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L'eau alimente le cycle de la vie

La station de pompage est l’ouvrage qui  va acheminer l’eau du forage à son utilisateur et permettre son exploitation.

forage admission géothermie

une eau claire , limpide , exploitable

Les deux objectifs d’une station  de pompage sont :

  • Pomper l'eau du forage via une pompe placée à l'intérieur du forage dite pompe immergée
  • Traiter l'eau via un système de filtration

 Les caractéristiques intrinsèques d’une station de pompage (débit , type de pompe , filtration , système de régulation ) sont établies  en fonction des besoins de l’utilisateur.

Cependant, le cahier des charges d’une station de pompage est dépendant avant tout des particularités inhérentes du forage ie,les capacités hydriques de la nappe aquifère.

La SARL IRRIFORE développe les stations de pompage en collaboration avec la SARL DN-TECH.

DN-tech est spécialisée dans la gestion de l'eau, de son extraction par des stations de pompage jusqu'à son expoitation via des réseaux et systèmes d'irrigation.

En savoir plus...

 

Cependant , en collaboration étroite avec nos partenaires spécialisés dans ce domaine (Dn-tech engeniering), il nous paraissait intéressant d'apporter via cette rubrique quelques notions fondamentales concernant le pompage pour le particulier.

Parmi les nombreux types de pompes centrifuges qui équipent 99% des forages. Pour  cette raison et aprés avoir envisagé quelques notions courantes nous envisagerons l'étude ou du moins la présentation des pompes centrifuges et plus particulièrement des pompes dites immergées. 

A. Hauteur d'aspiration et perte de charge

1/ HAUTEUR D'ASPIRATION

La hauteur théorique d'aspiration d'une pompe est de 10.33 mètres à la pression atmosphérique au niveau de la mer, avec une eau à 0° C de température.
Cette valeur ne peut être atteinte car la hauteur d'aspiration est dépendante:

  • des pertes de charge dans la tuyauterie d'aspiration
  • des pertes dues à l'altitude
  • des pertes dues à la température de l'eau et à sa viscosité
  • des pertes dues à la pompe, par construction
  • des pertes dues à l'état de la pompe

2/ PERTES DE CHARGE

Les pertes de charge sont dues au frottement du liquide contre les parois plus ou moins lisses de la tuyauterie, aux changements de diamètres, aux courbes, aux accessoires tels que : tés, vannes coudes, etc.

Le terme hauteur manométrique aspiration, parfois utilisé, correspond à la hauteur géométrique majorée de toutes les pertes de charge dans le tube d'aspiration, la crépine, le clapet, la ou les vannes.

Les pertes de charge dans une conduite sont donc :

  • proportionnelles à sa longueur
  • indépendantes de la pression intérieure
  • en relation avec la nature et l'état de la paroi de la canalisation, fonction de la vitesse d'écoulement (approximativement proportionnelle au carré de cette vitesse)
  • inversement proportionnelles au diamètre de la conduite

Il existe plusieurs formules permettant de calculer les pertes de charge mais, celles-ci varient entre elles. Si l'on compare les résultats obtenus entre différentes formules, on peut avoir des écarts importants selon la nature et l'état de la conduite rugosité , incrustation, corrosion, vétusté).

Le graphique-abaque Xl-1 donne des courbes de pertes de charge d'après la formule de PRONY soit :

1/4 Dj = 9,00001733 V + 0,0003483 v2 (Xl- 1)

ou

D = diamètre du tuyau en mètre
I = pertes de charge, en mètres, par mètre de longueur de tuyau
V = vitesse de circulation de l'eau, en mètre/seconde


Graphique abaque XI-1

D'après cet abaque, on peut voir que pour une vitesse de circulation de l'eau de 1 m./seconde dans la conduite de refoulement correspond une perte de charge de : 

-30 mm. par mètre de conduite pour une canalisation de 50 mm. de diamètre intérieur.

-3 m. par mètre de conduite pour une canalisation de 500 mm. de diamètre intérieur.

La table de DARCY, que l'on trouve couramment, s'applique généralement à des canalisations  peu encrassées. Pour des canalisations neuves, on diminuera légèrement les pertes de charges obtenues avec cette table.

B. Recommandations

Quelques recommandations permettent d'appréhender et d'éviter les erreurs grossières :

1/  Au niveau des  Pompes de surface

Pour une pompe de surface, la hauteur d'aspiration correspondra à : 10,33 m.—(pertes de charge + pertes dues à l'altitude + pertes dues à la température de beau + charge nette absolue à aspiration). L'expérience prouve qu'il ne faut pas dépasser une hauteur d'aspiration de 7 mètres pour tenir compte de toutes les pertes citées ci-dessus.

Une pompe fonctionnant à faible débit avec une hauteur d'aspiration de 7 mètres peut, à grand débit, n'avoir qu'une hauteur d'aspiration de 4 mètres ,on devra éliminer toute présence d'air dans la tuyauterie d'aspiration et, de préférence, placer la tuyauterie légèrement ascendante en direction de la pompe.

2/ Au niveau des Pompes immergées

Lors du fonctionnement norlual d'une pompe immergée, son aspiration se trouve sous le niveau rabattu. Toutefois, pour éviter un phénomène de cavitation, on devra tenir compte de la charge nette absolue à l'aspiration norée de 10% (coefficient 0,%). Cependant, si les valeurs dues à l'altitude ou aux températures de l'eau sont importantes, on devra minorer à nouveau la charge nette absolue à l'aspiration. 

3/ Hauteur manométrique

Comme déjà signalé au paragraphe 1-2-, la hauteur manométrique est la somme: de la hauteur géométrique ou hauteur totale de refoulement située entre le point le plus haut et le point le plus bas du rabattement de la nappe,et des pertes de charge comme il est signalé au paragraphe 1-2 . Tout projet doit tenir compte de la hauteur manométrique et non de la hauteur géométrique.

4/ Vitesse de l'eau dans les tuyauteries

On recommande généralement de ne pas dépasser une vitesse de circulation de l'eau dans les tuyauteries de 0.5 mètre/seconde, ce qui limite les pertes de charge et diminue les dépenses d'énergies . Par contre, on devra s'équiper de tubes de plus gros diamètre, ce qui nécessitera un investissement plus élevé au départ. Pour déterminer le diamètre convenant le débit recherché, on peut utiliser la formule suivante qui parait être un maximum :

d= 25 Q  


d = diamètre intérieur en millimètres
Q = débit de l'eau en mcub/heure

La vitesse de l'eau en mètre/seconde dans une tuyauterie, de diamètre d peut s'obtenir par la formule suivante : V= 350 Q/d2

C. Les pompes centrifuges

Parmi les pompes centrifuges,on distingue deux grandes familles qui sont :

  • les pompes centrifuges à axe horizontal
  • les pompes centrifuges à axe vertical

1/ Principe de fonctionnement

ll est basé sur la création d'une force centrifuge à l'intérieur d'une roue à  auges que l'on fait tourner dans un carter comportant deux orifices dont l'un, est  l'entrée de l'eau au centre de la roue et l'autre, la sortie de l'eau suivant une  tangente à une spire d'Archimède dont la roue occuperait le centre (voir figure X1- 10).

Une dépression est amorcée près de l'axe de rotation y provoquant un appel d'eau ou aspiration à la périphérie de la roue à auges s'échappe par l'orifice de refoulement placé en position tangente. La force centrifuge dépend de la vitesse de rotation ; elle est proportionnelle au carré de celle-ci, donc, plus la vitesse imprimée à la roue à auges sera grande, plus la vitesse de sortie de l'eau sera élevée.La force vive de la masse d'eau créée et plus la hauteur (ou pression) de   refoulement sera importante.

On peut affirmer que :

  • pour une même vitesse de rotation :
    • le débit est fonction du diamètre du rotor
    • la hauteur manométrique produite varie comme le carré du diamètre du rotor
    • la puissance absorbée varie comme le cube du diamètre du rotor                 
  • Si l'on fait varier la vitesse de rotation :
    • le débit varie proportionnellement à la vitesse
    • la pression varie proportionnellement au carré de la vitesse
    • la puissance absorbée par la pompe est proportionnelle au cube de la vitesse.

Par comparaison, on notera que dans les pompes à piston le débit et la puissance absorbée sont simplement proportionnels à la vitesse.

2/ Amorçage

Cas des pompes de surface

On doit éviter que la canalisation d'aspiration comporte des points hauts (cas de contre-pentes) où l'eau peut s'accumuler. Si les points hauts ne peuvent être évités, on doit placer un robinet de purge afin d'évacuer l'air emprisonné au cours de l'amorçage. Une pompe centrifuge ne peut s'amorcer d'elle-même si elle n'est pas remplacée d'eau, (ainsi que sa canalisation d'aspiration).


L'amorçage peut se faire :

  • soit par le robinet de purge généralement situé au point haut de la pompe
  • soit par un répertoire charge de capacité suffisante situé au-dessus de la pompe qui maintient le plein d'eau dans le corps de pompe,même à l'arrêt
  • soit par un montage sur l'arbre de la pompe d'un élément rotatif auto-amorçant

On notera qu'une pompe centrifuge, même munie d'un clapet de pied , peut se désamorcer si elle pompe de l'eau susceptible de contenir de l'air ou du gaz. Pour éviter ces inconvénients, il est préférable d'utiliser des pompes auto- amorçantes ou des pompes pouvant pomper indifféremment l'eau ou l'air. On peut aussi placer sur le refoulement une chambre réservoir dont le volume est supérieur à celui de la pompe et du tuyau d'aspiration. Les réamorçages se font automatiquement ,à condition qu'il y ait bien un clapet de pied d'aspiration.

On peut également, lorsque la canalisation de refoulement est pleine, court- circuiter (by pass) le clapet de retenue du refoulement au moyen d'un petit tuyau muni d'une vanne. Le volume d'eau dans la colonne de refoulement doit être suffisant pour remplir la pompe et son aspiration .

Cas des pompes immergées

L'immersion complète de la pompe ne pose pas de problème d'amorçage.

3/ Réglage

Nous avons vu que le débit des pompes centrifuges varie en raison inverse des pressions de  refoulement. En plaçant une vanne sur le refoulement , on peut donc faire varier le débit. Une pompe centrifuge ne peut créer de surpression dangereuse. En fermant totalement la vanne  sur le refoulement, le débit est nul mais, le rotor continue à tourner. Son énergie se transformant en chaleur, le fonctionnement ne peut être que de courte durée en raison de réchauffement qui en résulterait. 

D. Les pompes immergées

Groupes électropompes immergés- Ce type de pompe est le plus utilisé en exploitation continue dans les forages d'eau. Un groupe électropompe immergé comprend du bas vers le haut :

  • un moteur immergé électrique
  • une pompe immergée actionnée par le moteur désigné ci-dessus
  • une aspiration placée entre la pompe et son moteur,une colonne d'exhaure qui peut être un tube d'acier ou un tuyau souple élastomère. Le moteur immergé comprend généralement du bas vers le haut
  • une membrane de compensation qui peut-être en accordéon destinée à compenser l'augmentation de volume de l'eau (due à l'augmentation de température) du système de refroidissement
  • une butée axiale qui peut être réglable et mobile, avec une capacité suffisante pour compenser le poids du moteur et des turbines ainsi que la réaction à la  poussée axiale au cours du fonctionnement de la pompe
  • le moteur électrique proprement dit comprenant le rotor et son stator, à Courant  triphasé, généralement à bobinage noyé. (Le moteur est rempli d'eau claire avant sa descente afin d'assurer son refroidissement et sa lubrification)
  • une garniture mécanique en tête du moteur assure l'étanchéité du moteur
  • enfin l'arbre axial qui sort du moteur est raccordé au corps de pompe

La pompe immergée fait partie de la famille des pompes centrifuges  multicellulaires que nous avons décrites dans le précédent paragraphe.Elles  peuvent être à turbines radiales, axiales ou semi-axiales.

A sa partie supérieure, au refoulement, la pompe est généralement pourvue d'un clapet de retenue. Le tube de refoulement, d'un diamètre inférieur au diamètre du groupe électropompe peut être, soit en acier de dimensions classiques, soit en tube souple élastomère.

1/ Nature du matériel

Par le choix de matériaux nouveaux, les constructeurs cherchent à donner à leur matériel une plus grande résistance à la corrosion due à l'agressivité des eaux,  à la température parfois élevée de celles-ci (problème de la géothermie). Les corps de pompe peuvent être en bronze-aluminium- nickel ou en bronze sans zinc; les roues peuvent être en noryl renforcé de fibres de verre ou en bronze  sans zinc', les bagues d'usure peuvent être en polyuréthane facilement  interchangeables; l'axe peut être en inox. Les moteurs peuvent avoir une carcasse en inox; les carters de  paliers peuvent  être en fonte ou en bronze- aluminium-nickel ou en bronze sans zinc; l'arbre et les chemises en inox', les coussinets en téflon ou graphite', la butée en graphite. Les câbles électriques d'alimentation sont du type immersion permanente avec  revêtement de polyéthylène de forme ronde ou en méplat. Ce câble est fixé contre le tube d'exhaure au moyen de colliers, au fur et à mesure de la descente du groupe électropompe.

2/ Rendement

Chaque constructeur dispose de plusieurs types de pompes à débits et hauteurs barométriques différentes. Les pompes les plus classiques ont généralement un diamètre de 100 mm. à 250 mm. (4'' à 10''). Comme pour les pompes à axe vertical, le débit des pompes immergées varie en fonction du diamètre des turbines, de leur nombre et de leur vitesse de  rotation. Les  caractéristiques maximum des pompes de 4 à 10'' peuvent être les suivantes :

  • débits pouvant atteindre 350 mcub/h sur certains modèles et une hauteur manométrique qui peut arriver à 400 mètres sur d'autres modèles
  • certains modèles peuvent fonctionner  avec plus de 3 étages et peuvent  nécessiter une puissance de 250 KW
  • leur vitesse de rotation peut atteindre 3.000 T/hm
La gamme de modèles différents est très étendue, aussi convient-il d'être très  précis lors d'une commande de pompe immergée ou de pompe à axe vertical.

3/ le pour et le contre

  • installation simple
  • les bruits en surface dus au fonctionnement de la pompe sont éliminés
  • entretien faible si la pompe fonctionne dans un forage de qualité et si elle  n’est pas utilisée au-delà de ses possibilités
  • elle ne s'utilise qu'en eaux claires
  • elle est sensible aux fluctuations de voltage
  • les câbles électriques doivent être bien isolés et ne pas être écrasés au cours  de la descente ou remontée du groupe immergé,
  • en cas de problème au moteur (ce qui est très rare).le moteur étant   à la base du dispositif, c'est tout l'ensemble qui doit être remonté

4/ au niveau du moteur

a)  Sens de marche

Lorsque le groupe électropompe est livré neuf, un schéma de connexions est   généralement joint à la livraison. il est donc préférable de contrôler en surface (dans  une cuve d'eau) le sens de rotation du moteur indiqué par le constructeur. Si le moteur revient de réparation et qu'il tourne dans le mauvais sens, on inversera deux des fils de connexion à la source du courant (disjoncteur ou démarreur).  Si le schéma de connexions a disparu ou si les indications de repères ne sont plus apparents, les connections électriques peuvent être inversées et le moteur  tournera   à l'envers. Dans ce cas, si la pompe est descendu dans le forage, on  contrôlera la pression au sol indiquée par un manomètre, on inversera deux des fils de  connexion comme précédemment et on contrôlera la nouvelle pression obtenue au manomètre. La pression qui sera la plus élevée donnera le sens correct de rotation du  moteur de la pompe.

b)  Démarrage

Les moteurs à cage absorbent une forte intensité au démarrage qui peut être de plusieurs fois l'intensité nominale. Elle n'est absorbée que pendant un temps  très court, jusqu'à la mise en vitesse normale du moteur. Pour les moteurs de faible puissance, ce problème peut se résoudre très  facilement (inférieur à 15cv.). Pour les moteurs très puissants, l'appel de courant au  démarrage

c)  Câbles électriques

Un câble de section trop faible s'échauffera , se détériorera et créera des  sous-tensions . Un câble trop gros coûtera plus cher et peut poser des problèmes  aux raccordements avec le moteur et aux dispositifs de démarrage mais , il vaut  mieux utiliser un câble un peu plus gros que trop faible .  Les connections des câbles doivent être solides et bien isolées. Pour des  puissances nominales importantes de moteur pour nappes profondes , des tensions moyennes sont couramment utilisées (660 V,1.000 V,5.000 V) afin d'éviter des sections de câbles difficiles à manipuler. Les câbles doivent être manipulés avec précaution car la moindre piqûre ou blessure au contact de l'eau  dégrade complètement leur isolement.