Concevoir des Systèmes de pompage Efficients et efficaces

Concevoir des Systèmes de pompage Efficients et efficaces

Examiner toutes les options peut vous aider à économiser de l’énergie et de l’argent pour vos clients.

Par Ed Butts, PE

Concevoir un système de pompage efficace va bien au-delà de l’adaptation de la pompe la plus efficace aux conditions de service ou de tête du système ou de l’utilisation d’une vanne d’entraînement ou de commande à fréquence variable pour des demandes variables.

Ce ne sont que les points de départ. Dans le monde d’aujourd’hui, la myriade d’équipements mécaniques et électriques à la disposition du concepteur et de l’installateur, combinée à des règles et directives de conception bien établies et également nouvelles, fait de la conception d’un système de pompage efficace et efficace deux des éléments les plus importants d’une installation de pompage.

Ce mois-ci, nous passons en revue les idées passées d’une bonne conception de pompe ou de station de pompage ainsi que les critères actuels de modification des règles que les concepteurs devraient prendre en compte pour pratiquement toutes les applications de pompage.

Définir un Système Efficient et efficace

Efficacité: ce mot unique a des significations différentes pour différentes personnes, mais jamais le mot n’a eu plus de validité et de valeur que dans le monde d’aujourd’hui avec des coûts énergétiques toujours croissants.

Pour le vendeur typique, l’efficacité signifie vous convaincre que son produit vous livrera plus de quelque chose pour moins de votre argent. Pour les ingénieurs, l’efficacité signifie produire un certain type de résultat final, qu’il s’agisse d’un travail ou d’un produit avec le moins d’efforts, et donc de coûts.

L’efficacité est fondamentalement la différence entre un résultat théorique et le résultat réel d’une tâche, d’un effort ou d’un processus. Dans le secteur des puits d’eau, l’efficacité s’applique généralement à l’efficacité électrique, mécanique ou chimique — et il existe des moyens d’améliorer chaque type.

Parallèlement à l’efficacité, les concepteurs de systèmes d’eau doivent s’assurer que leur conception est efficace. Cela signifie simplement que le système de pompage doit non seulement fournir de l’eau efficacement, mais aussi au débit et à la pression appropriés, c’est—à-dire efficacement.

Pour un système de pompage, son efficacité commence toujours par la détermination du débit ou du volume d’eau nécessaire pour délivrer sur une période de temps prédéterminée. Cela peut être sur une période de 24 heures pour la demande quotidienne moyenne d’un réseau d’eau ou aussi peu que 20 minutes pour la demande de pointe.

Évidemment, il offre peu d’avantages, et encore moins de confort, si vous devez informer votre client que son nouveau système de pompe délivre 750 GPM au rendement le plus élevé possible lorsqu’il en a besoin 1000 GPM. Ou leur système d’irrigation est capable d’appliquer 2 pouces d’eau sur 50 acres en 12 heures lorsque le client a demandé un système pouvant fournir 1,75 pouce d’eau sur 90 acres en huit heures.

Que Signifie Vraiment L’Efficacité ?

Le dictionnaire définit efficient comme « agissant pour produire un effet avec un minimum de déchets ou d’efforts, ou présentant un rapport de sortie / entrée élevé. »Les deux parties de cette définition s’appliquent évidemment à l’industrie des puits d’eau même si chaque partie a une application différente.

Bien que notre objectif en matière de conception et d’application soit de développer un système avec le plus haut niveau d’efficacité opérationnelle — et dans de nombreux cas, nous avons réalisé ces améliorations à de nombreux niveaux —, il est important de se rappeler qu’il y aura toujours une certaine perte d’efficacité dans tout processus ou effort, indépendamment des améliorations, de la rationalisation ou de la conception améliorée que nous plaçons dans le système.

Bon nombre des augmentations de l’efficacité d’une machine ou d’un processus donné peuvent être directement corrélées à la demande des clients ou à l’intervention et à la réglementation gouvernementales.

Par exemple, en raison de l’action du Congrès qui a conduit à de nouvelles normes, les codes américains révisés relatifs à l’énergie fixent des exigences minimales pour la conception et la construction écoénergétiques des bâtiments neufs et rénovés, ce qui a un impact sur la consommation d’énergie et les émissions pendant la durée de vie du bâtiment. Ceci est d’autant plus important que les bâtiments représentent près de 40% de la consommation actuelle d’énergie aux États-Unis, 65% de la consommation d’électricité et un peu plus de 10% de la consommation d’eau.

Les bâtiments étant la principale source de consommation d’énergie aux États-Unis, il est impératif que les bâtiments respectent ces nouveaux codes pour s’assurer qu’ils répondent aux normes d’efficacité plus élevées. L’utilisation de méthodes et de matériaux plus efficaces plus tôt lors de la construction d’un bâtiment coûtera une fraction de ce qu’ils coûteront plus tard si une rénovation est nécessaire pour réduire la consommation totale d’énergie pendant la durée de vie du bâtiment.

Il existe de nouveaux codes d’énergie pour les bâtiments commerciaux et résidentiels ainsi que d’autres types de consommation d’énergie.

Reconnaissant que les moteurs électriques représentent le groupe de consommation d’énergie électrique le plus important, de nouvelles réglementations — y compris des programmes de rabais attrayants — ont été adoptées pour la modernisation et le remplacement des moteurs moins efficaces plus anciens par de nouveaux moteurs plus efficaces. Ces nouveaux moteurs peuvent avoir une application directe sur les applications de pompe de puits et de pompe de surpression.

Au-delà des améliorations que nous pouvons apporter avec les nouveaux moteurs électriques, nous pouvons également apporter d’autres améliorations apparemment mineures au système ou aux composants. Ces améliorations, dans de nombreux cas, peuvent sembler si mineures qu’elles sont insignifiantes ou dénuées de sens. Mais lorsqu’ils sont pris en compte sur la durée de vie de l’unité ou les heures de fonctionnement annuelles, ils peuvent facilement générer des économies d’énergie bien supérieures au coût initial de l’investissement lui-même.

Bien que l’amélioration de l’efficacité d’un système ou d’une installation de pompage soit généralement directement liée à des économies d’énergie électrique, il existe diverses méthodes périphériques qui peuvent également économiser de l’énergie — et donc augmenter l’efficacité. Ces méthodes sont les suivantes.

Méthodes d’exploitation ou de système

• Sélectionner des installations de pompage pour fonctionner pendant les périodes creuses ou de délestage lorsque cela est possible. Ces périodes, généralement tôt le matin ou tard le soir, peuvent entraîner des coûts de consommation d’énergie plus faibles qu’à tout autre moment de la journée. Dans les applications de remplissage de réservoir, cela peut permettre de remplir le réservoir pendant une période de consommation relativement faible, et donc de tête de décharge.
• L’utilisation d’une vanne d’étranglement en ligne, dans la plupart des cas, est avantageuse pour l’écoulement de l’eau. Bien que l’utilisation de ce processus doit être vérifiée pour l’unité de pompage et le système de pompage spécifiques impliqués, une vanne d’étranglement en ligne sur la décharge d’une pompe à un débit réduit permettra généralement de réaliser de plus grandes économies d’énergie que de recirculer l’eau à la source ou de gaspiller l’eau — en plus de conserver cette précieuse ressource. N’utilisez jamais de vanne d’étranglement du côté aspiration d’une pompe.
• Utilisez toujours des manomètres et des débitmètres de haute qualité et précis pour le suivi des données. Même si cela peut sembler une évidence, le développement et le maintien d’un processus de collecte de données précis et efficace nécessitent non seulement des données précises, mais également des données toujours précises. Des variations ou des inexactitudes dans la méthode de collecte des données peuvent facilement conduire à des hypothèses et à des décisions erronées.
• Prendre en compte et tenir compte des pertes d’énergie non liées au pompage. Encore une fois, les pertes d’énergie associées à des fonctions non vitales et non liées – telles que les transformateurs d’éclairage, de chauffage, de refroidissement ou d’utilisation dans une station de pompage — peuvent souvent sembler mineures ou insignifiantes. Mais au fur et à mesure que ces pertes s’accumulent, comme pour l’éclairage ou le chauffage en continu, les pertes d’énergie peuvent devenir extrêmes et fausser les autres coûts énergétiques à des fins de pompage.

Amélioration de l’efficacité de la pompe

• L’utilisation de composants de pompe à faible friction hydraulique tels que le bronze, la porcelaine et l’acier inoxydable entraînera une traînée plus faible dans la pompe elle-même et donc des coûts de pompage plus faibles. Spécifiez un fini poli C-10 / C-20 / C-30 sur les passages de roue.
• Des astuces peu connues pour les roues ou les volutes, telles que le sous ou le remblayage des aubes, le rognage de la languette de volute, l’équilibrage dynamique, l’onglet du bord extérieur de la roue et le polissage de la roue peuvent augmenter l’efficacité d’un ou deux points, économisant ainsi de la puissance.
• Sélectionnez la pompe pour qu’elle fonctionne le plus près possible du point de meilleur rendement (BEP) ou dans la fenêtre de meilleur rendement (BEW) à tout moment.
• Améliorer la tuyauterie en utilisant une tuyauterie d’aspiration et de refoulement plus grande que celle requise. L’élimination des tés, des ells et des tuyaux restreints lorsque cela est possible et le changement ou l’utilisation de matériaux de tuyauterie avec les facteurs de frottement les plus faibles, tels que le PVC ou la fonte ductile revêtue de ciment par rapport à l’acier, peuvent également bénéficier à un système.
• Même la modification d’un clapet de commande, d’isolement ou de contrôle sur la conduite de refoulement de la pompe peut rapporter des dividendes à long terme. En fonction de la taille de la vanne, du débit et du service, changer un type de vanne de régulation en ligne de type globe standard avec un type de vanne de régulation à angle ou en triangle peut économiser jusqu’à 2-4 psi ou jusqu’à 10 pieds de perte de charge pendant le fonctionnement. Pour une vanne utilisée strictement pour l’isolement de la station, l’utilisation d’une vanne à orifice entièrement ouvert (telle qu’une vanne à siège élastique) plutôt qu’une vanne avec obstruction en ligne (telle qu’un bouchon non doublé ou une vanne papillon) peut également réduire la perte de charge à travers la vanne.
• L’utilisation d’un revêtement haute performance sur une roue ou une volute ou dans l’ensemble d’un ensemble de cuvette peut réduire le frottement du disque sur les roues, ce qui entraîne des économies d’énergie. Un revêtement tel que l’époxy collé par fusion Scotchkote 134 (SK134) peut coûter entre 500 $ et 800 per par étape à appliquer, mais peut augmenter l’efficacité de deux à quatre points. Sur une unité de pompage conçue pour 1000 GPM à 300 pieds TDH, cela peut entraîner une économie de puissance allant jusqu’à quatre chevaux au frein. Avec 4000 heures de fonctionnement par année, cela peut entraîner des économies d’énergie de plus de 1200 in la première année seulement.
• Lors de la conception d’unités de pompage de puits profonds neuves ou de remplacement, tenez compte de la différence relative d’efficacité et de durée de vie du bol et du moteur entre les unités de turbine submersibles et verticales. Bien que l’investissement en capital d’un système de pompage submersible soit presque toujours inférieur à celui d’une unité de turbine verticale de taille comparable, l’efficacité combinée du bol et du moteur sera souvent jusqu’à 10-15 points plus élevée pour l’unité de turbine verticale. Par exemple, avec une installation de pompage conçue pour 1000 GPM à 300 pieds TDH, la différence des coûts de pompage horaires peut s’élever à 1 $.30 par heure ou 5200 $ par période d’exploitation de 4000 heures (50 %). De plus, la durée de vie d’une turbine verticale est souvent supérieure à celle d’un submersible en raison de la vitesse, de la chaleur du moteur et de l’accessibilité réduites. De toute évidence, ces ratios ne s’appliquent pas toujours, le concepteur doit donc évaluer ces facteurs au cas par cas.
• Pour les pompes à turbine verticales, vérifiez le réglage du bol au moins une fois par an pour optimiser les performances. Pour les roues semi-ouvertes, utilisez un ampli ou un compteur de puissance pour optimiser le réglage du bol.

Moteurs et pilotes électriques

• Pour moteurs: L’augmentation de la taille des fils, l’optimisation des tensions, l’amélioration du facteur de puissance avec des condensateurs, l’utilisation de moteurs à haut rendement, la fourniture d’un environnement de fonctionnement propre et frais et la réduction de la puissance d’un moteur pour une charge donnée peuvent augmenter l’efficacité d’une installation de pompage jusqu’à 5% par le seul changement électrique.
• Pour tous les pilotes (y compris les réducteurs) : Remplacer l’huile et ajouter/ remplacer la graisse aux fréquences et intervalles recommandés par le fabricant. Utiliser le poids et la viscosité de l’huile et de la graisse conformément aux directives du fabricant. Ne pas trop remplir les réservoirs d’huile et maintenir les niveaux d’huile entre les niveaux bas et élevés pendant le fonctionnement. Pour les entraînements à engrenages refroidis par eau et les moteurs refroidis par chemise d’eau: Vérifiez le fonctionnement et le débit minimum de la boucle de refroidissement par eau. Vérifiez la température de fonctionnement de l’entraînement par engrenages/du moteur pour vérifier que l’huile se refroidit aux niveaux prescrits.
• Pour les moteurs de secours: Effectuer des exercices de routine et des tests de fonctionnement annuels au minimum. Indépendamment des heures de fonctionnement, remplacez l’huile une fois par an au minimum. Faire pivoter ou utiliser autrement le carburant stocké pour maintenir la qualité. Si nécessaire, utilisez du carburant diesel de qualité anti-cirage ou un additif pour éviter le cirage sur de longs intervalles de stockage. Vérifiez que le moteur est prêt avec le bon fonctionnement du chargeur de batterie, du réchauffeur de gaine, du préchauffage et des bougies de préchauffage (le cas échéant). Pour les moteurs principaux: Remplacer l’huile et les bougies d’allumage (gaz) aux heures de fonctionnement recommandées par le fabricant; utiliser le service intensif comme ligne directrice. Effectuer la compression et le calage tous les deux ans pour vérifier le fonctionnement uniforme du cylindre.
• Pour les transmissions: Vérifier l’alignement et graisser les joints en U aux intervalles recommandés par le fabricant. Pour les transmissions par courroie: Vérifier la tension de la courroie et l’application uniforme de la courroie au moins une fois par an. Envisagez de remplacer plusieurs courroies trapézoïdales par une seule courroie serpentine ou dentée.

Variateurs de fréquence et vannes de régulation

Variateurs de vitesse ou de fréquence (VFD) ainsi que vannes de modulation de pression sont rapidement devenus une méthode privilégiée pour les économies d’énergie et l’amélioration de l’efficacité du système. Cependant, ils ne sont pas sans inconvénients et limitations, de sorte que le concepteur doit utiliser et considérer des caractéristiques spécifiques pour fournir la plus grande efficacité possible et prolonger la durée de vie du système de pompage. Ceux-ci comprennent les éléments suivants:

• Comme avec la plupart des appareils électroniques, les VFD ne se soucient pas de la chaleur. Non seulement la durée de vie de l’unité en souffrira, mais l’efficacité de fonctionnement en souffrira également. Pour ces raisons, une ventilation et un refroidissement appropriés doivent être observés.
• Lors de l’utilisation avec des moteurs submersibles ou d’autres moteurs avec un long câble entre le moteur et l’entraînement (plus de 50 pieds), une condition connue sous le nom de tension d’onde réfléchie peut se produire. Cela signifie simplement que le variateur peut être exposé à un niveau de tension renvoyé par le moteur dans des valeurs des centaines de fois supérieures à celles pour lesquelles l’isolation du moteur est évaluée. Divers dispositifs de protection, tels que des redresseurs, sont utilisés pour annuler ces conditions et doivent être mis en œuvre sur toutes les installations avec de longs décalages de câbles.
• Lors du dimensionnement d’un VFD, tenez compte de l’ampérage réel avec lequel l’unité devra fonctionner, pas seulement de la puissance. Étant donné qu’un moteur submersible consomme un courant plus élevé qu’un moteur standard de puissance comparable, le dimensionnement de la puissance peut ne pas fournir une capacité de réserve suffisante pour le courant plus élevé. Dans de nombreux cas, augmenter la taille de l’unité d’un seul peut protéger contre ce potentiel. C’est un problème courant sur les installations de rénovation.
• Des types spécifiques d’installations, telles que celles sur des arbres creux verticaux ou des moteurs horizontaux standard, peuvent entraîner des boucles de masse ou des arcs de tensions imposées à l’intérieur des roulements. Diverses méthodes existent pour se protéger contre cet événement, mais la méthode la plus fiable implique une mise à la terre et un collage efficaces et complets de l’entraînement et du moteur.
• Pour les applications VFD neuves ou rénovées, vérifiez que la réduction de vitesse coïncide avec la courbe de pompe sélectionnée et que les économies d’énergie s’appliquent à des vitesses réduites. Les courbes de pompe abruptes sont généralement plus justifiées et favorables lorsqu’elles sont utilisées avec des VFD que l’utilisation de vannes de régulation de pression en ligne. Un degré plus élevé d’économies d’énergie à des débits réduits se produira généralement lorsqu’une soupape de régulation de pression en ligne est appliquée à une pompe avec une courbe plate, car la puissance aura tendance à chuter au-dessus d’une baisse proportionnelle du débit.

Utilisation d’un logiciel de conception de pompe

À mesure que les techniques de modélisation informatique continuent de s’améliorer et de s’intégrer dans notre vie quotidienne, la nécessité d’envisager l’utilisation de programmes de sélection de pompe augmente également. Selon mon décompte, il existe actuellement cinq choix de logiciels de sélection de pompes génériques et d’innombrables programmes de sélection de fabricants.

Bien que j’ai toujours été un ancien de la coupe et du séchage dans la laine lorsqu’il s’agit de sélectionner une pompe dans les catalogues et en utilisant les courbes des fabricants, mon utilisation des programmes de sélection a considérablement augmenté au cours de la dernière décennie, surtout maintenant que je conçois plus de systèmes de pompage avec des conditions de débit et de tête variables.

Bien que n’ayant pas l’intention de faire de la publicité, je suis très satisfait et je travaille avec le logiciel PumpFlo développé par Engineered Software Inc. J’ai commencé avec la version I il y a des années et je travaille maintenant avec la version X et je suis satisfait de la façon dont ce logiciel permet de sélectionner différentes pompes en entrant les conditions de conception de la capacité et de la tête ou en me référant directement à un modèle de pompe spécifique.

Même si je sais qu’il existe de nombreux autres excellents logiciels de sélection de pompes disponibles, je suis l’un des dinosaures qui préfère s’en tenir à quelque chose quand cela fonctionne pour moi (c’est la même raison pour laquelle je suis marié depuis 40 ans!).

En plus des programmes permettant de comparer les pompes de différents fabricants, pratiquement tous les fabricants de pompes ont désormais leur propre programme de sélection ou font partie d’un logiciel de sélection de pompes tel que PumpFlo, PumpCALC ou PumpBase. La plupart des programmes de sélection permettent une évaluation à plusieurs vitesses, une comparaison de l’efficacité et de la puissance, des limitations de la courbe de la pompe et des sélections avec différentes versions et étapes ainsi que les changements appropriés de l’efficacité et de la consommation de puissance, chacun étant un paramètre critique pour concevoir correctement un système de pompage d’eau.

Ce type de fonctionnalité accélère non seulement la sélection d’une pompe de puits, mais contribue également à la précision et à la comparaison des différents modèles et marques, ainsi que les impressions et les courbes générées par ordinateur sont meilleures que le type I une fois produit à la main. Bien que l’utilisation d’un logiciel de sélection de pompe ne soit probablement pas aussi efficace et nécessaire avec les pompes de puits domestiques, je recommande vivement l’utilisation de cette technologie pour les pompes de puits de turbine submersibles et verticales et les pompes de surpression de plus grande taille.

Unité ou composant vs. Efficacité du système

Alors que le mot à la mode de l’efficacité continue de s’infiltrer dans notre vie professionnelle quotidienne avec de plus en plus de fréquence, nous devons reconnaître en tant que concepteurs de systèmes d’eau l’importance d’extraire plus de travail pour moins d’énergie comme un moyen non seulement d’économiser des coûts opérationnels importants pour nos clients, mais aussi de conserver les ressources naturelles limitées de notre monde.

L’une des nombreuses façons dont nous pouvons contribuer à cette entreprise consiste à évaluer et à améliorer l’efficacité du système et des composants.

L’efficacité du système est le facteur le plus évident et le plus apparent de l’efficacité globale et des coûts d’exploitation, et celui qui nous préoccupe généralement le plus. Dans les systèmes d’eau en langue vernaculaire, on l’appelle communément l’efficacité de l’installation fil-à-eau ou de pompage. C’est l’efficacité nette, composée des pertes individuelles dans l’ensemble du système, qui, ensemble, créent l’efficacité finale de l’usine.

D’autre part, l’efficacité unitaire, également appelée efficacité des composants, est l’efficacité relative d’un élément spécifique ou individuel dans le système groupé plus large. Il peut s’agir de l’efficacité de la pompe, de l’entraînement ou de la transmission, ou même de l’efficacité d’un seul composant dans l’ensemble de l’unité, telles que les pertes hydrauliques internes dans une roue à aubes ou le frottement des roulements pour un étage dans une pompe à turbine verticale à plusieurs étages qui constituent chacun une partie distincte de l’efficacité globale du bol.

Beaucoup de gens pensent que l’efficacité du système est le seul facteur important, mais je ne suis pas d’accord. Dans de nombreux cas, l’utilisation d’améliorations progressives de l’efficacité de l’unité ou des composants peut être beaucoup plus rentable que les changements en gros de l’ensemble du système. C’est la raison pour laquelle je vante l’utilisation de méthodes peu coûteuses mais efficaces telles que le remblayage de la roue, le polissage ou les garnitures de cuvette pour augmenter l’efficacité de la pompe.

Voici un autre exemple: La conversion à un rendement supérieur de 100 CH et 1 800 tr / min à partir d’un moteur électrique à rendement standard augmentera le rendement à pleine charge d’environ 93% à 94,5%. À pleine charge, cette amélioration progressive permettra d’économiser jusqu’à 1,27 kW, ce qui, lorsqu’il est multiplié par 3 000 heures de fonctionnement par année, se traduira par une économie d’énergie de 3 820 kW / h. À 0,15 per le kW/ h, il s’agit d’une économie potentielle de coûts d’exploitation de 573 $ par année.

Ce type d’économies est également possible avec des modifications de cuvette où une amélioration d’un rendement de cuvette de 75% à 83% à une charge de 50 CH (puissance au frein) peut économiser jusqu’à 6,42 CH.

Même en démontrant ces économies d’énergie éprouvées, dans de nombreux cas, en particulier dans les environnements d’irrigation, les clients sont souvent plus réticents à investir le coût d’un remplacement ou d’une mise à niveau de l’ensemble du système que pour le remplacement d’un composant. Tester et évaluer l’efficacité individuelle des unités ou des composants, puis recommander le remplacement ou la réparation de ces éléments spécifiques est souvent plus propice au budget du client qu’un remplacement complet du système.

Vous générerez toujours des affaires et des ventes et aurez la satisfaction d’économiser probablement de l’argent réel au client à la fin.

Conclusion

Alors que les coûts de l’électricité continuent d’augmenter chaque année, la nécessité de prendre pleinement en compte l’efficacité de chaque élément de nos systèmes de pompage continuera également d’augmenter. Le but de cette colonne est de vous rappeler à quel point l’efficacité est devenue importante dans notre monde. Il existe des moyens de l’améliorer avec un peu de réflexion, tout en préservant l’efficacité du système de pompage.

Considérez toutes les possibilités, aussi insignifiantes soient-elles, et vous constaterez peut-être qu’elles pourraient offrir de vrais dividendes pour vous et votre client.

Jusqu’au mois prochain, travaillez en toute sécurité et intelligemment.

Ed Butts, PE, est ingénieur en chef chez 4B Engineering & Consulting, Salem, Oregon. Il a plus de 40 ans d’expérience dans le secteur des puits d’eau, se spécialisant en ingénierie et en gestion d’entreprise. Il peut être joint à [email protected] .