cycle ainsi que leur professionnalisme et leur enseignement de qualité qui m’a permis d’être là en ce moment même et je présente mes plus sincères salutations envers tous les membres de l’administration pour leur amabilité et leur jovialité. Et enfin je présente toute ma gratitude et mes remerciements à ma famille qui m’a toujours eue sur le dos et qui m’as poussée vers l’avant malgré tous les obstacles et toutes les difficultés, sans qui je n’aurais jamais pu être ce que je suis maintenant, et seul Dieu sait à quel point ces dernières années ont été délicates pour nous tous mais cela ne nous fait pas faiblir car les liens qui nous unissent sont plus forts que tout. J’embrasse très fort tous mes amis qui m’ont été d’un très grand soutien moral et qui m’ont soit aidée, soit fait garder le sourire jusqu’à la fin, et aussi un petit clin d’œil très spécial à mes colocataires qui ont joué un grand rôle dans tout cela.

Résumé Ce travail a été réalisé dans le cadre d’un projet de fin d’études au sein de la société MERI. Il consiste à dimensionner une station de pompage d’eau à fonctionnement automatique se trouvant en amont d’une station d’assainissement. En premier lieu, un dimensionnement des différents éléments de la station a été établi : pompes, diamètres des conduites, épaisseurs des canaux selon les normes adéquates dans chaque calcul. Ensuite, le choix des différents éléments constituant la station a été fait, suivi d’une simulation hydraulique pour voir le comportement de l’eau pompée dans les tuyaux. Enfin, un système de fonctionnement automatique a été créé afin d’assurer l’autonomie de la station. Mots clés : pompage, dimensionnement, simulation, automatisme.

Abstract This work is a part of a graduation project that took place in the company MERI. It consists in sizing an automatic water pumping station located upstream a wastewater treatment plant. First of all, the sizing of the different components of the station took place: pumps, pipe diameters and thickness according to specific norms to each calculation. Then, the choice of the different components of the station took place, followed by a fluid flow simulation whose purpose is to have a better understating of the water’s behavior pumped in the ducts. And finally, an automatic operating system was created to ensure the autonomy of the pumping station. Key words: pumping, sizing, simulation, automatism.

‫ملخص‬ ‫ ويهدف إلى تصميم و تحجيم محطة ضخ مياه‬MERI ‫أجري هذا العمل في إطار مشروع تخرج في شركة‬ ‫ تقع هذي المحطة عند مدخل محطة معالجة مياه الصرف الصحي‬،‫من وادي مجردة و جعلها آلية العمل‬ ‫ سمك القنوات‬،‫ أقطار األنابيب‬،‫ مضخات‬: ‫ تم تحجيم العناصر المختلفة للمحطة‬،‫ أوال‬٠ ‫حيث سيتم تطهيرها‬ ‫ تليه المحاكاة‬،‫ثم تم اختيار مختلف العناصر المكونة للمحطة‬. ‫وفقاً للمعاير المطابقة في كل حساب‬ ‫ تم إنشاء نظام التشغيل اآللي لضمان‬،‫ وأخيرا‬.‫الهيدروليكية لمعرفة سلوك المياه التي يتم ضخها في األنابيب‬ .‫استقالل المحطة‬ .‫ عمل أوتوماتيكي‬،‫ محاكاة‬،‫ ضخ‬،‫ تحجيم‬:‫الكلمات المفاتيح‬

Sommaire

Introduction générale .............................................................................................................................1

Chapitre 1 : Présentation de la société .................................................................................................3 Introduction .........................................................................................................................................4 I.

Présentation de l’entreprise .........................................................................................................4

II.

Engagements de l’entreprise .....................................................................................................4

III.

Activités de MERI ....................................................................................................................5

IV.

Organisation ..............................................................................................................................5

V.

Clientèle ....................................................................................................................................6

Conclusion...........................................................................................................................................7

Chapitre 2 : Etude bibliographique .....................................................................................................8 Introduction .........................................................................................................................................9 I.

Les stations de pompage ..........................................................................................................9

1. Définition .......................................................................................................................................9 2. Types des stations de pompage ......................................................................................................9 2.1. Stations immergées ..............................................................................................................9 2.2. Stations en cale sèche.........................................................................................................10 3. Etude du terrain ............................................................................................................................11 4. Equipements.................................................................................................................................11 4.1. Tuyauteries.........................................................................................................................11 4.2. Equipements électriques ....................................................................................................12 4.3. Pompes hydrauliques .........................................................................................................13 4.4. Bâche d’aspiration .............................................................................................................13 4.5. Dégrilleur ...........................................................................................................................13 4.6. Système d’agitation ............................................................................................................13 4.7. Outils de mesure ................................................................................................................14 4.8. Ballons d’air .......................................................................................................................14 4.9. Système d’aération .............................................................................................................14 5. Fonctionnement............................................................................................................................14 6. Dimensionnement ........................................................................................................................14 7. Maintenance et mesures de sécurité .............................................................................................15

II.

Station de traitement des eaux ...............................................................................................15

1.

La coagulation ...........................................................................................................................15

2.

La floculation .............................................................................................................................15

3.

La décantation............................................................................................................................15

4.

La flottation ...............................................................................................................................15

5.

Un traitement chimique ou biologique ......................................................................................16

III.

Les pompes hydrauliques ......................................................................................................16

1. Définition des pompes hydrauliques ............................................................................................16 2. Classification des pompes hydrauliques ......................................................................................17 2.1. Pompes volumétriques ........................................................................................................17 2.2. Les pompes centrifuges .......................................................................................................20 3. Comparaison entre les différents types de pompes ......................................................................21 4. Caractéristiques des pompes hydrauliques ...................................................................................23 4.1. La HMT (Hauteur Manométrique Totale) .........................................................................23 4.2. Le NPSH (Net Positive Suction Head) .............................................................................23 4.3. Le débit .............................................................................................................................24 4.4. La puissance hydraulique..................................................................................................24 4.5. Le rendement ....................................................................................................................24 4.6. La cylindrée ......................................................................................................................24 5. Montage des pompes ....................................................................................................................25 6. Couplage des pompes...................................................................................................................25 7. Problèmes rencontrés avec les pompes ........................................................................................26 7.1. La cavitation de vapeur .......................................................................................................26 7.2. Les pertes de charge ............................................................................................................26 7.3. Le coup de bélier .................................................................................................................26 Conclusion.........................................................................................................................................26

Chapitre 3 : Etude hydraulique de la station de pompage ...............................................................27 Introduction .......................................................................................................................................28 I.

Présentation du projet ...........................................................................................................28

II.

Choix des pompes ................................................................................................................28

III.

Dimensionnement des conduites ..........................................................................................29

1. Choix du matériau .....................................................................................................................29 2. Acheminement des conduites ....................................................................................................29 3. Diamètre optimal économique ..................................................................................................30

3.1. Vitesse d’érosion .................................................................................................................31 3.2. Calcul du diamètre optimal .................................................................................................32 3.3. Comparaison entre les différentes méthodes de calcul du diamètre ....................................33 3.4. Choix du diamètre ...............................................................................................................34 4. Calcul des épaisseurs des conduites ..........................................................................................34 5. Calcul des pertes de charge .......................................................................................................35 6. Calcul de la HMT ......................................................................................................................37 7. Calcul du NPSH ........................................................................................................................38 8. Equipement et accessoires .........................................................................................................38 9. Simulation du fonctionnement ..................................................................................................39 Conclusion.........................................................................................................................................44

Chapitre 4 : Automatisation de la station de pompage .....................................................................45 Introduction .......................................................................................................................................46 I.

Philosophie de fonctionnement ............................................................................................46

II.

Schéma tuyauterie et instrumentation P&ID ........................................................................47

III.

Grafcet ..................................................................................................................................48

IV.

Automatisme ........................................................................................................................49

Conclusion.........................................................................................................................................53

Conclusion générale .............................................................................................................................54

Webographie .........................................................................................................................................58

Bibliographie.........................................................................................................................................59

Annexes .................................................................................................................................................61

Liste des figures

Figure 1 :

Logo de MERI……………………………………………………

Figure 2 :

Organigramme de MERI…………………………………………. Page 6

Figure 3 :

Schéma d’une station de pompage immergée……………………. Page 9

Figure 4 :

Schéma d'une station de pompage en cale sèche…………………

Page 10

Figure 5 :

Exemple de tuyaux en série………………………………………

Page 11

Figure 6 :

Exemple de tuyaux en parallèle…………………………………..

Page 11

Figure 7 :

Exemple de tuyaux ramifiés……………………………………… Page 11

Figure 8 :

Schéma des différentes formes des conduites……………………. Page 12

Figure 9 :

Exemple d'une station de traitement d'eau………………………..

Page 16

Figure 10 :

Pompe à palettes………………………………………………….

Page 17

Figure 11 :

Pompe à engrenages……………………………………………… Page 18

Figure 12 :

Pompe à rotor hélicoïdal excentré………………………………..

Figure 13 :

Pompe péristaltique………………………………………………. Page 19

Figure 14 :

Pompe à piston……………………………………………………

Figure 15 :

Pompe à membrane………………………………………………. Page 20

Figure 16 :

Pompe centrifuge…………………………………………………

Page 21

Figure 17 :

Pompe montée en aspiration……………………………………...

Page 25

Figure 18 :

Pompe montée en charge…………………………………………

Page 25

Figure 19 :

Couplage des pompes…………………………………………….

Page 25

Figure 20 :

Acheminement des conduites…………………………………….

Page 29

Figure 21 :

Diamètre optimal économique……………………………………

Page 31

Page 4

Page 18

Page 19

Figure 22 :

Schéma de procédé de la station de pompage……………………. Page 39

Figure 23 :

Modèle 3D de la station de pompage créé sur « Solidworks »…...

Figure 24 :

Conditions aux limites de la station de pompage………………… Page 41

Figure 25 :

Maillage du volume d’eau………………………………………..

Page 42

Figure 26 :

Lignes de courant…………………………………………………

Page 42

Figure 27 :

Profil de vitesse en m/s…………………………………………...

Page 43

Figure 28 :

Profil de pression en Pa…………………………………………... Page 43

Figure 29 :

Schéma P&ID de la station de pompage…………………………. Page 47

Figure 30 :

Grafcet de fonctionnement……………………………………….. Page 48

Figure 31 :

Pupitre relié au grafcet……………………………………………

Page 49

Figure 32 :

Noms des variables du grafcet……………………………………

Page 49

Figure 33 :

La carte Arduino………………………………………………….

Page 50

Figure 34 :

La carte Raspberry Pi…………………………………………….. Page 50

Figure 35 :

Configuration de la carte…………………………………………. Page 51

Figure 36 :

Interface de contrôle……………………………………………...

Figure 37 :

Première partie de l’aperçu du code……………………………… Page 53

Figure 38 :

Deuxième partie de l’aperçu du code…………………………….. Page 54

Figure 39 :

Troisième partie de l’aperçu du code…………………………….. Page 54

Page 40

Page 52

Liste des tableaux

Tableau 1 :

Avantages et inconvénients de chaque type de station…………...

Tableau 2 :

Avantages et inconvénients de chaque pompe…………………… Page 21

Tableau 3 :

Consommation électrique des pompes…………………………… Page 29

Tableau 4 :

Les longueurs des différentes lignes……………………………...

Tableau 5 :

Les angles des différents coudes…………………………………. Page 30

Tableau 6 :

La différence de hauteur des lignes………………………………

Page 30

Tableau 7 :

Les différents diamètres obtenus…………………………………

Page 33

Tableau 8 :

Eléments de calcul de l’épaisseur………………………………...

Page 35

Tableau 9 :

Les éléments du calcul du nombre de Reynlds…………………...

Page 36

Tableau 10 :

Valeurs des coefficients de pertes de charge singulières………....

Page 37

Tableau 11 :

Les pertes de charge dans les différents éléments des conduites…

Page 37

Tableau 12 :

Eléments du calcul de la HMT…………………………………… Page 37

Tableau 13 :

Paramètres du calcul de la pression en amont de l'aspiration…….

Page 38

Tableau 14 :

Paramètres du calcul du NPSH disponible……………………….

Page 38

Page 10

Page 30

Liste des annexes

Annexe 1 :

Fiche technique des pompes……………………………………..

Page 62

Annexe 2 :

API RP 14 E : vitesse d’érosion…………………………………..

Page 67

Annexe 3 :

Codeti : calcul d’épaisseur………………………………………..

Page 69

Annexe 4 :

Plans de la station de pompage…………………………………...

Page 76

Annexe 5 :

Symboles des instruments………………………………………... Page 79

Annexe 6:

Caractéristiques de l’acier………………………………………... Page 85

Annexe 7 :

Schéma P&ID de la station de pompage…………………………. Page 87

Annexe 8 :

Calcul des coefficients de pertes de charges……………………... Page 89

Annexe 9 :

Code de l’automate……………………………………………….

Page 92

Liste des références

1:

http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/pfcp/lcp/commun/pompe_palettes/pompe_a_palettes.htm

2:

http://motors2and4wheels.wixsite.com/motors/page-rotatif

3:

http://gpip.cnam.fr/ressources-pedagogiques-ouvertes/hydraulique/co/3grain_pompeMoineau.html

4:

http://www.ptc-geneve.ch/fr/produits/pompes-peristaltiques

5:

http://gpip.cnam.fr/ressources-pedagogiques-ouvertes/hydraulique/co/3grain_pompePiston.html

6:

http://une-petite-eolienne-de-pompage.over-blog.com/pages/La_Pompe-8483211.html

7:

http://www.maxicours.com/soutien-scolaire/mecanique-industrielle/bac-pro/134540.html

Introduction générale

Représentant la majorité de la structure de notre planète, plus exactement 72% de son ensemble, l’eau est une source de vie et de survie capitale que ce soit pour l’homme, la faune en général ou pour la flore, elle est d’une importance incontournable et indiscutable. De nos jours, elle représente l’une des préoccupations les plus primordiales de la vie moderne car elle se raréfie chaque instant qui passe à cause des usages excessifs et non suivis, du gaspillage ainsi que de la pollution, tout cela par les particuliers autant que par les industries. Ses sources se diversifient, bien que malgré leur abondance, l’eau n’y est pas présente en grandes quantités. On peut la trouver à la surface de la terre, comme on peut la trouver enfouie dans des nappes en dessous du sol, la recherche de l’eau est un sujet encore d’actualité, car toutes ces sources ne sont pas facilement accessibles ou directement exploitables. Cependant, l’être humain ne peut s’en passer, encore moins avec tous les progrès qu’il rencontre et son précieux rôle dans presque tous les domaines qu’il exerce. Ainsi, pour faciliter son accès et son usage surtout dans les lieux lointains ou isolés, on procède à l’installation de stations de pompage qui permettent de la collecter d’une source vers un seul endroit pour ensuite la traiter dans des stations spécialisées pour ce fait avant de procéder à sa distribution, l’eau est alors purifiée et sa consommation ou son utilisation deviennent possibles. C’est dans ce contexte que mon projet de fin d’études intitulé « Dimensionnement d’une station de pompage automatique » prend part, il témoignera aussi de l’achèvement de mon cursus universitaire au sein de l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Gafsa où j’ai étudié

1

durant ces trois dernières années. Ce projet se situe en amont d’une station de traitement des eaux après laquelle l’eau sera distribuée pour un usage domestique ou autre.

Tout d’abord, un premier chapitre sera consacré à la présentation de l’entreprise où s’est déroulé le stage de quatre mois, à ses principales activités et son domaine de travail tout en passant par son organisation et ses plus importants clients. Ensuite, dans le but de pouvoir cerner le sujet encore mieux et d’en comprendre les envergures, une étude bibliographique concernant les stations de pompages, les pompes en général sans oublier les stations d’assainissement des eaux sera faite. Après cela viendra l’étude hydraulique du projet où les différents éléments de la station seront dimensionnés ou choisis selon les besoins, une étude suivie par une simulation de l’écoulement de l’eau pour en découvrir le comportement. Enfin, pour clore l’ensemble de ce travail, un automatisme contrôlant l’intégralité de la station sera créé suivant une philosophie de fonctionnement bien précise et détaillée afin d’assurer l’autonomie de la station et de prévoir un éventuel dysfonctionnement, une partie qui sera suivie par une conclusion générale marquant la fin du travail.

2

Chapitre premier : Présentation de la société

Résumé : Durant ce chapitre, une brève introduction de l’entreprise qui a accueilli ce stage de fin d’études et qui a proposé le sujet traité dans ce rapport sera établie, on verra aussi les raisons qui ont permis à MERI de se distinguer parmi tant d’autres sociétés grâce à une organisation bien étudiée et structurée de façon stratégique, des engagements prometteurs et innovants, un domaine d’activité diversifié et large lui permettant ainsi d’offrir un grand nombre de services qui satisfait plusieurs clients importants à la fois, ce qui a conduit à son épanouissement et à son progrès.

3

Introduction : Comme dans chaque histoire qui commence par une préface, le début de ce rapport sera consacré à une légère présentation de la société qui a servi d’hôte lors de la réalisation de ce projet tout au long de ce premier chapitre, les engagements auxquels elle se consacre, sans oublier de citer son domaine d’activité et ses principales actions, tout en passant par ses plus importants clients.

I.

Présentation de l’entreprise :

Fondée en 1999 et dont le siège se situe à Megrine dans le gouvernorat de Ben Arous, MERI, ou Mondiale des Etudes et Réalisations Industrielles, est une société accompagnant le développement de ses clients nationaux et internationaux dans divers domaines essentiellement dans la pétrochimie, l’énergie et l’environnement, elle leur offre ainsi des produits et des projets clés en main visant leur satisfaction absolue. MERI s’engage ainsi à fournir des services d’étude et de réalisation de projets conformes aux attentes des clients pour accroître leur complaisance et cela en améliorant continuellement le niveau de compétences.

Figure 1 : Logo de MERI

II.

Engagements de l’entreprise :

MERI a pour politique d’assurer un objectif principal « zéro accident » en maîtrisant les risques professionnels liés aux activités de la société surtout sur le niveau des chantiers, garantir la sécurité la santé et le bien-être des employés et des collaborateurs, respecter les exigences légales et autres, diminuer ses propres consommations énergétiques, préserver l’environnement et prévenir contre la pollution en intégrant les considérations environnementales dans ses projets et en améliorant la gestion de ses déchets.

4

III.

Activités de MERI :

MERI est dotée d’un large domaine d’activité caractérisé par sa remarquable diversité et le grand choix qui s’y offre, il touche primordialement aux six secteurs suivants :      

Ingénierie. Projets clé en main de dépôt d’hydrocarbures et de gaz. Chaudronnerie. Charpente métallique. Pipeline et tuyauterie. Montage industriel.

Ses activités se partagent entre ces principales professions : 







 

IV.

Pétrole et gaz : - Distribution. - Centre de stockage et de production. - Equipements de process et traitement. - Installation de systèmes à vapeur sous pression. Industrie métallique : - Charpentes métalliques. - Centre de stockage et de production. - Etude et construction de structures pipes racks, supports et abris. Appareils à pression : - Conception et construction des appareils à pression : réservoirs, anti-béliers, filtres gaz, filtres à panier, séparateurs et gares racleurs pour les hydrocarbures. - Conception et construction des skids de comptage et de filtration huile et gaz. Génie civil : - Conception et réalisation des ouvrages de GC fondations, cuvettes, murs de rétention, murs pare-feu. Electricité : - Etude et construction des tableaux électriques de commande et de télégestion. Environnement : - Etude et installation de stations de pompage, d’épuration et de traitement des eaux.

Organisation :

La réussite et le succès de toute entreprise commence par une bonne organisation claire où les tâches sont réparties de façon équitable et en tenant compte des capacités, des compétences et du savoir de chaque individu constituant cet ensemble, dans MERI, les rôles sont distribués comme suit :

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Figure 2 : Organigramme de MERI

V.

Clientèle :

Meri compte de nombreux et très prestigieux clients qui sont :        

       

Office national de l’assainissement. Le ministère de la défense. Vivo energy. Air liquide. Sonatrach. Tankmed. Sonacop. Butagaz.

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Oilibya. Sonede. Staroil. Naftal. STEG. STIR. Snim. Shell

      

Total. Agil. CPG. SGP. GTP. Teci. TPS.

Conclusion : Grâce à son secteur d’activité et ses multiples projets diversifiés touchant à plusieurs secteurs d’actualité à la fois, et également grâce à sa structure bien organisée et une politique de travail visant à se conformer aux dernières lois ainsi qu’aux nouvelles technologies, MERI a réussi à se créer un nom et à se positionner aussi bien sur un plan national que sur une échelle internationale, ceci a été bien démontré dans ce chapitre, quant au chapitre suivant, il sera consacré à une étude bibliographique sur les stations de pompage, sur les stations de traitement des eaux ainsi que sur les pompes.

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Chapitre second : Etude bibliographique

Résumé : Le second chapitre sera dédié à une étude bibliographique dont le but est de servir d’appoint pour le reste du travail afin d’introduire les notions les plus importantes. Ce chapitre débutera par une partie introductive sur les stations de pompage en général en énumérant leurs types, les équipements qui y sont nécessaires, le mode de fonctionnement et tout ce qu’il faut savoir dessus. Ensuite il y aura une introduction sur les différents types de pompes tout en passant par une comparaison entre leur fonctionnement et leurs caractéristiques les plus importantes pour finir avec une partie sur les stations d’épuration des eaux et les différents procédés dont on s’y sert.

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Introduction : Au cours de ce second chapitre, une présentation bibliographique concernant les stations de pompage des eaux -de la définition au mode de fonctionnement tout en passant par les équipements majeurs qui la composent - ensuite les stations de traitement des eaux et plus essentiellement les différentes étapes de l’assainissement, ainsi que les pompes hydrauliques caractéristiques, dimensionnement et montage- sera établie, et cela dans le but d’éclaircir certaines notions importantes qui seront utilisées plus tard dans le développement du travail et pour aussi pouvoir être initié à l’étude entière.

I.

Les stations de pompage :

1. Définition : Les stations de pompage sont des stations où l’eau est collectée avant d’être distribuée vers différentes destinations dans un réseau de canalisations après son extraction de différentes profondeurs et de multiples sources. En plus de servir à approvisionner les canaux en eau, elles servent aussi à pomper les eaux usées pour les dégager. Dans un différent cas d’usage, les stations de pompage servent à faire circuler d’autres fluides que de l’eau, tels que les huiles ou le pétrole, la nature du fluide entre en jeu dans le choix de l’équipement et dans la partie du dimensionnement car certains fluides sont plus lourds et plus visqueux que d’autres, donc leur pompage est moins aisé.

2. Types des stations de pompage :  Il existe deux types d’installation des stations de pompage : a.

Stations immergées :

Dans ce type de stations, la pompe est généralement montée verticalement en ayant le corps entièrement immergé dans l’eau à un niveau en-dessous inférieur à celui de l’eau qu’il faudra pomper.

Figure 3 : Schéma d'une station de pompage immergée

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b. Stations en cale sèche : Dans ce genre de stations, il n’y a pas de restrictions quant au montage de la pompe, qu’il soit horizontal ou vertical, elle est juste placée dans un compartiment appelé chambre des pompes qui est isolé du réservoir d’eau.

Figure 4 : Schéma d'une station de pompage en cale sèche

 Comparaison entre les deux types : Tableau 1 : Avantages et inconvénients de chaque type de station

Avantages

Inconvénients

Stations immergées

 Conception plus simple, donc des frais d’investissement moindres.  Utilisation d’un équipement de haute qualité.  Equipement hydraulique moins compliqué (absence de tuyauterie d’aspiration).  Moins de bruit lors du fonctionnement des pompes.  Levage plus simplifié de la pompe, ce qui facilite les interventions de maintenance.

 Instabilités et défauts d’étanchéité.  Standardisation de fosses très étroites par rapport aux conditions réelles d’usage.  Consommation énergétique élevée du fait que le rendement global est plus faible.  Non-respect des conditions de sécurité et d’hygiène.  Nécessité d’un système de ventilation en cas d’intervention dans la fosse.  Maintenances et réparations plus coûteuses.

Stations en cale sèche

 Exploitation plus aisée et plus hygiénique vu la facilité de l’accès.  Equipement électrique à l’abri et éloigné des risques de détérioration.  Intervention sur le matériel plus facile et plus aisée.  Faible consommation énergétique grâce au rendement global élevé.  Plus de souplesse lors de la résolution des anomalies hydrauliques.  Bonne adaptation des protections anti-bélier. 10

 Installation plus coûteuse.  Etanchéité obligatoirement requise, donc plus de précautions prises au croisement des parois et des conduites.  Nécessité de l’installation d’un groupe auxiliaire pour le dégagement des eaux d’infiltration, de suintement ou d’inondation.  Equipement hydraulique plus cher.  Nécessité de ventiler la fosse.

3. Etude du terrain : L’étude du terrain entre essentiellement dans la partie du génie civil. Elle consiste à établir une analyse des lieux où la station de pompage sera construite afin de prévoir les matériaux nécessaires pour lutter contre une éventuelle érosion du sol, l’enfoncement de la station dans la terre ou encore son instabilité, sans oublier l’humidité aux environs à cause des quantités d’eau qui s’y trouvent ce qui pourrait avoir une mauvaise influence sur l’intégralité de la station, donc il faudra prévoir des constructions adaptées à ces conditions.

4. Equipements : 4.1. Tuyauteries : Ou aussi canalisations ou conduites, on peut différencier les tuyauteries d’aspiration et aussi de refoulement. Dans les deux cas, elles servent à faire véhiculer l’eau d’un point à un autre. Les conduites peuvent être disposées en série, en parallèle, en ramification ou alors en combinant plusieurs dispositions ensemble.

Figure 5 : Exemple de tuyaux en série

Figure 6 : Exemple de tuyaux en parallèle

Figure 7 : Exemple de tuyaux ramifiés

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Les caractéristiques dont dépendent les conduites sont la longueur, le diamètre, la rugosité et aussi le matériau dont elles sont composées. Les tuyauteries installées demandent certaines pièces spéciales ainsi que des accessoires de raccordement divers :  Des conduites aux formes particulières : On trouve les tés, les coudes et les cotes de réduction (les convergents et les divergents).

Figure 8 : Schéma des différentes formes des conduites

 Des manchettes de traversée : Elles sont utilisées pour relier le réseau au bâtiment lorsqu’ils se croisent.  Les raccords mécaniques : Ce sont des liaisons mécaniques entre les conduites qui habilitent le passage de l’eau dedans sans qu’il n’y ait de fuites.  Des joints : Ils assurent l’étanchéité des canalisations, ils s’assemblent avec les raccords mécaniques car leurs diamètres sont identiques.  Des appareils de robinetterie : Il y a les vannes qui, selon leur état fermé ou ouvert, permettent de laisser passer l’eau dans les canalisations ou de l’en empêcher. Il y a aussi les clapets anti-retour (ou clapets de refoulement) qui, quant à eux, empêchent la circulation de l’eau dans le sens inverse de celui de son écoulement dans les canalisations en cas d’arrêt des machines ou de fermeture des vannes, ces clapets peuvent être placés avant et après la pompe. 4.2. Equipements électriques : Parmi les équipements électriques les plus importants qu’on peut trouver dans une station de pompage, on distingue essentiellement : 

Une alimentation électrique : C’est un système qui procure de l’énergie électrique au reste des éléments de la station de pompage de façon stable et continue.

12



Un soft-starter ou démarreur : C’est un dispositif électronique qui limite la pointe de courant lors du démarrage d’un moteur électrique pour protéger le reste de l’équipement.



Des armoires électriques : Il s’agit de boîtiers contenant un réseau de distribution électrique dont la majeure partie est des circuits électriques et des câblages pour les protéger et les conserver intactes.



Des pupitres de commandes : Ils affichent l’état de fonctionnement des éléments du système grâce à des capteurs et permet la commande de leur manœuvre.



Des alarmes : Très souvent sonores, elles servent à avertir et à alerter en cas de panne ou de dysfonctionnement d’un élément de la machine ou s’il y a un risque de danger afin d’éviter un éventuel incident.



Un variateur de fréquence : Il permet de régler le débit d’eau pompée en fonction du niveau dans le réservoir en faisant varier la vitesse de rotation du moteur de la pompe.



Un manostat ou un pressostat : C’est un dispositif qui maintient la pression à une valeur constante désirée.



Des câbles : Ils assurent la liaison entre les différents équipements électriques. 4.3. Pompes hydrauliques :

C’est l’élément de la station qui permet de faire passer l’eau d’un niveau à un niveau supérieur. Les pompes de secours servent d’appoint si les pompes principales s’arrêtent de fonctionner suite à une panne ou à une opération de maintenance. Elles seront décrites dans la seconde partie de ce chapitre. 4.4. Bâche d’aspiration : Il s’agit d’un réservoir ouvert sur l’air atmosphérique où l’eau est collectée et stockée avant d’être aspirée par les pompes. Cette bâche est reliée directement à la source d’alimentation de la station de pompage et aussi à la station même. 4.5. Dégrilleur : Le dégrilleur permet de retenir les débris ou les cailloux de grandes tailles pour qu’ils ne s’infiltrent pas dans les pompes au risque de les abimer ainsi que dans le reste des canalisations qu’ils pourraient boucher. Les dégrilleurs sont faciles à maintenir et peuvent être nettoyés à la main. Pour éliminer des éléments plus fins, l’usage d’un dessableur ou de filtres est alors pleinement recommandé. 4.6. Systèmes d’agitation : Il s’agit d’un système qui agite l’eau dans le réservoir afin d’éviter la sédimentation des éléments en suspension au fond dans le but d’empêcher les infections et la formation de bactéries et également de moisissures.

13

4.7. Outils de mesure : Ces outils de mesures ont plusieurs utilités, on trouve :  Les débitmètres : Ils permettent d’indiquer la valeur du débit de l’eau pompée ou dans les canalisations.  Les manomètres : Ils affichent la valeur de la pression de l’eau dans les conduites.  Les indicateurs de niveau : Ces indicateurs montrent le niveau de l’eau dans les réservoirs, tels que les flotteurs à poires de niveau. 4.8. Ballons d’air : Les coups de bélier présentent un problème d’une grande ampleur dans les installations hydrauliques, et dans le but de protéger l’équipement, un système anti-bélier est installé, qui est les ballons d’air qui absorbent les ondes de chocs que le coup de bélier créé. 4.9. Système d’aération : Les systèmes d’aération dans une station de pompage ont un rôle essentiel dans le renouvellement de l’air pour empêcher la formation de mauvaises odeurs et de bactéries dues à l’emplacement de la station et à la qualité de l’eau aspirée.

5. Fonctionnement : Pendant la marche de la station de pompage, l’eau qui se situe dans la bâche d’aspiration est aspirée par les groupes motopompes et est acheminée vers un autre bassin d’eau brute relié à une station de traitement des eaux où celle-ci sera purifiée et ensuite distribuée vers un réseau externe d’utilisation tel que les maisons ou d’autres bâtiments. Quand l’eau dans le bassin atteint un niveau bas, dit aussi niveau de marche, les pompes sont actionnées et commencent à aspirer l’eau jusqu’à ce que le niveau de l’eau remonte pour atteindre un niveau haut appelé aussi niveau d’arrêt qui stoppe le fonctionnement des pompes.

6. Dimensionnement : Le dimensionnement d’une station de pompage se fait par diverses étapes. La première est d’évaluer les besoins en eau, c’est-à-dire le débit d’eau que la station devra refouler vers la fin du processus entier, la quantité d’eau dégagée varie d’une station à une autre. Suite à cela, il faudra déterminer le volume utile de la bâche de relèvement, le volume utile est situé entre les niveaux bas et haut d’enclenchement de la pompe. Ensuite, une évaluation de l’énergie hydraulique nécessaire est essentielle pour dimensionner les groupes motopompes à utiliser avec leurs différentes caractéristiques. Vient après le dimensionnement des tuyauteries, les diamètres de raccordement et les sections de passage des pompes. Enfin, on établit la mesure des équipements à installer dans la station entière tels que les dégrilleurs, les anti-béliers… 14

7. Maintenance et mesures de sécurité : Afin d’assurer le bon fonctionnement de la station, il faudra mettre en cours des opérations de maintenance d’une manière périodique afin de protéger l’intégralité du matériel utilisé et autres composants de la station. Pour cela, il faudra posséder un dossier technique contenant les caractéristiques des éléments, il faudra aussi effectuer certaines mesures telles que sur la consommation énergétique, les éventuelles fuites en eau ou une mesure du rendement des équipements. Les mesures de sécurité consistent à prévoir des solutions à un éventuel incident tel qu’un incendie en mettant à disposition des moyens d’atténuer la gravité de la situation.

II.

Station de traitement d’eau :

Après le pompage de l’eau, celle-ci est amenée vers une station de traitement où elle sera purifiée des impuretés qu’elle contient pour ensuite être distribuée vers le réseau ou tout simplement stockée, elle passe alors par un processus entier qui se compose de plusieurs opérations qui se succèdent, sachant qu’elle a déjà eu un prétraitement en traversant la totalité des dégrilleurs en amont de la station de pompage. Parmi les procédés de traitement de l’eau, on trouve : 1 . La coagulation : Il s’agit de l’addition d’un réactif chimique appelé coagulant qui permet de rassembler les matières en suspension de tailles très réduites qui s’agglomèrent afin de former des particules de tailles plus importantes. 2.

La floculation :

Les colloïdes formés suite à la coagulation restent d’assez faible diamètre et ne peuvent passer aux étapes de traitement suivantes, dans ce cas, on ajoute un polymère nommé floculant qui permet de rassembler les colloïdes ensemble pour augmenter leur volume en même temps que leur masse. 3. La décantation : S’effectuant le plus souvent dans des bassins de forme conique, la décantation est un procédé de séparation mécanique entre l’eau et les impuretés qui y sont mélangées. Le mélange eau-polluant reste au repos jusqu’à ce que les phases soient séparées sous l’effet de la pesanteur où la phase polluante se rassemble au fond du décanteur puis sera raclée sous forme de boues. 4.

La flottation :

Son principe est le même que la décantation, il s’agit d’un procédé de traitement mécanique, sauf que les polluants émergent à la surface de l’eau pour être ensuite évacués.

15

5. Un traitement chimique ou biologique : Les opérations précédentes restent insuffisantes et limitées à cause de la présence de nombreux polluants de différentes natures dans l’eau, dans ce cas on procède à un traitement soit chimique qui consiste à ajouter des produits chimiques dans l’eau pour éliminer les polluants, soit biologique par l’admission de bactéries qui purifieront l’eau.

Figure 9 : Exemple d'une station de traitement d'eau (réalisé avec Edraw)

III. Les pompes hydrauliques : 1. Définition des pompes hydrauliques : Les pompes sont considérées comme étant l’élément central d’une station de pompage. Ce sont des appareils mécaniques qui aspirent des liquides (eau comme dans notre cas, huiles, essence, liquides alimentaires…) à une pression initiale pour les faire véhiculer et ensuite les refouler à une pression finale plus élevée dans un endroit voulu. Ainsi, les pompes sont considérées comme étant des génératrices de débit ou de puissance qui transforment l’énergie mécanique qui les alimente en énergie hydraulique. L’aspiration des liquides se fait à travers un orifice d’aspiration et leur refoulement par un orifice de refoulement qui est relié au reste du réseau. Les pompes doivent obéir à la norme API 610. 16

2. Classification des pompes hydrauliques : Les pompes peuvent être réparties en différents types en tenant compte :    

Des mouvements mécaniques. Du mode de fonctionnement. Du mode de déplacement du fluide. Du domaine d’utilisation.

Et elles sont choisies en fonction des paramètres et des caractéristiques du circuit d’écoulement du liquide ainsi que son débit. Mais généralement, les pompes faisant circuler des liquides se divisent en deux catégories importantes selon leur mode de fonctionnement, on retrouve : 2.1. Les pompes volumétriques : Elles utilisent une variation périodique du volume intérieur de la pompe grâce au mouvement d’un élément mobile à l’intérieur du corps de la pompe parfaitement fermé. 2.1.1. Pompes volumétriques rotatives : La pièce mobile de la pompe décrit un mouvement rotatif, on peut trouver dans ce cas les types suivants : 2.1.1.1. Pompes à palettes libres ou rigides : Elles sont composées de palettes coulissant dans les fentes du rotor et sont maintenues en contact avec ses parois par un jeu de ressorts et la force centrifuge. Le mouvement du rotor fait varier les différences de capacités entre le stator et les palettes et produit de cette façon l’aspiration du liquide d’une part et son refoulement d’une autre.

Figure 10 : Pompe à palettes 1

1

http://nte-serveur.univ-lyon1.fr/pfcp/lcp/commun/pompe_palettes/pompe_a_palettes.htm

17

2.1.1.2. Pompes à engrenages : Ces pompes sont constituées de deux engrenages tournant en sens inverses à l’intérieur du corps, le premier est relié à l’arbre tandis que le second est libre. En tournant, les dents de chaque engrenage s’éloignent les unes des autres, la pression à cet espace formé diminue et le liquide est aspiré entre deux dents consécutives des engrenages et est passé vers la section de refoulement.

Figure 11 : Pompe à engrenages 2

2.1.1.3. Pompes à rotor hélicoïdal excentré : Elles sont composées d’un rotor et d’un stator hélicoïdaux insérés l’un à l’intérieur de l’autre, formant ainsi une chaîne de cavités étanches ou alvéoles. Lors de la rotation du rotor dans le stator, les alvéoles se déplacent invariablement tout au long de l’axe de la pompe, transportant ainsi le liquide de la voie d’admission vers le refoulement.

Figure 12 : Pompe à rotor hélicoïdal excentré 3

2 3

http://motors2and4wheels.wixsite.com/motors/page-rotatif http://gpip.cnam.fr/ressources-pedagogiques-ouvertes/hydraulique/co/3grain_pompeMoineau.html

18

2.1.1.4. Pompes péristaltiques : Le pompage se fait par la compression d’un tube en élastomère par des galets fixés sur le rotor, le liquide est refoulé sans turbulence ni cisaillement. Le contact entre les liquides et les pompes est absent.

Figure 13 : Pompe péristaltique 4

2.1.2. Pompes volumétriques alternatives : Le mouvement de rotation est transformé en mouvement rectiligne alternatif, on distingue dans ce cas les sous-classifications suivantes : 2.1.2.1. Pompes à piston : Lors du déplacement d’un piston dans un cylindre, le volume de la chambre de pompage varie, provoquant ainsi l’aspiration du liquide dans un sens et le refoulement dans l’autre. Ces pompes ont un fonctionnement alternatif et nécessitent des clapets ou des soupapes pour assurer chacune des deux phases du pompage.

Figure 14 : Pompe à piston 5

4 5

http://www.ptc-geneve.ch/fr/produits/pompes-peristaltiques http://gpip.cnam.fr/ressources-pedagogiques-ouvertes/hydraulique/co/3grain_pompePiston.html

19

2.1.2.2. Pompes à membrane : Ces pompes utilisent également un piston qui comprime un fluide secondaire ou auxiliaire incompressible, causant la déformation d’une membrane qui comprime ainsi le liquide pompé.

Figure 15 : Pompe à membrane 6

2.1.2.3. Pompes doseuses : Elles sont généralement à piston ou à membrane et servent essentiellement à des dosages fins de produits chimiques ou à l’injection du carburant pour les véhicules automobiles. Le dosage se fait par réglage direct du débit sur la pompe en faisant varier la vitesse de rotation du moteur ou la course du mobile de pompage piston-membrane. 2.2. Les pompes centrifuges : Ayant un domaine d’application et d’exploitation assez étendu, les pompes centrifuges sont les pompes les plus utilisées ainsi que les plus répandues dans les industries. Comme leur nom l’indique, ce type de pompes utilise la force centrifuge afin de faire circuler les liquides et leur fonctionnement peut être divisé en trois étapes : L’aspiration, l’accélération et le refoulement. La rotation du moteur entraîne avec elle la rotation d’une composante tournante appelée rotor, le liquide est aspiré au centre de la pompe à travers une ouverture appelée distributeur, ou encore œil, qui l’achemine depuis la conduite jusqu’à la section d’entrée du rotor, la vitesse du fluide admis augmente et ainsi la pression dans l’œil décroît et cause ainsi l’aspiration du liquide. L’énergie mécanique appliquée à l’arbre de la pompe est transformée par le rotor en énergie cinétique, à sa sortie, le liquide est projeté dans la volute sous l’effet de la force centrifuge où il est collecté et ramené à la section de sortie qui s’élargit et se comporte comme un divergent, et là son énergie cinétique se convertit en une énergie de pression. Dans le but d’augmenter la hauteur de refoulement, plusieurs étages d’aubages peuvent être juxtaposés sur l’arbre, chaque étage transmet l’eau à l’étage suivant en élevant la pression jusqu’à l’étage final. 6

http://une-petite-eolienne-de-pompage.over-blog.com/pages/La_Pompe-8483211.html

20

Par contre, ces pompes doivent être amorcées avant la mise en marche, l’air contenu doit être dégagé, c’est-à-dire qu’elles doivent être pleines de liquide avant. Pour éviter son désamorçage à chaque redémarrage, on peut utiliser un clapet anti-retour au bout de la canalisation d’aspiration.

Figure 16 : Pompe centrifuge 7

3. Comparaison entre les différents types de pompes : Tableau 2 : Avantages et inconvénients de chaque pompe

Pompes centrifuges

7

Avantages  Le moteur fournit une vitesse rapide et constante.  Ces pompes s’adaptent à de petits forages et permettent de capter les nappes profondes, surtout les pompes à étages multiples.  La construction des pompes est simple et elles demandent peu d’entretien.  Les prix des pompes sont modérés et les coûts de maintenance sont faibles.  Les matériaux de construction sont très variés pour pouvoir s’adapter au liquide utilisé.  Les pompes peu encombrantes.  Le rendement est bon.  Le débit que ces pompes procurent est continu.  La pompe ne subit aucun dommage en cas de colmatage.  Elles peuvent admettre les suspensions chargées de solides.

Inconvénients  Ces pompes ne peuvent s’amorcer seules.  Elles ne fonctionnement pas avec des liquides trop visqueux ou ne supportant pas la très grande agitation de la pompe.  Elles ne peuvent pas être utilisées comme pompes doseuses au risque d’être entraînées hors de leurs caractéristiques optimales.  Elles nécessitent des dispositifs d’équilibrage : disque, montage de roues dos à dos sur l’arbre, perçage de trous près du moyeu de façon à équilibrer les pressions sur la paroi. Car l’axe du rotor tend à se mouvoir lors de la dépression qui peut le détériorer.  Les pressions de refoulement sont moins importantes que celles d’autres pompes.

http://www.maxicours.com/soutien-scolaire/mecanique-industrielle/bac-pro/134540.html

21

 Il n’y a ni brassage, ni dispersion du liquide pompé. Pompes à palettes  Le débit est régulier. libres  Le fonctionnement de la pompe est réversible.  Le débit est régulier.  La pompe est réversible.  La pompe tolère des liquides de viscosité élevée.  Les clapets sont facultatifs. Pompes à  La pompe peut tourner engrenages rapidement.

Pompes à rotor hélicoïdal excentré

Pompes péristaltiques

Pompes à piston

Pompes à membrane

 Le débit est régulier.  Elle est adaptée à une gamme de produits importante.  Elle tolère les particules solides, les produits abrasifs et fragiles, les boues et les liquides visqueux.  La pompe est réversible.  Elles sont adaptées aussi bien à de faibles débits qu’à des débits importants, en fonction de l’usage.  Elles permettent de pomper des liquides abrasifs et chargés.  Leur entretien est facile.  Le fonctionnement à sec ne les endommage pas.  Elles sont auto-amorçantes.  Leur rendement est bon.  Les pressions au refoulement sont élevées.  Elles peuvent fonctionner avec des produits corrosifs, abrasifs ou acides.  Elles sont robustes.  Elles sont auto-amorçantes.  Elles permettent le pompage de liquides corrosifs et volatiles.  Le liquide pompé reste absolument propre.  Elles peuvent fonctionner à sec.  Elles sont étanches. 22

 Le corps s’use par frottement des palettes.  Les produits visqueux sont difficiles à pomper.  Les pièces d’usure sont nombreuses, ce qui cause des fuites.  Elles ne supportent pas les liquides abrasifs.  Le pompage des particules solides est impossible sous peine d’user le mécanisme et de diminuer l’étanchéité entre le corps et les dents.  Elles ne doivent pas fonctionner à sec.  Elles ne doivent pas tourner à sec.  Elles ne supportent pas des températures élevées.  La maintenance est difficile et coûteuse.  Elles sont encombrantes.  Le débit est limité.  Le refoulement est saccadé.  La température d’utilisation est faible.

 Elles sont très encombrantes.  Elles n’utilisent que des liquides de viscosité faible.  Le pompage de particules solides est impossible.  Le débit est pulsatile et limité.  Elles sont limitées température.  Leur débit est limité.  Elles n’admettent que liquides de faible viscosité.  Le débit est pulsatile

en des

 Leurs débits sont faibles.  Elles sont auto-amorçantes.  Elles procurent des pressions  Elles n’acceptent que des Pompes doseuses liquides à faibles viscosités. élevées au refoulement.  Leurs températures d’utilisation sont limitées. 

4. Caractéristiques des pompes hydrauliques : 4.1. La HMT (Hauteur Manométrique Totale) : C’est la différence de pression pour une pompe entre son point d’aspiration et son point de refoulement, exprimée généralement en mètres de colonne d’eau et donnée par la formule suivante :

HMT  (Zaspirationrefoulement    g )  P

(2.1)

Avec :     

HMT : la hauteur manométrique totale (mCE). ΔZ aspiration-refoulement : la différence de hauteur entre l’aspiration et le refoulement (m). ρ : la masse volumique (kg/m3). g : l’accélération de pesanteur (m/s²). ΔP : la perte de charge dans les conduites (Pa).

On peut considérer aussi que c’est la force qui permet le passage de l’eau dans les tuyaux et son utilisation dans le point le plus haut de l’installation. 4.2. Le NPSH (Net Positive Suction Head) : C’est une valeur qu’on détermine pour voir s’il y a cavitation de vapeur lors du fonctionnement de la pompe ou pas. Pour éviter la formation de vapeur, il faut que la valeur de NPSH disponible (la hauteur du liquide réellement présent au-dessus de l’aspiration) soit supérieure à celle de NPSH requis (hauteur minimale de liquide nécessaire au-dessus de l’aspiration) donné par le fabriquant de la pompe. On a :

NPSH d 

P amont  Pv ,sat

g

v2  2 g

Avec :      

NPSHd : Net Positive Suction Head disponible (m). Pamont : la pression en amont de l’aspiration (Pa). Pv,sat : la pression de vapeur saturante (Pa). ρ : la masse volumique (kg/m3). g : l’accélération de la pesanteur (m/s²). v : la vitesse d’écoulement (m/s).

23

(2.2)

La pression en amont de l’aspiration est donnée comme suit :

Pamont  Patm    g  h

(2.3)

Où on a :    

Patm : la pression atmosphérique (Pa). h : la hauteur géométrique du pompage (m). ρ : la masse volumique (kg/m3). g : l’accélération de la pesanteur (m/s²).

4.3. Le débit : Il s’agit du volume de liquide refoulé par la pompe pendant son fonctionnement durant une période de temps bien déterminée. 4.4. La puissance hydraulique : Il s’agit de la puissance fournie par la pompe afin de faire déplacer le liquide, elle est donnée par la relation suivante :

Ph  q    g  h

(2.4)

Où :     

Ph : la puissance hydraulique (W). q : le débit volumique (m3/s). ρ : la masse volumique (kg/m3). g : l’accélération de pesanteur (m/s²). h : la hauteur géométrique (m).

4.5. Le rendement : Le rendement d’une pompe est le rapport entre la puissance utile de la pompe, ou la puissance hydraulique, et la puissance absorbée. Il est exprimé comme suit : 𝜂=

𝑝𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 ℎ𝑦𝑑𝑟𝑎𝑢𝑙𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑚𝑝𝑒 𝑝𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏é𝑒 𝑝𝑎𝑟 𝑙 ′ 𝑎𝑟𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑚𝑝𝑒

(2.5)

4.6. La cylindrée : Elle correspond au volume de fluide que la pompe refoule par tour ou par cycle.

24

5. Montage des pompes : Une pompe est dite montée en charge si elle se situe en-dessous du bac d’aspiration, dans ce cas, lorsque tout le circuit est correctement installé, elle se remplit toute seule du liquide à aspirer. Une pompe est montée en aspiration s’il s’agit du contraire, et là, elle est initialement vide de tout liquide, elle doit se remplir ou être remplie avant la mise en marche.

Figure 17 : Pompe montée en aspiration

Figure 18 : Pompe montée en charge

6. Couplage des pompes : Au cas où les caractéristiques des pompes ne sont pas suffisantes aux besoins présentés, l’association des pompes est possible soit en série, soit en parallèle. L’association en série des pompes permet d’augmenter la hauteur manométrique totale pour une même valeur du débit, tandis que l’association en parallèle augmente le débit en gardant la hauteur manométrique identique. Le couplage des pompes peut aussi avoir un avantage économique si les pompes associées valent moins cher qu’une seule pompe qui leur est équivalente, et permet aussi de gagner du temps.

Figure 19 : Couplage des pompes

25

7. Problèmes rencontrés avec les pompes : 7.1. La cavitation de vapeur : Au cours du fonctionnement de la pompe, les différences entre les pressions peuvent engendrer une diminution de la pression du liquide en dessous de sa tension de vaporisation ce qui entraîne la formation de bulles ou de poches de vapeur qui sont transportées dans des zones à fortes pressions où elles se condensent et implosent brusquement, le liquide qui les entoure comble le vide crée et frappe ainsi les composantes de la pompe à une vitesse importante, causant ainsi l’érosion du matériau, des bruits et des vibrations gênants ainsi que la chute des performances de la pompe. 7.2. Les pertes de charges : Elles représentent la chute de pression totale du liquide suite à son frottement avec les parois des conduites, le changement de forme des tuyaux ou la rencontre d’un obstacle. Elles peuvent être calculées en utilisant des formules appropriées selon l’obstacle ou la déformation qu’il peut rencontrer et en tenant compte de la rugosité, ou alors en utilisant des abaques. 7.3. Le coup de bélier : Lors de la fermeture ou de l’ouverture brusque d’une vanne, d’un robinet ou de la pompe, la variation brutale de la vitesse provoque à son tour une variation imminente de la pression, causant ainsi une onde de choc qui peut causer la rupture de l’installation suite à de fortes vibrations, le coup de bélier se distingue aussi par un bruit très violent.

Conclusion : Dans ce chapitre, une étude bibliographique a été mise en œuvre se résumant sur les stations de pompage regroupant leurs types, l’ensemble des équipements et la méthode de fonctionnement, ensuite les pompes, obéissant à la norme API 610, qu’on y utilise et les critères de sélection ainsi que les stations d’épuration où l’eau est introduite à travers de nombreux procédés d’assainissement pour ensuite être amenée vers d’autres lieux où elle sera utilisée ou consommée.

26

Chapitre troisième : Etude hydraulique de la station de pompage

Résumé : Le troisième chapitre de ce travail va porter sur l’intégralité de l’étude hydraulique de la station de pompage étudiée. Le choix des pompes à utiliser sera fait selon le débit total dont on a besoin ainsi que la HMT et le NPSH calculés, après cela se tiendra le dimensionnement des diamètres des conduites et leurs épaisseurs pour finir par la simulation du fonctionnement de cette station grâce à un logiciel adéquat, tout en passant par la présentation des accessoires choisis pour ce projet.

27

Introduction : Pour tout bon fonctionnement d’un projet, une étude détaillée est plus qu’essentielle au début, et dans ce cadre, une étude hydraulique relative à la station de pompage sera établie durant ce troisième chapitre afin de pouvoir procéder au bon dimensionnement des éléments : diamètres des conduites par différentes manières puis le calcul de leur épaisseur ainsi que le dimensionnement des pompes qui se fera suite au calcul du débit de la station de la HMT et du NPSH, suite auquel une simulation du fonctionnement sera faite pour s’assurer de la convenance des résultats obtenus.

I.

Présentation du projet :

La station de pompage, sur laquelle porte ce travail, est située à Belli au gouvernorat de Nabeul, l’eau est extraite du canal Majerda pour ensuite être conduite à la station de pompage où elle sera envoyée vers un bac de stockage d’une capacité de 600m3. Ce bac est relié directement à une station de traitement des eaux où l’eau pompée va être traitée et purifiée pour être ensuite distribuée à la SONEDE (Société Nationale d’Exploitation Et de Distribution des Eaux).

II.

Choix des pompes :

Le débit total d’eau extrait du bac de stockage atteint une valeur de 2500 l/s en aval de la station de pompage, donc le débit pompé ne doit pas être en dessus de cette valeur, et le choix des pompes va se faire selon ce critère en premier lieu et en tenant compte de la consommation des pompes choisies. Deux choix s’offrent lors de ce travail selon les pompes imposées et qu’utilise la société lors de ses projets, qui sont : 



Les pompes RDLO 400-665 A SC P F dont le débit est de 700 l/s, et dans ce cas on devra en utiliser quatre ce qui donne un débit total de 2800 l/s, plus une cinquième pompe de sécurité. Les pompes RDLO 400-665 A SC G F dont le débit est de 1100 l/s, et là l’utilisation de trois pompes est essentielle pour avoir un débit de 3300 l/s, sans oublier la quatrième pompe qui servira d’appoint.

Les pompes choisies doivent être du même type et doivent avoir le même débit pour éviter qu’une pompe aspire ce que l’autre refoule et tourne ainsi dans le sens inverse.

28

Le premier critère de sélection est présent dans les deux cas où nous obtenons un débit qui excède le débit demandé, maintenant, dans le tableau suivant seront présentées les consommations des pompes et cela servira de critère de choix final, on a : Tableau 3 : Consommation électrique des pompes

Débit de 700 l/s par pompe

Consommation électrique d’une pompe seule 521,51 kW

Consommation électrique du réseau de pompes 2086,04 kW

Débit de 1100 l/s par pompe

1488,7 kW

4466,1 kW

D’après le tableau, opter pour un réseau de pompes composé de quatre pompes de débit égal à 700 l/s et montées en parallèle est le meilleur choix à faire pour avoir une moindre consommation électrique lors du fonctionnement et pour continuer le travail.

III.

Dimensionnement des conduites : 1. Choix du matériau :

Le matériau utilisé pour la fabrication des conduites est le S235RJ, connu aussi sous le nom d’acier noir. Ce choix a été fait en tenant compte du fait que cet acier est soudable car les conduites vont être faites selon les diamètres nécessaires et non achetées toutes prêtes, en plus de cela c’est un acier qui est fiable et auquel la société a toujours recours. 2. Acheminement des conduites : La prise d’eau en amont de la station de pompage se fait à partir du fleuve Majerda à Belli dans le gouvernorat de Nabeul.

Figure 20 : Acheminement des conduites

29

L’ensemble de la tuyauterie est divisé en trois parties linéaires de longueurs différentes comme décrit dans le tableau suivant : Tableau 4 : Les longueurs des différentes lignes

Ligne

Longueur (m)

Ligne 1

170

Ligne 2

1130

Ligne 3 200 Ces conduites forment des coudes deux à deux d’angles variés comme montré dans le tableau qui suit : Tableau 5 : Les angles des différents coudes

Coude

Angle (°)

Coude 1

90

Coude 2

45

En plus des irrégularités qu’elles contiennent, les conduites ont des hauteurs différentes chacune par rapport à la surface du sol, on trouve alors : Tableau 6 : La différence de hauteur des lignes

Ligne

Différence de hauteur (m)

Ligne 1

0

Ligne 2

38

Ligne 3

47

3. Diamètre optimal économique : Le dimensionnement des conduites basé sur des considérations économiques est nécessaire dans presque tout type d’installation hydraulique. La démarche du choix du diamètre d’une conduite peut dépendre d’un facteur économique qui se résume dans le coût du transport de l’eau, c’est-à-dire le coût de l’installation de la tuyauterie d’acheminement toute entière ainsi que le coût du pompage en lui-même et de la consommation des pompes hydrauliques. Plusieurs corrélations et diagrammes relatifs à ce sujet établis en tenant compte d’équations modifiées et ajustées comprenant un facteur de coût sont disponibles, et il a été constaté que les valeurs obtenues à partir de ces diagrammes se rapprochent étroitement des valeurs obtenues par des calculs. La méthode du diamètre optimal économique est exploitée pour contrebalancer les coûts fixés des conduites avec le coût énergétique annuel du pompage, la consommation peut ainsi être réduite à un optimum ce qui économisera de l’énergie et épargnera ainsi des dépenses inutiles. 30

Figure 21 : Diamètre optimal économique

3.1.Vitesse d’érosion : La vitesse d’érosion est définie comme étant la vitesse d’écoulement de l’eau dans les conduites qu’il serait préférable de ne pas dépasser afin d’éviter la corrosion de la paroi interne de la tuyauterie et éviter ainsi sa détérioration. Elle est donnée comme suit selon la norme API RP 14 E :

ve 

c

(3.1)



Avec :  ve : la vitesse d’érosion (ft/s).  c : une variable empirique qui prend soit la valeur de 100 si le fonctionnement est continu soit 125 pour un fonctionnement intermittent suivant la norme API 14 E.  ρ : la masse volumique (lbs/ft3). Dans ce cas, on a : c = 100 ρ = 998 kg/m3 = 62,3 lbs/ft3  ve = 12,67 lbs/ft3 = 3,86m/s  On fixe une vitesse moyenne de l’écoulement de l’ordre de 2 m/s. 31

3.2. Calcul du diamètre optimal : Dans toute la partie suivante, la même notation dans l’une des formules correspond au même élément dans le reste des équations. 3.2.1.

Formule du débit :

Le débit d’écoulement de l’eau dans une conduite dépend de la section de passage de l’eau ainsi que de sa vitesse, on a alors la formule suivante :

Q

v    D2 4

(3.2)

D’où la relation :

D

4Q v 

(3.3)

Avec :  Q : le débit volumique (m3/s).  D : le diamètre de la conduite (m).  v : la vitesse d’écoulement (m/s). Le débit total de la station de pompage est de 2,8 m3/s pour une vitesse désirée égale à 2 m/s dans les conduites suite à une recommandation du client.

3.2.2. Formule de Bresse : La formule de Bresse est basée sur le principe du coût total minimum des tuyauteries et elle est la plus couramment utilisée, le diamètre est donné par :

D  1,5  Q

(3.4)

Avec :  Q : le débit volumique (m3/s).  D : le diamètre de la conduite (m).

3.2.3.

Formule de Bonnin :

Le calcul du diamètre optimal selon la formule de Bonnin est présenté comme suit :

D Q

(3.5)

32

Avec les mêmes paramètres que dans la formule précédente (3.4).

3.2.4. Formule de Vibert : La formule de Vibert tient en compte les coûts de l’électricité ainsi que celui du matériau utilisé, elle est donnée par :

e D  1,35    f 

0,154

 Q 0,46

(3.6)

Où :    

Q : le débit volumique (m3/s). D : le diamètre de la conduite (m). e : le prix du kWh (TND). f : le prix d’un kilogramme du matériau des conduites (TND).

Le prix du kWh est fixé par la STEG (Société Tunisienne d’Electricité et de Gaz) et vaut 0,162 TND pour de fortes consommations d’électricité. En ce qui concerne la tuyauterie, le matériau utilisé est le S235JR dont le prix est de 1,5 TND le kilogramme.

3.2.5. Formule de Munier :

D  1  0, 02  n   Q

(3.7)

Avec :  n : le nombre d’heures de pompage par jour. Dans notre cas, la durée du pompage est estimée à environ 8 heures par jour.

3.3. Comparaison entre les différentes méthodes de calcul du diamètre : Tableau 7 : Les différents diamètres obtenus

Diamètre de la conduite (m) Formule du débit

1,330

Formule de Bresse

2,500

Formule de Bonnin

1,670

Formule de Vibert

1,540

Formule de Munier

1,940

33

3.4. Choix du diamètre : Dans le but d’obtenir un écoulement satisfaisant de l’eau dans les canalisations et pour ajuster les résultats obtenus aux exigences du client ainsi que la disponibilité des conduites et leur standardisation dans le marché, le diamètre à utiliser sera de 1,400 m, ce qui correspond à une vitesse de 1,8 m/s. 4. Calcul des épaisseurs des conduites : Après avoir fait le choix du diamètre des conduites, on procédera à la détermination de l’épaisseur minimale tolérée conformément aux recommandations de la norme CODETI sans surépaisseur ni tolérance ajoutées et dépendamment du procédé de fabrication. Elle est donnée comme suit :

e

P  Di 2 f  z  P

(3.8)

Avec :  e : l’épaisseur de la conduite (mm).  P : la pression de calcul, c’est aussi la pression maximale retenue pour le dimensionnement d’un élément (MPa).  Di : le diamètre intérieur de la conduite (mm).  f : la contrainte nominale de calcul (MPa).  z : le coefficient de soudure. La contrainte nominale de calcul f est donnée par :

 Rtp 0,2   Rm   f  f1  MIN   ,     1,5   2, 4  

(3.9)

Avec :  Rtp0,2 : la valeur minimale spécifiée de la limite conventionnelle d’élasticité à 0,2% à la température de calcul t.  Rm : la valeur minimale spécifiée de la résistance à la traction à la température ambiante. Dans le cas étudié au cours de ce projet, les conduites sont faites à partir du S235JR soudé longitudinalement, donc :

34

Tableau 8 : Eléments de calcul de l'épaisseur

Paramètre

Valeur numérique

Rtp0,2 (MPa)

235

Rm (MPa)

340

P (MPa)

1,6

Di (mm)

1400

z

0,85

R p0,2 / 1,5 (MPa)

156,67

Rm / 2,4 (MPa)

141,67

f (MPa)

141,67

t

 L’épaisseur e obtenue alors vaut 9,36 mm, ce qui est considéré comme étant approprié et raisonnable pour le cas étudié et dans les applications industrielles courantes.

5. Calcul des pertes de charge : Les pertes de charges dans les conduites sont de deux types : les pertes de charges linéaires dues au frottement du fluide avec la paroi interne de la conduite et les pertes de charges singulières causées par les irrégularités dans ces conduites. Les pertes de charge linéaires sont données comme suit :

Pl 

 D



  v2 2

L

(3.10)

Avec :      

ΔPl : les pertes de charge linéaires (Pa). λ : le coefficient de pertes de charge linéaires, il dépend de l’écoulement. D : le diamètre interne de la conduite (m). ρ : la masse volumique (kg/m3). v : la vitesse d’écoulement de l’eau dans les conduites (m/s). L : la longueur de la conduite (m).

Au cas où la conduite présente une différence de hauteur entre son début et sa fin, l’obtention des pertes de charges se fait par l’équation suivante :

Pl 

 D



  v2 2

 L  (   g  z) 35

(3.11)

Où :  g : l’accélération de pesanteur (m/s²).  z : la différence de hauteur de la conduite (m). Par contre, les pertes de charge singulières dues aux coudes sont données par :

Ps  k 

v² 2 g

(3.12)

Avec :  k : le coefficient de pertes de charge singulières. Tout d’abord, pour le calcul de pertes de charge linéaires, on calcule un nombre appelé le nombre de Reynolds dont la valeur révèle la nature de l’écoulement pour connaître les corrélations exactes à suivre pour le reste du calcul, il est donné comme suit :

Re 

v D 

(3.13)



Avec :  µ : la viscosité dynamique de l’eau (kg/(m².s)). Dans le cas étudié, ces paramètres ont pour valeur : Tableau 9 : Les éléments du calcul du nombre de Reynlds

Paramètre

Valeur

v (m/s)

1,8

D (m)

1,4

ρ (kg/m3)

998

µ (kg/(m².s))

0,001003

 Le nombre de Reynolds alors obtenu est : 25×105, ce qui correspond à un écoulement turbulent rugueux car il est supérieur à 105. Dans ce cas-là, le coefficient de pertes de charge linéaires λ est donné par :

  0, 79 

 D

(3.14)

Où ε correspond à la rugosité du matériau utilisé, elle est égale à 0,015×10-3 m pour l’acier S235JR. Alors :  λ = 2,585×10-3.

36

Quant aux coefficients de pertes de charge singulières k, ils sont obtenus par des abaques car ils dépendent de l’irrégularité même, dans ce cas ils dépendent de l’angle du coude, on trouve alors : Tableau 10 : Valeurs des coefficients de pertes de charge singulières

Irrégularité

Valeur de k

Coude 1

0,294

Coude 2

0,147

Les pertes de charges alors obtenues sont indiquées dans le tableau suivant : Tableau 11 : Les pertes de charge dans les différents éléments des conduites

Elément de la conduite

Valeur de la perte de charge (Pa)

Ligne 1

0,00507×105

Ligne 2

3,75407×105

Ligne 3

0,88710×105

Coude 1

0,0485

Coude 2

0,0240

Au final, la perte de charge totale est la somme de toutes les pertes de charges, du coup :  ΔP = 4,64624×105 Pa.

6. Calcul de la HMT : L’une des caractéristiques les plus importantes d’une pompe est son HMT afin de s’assurer que l’eau pompée atteint le point désiré, son calcul se fait conformément à l’équation (2.1) du chapitre 2 : étude bibliographique. Les éléments qui serviront à ce calcul sont cités dans le tableau qui suit : Tableau 12 : Eléments du calcul de la HMT

Elément de calcul

Valeur numérique

ΔZ (m)

42,45

ρ (kg/m3)

998

g (m/s²)

9,81

ΔP (Pa) La valeur alors obtenue de la HMT est égale à :

4,64624×105

 HMT = 8,80225×105 PA.  HMT = 89,76 mCE. 37

7. Calcul du NPSH : Afin de s’assurer que lors du fonctionnement des pompes il n’y a pas de cavitation de vapeur, on procède au calcul du NPSH donné par l’installation, qui doit être alors supérieur au NPSH donné par le fournisseur. Tout d’abord, il faut calculer la pression en amont de l’aspiration comme indiqué dans l’équation (2.3) dans le chapitre 2. Tableau 13 : Paramètres du calcul de la pression en amont de l'aspiration

Grandeur et unité

Valeur numérique

Patm (Pa)

105

ρ (Kg/m3)

998

g (m/s²)

9,81

h (m)

4,725 5

 Pamont = 1,46260×10 Pa. Par suite, conformément à l’équation (2.2) du même chapitre, on a pour le calcul du NPSH disponible : Tableau 14 : Paramètres du calcul du NPSH disponible

Grandeur et unité

Valeur numérique

Pamont (Pa)

1,46260×105

Pv,sat (Pa)

2300

ρ (Kg/m3)

998

g (m/s²)

9,81

v (m/s)

1,8

On obtient finalement :  NPSHdisponible = 14,9m. La valeur obtenue du NPSHdisponible est supérieure à celle du NPSHrequis, donc on n’a pas de cavitation de vapeur lors du fonctionnement de la station.

8. Equipement et accessoires: Le choix des pompes et de l’installation est suivi d’un choix des différents accessoires pour assure un bon fonctionnement du système et une aisance lors des opérations de maintenance ou pendant le changement d’une pièce ou une partie des canalisations. Chaque élément de la station est devancé et suivi d’un joint de démontage pour faciliter l’isolement

38

d’une pièce durant les interventions. Juste après la prise d’eau se trouve une vanne à passage directe qu’on privilégie car elle ne cause aucune perte de charge lors de son ouverture, ce qui ne risque pas de provoquer ni une agitation de l’écoulement, ni une cavitation de la vapeur, on utilise ce même type de vanne avant chacune des pompes. En aval des pompe, des vannes papillons sont utilisées car même si elles provoquent des pertes de charges, cela n’influence pas négativement notre écoulement et ne provoque aucun problème lors du pompage, on se permet de les utiliser quand cela est possible pour leur plus faible coût par rapport aux autres vannes et la facilité de leur montage, d’ailleurs, on isole avec tout le reste des éléments de la stations tels que l’anti-bélier, le soutirage de l’eau, le bac de stockage et la station de traitement des eaux usées. Ceci est montré plus en détails dans le schéma de procédé suivant, appelé aussi schéma PFD (Process Flow Diagram) :

Figure 22 : Schéma de procédé de la station de pompage

9. Simulation du fonctionnement : Après avoir procédé aux différents calculs relatifs à la station de pompage, une simulation de l’écoulement de l’eau à son intérieur est nécessaire afin de visualiser le bon fonctionnement de l’équipement et pour pouvoir avoir une idée sur le comportement du fluide dans les canaux dans le but de prévoir un éventuel problème ou une correction si cela est nécessaire. Tout d’abord, un modèle tridimensionnel a été conçu à ces fins conformément aux plans en deux dimensions de la station de pompage fournis par la société et déjà mis en œuvre

39

dans un autre projet de génie civil, sans oublier évidemment les résultats obtenus des calculs faits concernant les canalisations dans les parties précédentes. Le logiciel qui a permis la modélisation de la station porte le nom de « Solidworks » qui est un logiciel de conception assistée par ordinateur en 3D fonctionnant sous « Windows », reconnu pour sa simplicité d’usage et les différents avantages qu’il offre. Le modèle est présenté dans la figure qui suit, la pompe de secours n’ayant pas été prise en considération afin de simplifier le travail et vu son inutilité durant la simulation car son fonctionnement est relié au fait que l’une des pompes principales ne fonctionne pas, chose qui sera discutée plus en détails dans le prochain chapitre. Il est composé par une construction représentant la prise d’eau reliée directement au canal Majerda, d’où sort une conduite déjà dimensionnée précédemment reliée à d’autres canalisations de plus faible diamètre en amont des pompes, leurs diamètres ont été définis par rapport au diamètre de raccord des pompes et l’espacement entre ceux-ci a été choisi dans le but d’éviter tout encombrement ou aussi pour faciliter une éventuelle opération de maintenance ou de réparation où des ouvriers devraient pouvoir passer, trouver assez d’espace pour poser leur matériel et ainsi travailler avec aisance, il faut aussi prévoir assez d’espace lors du démontage ou du changement des pompes. La modélisation a donné le résultat suivant :

Figure 23 : Modèle 3D de la station de pompage créé sur « Solidworks »

40

Dans un second modèle créé également sur « Solidworks », seul le volume d’eau présent dans la station a été pris en considération car c’est uniquement de cela que dépendra réellement toute la simulation, tout le reste est superflu et a été effectué pour le simple objectif de clarifier le système étudié tel qu’il est réellement. Avant de commencer la simulation, il faut déterminer les conditions aux limites dont dépend le fonctionnement en entier, qui sont :    

En entrée (inlet), le débit massique d’arrivée de l’eau est de 2800 kg/s. Une ouverture (opening) en contact avec l’air ambiant, ce qui donne alors une pression égale à la pression atmosphérique en haut de la prise d’eau, soit 105 Pa. Quatre sorties identiques (outlet) se caractérisant par une pression de refoulement égale à 6.66×105 Pa. Le reste des parois sera défini comme étant un mur (wall).

Ainsi, toutes les conditions aux limites ont été fixées et elles sont montrées sur la figure suivante qui représente le volume en eau de la station :

Figure 24 : Conditions aux limites de la station de pompage

Le modèle créé ainsi est importé dans le logiciel qui servira pour la simulation du nom de « COMSOL multiphysics » qui est une plate-forme logicielle générale permettant la conception et la simulation d’applications physiques multiples dont des applications électriques, mécaniques, chimiques et hydrauliques en utilisant l’ensemble des équations adéquates dans tous les modèles étudiés.

41

Suite à l’import du modèle précédemment créé et après avoir choisi l’étude qu’on désire faire, ici ce sera un écoulement fluide et une étude qui dépend du temps, les conditions aux limites sont alors introduites, puis on procède au maillage du volume d’eau de la station.

Figure 25 : Maillage du volume d'eau

Suite à cela, toutes les étapes sont remplies pour pouvoir lancer le calcul qui donnera par la suite tout ce qu’on désire visualiser. Parmi les choses qu’on peut alors voir pendant la simulation se trouve le profil des lignes de courant de l’eau dans la station, on note alors l’absence générale de turbulences dans l’écoulement donc le pompage peut avoir lieu en toute sécurité sans la présence de risques d’endommagement de l’installation, les quelques turbulences présentes sont dues à des obstacles qui ne causent réellement pas de grands problèmes.

Figure 26 : Lignes de courant

42

Le profil de vitesse obtenu est présenté dans la figure suivante :

Figure 27 : Profil de vitesse en m/s

On remarque que les zones aux valeurs les plus élevées de vitesse, de teintes rougeâtres, pouvant dépasser de peu les 25 m/s, correspond à l’emplacement des pompes ou la vitesse subit une élévation causée par le fonctionnement de ces pompes en question. En dehors de ces zones, la vitesse se rapproche à celle calculée précédemment. Ensuite, le profil de pression, similaire au profil de vitesse, est montré dans la figure suivante :

Figure 28 : Profil de pression en Pa

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Les zones à plus hautes pressions, en rouge aussi, représentent le pompage où la pression subit une élévation jusqu’à atteindre la pression de refoulement des pompes indiquée initialement comme condition à la sortie, pour le reste du système, on remarque une faible variation de la pression par rapport à la pression atmosphérique en raison de la faible profondeur du bassin, donc les pressions ne varient pas beaucoup.

Conclusion : Tout au long de ce chapitre, une étude hydraulique du projet a été établie, elle d’abord commencé par la présentation du projet suivie du choix des pompes à utiliser, après cela il y a eu le dimensionnement des canalisations qui a pu donner le diamètre et l’épaisseur à utiliser par la suite. Ce calcul a été suivi par la détermination des pertes de charges qui permet de calculer la HMT, après on a cherché le NPSH pour avoir ainsi toutes les caractéristiques nécessaires du pompage. Enfin, la dernière partie a été consacrée à une simulation de l’écoulement de l’eau dans la station pour pouvoir s’assurer que la station peut fonctionner sans difficultés et on a pu voir que le pompage se fait sans aucune cavitation de vapeur. Ainsi, on peut passer à la prochaine étape de l’étude qui sera dédiée à la réalisation d’un automatisme de fonctionnement qui rendra la station autonome lors de sa marche.

44

Chapitre quatrième: Automatisation de la station de pompage

Résumé : Le quatrième et dernier chapitre de ce travail est réservé à la mise en œuvre d’un automatisme de fonctionnement pour la station de pompage qui la rendra autonome et indépendante, permettant ainsi d’éviter de graves problèmes liés à d’éventuels dysfonctionnements, pour pouvoir mieux comprendre tout cela, une philosophie de fonctionnement sera présentée et sur laquelle va se baser le reste du travail dont la création du grafcet et du programme par la suite, et un schéma tuyauterie et instrumentation sera présenté contenant l’ensemble des éléments qui serviront aussi à la création de l’automatisme.

45

Introduction : Le but primordial de ce quatrième et dernier chapitre dans ce rapport est de concevoir un système de fonctionnement automatique pour rendre la station de pompage autonome durant son cycle de marche après l’avoir entièrement dimensionnée et choisi tous les éléments qui la composent précédemment, tout d’abord une philosophie de fonctionnement a été élaborée suivant laquelle sera créé un grafcet qui la schématisera et la rendra ainsi plus compréhensible. Enfin, ce chapitre se terminera par l’écriture du programme qui fera fonctionner la station.

I.

Philosophie de fonctionnement :

Le démarrage du cycle de fonctionnement de la station de pompage se fait manuellement, il est préférable de vérifier le niveau d’eau dans le bassin de prise d’eau ainsi que celui dans le bac de stockage avant de mettre en marche les pompes et de s’assurer que toutes les vannes sont ouvertes, excepté la vanne de la conduite du soutirage (bypass). Après l’appui sur le bouton de marche, les pompes se mettent en marche l’une après l’autre après un court laps de temps pour permettre au régime final d’écoulement de s’établir petit à petit sans provoquer une grande agitation dans le système tout entier. Le nombre des pompes mises en marche dépend du niveau d’eau dans le bac de stockage, à un niveau faible dit niveau bas, les quatre pompes fonctionnent et au fur et à mesure que le niveau de l’eau monte dans le réservoir, le nombre des pompes en fonctionnement diminue jusqu’à s’annuler lorsque le niveau atteint un niveau appelé niveau haut pour ne pas causer de débordement d’eau Le niveau d’eau varie dans le bassin de stockage en fonction du débit extrait par la station de traitement qui lui est directement reliée. En cas d’absence d’eau dans le réservoir de prise, les pompes ne se mettent pas en marche car un risque de cavitation de vapeur est alors omniprésent. Lors d’une élévation anormale de la pression, la vanne du soutirage s’ouvre pour faire évacuer l’eau jusqu’à la prise d’eau pour faire chuter la pression, si celle-ci continue son ascension jusqu’à atteindre une valeur de 16 bars, les pompes s’arrêtent de fonctionner. Un automate mis en place permet l’indépendance et l’autonomie de la station lors de son fonctionnement sauf si le mode automatique est basculé vers le mode manuel qui nécessite une intervention humaine. Le mode automatique nécessite aussi une certaine vigilance car il ne peut pas être parfaitement fiable.

46

Une table de contrôle munie d’indicateurs sonores et lumineux est installée afin de visualiser l’état de fonctionnement de la station de pompage, elle indique aussi si une défaillance a eu lieu. Elle peut être munie d’une mémoire de stockage afin de sauvegarder les données mesurées. En cas d’appuis sur un bouton d’arrêt d’urgence, toutes les fonctionnalités de la station prennent instantanément. Dans chaque cas de dysfonctionnement, une alarme s’enclenche afin d’avertir les employés de la station de pompage d’une anomalie.

II.

Schéma tuyauterie et instrumentation P&ID :

La station de pompage est équipée d’un capteur de niveau ultrasonique placé dans la prise d’eau et un autre placé dans le bac de stockage, elle est aussi munie d’indicateurs de pression et de débitmètres pour pouvoir contrôler le fonctionnement des pompes, sans oublier que les vannes placées sont motorisées. Un schéma tuyauterie et instrumentation dit aussi P&ID (Piping and Instrumentation Diagram, ou encore Process and Instrumentation Diagram) a été réalisé comme suit.

Figure 29 : Schéma P&ID de la station de pompage

Le P&ID n’était pas très clair dans la figure ci-dessus, il sera placé en annexe à la fin du rapport pour assurer la clarté des détails.

47

III.

Grafcet :

Après avoir rédigé la philosophie de fonctionnement de la station et choisi les instruments à utiliser, la réalisation d’un grafcet devient alors possible, sa création a été réalisée grâce au logiciel « Automgen » spécialisé en création de programmes avec des langages normalisés et en simulation de programmes et d’automates sur ordinateur. Le grafcet obtenu est le suivant :

Figure 30 : Grafcet de fonctionnement

48

Un pupitre créé également sur « Automgen » permet de suivre le fonctionnement du grafcet en observant la signalisation qu’il procure.

Figure 31 : Pupitre relié au grafcet

La figure suivante montre les noms des variables dont est constitué le grafcet, leurs natures ainsi que leurs significations :

Figure 32 : Noms des variables du grafcet

IV.

Automatisme :

Dans cette partie j’ai voulu valoriser le savoir annexe reçu en participant au club de robotique de notre école d’ingénieurs de Gafsa. Nous avons lors des différentes rencontres au sein du club manipulé la programmation des cartes Arduino (Uno, Mega) et leurs interfaçages avec le monde extérieur grâce aux capteurs et différents actionneurs, par la suite nous nous 49

sommes un peu penchés sur la carte Raspberry Pi qui est totalement différente de la carte ARDUINO. La carte ARDUINO est une carte qui comporte un microcontrôleur de la famille AVR, des entrées et sorties analogiques et numériques (PWM, ADC,..). La programmation se fait à partir d’un IDE téléchargeable à partir du site de l’éditeur. Le programme réalisé est transféré à partir du même IDE à la carte Arduino via le port USB. L’extension des fonctionnalites de l’Arduino se fait grâce à des cartes supplémentaires appelées SHIELDS qui s’enfichent directement sur l’Arduino (shields moteurs et servomoteurs, afficheurs, ethernet, wifi….).

Figure 33 : La carte Arduino

Le Raspberry Pi est plutôt un mini-pc tournant sous LINUX, possédant deux ou quatre ports USB selon les versions, un port HDMI, un port audio, port LAN, Wifi et Bluetooth intégrés dans le dernier modèle Raspberry Pi 3 modèle B (pour les autres modèles il suffit d’ajouter une clé Wifi ou Bluetooth sur le port USB) et enfin des connecteurs pour s’interfacer avec d’autres équipements. Le système d’exploitation réside sur une carte SD.

Figure 34 : La carte Raspberry Pi



Choix de l’environnement de travail :

Le choix s’est penché sur le Raspberry Pi pour plusieurs raisons dont la principale est la possibilité d’installer un serveur WEB plus facilement sous LINUX qu’avec Arduino auquel il faut aussi ajouter une SHIELD ethernet, étant donné que le but est de visualiser l’état de la station de pompage et d’agir sur les commandes à distance. 50



Préparation de la carte SD :

Pour cela je me suis basée sur un logiciel Pibakery qui permet de préparer la configuration de la carte SD grâce à des blocs qui s’enfichent les uns aux autres et qui définissent les actions à entreprendre lors du premier démarrage telles que la configuration wifi, l’installation du serveur WEB, de la base de données, la configuration des droits et plus en exécutant des scripts. Une fois le choix fait le logiciel transfère le système d’exploitation RASBIAN basé sur Linux sur la carte SD avec la configuration voulue.

Figure 35 : Configuration de la carte



Configuration de l’environnement de travail :

Pour que le serveur WEB puisse communiquer avec les ports GPIO il faut au préalable faire des ajustements sur la configuration de base en installant une bibliothèque « WiringPi ». Pour installer cette bibliothèque il faut procéder comme suit : - Mettre à jour le système. $ sudo apt-get install git-core $ sudo apt-get update $ sudo apt-get upgrade - Prendre le projet avec cette commande. $ git clone git://git.drogon.net/wiringPi

51

- Changer de répertoire et prendre le code. $ cd wiringPi $ git pull origin - Compiler le code. $ ./build Les étapes de cette configuration ont été prises du site : http://raspberrywebserver.com/gpio/ 

Création de l’interface WEB :

Pour réaliser cette partie je me suis basée sur un projet déjà existant sur internet qui constitue une bonne base pour démarrer cette partie d’automatisation de la station de pompage mais qui ne remplit pas les fonctionnalités voulues. http://www.framboise314.fr/une-interface-web-simple-et-intuitive-pour-le-raspberry-pi-12/ La prise en main et la modification du code m’ont permis d’arriver à contrôler la station de pompage et de visualiser les différents états de fonctionnement des pompes et des capteurs.

Figure 36 : Interface de contrôle

52



Programmation :

Le programme est divisé en trois parties qui interagissent entre elles : -



1ère partie : « index.php » c’est le programme principal à son lancement il va lire l’état des ports GPIO et de générer la première page. 2ème partie : « gpio.php » met à jour et lit les ports GPIO du Raspberry Pi. 3ème partie : « script.js » écrit en javascript il interagit avec les deux autres parties, pour mettre à jour la page d’accueil et contrôler l’état des ports GPIO. La communication entre la partie 1 et 2 passe par ce script. Aperçu du code :

Les figures suivantes montrent un aperçu du programme :

Figure 37 : Première partie de l’aperçu du code

53

Figure 38 : Deuxième partie de l’aperçu du code

Figure 39 : Troisième partie de l’aperçu du code

54

Conclusion : Ce quatrième et dernier chapitre a servi à établir la philosophie de fonctionnement de la station de pompage en tenant compte des éléments et des instruments qui la composent parmi lesquels on compte les indicateurs de niveau, les pressostats et les manomètres, comme montré dans le schéma P&ID, tout en comptant les vannes motorisées, pour pouvoir créer par la suite un grafcet expliquant encore plus la démarche du travail et bien adéquat duquel on va tirer le programme de l’automatisme qui contrôlera la station de pompage et la rendra ainsi autonome pendant son cycle de marche, dans le but d’avoir une régulation permanente et éviter de graves cas de dysfonctionnement ou d’anomalies pendant le pompage.

55

Conclusion générale

Prenant une part important dans le cursus universitaire surtout durant son terme, et dans le but d’exercer tout le savoir acquis durant les études et de le tester, d’enrichir les connaissances professionnelles et de s’initier au le monde du travail, ce projet de fin d’études a donc eu lieu. Il ne s’agit pas uniquement de tester ses prouesses cérébrales mais aussi de pousser limites auxquelles on est habitué, car même si les stages d’été servent aussi d’initiation à la vie professionnelle où on apprend à s’intégrer dans un nouveau groupe dont l’ambiance est différente de celle d’une classe et où on apprend aussi l’assiduité, le projet de fin d’études est une épreuve et un challenge d’un tout autre niveau. Ce projet m’a permis de mieux comprendre le fonctionnement d’une équipe où chaque membre est spécialisé dans un domaine précis rendant ainsi leurs travaux et leurs compétences complémentaires, leur permettant ainsi de partager leurs diverses connaissances sur un seul sujet et d’apporter plus de perspectives. Le sujet qu’on m’a attribué, le dimensionnement d’une station de pompage automatique, touche également à plusieurs secteurs à la fois, ce qui m’a donné la chance d’approfondir au mieux mes connaissances, de me ressourcer et de faire plus de recherches concernant des disciplines qui sont plus ou moins différentes de la mienne. Cela a du bon car il ne faut pas oublier que le plus important dans un ingénieur est la polyvalence. Ce rapport a débuté par une présentation de l’entreprise pour pouvoir découvrir approximativement et en théorie le cadre dans lequel j’ai été mise le temps de m’habituer à l’intégralité de l’environnement. Ensuite, il y a eu la nécessité d’établir une recherche bibliographique sur une importante partie du projet dans le but de mieux comprendre l’envergure du sujet qui m’a été attribué et de découvrir plus profondément les plus importantes notions qui le composent et ainsi les maîtriser dans le reste du travail pour qu’il n’y ait pas d’ambiguïté ou de confusion dans tout ce que je fais. Après cela, on touche au cœur du sujet qui est le dimensionnement de la station de pompage en lui-même, cette partie m’a été très bénéfique car elle m’a permis de découvrir de 56

nouvelles notions, de découvrir essentiellement les normes qu’on utilise en industries, les différents schémas dont on se sert aussi, ça m’a donné la chance de pouvoir ajouter une note de professionnalisme dans mes activités. Le plus grand bienfait de cette étape est la partie de la simulation car j’ai pu m’entraîner encore plus sur les logiciels de conception assistée par ordinateur ou de simulation, ce qui m’a aidé à obtenir une certaine fluidité et aisance pendant leur utilisation. Enfin, et comme on garde très souvent le meilleur pour la fin, vient la partie de l’automatisme qui m’a servi de révision pour tout ce que j’ai pu étudier durant les années précédentes durant les cours d’automatique et qui m’a aidé à mettre en pratique le savoir que j’ai eu pendant mes activités au sein du club de robotique appartenant à notre école, elle m’a aussi aidée à découvrir un nouvel aspect de l’automatique que j’espère avoir la possibilité de perfectionner dans un futur très proche. Le sujet traité tout au long de ce chapitre est bien assez développé, par contre, pour sa finition, il y aurait besoin de l’intervention d’autres filières car sa complétion est compliquée et nécessite des connaissances bien plus diversifiées que cela puisqu’il touche à l’énergétique, à l’hydraulique, à la mécanique, au génie civil ainsi qu’à l’électrique.

57

Webographie

http://www.meri.com.tn/ http://gpip.cnam.fr/ressources-pedagogiques-ouvertes/hydraulique/co/0module_hydraulique.html

http://genie.industriel.iaa.free.fr www.eurekaindus.fr http://pravarini.free.fr/Hydrodynamic2.htm www.almohandiss.com www.PDHcenter.com

http://www.mecaflux.com/ https://www.thermexcel.com/french/ http://res-nlp.univ-lemans.fr/NLP_C_M02_G02/co/Module_NLP_C_M02_C02.html http://raspberrywebserver.com/gpio/ http://www.framboise314.fr/une-interface-web-simple-et-intuitive-pour-le-raspberry-pi-12/

58

Bibliographie

[1] J. DELCOURT, « Equipement d’une station de pompage», Revue de statistique appliquée, tome 7, n°2 (1959), p. 77-86. [2] Simon GOUDOU, « Modélisation des systèmes de pompage et détermination du point d’équilibre par méthodes numériques », Ecole polytechnique de Thiès, département de génie civil (1991). [3] GRUNDFOS ASSAINISSEMENT, « Le manuel de pompage en assainissement». [4] Ecodit Inc, « Manuel d’exploitation et de maintenance de la station de traitement des eaux usées de Drarga », (2002). [5] « ANNEXE : pompes centrifuges », note de cours mécaniques des fluides. [6] « Pompes volumétriques », IFP Training. [7] « Les pompes », genie.industriel.iaa.free.fr. [8] « Machines à fluide hydrauliques », gunt Hamburg. [9] A. BEDJAOUI, Pr. B. ACHOUR, M. T. BOUZIANE, « Nouvelle approche pour le calcul du diamètre économique dans les conduites de refoulement », Laboratoire de recherche en hydraulique souterraine et de surface (LARHYSS), département d’hydraulique, Université Med Khider-Biskra. [10] Richard MARHIEU, « Les pompes », G.I. D4, 13/ chapitre 1c. [11] Anne ZIMMER, Daniel FERNEX, Antoine GRIERE, « Etude préliminaire des pompes centrifuges », (2012). [12] Francis MOIREZ, « Pertes de charge », 270V2 MAJ 11, (2009). [13] Francis MOIREZ, « Pompes centrifuges », (2007). [14] FLOWSERVE, « Le pompage de l’eau ». [15] Alain LUNDAHL, « Pompes centrifuges : les courbes et le point de fonctionnement », (2008). [15] Alain LUNDAHL, « Comprendre et éviter la cavitation des pompes », (2006). [16] Francis MOIREZ, « Pompes volumétriques », (2007).

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[17] STRELING FLUID SYSTEM GROUP, « Basic principles for the design of centrifugal pump installations ». [18] Florent Guhl, « Guide méthodologique d’études anti-bélier pour les réseaux d’eau », FNDAE n°27, document technique. [19] KSB, « Le coup de bélier ». [20] KSB, « Détermination des pompes centrifuges ». [21] Commission distribution de l’eau de l’A.G.H.T.M., « Les stations de pompage d’eau ». [22] Georges CHEVALIER, « Eléments normalisés pour tuyauteries sous pressions ». [23] ENSPM « Tuyauterie-robinetterie-matériel de stockage ». [24] WILO, « Principes fondamentaux de la technologie des pompes ». [25] Joël M. ZINSALO, « Pompes et stations de pompage », 1ère édition. [26] M. BENAZZOUZ, « Stations de pompage et relevage des eaux usées ». [27] A. HADJ ARAB, M. BENGHANEM, A. GHARBI, « Simulation of flow through a pump sump and its validation », Civil Engineering Department, M.A.N.I.T, Bhopal, (2010). [28] Ed PRESTMON, « Pump station design requirements », (September 2012). [29] G. K. ROY, « Prediction of optimum economic pipe diameter by nomograph », the journal of institution of engineers (India), volume 68 part CH3 (1993). [30] Randall W. WHITESIDES, « Selecting the optimum pipe size », PHD Course M270.

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Annexes

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Annexe 1 : Fiche technique des pompes

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65

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Annexe 2 : API RP 14 E Vitesse d’érosion

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Annexe 3 : CODETI Calcul d’épaisseur

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Annexe 4 : Plans de la station de pompage

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Annexe 5 : Symboles des instruments

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Annexe 6 : Caractéristiques de l’acier

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Annexe 7 : Schéma P&ID de la station de pompage

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Annexe 8 : Calcul des coefficients de pertes de charges

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Annexe 9 : Code de l’automate

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