选泵中效率计算问题

职称论文发表网 1 选泵中效率计算问题选泵中效率计算问题 选泵的节能技术 华东建筑设计研究院有限公司 马信国 摘要摘要 本文阐述了离心水泵效率影响因素 在工程设计中 依照国家标准规定确 定水泵效率 合理匹配电机功率 尽量使水泵运行在高效区内 通过案例说明选 用高效优质产品重要性 建议在设备材料表中增加水泵节能效率值 关键词关键词 离心泵 效率标准 轴功率 节能评价值 1前言前言 水泵是建筑给排水设计的常用设备 选用高效率水泵 节省日常运行耗电量 满足工程建设需要 是广大工程师追求 的目标之一 也是节能技术的一个重要 内容 但是如何确定水泵效率 是选泵 中面临的一个难题 2离心泵轴功率与电机功率离心泵轴功率与电机功率 离心泵在实际运转中由于存在容积 损失 即泄漏损失 水力损失 水流 在水泵内的摩阻 冲击损失 和机械损 失 转动的叶轮和泵轴同固定泵壳等轴 承的摩擦损失 造成水泵的效率降低 离心泵的效率实质上是机械 容积和水 力三种效率的乘积 它反映了水泵传递 功率的有效程度 是离心泵的一个重要 参数 2 1 离心泵轴功率计算公式离心泵轴功率计算公式 1 式中 N轴 水泵轴功率 KW Q 水泵输送流量 L s H 水泵输送扬程 m 水泵输送效率 该式表明 当流量 扬程一定时 水泵 的轴功率与水泵的效率成反比 水泵效 率高 其轴功率低 反之 轴功率则高 2 2 配用的电机功率配用的电机功率 2 式中 N机 电机功率 KW K 备用系数 N轴 水泵轴功率 KW 备用系数也称富裕系数 它考虑了电机 的机械效率等因素 其值随轴功率而异 一般可参考下列数值 见表 1 每台水泵配用电机额定功率也可 参见 ISO5199 离心泵驱动机功率匹配 技术标准 中安全余量 详见表 2 3离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线 要正确选泵就必须了解水泵的性能 特点 离心泵的特性曲线通常由生产厂 家根据实验测定的 Q H N 轴 等 数据标示绘成一组曲线 供使用者选泵 和操作时参考 见图 1 图图 1 离心离心泵性能曲线泵性能曲线 轴机 NKN 102 HQ N 轴 职称论文发表网 2 表表 1 K 值值 N轴 KW 100 K1 71 7 2 5 1 5 1 31 3 1 251 25 1 151 15 1 11 1 1 081 08 1 05 表表 2 水泵轴功率与配用电机功率水泵轴功率与配用电机功率 N轴 KW N机 KW KN轴 KW N机 KW K备注 0 180 251 3919221 16 0 270 371 1726301 15 0 40 551 37532 5371 1 0 550 751 3640451 23 0 811 11 3649551 12 1 11 51 3668751 1 1 72 21 2981901 11 2 331 31001101 1 3 241 251201321 1 4 35 51 281451601 1 6 17 51 231812001 1 9 1111 22272501 1 12 8151 172863151 1 15 918 51 163223551 1 表中K值按 N机 N轴获 得 不同型号泵的特性曲线不同 但均 有以下三条曲线 1 Q H 曲线 表示流量和扬程关系 特点是其扬程随流量增大而减小 在 Q H 曲线上有两条波折线 指示在这条 波折线范围内水泵的效率较高 2 Q 曲线表示流量和效率关系 其中效率最高点 A0表明该泵对应的流 量 QA和扬程 HA下工作最为经济 这条 曲线的变化趋势是 流量由 小 中 大 效率由 低 高 低 3 Q N轴曲线表示泵的流量和轴功率 关系 其特点是流量由小到大 轴功率 也由小到大 在流量为零时轴功率最小 4 上述三条曲线均在一定转速下测 定 故在特性曲线图上需注明转速 n 值 总之 离心泵的特性曲线反映了水泵在 一定转速下其扬程 效率和轴功率随流 量变化的规律 必须指出的是各种型号 的离心泵都有其本身独有的特性曲线 它不受 管路特性的影响 4离心泵的效率标准离心泵的效率标准 4 1 国家标准 离心泵效率 GB T13007 91 规定了离心泵的效率标准 见表 3 和表 4 需要说明的是 表 3 表 4 中 A 栏数值 为水泵最高点效率 B 栏数值为高效区的临 界点效率 超出临界点 水泵效率下降很快 表中的效率值是比转数 ns 120 210 的数值 当水泵的比转数小于 120 或大于 210 时 其 相对应效率值应予修正 具体修正值可按 GB T13007 91 规定 从表 3 和表 4 可知 离心泵的效率特征是 水泵效率随着流量增大而增大 一般在建筑用 的给水泵流量范围内 小泵流量 5 30m3 h 其效率大致在 55 65 之间 中泵流量 30 150m3 h 其效率大致在 70 75 之间 大泵流量 150m3 h 可达 75 85 之间 单级水泵效率在同等流量下 要比多级水泵效 率高 平均约高出 5 水泵高效区的范围大致在最高效率的 90 职称论文发表网 3 表表 3 单级离心泵效率单级离心泵效率 Q m3 h510152025304050607080 A586467 269 470 97273 874 975 876 577 B52 55860 862 563 864 8666767 868 569 Q m3 h90100150200300400500600700800900 A77 67879 880 8828383 784 284 78585 3 B69 5 69 971 2727373 774 274 574 975 175 5 Q m3 h1000 15002000300040005000600070008000900010000 A85 7 86 687 28888 68989 289 589 789 990 B78 7 76 677 27878 678 979 279 479 679 880 注 1 表中的效率值是ns 120 210时的数值 2 表中的单级双吸离心泵的流量是指全流量值 表表 4 多级离心水泵效率多级离心水泵效率 Q m3 h51015202530405060708090100 A55 4 59 4 61 8 63 5 64 865 967 568 9 69 9 70 9 71 5 72 372 9 B49 4 53 1 55 3 56 85858 960 561 8 62 6 63 5 64 1 64 965 3 Q m3 h1502003004005006007008009001000 1500 20003000 A75 3 76 9 79 2 80 6 81 582 282 883 1 83 5 83 9 84 8 85 185 5 B67 56970 97272 973 373 974 2 74 5 74 8 75 4 75 876 注 1 表中的效率值是ns 120 210时的数值 4 24 2 比转数比转数 n ns s意义意义 水泵的比转数是体现水泵性能的重 要参数 它与流量 Q 扬程 H 转速 n 有关 对于离心泵而言 比转数在 120 210 之间时水泵效率最高 比转数 ns计算公式 3 n H Q ns 4 3 2 1 65 3 式中 Q 流量 m3 s H 扬程 m n 转速 r min 转 分 从上式可知 比转数随扬程 H 增大而减小 随流量增 大而增大 说明低比转数水泵扬程高 流量小 而高比转数水泵流量大 扬程 小 根据水泵的比例定律 转速提高 其流量 相应增大 则效率也增大 在一定比转数 范围内 提高转速可提高水泵效率 4 34 3 标准效率下的水泵扬程标准效率下的水泵扬程 根据公式 3 可以推求出在比转数 ns 为 120 210 转速 n 为 2900 转 分时的扬 程计算公式 m 4 1 3 2 393 186QH 式中 Q 流量 m3 s 同理可以推求出在比转数 ns为 120 210 转速 n 为 1450 转 分时的扬程计 算公式 m 4 2 3 2 156 74QH 将公式 4 代入表 3 得常用单级离心泵 在最高效率下的最佳扬程 表表 5 单级离心泵最佳扬程单级离心泵最佳扬程 Q m3 h 510152025304050 586467 269 470 872 073 874 9 职称论文发表网 4 n 29002 3 4 93 7 7 84 8 10 25 8 12 36 8 14 27 6 16 19 2 19 410 7 22 6 H n 14500 92 1 931 46 3 11 92 4 02 3 4 92 7 5 73 0 6 43 7 7 74 3 9 0 Q m3 h 60708090100150200300 75 875 577 077 678 079 880 882 0 n 290012 1 25 613 4 28 414 7 31 015 9 33 617 1 36 022 4 47 227 1 57 135 5 74 9 H n 14504 8 10 15 4 11 35 8 12 36 3 13 36 8 14 38 9 18 710 8 22 614 1 29 6 分析表 5 值可知 在满足离心泵最高 效率下 其扬程随着流量和转速的增 大而增加 在实际工程中 低扬程水 泵使用范围较窄 当扬程超出上表中 流量对应值时 应按公式 3 重新计 算比转数 ns 然后在 GB T13007 91 中 查得效率修正值 即为该水泵的效率 值 1 示例一 某工程选用一单级 单吸离心水泵 转速为 2900 转 分 最高效率点的流量为 60m3 h 扬程为 40m 求其效率 轴功率和电机功率 解 1 求 ns 862900 40 3600 60 65 3 65 3 4 3 2 1 4 3 2 1 n H Q ns 2 查 离心泵效率 中修正值 ns 86 2 5 3 查表 3 Q 60m3 h 75 8 则 1 75 8 2 5 73 3 KWN92 8 3 73102 40 6 360 4 5 配用电机 查表 2 的 N机 11KW 示例二 某工程选用多级离心 泵转速为 2900 转 分 扬程为 120m 流量为 15m3 h 求其效率 轴功率和电机功率 解 1 ns 2900 20 3600 15 65 3 75 0 5 0 多级离心泵有六级 每级 20 72 2 72 2 查修正值 ns 72 4 5 3 查表 4 Q 15m3 h 61 8 则 1 61 8 4 5 57 3 KWN55 8 3 57102 1206 315 4 轴 5 查表 2 配用电机 N机 11KW 综上可述 影响离心水泵效率 的主要因素 水泵的流量 水泵流量越大 效率越高 可参见下图 Q 小型多级单吸泵 小型单级单吸泵 单级双吸离心泵 图图 2 不同形式离心泵效率不同形式离心泵效率 比转数 在 ns 120 210 比转数增 大 效率也随之增加 转速 同样参数的水泵 高转 速泵比低转速泵效率高 扬程 大流量低扬程泵要比小 流量高扬程泵效率高 5 5 使水泵运行在高效区的方法使水泵运行在高效区的方法 水泵实际运行工作点是由水泵 特性曲线 Q H 和管道特性曲线 两者同时决定的 欲获得高效区 工作 关键应设法使管道特性曲 职称论文发表网 5 线与水泵 Q H 曲线相交于该泵的 最佳效率点 5 15 1 定流量水泵管道特性曲线定流量水泵管道特性曲线 在工程设计中 采用水池 水泵 高位水箱的给水方式 水 泵采用一用一备时 流量是恒定 的 其扬程由静扬程和出水管道 水头损失及流出水头三部分组成 流出水头较小可略去 则总扬程 可表达为下式 H H0 SQ 5 式中 H0 静扬程 即水 泵从水池最低水位提升到水箱的 高水位 S 为输水管道的阻力系数 与管道长度 材质 直径等有关 Q 输水流量 L S 管道特性曲线有三种情况 见图 3 所示 图图 3 管道特性曲线管道特性曲线 正好通过所选水泵最高效率 点 A 管道阻力损失值估算高 配 管偏大 和 Q H 曲线交于 B 点 配管管径偏小 和 Q H 曲线 交于 C 点 由于 B C 点效率较 A 点低 运行 在 B 点造成电机功率增大 运行至 C 点 则流量偏小 效率也下降 因此 根据 管材 摩阻 长度 精确计算沿程和局 部水头损失 使计算的管道特性曲线正 好交于 A 点 是必需的步骤 5 2 变流量水泵的工作点效率变流量水泵的工作点效率 恒压变流量供水方式 通常采用变频 调速方法 根据比例定律 水泵流量与 转速的一次方成正比 扬程与转速的二 次方成正比 而轴功率与转速的三次方 成正比 又根据转速与频率关系 6 式中 n 转速 r min f 频率 Hz p 级组数 可求出改变转速后流量 扬程 轴功 率和频率变化参数 表表 6 转速下降后流量 扬程 轴功转速下降后流量 扬程 轴功 率和频率变化值率和频率变化值 表 6 只是一种理想状态下的数值 实 际上流量的减少视水泵性能曲线是否平 缓或陡降有关 扬程的下降要引起人们 警觉 转速下降决不能降到维持系统所 需的压力 即 H H0 SQ2 当采用恒压 非 变压 供水时 其水泵扬程不能满足恒 压要求时 就会出现小流量不出水现象 电机发热 空转故障 水泵变频改变转速后 效率下降很 大 主要是小流量效率较小缘故 还有 电机从满载到 3 4 负载再到 1 2 负载 电机效率亦随之下降 试举一例 格兰富水泵曾实测同一水泵 50Hz 100 转速 到 47HZ 94 转速 的 效率 水泵型号 CR32 2 2917r min 配 4kw 电机 从表 7 可得 频率下降 6 则 流量减少 40 n 100 Q m3 h H m N轴 KW 频率 50 Hz 94 0 94Q0 88H0 83047 90 0 90Q0 81H0 72945 85 0 85Q0 723H0 61442 5 80 0 8Q0 64H0 51240 H管 H SQ 职称论文发表网 6 水泵效率下降 13 4 整机效率下降 14 6 轴功率降低 31 即节能率为 31 将本案例按前述方法计算 比较 理论值与实际数据 见表 8 和表 9 表 8 表 9 证明优质产品水泵其 效能指标完全可以达到并超出 国家规定的离心泵效率 同时也 表表 7 变频供水效率实例变频供水效率实例 说明只有选用高效优质水泵才能 达到节能要求 表表 8 恒速运行设计参数与样本数据对照表恒速运行设计参数与样本数据对照表 Q m3 h H m n r min ns N轴 kw N机 kw 设计 2532 864 329171083 475 5 样本 2532 87429173 024 表表 9 变频运行理论参数与实测数据对照表变频运行理论参数与实测数据对照表 Q m3 h H m n r min ns N轴 KW 负载率 节能率 理论 1532 858 82742792 284134 3 实测 1532 864 127422 085231 6节能型水泵能效要求节能型水泵能效要求 6 1 国家规定国家规定 为大力推行节能型水泵 我国于 2005 年 5 月 13 日发布了 清水离心 泵能效限定值及节能评估值 的国家 标准 GB19762 2005 并于同年 12 月 1 日实施 该标准第 5 3 条是强制 性的 即泵的能效限定值和节能评价 值 所谓 泵能效限定值 定义为 在标准规定测