单级双吸离心泵效率数据分析

□ 霍幼文 □ 潘再兵 □ 周大庆 □ 闵思明 □ 周文朝 □ 王春华 □ 张文杰

1.上海凯士比泵有限公司 上海 200245 2.河海大学 能源与电气学院 南京 211100

1 分析背景

单级双吸离心泵又称为单级双吸水平中开泵,泵体部分可以根据使用条件,采取立式或卧式安装,密封可以采用机械密封或填料密封。与普通离心泵相比,单级双吸离心泵效率高、流量大,便于安装维修,是应用最为广泛的泵类产品之一,广泛应用于工厂、矿山、城市给排水、电站、农田排灌,以及各类水利工程。

上海凯士比泵有限公司采用德国先进技术设计制造的单级双吸离心泵如图1所示。

图1 单级双吸离心泵

为了掌握单级双吸离心泵的能效现状,对某年度的单级双吸离心泵出厂试验进行调查,对所收集的相关试验报告进行统计分析,并参考相关国家标准。本文对调查过程和分析结果进行介绍。

2 数据来源

对于单级双吸离心泵而言,高效节能是主要特征,对应泵在额定工况下的效率指标。泵的效率高低是衡量泵能效等级的最重要依据。

出厂试验报告的内容分别按流量、比转速、效率进行统计,统计的重点是实测最高效率与产品样本最高效率的差值,两者的流量相同,都是产品样本中规定转速下最高效率点对应的流量。

3 分析方法

准确分析单级双吸离心泵的各种试验报告,必须有正确的分析方法。描述统计分析是一种最基本的统计方法,对研究中所得的数据加以整理、归类、简化,并绘制成图表,以此描述和归纳数据的特征及变量之间的关系。数据刚取得时,可能杂乱无章,不便于发现规律,通过制图、造表,用各种形式的方程进行拟合,计算某些特征量等,可以探索规律性的可能形式,寻找和揭示隐含在数据中的规律性。将产品的实际试验报告指标与国家标准规定值进行比较分析,可以找出差异。

依据GB/T 3216—2016《回转动力泵 水力性能验收试验 1级、2级和3级》,GB/T 13007—2011《离心泵 效率》、GB 19762—2007《清水离心泵能效限定值及节能评价值》三个国家标准,对单级双吸离心泵的试验效率进行分析判断。

4 实测效率与产品样本对比分析

在某年度的单级双吸离心泵出厂试验报告中,总共筛选出有完整试验曲线可统计分析的有效报告683份。通过对试验报告的最高效率与产品样本的最高效率进行对比,发现试验报告普遍比产品样本低,平均低1.9个百分点。扣除10个最大值和10个最小值,平均低1.8个百分点。每个规格单级双吸离心泵的最高效率点通常只对应一个比转速。每个客户要求的流量扬程参数不一样,虽然选择的是同一泵型,但是叶轮直径不一样,或者转速不一样,导致在最高效率点上形成多个相近的流量或比转速,反映在分布图中数据点的重合比较少,显得略微分散。

单级双吸离心泵最高效率的实测数据与产品样本数据对比,效率容差因数流量分布如图2所示,比转速分布如图3所示,百分比分布如图4所示。

图2 效率容差因数流量分布

图3 效率容差因数比转速分布

图4 效率容差因数百分比分布

通过某年度683份试验报告的最高效率与产品样本对比,发现效率容差因数为负值的有552份,为正值的有120份,相同的有11份,实测效率大于或等于产品样本效率的比例为19.2%。效率容差因数在-5%～5%内的占91.8%,效率容差因数值在-10%～10%内的占98.5%。上述统计的的单级双吸离心泵产品的实测最高效率,与产品样本比较,还有一定的差距。

按照GB/T 3216—2016检测允许偏差下限评定,多数产品属于合格品。效率容差因数的平均值接近0时,分布范围主要在流量1 500 m3/h以上,或比转速200以下。验收等级1B级的泵,效率容差因数不小于-3%,合格率为73.1%。验收等级2B级的泵,效率容差因数不小于-5%,合格率为92.4%。验收等级3B级的泵,效率容差因数不小于-7%,合格率为96.3%。

公司与客户签订的合同验收等级通常是1B级或2B级。按照验收等级2B级,泵效率容差因数不小于-5%,达不到的不能出厂,需要查明原因,返工修理再次试验。将泵效率容差因数小于-5%的试验数据52份去除,再统计分析,则基本上反映了交付给客户的泵的效率水平。这52份试验数据来自52台泵,占总出厂台数的8%左右,因效率不合格需要返工维修。对应的一次试验产品合格率为92%,反映了厂家的制造水平。

剩下631份试验报告的最高效率与产品样本对比,发现其中效率容差因数为负值的有500份,为正值的有120份,相同的有11份,实测效率大于或等于产品样本效率的比例为20.8%。效率容差因数在-5%～5%内的占99.4%。按照GB/T 3216—2016,验收等级为1B级的泵,效率容差因数不小于-3%,合格率为79.1%。验收等级2B级的泵,效率容差因数不小于-5%,合格率为100%。

有的客户选择最为严格的泵性能验收等级1U级,保证点各项参数不得有负偏差,效率容差因数不小于0。实际上达到这个要求并不容易,根据上述统计结果,达到验收等级1U级的只有20.8%,尤其是流量1 500 m3/h以下的小流量泵比例更低。多数泵需要返工维修,打磨叶片流道,调整装配间隙或更换零件,然后再做试验。为了能够顺利通过客户验收,降低制造成本,有的厂家在客户技术协议中提供效率数据时,比产品样本上保证点的效率低2个或3个百分点,根据上述统计结果,一次试验符合验收等级1U级的泵,可以达到55.8%或73.1%。

去除实测数据中不合格的52份数据后,单级双吸离心泵的最高效率与产品样本数据对比,效率容差因数流量分布如图5所示,比转速分布如图6所示,百分比分布如图7所示。

图5 去除不合格数据后效率容差因数流量分布

图6 去除不合格数据后效率容差因数比转速分布

图7 去除不合格数据后效率容差因数百分比分布

在全部合格的出厂产品中,效率容差因数的平均值与流量呈线性关联。流量为100 m3/h时,效率容差因数的平均值为-2.8%。流量为1 800 m3/h时,效率容差因数的平均值为0。流量为2 600 m3/h时,效率容差因数的平均值为1.6%。也就是说,大流量泵实测最高效率的平均值高于产品样本,小流量的泵实测最高效率的平均值低于产品样本,以流量1 800 m3/h为分界点。

效率容差因数的平均值与比转速呈线性关联。比转速为40时,效率容差因数的平均值为-1.3%。比转速为280时,效率容差因数的平均值为-1.5%。效率容差因数的平均值基本上不受比转速的影响,在不同的比转速下差异很小。

效率容差因数百分比分布反映了产品的质量分布状态,绝大多数泵的实测最高效率低于产品样本,占比为79.2%。有少数泵的实测最高效率高于产品样本,效率容差因数不小于3%的占比为4%,共有25份。这个值得深入研究,需要详细调查设计、制造、检验、试验等全过程活动,重点检查叶轮、泵体、泵盖的模具和铸件,必要时对叶片和流道进行三维扫描,查找与设计的偏差,并对比最近几年同一规格的产品质量检测报告和试验数据。多次实测泵的最高效率高于产品样本,可以考虑修改提升产品样本中的效率数据,在行业中体现公司技术上的进步和优势。

经统计分析发现,实测效率数据普遍低于产品样本效率数据。产品样本效率数据也是来自于试验结果,没有人为拔高以夸大宣传,也没有抄袭其它厂家,但是通常的做法是挑选最好的几台泵的试验数据写入产品样本,而不是所有泵的平均值,并且这一批次的泵质量把关非常严格,零部件都是优中选优。而面对客户生产的泵则是大批量的,由于受到交货时间、制造成本、物流供应等制约,很难每台泵都做到很精细,出现质量偏差的现象增多。

对于国内泵制造厂家产品样本数据普遍存在与实测数据不一致的现象,在很多学者专家的类似泵产品分析报告中得到了证实。绝大多数泵的实测效率数据均小于产品样本效率数据,占整个数据组的82%。也就是说,国内泵实测效率数据与产品样本效率数据实际上并不相符,最好的是国内产品样本,然后是国外产品样本,最差的是国内实测。还有许多学者专家及专业工程师对提高离心泵的效率及性能做了一些有益的研究工作,重视产品节能,追求效率及性能提升,这一直是整个泵行业前进的方向。

5 实测效率与标准规定点效率对比分析

比转速120～210时单级双吸离心泵效率曲线如图8所示。GB/T 13007—2011对单级双吸离心泵的最高效率工况点效率进行了规定,不得低于图8中曲线A。同时对泵的容许工作范围内最低效率进行了规定,不得低于图8中曲线B。效率规定值对应不同的流量,流量大则效率规定值高,流量小则效率规定值低。在比转速小于120或大于210时,效率规定值做适当修正。通过实测效率与国家标准对比,可以判断产品的合格率。

图8 比转速120～210时单级双吸离心泵效率曲线

在上述筛选出可统计分析的有效试验报告683份中,实测最高效率大于或等于国家标准规定点效率的有400份,占比为58.6%。单级双吸离心泵最高效率的实测数据与国家标准规定点效率对比,效率容差因数流量分布如图9所示,比转速分布如图10所示,百分比分布如图11所示。可以看出,小流量和低比转速的单级双吸离心泵达标情况较好。

图9 与标准比较效率容差因数流量分布

图10 与标准比较效率容差因数比转速分布

图11 与标准比较效率容差因数百分比分布

效率容差因数在-5%～5%内的占81.4%,效率容差因数在-10%～10%内的占97.5%,效率容差因数在-15%～15%内的占99.6%,这与相应的国家标准比较,还有一定差距。

该批次单级双吸离心泵效率一次试验合格率为58.6%,指泵的试验最高效率大于或等于国家标准规定点效率的泵数量的占比。泵的最高效率总体平均水平与国家标准相比略高,大多数都达到了国家标准要求。按照GB/T 3216—2016检测允许偏差下限评定,多数产品属于合格品,主要分布在流量小于1 500 m3/h和比转速小于120的泵。验收等级1B级的泵,效率容差因数不小于-3%,合格率为88.7%。验收等级2B级的泵,效率容差因数不小于-5%,合格率为96%。验收等级3B级的泵,效率容差因数不小于-7%,合格率为98%。

参照前述统计分析方法,将与产品样本对比的效率容差因数小于-5%的试验数据52份去除,再统计分析,则基本上反映了按照国家标准规定点效率要求交付给客户的泵的效率水平。去除实测数据中不符合验收等级2B级的52份数据后,单级双吸离心泵最高效率的实测数据与国家标准规定点效率对比,效率容差因数流量分布如图12所示,比转速分布如图13所示,百分比分布如图14所示。可以看出,小流量和低比转速的单级双吸离心泵达标情况较好,平均效率容差因数为正值,主要分布在流量小于1 500 m3/h和比转速小于120的泵。比转速200以上的负偏差较大,这部分泵的效率有待改进和提高。

图12 去除不合格数据后与标准比较效率容差因数流量分布

图13 去除不合格数据后与标准比较效率容差因数比转速分布

图14 去除不合格数据后与标准比较效率容差因数百分比分布

按照GB/T 3216—2016检测允许偏差下限评定,多数产品属于合格品。验收等级1B级的泵,效率容差因数不小于-3%,合格率为92.2%。验收等级2B级的泵,效率容差因数不小于-5%,合格率为98.7%。

泵的最高效率与国家标准相比,总体平均值高出1.5个百分点,大多数达到了国家标准要求。与10 a前相比,整个系列产品的最高效率平均值提高了1.2个百分点。但是,仍然存在不达标的现象。最高效率实测值与国家标准相符,是对所有泵企业的基本要求,无论产品是国际一流还是国内一流,首先必须符合企业标准,并且企业标准不低于国家标准。

效率容差因数百分比分布反映了出厂产品的质量分布状态,部分泵的实测最高效率低于国家标准规定点效率,占比为38.5%。少数泵的实测最高效率远远高于国家标准规定点效率,效率容差因数不小于5%的占比为18.4%,这体现了公司在行业中的技术领先优势。

6 泵节能评价

按照GB 19762—2007,当流量不大于600 m3/h时,泵能效限定值为规定点效率减去3个百分点。当流量大于600 m3/h时,泵能效限定值为规定点效率减去4个百分点。当流量不大于600 m3/h时,泵节能评价值为规定点效率加上2个百分点。当流量大于600 m3/h时,泵节能评价值为规定点效率加上1个百分点。

对单级双吸离心泵的最高效率实测数据进行统计分析,满足泵能效限定值的台数占比为91.5%,10 a前为83%。满足泵节能评价值的台数占比为43%,10 a前为39.5%。按照标准制定的初衷,希望整个行业满足泵节能评价值的台数占比为10%,实际上已有公司远远超过了这一要求。用节能评价值的数据证明了公司在泵行业的抢先领跑地位,并且一直在进步。

7 结束语

笔者通过采取不同的研究方法,得出了某系列单级双吸离心泵的各种效率及合格率数据,包括一次试验合格率、各种验收等级所占比例、实测最高效率与样本效率差值、实测最高效率与国家标准规定点效率差值、各种效率差值百分比分布等。

实测最高效率与产品样本的效率容差因数的平均值对比转速变化不敏感,不同比转速下基本一致,但对流量变化比较敏感,在小流量下多为负值,随着流量增大逐步转为正值。这说明小口径单级双吸离心泵的铸造加工质量等有待进一步提高,以使平均最高效率与产品样本相符合。

实测最高效率与国家标准规定点效率容差因数的平均值在小流量下多为正值,随着流量增大逐渐减小,在大流量下则略有增大。这一效率容差因数平均值对比转速变化特别敏感,低比转速下为正值,高比转速下为负值,这说明比转速200以上的高比转速单级双吸离心泵有待进一步研发水力模型以提高效率。

按照国家标准节能评价值,公司产品台数所占比例为43%,单级双吸离心泵的能效等级在行业中处于领先水平。