單級雙吸離心泵效率數據分析

□ 霍幼文 □ 潘再兵 □ 周大慶 □ 閔思明 □ 周文朝 □ 王春華 □ 張文杰

1.上海凱士比泵有限公司 上海 200245 2.河海大學 能源與電氣學院 南京 211100

1 分析背景

單級雙吸離心泵又稱為單級雙吸水平中開泵,泵體部分可以根據使用條件,采取立式或臥式安裝,密封可以采用機械密封或填料密封。與普通離心泵相比,單級雙吸離心泵效率高、流量大,便于安裝維修,是應用最為廣泛的泵類產品之一,廣泛應用于工廠、礦山、城市給排水、電站、農田排灌,以及各類水利工程。

上海凱士比泵有限公司采用德國先進技術設計制造的單級雙吸離心泵如圖1所示。

圖1 單級雙吸離心泵

為了掌握單級雙吸離心泵的能效現狀,對某年度的單級雙吸離心泵出廠試驗進行調查,對所收集的相關試驗報告進行統計分析,并參考相關國家標準。本文對調查過程和分析結果進行介紹。

2 數據來源

對于單級雙吸離心泵而言,高效節能是主要特征,對應泵在額定工況下的效率指標。泵的效率高低是衡量泵能效等級的最重要依據。

出廠試驗報告的內容分別按流量、比轉速、效率進行統計,統計的重點是實測最高效率與產品樣本最高效率的差值,兩者的流量相同,都是產品樣本中規定轉速下最高效率點對應的流量。

3 分析方法

準確分析單級雙吸離心泵的各種試驗報告,必須有正確的分析方法。描述統計分析是一種最基本的統計方法,對研究中所得的數據加以整理、歸類、簡化,并繪制成圖表,以此描述和歸納數據的特征及變量之間的關系。數據剛取得時,可能雜亂無章,不便于發現規律,通過制圖、造表,用各種形式的方程進行擬合,計算某些特征量等,可以探索規律性的可能形式,尋找和揭示隱含在數據中的規律性。將產品的實際試驗報告指標與國家標準規定值進行比較分析,可以找出差異。

依據GB/T 3216—2016《回轉動力泵 水力性能驗收試驗 1級、2級和3級》,GB/T 13007—2011《離心泵 效率》、GB 19762—2007《清水離心泵能效限定值及節能評價值》三個國家標準,對單級雙吸離心泵的試驗效率進行分析判斷。

4 實測效率與產品樣本對比分析

在某年度的單級雙吸離心泵出廠試驗報告中,總共篩選出有完整試驗曲線可統計分析的有效報告683份。通過對試驗報告的最高效率與產品樣本的最高效率進行對比,發現試驗報告普遍比產品樣本低,平均低1.9個百分點。扣除10個最大值和10個最小值,平均低1.8個百分點。每個規格單級雙吸離心泵的最高效率點通常只對應一個比轉速。每個客戶要求的流量揚程參數不一樣,雖然選擇的是同一泵型,但是葉輪直徑不一樣,或者轉速不一樣,導致在最高效率點上形成多個相近的流量或比轉速,反映在分布圖中數據點的重合比較少,顯得略微分散。

單級雙吸離心泵最高效率的實測數據與產品樣本數據對比,效率容差因數流量分布如圖2所示,比轉速分布如圖3所示,百分比分布如圖4所示。

圖2 效率容差因數流量分布

圖3 效率容差因數比轉速分布

圖4 效率容差因數百分比分布

通過某年度683份試驗報告的最高效率與產品樣本對比,發現效率容差因數為負值的有552份,為正值的有120份,相同的有11份,實測效率大于或等于產品樣本效率的比例為19.2%。效率容差因數在-5%～5%內的占91.8%,效率容差因數值在-10%～10%內的占98.5%。上述統計的的單級雙吸離心泵產品的實測最高效率,與產品樣本比較,還有一定的差距。

按照GB/T 3216—2016檢測允許偏差下限評定,多數產品屬于合格品。效率容差因數的平均值接近0時,分布范圍主要在流量1 500 m3/h以上,或比轉速200以下。驗收等級1B級的泵,效率容差因數不小于-3%,合格率為73.1%。驗收等級2B級的泵,效率容差因數不小于-5%,合格率為92.4%。驗收等級3B級的泵,效率容差因數不小于-7%,合格率為96.3%。

公司與客戶簽訂的合同驗收等級通常是1B級或2B級。按照驗收等級2B級,泵效率容差因數不小于-5%,達不到的不能出廠,需要查明原因,返工修理再次試驗。將泵效率容差因數小于-5%的試驗數據52份去除,再統計分析,則基本上反映了交付給客戶的泵的效率水平。這52份試驗數據來自52臺泵,占總出廠臺數的8%左右,因效率不合格需要返工維修。對應的一次試驗產品合格率為92%,反映了廠家的制造水平。

剩下631份試驗報告的最高效率與產品樣本對比,發現其中效率容差因數為負值的有500份,為正值的有120份,相同的有11份,實測效率大于或等于產品樣本效率的比例為20.8%。效率容差因數在-5%～5%內的占99.4%。按照GB/T 3216—2016,驗收等級為1B級的泵,效率容差因數不小于-3%,合格率為79.1%。驗收等級2B級的泵,效率容差因數不小于-5%,合格率為100%。

有的客戶選擇最為嚴格的泵性能驗收等級1U級,保證點各項參數不得有負偏差,效率容差因數不小于0。實際上達到這個要求并不容易,根據上述統計結果,達到驗收等級1U級的只有20.8%,尤其是流量1 500 m3/h以下的小流量泵比例更低。多數泵需要返工維修,打磨葉片流道,調整裝配間隙或更換零件,然后再做試驗。為了能夠順利通過客戶驗收,降低制造成本,有的廠家在客戶技術協議中提供效率數據時,比產品樣本上保證點的效率低2個或3個百分點,根據上述統計結果,一次試驗符合驗收等級1U級的泵,可以達到55.8%或73.1%。

去除實測數據中不合格的52份數據后,單級雙吸離心泵的最高效率與產品樣本數據對比,效率容差因數流量分布如圖5所示,比轉速分布如圖6所示,百分比分布如圖7所示。

圖5 去除不合格數據后效率容差因數流量分布

圖6 去除不合格數據后效率容差因數比轉速分布

圖7 去除不合格數據后效率容差因數百分比分布

在全部合格的出廠產品中,效率容差因數的平均值與流量呈線性關聯。流量為100 m3/h時,效率容差因數的平均值為-2.8%。流量為1 800 m3/h時,效率容差因數的平均值為0。流量為2 600 m3/h時,效率容差因數的平均值為1.6%。也就是說,大流量泵實測最高效率的平均值高于產品樣本,小流量的泵實測最高效率的平均值低于產品樣本,以流量1 800 m3/h為分界點。

效率容差因數的平均值與比轉速呈線性關聯。比轉速為40時,效率容差因數的平均值為-1.3%。比轉速為280時,效率容差因數的平均值為-1.5%。效率容差因數的平均值基本上不受比轉速的影響,在不同的比轉速下差異很小。

效率容差因數百分比分布反映了產品的質量分布狀態,絕大多數泵的實測最高效率低于產品樣本,占比為79.2%。有少數泵的實測最高效率高于產品樣本,效率容差因數不小于3%的占比為4%,共有25份。這個值得深入研究,需要詳細調查設計、制造、檢驗、試驗等全過程活動,重點檢查葉輪、泵體、泵蓋的模具和鑄件,必要時對葉片和流道進行三維掃描,查找與設計的偏差,并對比最近幾年同一規格的產品質量檢測報告和試驗數據。多次實測泵的最高效率高于產品樣本,可以考慮修改提升產品樣本中的效率數據,在行業中體現公司技術上的進步和優勢。

經統計分析發現,實測效率數據普遍低于產品樣本效率數據。產品樣本效率數據也是來自于試驗結果,沒有人為拔高以夸大宣傳,也沒有抄襲其它廠家,但是通常的做法是挑選最好的幾臺泵的試驗數據寫入產品樣本,而不是所有泵的平均值,并且這一批次的泵質量把關非常嚴格,零部件都是優中選優。而面對客戶生產的泵則是大批量的,由于受到交貨時間、制造成本、物流供應等制約,很難每臺泵都做到很精細,出現質量偏差的現象增多。

對于國內泵制造廠家產品樣本數據普遍存在與實測數據不一致的現象,在很多學者專家的類似泵產品分析報告中得到了證實。絕大多數泵的實測效率數據均小于產品樣本效率數據,占整個數據組的82%。也就是說,國內泵實測效率數據與產品樣本效率數據實際上并不相符,最好的是國內產品樣本,然后是國外產品樣本,最差的是國內實測。還有許多學者專家及專業工程師對提高離心泵的效率及性能做了一些有益的研究工作,重視產品節能,追求效率及性能提升,這一直是整個泵行業前進的方向。

5 實測效率與標準規定點效率對比分析

比轉速120～210時單級雙吸離心泵效率曲線如圖8所示。GB/T 13007—2011對單級雙吸離心泵的最高效率工況點效率進行了規定,不得低于圖8中曲線A。同時對泵的容許工作范圍內最低效率進行了規定,不得低于圖8中曲線B。效率規定值對應不同的流量,流量大則效率規定值高,流量小則效率規定值低。在比轉速小于120或大于210時,效率規定值做適當修正。通過實測效率與國家標準對比,可以判斷產品的合格率。

圖8 比轉速120～210時單級雙吸離心泵效率曲線

在上述篩選出可統計分析的有效試驗報告683份中,實測最高效率大于或等于國家標準規定點效率的有400份,占比為58.6%。單級雙吸離心泵最高效率的實測數據與國家標準規定點效率對比,效率容差因數流量分布如圖9所示,比轉速分布如圖10所示,百分比分布如圖11所示。可以看出,小流量和低比轉速的單級雙吸離心泵達標情況較好。

圖9 與標準比較效率容差因數流量分布

圖10 與標準比較效率容差因數比轉速分布

圖11 與標準比較效率容差因數百分比分布

效率容差因數在-5%～5%內的占81.4%,效率容差因數在-10%～10%內的占97.5%,效率容差因數在-15%～15%內的占99.6%,這與相應的國家標準比較,還有一定差距。

該批次單級雙吸離心泵效率一次試驗合格率為58.6%,指泵的試驗最高效率大于或等于國家標準規定點效率的泵數量的占比。泵的最高效率總體平均水平與國家標準相比略高,大多數都達到了國家標準要求。按照GB/T 3216—2016檢測允許偏差下限評定,多數產品屬于合格品,主要分布在流量小于1 500 m3/h和比轉速小于120的泵。驗收等級1B級的泵,效率容差因數不小于-3%,合格率為88.7%。驗收等級2B級的泵,效率容差因數不小于-5%,合格率為96%。驗收等級3B級的泵,效率容差因數不小于-7%,合格率為98%。

參照前述統計分析方法,將與產品樣本對比的效率容差因數小于-5%的試驗數據52份去除,再統計分析,則基本上反映了按照國家標準規定點效率要求交付給客戶的泵的效率水平。去除實測數據中不符合驗收等級2B級的52份數據后,單級雙吸離心泵最高效率的實測數據與國家標準規定點效率對比,效率容差因數流量分布如圖12所示,比轉速分布如圖13所示,百分比分布如圖14所示。可以看出,小流量和低比轉速的單級雙吸離心泵達標情況較好,平均效率容差因數為正值,主要分布在流量小于1 500 m3/h和比轉速小于120的泵。比轉速200以上的負偏差較大,這部分泵的效率有待改進和提高。

圖12 去除不合格數據后與標準比較效率容差因數流量分布

圖13 去除不合格數據后與標準比較效率容差因數比轉速分布

圖14 去除不合格數據后與標準比較效率容差因數百分比分布

按照GB/T 3216—2016檢測允許偏差下限評定,多數產品屬于合格品。驗收等級1B級的泵,效率容差因數不小于-3%,合格率為92.2%。驗收等級2B級的泵,效率容差因數不小于-5%,合格率為98.7%。

泵的最高效率與國家標準相比,總體平均值高出1.5個百分點,大多數達到了國家標準要求。與10 a前相比,整個系列產品的最高效率平均值提高了1.2個百分點。但是,仍然存在不達標的現象。最高效率實測值與國家標準相符,是對所有泵企業的基本要求,無論產品是國際一流還是國內一流,首先必須符合企業標準,并且企業標準不低于國家標準。

效率容差因數百分比分布反映了出廠產品的質量分布狀態,部分泵的實測最高效率低于國家標準規定點效率,占比為38.5%。少數泵的實測最高效率遠遠高于國家標準規定點效率,效率容差因數不小于5%的占比為18.4%,這體現了公司在行業中的技術領先優勢。

6 泵節能評價

按照GB 19762—2007,當流量不大于600 m3/h時,泵能效限定值為規定點效率減去3個百分點。當流量大于600 m3/h時,泵能效限定值為規定點效率減去4個百分點。當流量不大于600 m3/h時,泵節能評價值為規定點效率加上2個百分點。當流量大于600 m3/h時,泵節能評價值為規定點效率加上1個百分點。

對單級雙吸離心泵的最高效率實測數據進行統計分析,滿足泵能效限定值的臺數占比為91.5%,10 a前為83%。滿足泵節能評價值的臺數占比為43%,10 a前為39.5%。按照標準制定的初衷,希望整個行業滿足泵節能評價值的臺數占比為10%,實際上已有公司遠遠超過了這一要求。用節能評價值的數據證明了公司在泵行業的搶先領跑地位,并且一直在進步。

7 結束語

筆者通過采取不同的研究方法,得出了某系列單級雙吸離心泵的各種效率及合格率數據,包括一次試驗合格率、各種驗收等級所占比例、實測最高效率與樣本效率差值、實測最高效率與國家標準規定點效率差值、各種效率差值百分比分布等。

實測最高效率與產品樣本的效率容差因數的平均值對比轉速變化不敏感,不同比轉速下基本一致,但對流量變化比較敏感,在小流量下多為負值,隨著流量增大逐步轉為正值。這說明小口徑單級雙吸離心泵的鑄造加工質量等有待進一步提高,以使平均最高效率與產品樣本相符合。

實測最高效率與國家標準規定點效率容差因數的平均值在小流量下多為正值,隨著流量增大逐漸減小,在大流量下則略有增大。這一效率容差因數平均值對比轉速變化特別敏感,低比轉速下為正值,高比轉速下為負值,這說明比轉速200以上的高比轉速單級雙吸離心泵有待進一步研發水力模型以提高效率。

按照國家標準節能評價值,公司產品臺數所占比例為43%,單級雙吸離心泵的能效等級在行業中處于領先水平。