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Exploitation d'une pompe centrifuge

Les pompes centrifuges sont des équipements extrêmement répendus dans les industries de procédé. Ce sont des équipements souvent indispensables à leur poste.  Ils sont coûteux à l'achat et à l'installation, et ne sont pas systématiquement doublés à leur poste. Dans ce cas si une pompe est défaillante, c'est l'nsemble de l'installation qui s'arrête.
La fiabilité de leur service peut donc être un élément important de la rentabilité économique du procédé auquel elles contribuent.
Sont détaillés ci-dessous les points de vigilence à avoir pour assurer un fonctionnement fiable des pompes centrifuges.

Une caractéristique de pompe adaptée au besoin

Débit et relevage

Une pompe correctement dimensionnée fonctionnera près de son point de rendement maximum qui correspond à son optimum de fonctionnement mécanique. Pour des conditions éloignées de ce point, il existe un déséquilibre entre les pressions agissant sur l'impulseur. Il s'ensuit des efforts et des vibrations sur les paliers et les étanchéïtés, une augmentation de la température interne et un risque plus grand de dégradation dans le temps. Les constructeurs recommandent généralement d'exploiter leur pompe entre 65% et 110% du débit correspondant au rendement maximum.
De nombreux prescripteurs ou acheteurs sont tentés d'approvisionner une pompe capable d'excéder largement le besoin identifié, sous prétexte qu'il est préférable de se tromper par excès que par défaut, et qu'il sera assez facile de réduire la capacité d'une pompe en ajustant une vanne au refoulement.
Ce raisonnement permet au prix d'un faible surinvestissement de s'assurer que l'installation saura faire face dans le futur, à des besoins nouveaux non encore identifiés. Si cela doit conduire à exploiter en permanence une pompe dans des conditions opératoires non optimum, il est à craindre quelle nécessite un surcroît d'entretien; par contre s'il s'agit de préserver la possibilité future d'augmentation de capacité, il paraît préférable d'approvisionner une pompe dont le diamètre d'impulseur pourra être augmenté dans le futur; l'impulseur commandé saura satisfaire le besoin actuel avec le meilleur rendement possible; en cas de besoin, l'impulseur pourra aisément être remplacé par un modèle de diamètre supérieur pour satisfaire une augmentation de débit et de relevage, tout en restant proche de son fonctionnement optimum.
Ne pas oublier, dans cette stratégie, de dimensionner l'entraîneur, ou au moins l'alimentation électrique si c'est un moteur électrique, pour la capacité maximum de la pompe.

NPSH

La dépression générée à son aspiration par la pompe en service est nommée NPSH requis. C'est une caractéristique de la pompe précisée par le fournisseur.
La dépression maximum que le liquide pompé peut accepter sans la formation d'aucune bulle de gaz ou de vapeur, est nommée NPSH disponible. C'est une caractéristique qui dépend de la nature du liquide pompé, de sa pression et sa température, et de la configuration du circuit d'aspiration. C'est à l'utilisateur ou le concepteur du procédé de fournir cette donnée.
NPSH requis et disponible sont exprimés en hauteur de liquide.
Le NPSH disponible doit toujours être supérieur au NPSH requis, sans quoi des bulles apparaitront au sein du liquide, dans le corps de pompe. Le fonctionnement de la pompe sera fortement perturbé par deux phénomènes:
 - le liquide pompé devient un milieu compressible puisque le volume des bulles de gaz varie avec la pression. La pompe pourra générer des variations importantes de débit et de relevage
 - les bulles gazeuses pourront collapser très rapidement à l'intérieur du corps de pompe, générant des ondes de chocs (comme des explosions), conduisant à des dégradations mécaniques rapides et importantes; c'est le phénomène de cavitation.

Une mise en place dans les règles de l'art

La pompe doit être fixée sur un massif en béton dont le poids aura deux à trois fois le poids de la pompe elle-même. Il permettra d'amortir les vibrations générées par la pompe en service.

Les tuyauteries raccordées ne doivent générer aucune contrainte sur la pompe elle-même; ceci est vérifié avant la mise en place des boulons sur les brides: les brides des tuyauteries et celles de la pompe doivent être naturellement alignées sans avoir besoin de forcer dessus, et ne laisser que l'espace pour glisser un joint d'étanchéïté.

La tuyauterie d'aspiration doit offrir une longueur droite et dans le prolongement de la bride d'aspiration au moins égale à 5 fois le diamètre de la tuyauterie.
Le diamètre de la tuyauterie d'aspiration doit être de préférence, au moins d'une taille normalisée supérieure au diamètre de la bride d'aspiration. En aucun cas le diamètre de la tuyauterie d'aspiration ne doit être d'une taille inférieure à celle de la bride.

Si plusieurs pompes sont installées en parallèle, elles doivent être équipées sur leur refoulement de clapets anti-retour pour prévenir tout risque de débit liquide inverse dans la pompe à l'arrêt, et de rotation en sens inverse du sens normal.

Ajustement du débit

Si le débit demandé par le procédé n'est pas constant, il peut être ajusté en utilisant de préférence les méthodes suivantes:

 - par variation de la vitesse de rotation

Effet de vitesse de rotation sur le débit d'une pompe centrifugeLe point de fonctionnement de la pompe se déplacera ainsi tout en restant proche des conditions optimum de fonctionnement. De plus, la consommation énergétique de la pompe sera maintenue à son minimum, ce qui peut être décisif pour des pompes de fortes puissances.
Attention: le débit est proportionnel à la vitesse de rotation tandis que le relevage est proportionnel au carré de la vitesse. Si le rôle de la pompe est de vaincre la perte de charge d'un circuit hydraulique, cette méthode sera satisfaisante. Si le rôle de la pompe est de vaincre une hauteur fixe ou de relever une pression constante, la perte de relevage occasionnée par la variation de vitesse pourra être rédibitoire.


 - par recyclage de liquide

Ajustement du débit d'une pompe centrifuge par recyclageSi la pompe est entrînée à vitesse fixe, la portion excédentaire du liquide pompé est prélevée au refoulement de la pompe et renvoyé en amont dans le procédé.
Le débit de la pompe et sa  consommation énergétique restent identiques quelle que soit la demande du procédé. Son point de fonctionnement reste proche de son point optimal en toutes circonstances.
Attention: Une partie de l'énergie absorbée par la pompe échauffe le liquide pompé; si une proportion importante est recyclée pendant un temps long, l'échauffement peut devenir néfaste au procédé aval ou à la qualité du liquide; c'est pourquoi il est souvent déconseillé de recycler le liquide directement à l'aspiration de la pompe; il est préférable de rechercher un point de recyclage qui permettra soit l'élimination de la chaleur, soit sa dilution dans un flux plus important.

 - par une restriction au refoulement

Ajustement du débit d'une pompe centrifuge par une restriction au refoulementUn organe de réglage disposé sur le circuit aval fait varier sa perte de charge. Le point de fonctionnement de la pompe se déplace sur la courbe caractéristique, s'éloignant des conditions optimum de fonctionnement de la pompe. L'évolution de la consommation énergétique de la pompe dépend de l'évolution du rendement. En règle générale, elle diminue avec le débit, mais il y a des exceptions.
Du point de vue de la fiabilité de la pompe, c'est la moins bonne méthode à employer. Cependant elle est largement rependue. Les constructeurs précisent dans leurs caractéristiques un débit minimum (mini flow en anglais) qui doit toujours traverser la pompe en toute circonstance (quand elle est en marche évidemment). Ce débit minimum est en général de l'ordre de 20% du débit nominal.
Si le réglage de débit permet qu'il descende en dessous de cette valeur, les vibrations importantes et une dégradation rapide des paliers et étanchéïtés sont à craindre. Si ce risque existe, il faut prévoir un circuit de recyclage depuis le refoulement, fixe (orifice calibré) ou ajustable (vanne automatique) laissant débiter un débit au moins égal au débit minimum. Si le débit de recyclage est fixe, ne pas oublier de dimensionner la pompe pour le débit demandé par le procédé, augmenté du débit minimum.



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