L'impact des pompes surdimensionnées ou sous-dimensionnées

Les ingénieurs craignent souvent d'être trop conservateurs dans la conception de leurs systèmes. De nombreuses incertitudes surviennent lors de la conception, notamment les variations des conditions réelles d'exploitation, les changements des caractéristiques des fluides, le vieillissement des équipements et l'entartrage des canalisations. Les ingénieurs utilisent des coefficients de sécurité pour tenir compte de ces facteurs et éviter le sous-dimensionnement des équipements. Ils prennent également en compte les effets du vieillissement sur le système.

Cependant, certains ingénieurs omettent de prendre en compte le fait que l'application de marges de sécurité excessives dans la conception peut en réalité augmenter l'usure des composants traversants et raccourcir la durée de vie du système, notamment lors du dimensionnement de la pompe.

Lors du choix des pompes et des systèmes de tuyauterie, l'objectif principal est généralement d'atteindre la pression (hauteur manométrique) et le débit requis pour l'application, qu'il s'agisse d'un système d'eau de refroidissement, d'un pipeline de transport de carburant, d'une usine de production chimique ou de toute autre application. Le débit requis du système permet de déterminer la hauteur manométrique totale de la pompe, qui sert ensuite à comparer les courbes de performance de tous les types de pompes disponibles. Des pompes surdimensionnées ou sous-dimensionnées peuvent avoir de graves conséquences pour le système ; c'est pourquoi le choix d'un point de fonctionnement précis est crucial dans ce processus.

L'impact des pompes surdimensionnées ou sous-dimensionnées

Si la pompe sélectionnée est sous-dimensionnée, le débit du système sera inférieur aux besoins. Il faudra alors ajouter une pompe ou procéder à des ajustements du système, comme l'ouverture d'une vanne de purge (permettant à la pompe de fonctionner à un débit supérieur). À l'inverse, une pompe surdimensionnée fournira un débit supérieur aux besoins du système. Selon l'application, il peut être nécessaire d'utiliser un régulateur de débit ou d'ajuster la turbine pour réduire le débit. Si le point de fonctionnement de la pompe peut être corrigé simplement en ajustant les vannes du système, l'impact sur ce dernier peut sembler négligeable. Cependant, les conséquences d'un surdimensionnement ou d'un sous-dimensionnement de la pompe sont plus importantes lorsqu'on considère son rendement.

Le point de rendement optimal (PRO) est le point de fonctionnement idéal d'une pompe, où le pourcentage maximal d'énergie utilisée pour son fonctionnement est transféré au fluide. Lorsque le point de fonctionnement d'une pompe s'écarte du PRO, plusieurs phénomènes se produisent. Le plus évident est une baisse de rendement, et la pompe nécessite alors une puissance d'entraînement plus importante. Cette énergie non transférée au fluide doit être dissipée sous d'autres formes, telles que la chaleur ou les vibrations. Par conséquent, à mesure que le rendement de la pompe diminue, les vibrations et la chaleur qu'elle génère augmentent. Dans certains cas, l'impact sur la pompe est faible, mais plus on s'éloigne du PRO, plus l'effet est important.

Les normes relatives aux pompes centrifuges (telles que la norme HI 9.6.3 de l'Hydraulic Institute) recommandent généralement de faire fonctionner les pompes entre 80 % et 110 % de leur point de rendement minimal (PRM) afin d'éviter ces problèmes. Dépasser 110 % du PRM peut exposer les opérateurs à un risque de cavitation dû à une faible marge de hauteur manométrique nette positive (NPSH), ainsi qu'à des dommages causés par les vibrations et la chaleur. En dessous de 80 % du PRM, des effets indésirables tels que le grippage de la pompe, la cavitation à faible débit, le reflux interne et les températures élevées peuvent survenir. À terme, le fonctionnement de telles pompes engendre des coûts de maintenance et d'énergie élevés, ainsi qu'une durée de vie réduite. Dès lors, une question se pose : comment les ingénieurs peuvent-ils utiliser efficacement les facteurs de conception pour éviter le sous-dimensionnement ou le surdimensionnement des pompes dans le système ?

Détermination précise des facteurs de conception globaux

Il convient notamment de déterminer le nombre de coefficients de sécurité nécessaires à la conception de la pompe et le moment opportun pour les appliquer. Généralement, les parties suivantes peuvent être amenées à ajouter des coefficients de sécurité : l’ingénieur en conception système détermine les dimensions du système, le chef de projet examine la conception et le fabricant de la pompe recommande cette dernière. Il est essentiel de bien comprendre les hypothèses et les conditions limites utilisées pour dimensionner le système afin d’éviter de définir involontairement des coefficients de sécurité excessifs.

Tenir compte des limites de fonctionnement

Les calculs de dimensionnement et les facteurs de conception sélectionnés tiennent-ils compte des conditions de fonctionnement extrêmes ? Bien qu'une conception efficace ait été réalisée pour le débit de pointe du système, cela modifie-t-il le point de fonctionnement initial ? Il est important de choisir des pompes dont les caractéristiques leur permettent d'approcher leur point de fonctionnement optimal (BEP) dans toutes les conditions, et pas seulement en cas de conditions de fonctionnement extrêmes. Si les exigences du système évoluent fréquemment, il peut être nécessaire d'envisager des solutions telles que l'ajout d'un variateur de fréquence (VFD) à la pompe afin de maintenir son fonctionnement dans la plage souhaitée.

Choisir les bons outils

Le dimensionnement des systèmes, notamment des grands systèmes, est un processus complexe. L'utilisation d'outils qui simplifient ce processus réduit les risques d'erreurs. Les outils d'ajustement automatisés facilitent la communication et la présentation des informations relatives aux méthodologies de modélisation. Un outil de dimensionnement automatisé performant permet aux ingénieurs d'intégrer rapidement les données du fabricant dans la conception et de vérifier que l'équipement proposé fonctionnera comme prévu. Cette redondance prévient des erreurs potentiellement coûteuses. De plus, un outil de calcul dimensionnel automatisé performant permet aux utilisateurs de comparer rapidement différentes conditions de fonctionnement et même d'envisager plusieurs scénarios de conception connexes lors des calculs dimensionnels.

Résumé

Concevoir un système répondant aux exigences opérationnelles est crucial. Cependant, en matière de conception, la taille n'est pas toujours un gage de qualité. Une conception efficace permet non seulement de réduire les coûts des matériaux et de l'installation, mais aussi de prévenir l'usure prématurée des composants du système, tels que les pompes.