Sujet du Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable 2025 · Métropole remplacement - Energies et Environnement (EE)

Mise en situation

Un système d'assainissement collecte les eaux usées chez les particuliers en limite de propriété. Il achemine les effluents (eaux usées) vers la Station de Traitement des Eaux Usées (STEU) qui les traite avant de les rejeter dans le milieu naturel.

Cycle de l'assainissement →

Le Grand LYON gère, sur les 59 communes de la métropole, l'ensemble du cycle de l'eau urbaine et plus particulièrement le traitement des eaux usées.

En 2011 la STEU AQUALYON « Feyssine » a été mise en service dans la périphérie de Lyon. Cette STEU a pour objectif de délester celle de Saint-Fons afin de garantir la conformité vis-à-vis de la directive européenne sur les « Eaux Résiduaires Urbaines » (ERU).

Les STEU, par leur process, créent un déchet ultime appelé « boue ». Cette dernière a un impact majeur sur l'environnement par son traitement. La STEU de la Feyssine, dans un souci d'éco-performance, réduit la quantité de boues à l'aide d'une unité de méthanisation. Cette unité permet de valoriser le déchet en énergie et donc de réduire l'impact environnemental de l'usine.

Dans cette partie commune, l'étude porte sur les performances de l'unité de méthanisation.

Travail demandé

Partie 1: comment la station de la Feyssine permet de répondre aux besoins de la métropole ?

Pour permettre le développement d'un territoire et être conforme, il faut que le système de traitement des eaux ne soit pas saturé.

La population du Grand Lyon est passée de 1 070 000 habitants en 2011 à 1 170 000 habitants en 2021.

Question 1.1

DT1

Donner l'état de saturation de la station de Saint-Fons avant 2011.

Expliquer pourquoi il était nécessaire de mettre en service une nouvelle STEU.

Question 1.2

DT2, DT3

Justifier que les caractéristiques du terrain du site de la Feyssine permettent de répondre aux exigences d'implantation d'une STEU.

Mise en situation

Un système d'assainissement collecte les eaux usées chez les particuliers en limite de propriété. Il achemine les effluents (eaux usées) vers la Station de Traitement des Eaux Usées (STEU) qui les traite avant de les rejeter dans le milieu naturel.

Cycle de l'assainissement →

Le Grand LYON gère, sur les 59 communes de la métropole, l'ensemble du cycle de l'eau urbaine et plus particulièrement le traitement des eaux usées.

En 2011 la STEU AQUALYON « Feyssine » a été mise en service dans la périphérie de Lyon. Cette STEU a pour objectif de délester celle de Saint-Fons afin de garantir la conformité vis-à-vis de la directive européenne sur les « Eaux Résiduaires Urbaines » (ERU).

Les STEU, par leur process, créent un déchet ultime appelé « boue ». Cette dernière a un impact majeur sur l'environnement par son traitement. La STEU de la Feyssine, dans un souci d'éco-performance, réduit la quantité de boues à l'aide d'une unité de méthanisation. Cette unité permet de valoriser le déchet en énergie et donc de réduire l'impact environnemental de l'usine.

Dans cette partie commune, l'étude porte sur les performances de l'unité de méthanisation.

Travail demandé

Partie 1: comment la station de la Feyssine permet de répondre aux besoins de la métropole ?

Pour permettre le développement d'un territoire et être conforme, il faut que le système de traitement des eaux ne soit pas saturé.

La population du Grand Lyon est passée de 1 070 000 habitants en 2011 à 1 170 000 habitants en 2021.

La STEU de la Feyssine a une capacité de 300 000 Équivalent Habitant. Elle élimine 17 100 kg de DBO5.

DT4: données de dimensionnement des STEU en fonction du type de traitement et de la capacité

Données

Unités

Types de traitement

Filtre plantée de Roseaux

Boue Activée aération prolongée

Biofiltre

Surface par équivalent habitant

$\text{m}^2\cdot\text{EqHab}^{-1}$

10

1,06

0,25

Énergie consommée en fonction de la pollution traitée

$\text{kW}\cdot\text{h}\cdot\text{kg}_{\text{DBO5 éliminée}}^{-1}$

0,5

3,2

4,5

Cout investissement de la STEU

€$\cdot\text{EqHab}^{-1}$

1 800

228

2 142

Question 1.3

Calculer les éléments manquants sur le document-réponse DR1:

DR1: comparaison des différents types de traitement des eaux usées

Calcul estimatif en fonction du type de traitement de la surface, de la consommation d'énergie et du coût de la STEU de la Feyssine

Donnée

unité

Types de traitement

Filtre plantée de Roseaux

Boue Activée aération prolongée

Biofiltre

Surface

$\text{m}^2$

318 000

75 000

Énergie consommée

$\text{kW}\cdot\text{h}$

8 550

76 950

Cout investissement

M€

540

68,4

La STEU de la Feyssine est implantée sur un terrain de $400\;000\text{ m}^2$.

Question 1.4

Déterminer le type de traitement le plus adapté pour ce type de terrain en justifiant votre réponse.

Partie 2: comment la digestion des boues permet d'améliorer les performances d'une STEU dans une démarche de développement durable ?

La gestion des boues d'une STEU peut se faire de deux manières différentes:

traitement des boues d'une STEU de type 1: sans digestion des boues, les boues passent simplement en centrifugeuses pour évacuer un maximum d'eau;

traitement des boues d'une STEU de type 2: avec digestion des boues (cas de la STEU de la Feyssine). La digestion est un processus naturel de décomposition de la matière organique permettant de diminuer les nuisances olfactives tout en produisant une énergie valorisable: le biogaz. Ce dernier, une fois filtré, peut être revendu et réinjecté sur le réseau GRDF.

La siccité de la boue correspond au pourcentage de matière sèche (MS) dans la boue, par opposition au taux d'humidité qui représente le pourcentage d'eau dans la boue.

À l'issue de la digestion, les boues sont séchées pour atteindre une siccité de 89% en moyenne (contre 21,6% à l'issue d'un traitement sans digestion). Elles possèdent alors un pouvoir calorifique important et peuvent être utilisées comme combustible pour remplacer une partie de la consommation d'énergie fossile.

Le document-technique DT5 présente les diagrammes de blocs internes (ibd) des synoptiques simplifiés des deux types de STEU, faisant apparaître les flux de matières et d'énergies.

DT5: synoptiques simplifiés STEU avec et sans digestion des boues

Question 2.1

Lister les différents flux d'énergies entrants et sortants pour les deux types de STEU.

STEU de type 1 (traitement sans digestion)

STEU de type 2 (traitement avec digestion)

Partie 2: comment la digestion des boues permet d'améliorer les performances d'une STEU dans une démarche de développement durable ?

La gestion des boues d'une STEU peut se faire de deux manières différentes:

traitement des boues d'une STEU de type 1: sans digestion des boues, les boues passent simplement en centrifugeuses pour évacuer un maximum d'eau;

traitement des boues d'une STEU de type 2: avec digestion des boues (cas de la STEU de la Feyssine). La digestion est un processus naturel de décomposition de la matière organique permettant de diminuer les nuisances olfactives tout en produisant une énergie valorisable: le biogaz. Ce dernier, une fois filtré, peut être revendu et réinjecté sur le réseau GRDF.

La siccité de la boue correspond au pourcentage de matière sèche (MS) dans la boue, par opposition au taux d'humidité qui représente le pourcentage d'eau dans la boue.

À l'issue de la digestion, les boues sont séchées pour atteindre une siccité de 89% en moyenne (contre 21,6% à l'issue d'un traitement sans digestion). Elles possèdent alors un pouvoir calorifique important et peuvent être utilisées comme combustible pour remplacer une partie de la consommation d'énergie fossile.

Le document-technique DT5 présente les diagrammes de blocs internes (ibd) des synoptiques simplifiés des deux types de STEU, faisant apparaître les flux de matières et d'énergies.

Question 2.2

L'énergie consommée par une STEU de type 1 en une année est de $6\,160\,000\text{ kW}\cdot\text{h}$, sachant qu'un $\text{kW}\cdot\text{h}$ d'énergie électrique consommée émet $0{,}1\text{ kg}_{\text{eq.CO2}}$.

Calculer les émissions de $\text{CO}_2$ dues à la consommation d'énergie électrique en $\text{kg}_{\text{eq.CO2}}\cdot\text{an}^{-1}$. Compléter la deuxième case de la ligne (1) « Énergie électrique consommée » dans le tableau du document-réponse DR2.

$\text{kg}_{\text{eq.CO2}}\cdot\text{an}^{-1}$

Question 2.3

La quantité de biogaz réinjectée sur le réseau GRDF pour l'année 2022 s'élève à $5\,296\,000\text{ kW}\cdot\text{h}\cdot\text{an}^{-1}$. La production d'un $\text{kW}\cdot\text{h}$ de biogaz équivaut à une absorption de $0{,}2\text{ kg}_{\text{eq.CO2}}$.

Calculer l'impact négatif de $\text{CO}_2$ dues à cette production de biogaz en $\text{kg}_{\text{eq.CO2}}\cdot\text{an}^{-1}$ pour une STEU de type 2. Compléter la ligne (4) « Production de Gaz naturel » dans le tableau du document-réponse DR2.

$\text{kg}_{\text{eq.CO2}}\cdot\text{an}^{-1}$

Question 2.4

Sur le document-réponse DR2, calculer les impacts totaux en $\text{kg}_{\text{eq.CO2}}\cdot\text{an}^{-1}$ pour les deux types de STEU.

$\text{kg}_{\text{eq.CO2}}\cdot\text{an}^{-1}$

$\text{kg}_{\text{eq.CO2}}\cdot\text{an}^{-1}$

Conclure sur l'intérêt de la digestion des boues au sein d'une STEU comme celle de la Feyssine d'un point de vue développement durable (aborder les aspects économique, environnemental et sociétal).

Partie 3: comment la maîtrise de l'information permet de garantir la sécurité des personnes ?

Un des enjeux majeurs pour ce site industriel porte sur la sécurité des personnels intervenants sur la station.

Hormis les risques classiques que l'on peut trouver au sein d'une installation industrielle, les risques d'intoxication dus à la présence de gaz nocifs sont à surveiller de près.

Dans le but de renforcer la sécurité, les personnels sont équipés de détecteurs multi-gaz connectés au réseau Ethernet du site de la station qui permet une surveillance des personnels en temps réel.

Pour cela, 150 points d'accès WiFi sont installés de manière à couvrir l'ensemble des installations. L'administrateur réseau du site a fourni les informations suivantes:

l'adresse du réseau est 172.16.0.0;

le masque de sous-réseau est 255.255.0.0.

Question 3.1

Calculer le nombre d'hôtes maximal que peut contenir ce réseau.

Le numéro d'hôte attribué à la première borne WiFi (n°1) est donné en binaire sur le document-technique DT6. Convertir ce numéro en décimal pour obtenir son adresse IP.

Question 3.2

Proposer une adresse IP pour la borne WiFi (n°2) compatible avec le réseau Ethernet de la station et la plage d'adresses IP réservées aux bornes WiFi. Justifier votre réponse.

Question 3.3

Conclure quant à la capacité de l'installation à garantir la sécurité des personnes.

Partie 4: comment justifier l'utilisation d'un séparateur de boues biologiques ?

Afin de pouvoir valoriser les boues biologiques, il est nécessaire de réduire la teneur en eau c'est-à-dire d'augmenter le taux de siccité. Les boues sont épaissies par centrifugation. Le mélange est introduit à l'intérieur de la machine par une alimentation axiale (voir descriptif ci-après) qui débouche dans un distributeur tournant.

Sous l'action de la force centrifuge, les boues injectées sont plaquées contre la paroi du bol en rotation ($2\ 600\text{ tr}\cdot\text{min}^{-1}$) et raclées par la vis de convoyage conique vers l'extrémité de la centrifugeuse pour être compactée puis évacuée.

Les eaux sont éjectées à l'autre extrémité de la centrifugeuse. La vis tourne plus vite que le bol grâce à un multiplicateur à arbre parallèle.

Question 4.1

Sur le document-réponse DR3, inscrire la nature des flux d'énergie circulant dans le système (énergie électrique, énergie mécanique).

Partie 4: comment justifier l'utilisation d'un séparateur de boues biologiques ?

Afin de pouvoir valoriser les boues biologiques, il est nécessaire de réduire la teneur en eau c'est-à-dire d'augmenter le taux de siccité. Les boues sont épaissies par centrifugation. Le mélange est introduit à l'intérieur de la machine par une alimentation axiale (voir descriptif ci-après) qui débouche dans un distributeur tournant.

Sous l'action de la force centrifuge, les boues injectées sont plaquées contre la paroi du bol en rotation ($2\ 600\text{ tr}\cdot\text{min}^{-1}$) et raclées par la vis de convoyage conique vers l'extrémité de la centrifugeuse pour être compactée puis évacuée.

Les eaux sont éjectées à l'autre extrémité de la centrifugeuse. La vis tourne plus vite que le bol grâce à un multiplicateur à arbre parallèle.

Question 4.2

La fréquence de rotation est de $2\;600\text{ tr}\cdot\text{min}^{-1}$, calculer $\Omega_{\text{bol}}$ la vitesse angulaire du bol en $\text{rad}\cdot\text{s}^{-1}$.

Pour la suite du sujet, la vitesse angulaire du bol $\Omega_{\text{bol}}$ est de $300\text{ rad}\cdot\text{s}^{-1}$.

Question 4.3

Calculer $F_{\text{cb}}$ la force centrifuge appliquée aux boues biologiques en $\text{kN}$.

DT7: fiche de calcul de la force centrifuge

Formule de calcul de la force centrifuge appliquée aux boues en Newton:

$$F_{\text{cb}} = \rho_{\text{boues}} \times V_{\text{bol}} \times R_{\text{bol}} \times \Omega^2$$

$\rho_{\text{boues}}$

Masse volumique des boues

$1\;200\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$

$V_{\text{bol}}$

Volume du bol

$1\text{ m}^3$

$R_{\text{bol}}$

Rayon du bol

$0{,}335\text{ m}$

En considérant que la force centrifuge appliquée à l'eau est: $F_{\text{ce}} = 30\;200\text{ kN}$.

Question 4.4

Comparer les forces $F_{\text{cb}}$ et $F_{\text{ce}}$ la force centrifuge appliquée aux boues et à l'eau puis conclure sur le dispositif de séparation par centrifugation.

$F_{\text{cb}} > F_{\text{ce}}$

$F_{\text{cb}} < F_{\text{ce}}$

$F_{\text{cb}} = F_{\text{ce}}$

Partie 5: peut-on valider l'implantation d'une torchère ?

Dans toute cette étude, $g = 9{,}81\text{ m}\cdot\text{s}^{-2}$.

Une des étapes du traitement de l'eau consiste à séparer l'eau et les boues (déchets solides). Ces boues sont valorisées par traitement dans un digesteur.

La digestion anaérobie (sans oxygène) des boues est faite par des bactéries qui consomment la pollution tout en créant un biogaz qui contient 60 à 65% de méthane. Celui-ci est ensuite extrait pour être réinjecté dans le réseau de la ville.

Une zone de stockage temporaire du méthane avant réinjection dans le réseau permet de compenser les fluctuations de production de gaz (zone tampon). En cas de surproduction, le méthane doit être évacué ce qui peut être fait de deux manières possibles:

solution 1: le méthane est rejeté directement dans l'air;

solution 2: le méthane est brûlé dans une torchère.

Une dalle en béton existe déjà dans la zone prévue pour l'implantation de la torchère. Il faut vérifier que le sol et cette dalle sont capables d'accueillir cette installation.

La torchère est composée d'un fût à l'intérieur duquel est installé le brûleur. Elle repose sur quatre cornières qui sont vissées sur la dalle en béton. Des équipements supplémentaires sont fixés sur la torchère et permettent de l'alimenter en gaz et de piloter son fonctionnement.

Pour simplifier les calculs, le fût sera considéré comme un cylindre creux.

Question 5.1

Calculer le volume de matière du fût de la torchère (document DT8).

Question 5.2

La masse des équipements fixés sur la torchère est estimée à $1\,250\text{ kg}$. La masse volumique de l'inox 316 est de $8\,000\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$.

Calculer la masse du fût de la torchère.

Calculer le poids $P_c$ que devra supporter chaque cornière.

Question 5.3

Un calcul a permis de déterminer que le poids de la dalle équipée (dalle en béton + torchère + autres équipements) est de $200\,000\text{ N}$.

La contrainte admissible (résistance à la compression) du sol a été mesurée à cet endroit et vaut $0{,}1\text{ MPa}$.

Calculer la surface de la dalle en béton.

Calculer la valeur de la contrainte de compression $\sigma_{\text{sol}}$ que subit le sol sous la dalle équipée.

Conclure sur la capacité du sol à supporter l'implantation de ce système.

Question 5.4

Conclure sur l'intérêt et la possibilité d'installer une torchère sur ce site.

Station de Traitement des Eaux Usées de la Feyssine

Poste de relèvement des eaux brutes

Étude du relevage des eaux brutes

Le poste de relevage a pour fonction d'amener les eaux usées à une altitude suffisante pour que leur écoulement vers les autres postes de la station se fasse par gravité.

La solution technique est réalisée par l'association de 3 pompes de relevage. Chaque pompe a un débit de $3\,000\text{ m}^3\cdot\text{h}^{-1}$. La capacité totale hydraulique de la station est de $6\,000\text{ m}^3\cdot\text{h}^{-1}$ en période de pointe. Une des 3 pompes sert de secours en cas de défaillance d'une des 2 autres.

Un capteur à ultrasons permet de mesurer le niveau des effluents urbain et de piloter les pompes.

Voir le descriptif simplifié de l'installation sur le document-technique DTS1.

En première approximation, la puissance hydraulique d'une pompe est donnée par la relation suivante:

$$P_H = \rho \cdot Q \cdot g \cdot \text{HMT}$$ · Puissance hydraulique $P_H$ en $\text{W}$

Masse volumique de l'eau $\rho = 1\,000\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$

Débit nominal $Q$ en $\text{m}^3\cdot\text{s}^{-1}$

Accélération de la pesanteur $g = 9{,}81\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$

Hauteur manométrique totale $\text{HMT}$ en $\text{mCE}$

NOTA

La hauteur manométrique totale HMT en mètre de colonne d'eau (mCE) dépend de la hauteur de relèvement de la conduite, des pertes de charges ainsi que de la pression résiduelle.

Pour la suite de l'étude la hauteur manométrique totale est fixée à $\text{HMT} = 10\text{ mCE}$.

Partie A: quelles pompes choisir pour assurer le relevage des eaux usées ?

Question A.1 (DRS1): La structure de la chaîne de puissance du système hydraulique est donnée sur le document-réponse DRS1. Compléter le document-réponse DRS1 en indiquant la nature des flux d'énergie ainsi que les grandeurs flux et efforts de ces énergies. Préciser les unités.

1. Entre le Modulateur d'énergie et le Moteur

2. Entre le Moteur et la Pompe (accouplement mécanique)

3. Entre la Pompe et la Conduite

Pression [bar] (fournie)

Station de Traitement des Eaux Usées de la Feyssine

Poste de relèvement des eaux brutes

Étude du relevage des eaux brutes

Le poste de relevage a pour fonction d'amener les eaux usées à une altitude suffisante pour que leur écoulement vers les autres postes de la station se fasse par gravité.

La solution technique est réalisée par l'association de 3 pompes de relevage. Chaque pompe a un débit de $3\,000\text{ m}^3\cdot\text{h}^{-1}$. La capacité totale hydraulique de la station est de $6\,000\text{ m}^3\cdot\text{h}^{-1}$ en période de pointe. Une des 3 pompes sert de secours en cas de défaillance d'une des 2 autres.

Un capteur à ultrasons permet de mesurer le niveau des effluents urbain et de piloter les pompes.

Voir le descriptif simplifié de l'installation sur le document-technique DTS1.

En première approximation, la puissance hydraulique d'une pompe est donnée par la relation suivante:

$$P_H = \rho \cdot Q \cdot g \cdot \text{HMT}$$ · Puissance hydraulique $P_H$ en $\text{W}$

Masse volumique de l'eau $\rho = 1\,000\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$

Débit nominal $Q$ en $\text{m}^3\cdot\text{s}^{-1}$

Accélération de la pesanteur $g = 9{,}81\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$

Hauteur manométrique totale $\text{HMT}$ en $\text{mCE}$

NOTA

La hauteur manométrique totale HMT en mètre de colonne d'eau (mCE) dépend de la hauteur de relèvement de la conduite, des pertes de charges ainsi que de la pression résiduelle.

Pour la suite de l'étude la hauteur manométrique totale est fixée à $\text{HMT} = 10\text{ mCE}$.

Question A.2

Relever la hauteur de relèvement des eaux lorsque le niveau dans le réservoir est au minimum, préciser si c'est une hauteur d'aspiration ou de refoulement.

Question A.3

En première approximation, la puissance hydraulique d'une pompe est donnée par la relation suivante:

NOTA: Pour la suite de l'étude la hauteur manométrique totale est fixée à HMT = 10 mCE.

À l'aide de la formule précédente, calculer la puissance hydraulique $P_H$ en kilowatt (kW) d'une pompe.

Question A.4

Pour une fréquence de 50 Hz, vérifier la compatibilité de la pompe au débit demandé.

Question A.5

Déterminer le rendement global de la motopompe ainsi que la puissance électrique absorbée.

Question A.6

Pour pouvoir répondre au besoin du débit en heure de pointe de $6\,000\text{ m}^3\cdot\text{h}^{-1}$, il est nécessaire d'associer 2 pompes en fonctionnement. Donner, en le justifiant, le couplage à réaliser.

Question A.7

Les caractéristiques du moteur de pompe choisi par l'exploitant sont données dans le document-technique DTS4. Conclure sur la puissance du moteur et sa capacité à fonctionner en mode immergé.

Partie B: comment distribuer l'énergie électrique aux groupes motopompes ?

Deux solutions sont envisagées pour distribuer l'énergie électrique aux motopompes:

solution 1: par l'intermédiaire d'un démarreur progressif;

solution 2: par l'intermédiaire d'un variateur de vitesse.

La puissance nominale mécanique du moteur de la motopompe est de 115 kW sous une tension d'alimentation de 400 V.

Partie B: comment distribuer l'énergie électrique aux groupes motopompes ?

Deux solutions sont envisagées pour distribuer l'énergie électrique aux motopompes:

- solution 1: par l'intermédiaire d'un démarreur progressif;

- solution 2: par l'intermédiaire d'un variateur de vitesse.

La puissance nominale mécanique du moteur de la motopompe est de $115\text{ kW}$ sous une tension d'alimentation de $400\text{ V}$.

Étude de la solution 1:

B.1

Choisir le nom du modulateur parmi la liste suivante: hacheur, redresseur, onduleur, gradateur.

Indiquer les symboles de la nature de l'énergie entrante et sortante (DRS2).

B.2

À l'aide du document DTS6, choisir la référence du démarreur et indiquer le courant nominal du démarreur $I_{cL}$ et le courant nominal moteur $I_N$.

B.3

À l'aide des documents DTS7 et DRS3, compléter le tableau de réglage du démarreur pour obtenir:

- une tension initiale entre phase au démarrage de $250\text{ V}$;

- une limitation de courant à $410\text{ A}$;

- un temps d'accélération de $20\text{ s}$;

- un temps de décélération de $10\text{ s}$.

Description

Code

Réglage usine

Valeur de réglage client

Tension entre phase au démarrage

t90

30% de la tension d'entrée

%

Limitation du courant

350% de In

%

Temps d'accélération

10s

s

Temps de décélération

FrEE (Roue libre)

s

B.4

Donner deux avantages de l'utilisation d'un démarreur progressif.

Étude de la solution 2:

Le variateur de vitesse est composé de deux modulateurs de base.

Le premier permet d'obtenir une tension continue et le second permet d'obtenir un réseau alternatif triphasé avec une tension et une fréquence variable.

B.5

Compléter la structure du document-réponse DRS4 en indiquant le nom des modulateurs ainsi que les symboles correspondants.

B.6

À l'aide des documents DTS4 et DTS8, donner la référence complète du variateur le mieux adapté à associer au moteur de la pompe (fonctionnement Normal Duty: ND). Relever également l'intensité nominale absorbée par le variateur sur une phase.

B.7

À l'aide des documents DTS4, DTS9 et DRS5, compléter le tableau de réglage du variateur.

Paramètres

Description (DTS9)

Valeur de réglage client

BFr

Fréquence standard du moteur (Hz)

Hz

UnS

Tension nominale du moteur (V)

V

nCr

Courant nominal du moteur (A)

A

nSP

Vitesse nominale du moteur (tr/min)

tr/min

B.8

Conclure sur l'avantage d'utiliser un variateur de vitesse dans le pilotage des pompes.

Partie C: comment gérer le fonctionnement des pompes de relevage ?

Partie B: comment distribuer l'énergie électrique aux groupes motopompes ?

Deux solutions sont envisagées pour distribuer l'énergie électrique aux motopompes:

solution 1: par l'intermédiaire d'un démarreur progressif;

solution 2: par l'intermédiaire d'un variateur de vitesse.

La puissance nominale mécanique du moteur de la motopompe est de 115 kW sous une tension d'alimentation de 400 V.

Selon le type de modulateur, le pilotage se fait: en mode tout ou rien (TOR) dans le cas d'un démarreur (solution 1);

par une consigne variable dans le cas des variateurs de vitesse (solution 2).

Pilotage des groupes motopompes (Voir document-technique DTS1)

Les effluents sont relevés par l'intermédiaire d'une ou deux pompes en fonction des seuils de mesure de niveau du capteur à ultrason: $S2$: Marche 1 pompe $P_A$

$S3$: Marche 2 pompes $P_A$ et $P_B$

$\overline{S2}$: Arrêt pompe $P_B$

$\overline{S1}$: Arrêt pompe $P_A$

Pilotage des groupes motopompes par la solution 1

Question C.1

Compléter le diagramme d'état simplifié du document-réponse DRS6.

Question C.2

Pour chacun des états du document-réponse DRS6, conclure sur le mode de gestion du débit.

Pilotage des groupes motopompes par la solution 2

La pompe $P_A$ fonctionne à débit variable entre 0 et 5 mètres et à vitesse fixe entre 5 et 10 mètres.

La pompe $P_B$ est à l'arrêt entre 0 et 5 mètres et à vitesse variable entre 5 et 10 mètres.

Les consignes des variateurs $Cons\_PA$ pour la pompe $P_A$ et $Cons\_PB$ pour la pompe $P_B$ sont de type 0-10 V. Les débits des pompes sont proportionnels à ces consignes.

Question C.3

Pour une hauteur d'eau de 3 m, donner les débits des pompes $P_A$ et $P_B$ ainsi que les valeurs des consignes $Cons\_PA$ et $Cons\_PB$.

Question C.4

Pour une hauteur d'eau de 7 m, donner les débits des pompes $P_A$ et $P_B$ ainsi que les valeurs des consignes $Cons\_PA$ et $Cons\_PB$.

Question C.5

Dans cette solution, le capteur de mesure fournit un signal $U_h$ de 0-10 V proportionnel à la hauteur d'eau 0-10 m.

Compléter le pseudo-programme permettant de calculer les consignes des pompes $Cons\_PA$ et $Cons\_PB$ (DRS7).

Si Uh < 5V alors

Cons_PA =... × Uh

Cons_PB =...

Sinon

Cons_PA =...

Cons_PB =... × (Uh -...)

Question C.6

Conclure sur les avantages et les inconvénients de ces 2 solutions.