Brevet FR3074056A1 — publié le 20190531

Optimisation de filtres rotatifs relativement au risque de colmatage d'une installation de pompage d'eau sur site naturel La présente invention concerne le domaine de la filtration de l'eau issue de sites naturels ou de plein air. A titre d'exemple, les sites peuvent être des rivières, lacs, mers ou océans. L'eau est ainsi susceptible d'incorporer des impuretés (algues, animaux marins, feuilles ou branches mortes et autres déchets notamment organiques). Ces éléments peuvent alors colmater des filtres rotatifs (par exemple des tambours de filtration) prévus pour filtrer l'eau avant son utilisation, par exemple mais non exclusivement en amont de circuits de génération de vapeur dans des installations de production électrique. Ces éléments, appelés ci-après « colmatants » (végétaux ou organismes vivants) peuvent être en effet aspirés vers les stations de pompage d'une installation quelconque, en vue de tout prélèvement d'eau. Il peut s'agir d'une station de pompage d'une centrale de production électrique ou encore d'usine de production d'eau potable, ou autres. Dans toute application de pompage d'eau du type précité, il advient le risque d' entrainer le colmatage des filtres rotatifs (tambours filtrant ou filtres à chaines) prévus dans la station de pompage. Dans certaines applications du type précité, le risque d'un débit nul ou insuffisant en aval des filtres rotatifs ne peut pas être pris. Aussi, il est recherché une solution pour optimiser la conception des filtres en fonction du débit minimum souhaité en aval des filtres, ou tout au moins de la perte de charge maximum tolérée en aval des filtres, ou encore tout au moins d'une évolution temporelle tolérable de cette perte de charge. Il n'existe pas de technique quantitative précise pour prendre en compte l'effet de l'arrivée de ces colmatants dans le dimensionnement des systèmes de filtration mobiles des stations de pompage d'eau, avec une définition quantitative des paramètres de conception de ces filtres (taille du filtre, vitesse de rotation, système de lavage). La présente invention vient améliorer cette situation. 2 Elle propose à cet effet un procédé de gestion d'une installation de pompage d'eau issue d'un milieu naturel susceptible de comporter des impuretés, l'installation étant destinée à mettre en service au moins un filtre rotatif pour purifier l'eau pompée tandis qu'une partie au moins des impuretés colmate au moins partiellement le filtre rotatif 5 En particulier, le procédé comporte une estimation d'une évolution temporelle d'une perte de charge occasionnée par le colmatage du filtre rotatif par les impuretés, à partir au moins: - de données relatives au milieu naturel, - de dimensions du filtre rotatif, et - de mesures locales relatives à au moins un niveau d'eau N amont en amont du filtre, et à un 10 débit 0 aspiré d'eau aspirée en aval du filtre. Une telle réalisation permet alors d'anticiper la perte de charge dans le temps, pour optimiser les conditions de fonctionnement de l'installation de pompage, ou encore de concevoir des filtres optimisés pour les besoins de cette installation de pompage. 15 Dans une réalisation, le filtre rotatif comporte au moins un cylindre : - de rayon donné RF, - mis en rotation autour d'un axe donné de hauteur N. par rapport à une référence donnée, - et de largeur donnée LF, définie parallèlement à son axe de rotation, 20 et, la perte de charge étant définie par une différence entre les niveaux d'eau en amont N amont et en aval Naval du filtre, l'évolution temporelle de la perte de charge est déduite de l'évolution temporelle du niveau d'eau en aval du filtre, donnée par : dN aVa _ Qfiltre Qaspiré dt 2RFLF\ 1 ( AT -`v axe -\ 2 Naval \ RF avec : 3 - Nava/ , un niveau d'eau en aval du filtre, mesuré ou déduit de la mesure du débit Qaspire d'eau aspirée en aval du filtre ; - N axe , le niveau en hauteur de l'axe de rotation du filtre, déterminé relativement à une même référence que le niveau Nava/ d'eau en aval du filtre, 5 - Qfittne , un débit d'eau à travers le filtre. Dans cette réalisation, le débit d'eau à travers le filtre Qfi're peut être calculé au moins en fonction du niveau d'eau en amont du filtre Nam', déterminé relativement à la même référence que le niveau Nava/ d'eau en aval du filtre, pour: (N amont N aval) 10 >0,65 LF comme suit : Q filtre = 2L,R,Arc cos 1 AT où : axe N amont 2g(Nam0nt - Nava, ) + 0,6f1 SGin\I2g(N amont -N mmi) R, kRe 13(1- f1)+ (I- 1)2 fi - g est la constante gravitationnelle, 15 - fi est la porosité du filtre partiellement colmaté et correspond au rapport du volume libre d'eau dans le filtre sur le volume total du filtre, - Sem correspond à la section du filtre émergée et pour un tambour, elle s'exprime par : Sem = L FRF (a Namont -a Naval Naxe N amont Naxe Naval s\ 20a Namont = 2Arc cos et a - Naval - 2 Arc cos R, R, - kRe - 1+ 0,7e-0,0106 Re pour Re 400, Re étant le nombre de Reynolds propre au filtre. 4 ( amont a 1) Naxe N amont - Naxe ( 7rRF +2 COS a F ) 5 10 et par Sam =2LFRFArc cos axe amont si Namont Swav), correspondant à un taux de colmatage Tc3: 20 On définit les masses échangées entre les zones, sur l'intervalle de temps dt : - dM1, la masse entrant de la zone Z3 vers la zone Z1 vaut : MI 1 = PT ,3 L FV F dt - dM2, la masse sortant de la zone Z1 vers la zone Z2 vaut : 25 MI 2 = PT,ILFVFdt - dM3, la masse sortant de la zone Z2 vers la zone Z3 vaut : MI 3 = PT,2LFVFdt Sur la zone Z1 (section So), le bilan de masse sur la durée dt s'écrit : 17 dMentrant + dM 1 - dM 2 = PdScoimi - La masse entrant dans le filtre vaut : dMentrant = CQ filtre di - La section colmatée sur la zone Z1 et sa dérivée s'écrivent : Scohni TclSo 5 dScoind = SodTa On obtient une première relation : CiTci _CQ filtre +(I '-,3 c So Tcl)LFVF dt P Sur la zone Z2 (section Sbal-S0), le bilan de masse sur la durée dt s'écrit : 10 dM 2 - dM 3 = P dS coin, 2 - Sur cette zone, la section colmatée et sa dérivée s'écrivent : Scohn 2 - Tc2 (Sbal S0) dTc2 T 2 dS bai dS colin 2 (Sba/ SO ) dt dt c dt On obtient une seconde relation : ( ( LFVF dT 2 1 dSbai (Sba/ SO c Ti 1+ Tc2 dt L V dt F F I j 15 Plus précisément, la zone Z2 est définie plus finement en fonction de la position de l'impact du jet des buses et la relation ci-dessus est valable tant que Sbal Scdav, on a: Sbal - S alav dSbal 0 dt Sur la zone Z3 (section Smax-Sbai), poursba,alav le taux de colmatage est nul et on écrit : 18 Tc3 - dTc3 dt ° - Pour Salav Smax Sba/ = Smax dShal dt o Ensuite, le débit à travers le filtre peut être calculé comme suit. Il est composé d'un débit immergé et d'un débit émergé, le premier étant décrit par l'équation d'Idel'Cik, le second 15 par une loi établie à partir des essais en canal avec une plaque perforée de porosité connue (selon des études internes du demandeur) : f titre (t) = un(t) em(t) Le débit immergé Q7,2(0 peut être calculé par une loi d'Idel'cik en fonction de la perte de charge. Dans le cas général où le taux de colmatage varie le long de la surface amont immergée, le 20 débit immergé vaut : 19 Qim = f VamdS Sam La vitesse locale à l'amont de la section dS est calculée en fonction de la perte de charge du filtre par : N amon 2 v a aval m 2g 5 Le coefficient dépend du taux de colmatage local sur la section dS. Si le taux de colmatage est uniforme sur la section immergée, le coefficient est uniforme et on obtient : aval)Q 5+ am 2g(Namont , le terme Sam ne représentant finalement que la section immergée S, calculée précédemment. 10 Pour la maille colmatée du filtre, le coefficient est donné par une corrélation d'Idel' cik adaptée à un grillage fin : kRe ( , avec en particulier ici f = f1 = f(1 - c1) fo 1 2 1,3(1 - f)+ (-- f étant une constante relative à la porosité du filtre propre, et Tc1 le taux de colmatage du filtre dans la première zone Zl. 15 V Le coefficient kRe dépend du nombre de Reynolds Re calculé par : Re '1 v avec y la viscosité cinématique de l'eau (constante et valant 0,000001 m2/s à 25°C) et le diamètre du fil de la maille colmatée tel que : =a0 + (50 - ao .'11- Te 20 Pour Re 400 : kRe Ici Te Pour un tambour filtrant, la section amont vaut : ( 5 S am = L F axe Namont = 2LFRFArc cos Pour un filtre à chaine, la section amont vaut : - Si Namont > Naxe ( Sam = 7..cRF +2 Namont-Naze COSaF ) - Si Namont 0,65 : Cd = 0,6 21 Ces valeurs de Cd se calculent ainsi en fonction du paramètre x dépendant de la perte de charge (N amont- aval) - Ces formules ont été établies par des essais en canal par le Déposant et il s'est donc avéré préférable de tenir compte des deux formules selon si x>0,65 ou x Naxe, ce volume vaut : V f (N) = 10 a: dVjai dNava, = 21,F (RF tga F(N ava, dt dt ( 7rR 2 F 2 ±(2RF - H NtgocF)H N LF et on Pour Namont Salav dT2 1e = 0)(Tcl - I, Tc2) FV Fdt (Sala, - S pour Scd' Smax 1 dT,3 - )T,2-1',3)LFVFdt (Smax - S cd') Dans ce système d'équation, le débit à travers le filtre Q fi're est initialement donné par Qfffire(0)-Qasp(0) et c'est cette valeur Qasp(0) qu'il prend initialement pour calculer dT,1 à 15 l'instant t=0+dt, ainsi que dT,I, dT,2 et dTe,, et pour en déduire ensuite de nouvelles valeurs de Tcl, Tc2 et 1e3 26 Ensuite, à l'étape S7, on en déduit le nouveau débit à travers le filtre en fonction du taux de colmatage Tc, et de la perte de charge, comme suit, à titre d'exemple ici dans le mode de réalisation le plus courant où le filtre est un tambour rotatif tel que : (N amont Naval) > 0,65 LF kRe 2g(Namon, -Navai) ( + 0,6f; Sem g(N amen, - N1) 1,3(1 - f1) + 1 1)2 fi 5 Q filtre = 2LFRF Arc cos Naxe - N amont RF avec : f1 = fo (1 - Tm), la porosité dans la première zone du filtre, immergée et qui se déduit donc de Tc1, et : ( - Sem - LFRF(aNamont CC Naval ) où cc N = 2Arc cos 10 - kRe = 1+ 0,7e-0,0106 Re pour Re 400, Re étant le nombre de Reynolds propre au filtre tel que : V 2g(Namon, - Navai) Re _ am avec .5 a0 +S0 -a0 - et van, La valeur du débit à travers le filtre ainsi trouvée 0 filtre peut alors être injectée à nouveau dans la première équation dTc, = S0 (C filtre ± (Tc3 Tcl)LFVF)dt pour déterminer dT cl 15 pour l'instant suivant t+dt, ainsi que dTcl, dTc2 et dTc3 , et de là, T2 et Tc3 à nouveau. Enfin, l'évolution temporelle du niveau aval en fonction du débit du filtre et du débit aspiré peut être donnée aussi à l'étape S8 par: L'invention peut être mise en oeuvre pour : dNaval Q filtre Q aspiré 20 2RF LF dt 2 axe aval RF ( 1 RF 27 - L'optimisation du fonctionnement d'un système de filtration rotatif, en choisissant par exemple les différents seuils de perte de charge et les vitesses correspondantes, afin d'anticiper les pertes de charge futures et déterminer d'emblée les vitesses les plus appropriées ; 5 - La simulation d'un évènement de colmatage passé, afin de perfectionner les équations ci- dessus, notamment mais non exclusivement les paramètres propres à l'hydrobiologie du site (étape Si précitée) ; - La détermination des dimensions idéales des filtres rotatifs pour de nouvelles installations de pompage nécessitant un débit aval maximum donné, et compte tenu de l'hydrobiologie 10 du site de pompage. Le procédé de la figure 4 peut donc être utilisé pour optimiser le fonctionnement d'un filtre rotatif (affiner les valeurs des seuils de déclenchement des vitesses de rotation, les seuils de baisse du débit pompé, ou autres) ou pour dimensionner les filtres rotatifs d'une nouvelle 15 station de pompage (extension d'une station existante, renouvellement ou création d'une nouvelle station de pompage). Les avantages de ce procédé sont les suivants : - L'estimation de l'évolution de la perte de charge est quantitative, 20 - Elle dépend d'un site spécifique, - Elle est peu couteuse en termes de ressources et temps de calculs, - Elle peut s'appliquer pour le pompage d'eau pour générateurs de vapeur en production d'électricité, mais plus généralement dans toute industrie impliquant une station de pompage d'eau d'un milieu naturel (mer, lac ou rivière) (industrie 25 chimique, ou de traitement des eaux), ou encore pour l'industrie de la conception de filtres rotatifs de façon plus générale. Ce procédé, ainsi que les calculs associés ci-avant, peut être mis en oeuvre par un programme informatique dont l'algorithme général suit l'ordinogramme présenté ci-avant 30 en référence à la figure 4. A ce titre, l'invention vise aussi un tel programme informatique, 28 ainsi qu'un dispositif informatique, tel qu'illustré sur la figure 5 et comportant un circuit de traitement DIS comprenant : - Une interface d'entrée IN pour recevoir des mesures de perte de charge (ou tout au moins de niveaux aval), ou encore des valeurs simulées de telles mesures pour la 5 conception d'un filtre rotatif, - Une mémoire MEM pour stocker des instructions d'un programme informatique au sens de l'invention (et éventuellement des données de paramètres de filtre et/ou des données provisoires de calcul), - Un processeur PROC pour coopérer avec la mémoire MEM et exécuter le procédé 10 ci-avant, et - Une interface de sortie OUT pour récupérer un calcul d'évolution de la perte de charge, et éventuellement un signal d'alarme AL pour alerter d'une insuffisance d'alimentation en eau du système de pompage POM due à une trop forte perte de charge à prévoir après un délai estimé à partir de cette évolution, ou encore des 15 données de recommandations RECO pour la conception optimisée d'un REVENDICATIONS1. Procédé de gestion d'une installation de pompage d'eau issue d'un milieu naturel susceptible de comporter des impuretés, l'installation étant destinée à mettre en service au moins un filtre rotatif pour purifier l'eau pompée tandis qu'une partie au moins des impuretés colmate au moins partiellement le filtre rotatif, Le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte une estimation d'une évolution temporelle d'une perte de charge occasionnée par le colmatage du filtre rotatif par les impuretés, à partir au moins: - de données relatives au milieu naturel, - de dimensions du filtre rotatif, et - de mesures locales relatives à au moins un niveau d'eau Noen', en amont du filtre, et à un débit 0 aspiré d'eau aspirée en aval du filtre. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le filtre rotatif comporte au moins un cylindre : - de rayon donné RF, - mis en rotation autour d'un axe donné de hauteur N. par rapport à une référence donnée, - et de largeur donnée LF, définie parallèlement à son axe de rotation, caractérisé en ce que, la perte de charge étant définie par une différence entre les niveaux d'eau en amont Noen', et en aval Naval du filtre, l'évolution temporelle de la perte de charge est déduite de l'évolution temporelle du niveau d'eau en aval du filtre, donnée par : avec : - Nava, , un niveau d'eau en aval du filtre, mesuré ou déduit de la mesure du débit Qaspiré d'eau aspirée en aval du filtre ; dN aVa _ 91'11a-é Qaspiré dt 2RFLF 1 ( AT -`v axe -\ 2 Naval \ RF - N axe , le niveau en hauteur de l'axe de rotation du filtre, déterminé relativement à une même référence que le niveau Naval d'eau en aval du filtre, - Qfii'e , un débit d'eau à travers le filtre. 5 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le débit d'eau à travers le filtre Q filtre est calculé au moins en fonction du niveau d'eau en amont du filtre N amont déterminé relativement à la même référence que le niveau Nava/ d'eau en aval du filtre, pour: (N amont N aval) > 0,65 LF comme suit : 10 AT 2g(Nam0nt -Nayai) Q filtre = 2L,R,Arc cos axe N amont + 0,6f1 SG',\12g(N amont -N avai) R, kRe 13(1-f1)+ (I- 1)2 fi où : - g est la constante gravitationnelle, - fi est la porosité du filtre partiellement colmaté et correspond au rapport du volume libre d'eau dans le filtre sur le volume total du filtre, 15 - Sem correspond à la section du filtre émergée et s'exprime par : Sem = LFRF (a Namont a Naval) où r N - N Naxe Naval s\ axe amont a Namont = 2Arc cos et a - Naval - 2Arc cos R, R, - kRe - 1 ± 0,7e-0,0106 Re pour Re 400, Re étant le nombre de Reynolds propre au filtre. 20 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rapport fi est donné par fi = fo (1 - Tm), fo étant une constante relative à la porosité du filtre propre, et Tm étant un taux de colmatage du filtre à un instant courant. 25 5. Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, dans lequel le filtre comporte un tamis à fils croisés, caractérisé en ce que le nombre de Reynolds est donné par : 31 V Re=m avec Où: - 80 étant le diamètre de fil du filtre, propre sans impureté, - a, étant la taille de la maille de filtre, 5 - V. étant la vitesse de l'eau en amont du filtre, et - Tm étant un taux de colmatage du filtre à un instant courant, - y est la viscosité cinématique de l'eau, ayant pour valeur 0,000001 m2/s à une température de 25°C. 10 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la vitesse de l'eau en amont du filtre est calculée par : g (N amont - Naval) , avec 4 un coefficient de perte de charge du filtre. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que 4 est le coefficient de perte de 15 charge de la section immergée du filtre, donné par une corrélation d'Idel'cik adaptée à un grillage fin, et s'exprime par : Re ( 1,3(1 f1) + ( 2- 1 ) 20 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'évolution temporelle de la perte de charge est fonction d'au moins un taux de colmatage du filtre à un instant courant et de la dérivée temporelle de ce taux de colmatage, et en ce que le procédé comporte une étape de résolution d'au moins une équation différentielle associée à ce taux de colmatage et faisant intervenir lesdites données relatives au milieu naturel. 25 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le filtre rotatif comporte une ou plusieurs buses de lavage en au moins un point donné d'impact de jet d'eau sur la périphérie interne 32 du filtre, caractérisé en ce que le taux de colmatage du filtre rotatif est déterminé pour trois types de partie distinctes du filtre : - Une première partie du filtre immergée dans l'eau et en contact avec les impuretés, sur une surface de contact So correspondant à toute la périphérie immergée du filtre, avec un 5 premier taux de colmatage Tc1, - Une deuxième partie du filtre, émergée et qui s'étend sur une surface périphérique allant au maximum jusqu'à l'impact des buses de lavage, notée Sbal-So, avec Sbal 10 - Une troisième partie du filtre, émergée et complémentaire de la deuxième partie, définie par Sma' - Sbal, Sma' étant la surface périphérique totale du filtre, cette troisième partie correspondant à un troisième taux de colmatage Tc3. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les premier, deuxième et 15 troisième taux de colmatage sont reliés par les équations différentielles : dLci _CQ filtre +(là _Tci)LFVF ° dt P Où: 20 - C est une concentration mesurée dans le milieu naturel en impuretés colmatantes, - P est un pouvoir colmatant propre à l'espèce desdites impuretés colmatantes, - LF est la largueur du filtre, définie parallèlement à son axe de rotation, - Q filtre est un débit d'eau à travers le filtre, - VF est la vitesse de rotation du filtre, fonction de seuils de perte de charge, 25 - rzav est un rendement de lavage du filtre par les buses, correspondant à une donnée mesurée ou statistique. ( ( dTc2 1 dShai (Sbal -S0) dt Tci \,1+ LFVF dt T2 / LFVF dTc 3 ( 1 dS (Sbal S ala (1 r lav)Tc2 (1+ a )Ic3 I, FT/ dt ,V dt ) 33 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que, pour un filtre rotatif de type tambour, de rayon donné RF, mis en rotation autour d'un axe donné de hauteur Naxe par rapport à une référence donnée, et de largeur donnée LF, définie parallèlement à son axe de rotation : 5 - la surface immergée So est donnée par : ( Naxe- Ar,) Sam= RF X LF X aNamont , avec czNan., = 2Arccos - la surface périphérique totale du filtre Smax = 2 x Tt x RF x LF - la surface périphérique de la partie émergée allant jusqu'à l'impact des buses de lavage est donnée par : 10 Satav=Srn +aNamont alav360-" - - - aiav est une valeur d'angle intrinsèque au filtre et fonction de la position d'impact des buses, - Naxe , le niveau en hauteur de l'axe de rotation du filtre, déterminé relativement à une même référence que le niveau N., d'eau en amont du filtre. 15 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que, pour un filtre rotatif de type filtre à chaine comportant un cylindre rotatif supérieur et un cylindre rotatif inférieur reliés par une chaine : [, - la surface immergée So est donnée par Sam = + hN ,-Na,' F L'F , Si Namont > Naxe cosaF 20 et par Sa», = 2L FRF Arc cos ( Ne - N ) Si Namont 13. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, prise en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que le débit d'eau à travers le filtre Qfiitre est calculé en fonction d'un taux de colmatage du filtre correspondant audit premier taux de colmatage Tcl dans ladite première partie du filtre. 15 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dimensions du filtre sont choisies en fonction de besoins de l'installation en débit d'eau aspirée, et en anticipation d'un colmatage du filtre par les impuretés du milieu naturel. 20 15. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filtre rotatif est mis en rotation à une vitesse variable en fonction d'une perte de charge estimée par anticipation, donnée par le calcul de ladite évolution temporelle de la perte de charge, pour un filtre de caractéristiques et de dimensions données. 25 16. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit d'eau aspirée en aval du filtre, pour les besoins de l'installation de pompage, est estimé par anticipation, à partir du calcul de ladite évolution temporelle de la perte de charge, pour un filtre de caractéristiques et de dimensions données. 17. Dispositif comportant un circuit de traitement pour mettre en oeuvre le procédé selon 5 l'une des revendications précédentes. 18. Programme informatique caractérisé en ce qu'il comporte des instructions pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 16, lorsque ce programme est exécuté par un processeur.