Optimisation des systèmes de pompes parallèles pour une gestion efficace du débit

Imaginez ce scénario : Une usine qui fonctionne depuis des années constate que son équipement a du mal à suivre les demandes de production croissantes. Les ingénieurs décident d'activer une pompe de secours, s'attendant à doubler le débit. Au lieu de cela, l'amélioration du débit est négligeable, et les deux pompes commencent à subir des défaillances fréquentes, risquant une panne complète. Qu'est-ce qui a mal tourné ?

Augmenter les débits n'est pas aussi simple que d'allumer une deuxième pompe. Le fonctionnement en parallèle sans une considération appropriée peut dégrader les performances du système et causer des dommages irréversibles à l'équipement. En tant qu'analystes de données, nous devons regarder au-delà des mesures de débit de surface pour examiner la conception du système, la logique opérationnelle et les risques sous-jacents. Cet article explore les pièges courants du fonctionnement en parallèle des pompes à travers une lentille d'analyse de données et fournit des stratégies d'optimisation pour améliorer le débit et la sécurité de l'équipement.

Avant de discuter des configurations de pompes en parallèle, nous devons clarifier un concept fondamental : la conception du système. Tous les systèmes à deux pompes ne sont pas conçus pour un fonctionnement en parallèle. Il existe deux approches de conception principales :

1. Systèmes à fonctionnement en parallèle : Ceux-ci permettent aux pompes de fonctionner simultanément ou indépendamment pour répondre aux différentes demandes de débit. Les systèmes de tuyauterie et de contrôle sont optimisés pour les changements hydrauliques causés par le fonctionnement en parallèle.
2. Systèmes de pompes de secours : Ici, une pompe sert de cheval de bataille principal tandis que l'autre reste inactive en tant que secours pendant la maintenance ou les défaillances. Ces systèmes privilégient la continuité plutôt que l'amélioration du débit.

L'utilisation abusive d'un système de secours pour un fonctionnement en parallèle est une cause fréquente de problèmes de débit et de défaillances de l'équipement. Les documents de conception originaux fournissent le moyen le plus fiable de déterminer le type de système. Lorsqu'ils ne sont pas disponibles, les inspections sur le terrain et l'analyse des données deviennent nécessaires pour déduire l'intention de la conception.

Une courbe du système illustre la relation entre la résistance de la tuyauterie et le débit, montrant la hauteur requise pour déplacer le fluide dans le système à des débits spécifiques. La forme et la position de cette courbe affectent directement les performances et le rendement de la pompe. Comprendre le fonctionnement en parallèle nécessite de maîtriser les concepts de la courbe du système.

Bien que les calculs théoriques puissent modéliser les courbes du système, des facteurs du monde réel tels que le vieillissement des tuyaux, l'usure des vannes et les changements de propriétés des fluides créent souvent des divergences. Des courbes précises nécessitent la collecte et l'analyse de données sur le terrain grâce à :

1. Collecte de données : Mesurer la perte de charge à différents débits à l'aide de capteurs de pression et de débitmètres
2. Traitement des données : Nettoyer, corriger et faire la moyenne des mesures pour éliminer le bruit
3. Ajustement de la courbe : Modéliser mathématiquement la relation hauteur-débit (par exemple, équations quadratiques)
4. Validation : Comparer les courbes ajustées aux données opérationnelles pour les ajustements

La superposition de la courbe du système avec les courbes de performance de la pompe révèle les points de fonctionnement où les courbes se croisent, déterminant les conditions réelles de débit et de hauteur.

Dans les systèmes parallèles idéaux avec des pompes assorties et des courbes de système douces, le débit augmente considérablement avec un changement de hauteur minimal. Les conditions du monde réel diffèrent souvent en raison de :

• Tuyauterie sous-dimensionnée créant des courbes de système raides
• Défauts de correspondance des performances des pompes
• Fonctionnement en dehors des plages d'efficacité optimales

Cela peut causer :

• Répartition inégale du débit : Différents rendements de pompe entraînant des conditions de surcharge ou de ralenti
• Cavitation : Basse pression d'entrée endommageant les turbines lorsque la résistance du système est excessive
• Surcharge du moteur : Fonctionnement inefficace sollicitant les composants électriques
• Vibration/Bruit : Stress mécanique dû à un fonctionnement incorrect

Lorsque le fonctionnement en parallèle est sous-performant, les analystes utilisent plusieurs méthodes de diagnostic :

1. Analyse de la courbe de performance : Examiner les courbes de pompe du fabricant ou testées sur le terrain
2. Analyse de la courbe du système : Évaluer les caractéristiques de résistance de la tuyauterie
3. Examen des données opérationnelles : Analyser les mesures de débit, de hauteur, électriques et de température des systèmes SCADA/PLC
4. Analyse des vibrations : Détecter la cavitation, l'usure des roulements ou les problèmes de déséquilibre
5. Analyse de la consommation d'énergie : Évaluer l'efficacité et identifier les potentiels d'économies

Les solutions varient selon le type de problème :

Améliorations de la conception du système :

• Augmenter la taille des tuyaux pour réduire la résistance
• Rationaliser les dispositions pour minimiser les raccords
• Installer des variateurs de fréquence (VFD) pour un contrôle précis du débit

Améliorations de la sélection des pompes :

• Choisir des unités aux performances assorties
• Privilégier les modèles à haut rendement
• Garantir des marges NPSH adéquates

Mises à niveau du contrôle opérationnel :

• Mettre en œuvre des systèmes de contrôle intelligents
• Effectuer des inspections régulières de l'équipement
• Surveiller les données de performance en temps réel

Le système de refroidissement d'une usine chimique utilisait deux pompes centrifuges en parallèle pour faire face à une charge accrue. Au lieu d'améliorer le débit, les pompes ont développé des vibrations, du bruit et des moteurs en surchauffe. L'analyse a révélé :

• Des défauts de correspondance des performances entre les pompes
• Une courbe de système raide due à une tuyauterie sous-dimensionnée
• Une répartition inégale du débit via les données SCADA
• Cavitation précoce via l'analyse des vibrations

La solution impliquait :

1. Remplacer une pompe pour une meilleure correspondance des performances
2. Repenser les dispositions des tuyaux pour minimiser la résistance
3. Installer des VFD pour un contrôle de vitesse optimisé

Après la mise en œuvre, le système a obtenu un fonctionnement stable avec des débits appropriés et une consommation d'énergie réduite.

1. La quantité de pompes en parallèle doit correspondre aux exigences du système grâce à une analyse coût-bénéfice
2. Ne jamais faire fonctionner simultanément des systèmes non parallèles, sauf pendant de brèves transitions
3. Les systèmes parallèles correctement conçus offrent des avantages en termes de flexibilité et de fiabilité
4. Les configurations parallèles surpassent souvent les pompes uniques de grande taille pour une demande variable
5. Les pompes non assorties peuvent fonctionner en parallèle si les hauteurs de fermeture s'alignent et que les vitesses spécifiques sont similaires
6. Démarrer d'abord les pompes les plus faibles en fonction des données de performance
7. Les VFD aident à équilibrer les charges et à surmonter les défauts de correspondance système-pompe
8. Prévenir la cavitation en évitant un fonctionnement extrême de la courbe avant d'engager les deuxièmes pompes
9. Suivre avec précision les heures de fonctionnement avec des minuteries pour éclairer les décisions de maintenance
10. Les pompes initiales doivent gérer la pleine charge du système sans surcharge