輕、小型多級離心泵效率檢測技術(shù)研究

一、檢測原理

泵效率是泵的輸出功率與輸入功率之比，是衡量泵能量轉(zhuǎn)換性能的核心指標(biāo)。其檢測基于一系列相互關(guān)聯(lián)的物理原理和能量守恒定律。

1. 水力原理：依據(jù)離心泵基本方程，泵的揚(yáng)程源于葉輪旋轉(zhuǎn)對液體做功，增加其動能和壓力能。效率損失主要包括：

   • 水力損失：流體在流道內(nèi)的摩擦損失、局部沖擊損失和葉輪出口的渦流損失。其大小與過流部件的光潔度、流道設(shè)計(jì)及運(yùn)行工況點(diǎn)有關(guān)。

   • 容積損失：由于泵內(nèi)存在動靜間隙（如葉輪密封環(huán)、級間襯套），高壓區(qū)的液體會向低壓區(qū)泄漏，導(dǎo)致實(shí)際流量小于理論流量。

   • 機(jī)械損失：包括軸承、軸封（如機(jī)械密封、填料密封）的摩擦損失以及葉輪外表面與液體之間的圓盤摩擦損失。

2. 能量轉(zhuǎn)換原理：效率（η）的計(jì)算公式為：η = (P_out / P_in) × 。

   • 輸出功率 (P_out)：泵傳遞給液體的有效功率。P_out = ρ * g * Q * H / 3600。其中，ρ為液體密度（kg/m³），g為重力加速度（m/s²），Q為體積流量（m³/h），H為揚(yáng)程（m）。

   • 輸入功率 (P_in)：泵軸從原動機(jī)（通常是電機(jī)）獲得的功率，即軸功率。

3. 電機(jī)學(xué)原理：對于電動泵機(jī)組，輸入功率的測量通常涉及電機(jī)輸入電功率的測量。通過測量電網(wǎng)供給電機(jī)的電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)，結(jié)合電機(jī)效率曲線或直接測量電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速，可計(jì)算出泵的軸功率。

二、檢測項(xiàng)目

效率檢測是一個(gè)系統(tǒng)性工程，需對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行同步精確測量。

1. 性能參數(shù)檢測：

   • 流量 (Q)：單位時(shí)間內(nèi)泵輸送液體的體積。

   • 揚(yáng)程 (H)：單位重量液體通過泵后獲得的總能量增加值。

   • 軸功率 (P_in)：泵軸輸入的實(shí)際機(jī)械功率。

   • 轉(zhuǎn)速 (n)：泵軸的旋轉(zhuǎn)速度，對性能曲線有顯著影響。

2. 電參數(shù)檢測（針對機(jī)泵組）：

   • 輸入電功率：電機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率。

   • 電壓、電流：電機(jī)的線電壓和線電流。

   • 功率因數(shù)：反映電機(jī)負(fù)載與電網(wǎng)交換無功功率的情況。

   • 頻率：電網(wǎng)頻率。

3. 介質(zhì)與環(huán)境參數(shù)檢測：

   • 液體密度 (ρ)：直接影響輸出功率計(jì)算。

   • 液體溫度：影響密度、粘度及泵汽蝕性能。

   • 液體粘度：若輸送高粘度介質(zhì)，會顯著增加水力損失。

   • 大氣壓力：用于汽蝕余量計(jì)算。

   • 進(jìn)口壓力：精確計(jì)算揚(yáng)程所必需。

4. 輔助檢測項(xiàng)目：

   • 汽蝕余量 (NPSH)：通過NPSH試驗(yàn)確定泵的必需汽蝕余量（NPSHr），評估泵的抗汽蝕性能。

   • 噪聲與振動：間接反映泵的內(nèi)部流動穩(wěn)定性、機(jī)械平衡及裝配質(zhì)量。

三、檢測范圍

輕、小型多級離心泵廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，其效率檢測要求因應(yīng)用領(lǐng)域而異。

1. 建筑給排水：樓宇供水、消防系統(tǒng)。要求效率檢測在額定流量和揚(yáng)程點(diǎn)附近具有高精度，以確保長期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2. 工業(yè)流程：鍋爐給水、冷卻循環(huán)、工業(yè)清洗、過濾系統(tǒng)。檢測需考慮介質(zhì)的溫度、腐蝕性及可能含有的微小顆粒物對性能的影響。

3. 水務(wù)與環(huán)保：小型水廠增壓、反滲透系統(tǒng)預(yù)處理、中水回用。檢測需關(guān)注泵在變流量工況下的效率，以適應(yīng)變化的負(fù)荷。

4. 農(nóng)業(yè)灌溉：要求檢測能適應(yīng)不同的水質(zhì)（如含沙量），并評估在部分負(fù)荷下的運(yùn)行效率。

5. 暖通空調(diào) (HVAC)：冷凍水、冷卻水循環(huán)。檢測在于泵在整個(gè)采暖或制冷季不同負(fù)荷下的加權(quán)平均效率。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對泵效率的檢測方法、允差和性能評判有明確規(guī)定。

1. 標(biāo)準(zhǔn)：

   • ISO 9906:2012《回轉(zhuǎn)動力泵 液壓性能驗(yàn)收試驗(yàn) 1級、2級和3級》：這是具影響力的標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)定了三個(gè)精度等級（1級高），詳細(xì)規(guī)定了測量儀表的不確定度、試驗(yàn)方法和允差。它對泵效率的允差規(guī)定了兩個(gè)值：一是保證點(diǎn)效率不得低于承諾值的特定允差（TQ）；二是效率下降值不得大于承諾值的特定百分比（Δη）。

   • HI (Hydraulic Institute) Standards：美國水力學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)，在北美地區(qū)廣泛應(yīng)用，其內(nèi)容與ISO標(biāo)準(zhǔn)高度兼容且更為詳盡。

2. 中國標(biāo)準(zhǔn)：

   • GB/T 3216-2016《回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗(yàn)收試驗(yàn) 1級、2級和3級》：該標(biāo)準(zhǔn)等同采用ISO 9906:2012，是中國泵行業(yè)的驗(yàn)收檢測標(biāo)準(zhǔn)。

   • GB 19762-2007《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評價(jià)值》：該標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制規(guī)定了清水離心泵的效率低限值（能效限定值）和鼓勵(lì)達(dá)到的更率值（節(jié)能評價(jià)值）。檢測方法需依據(jù)GB/T 3216。它對不同比轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程的泵設(shè)定了具體的效率要求。

3. 標(biāo)準(zhǔn)對比分析：

   • 趨同性：GB/T 3216與ISO 9906在核心方法、精度等級劃分上已完全接軌，保證了檢測結(jié)果的可比性。

   • 側(cè)：ISO 9906和GB/T 3216是全面的性能驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，而GB 19762是專門針對能效的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。后者直接為泵的效率設(shè)定了市場準(zhǔn)入門檻，是效率檢測結(jié)果評判的直接法律依據(jù)。

   • 應(yīng)用選擇：研發(fā)和精度驗(yàn)收通常采用1級精度；常規(guī)出廠檢驗(yàn)可采用2級精度。

五、檢測方法

1. 閉式試驗(yàn)臺法：常用、精度高的方法。

   • 原理：在封閉管路系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)液體，通過換熱器控制液體溫度。

   • 操作要點(diǎn)：

     • 流量測量：通常采用電磁流量計(jì)或超聲波流量計(jì)，安裝點(diǎn)需滿足前后直管段要求。

     • 揚(yáng)程測量：在泵進(jìn)出口法蘭附近取壓，采用高精度壓力變送器或差壓變送器測量進(jìn)出口壓力差，結(jié)合位差和速度頭修正計(jì)算揚(yáng)程。

     • 軸功率測量：首選轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器（法蘭式或軸伸式），直接測量泵軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，計(jì)算軸功率。此為直接、準(zhǔn)確的方法。

     • 電功率測量：當(dāng)使用電機(jī)輸入電功率推算軸功率時(shí)，需采用高精度功率分析儀，并獲取電機(jī)在對應(yīng)負(fù)載下的效率曲線（根據(jù)GB/T 1032標(biāo)準(zhǔn)測試），進(jìn)行換算。此法會引入電機(jī)效率的不確定度。

   • 工況調(diào)節(jié)：通過調(diào)節(jié)安裝在回路中的電動或手動調(diào)節(jié)閥來改變流量，從關(guān)死點(diǎn)至大流量點(diǎn)均勻選取不少于7個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行測試。

2. 開式試驗(yàn)臺法：

   • 原理：從水池吸水，排水至另一個(gè)水池或大氣。

   • 操作要點(diǎn)：適用于大型泵或現(xiàn)場測試。揚(yáng)程計(jì)算需考慮進(jìn)口液面與出口壓力測量點(diǎn)的位置關(guān)系。流量測量可采用堰槽、文丘里管等方法，但精度通常低于閉式臺。

六、檢測儀器

1. 流量測量設(shè)備：

   • 電磁流量計(jì)：精度高（可達(dá)±0.2% ~ ±0.5%），無壓損，要求介質(zhì)具有低電導(dǎo)率。是閉式試驗(yàn)臺的首選。

   • 超聲波流量計(jì)：便攜、非接觸式，適用于現(xiàn)場檢測。其精度受管壁狀況、安裝條件及介質(zhì)中氣泡含量影響。

2. 壓力測量設(shè)備：

   • 壓力變送器/差壓變送器：采用壓阻、電容等原理，精度高（可達(dá)±0.075% FS），穩(wěn)定性好。需定期校準(zhǔn)。

3. 功率測量設(shè)備：

   • 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器：核心設(shè)備。通過測量彈性軸在扭矩作用下的扭轉(zhuǎn)變形（相位差原理）來精確計(jì)算轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從而直接得到軸功率。精度可達(dá)±0.2%。

   • 功率分析儀：用于測量電機(jī)輸入電參數(shù)。需具備多通道、高精度（有功功率精度可達(dá)±0.05% Rdg）、寬頻帶特性，能同時(shí)測量電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等。

4. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：

   • 集成上述所有傳感器信號，進(jìn)行同步采集、計(jì)算和記錄。軟件應(yīng)能自動根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算效率、繪制性能曲線（Q-H, Q-P, Q-η）、并進(jìn)行數(shù)據(jù)不確定度分析。

七、結(jié)果分析

1. 性能曲線繪制：將各工況點(diǎn)的流量、揚(yáng)程、軸功率、效率數(shù)據(jù)繪制成曲線。輕、小型多級泵的效率曲線通常呈拋物線形，存在一個(gè)率點(diǎn)（BEP）。

2. 效率評判：

   • 與承諾值對比：將實(shí)測的率或規(guī)定工況點(diǎn)的效率，與產(chǎn)品樣本、合同規(guī)定的保證值進(jìn)行對比。根據(jù)GB/T 3216或ISO 9906，實(shí)測效率不得低于（保證值 - TQ），且效率下降值Δη不得超過規(guī)定值。

   • 與能效標(biāo)準(zhǔn)對比：對照GB 19762，判斷泵的效率是否達(dá)到“能效限定值”和“節(jié)能評價(jià)值”。低于“能效限定值”的產(chǎn)品不允許上市銷售。

3. BEP工況分析：分析泵的實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)是否靠近BEP。長期在遠(yuǎn)離BEP（特別是小流量區(qū)）運(yùn)行，會導(dǎo)致效率低下、振動加劇、壽命縮短。

4. 不確定度分析：依據(jù)檢測標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 9906附錄B），對流量、揚(yáng)程、功率等各直接測量量的系統(tǒng)不確定度和隨機(jī)不確定度進(jìn)行合成，計(jì)算出效率的總不確定度。這是評判檢測結(jié)果可靠性的關(guān)鍵。

5. 損失分析：通過性能曲線的形態(tài)，可以初步判斷損失類型。例如，揚(yáng)程曲線快速下降可能暗示水力設(shè)計(jì)不佳或內(nèi)部泄漏嚴(yán)重；功率曲線異常偏高可能意味著機(jī)械摩擦過大。

綜上所述，對輕、小型多級離心泵進(jìn)行科學(xué)、精確的效率檢測，需要構(gòu)建高精度的檢測系統(tǒng)，嚴(yán)格遵循或標(biāo)準(zhǔn)，并對檢測結(jié)果進(jìn)行全面的分析和評判，這對于產(chǎn)品研發(fā)、質(zhì)量控制和能效提升具有至關(guān)重要的意義。