Brevet technique

La conception des stations de pompage des eaux usées municipales

Le design des stations de pompage des eaux usées municipales.pdf

Cet article fournit des directives pour la conception des systèmes de pompage municipaux. Il existe trois types de systèmes de traitement des eaux usées :

1. Municipalités

Ces systèmes sont conçus pour desservir une zone de drainage naturelle donnée et font partie du réseau d’égouts sanitaires public.

2. Industrie

Ces installations sont conçues pour servir un secteur donné et, en général, elles sont alimentées par les égouts publics. Elles appartiennent généralement à l’industrie qui les exploite.

3. Résidence

Ces dispositifs sont destinés soit aux particuliers, soit aux complexes immobiliers.

Ces installations sont généralement détenues et exploitées par des particuliers ou des complexes. Dans tout le pays, plusieurs normes différentes sont utilisées pour concevoir les stations de pompage des eaux usées. Toutes ces normes appliquent généralement les mêmes principes, mais il existe des différences qui doivent être prises en compte. Le concepteur doit se familiariser avec la norme utilisée par la municipalité locale. Les directives suivantes décrivent un système complet qui est à la fois fiable et nécessitant peu d’entretien. L’emplacement de la station de pompage dépendra de sa taille. Toutefois, même les stations de pompage de taille moyenne à petite taille nécessitent un accès pour les équipes de maintenance et le matériel, et la facilité d’accès doit toujours être prise en considération.

Dans tous les cas, les stations de pompage doivent être protégées contre les dommages physiques par un cours d'eau local.

Détermination du flux

Pour déterminer le débit moyen quotidien (DAF), il faut définir la zone de desserte. Cette zone peut inclure une zone initiale et une zone finale. Les données d’utilisation du sol doivent être disponibles auprès des autorités locales ou régionales en matière de planification et de zonage pour la zone initiale. L’utilisation future doit être basée sur les plans de la zone de desserte. Une fois l’utilisation du sol déterminée, on peut calculer la population résidentielle équivalente en multipliant les hectares pour chaque classe de zonage par le taux de débit estimé pour cette classe pour toute la zone de desserte.

Le tableau 1 (ci-dessous) illustre le débit estimé des eaux usées provenant des terres non aménagées. Après avoir déterminé le débit maximum pour la zone d’utilisation initiale et la zone d’utilisation finale, ce débit est multiplié par un facteur de pointe pour déterminer le débit maximal.

Ce facteur de pointe varie entre deux et quatre, selon la zone de service et les exigences locales, comme décrit à la section 32.38 des Normes recommandées pour les installations d’épuration, édition de 1978 (c’est-à-dire les Dix Normes de l’État). Le facteur de pointe est nécessaire afin que la pompe puisse gérer les variations de la quantité d’eau entrant dans le puits humide au cours de la journée.

TAILLE PRINCIPALE ET MATÉRIAUX

Une fois le débit maximal déterminé, la taille de la conduite principale peut être déterminée. La vitesse dans cette conduite doit être d’au moins 2 pieds par seconde (fps) et maximale de 5 fps. Cela permet de maintenir les solides en suspension, mais sans entraîner de pertes de pression importantes dans la conduite principale. Si un débit initial et un débit maximal sont utilisés lors de la conception de la conduite principale, la vitesse ne peut pas être maintenue dans ces limites. Si le débit varie de manière excessive, une solution consiste à installer deux conduites principales pour mieux contrôler la vitesse. Une deuxième solution consiste à prévoir une unité de propulsion variable afin que la pompe puisse mieux suivre la vitesse d’alimentation. Cela nécessiterait que le système soit conçu pour le débit maximal.

Les dimensions minimales des tuyaux devraient être de 4 pouces lorsque des pompes d’eaux usées sont utilisées, car ces dernières doivent avoir une capacité de passage de solides d’au moins 2 pouces et demi. De cette manière, le risque de blocage de la conduite principale est minimisé. Si des conduites d’eau de plus petite taille sont nécessaires, il convient d’utiliser une pompe à entraînement électrique.

Les conduites forcées peuvent être construites à partir de plusieurs matériaux différents. Le PVC et l’éthylène sont les matériaux les plus couramment utilisés aujourd’hui en raison de leur coût et de leur coefficient de rugosité. La construction des conduites forcées doit être similaire à celle des conduites d’eau, c’est-à-dire prévoir des dispositifs de retenue et des dispositifs de blocage aux angles et aux tee.

De plus, il convient de prévoir l’expansion et la contraction de la conduite principale grâce aux joints d’étanchéité. Des vannes de décompression doivent être installées à des endroits stratégiques afin d’éviter tout risque de blocage ou de fuite d’air. Des vannes de vide doivent être installées si nécessaire pour permettre l’admission d’air après un cycle de pompage. Il convient également de prévoir des dispositifs de vidage afin de nettoyer les endroits où des obstructions peuvent se former ; généralement, dans les endroits les plus reculés ou lors de changements de direction.

Analyse de la courbure de la tête du système

Maintenant que la force de pompage a été déterminée, la courbure de la tête du système peut être déterminée. Tous les coude, raccordements, entrées et sorties ainsi que les longueurs des tuyaux doivent être utilisés pour déterminer une longueur de tuyau équivalente. Les pertes de friction de la force de pompage peuvent être basées sur l’équation de Hazen-Williams. Avec la taille de la force de pompage, le matériau et la longueur équivalente, la courbure de la tête du système peut être déterminée.

Les deux éléments de la courbe de tête du système sont

1. la tête statique et 2. la tête de friction.

1. Cap statique Il est défini comme le levage vertical du fluide que doit surmonter la pompe. On suppose qu'il est constant après que la station a été mise en service, conformément à la courbe de tête du système. Il est défini comme suit :

Hauteur statique = Hauteur la plus élevée atteinte par l’atmosphère* moins le point de basculement du système**

* C’est généralement la sortie de la tuyauterie.

** Toutes les pompes sont réglées à la même hauteur (Suggestion : utiliser la hauteur moyenne entre “ la pompe principale allumée ” et “ toutes les pompes éteintes ”. Cela donnera la valeur médiane de la plage de fonctionnement de la pompe.)

2. Tête de friction Ce sera différent lors de la vidange du puits humide, comme indiqué ci-dessus. Voir la figure 1 (ci-dessous), qui montre la plage de pompage due à la variation de la tête statique pendant le cycle de pompage.

Dans un système donné, la tête de friction varie en fonction du débit, comme indiqué par l'équation suivante :

HL = 10,4397 (L) (Q)1,85 (C)1,85 (d)4,8655

où,

HL= Total perte de pression de friction, pieds d'eau

L = Longueur de la même longueur de tuyau avec un diamètre di ft

C = Coefficient de débit de Hazen-Williams (voir tableau 2)

Q = Volume de débit, gallons par minute (gpm)

d = Diamètre interne de la tuyauterie, pouces (in)

La perte de débit au travers du système doit être déterminée séparément pour chaque section du système en fonction du matériau de la tuyauterie, du diamètre de la tuyauterie et de la quantité de débit. Si plusieurs pompes de même taille doivent être en fonctionnement simultanément, on suppose que le débit de la pompe vers la conduite principale de force commune est égal à un divisé par le nombre de pompes en fonctionnement.

Une règle générale est de générer la courbe de tête du système avec environ 10 points entre 50 % et 150 % de la charge nominale. Généralement, il est nécessaire d’avoir une courbe de tête séparée pour déterminer la capacité totale d’une station de pompage fonctionnant en plusieurs étages. Les systèmes peuvent ensuite être tracés. Le calcul de la courbe de tête suit dans la section suivante.

CALCULATIONS DYNAMIQUES ET STATISTIQUES TOTALES DE LA TÊTE

I. Données de débit de la station de pompage

A. Débit moyen quotidien : 122 400 gpd

B. Débit moyen/1 440 85 gpm C. Rendement de la pompe 300% (facteur de pointe) 255 gpm requis

II. Coefficient de rugosité

C = 120 pour les tuyaux en acier ductile (DIP) ; ID DIP = 6 po.

C = 150 pour le PVC ; ID PVC = 6 po.

III. Longuesurs équivalentes et pertes mineures

IV. Cap statique

A. High Point dans le système 475.6

B. Plein de pression le plus bas dans le système 432,40 Hauteur statique totale 43,20

V. Coupes de design

Calculs de la courbe de système (voir les tableaux A et B.)

Lorsqu'on cherche à choisir une pompe pour répondre aux besoins du système, le point de fonctionnement de la pompe sélectionnée doit correspondre le plus possible au débit nominal et au point d'efficacité optimal de la pompe. L'efficacité de la pompe est également un facteur important à prendre en considération lors du processus de sélection. Les rendements de la pompe varient en fonction de la conception de l'impérial (vortex, semi-ouverte, fermée) et de la conception de l'enceinte de la pompe (concentre ou convoluée).

Bien que toutes ces caractéristiques aient des caractéristiques uniques, elles doivent être prises en considération lors du choix de la pompe afin d’assurer un fonctionnement et une fiabilité à long terme. Si les performances de la pompe ne sont pas publiées, elles peuvent être obtenues directement auprès du fabricant.

Après la sélection de la pompe, on peut déterminer la puissance en chevaux (whp) de l’eau, qui est définie comme suit :

whp = (1) (TDH) /3 960

où,

q = taux de pompage (gpm)

TDH = tête dynamique totale (pieds) à q

Puissance de freinage (bhp) = efficacité de pompage/whp

La courbe de tête du système peut alors être tracée sur la courbe de performance de la pompe pour les deux modes de fonctionnement : pompe unique et pompe double, afin de déterminer les points d’exploitation du système. Le changement de la tête statique lors de la réduction de pression modifiera le débit de pompage. Comme le montre la figure 2, la plage normale de pompage varie en fonction du changement de la tête statique.

Tailles de cale de WET WELL

Conception des stations de pompage d'eaux usées et d'eaux pluviales, La Fédération de contrôle de la pollution de l'eau, Manuel de pratique n° FD-4, 1981, p. 18, indique que le puits humide doit être dimensionné de manière que le temps de cycle de chaque pompe ne soit pas inférieur à cinq minutes ou que le temps de cycle moyen ne soit pas supérieur à 30 minutes. Le cycle de fonctionnement le plus court se produit lorsque l'afflux est égal à la moitié du débit de la pompe.

Par conséquent, si

V = volume de décompression, gal

q = Taux de décharge de la pompe, gpm

Q = Écart de débit vers le puits humide, gpm

t = Durée minimale d'un cycle de pompage en minutes, de l'instant où on commence à pomper jusqu'à l'instant où on termine.

t = (temps de remplissage) + (temps de fonctionnement)

qui se réduit au volume d'exploitation où

Grâce au volume de fonctionnement, on peut déterminer la distance verticale entre le niveau de charge de la pompe et le niveau de repos de toutes les autres pompes pour différentes tailles de puits humides. Entre le volume de fonctionnement et la nécessité de stockage d’urgence, on peut déterminer la taille du puits humide.

La capacité de stockage d’urgence dépendra du délai de réponse requis et de la moyenne d’afflux. Les exigences en matière de capacité de stockage d’urgence varient d’un organisme de réglementation à l’autre, mais le stockage doit se faire dans le réseau d’égouts au-dessous de l’orifice d’évacuation le plus bas ou de la plus grande dérivation du réseau d’égouts. Le stockage doit se faire dans le puits d’eau de pluie, le réservoir d’orage, les conduites d’égout entrant ou les bouches d’égout en amont.

Une fois la taille du puits humide déterminée, on peut alors déterminer la distance entre les flotteurs pour les pompes à plomb et toutes les pompes qui ne sont pas utilisées. Cette distance dépendra de la taille du puits humide et de la quantité d’eau nécessaire pour fonctionner. La distance verticale entre l’élévation de la vanne commune et le fond du puits humide dépend de la pompe choisie. L’élévation de la vanne commune ne doit pas être inférieure à la hauteur du boîtier de la pompe ou, selon les spécifications du fabricant, celle qui est la plus élevée. La distance entre le niveau d’eau de pointe, de retenue et de niveau d’eau élevé dépend généralement des exigences locales. Si des flotteurs à mercure sont utilisés, ils ne doivent pas être espacés de moins de six pouces, le niveau d’alarme d’eau haute étant situé à la hauteur ou inférieure à la plus basse conduite d’égout.

Ces paramètres détermineront la profondeur du puits humide, ce qui permettra de compléter les calculs de flotabilité. L’analyse de flotabilité du puits humide déterminera si des méthodes supplémentaires de retenue seront nécessaires. Les équipements mécaniques, le poids de l’eau et autres charges temporaires ne doivent pas être inclus dans l’analyse. L’angle de repose du sol doit être supposé égal à zéro degrés, à moins que l’analyse du sol n’indique qu’une autre valeur est justifiée. La force de flotabilité équivaut au volume déplacé du puits humide et de la dalle de fond multiplié par le poids unitaire de l’eau. La force opposée est égale au poids de la dalle de fond, de la dalle supérieure et du sol au-dessus de l’extension de la dalle de fond, si applicable. Le facteur de sécurité est égal à la force opposée divisée par la force de flotabilité. Le facteur de sécurité doit être >1,5.

CALCULATIONS DE LA PRESSION PRINCIPALE ET DE L'HAMMAGE D'EAU

Le bourdonnement d’eau est une augmentation de la pression dans le tuyau causée par un changement soudain de la vitesse. Le changement de vitesse résulte généralement de la fermeture d’une vanne. D’après le Manuel Uni-Bell sur la conception et la construction des tuyaux, 1986, chapitre V, la pression maximale pouvant être atteinte dépend de la vitesse de l’onde comme suit :

a = 4 660 / (1 + (kd/ET)) 1/2

où, a = Vitesse d'onde (fps)

k = Modulus de volume à vide (300 000 psi pour l’eau)

d = – Code de la conduite (in.)

E = Modulus d'élasticité du tube ; 400 000 psi pour le tube en PVC ; 24 000 000 psi pour le fer ductile ; 110 000 psi pour le polyéthylène

t = Épaisseur de la paroi du tuyau (en pouces)

a = 4 660 / ((1 + (k/E) (DR-2))1/2), où,

DR = Ratio de dimension = O.D. (en pouces) / Épaisseur du mur (en pouces) La pression de surtension maximale,

P, alors P = – aV/2,31g

où, a = Vitesse d'onde (fps), telle que définie ci-dessus

V = Changement maximal de la vitesse (fps)

g = Accélération due à la gravité (32,2 pieds/s²)

Pour déterminer la variation maximale de la vitesse, il convient d’utiliser un scénario de cas le plus défavorable possible. Ce scénario se produit lorsque toutes les pompes fonctionnent à la pression statique minimale (c’est la vitesse maximale que les pompes peuvent produire) et qu’elles sont soudainement arrêtées. La pression statique minimale se produit lorsque le niveau d’eau est maximal dans le système.

Il convient de prendre en considération les conditions de débit maximales futures lorsque des pompes plus grandes pourraient être installées dans le puits humide, ce qui entraînerait à son tour des débits et des vitesses plus importants. La méthode actuelle pour aborder ce problème consisterait à choisir une pompe pour les conditions de débit maximales et à déterminer le point de fonctionnement à la pression statique minimale.

La pression totale (la pression de surpresse plus la pression statique) peut alors être vérifiée par rapport à la pression maximale de la conduite.

La défaillance cyclique due à des surcharges est une autre considération lors du choix du matériau du tube pour le canal de force. La recherche a montré que, dans les systèmes de canalisations où la variation totale des surcharges de pression équivaut ou dépasse 50 % de la pression de fonctionnement, le canal de force peut s’endommager en raison de la fatigue. Au fur et à mesure que la recherche sur ce sujet se poursuit, la compréhension du phénomène de la fatigue augmente ; par conséquent, les techniques de conception visant à prendre en compte les surcharges cycliques et la “ fatigue cyclique ” sont en cours d’amélioration.

À partir d'une analyse de régression des données de recherche relatives aux effets des surcharges cycliques, H.W. Vinson a développé la formule suivante :

C = (5,05 S. 1021) S -4,906 où,

S = Pression maximale du bourrelet (psi)

C = Nombre moyen de cycles jusqu'à l'échec Cette formule implique que, à un nombre de cycles défini, C, 50 % des tuyaux en PVC testés ne seraient pas endommagés.

Il est recommandé de procéder de la manière suivante à la conception :

1. Déterminer la pression maximale, P, à partir de la hydraulique du système, y compris la pression de fonctionnement et la pression de surpression.

Cela doit être comparé avec la résistance théorique du tuyau.

2. la résistance théorique du tuyau, détermine la tension maximale admissible sur le bourrelet [c’est-à-dire les normes de l’Organisation internationale de normalisation (ISO) pour les tuyaux en PVC :]

S = P(DR 1)/2].

3. Calculez le nombre moyen de cycles jusqu'à l'échec.

4. Évaluez les années de service avant l’échec du système proposé et comparez-le avec la durée de vie prévue par le concepteur :

C = +24 cycles par heure par jour X 365 jours par an, où,

t = temps minimum d'un cycle de pompage en minutes, de l'instant où le cycle commence jusqu'à l'instant où il se termine

Les exemples suivants illustrent les calculs de pression de surtension et de surtension cyclique :

Supposons que SDR = 32,5 pour la tuyauterie principale en PVC de 6 pouces.

Classe de pression = 125 psi

Bien que les équations cycliques de Vinson soient des outils utiles pour déterminer la fatigue due aux surcharges cycliques, les ingénieurs doivent prendre en considération les limites de ces équations, à savoir :

1. Les formules ont été développées à l’aide de fortes pressions (25 ou 50 % supérieures et inférieures à une pression de base) sur un échantillon de tuyau en PVC.

2. Les fréquences cycliques étaient de 6 à 10 cycles par minute. Les équations ne prennent pas en compte le phénomène de relaxation de la tension.

Ci-dessous sont présentées plusieurs considérations de conception qui n’ont pas été abordées mais qui sont essentielles dans certaines applications.

1. Contrôle de l'odeur – Généralement, si la durée de la retenue dans le puits humide ou le puits principal, calculée en fonction de la vitesse moyenne de déversement, est inférieure à 30 minutes, alors il devrait y avoir très peu de problèmes. Le puits humide doit être correctement évacué vers l’atmosphère.

2. Hauteur de la pompe à aspiration positive nette (NPSH) – Dans les stations de pompage sous-marines de petite à moyenne taille, si le boîtier de la pompe est immergé et que le puits humide est déversé dans l’atmosphère, il devrait y avoir peu de problèmes. Lorsque les flux sont importants, la cavitation peut être un problème majeur.

3. Vannes d'air/vapeur – Selon le profil et la taille de la conduite principale, la pression d’air ou de vide peut être un facteur majeur dans le cycle de vie du système. L’accumulation d’air peut entraîner une pression d’alimentation excessive que la pompe ne peut pas supporter et les profils de dévers importants qui s’ouvrent vers l’atmosphère peuvent entraîner une pression négative excessive qui pourrait faire s’effondrer la conduite principale ou dépasser la capacité de la pompe, ce qui la ferait surchauffer et se brûler en raison de cette pression négative.

4. Sécurité – La conception d’une station de pompage nécessite une révision des composants du système afin de s’assurer que le système est sécuritaire à utiliser. Les escaliers d’accès pour le puits humide et le coffret de la vanne, un chariot élévateur pour le déchargement de la pompe, l’éclairage, la ventilation pour éliminer les gaz dangereux et la sécurité du système électrique sont les éléments de sécurité les plus importants à prendre en considération.

5. Zones mortes humides – Dans tous les puits humides, il existe des zones qui permettent aux solides de sortir de l’immersion. Il faut éliminer ces zones ou prévoir une méthode pour réintroduire les solides afin qu’ils puissent être transportés.

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