Contribution a l’amélioration de l’efficacité énergétique des pompes centrifuges

ELEMENT D’UN SYSTEME MOTEUR

Chaque installation possède un certain nombre de systèmes, comme les systèmes de pompage, de ventilation, de chauffage et de réfrigération, ainsi que les systèmes de chaudière à combustion et les systèmes à air comprimé.
Les éléments communs à tous les systèmes sont l’énergie consommée, le matériel de conversion d’énergie, les mécanismes de contrôle et une production de qualité satisfaisant aux exigences en matière de procédé.
L’approche proposée permet d’adapter avec précision et efficacité le rendement du système aux exigences du procédé industriel.
Le présent travail est axé sur un système énergivore. Ce système comporte des pompes centrifuges qui répondent aux exigences particulières en matière de productivité et se révèle nécessaire pour la maintenir à un niveau élevé.

SEPT ETAPE VERS L’EFFICACITE DES SYSTEMES MOTEURS

Identification du problème ou de l’objectif : L’équipe doit consulter les opérateurs de machine au début du projet pour gagner leur appui. Les taches à exécuter comprennent l’étude de la documentation sur le système visé et la définition des objectifs, soit l’économie d’énergie ou l’amélioration du procédé. Déterminez si les problème éprouvé sont continus ou non, leur début, les changement survenus dans la production de l’usine ou son fonctionnement, et autres.
Rassemblement d’information : Faite un diagramme linéaire montrant tout les composants et les charges qui sollicitent la capacité du système. Décrivez le système en indiquant le type de moteur qu’il comporte, son fonctionnement, ses dispositifs de commande et l’information sur les plaques. Une inspection permettra de déterminer si les composants fonctionnent bien et s’ils son utilisés. Evaluation de l’exploitation du système : Préparer un plan définissant les évaluations à faire et les conditions dans lesquelles elles seront effectuées. Evaluez les exigences en matière de besoins opérationnels par rapport aux références. Comparez les données obtenues avec l’information sur la conception.
Elaboration d’options techniques : Elaborez les solutions de rechange, calculez les économies, estimez les coûts de mise en œuvre et évaluer leur faisabilité sur les plans financiers et fonctionnels. Déterminez les moyens techniques pour augmenter l’efficacité du système satisfaire les besoins de la production. Evaluation des propositions : Evaluez les options, leurs avantages pour les systèmes, les possibilités d’amélioration et les recommandations. Au besoin, faites appel aux services d’entrepreneurs, de fournisseurs ou de consultants.
Mise en œuvre du projet : Apportez les changements nécessaires et installez les équipements Une fois le projet mis en œuvre, évaluez les économies réalisées grâce aux mesures appliquées et comparez-les aux économies prévues.
Communication : Communiquez les activités et les progrès à la direction et au personnel de l’usine. Ceux-ci vous appuieront davantage lors d’initiatives futures.

FACTEUR INFLUANT SUR LA CONSOMMATION D’ENERGIE DES SYSTEMES MOTEURS

Les moteurs produisent un effet de couple qui fait tourner les pompes à une vitesse donnée. Selon une règle simple, le débit est proportionnel à la vitesse de rotation du moteur et la puissance peut s’élever jusqu’au cube de la vitesse.
La courbe de résistance du système (CRS) est utilisée pour déterminer comment les changement du débit influent sur la pression ; on l’obtient on mesurant et en déterminant la pression ou la hauteur en fonction de différents débits du système.
La courbe peut être superposées aux courbes de pression, de débit, de consommation d’énergie et de rendement d’une pompe. Ces courbes peuvent être obtenues auprès des fabricants de pompes. Les courbes des systèmes différent selon leur conception, et chaque CRS est unique. Déterminez le type de système que vous posséder au début de l’évaluation.
La zone de fonctionnement se situe à l’intersection de la courbe de rendement de la pompe et de la courbe de résistance du système.
Ce point d’intersection détermine le débit en volume d’un bout à l’autre du système. La zone de fonctionnement peut changer on raison :
D’une variation du rendement de la pompe – rotor ou boîtier usé, changement de la vitesse de rotation ; D’un changement de résistance de système – prolongement des conduites, corrosion, trou, accumulation de déchet dans les conduites ; De variation de la résistance de système ou de la pompe.

SYSTEMES DE POMPAGE

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. Une simple esquisse ou un diagramme de la tuyauterie et de l’instrumentation 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.

POSSIBILITES D’AMELIORATION DES SYSTEMES DE POMPAGE

Un système qui fonctionne n’est pas nécessairement éconergétique. Il faut comprendre le fonctionnement des pompes pour concevoir un système moteur éconergétique.
Les pompes déploient la force motrice nécessaire pour l’élévation de liquides et leur acheminement contre la résistance d’un réseau de tuyaux, ou pour vaincre les dénivellations. Ils font appel à un élément commun : le moteur électrique et son entraînement.
Le système de pompes ne peut être éconergétique que si le moteur, l’entraînement et la charge sont considérés comme une seule entité et que ses composants sont optimisés. On dit que les économies d’énergie découlant de l’amélioration d’installations, notamment en ce qui a trait au type de moteur et d’entraînement, à la puissance et à l’élimination ou à la réduction des charges non nécessaires ainsi qu’à la réduction des périodes de marche au ralenti, peuvent représenter la moitié des économies liées au moteur et à l’entraînement.
Le remplacement des moteurs désuets ou grillés par des unités à haut rendement devrait devenir la norme. On procédera certainement à une évaluation financière dans chaque situation. En règle générale, si les moteurs consomment plus de la moitié de l’énergie électrique dans une installation, une modernisation reposant sur l’installation de moteurs éconergétiques est probablement justifiée sur le plan financier. Les moteurs électriques à haut rendement présentent différents avantages : économie d’énergie et, par le fait même, d’argent; contribution à la réduction de la consommation d’énergie primaire (et donc à la réduction des émissions de gaz à effet de serre); diminution de la production de chaleur interne; fonctionnement silencieux et produisant moins de chaleur; durée de vie utile supérieure, grâce à leur fiabilité; réduction des interruptions du procédé; réduction des besoins en entretien (p. ex., le remplacement des coussinets). Les variateurs de vitesse sont relativement nouveaux dans le domaine de l’électronique des commandes. Ils font office d’inverseurs de fréquence et peuvent régler, avec une très grande flexibilité, la vitesse d’un moteur en fonction de la charge liée au procédé. Ces variateurs sont utilisés pour améliorer l’interaction entre le procédé ou l’équipement, et le système d’entraînement. Outre la réduction de la consommation d’énergie, les variateurs de vitesse peuvent offrir d’autres avantages : plus large éventail au chapitre de la vitesse, du couple et de la puissance; améliorations au débit du procédé et aux caractéristiques des commandes; réduction du délai de réponse; possibilité de remplacer les systèmes de pompage axés sur la régulation de l’étranglement ; réduction de la maintenance et du temps d’arrêt ; prolongation de la durée de vie de l’équipement (p. ex., réduction de l’usure des pompes).

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : EFFICACITE DES SYSTEMES MOTEURS
Introduction
I.1 – DEFINITION D’UN SYSTEME MOTEUR
I.2 – ELEMENT D’UN SYSTEME MOTEUR
I.3 – CONSEDERATION ECONOMIQUE
I.4 – SEPT ETAPE VERS LEFFICACITE DES SYSTEMES MOTEURS
CONCLUSION
Chapitre II : POINTS FONDAMENTAUX DU SYSTEME MOTEUR
Introduction
II.1 – FACTEUR INFLUANT SUR LA CONSOMMATION D’ENERGIE DES
SYSTEMES MOTEURS
II.2 – GENERALITE SUR LES TURBOMACHINES
II.2.1 – Classification des pompes roto-dynamiques
II.2.2 – Vitesse spécifique
II.2.3 – Dimensionnement et analyse des performances des pompes
II.2.4 – Ecoulements internes dans les pompes
II.2.4.1 – Introduction
II.2.4.2 – Equations de base
II.2.4.2.1 – Equations de l’écoulement incompressible
II.2.4.2.2 – Equations dans le repère relatif. Repère d’étude des pompes centrifuges
II.2.4.3 – Equation d’Euler pour les pompes
II.2.4.3.1 – Définitions générales
II.3 – SYSTEMES DE POMPAGE
II.3.1 – Généralités
II.3.2 – Courbe du système
II.3.2.1 – Effets de la hauteur statique sur la courbe du système
II.4 – LA THEORIE DES POMPES
II.4.1 – Courbe caractéristique des pompes et durée de travail
II.4.2 – Point de fonctionnement
II.4.3 – N P S H – Hauteur nette absolue à l’aspiration
II.4.4 – Principe d’affinité pour les pompes centrifuges (Lois de similitude)
II.5 – SYSTEMES D’ENTRAINEMENT DE MACHINES ELECTRIQUES
II.5.1 – Introduction
II.5.2 – Structure d’un entraînement électrique
II.5.2.1 – Moteurs des entraînements électriques
II.5.2.2 – Convertisseurs statiques
II.5.2.3 – Système de commande
CONCLUSION
Chapitre III : DETERMINATION DU SYSTEME
Introduction
III.1 – COMPLEMENTATION DES RENSEIGNEMENTS ET DES DONNEES
III.2 – POSSIBILITES D’AMELIORATION DES SYSTEMES DE POMPE
III.3 – CONCEPTION DU SYSTEME
III.3.1 – Introduction
III.3.2 – Choix du moteur
III.3.3 – Choix du convertisseur statique de puissance
III.3.4 – Choix du système de commande
III.4 – TECHNIQUE DE GESTION
III.4.1 – Modulation de la vitesse
III.4.1.1 – Généralités
III.4.1.2 – Installation d’un entraînement à vitesse variable
CONCLUSION
Chapitre IV : MODELISATION ET SIMULATION DU SYSTEME
Introduction
IV.1 – LE MOTEUR ASYNCHRONE
IV.1.1 – MODELISATION DU MOTEUR ASYNCHRONE A CAGE
IV.1.1.1 – Equations électriques
IV.1.1.2 – Equations magnétiques
IV.1.1.3 – Equation mécanique
IV.1.2 – TRANSFORMATION DE PARK APPLIQUEE SUR LE MOTEUR ASYNCHRONE
IV.1.3 – Le choix du référentiel
IV.1.3.1 – Référentiel au stator
IV.1.3.2 – Référentiel au rotor
IV.1.3.3 – Référentiel au champ tournant
IV.1.4 – Modèle du moteur asynchrone selon les axes (d, q)
VI.2 – MODELISATION ET COMMANDE DE L’ONDULEUR DE TENSION
Introduction
VI.2.1 – Configurations de l’onduleur de tension
IV.2.2 – Modélisation de l’onduleur de tension
IV.2.3 – Commande à la fréquence des grandeurs de sortie (pleine onde)
IV.2.4 – Commande en MLI (Modulation de Largeur d’Impulsion)
IV.3 – MODELISATION DE LA POMPE CENTRIFUGE
IV.3.1 – Équations caractéristiques
IV.3.2 – Caractéristique technique de l’installation de pompage au niveau de la pompe P-102
IV.4 – MDELISATION GLOBAL DU SYSTEME DE POMPAGE
IV.5 – SIMULATION DU SYSTEME
IV.5.1 – Introduction
IV.5.2 – Résultat de simulation du système sans la variation de vitesse
IV.5.3 – Résultat de simulation du système avec la variation de vitesse
CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES