Génie électromécanique
Les pompes et les stations de pompage : fonctionnement, types et dimensionnement
Sep
Les pompes et les stations de pompage : fonctionnement, types et dimensionnement
Les pompes et les stations de pompage interviennent chaque fois qu’un liquide doit être transféré alors que la gravité ou la pression naturellement disponible ne suffit pas. Elles sont présentes dans les réseaux d’eau potable, l’assainissement, l’irrigation, les bâtiments, l’industrie, le drainage, les forages et de nombreux procédés techniques.
Une pompe paraît, au premier abord, être un équipement relativement simple : elle reçoit de l’énergie mécanique et la transmet au fluide afin de le mettre en mouvement. Dans une installation réelle, son fonctionnement dépend pourtant de nombreux paramètres : débit demandé, hauteur à vaincre, longueur des canalisations, pertes de charge, caractéristiques du liquide, régime de fonctionnement et conditions d’aspiration.
Une station de pompage va plus loin. Il s’agit d’un système complet associant une ou plusieurs pompes à des canalisations, organes hydrauliques, dispositifs électriques, capteurs et automatismes. Sa qualité ne dépend donc pas uniquement de la pompe installée, mais de la cohérence de l’ensemble.
Qu’est-ce qu’une pompe ?
Une pompe est une machine hydraulique destinée à transférer un liquide en lui apportant de l’énergie. Cette énergie permet notamment d’augmenter sa pression, de lui faire franchir une différence d’altitude ou de compenser les résistances rencontrées dans une canalisation.
Dans une installation de distribution d’eau, par exemple, la pompe peut prélever de l’eau dans une cuve et l’envoyer vers un réseau sous pression. Dans un poste d’assainissement, elle relève les eaux usées depuis un point bas vers une conduite située plus haut.
Il existe de nombreuses technologies, mais les pompes peuvent être regroupées en deux grandes familles : les pompes dynamiques, parmi lesquelles les pompes centrifuges sont les plus courantes, et les pompes volumétriques.
Comment fonctionne une pompe centrifuge ?
Une pompe centrifuge utilise une roue en rotation pour transmettre de l’énergie au liquide. Le fluide entre généralement près du centre de la roue, est accéléré par celle-ci puis dirigé vers le corps de pompe, où une partie de son énergie cinétique est transformée en pression.
La relation entre le débit fourni et la hauteur développée est représentée par la courbe Q/H de la pompe. Pour une pompe centrifuge classique, la hauteur disponible diminue généralement lorsque le débit augmente.
Cette technologie est particulièrement répandue pour l’eau, car elle permet d’obtenir des débits élevés avec un fonctionnement continu et une architecture relativement simple.
Les principaux types de pompes centrifuges
Les pompes centrifuges peuvent être classées selon la direction de l’écoulement.
Une pompe radiale développe principalement de la hauteur et convient bien aux applications nécessitant une pression relativement élevée.
Une pompe axiale déplace le liquide principalement dans l’axe de l’arbre. Elle est adaptée à de très grands débits avec des hauteurs relativement faibles.
Les pompes à écoulement mixte se situent entre ces deux catégories et combinent des caractéristiques radiales et axiales.
Le choix dépend donc beaucoup plus du couple débit-hauteur recherché que de la puissance seule.
Pompes volumétriques : dans quels cas les utiliser ?
Contrairement à une pompe centrifuge, une pompe volumétrique déplace un volume déterminé de liquide à chaque cycle ou rotation.
Cette famille comprend notamment les pompes à pistons, à membranes, à engrenages, à vis ou à vis excentrée.
Elles sont particulièrement intéressantes lorsque le fluide est visqueux, lorsqu’un dosage précis est nécessaire ou lorsque l’application impose un comportement différent de celui d’une pompe centrifuge.
Dans le traitement des boues, par exemple, la technologie doit être adaptée à la teneur en solides et à la viscosité du produit. Xylem distingue notamment les pompes centrifuges pour certaines boues relativement fluides et les pompes à vis excentrée pour des produits beaucoup plus chargés.
Qu’est-ce qu’une station de pompage ?
Une station de pompage est une installation réunissant les équipements nécessaires pour transférer un liquide avec un débit et une pression déterminés.
Elle peut être extrêmement compacte ou constituer un ouvrage d’infrastructure important. Une station complète peut intégrer plusieurs pompes, des vannes, des clapets, de la tuyauterie, une alimentation électrique, des automatismes, de l’instrumentation et éventuellement un dispositif de secours.
Son rôle peut être de :
- relever de l’eau ou des effluents ;
- alimenter un réseau sous pression ;
- transférer de l’eau entre deux réservoirs ;
- irriguer des cultures ;
- évacuer des eaux pluviales ;
- alimenter un procédé industriel ;
- Maintenir une pression déterminée dans un réseau.
La pompe est donc un composant de la station, tandis que la station constitue le système hydraulique, électrique et de contrôle dans lequel elle travaille.
Station de pompage et station de relevage : quelle différence ?
Une station de relevage est une forme particulière de station de pompage dont la fonction principale est de faire remonter un liquide depuis un niveau bas vers un niveau supérieur.
Le terme est très fréquent en assainissement. Les eaux usées arrivent généralement par gravité dans une fosse ou un puits humide. Lorsque leur niveau atteint un seuil prédéfini, une ou plusieurs pompes démarrent et refoulent l’effluent vers une canalisation située plus haut.
Une station de surpression, à l’inverse, sert principalement à augmenter ou maintenir la pression d’un réseau.
Ces notions sont parfois utilisées de manière interchangeable dans le langage courant, mais leur fonction hydraulique n’est pas exactement la même.
Quels sont les composants d’une station de pompage ?
La configuration varie selon l’application, mais plusieurs équipements sont fréquemment présents.
Les pompes et les moteurs
Les pompes constituent le cœur hydraulique de l’installation. Leur moteur est généralement électrique, bien que d’autres solutions soient possibles dans des applications particulières ou de secours.
Une station peut comprendre une seule pompe ou plusieurs groupes.
Dans les installations nécessitant une forte disponibilité, il est courant de prévoir plusieurs unités afin d’adapter la capacité au débit demandé ou de conserver une possibilité de fonctionnement lorsqu’une pompe est indisponible.
Le bassin ou la bâche d’aspiration
Dans une station de relevage, le liquide est généralement recueilli dans une fosse ou un puits humide.
Sa géométrie doit favoriser une alimentation correcte des pompes et limiter les phénomènes indésirables tels que l’accumulation de dépôts, l’entraînement d’air ou la formation de vortex.
Les conduites
Une installation comprend une conduite d’aspiration lorsque la configuration de la pompe l’exige, puis une conduite de refoulement transportant le liquide vers sa destination.
Le diamètre des canalisations influence directement la vitesse du fluide et les pertes de charge.
Un diamètre trop faible augmente généralement les pertes hydrauliques et donc la hauteur que la pompe doit fournir. Un diamètre plus important réduit ces pertes mais augmente le coût initial de la conduite.
Les vannes et clapets anti-retour
Les vannes permettent d’isoler une pompe ou une portion du réseau pour l’exploitation et la maintenance.
Le clapet anti-retour empêche le fluide refoulé de revenir vers la pompe lorsqu’elle s’arrête. Dans les postes de relevage, clapets et vannes d’isolement font partie des éléments couramment installés sur les conduites de refoulement.
Les capteurs et automatismes
Des capteurs peuvent mesurer :
- le niveau ;
- la pression ;
- le débit ;
- la température ;
- certaines grandeurs électriques ;
- Les vibrations dans les installations plus surveillées.
Dans une station de relevage, un capteur de niveau ou plusieurs détecteurs commandent le démarrage et l’arrêt des pompes.
L’automate peut également alterner les pompes, déclencher une seconde unité en période de pointe, transmettre une alarme ou enregistrer des données de fonctionnement.
Comment fonctionne une station de pompage ?
Le principe général peut être résumé en cinq étapes.
- Le liquide arrive depuis un réservoir, une canalisation, un forage ou un bassin.
- Le système de contrôle vérifie le niveau, la pression ou une autre variable de commande.
- Une pompe démarre lorsque les conditions programmées sont atteintes.
- La pompe fournit l’énergie nécessaire pour vaincre la différence de niveau, la pression requise et les pertes de charge.
- La pompe ralentit ou s’arrête lorsque la consigne est atteinte.
Dans une station équipée de plusieurs pompes, la régulation peut être beaucoup plus élaborée. Des pompes supplémentaires peuvent démarrer lorsque la demande augmente. Ce principe est notamment utilisé dans les stations d’eaux usées lors des périodes de débit élevé.
Comment dimensionner une pompe et une station de pompage ?
Le dimensionnement ne consiste pas à sélectionner arbitrairement une puissance moteur. Il faut d’abord déterminer ce que le réseau demande réellement à la pompe.
Deux paramètres sont fondamentaux : le débit Q et la hauteur manométrique H.
1. Déterminer le débit nécessaire
Le débit représente le volume de liquide à transférer pendant une durée donnée.
Il s’exprime couramment en :
- m³/h ;
- l/s ;
- m³/s pour les très grands ouvrages.
Le débit de calcul dépend de l’application. Une installation d’irrigation, un immeuble, une station d’eaux usées et un procédé industriel n’ont pas les mêmes profils de consommation.
Il est également nécessaire d’étudier les variations. Une station dimensionnée uniquement pour le débit maximal peut fonctionner une grande partie de son temps très loin de ses conditions optimales.
2. Calculer la hauteur manométrique totale
La hauteur manométrique totale, ou HMT, représente l’énergie par unité de poids que la pompe doit fournir au fluide.
Sous une forme simplifiée :
HMT = hauteur géométrique + pertes de charge + hauteur de pression requise
La hauteur géométrique dépend de la différence d’altitude entre les points de départ et d’arrivée.
Les pertes de charge proviennent principalement du frottement dans les canalisations et des singularités : coudes, vannes, clapets, réductions et autres accessoires.
Si le point de refoulement doit conserver une pression minimale, cette contrainte doit également être intégrée.
3. Croiser la courbe de pompe et la courbe du réseau
La pompe ne délivre pas un débit indépendant de l’installation.
Le véritable point de fonctionnement se situe à l’intersection entre la courbe de la pompe et celle du réseau. Grundfos rappelle que les caractéristiques du système représentent les pertes de pression en fonction du débit et que leur intersection avec la courbe de pompe détermine le point de fonctionnement.
C’est une notion essentielle : sélectionner une pompe parce que son débit maximal semble suffisant ne garantit pas qu’elle délivrera ce débit dans l’installation réelle.
Comprendre les courbes d’une pompe
Une fiche technique sérieuse ne présente généralement pas une seule courbe.
Courbe Q/H
Elle relie le débit Q à la hauteur H.
Elle permet de vérifier si la pompe peut atteindre le point de fonctionnement demandé.
Courbe de rendement
Elle indique le rendement de la pompe selon son point de fonctionnement.
Chaque pompe dispose d’une zone dans laquelle son efficacité est meilleure. Un fonctionnement durable très éloigné de cette zone peut accroître la consommation ou provoquer des conditions mécaniques défavorables.
Courbe de puissance
Elle indique la puissance absorbée ou mécanique requise selon le débit.
La puissance hydraulique transmise au liquide peut être exprimée par :
P = ρ × g × Q × H
Avec ρ pour la masse volumique, g pour l’accélération de la pesanteur, Q pour le débit et H pour la hauteur.
La puissance électrique nécessaire est supérieure à cette puissance hydraulique en raison des pertes du moteur, de la pompe et éventuellement du variateur.
Qu’est-ce que le NPSH et pourquoi est-il important ?
Le NPSH, ou hauteur nette positive d’aspiration, intervient dans l’analyse des conditions d’entrée de la pompe.
Si la pression locale devient suffisamment faible, le liquide peut commencer à vaporiser et former de petites bulles. Leur apparition puis leur implosion provoquent le phénomène de cavitation.
La cavitation peut provoquer du bruit, des vibrations, une baisse des performances et une détérioration de la pompe.
On distingue notamment le NPSH disponible dans l’installation et le NPSH requis par la pompe.
En pratique, le NPSH disponible doit rester supérieur au NPSH requis, avec une marge adaptée à l’application et aux recommandations de conception.
Modifier uniquement la puissance du moteur ne résout pas un problème de cavitation : les conditions hydrauliques à l’aspiration doivent être corrigées.
Pompes en parallèle ou en série
Plusieurs pompes peuvent être combinées pour adapter les performances de la station.
Montage en parallèle
Le montage en parallèle est principalement utilisé pour augmenter la capacité de débit.
Les pompes peuvent être démarrées progressivement selon la demande, ce qui convient bien aux installations où le débit varie fortement.
Montage en série
Le montage en série permet principalement d’augmenter la hauteur disponible.
Grundfos décrit ces deux principes sur les courbes de performance : l’association en parallèle augmente surtout le débit, tandis que le montage en série augmente la hauteur.
Dans la pratique, le résultat exact dépend toujours de la courbe du réseau.
Variation de vitesse et efficacité énergétique
Un variateur de fréquence permet de modifier la vitesse du moteur afin d’adapter la performance de la pompe à la demande.
Au lieu de faire fonctionner systématiquement la pompe à pleine vitesse puis de dissiper une partie de l’énergie dans une vanne de régulation, la vitesse peut être ajustée en fonction d’une consigne de pression, de débit ou de niveau.
Pour certaines applications à demande variable, cette solution peut réduire sensiblement la consommation énergétique. Grundfos indique que la variation de fréquence est utilisée pour adapter le débit ou la pression à la demande réelle.
Elle ne remplace cependant pas un dimensionnement hydraulique correct. Une mauvaise sélection de pompe reste une mauvaise sélection, même si un variateur est installé.
Les principales applications des stations de pompage
Les stations de pompage sont utilisées dans des contextes très différents.
Eau potable
Elles permettent le captage, le transfert entre réservoirs, la distribution et la surpression.
La qualité des matériaux, la continuité de service et le maintien de la pression y sont particulièrement importants.
Assainissement
Lorsque l’écoulement gravitaire n’est plus possible techniquement ou économiquement, les eaux usées doivent être pompées vers un niveau ou un réseau permettant de poursuivre leur transport.
Ces installations doivent tenir compte des solides, fibres et autres matières susceptibles de provoquer un colmatage.
Irrigation
Les pompes assurent le prélèvement et la mise sous pression de l’eau destinée aux réseaux d’irrigation.
La demande peut varier fortement suivant les secteurs alimentés et les périodes de fonctionnement.
Industrie
Dans l’industrie, les pompes peuvent transférer de l’eau, des liquides de process, des boues, des produits visqueux ou divers fluides techniques.
La nature chimique, la température et la viscosité deviennent alors des critères de sélection essentiels.
Maintenance des pompes et stations de pompage
Une maintenance efficace ne consiste pas uniquement à intervenir lorsque la pompe tombe en panne.
Le suivi doit permettre d’identifier progressivement les écarts de fonctionnement.
Les contrôles portent notamment sur l’état des roues, garnitures et roulements, la présence de fuites, les vibrations, les bruits inhabituels, l’intensité absorbée, les vannes et clapets, les capteurs, ainsi que l’état du bassin et des conduites.
Dans les eaux usées, l’encrassement et le colmatage demandent une attention particulière.
Un historique des temps de marche, des démarrages, des alarmes et de la consommation électrique peut également révéler une dérive avant qu’une panne franche n’apparaisse.
Problèmes fréquents et erreurs de conception
Surdimensionner la pompe
Choisir une pompe « plus grosse par sécurité » n’est pas forcément prudent.
Une pompe surdimensionnée peut fonctionner loin de sa zone optimale, entraîner une consommation inutile ou imposer une régulation excessive.
Sous-estimer les pertes de charge
Une canalisation longue ou mal dimensionnée peut demander beaucoup plus de hauteur que prévu.
Le calcul doit intégrer les conduites et les singularités.
Négliger l’aspiration
Une mauvaise configuration à l’aspiration peut provoquer de la cavitation, de l’entraînement d’air et des performances instables.
Choisir la pompe sans analyser le fluide
Une pompe adaptée à l’eau claire n’est pas nécessairement capable de transporter des eaux chargées, des fibres, de la boue ou un liquide très visqueux.
Oublier les conditions réelles d’exploitation
Un débit de pointe n’est qu’un point de fonctionnement parmi d’autres.
Une bonne station doit aussi fonctionner correctement pendant les nombreuses heures où la demande est inférieure au maximum.
Comment choisir une station de pompage ?
Le choix doit commencer par les données du projet, et non par un catalogue de pompes.
Il faut connaître au minimum la nature et la température du liquide, la plage de débit, la hauteur géométrique, les pertes de charge, la pression nécessaire au refoulement, les conditions d’aspiration, le nombre d’heures de fonctionnement et le niveau de disponibilité recherché.
Viennent ensuite le choix des matériaux, du nombre de pompes, de la stratégie de commande, de l’instrumentation et éventuellement de la source d’énergie de secours.
Une installation correctement dimensionnée doit trouver un équilibre entre investissement, fiabilité, consommation énergétique et facilité de maintenance.
Conclusion
Les pompes et stations de pompage forment des systèmes essentiels pour transporter, relever ou mettre sous pression un liquide. Leur conception ne doit pas se réduire au choix d’une puissance moteur.
Le débit, la hauteur manométrique totale, les pertes de charge, le point de fonctionnement, le rendement et les conditions d’aspiration doivent être étudiés ensemble. À cela s’ajoutent les caractéristiques du fluide, les automatismes, la redondance et la maintenance.
Une station bien conçue est donc celle dont tous les composants travaillent de manière cohérente : pompe, réseau hydraulique, moteur, contrôle et instrumentation.
6. Questions fréquentes
Quelle est la différence entre une pompe et une station de pompage ?
Une pompe est la machine qui fournit de l’énergie au liquide. Une station de pompage est l’installation complète qui intègre une ou plusieurs pompes ainsi que les canalisations, vannes, clapets, commandes, capteurs et équipements nécessaires à leur fonctionnement.
Quelle pompe est la plus utilisée dans les stations de pompage ?
Les pompes centrifuges sont très répandues dans le transfert d’eau en raison de leur capacité à assurer des débits importants en fonctionnement continu. Le choix exact dépend toutefois du débit, de la hauteur, du liquide et des conditions du projet.
Qu’est-ce que la HMT d’une pompe ?
La hauteur manométrique totale représente la hauteur que la pompe doit fournir pour vaincre la différence d’altitude, les pertes de charge du réseau et, le cas échéant, la pression nécessaire au point de livraison.
Qu’est-ce qu’une station de relevage ?
Une station de relevage est une station de pompage conçue pour faire remonter un liquide depuis un point bas. Elle est très courante pour les eaux usées lorsque l’écoulement gravitaire ne permet plus d’atteindre le réseau ou la station d’épuration.
Pourquoi une pompe cavite-t-elle ?
La cavitation apparaît lorsque la pression devient suffisamment faible dans certaines zones de la pompe pour permettre la formation de vapeur. Elle est notamment liée aux conditions d’aspiration et au NPSH. Elle peut provoquer du bruit, des vibrations et une dégradation de l’équipement.
Pourquoi installer plusieurs pompes dans une station ?
Plusieurs pompes permettent d’adapter la capacité à la demande et peuvent améliorer la continuité de service. Dans un montage en parallèle, les unités supplémentaires peuvent démarrer lorsque le débit demandé augmente.
À quoi sert un variateur de fréquence ?
Il adapte la vitesse du moteur, et donc les performances de la pompe, aux besoins réels du système. Il est particulièrement intéressant lorsque le débit ou la pression demandés varient au cours du temps.
