Systèmes de pompage Les économies d'énergie électrique dans les systèmes de pompage

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1 Guide technique Systèmes de pompage Les économies d'énergie électrique dans les systèmes de pompage

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4 Les économies d'énergie électrique dans les systèmes de pompage 1993 Hydro-Québec I

5 Hydro-Québec tient à remercier la direction d'ontario Hydro d'avoir permis l'utilisation des renseignements et données techniques du manuel intitulé Performance Optimization Fan, Pump and Blower Systems - Assessment Guide. II

6 La principale raison d'être d'hydro-québec est de produire et de distribuer une énergie électrique fiable et économique, tout en respectant l'environnement. Afin d'y parvenir, Hydro-Québec entend collaborer avec les entreprises commerciales, institutionnelles et industrielles en vue d'optimiser leur consommation d'électricité. Cette action commune permettra aux consommateurs d'utiliser efficacement l'électricité mise à leur disposition. Cela leur assurera un meilleur rapport coût-bénéfice, donc une rentabilité et une compétitivité accrues. La majeure partie des applications, systèmes ou procédés offrant une possibilité d'optimisation de la consommation d'énergie électrique. Pour obtenir plus de renseignements, consultez votre représentant d'hydro-québec. Avertissement Hydro-Québec publie ce guide à l'intention de sa clientèle industrielle. Les renseignements de tous ordres qu'il contient proviennent de sources diverses et habituellement fiables. Nous ne prétendons toutefois pas qu'il s'agit d'un recueil exhaustif ; il existe probablement d'autres méthodes et moyens valables d'optimisation du rendement des systèmes qui ne sont pas consignés dans cette publication. Par ailleurs, la référence à un fabricant, à une marque de commerce, à un procédé ou à un produit n'est donnée qu'à titre d'information et ne saurait engager la responsabilité d'hydro-québec ou de ses représentants. De même, Hydro-Québec, ses représentants et ses gestionnaires ne se portent pas garants de la performance des équipements et des appareils dont il est fait mention ni des résultats qu'ils produisent dans des utilisations particulières. III

7 La gestion efficace de l'énergie représente un défi. La rentabilité des mesures d'efficacité énergétique et leurs retombées nombreuses sur le plan de l'environnement, des frais d'exploitation et des frais d'entretien sont de plus en plus reconnues. Hydro-Québec propose ce guide afin de faire connaître les multiples possibilités d'économies d'énergie électrique réalisables dans les systèmes de pompage. Ce guide n'épuise pas le sujet, car d'autres possibilités d'économie d'énergie existent. Les premiers chapitres présentent une revue générale des systèmes de pompage et de la théorie des pompes. Les chapitres qui suivent portent sur les différentes mesures d'économie d'énergie électrique (MEEE) réalisables dans les systèmes de pompage. Ces mesures ont été classifiées selon les particularités suivantes : modulation de la vitesse ; réduction de l'impulseur ; augmentation du rendement ; fonctionnement et entretien. Ces quatre aspects représentent les possibilités de base applicables aux systèmes de pompage en vue de réduire leur consommation. Cependant, les MEEE peuvent, dans certains cas, s'appliquer à plus d'un élément. Un chapitre spécial est consacré aux pompes de réseaux de distribution, qu'il s'agisse de réseaux d'eau fraîche, d'eau de procédé, d'eau blanche, etc., compte tenu des particularités de ces systèmes. Ils présentent en effet certaines possibilités comme la combinaison d'une pompe en parallèle avec un entraînement à vitesse variable, le réglage de la pression au point d'utilisation ou bien encore, l'installation d'une ou plusieurs pompes en série. Les derniers chapitres soumettent quelques suggestions en rapport avec le calcul des économies d'énergie, les méthodes de mesure et les logiciels disponibles. IV

8 Avant-propos Introduction Table des matières Listes des figures et des tableaux SECTION Systèmes de pompage Généralités Courbe du système...5 SECTION Revue de la théorie des pompes Courbe caractéristique des pompes Point de fonctionnement NPSH - Hauteur nette absolue à l'aspiration Vitesse spécifique Fonctionnement en série et en parallèle Lois de similitude...9 SECTION Calcul des mesures d'économie d'énergie électrique Calcul des économies d'énergie électrique Sommaire des mesures d'économie d'énergie électrique...15 SECTION Modulation de la vitesse Généralités Calcul des économies d'énergie électrique Mesures d'économie d'énergie électrique avec modulation de la vitesse Installation d'un entraînement à vitesse variable Installation d'un moteur à vitesses multiples Installation des entraînements à vitesse variable pour des pompes en parallèle...28 SECTION Réduction du diamètre de l'impulseur de la pompe Généralités Calcul des économies d'énergie électrique Mesures d'économie d'énergie électrique Redimensionnement des vannes de régulation Réduction des pertes dans le système Ouverture ou fermeture complète des robinets Optimisation du diamètre de la tuyauterie Contrôle des lignes de recirculation...37 V

9 SECTION Redimensionnement de la pompe Généralités Calcul des économies d'énergie électrique Mesures d'économie d'énergie électrique Sélection d'une pompe fonctionnant à son point d'efficacité maximale SECTION Fonctionnement et entretien Généralités Calcul des économies d'énergie électrique Mesures d'économie d'énergie électrique Réduction des transferts de liquide inutiles Fonctionnement de pompes en parallèle Réduction de la viscosité du liquide pompé Augmentation de la concentration du liquide pompé Élimination de la cavitation dans les pompes Entretien préventif SECTION Pompes en série, indépendantes et parallèles pour les réseaux Généralités Calcul des économies d'énergie électrique Mesures d'économie d'énergie électrique Applications de pompes en série Applications de pompes indépendantes Applications de pompes en parallèle SECTION Autres mesures d'économie d'énergie électrique Mesures d'économie d'énergie électrique Redimensionnement du moteur Augmentation de l'efficacité du moteur SECTION Évaluation financière des mesures d'économie d'énergie électrique Immobilisations pour l'implantation de mesures d'économie d'énergie électrique Calcul de la période de recouvrement de l'investissement VI

10 SECTION Méthodes de mesure Essai Essai de rendement Instruments et méthodes de mesure Paramètres à mesurer Débit Pression Puissance Vitesse (tr/min) Température...67 SECTION Logiciels Généralités sur la sélection de logiciels Les logiciels d'analyse hydraulique Utilisation du chiffrier électronique pour les analyses hydrauliques...70 SECTION Conclusion...71 SECTION Annexes...72 Annexe A - Glossaire...72 Annexe B - Lexique français-anglais...75 Annexe C - Tableaux - Facteurs de correction pour l'efficacité des moteurs et des entraînements à fréquence variable Annexe D - Tableau de conversion des unités...78 Annexe E - Bibliographie...79 VII

11 1.1 Exemple type d'un système de pompage Exemple type d'un système de pompage en fonction des élévations indiquées Variation de la hauteur manométrique totale et du débit Courbe du système Effets de la hauteur statique sur la courbe du système Effets de l'ouverture de la vanne sur la courbe du système Courbes caractéristiques d'une pompe centrifuge à vitesse constante Courbe du système et courbe de la pompe Effets de la vanne de régulation sur les points de fonctionnement du système Diverses formes d'impulseurs en fonction de la vitesse spécifique Courbe à vitesse constante par rapport aux courbes à vitesse variable Courbe de la pompe et courbe de similitude Courbe de la pompe à vitesse réduite et courbe du système avec hauteur statique par rapport à la courbe de similitude Courbe de similitude déterminant le point de fonctionnement à vitesse réduite Hauteur statique totale Économies d'énergie électrique par modulation de la vitesse Profils de charge Chute de pression dans une vanne de régulation en fonction du débit et de la hauteur statique pour une pompe à vitesse fixe Point de fonctionnement d'une pompe à vitesse variable en fonction du débit et de la hauteur statique Système de pompage avant et après le recours à une MEEE (avec EFV) Courbe de la pompe à vitesse constante Courbes de la pompe à vitesse variable (modulation du débit) Système de pompage avant et après le recours à une MEEE (avec EFV) Diverses courbes d'utilisation des pompes à vitesse variable (modulation du débit avec changement de la hauteur statique) Effets combinés de la réduction de la hauteur manométrique totale et de l'impulseur sur un système de pompage Effets combinés de l'élimination d'un débit de recirculation et de la réduction de l'impulseur Réduction de l'impulseur avec vanne de diamètre supérieur Recirculation sur demande Pompe peu efficace Pompe efficace Élimination (ou déviation) d'un réservoir tampon entre les cuves A et B Délestage de pompes en parallèle pendant les baisses de débit Augmentation de la consistance pour limiter le débit Jeu interne d'une pompe type Illustration d'un système de pompage à points d'utilisation multiples Illustration d'un système de pompage avec pompe en série Courbe de la pompe existante Illustration d'un système de pompage avec pompe indépendante Courbe de la pompe aux conditions existantes...57 VIII

12 1.1 Débits types du système Hauteurs statiques types Pertes de charge types en fonction du débit Hauteur manométrique totale du système Sommaire des économies d'énergie électrique des diverses MEEE Pompe à vitesse constante Pompe à vitesse variable avec régulateur de pression Pompe à vitesse constante Pompe à vitesse variable Conditions existantes...54 IX

13 1.0 Systèmes de pompage 1.1 Généralités Le rôle premier d'une pompe est d'aspirer et de refouler efficacement des fluides dans un système. Il est plus facile de maintenir une haute efficacité de pompage et de satisfaire aux exigences de la pompe en matière de débit, lorsque l'on comprend les exigences d'un procédé. Afin de démontrer la méthode générale d'analyse requise pour obtenir le fonctionnement optimal d'un système de pompage, on peut faire appel à un système simple de transfert des fluides d'un réservoir à travers un filtre, puis, vers un deuxième réservoir (voir la figure 1.1). Une simple esquisse ou un diagramme de la tuyauterie et de l'instrumentation (P&ID) peut fournir des données sur les exigences du procédé. Cette esquisse du système doit comporter un minimum de renseignements, c'est-à-dire non seulement la source d'approvisionnement d'une pompe donnée, mais également toutes les composantes à travers lesquelles le fluide passera avant d'atteindre le ou les points de refoulement final. On devrait inclure tout autre renseignement relatif au fonctionnement du procédé et de la pompe : le diamètre des tuyaux, les boucles de régulation et les détecteurs, de même que les régulateurs de débit comme les robinets et les vannes de régulation. Par la suite, il est important de connaître les débits de fonctionnement requis. Ces débits comprennent les débits de fonctionnement minimal, normal et maximal. 1

14 Le tableau 1.1 illustre les débits types de l'exemple à deux réservoirs. Le débit normal est celui observé le plus souvent au cours du fonctionnement du système. Si le débit normal est variable ou si le système fonctionne pendant une période de temps non négligeable à un débit différent, les données de ces débits devront être intégrées au tableau d'analyse. Pour chaque point de fonctionnement, il est utile de connaître les exigences du système en matière de hauteur statique. Cela déterminera la puissance requise pour élever le fluide et fournir la pression nécessaire aux divers points de fonctionnement du procédé. La hauteur statique repose sur trois éléments : la densité du fluide (densité relative) ; la différence d'élévation entre le point d'aspiration et le point de refoulement de la pompe ; la différence de pression de fonctionnement entre les points d'aspiration et de refoulement. La figure 1.2 reprend l'exemple des deux réservoirs en fonction de leur élévation respective. Le premier point à noter est la différence d'élévation entre les bases des deux réservoirs. Selon cet exemple, la base du réservoir A est de dix pieds plus élevée que celle du réservoir B. Lors du fonctionnement normal et à partir du niveau de référence 0 pied, le niveau du réservoir d'approvisionnement (A) a un minimum de 15 pieds et un maximum de 35 pieds. Dans ce cas, le niveau du réservoir A ne peut être abaissé à moins de 5 pieds de liquide pendant le fonctionnement réel de la pompe. 2

15 On constate que le niveau du réservoir de réception (B) varie d'un minimum de 0 pied à un maximum de 50 pieds. Bien que le niveau minimal de ce réservoir puisse être de 0 pied, l'emplacement à 40 pieds du tuyau d'alimentation impose le niveau minimal d'élévation requis pour la pompe. En supposant que les deux réservoirs sont soumis à la pression atmosphérique, le tableau 1.2 présente les hauteurs statiques minimale et maximale du système requises par le procédé. Si le réservoir B était pressurisé, il faudrait alors en indiquer la pression et en tenir compte dans l'évaluation de la hauteur statique. Pour chaque débit de fonctionnement requis, on doit évaluer la chute de pression dans les équipements et la tuyauterie à travers laquelle passera le fluide transporté. Selon notre exemple, nous devons mesurer la chute de pression à travers le filtre pour chaque débit. Des équipements comme les filtres, les grilles et les échangeurs de chaleur créent des chutes de pression lors du passage du fluide. Des données sur les chutes de pression s'obtiennent à partir de mesures réelles ou des spécifications fournies par les fabricants des équipements. Les pertes par frottement dépendent des propriétés du fluide, du diamètre et de la longueur des tuyaux, du nombre de raccords comme les coudes et les manchons de réduction, de même que de l'âge de la tuyauterie. La meilleure façon de déterminer les pertes par frottement demeure la mesure de la pression réelle dans les tuyaux. On peut également évaluer les pertes par frottement lorsque les indications de la pression dans la tuyauterie ne sont pas disponibles ou que le système est encore à l'étape de la conception. Les logiciels servant à l'évaluation des pertes par frottement sont abordés à la section 12 de ce guide. Le tableau 1.3, basé sur l'exemple des deux réservoirs avec de l'eau en guise de fluide, présente des données sur la chute de pression des équipements et les pertes par frottement pour les débits de fonctionnement requis. Ce tableau démontre la pression nécessaire qui doit être fournie par la pompe afin de surmonter la résistance du système. Cette pression s'accroît à mesure que le débit de fonctionnement augmente. 3

16 La hauteur manométrique totale nécessaire au transfert du fluide dans le système est définie par la somme de la hauteur statique requise par le système, de la chute de pression de l'équipement et des pertes par frottement et aux étrangleurs (la chute de pression causée par le réglage des débits). Comme l'indique le tableau 1.4, la hauteur manométrique totale minimale peut varier selon les conditions de fonctionnement. Cela n'inclut pas les pertes causées par la vanne de régulation. On ne peut pas faire le choix d'une pompe sans incorporer les pertes de charge de la vanne de régulation. La figure 1.3 fournit une représentation graphique des variations de la hauteur manométrique totale minimale et du débit exigées par le procédé. Les chapitres qui suivent spécifient les éléments et la démarche pour optimiser la performance des systèmes de pompage et de leurs commandes. 4

17 1.2 Courbe du système Il est possible d'établir la courbe du système en déterminant la hauteur manométrique totale pour une gamme de débits. Comme l'indique la figure 1.4, la courbe du système illustre la relation entre le débit et la hauteur manométrique totale requise. La hauteur statique du système est définie par la hauteur manométrique totale, là où la courbe du système est au débit 0. À mesure que le débit s'accroît, une hauteur supplémentaire est requise afin de surmonter la résistance du système à l'écoulement. Cette résistance est généralement proportionnelle au carré du rapport des débits, sauf pour certains types de fluides (ex. : pâte à haute consistance). Les paramètres connus qui suivent déplaceront ou modifieront la courbe du système : la hauteur statique du système ; l'ouverture de la vanne de régulation. D'autres paramètres inconnus, comme l'encrassement, la rouille et l'usure des composantes du système viendront modifier la courbe du système. La figure 1.5 démontre comment une variation de la hauteur statique déplacera la courbe du système. La variation des niveaux de fonctionnement des réservoirs est un exemple de variation de la hauteur statique. Les résultats de la figure 1.3 sont inclus dans la figure 1.5 afin de démontrer les effets du niveau du réservoir sur la courbe du système. La variation de la pression de fonctionnement des équipements (ex. : réservoir sous pression ou filtre pressurisé) constitue un autre exemple qui déplacera la courbe du système. Effets de la hauteur statique sur la courbe du système La forme de la courbe du système peut changer en fonction du degré d'ouverture de la vanne de régulation, comme l'indique la figure 1.6. L'ouverture de la vanne peut ainsi avoir des effets sur le débit et la hauteur manométrique totale. 5

18 2.0 Revue de la théorie des pompes Les pompes fournissent l'énergie requise pour déplacer un liquide et vaincre la résistance de la tuyauterie, du procédé et des changements d'élévation. Les pompes sont généralement regroupées en 2 catégories : les pompes centrifuges et les pompes volumétriques. Dans ce guide, nous traiterons uniquement des pompes centrifuges, car ce sont les plus répandues et elles s'appliquent à des puissances supérieures. Elles représentent donc le potentiel d'économie d'énergie le plus élevé. 2. Courbe caractéristique des pompes La performance des pompes centrifuges à vitesse constante peut être illustrée directement sur une courbe caractéristique pour un diamètre d'impulseur donné. Les courbes caractéristiques indiquent la hauteur manométrique totale fournie par la pompe, sa puissance, son efficacité et son NPSHreq (net positive suction head : hauteur nette absolue à l'aspiration, définie à la section 2.3) à partir du débit nul jusqu'à la capacité maximale. La valeur de puissance BHP (brake horse power) indiquée sur la courbe de la pompe vaut pour l'eau. Cette valeur doit être multipliée par la densité relative du liquide utilisé. Les facteurs de correction doivent être appliqués pour l'évaluation du débit, la hauteur manométrique totale et l'efficacité lorsqu'il s'agit d'un fluide dont la viscosité est très différente de celle de l'eau. Ces facteurs de correction se trouvent dans les catalogues des fabricants. La figure 2.1 illustre les courbes caractéristiques d'une pompe centrifuge pour plusieurs diamètres d'impulseur. 6

19 2.2 Point de fonctionnement La figure 2.2 indique une courbe de pompe à vitesse constante pour un diamètre d'impulseur donné, ainsi que la courbe caractéristique d'un système (voir la section 1.2). Le point d'intersection de la courbe de la pompe et de la courbe du système correspond au point de fonctionnement (figure 2.2). La pompe fonctionne habituellement selon une gamme de débits variables et parfois même selon une gamme de hauteurs statiques variables. Pour satisfaire toutes ces conditions, on doit faire correspondre la courbe du système avec la courbe d'une pompe à vitesse constante en utilisant une vanne de régulation (figure 2.3). Les points correspondant à chaque fonctionnement particulier définissent un champ de fonctionnement sur la courbe de la pompe. Les points de fonctionnement idéaux tiennent compte de facteurs comme l'efficacité et le NPSHreq. 2.3 NPSH -Hauteur nette absolue à l'aspiration Plusieurs paramètres doivent être vérifiés pour assurer une bonne performance des pompes centrifuges. L'un de ces paramètres est la hauteur nette absolue à l'aspiration (NPSH) du liquide à l'impulseur. Deux valeurs de NPSH doivent être considérées : la hauteur nette à l'aspiration requise (NPSHreq) et la hauteur nette à l'aspiration disponible (NPSHdisp). Le NPSHreq est déterminé par le fabricant de la pompe. Cette valeur dépend de plusieurs facteurs comme la géométrie de l'impulseur, le débit de la pompe, la vitesse de rotation, la nature du liquide, etc. On définit ensuite le NPSHdisp selon l'équation suivante : NPSH disp = ha - hvap ± hst - hfs ha : pression absolue à la surface du liquide au point d'alimentation de la pompe (pi de liquide) hvap : pression de vapeur absolue du liquide à la température de pompage (pi) hst : différence de hauteur du liquide à l'alimentation par rapport au centre de la pompe hfs : pertes de charge par frottement dans le tuyau d'aspiration (pi) Pour obtenir un bon fonctionnement d'une pompe centrifuge, il faut que la valeur du NPSHdisp soit supérieure à celle du NPSHreq afin d'empêcher la cavitation. 7

20 2.4 Vitesse spécifique Les pompes centrifuges sont conçues en fonction de la vitesse spécifique. La vitesse spécifique (Ns) est un nombre adimensionnel qui est utilisé pour classifier les impulseurs de pompe selon leur type et leur taille. Ce nombre est défini comme étant la vitesse (en tr/min) à laquelle un impulseur de géométrie similaire fonctionnerait s'il était conçu pour fournir un gallon par minute avec une hauteur manométrique totale de un pied. Mathématiquement, la vitesse spécifique est établie selon l'équation suivante Il est d'usage d'indiquer le système d'unités (ex. : Ns(us) pour le débit en gpm (US) et la hauteur en pieds). La vitesse spécifique est calculée au meilleur point d'efficacité, avec un diamètre maximal d'impulseur. La figure 2.4 représente la géométrie de différents impulseurs ainsi que leur courbe caractéristique en fonction de la vitesse spécifique. 8

21 2.5 Fonctionnement en série et en parallèle Un système peut être alimenté par plusieurs pompes. Elles peuvent être installées en série ou en parallèle de façon à augmenter respectivement la pression ou le débit. Ainsi, pour deux ou plusieurs pompes en série, on obtient la caractéristique de l'ensemble des pompes en additionnant, à débit constant, les hauteurs manométriques totales de chaque pompe. Pour deux ou plusieurs pompes en parallèle, on obtient la caractéristique de l'ensemble des pompes en additionnant, pour une hauteur manométrique totale donnée, les débits fournis par chaque pompe. La caractéristique du système inclut les pertes de charge dans une des conduites individuelles, à condition que les pertes dans ces conduites soient égales. Pour des pompes différentes, la caractéristique individuelle est modifiée pour limiter les pertes de charge dans les conduites correspondantes. 2.6 Lois de similitude Les relations entre la hauteur manométrique totale (H), le débit (Q), la puissance (P), la vitesse (N), la densité relative (Sg) et le diamètre de l'impulseur (D) suivent des règles bien définies, connues sous le nom de lois de similitude. Ces relations ont d'abord été obtenues expérimentalement, mais elles possèdent un fondement théorique. Ces lois stipulent que Les indices 1 et 2 représentent respectivement les conditions de fonctionnement existantes et les nouvelles conditions. À vitesse variable, le calcul vise à déterminer la puissance requise pour atteindre les divers points de fonctionnement du système en utilisant la vitesse comme variable de contrôle. La figure 2.5 montre les diminutions de vitesse qui entraînent une baisse graduelle de la courbe de la pompe. Si une hauteur statique initiale existe dans le système, il n'est pas facile de déterminer la réduction de la vitesse ; pour y parvenir, il faut recourir à la notion de courbe de similitude. Les lois de similitude établissent la relation fonctionnelle entre les variables comme la vitesse, le débit, la pression, la puissance, la densité relative et le diamètre de l'impulseur. Les représentations graphiques de ces relations fonctionnelles s'appellent les courbes de similitude. Pour les relations pression-débit ou pression-vitesse, les courbes sont paraboliques et leur sommet est situé à l'origine. 9

22 La figure 2.6 illustre une série de courbes de similitude superposées sur une courbe type pression-débit d'une pompe. Lorsqu'il n'y a pas de hauteur statique, la courbe du système est une courbe de similitude passant par le point de conception. Il est donc facile de déterminer la puissance à vitesse réduite. Le nouveau point de fonctionnement désiré se trouve à l'intersection de la courbe de similitude (ou la courbe du système) et la courbe de la pompe à vitesse réduite. En présence de pression statique, la courbe du système ne correspond plus aux courbes de similitude et il devient alors plus complexe de déterminer les variables de vitesse réduite. Pour ce genre de système, lorsqu'on détermine la puissance à vitesse réduite, cela entraîne une surévaluation de la réduction de vitesse et de puissance et, de là, une surévaluation des économies d'énergie électrique possibles. La figure 2.7 indique que pour le même débit, le point de fonctionnement de la fausse courbe de la pompe à vitesse réduite donne une hauteur de pression moins importante que le point réel de fonctionnement à vitesse réduite. Étant donné que la puissance est directement proportionnelle à la hauteur manométrique totale, l'erreur se reflète aussi dans le calcul de la puissance. Cependant, si la hauteur statique est inférieure à 5 % de la hauteur manométrique totale, l'utilisation de la courbe de similitude peut être acceptable quant à la précision. 10

23 Comme l'indique la figure 2.8, la courbe de similitude qui croise la courbe du système au point de fonctionnement désiré se prolonge pour finalement rencontrer la courbe de la pompe à vitesse constante. Lorsqu'il y a réduction de la vitesse, l'intersection de la courbe de similitude et de la courbe de la pompe longe la courbe de similitude à mesure que la courbe de la pompe s'abaisse. Avec une réduction de vitesse appropriée, l'intersection devrait coïncider avec le point de fonctionnement voulu. Le débit Qi, à l'intersection de la courbe de similitude et de la courbe de la pompe à vitesse constante, peut être déterminé de façon graphique. Le débit Q2, se trouve au point de fonctionnement à la vitesse réduite désirée. La puissance P1, qui correspond à Q1, peut être déterminée graphiquement à partir de la courbe de puissance. Ensuite, la puissance désirée, P2, est calculée selon l'équation suivante: Pour trouver la constante c, on résout l'équation en y introduisant les valeurs de la hauteur manométrique totale et du débit correspondant au point de fonctionnement à la vitesse variable désirée. Dans les équations de calcul, la puissance à vitesse réduite P2 est calculée directement à partir des valeurs de la pression et du débit ou à partir des lois de similitude. 11

24 3.0 Calcul des mesures d'économie d'énergie électrique 3.1 Calcul des économies d'énergie électrique Le calcul des économies d'énergie électrique réalisables dans un système de pompage doit être effectué en évaluant la consommation d'énergie avant et après l'implantation d'une mesure d'économie d'énergie électrique (MEEE). L'équation de base suivante sert à évaluer la puissance requise à l'arbre de la pompe il est important de noter que pour les pompes servant à transporter des fluides visqueux, le débit, la hauteur manométrique totale et l'efficacité doivent être corrigés pour évaluer approximativement la puissance BHP. Par la suite, on évalue la puissance requise du moteur à l'aide de l'équation suivante Enfin, la consommation d'énergie est obtenue en multipliant la puissance par le nombre d'heures de fonctionnement Consommation d'énergie : kw x h = kwh (3-3) Le calcul des économies d'énergie électrique entre les deux hypothèses est donc Économies d'énergie : (kw - kw') x h = kwh/an (3-4) kw : puissance consommée (avant MEEE) kw' : puissance consommée (après MEEE) h : nombre d'heures de fonctionnement dans une année 12

25 Lorsqu'il existe plusieurs points de fonctionnement, on doit calculer l'énergie consommée pour chacun d'eux avant et après les modifications. Économies d'énergie électrique totales (kw1 - kw' 1) x h1 + (kw2 - kw'z) x h2= kwh économisés (3-5) h1 : nombre d'heures de fonctionnement au point de fonctionnement 1 h2 : nombre d'heures de fonctionnement au point de fonctionnement 2 Ces équations nous permettent de déduire que la réduction de la consommation d'énergie électrique d'une pompe est réalisable en proposant une ou plusieurs des modifications suivantes réduire le débit requis (Q); réduire la hauteur manométrique totale requise (H); réduire le temps de fonctionnement (h); augmenter l'efficacité de la pompe (Ep); augmenter l'efficacité du moteur (Em); réduire la densité relative (Sg). Cependant, plusieurs de ces paramètres sont directement reliés au système, tels le débit (Q), la hauteur manométrique totale (H) et le temps de fonctionnement (h). C'est pourquoi les possibilités d'économie d'énergie électrique sont réalisables en examinant non seulement la pompe, mais également le système dans son ensemble. il faut retenir deux aspects importants en relation avec les paramètres précédents les paramètres ont un effet les uns par rapport aux autres. Par exemple, une modification du débit influencera habituellement la valeur des autres paramètres, comme l'efficacité et la hauteur manométrique totale requises (H) ; en calculant les économies d'énergie électrique pour plusieurs AEEE, l'énergie totale économisée ne sera pas nécessairement la somme des économies calculées individuellement, puisque certaines MEEE influenceront les paramètres. Par conséquent, il est important d'évaluer le gain net en comparant les différentes hypothèses par rapport à l'état actuel compte tenu de l'influence des différents paramètres. 13

26 14 D'autres équations permettent d'évaluer certains paramètres nécessaires aux calculs précédents. Ces équations sont

27 3.2 Sommaire des mesures d'économie d'énergie électrique Le tableau 3.1 qui suit résume toutes les mesures d'économie d'énergie électrique (MEEE) expliquées dans ce guide. Les valeurs dont il fait état doivent être analysées en tenant compte des exemples d'où elles sont tirées (se référer à la section donnée). Dans certains cas, divers facteurs peuvent influencer les résultats obtenus, par exemple le matériau utilisé (pompes, tuyauterie, etc.) ; la présence ou non d'une pompe de réserve (stand-by pump) à modifier ; la dimension de la pompe et de la tuyauterie ; l'ordre de grandeur de la hauteur manométrique totale, du débit et de la puissance ; l'installation existante ou nouvelle (conversion ou conception). 15

28 4.0 Modulation de la vitesse 4.1 Généralités Une pompe à vitesse constante a habituellement une hauteur manométrique totale plus importante que celle requise par le procédé et à des conditions autres que le point de conception de la pompe. L'exploitation d'une pompe à vitesse variable peut permettre des économies d'énergie électrique en répondant aux exigences réelles du procédé, comme l'indique la courbe du système à la figure 4.1. Le débit est transmis à la hauteur manométrique totale requise par le procédé lorsque la vitesse de la pompe est réglée par un entraînement à vitesse variable (EVV). Pour bien comprendre le fonctionnement d'un entraînement à vitesse variable, il faut bien saisir que le point de fonctionnement se déplace alors sur la courbe du système et non plus sur la courbe de la pompe à vitesse constante. Ainsi, les économies réalisées dépendent de la différence de hauteur entre la courbe de la pompe à vitesse constante et la hauteur requise par le système à chaque débit donné, comme l'indique la figure 4.1. Lorsqu'une pompe fonctionne avec une grande variation de débit ou de hauteur statique, la modulation de la vitesse peut être une mesure intéressante pour optimiser le rendement. Les deux graphiques présentés à la figure 4.2 démontrent des profils de charge irréguliers et réguliers d'une pompe. Un profil irrégulier offre un plus grand potentiel d'économie d'énergie qu'un profil régulier. Les modèles d'entraînements à vitesse variable offerts sont présentés dans le Guide technique - Entraînements à vitesse variable. 16

29 4.2 Calcul des économies d'énergie électrique Les économies d'énergie électrique d'un système de pompage muni d'un entraînement à vitesse variable sont établies grâce aux formules de calcul décrites à la section 3.1, y compris les méthodes suivantes la puissance requise à l'arbre de la pompe (BHP) est établie en utilisant la formule 3-1, soit à l'aide de la courbe de la pompe à vitesse variable indiquée par le fabricant ou des lois de similitude décrites à la section 2.6 ; la puissance requise par le moteur (Pm) (kw) est évaluée en utilisant la formule 3-2 de la section 3.1; la puissance requise par l'ew (kw) est calculée au moyen de la formule : La vitesse de fonctionnement est déterminée soit par la courbe de la pompe à vitesse variable ou par les lois de similitude. À l'aide des formules de calcul 3-3 à 3-5 du chapitre 3.0, on peut déterminer les économies d'énergie électrique totales. 4.3 Mesures d'économie d'énergie électrique avec modulation de la vitesse Installation d'un entraînement à vitesse variable L'utilisation de la pompe à vitesse variable par rapport à l'utilisation de la pompe à vitesse constante peut offrir des économies d'énergie électrique substantielles quand il y a une grande variation des débits ou des pressions nécessaires au procédé. 17

30 Les pompes sont conçues de façon à satisfaire aux conditions de fonctionnement normales et extrêmes, et à fournir les débits et la hauteur manométrique totale exigés par le procédé. Comme l'indique la figure 4.3, l'impulseur de la pompe à vitesse constante est dimensionné afin de satisfaire à la condition extrême qui définit la courbe spécifique de la pompe. Un entraînement à vitesse variable offre un degré supplémentaire de liberté pour optimiser le fonctionnement réel de la pompe. Lorsque le procédé requiert un débit moins important, la pompe à vitesse constante fournira ce débit à une hauteur manométrique totale telle qu'elle est dictée par la courbe de la pompe. De plus, le procédé exigera une hauteur moins grande grâce à la réduction des pertes de charge dans la tuyauterie, occasionnées par le faible débit. Une vanne de régulation doit être ajustée afin de fournir un débit faible et éliminer tout excédent de pression produit par la pompe. Cette chute de pression supplémentaire provoquée par la vanne de régulation constitue une perte d'énergie. La vitesse de la pompe peut être réglée à un débit de procédé réduit afin de s'harmoniser avec la courbe du système, comme l'indique la figure 4.4. Si la pompe alimente un seul point, la vitesse de la pompe pourra alors être ajustée à l'aide d'un régulateur et la vanne de régulation pourra être éliminée. Lorsque plus d'un point est alimenté par la pompe, chacun de ces points requiert une vanne de régulation ou un robinet pour ajuster le débit. Toutefois, on peut maintenir constante la chute de pression dans les vannes de régulation en réglant la vitesse de la pompe. En état de fonctionnement normal, la hauteur statique requise par le système est habituellement moins importante qu'au point de conception de la pompe. Cela s'applique notamment dans le cas des pompes raccordées aux réservoirs. Dans le cas d'une pompe à vitesse constante, la hauteur supplémentaire doit être perdue dans une vanne de régulation, comme l'indique la figure 4.3. Dans le cas d'une pompe à vitesse variable, la vitesse de la pompe peut être réduite, comme le démontre la figure 4.4. La pompe à vitesse variable profite de la hauteur statique supplémentaire grâce au niveau du réservoir d'approvisionnement avec, comme résultante, une consommation d'énergie réduite. 18

31 Si la pompe alimente un seul point du procédé, une vanne de régulation n'est pas nécessaire. La vitesse de la pompe est réglée afin de fournir une régulation équivalente à celle de la vanne de régulation. Dans le cas d'un système existant, la vanne peut être ouverte à 100 %, minimisant ainsi sa chute de pression. Des économies encore plus grandes sont possibles en éliminant la vanne de régulation à l'étape de la conception. L'élimination de la vanne de régulation dès le début permettra non seulement une économie au chapitre des immobilisations, mais éliminera les chutes de pression associées au fonctionnement des vannes et la consommation d'énergie correspondante. L'utilisation de la pompe à vitesse variable peut également augmenter l'efficacité de fonctionnement du système de pompage. La présence d'un impulseur de dimension maximale plus efficace est la raison principale de cette économie d'énergie. Il est possible d'établir des limites de vitesse afin de protéger la pompe si le moteur est choisi en fonction des conditions de fonctionnement et non de la capacité maximale de pompage (vitesse). On a habituellement recours à la recirculation lors du fonctionnement d'une pompe à vitesse constante et ce, pour les raisons suivantes le procédé requiert une pression constante pour tous les débits ; le procédé requiert une protection minimale de débit pour la pompe. Une pression constante pour tous les débits fera en sorte que la pompe fonctionnera à son point de conception et que la consommation d'énergie demeurera constante indépendamment des débits requis par le procédé. Des économies d'énergie électrique sont réalisables en utilisant la vitesse de la pompe pour régler la pression de la pompe au refoulement. Une élimination importante du débit de recirculation engendrera également des économies d'énergie. 19

32 Exemple 4.1 : Pompe à vitesse variable fonctionnant à quatre débits Une pompe existante entraînée par un moteur de 200 HP, d'une vitesse de 1200 tr/min, est utilisée pour alimenter deux points, comme l'indique la figure 4.5. Des vannes de régulation sont installées pour régler le débit à chaque point. L'installation d'un entraînement à fréquence variable (EFV) et d'un régulateur de pression, pour maintenir une pression constante à la vanne supérieure, peut s'avérer un moyen efficace pour optimiser le rendement du système. Les tableaux 4.1 et 4.2 illustrent la situation avant et après le recours à une MEEE. Les figures 4.6 et 4.7 fournissent les données de fonctionnement dans ces deux situations. Économies annuelles en énergie kwh/an kwh/an = kwh/an 20

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36 Exemple 4.2 : Pompe à vitesse variable comportant d'autres avantages Une pompe existante entraînée par un moteur de 150 HP, d'une vitesse de 1200 tr/min, est utilisée pour approvisionner un seul point, comme l'indique la figure 4.8. Une vanne de régulation sert à régler le niveau dans le réservoir. L'utilisation d'un EFV est un moyen efficace pour régler le niveau du réservoir. Les tableaux 4.3 et 4.4 présentent les conditions antérieures et nouvelles des systèmes. La figure 4.9 illustre le fonctionnement de la pompe à vitesse variable. Cet exemple démontre qu'une pompe à vitesse variable utilisant un EFV produira des économies d'énergie électrique grâce à une hauteur statique réduite au cours du fonctionnement réel (avec un niveau de réservoir de cinq pieds au-dessus du point de conception) ; une chute de pression minimale dans la vanne de régulation existante, ouverte à 100 %, puisque la vitesse de la pompe est réglée pour contrôler le débit ; une amélioration de l'efficacité de fonctionnement de la pompe en raison de l'augmentation du diamètre de l'impulseur. Économies annuelles en énergie: kwh/an kwh/an = kwh/an 24

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38 Indices qui favorisent l'utilisation d'un EVV Les bruits et les vibrations dans la vanne de régulation peuvent indiquer une perte d'énergie. Les réservoirs d'une hauteur importante qui fonctionnent à des niveaux élevés. Avantages de l'utilisation d'un EVV fournit seulement l'énergie requise par le procédé ; offre la possibilité de faire appel à la force motrice totale lors du fonctionnement ; prolonge la vie de la pompe grâce à la période de fonctionnement à vitesses réduites; augmente l'efficacité de fonctionnement du système de pompage grâce à l'utilisation d'un impulseur de dimension maximale ; élimine la nécessité de moduler les vannes de régulation ou réduit leurs frais d'entretien ; réduit le bruit et les vibrations dans les vannes et la tuyauterie ; offre un démarrage progressif de la pompe (soft start) ; fournit une période de recouvrement rapide basée sur l'élimination de certains coûts pour les nouvelles installations ou les installations nécessitant des modifications ; peut améliorer le facteur de puissance. 26

39 Inconvénients de l'utilisation d'une pompe à vitesse variable augmente le prix d'achat d'un entraînement à vitesse variable ; exige de l'espace pour l'entraînement à vitesse variable ; engendre une perte par l'entraînement à vitesse variable ; crée des harmoniques électriques (brouillage fréquence-radio) dans le cas d'une conception inappropriée (voir le Guide technique - Entraînements à vitesse variable) ; nécessite des services d'entretien. Remarques Si la variation du débit est étendue, la pompe à vitesse variable peut nécessiter une protection de vitesse minimale uniquement à un très faible débit du procédé et à la hauteur manométrique totale minimale correspondante. Cette protection peut être acquise au cours d'un fonctionnement à bas débit en exécutant une recirculation du débit ou en fixant une vitesse minimale et en fonctionnant à un niveau plus élevé de pression au refoulement Installation d'un moteur à vitesses multiples Le moteur à vitesses multiples d'une pompe peut réduire la consommation d'énergie électrique lorsque le procédé requiert seulement quelques points de fonctionnement spécifiques. La vitesse du moteur peut être modifiée selon les exigences du procédé. On doit conserver la vanne de régulation et moduler à partir de quelques points spécifiques. Un moteur à double enroulement spécial peut être réglé à deux, trois ou quatre vitesses. Avantages de la pompe à moteur à vitesses multiples : immobilisations moindres que pour un entraînement à vitesse variable ; élimination des pertes et de l'entretien d'un entraînement à vitesse variable. Inconvénients de la pompe à moteur à vitesses multiples les vitesses de fonctionnement sont limitées à des valeurs spécifiques et restreignent donc la flexibilité de l'exploitation ; la possibilité de devoir entreposer un moteur à vitesses multiples de réserve ; l'achat et l'installation d'un démarreur spécial ; la nécessité de recourir à un câblage plus volumineux (un câble de puissance pour chaque vitesse). 27

40 4.3.3 Installation des entraînements à vitesse variable pour des pompes en parallèle Les systèmes munis de plusieurs pompes fonctionnant en parallèle peuvent permettre des économies d'énergie importantes en faisant appel à des entraînements à vitesse variable. On doit comparer l'utilisation d'entraînements à vitesse variable avec l'utilisation optimale des pompes en parallèle à vitesse constante. Un système de pompage servant à l'approvisionnement en eau potable est un bon exemple de l'utilisation des EVV. Ce type de système est habituellement muni d'une ou de plusieurs pompes, de même que d'une pompe de réserve. Une seule pompe à vitesse variable peut être utilisée afin de régler la pression combinée au refoulement. Cela permettra aux pompes à vitesse constante de fonctionner à un point fixe. De multiples pompes à vitesses variables peuvent fournir des économies d'énergie supplémentaires pour le fonctionnement de pompes parallèles. Avantages de l'exploitation de pompes à vitesse variable l'efficacité de fonctionnement du système peut être optimisée afin de minimiser la consommation d'énergie ; le fonctionnement demeure inchangé même en faisant appel à la pompe de réserve ; l'utilisation des pompes à des vitesses réduites entraîne une réduction de leur entretien. Inconvénients de l'utilisation de pompes à vitesse variable : une protection des pompes est nécessaire afin d'éviter un fonctionnement à vitesse minimale ou maximale ; la conception des systèmes de régulation doit assurer qu'un fonctionnement instable ne puisse survenir ; frais d'immobilisations plus élevés. Remarques Les éléments suivants doivent être étudiés pour l'utilisation de pompes à vitesse constante et variable munies d'un orifice récepteur au refoulement une protection minimale de la vitesse afin que la pompe à vitesse variable ne puisse fonctionner à un débit nul ; une protection maximale de la vitesse afin d'éviter que la pompe à vitesse variable ne s'emballe et entraîne son déclenchement ; des modes de fonctionnement variés auxquels il faut recourir lorsqu'une pompe de réserve à vitesse constante est utilisée au lieu d'une pompe à vitesse variable ; la nécessité de concevoir des régulateurs de vitesse afin d'éviter un fonctionnement instable lorsque plus d'une pompe à vitesse variable est mise en marche ; des économies d'énergie électrique acquises grâce à l'utilisation maximale de la pompe à vitesse variable. 28

41 5.0 Réduction du diamètre de l'impulseur de la pompe 5.1 Généralités Chacune des mesures d'économie d'énergie électrique (MEEE) de ce chapitre doit être considérée comme une étape préliminaire qui va permettre de réduire le diamètre de l'impulseur de la pompe et de réduire ainsi l'énergie d'entraînement (BHP) consommée par le moteur. Ces mesures d'économie d'énergie électrique (MEEE) requièrent un investissement minime pouvant engendrer des économies d'énergie importantes, ce qui permet en général une période de recouvrement très courte, souvent inférieure à un an. La figure 5.1 illustre comment des modifications, visant à réduire la perte de pression dans le système, permettent d'économiser de l'énergie pour le pompage (ex. : redimensionner la vanne de régulation). La figure 5.2 illustre les effets des modifications du système visant à réduire la consommation de débit sur les économies d'énergie (ex. : réduire la recirculation continue). Plusieurs pompes installées sont surdimensionnés en raison du facteur de sécurité élevé, alors que, dans bien des cas, une marge de sécurité minimale sur les conditions maximales suffirait. Ainsi, des économies d'énergie de 10 à 20 % pourraient être réalisées, uniquement en réduisant le diamètre de l'impulseur de ces pompes (1) Les causes fréquentes du surdimensionnement sont les pertes de charge élevées à travers les vannes de régulation, la tuyauterie, les filtres, les robinets partiellement ouverts et les pertes engendrées par les boucles de recirculation inutiles. On peut citer également le manque de connaissance des débits requis par le procédé et une attitude trop conservatrice dans l'exploitation des équipements (pressions, débits). Enfin, on a tendance à surdimensionner l'impulseur de la pompe pour éventuellement compenser les pertes de pression causées par la corrosion de la tuyauterie ou par l'encrassement des équipements, ou encore pour des augmentations futures de la capacité du procédé. Dans certains cas, ces conditions ne se produiront qu'après plusieurs années de fonctionnement. La pompe fonctionne alors à des conditions dépassant les besoins, et ce, avec des pertes inutiles pendant plusieurs années. (1) KOVACKO, R., Optimum Pump Operation Can Cut Energy Costs in your Mill, Pulp and Paper Canada, No. 86:4, April

42 5.2 Calcul des économies d'énergie électrique Les pertes de pression élevées à travers certaines composantes du procédé constituent des limites physiques entraînant une augmentation de la hauteur manométrique totale requise par la pompe. Voici les composantes énergivores que l'on rencontre souvent vannes de régulation mal dimensionnées ; filtres ou échangeurs partiellement bloqués ; tuyauterie de diamètre insuffisant ; robinets partiellement ouverts ; débitmètre à forte restriction (ex. : plaque orifice). En choisissant des composantes à faibles pertes de charge, on réduit la perte de pression dans le système, ce qui permet de réduire le diamètre de l'impulseur de la pompe pour obtenir le même débit avec une réduction de l'énergie servant au pompage. Les formules de calcul des économies d'énergie électrique sont présentées au chapitre Mesures d'économie d'énergie électrique Redimensionnement des vannes de régulation Cette mesure d'économie d'énergie électrique (MEEE) consiste à réduire la chute de pression à travers les vannes de régulation. Dans certains cas, cette perte est associée à un ou plusieurs des facteurs suivants vannes trop petites ; vannes trop fermées ; type inapproprié de vannes. Dans l'industrie, on a tendance à dimensionner les vannes de régulation à une ouverture de 50 % (débit moyen) et de 70 % (débit maximal). Or, dans plusieurs cas, des ouvertures supérieures permettront de réduire la perte de charge. La perte de précision associée à ces modifications peut souvent être absorbée par le procédé. Exemple 5.1 : Augmentation du diamètre de la vanne de régulation Un système de pompage muni d'un moteur de 75 HP alimente un réservoir à travers une vanne de régulation de 4 pouces de diamètre, comme l'indique la figure 5.3. On constate que la vanne fonctionne à une ouverture de 54 % durant h/an et à un maximum de 78 % durant h/an. On propose de la remplacer par une vanne de régulation de 6 pouces. La perte de précision est considérée comme acceptable quant au procédé. 30