Brevet FR3135286A1 — publié le 20231110

Dispositif pour mesurer le débit d’eau sur un tronçon ou un ilot d’un réseau d’eau sous pression. L’objet de l’invention concerne un dispositif permettant d’alimenter en dérivation un tronçon de réseau d’eau pour en mesurer les grandeurs caractéristiques débit et pression et en déduire ainsi le débit du tronçon à la pression de service. L’objet de l’invention est aussi un procédé de mise en œuvre du dispositif. Le dispositif est constitué d’un ballon hydropneumatique pré-gonflé à une pression inférieure à la pression de service du réseau et à raccorder au réseau avec un enregistreur de débit et un enregistreur de pression. Lorsque le tronçon est isolé du reste du réseau, le dispositif alimente temporairement le tronçon. La mesure des grandeurs caractéristiques -Débit/Pression- permet alors de calculer le coefficient de perte de charge du réseau et d’en déduire son débit à toutes les pressions y compris la pression de service du réseau. Le dispositif se raccorde au réseau sur les branchements ou les poteaux incendie et bouches incendie. Dispositif de mesure du débit d’alimentation d’un tronçon ou d’un ilot de réseau d’eau sous pression Pour prioriser la recherche de fuites sur les réseaux d’eau, les gestionnaires de réseaux effectuent préalablement aux opérations de recherches proprement dites, une pré-localisation des tronçons les plus fuyards. Pour ce faire, ils évaluent le débit introduit dans des tronçons également appelés ilots d’un réseau d’eau. L’analyse et la comparaison des débits des ilots d’un réseau leur permettent de concentrer leurs efforts sur les zones de fort débit, potentiellement les plus fuyardes. Ne disposant pas de débitmètre pour chaque ilot, l’évaluation du débit d’un ilot consiste à mesurer la variation du débit d’alimentation de l’ensemble du réseau avec et sans l’ilot. Le résultat est donc obtenu par soustraction à un débit de référence qui est celui de la totalité du réseau. Les mesures sont effectuées à quelques minutes d’intervalle pour garantir un maximum de répétabilité des conditions de consommation d’eau sur le réseau. Néanmoins, un biais de mesure existe car des tirages domestiques peuvent être déclenchés ou arrêtés pendant les mesures sur l’ensemble du réseau. La durée des mesures est de 3 à 5 minutes pour éviter les régimes transitoires et moyenner d’éventuels tirages d’eau des usagers. Ces opérations sont conduites de nuit car elles nécessitent de couper l’eau de chaque ilot pendant 3 à 5 minutes en fermant les vannes du réseau qui le délimitent. Ce travail nocturne est contraignant car il demande une planification rigide difficilement compatible avec la conduite d’un service des eaux qui a besoin de souplesse pour s’adapter aux urgences. Traditionnellement, cette opération mobilise 3 à 4 personnes pour une nuit. Ces ressources sont rarement disponibles dans les services ruraux qui ont le plus besoin de ces informations pour cibler leurs actions. La longueur totale des canalisations d’un ilot est généralement comprise entre 1000 m et 5000 m. La lourdeur et le coût de mise en œuvre ne permettent pas d’envisager ces opérations à un coût économiquement raisonnable sur des ilots isolés ou sur des ilots de moins de 1000 m. Pour répondre aux problèmes soulevés ci-dessus nous avons développé un dispositif adapté à la mesure du débit d’alimentation d’un tronçon ou d’un ilot d’un réseau d’eau en pression. L’objet de la présente invention concerne donc un dispositif pour mesurer le débit d’alimentation d’un tronçon ou d’un ilot d’un réseau d’eau en pression. L’objet de la présente invention concerne également un procédé pour la mise en œuvre dudit dispositif. La mesure s’effectue sans coupure d’eau, elle peut être mise en œuvre pendant la journée sans occasionner de gêne pour les utilisateurs. Le débit est mesuré directement sur l’ilot, sans soustraction à un débit de référence sur une zone beaucoup plus vaste. L’invention est mise en œuvre en quelques minutes par une ou deux personnes selon la taille de l’ilot à mesurer. Elle peut être déployée pour une mesure ponctuelle sur des ilots de 100 m à 5000 m de canalisations ou pour une campagne de plusieurs ilots d’un réseau. La décrit l’invention raccordée à l’ilot d’un réseau dont on souhaite connaitre le débit d’alimentation à la pression de service. La donne l’exemple des résultats d’une mesure et de leur interprétation pour en déduire le débit de l’ilot. Le dispositif selon l’invention comprend un ballon hydropneumatique avec ou sans vessie, raccordé avec un enregistreur de débit et un enregistreur de pression, ces deux enregistreurs étant synchronisés entre eux. Pour la sécurité de l’opérateurs du dispositif, la pression de service admissible du ballon doit être compatible avec la pression sur l’ilot lorsqu’il est raccordé au réseau, en général de l’ordre de 6 à 8 bars. Un manomètre de pression P2 est raccordé sur la partie air du ballon pour contrôler sa pression intérieure et en particulier sa pression de pré-gonflage qui est égale à la pression de l’air contenu dans le ballon vide d’eau. La pression de pré-gonflage doit être inférieure à la pression de service du réseau et elle doit être supérieure à 1 bar. Le volume du ballon est adapté pour qu’il puisse alimenter pendant au moins 15 secondes l’ilot. A titre indicatif le volume peut être de 20 à 150 litres pour des débits attendus de l’ordre de 0,1 m 3 /hr à 5 m 3 /hr et de 100 à 300 litres pour des débits attendus de 3 à 10 m 3 /hr et plus de 200 l pour des débits supérieurs à 10 m3/hr. Le gaz de gonflage peut être de l’air ou de l’azote. Le ballon hydropneumatique doit être raccordé en série à un enregistreur de débit avec une tuyauterie de faible longueur pour éviter les pertes de charges – à titre indicatif une longueur de 0,2 m à 1 mètre est acceptable. Le diamètre de la tuyauterie doit être supérieur ou égal au diamètre DN 25 millimètres – on entend par DN, Diamètre Nominal - pour des débits attendus inférieurs à 3 m 3 /hr et supérieur ou égal au diamètre DN 32 millimètres pour des débits supérieurs à 3 m 3 /hr. L’enregistreur de débit D1 est raccordé en série au ballon hydropneumatique et à l’ilot à mesurer au niveau d’une vanne de branchement notée VB sur la . Il doit avoir une cadence de mesure inférieure à la seconde. Le diamètre de l’enregistreur de débit doit être supérieur ou égal à DN 32 millimètres pour minimiser les pertes de charges et il doit comptabiliser avec une précision de 0,1 m 3 /hr des débits allant de 0,1 à 30 m 3 /hr. Il doit être capable de mesurer des débits dans les deux sens d’écoulement, de l’ilot vers le ballon hydropneumatique et inversement. L’enregistreur de débit est relié à l’ilot à mesurer au niveau de la vanne de branchement notée VB sur la par un tuyau de diamètre DN 32 millimètres minimum. Enfin, le dispositif comprend un enregistreur de pression haute fréquence– supérieur à 10 mesures par seconde - et noté P1 dans la . Cet enregistreur de pression est synchronisé avec l’enregistreur de débit. Cet enregistreur de pression est raccordé en dérivation soit sur le dispositif à proximité immédiate de la vanne de branchement VB, soit sur la vanne de branchement VB soit sur l’ilot à mesurer. La perte de charge entre l’enregistreur de pression et l’ilot à mesurer doit être inférieure à 100 000 mCE/(m 3 /s) 2 . Le branchement à la canalisation de l’ilot à mesurer doit avoir un diamètre minimum de 40 mm pour des débits inférieur à 3 m 3 /hr et 100 mm pour des débits inférieurs à 25 m 3 /hr. Un poteau incendie ou une bouche incendie de DN 100 millimètres sont des points de mesure disponibles sur de nombreux réseaux d’eaux et parfaitement compatibles avec la mise en œuvre de cette invention. On peut également utiliser des dispositifs spécifiquement créés. Le procédé, selon l’invention, pour la mise en œuvre du dispositif comprend les étapes suivantes : Mise en communication du ballon hydropneumatique avec l’eau du tronçon ou de l’ilot à mesurer, ledit ballon hydropneumatique se remplit progressivement d’eau pour équilibrer sa pression interne avec celle du réseau, de façon à ce que la pression interne du ballon est égale à la pression de service du réseau qui est enregistrée ; Fermeture successive des vannes de sectionnement qui relient le tronçon ou l’ilot à mesurer au réseau d’eau ; Enregistrement des valeurs de débit et de pression par l’enregistreur de débit et l’enregistreur de pression, respectivement, lorsque la dernière vanne de sectionnement est fermée et que la pression du réseau diminue et que le ballon hydropneumatique relargue sa réserve d’eau sous l’action motrice de l’expansion de l’air comprimé dans ledit ballon hydropneumatique ; Réouverture de l’une des vannes de sectionnement du réseau lorsque la pression mesurée du tronçon ou de l’ilot atteint 1,2 bars ou dès que le tronçon ou l’ilot a été isolé au moins 15 secondes ; Remplissage du ballon hydropneumatique jusqu’à ce que sa valeur de pression soit à l’équilibre avec celle de la pression de service du réseau, après la réouverture d’une des vannes de sectionnement du réseau, l’augmentation de la pression et l’inversement du sens de la circulation de l’eau ; Calcul du débit d’alimentation du tronçon ou de l’ilot à la pression de services du réseau, sur la base du couple de valeurs synchronisées (Débit/Pression), enregistré aux l’étapes a) et c), en réalisant successivement les étapes suivantes : Calcul du coefficient de perte de charge pour alimenter le réseau en utilisant la formule caractéristique d’un réseau d’eau K = Pression / (Débit) 2 où la pression est mesurée en mètres de colonne d’eau et le débit en mètres cubes par seconde. Les couples (Débit, Pression) utilisés pour les calculs de K sont ceux enregistrés à l’étape c) ; Sélection de la valeur de K la plus élevée, sur la base de plusieurs mesures de couples de valeurs synchronisées (Débit/Pression), correspondant au débit d’alimentation de l’ilot le plus bas ; Calcul de la valeur de débit à la pression de service en utilisant la formule Débit = (Pression/K) 1/2 , où la valeur de K est celle obtenue à l’étape f.2) et la valeur de Pression est la pression de service mesurée à l’étape a). Le procédé peut être répliqué 1 à 2 fois pour fiabiliser les mesures de K, on ne conserve au final que la valeur de K la plus élevée pour calculer le débit de l’ilot. La valeur la plus élevée de K correspond au débit d’alimentation le plus bas de l’ilot. La durée de mise en œuvre du procédé peut varier de 15 secondes à plus de 240 secondes selon le débit de l’ilot, la taille du ballon hydropneumatique utilisé et la taille de l’échantillonnage de débit que l’on souhaite. La illustre le dispositif selon l’invention, objet de ce brevet et sa disposition par rapport à l’ilot d’un réseau dont on veut connaitre le débit d’alimentation. L’ilot du réseau dont on veut connaitre le débit est matérialisé par les pointillés gras. Les vannes V1, V2 et V3 relient l’ilot au reste du réseau d’eau. La vanne de branchement VB permet d’isoler le dispositif du branchement qui la relie à l’ilot. Le dispositif comprend le ballon hydropneumatique, le manomètre P2, l’enregistreur de débit D1, l’enregistreur de pression P1 et des tuyaux ou raccords qui relient ces différents éléments entre eux jusqu’à la vanne de branchement VB La illustre les résultats d’enregistrements de pression P1 et de débit D1 pour un essai. L’échelle de gauche représente la pression, l’échelle de droite le débit. L’abscisse représente le temps. La courbe en trait plein représente la pression, la courbe en trait fin représente le débit. Les lignes pointillées représentent les valeurs d’échantillonnage à un instant T pour le calcul du coefficient de perte de charge K. Ces lignes pointillées vont intercepter les ordonnées de chaque côté pour noter le couple de valeur (Débit ; Pression) à un instant T. Après l’ouverture de la vanne de branchement et avant la fermeture des vannes de sectionnement V1 à V3, la pression mesurée est la pression statique du réseau qui est de 3,8 bars. Un exemple numérique consécutif à un essai est enregistré dans la . Lorsque les vannes de branchement VB et les vannes de sectionnement V1, V2, V3… sont ouvertes, on enregistre une pression stable égale à la pression de service du réseau. Dans cet exemple on lit 3,8 bars. Le débit entrant ou sortant du ballon hydropneumatique est nul. A la fermeture de la dernière vanne de sectionnement du réseau, l’ilot n’est plus alimenté par le réseau. La pression diminue et le ballon hydropneumatique se met à alimenter l’ilot. On mesure au bout de quelques secondes, le couple (débit, pression) correspondante à un instant T. Dans cet exemple les valeurs lues sont de (1,4 m 3 /hr ; 2,5 bars). La formule de la courbe caractéristique de l’ilot Pression = K (Débit) 2 est réarrangée pour calculer K, ainsi K = Pression/ Débit 2 , ramené aux unités du système d’unités internationales, on obtient un K de 168 600 000 mCE/(m 3 /s) 2 . Avec une pression de service mesuré de 3,8 bars, et en réarrangeant la formule de la courbe caractéristique de l’ilot, on obtient le débit d’alimentation nécessaire pour avoir une pression de service de 3,8 bars. Débit = (K/Pression) 1/2 . On obtient ainsi un débit de 1,73 m3/hr qui correspond au débit d’alimentation de l’ilot à la pression de service usuelle de 3,8 bars. Dispositif de mesure du débit d’alimentation d’un tronçon ou d’un ilot de réseau d’eau sous pression caractérisé en ce qu’il comprend : un ballon hydropneumatique avec ou sans vessie interne équipé d’un manomètre et raccordé en sérié avec un enregistreur de débit ; un enregistreur de débit raccordé en série avec le ballon hydropneumatique et une vanne de branchement à l’ilot ; un enregistreur de pression haute fréquence – supérieur à 10 mesures par seconde - , raccordé en dérivation soit à proximité immédiate de la vanne de branchement à l’ilot, soit sur la vanne de branchement à l’ilot, soit directement sur l’ilot à mesurer ; des tuyaux entre le ballon hydropneumatique et la vanne de branchement en passant par l’enregistreur de débit. Dispositif, selon la revendication 1, dans lequel le ballon hydropneumatique a un volume compris entre 20 et 150 litres pour des débits attendus de 0,1 m 3 /hr à 5 m 3 /hr, ou de 100 à 300 litres pour des débits attendus de 3 m 3 /hr à 10 m 3 /hr, ou plus de 200 litres pour des débits supérieurs à 10 m 3 /hr. Dispositif, selon la revendication 2, dans lequel le volume du ballon hydropneumatique permet d’alimenter pendant au moins 15 secondes l’ilot ou le tronçon dont on souhaite mesurer le débit d’alimentation. Dispositif, selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ballon hydropneumatique a une valeur de pression de pré-gonflage inférieure à la valeur de pression de service du réseau et a au moins une valeur égale à 1 bar. Dispositif, selon la revendication 1, dans lequel l’enregistreur de débit a un diamètre supérieur ou égal à DN 32 millimètres pour minimiser les pertes de charges. Dispositif, selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’enregistreur de débit est capable de mesurer des valeurs de débits comprises dans une gamme allant de 0,1 m 3 /hr à 30 m 3 /hr plus ou moins 0,1 m 3 /hr, dans les deux directions d’écoulement - sens direct et sens inverse - avec une cadence de mesure inférieure à 1 seconde. Dispositif, selon la revendication 1, dans lequel l’enregistreur de débit est synchronisé avec l’enregistreur de pression. Dispositif, selon la revendication 1, dans lequel les pertes de charge entre l’enregistreur de pression P1 et l’ilot à mesurer sont inférieures à 100 000 mCE/(m 3 /s) 2 pendant le déroulement des mesures. Dispositif, selon la revendication 1, dans lequel la vanne de branchement peut être une bouche incendie ou un poteau incendie ou un branchement aménagé spécifiquement Procédé utilisant le dispositif, de l’une quelconque des revendications précédentes, pour mesurer le débit d’alimentation d’un tronçon ou d’un ilot de réseau d’eau sous pression et à différentes pressions, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : Mise en communication du ballon hydropneumatique avec l’eau du tronçon ou de l’ilot à mesurer, ledit ballon hydropneumatique se remplit progressivement d’eau pour équilibrer sa pression interne avec celle du réseau, de façon à ce que la pression interne du ballon est égale à la pression de service du réseau que l’on enregistre ; Fermeture successive des vannes de sectionnement qui relient le tronçon ou l’ilot à mesurer au réseau d’eau ; Enregistrement des valeurs de débit et de pression par l’enregistreur de débit et l’enregistreur de pression, respectivement, lorsque la dernière vanne de sectionnement est fermée et que la pression du réseau diminue et que le ballon hydropneumatique relargue sa réserve d’eau sous l’action motrice de l’expansion de l’air comprimé dans ledit ballon hydropneumatique ; Réouverture de l’une des vannes de sectionnement du réseau lorsque la pression mesurée du tronçon ou de l’ilot atteint 1,2 bars ou dès que le tronçon ou l’ilot a été isolé au moins 15 secondes ; Remplissage du ballon hydropneumatique jusqu’à ce que sa valeur de pression soit à l’équilibre avec celle de la pression de service du réseau, après la réouverture d’une des vannes de sectionnement du réseau, l’augmentation de la pression et l’inversement du sens de la circulation de l’eau ; Calcul du débit d’alimentation du tronçon ou de l’ilot à la pression de services du réseau, sur la base du couple de valeurs synchronisées (Débit/Pression), enregistré à l’étape a) et c) en réalisant successivement les étapes suivantes ; Calcul du coefficient de perte de charge pour alimenter le réseau en utilisant la formule caractéristique d’un réseau d’eau K = Pression / (Débit) 2 où la pression est mesurée en mètres de colonne d’eau et le débit en mètres cubes par seconde selon l’étape c); Sélection de la valeur de K la plus élevée, sur la base de plusieurs mesures de couples de valeurs synchronisées (Débit/Pression), correspondant au débit d’alimentation de l’ilot le plus bas ; Calcul de la valeur de débit à la pression de service en utilisant la formule Débit = (Pression/K) 1/2 , où la valeur de K est celle obtenue à l’étape f.2) et la valeur de Pression est la pression de service du réseau mesurée à l’étape a). Procédé, selon la revendication 10, caractérisé en ce que les étapes a) à f) peuvent être répétées de une à deux fois pour confirmer le débit obtenu et renforcer le poids statistique des résultats.