Prévenir les coups de bélier avec des actionneurs à vitesse variable

Les coups de bélier peuvent être une préoccupation majeure dans les systèmes de pompage et doivent être pris en compte par les concepteurs pour plusieurs raisons. S'il n'est pas traité, il peut causer une foule de problèmes, allant de la tuyauterie et des supports endommagés aux composants de tuyauterie fissurés et rompus. Au pire, cela peut même causer des blessures au personnel de l'usine.

Un coup de bélier se produit lorsqu'il y a une augmentation de la pression et du débit de fluide dans un système de tuyauterie, provoquant des changements rapides de pression ou de force. Des pressions élevées peuvent entraîner une défaillance du système de tuyauterie, comme des joints qui fuient ou des tuyaux éclatés. Les composants de support peuvent également subir de fortes forces dues aux surtensions ou même à une inversion soudaine du flux. Un coup de bélier peut se produire avec n'importe quel fluide à l'intérieur de n'importe quel tuyau, mais sa gravité varie en fonction des conditions du fluide et du tuyau. Cela se produit généralement dans les liquides, mais cela peut également se produire avec les gaz.

Une pression accrue se produit chaque fois qu'un fluide est accéléré ou gêné par l'état de la pompe ou lorsqu'une position de vanne change. Normalement, cette pression est faible et le taux de variation est graduel, ce qui rend les coups de bélier pratiquement indétectables. Dans certaines circonstances, plusieurs livres de pression peuvent être créées et les forces sur les supports peuvent être suffisamment importantes pour dépasser leurs spécifications de conception. L'ouverture ou la fermeture rapide d'une vanne provoque des transitoires de pression dans les pipelines qui peuvent entraîner des pressions bien supérieures aux valeurs d'état stable, provoquant une surtension qui peut endommager gravement les tuyaux et l'équipement de contrôle de processus. L'importance du contrôle des coups de bélier dans les stations de pompage est largement reconnue par les services publics et les stations de pompage.

Les déclencheurs typiques de coups de bélier comprennent le démarrage/l'arrêt de la pompe, une panne de courant et l'ouverture/fermeture soudaine des vannes de ligne. Un modèle simplifié de la colonne de fluide cylindrique en écoulement ressemblerait à un cylindre métallique soudainement arrêté par un mur de béton. Pour résoudre ces problèmes de coups de bélier dans les systèmes de pompage, il faut soit en réduire les effets, soit les empêcher de se produire. Il existe de nombreuses solutions que les concepteurs de systèmes doivent garder à l'esprit lors du développement d'un système de pompage. Des réservoirs sous pression, des chambres de surpression ou des accumulateurs similaires peuvent être utilisés pour absorber les coups de bélier, qui sont autant d'outils utiles dans la lutte contre les coups de bélier. Cependant, empêcher les sautes de pression de se produire en premier lieu est souvent une meilleure stratégie. Ceci peut être accompli en utilisant un actionneur multitours à vitesse variable pour contrôler la vitesse de fermeture de la vanne à la sortie de la pompe.

L'avancement des actionneurs et de leurs commandes offre des opportunités de les utiliser pour la prévention des coups de bélier. Voici trois cas où la résolution des coups de bélier était une exigence clé. Dans tous les cas, une caractéristique linéaire était essentielle pour le contrôle du débit d'une pompe à grand volume. Si cela n'avait pas été réalisé, un effet de marteau se serait produit, endommageant potentiellement le système d'eau de la station.

Défi de conception

La station de pompage de surpression sud d'East Cherry Creek Valley (ECCV) dans le Colorado a été équipée de pompes à haut volume et de clapets anti-retour de pompe utilisés pour le contrôle du débit. Pour éviter les coups de bélier et les dommages potentiellement graves au système, l'application nécessitait une caractéristique de débit linéaire. Le défi de conception consistait à obtenir un écoulement linéaire à partir d'un robinet à tournant sphérique, qui présente généralement des caractéristiques d'écoulement non linéaires lorsqu'il est fermé/ouvert.

Solution

En utilisant un actionneur à vitesse variable, la position de la vanne a été réglée pour atteindre différentes positions de course sur des intervalles de temps. Avec cela, le robinet à tournant sphérique pourrait être fermé/ouvert à différentes vitesses pour obtenir un changement de débit de fluide plus linéaire. De plus, en cas de panne de courant, l'actionneur peut désormais être réglé pour fermer la vanne et vidanger le système selon une courbe d'urgence prédéterminée.

L'actionneur à vitesse variable choisi avait la capacité de contrôler la position de la vanne en fonction de temps prédéfinis. L'actionneur peut être programmé jusqu'à 10 points de consigne de temps, avec les positions de vanne correspondantes. La vitesse d'ouverture ou de fermeture de la vanne peut alors être contrôlée pour s'assurer que la position de consigne souhaitée est atteinte au bon moment. Cette flexibilité avancée produit une linéarisation des caractéristiques de la vanne, permettant une sélection de vanne à passage intégral et/ou une réduction significative des coups de bélier lors de la fermeture des vannes. Les commandes intégrées des actionneurs ont été programmées pour créer une accélération et une décélération linéaires de l'eau pendant le fonctionnement normal de la pompe. De plus, en cas de perte d'alimentation électrique, les actionneurs assuraient une fermeture rapide via le secours d'une alimentation sans coupure (UPS). Un changement de débit linéaire a également été fourni, ce qui a assuré des transitoires de système minimaux et un étalonnage/ajustement facile de la courbe vitesse-temps.

Grâce à sa capacité de vitesse variable, l'actionneur à vitesse variable a relevé les défis de cette installation. Un temps de positionnement réglable en fonction de la course fourni par les actionneurs à vitesse variable a généré un écoulement linéaire à travers la vanne à bille. Cela a permis un réglage fin des vitesses de fonctionnement à travers dix positions différentes pour éviter les coups de bélier.

Défi de conception

Dans la région d'Oura, en Australie, l'eau est pompée à partir de plusieurs trous de forage dans un réservoir de collecte, qui est ensuite pompée dans un réservoir de rétention. Trois pompes sont équipées chacune de vannes papillon de 12 pouces pour contrôler le débit d'eau.

Pour protéger les sièges de vannes contre les dommages causés par la cavitation de l'eau ou les pompes contre le fonctionnement à sec en cas de perte d'eau, les vannes papillon doivent pouvoir se fermer rapidement. Une telle opération crée d'énormes forces hydrauliques, appelées coups de bélier. Ces forces sont suffisantes pour endommager les tuyauteries et doivent être évitées.

Solution

L'équipement des vannes avec des actionneurs à fraction de tour et à vitesse variable permet de régler différentes vitesses de fermeture pendant le fonctionnement de la vanne. Lors de la fermeture d'une ouverture complète à une ouverture à 30 %, un taux de fermeture rapide est défini. Pour éviter les coups de bélier, pendant la phase d'ouverture de 30% à 5%, l'actionneur ralentit à un huitième de sa vitesse précédente. Enfin, au cours des derniers 5 % pour terminer la fermeture, l'actionneur accélère à nouveau pour réduire la cavitation et les dommages qui en résultent pour le siège de soupape. Le temps total de fonctionnement de la vanne de l'ouverture à la fermeture est d'environ trois minutes et demie.

L'actionneur à vitesse variable choisi avait la capacité de modifier la vitesse de sortie en fonction de sa position de déplacement. Cette flexibilité avancée a produit une linéarisation des caractéristiques des vannes, permettant une sélection plus simple des vannes et réduisant les coups de bélier. La vitesse de la vanne est définie par un maximum de 10 points d'interpolation qui peuvent être réglés avec précision par incréments de 1 % de la position ouverte. Les vitesses peuvent ensuite être réglées jusqu'à sept valeurs (n1-n7) en fonction du type d'actionneur.

Défi de conception

Dans le Mid Cheshire, au Royaume-Uni, une entreprise chimique a utilisé plusieurs centaines de puits de saumure, chacun utilisant des pompes pour transférer la saumure du puits vers les unités de saturation. Le débit est contrôlé à l'aide de vannes papillon de recyclage de refoulement de pompe entraînées par des actionneurs.

En fonctionnement normal, lorsqu'un débit réduit est détecté, l'actionneur qui commande la vanne s'ouvre pendant une durée de 80 secondes. Cependant, si un flux inverse est détecté, la vanne doit être fermée en 10 secondes pour protéger la pompe. Différentes vitesses d'actionnement sont nécessaires pour l'ouverture, la fermeture et la fermeture d'urgence pour assurer la protection de la pompe.

Solution

L'actionneur à vitesse variable est capable de fournir jusqu'à sept vitesses d'ouverture/fermeture différentes. Ceux-ci peuvent être programmés indépendamment pour l'ouverture, la fermeture, l'ouverture d'urgence et la fermeture d'urgence.

L'amélioration de la modulation des vannes est une solution à envisager pour résoudre les problèmes de coups de bélier dans un système de pompage. Les actionneurs et commandes à vitesse variable offrent aux concepteurs de systèmes de pompe la flexibilité de contrôler en continu la vitesse de fonctionnement de la vanne et la précision des points de consigne atteints, une autre tâche en dehors du contrôle en boucle fermée.

De plus, un arrêt d'urgence sécurisé peut être fourni à l'aide d'un actionnement à vitesse variable. Avec la possibilité de continuer à fonctionner à l'aide d'un générateur d'urgence de station de pompage, la technologie d'actionnement peut offrir une option de sécurité intégrée.

En d'autres termes, si une panne de courant se produit, l'actionneur se fermera en mode d'urgence à différentes vitesses en utilisant l'alimentation d'un système UPS, permettant au système de se vider. Les courbes de temps de positionnement peuvent être programmées individuellement pour le sens fermeture/ouverture et pour le mode urgence.

Les actionneurs multitours à vitesse variable sont également une solution pour les situations de service tout-ou-rien. Cette conception peut fournir un démarrage en douceur à partir de la position de départ et un arrêt en douceur lorsque vous atteignez la position finale. Ce niveau de contrôle évite les coups de bélier mécaniques (c'est-à-dire les coups de bélier) qui peuvent contribuer à la dégradation prématurée des composants. La capacité de l'actionneur à vitesse variable à fournir ce contrôle a un impact positif sur les intervalles de maintenance et prolonge la durée de vie des composants du système.

Craig Mizer est le responsable de l'ingénierie chez AUMA Actuators, Inc. situé à Canonsburg, en Pennsylvanie. Mizer supervise les activités d'ingénierie soutenant les ventes et la fabrication nord-américaines d'AUMA. Pour plus d'informations, rendez-vous sur auma.com.