水泵效率计算.doc

1、1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：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：离心泵、效率标准、轴功率、节能评价值1 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

2、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（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（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

3、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 1 离心泵性能曲线轴机 NK102轴2表 1 K 值N轴 （ KW） 100K 1.7 1.72.5 1.51.3 1.31.25 1.251.15 1.151.1 1.11.08 1.081.05表 2 水泵轴功率与配用电机功率N轴 （ KW） N机（ KW） K N轴

4、 （ KW） N机 （ KW） K 备 注0.18 0.25 1.39 19 22 1.160.27 0.37 1.17 26 30 1.150.4 0.55 1.375 32.5 37 1.10.55 0.75 1.36 40 45 1.230.81 1.1 1.36 49 55 1.121.1 1.5 1.36 68 75 1.11.7 2.2 1.29 81 90 1.112.3 3 1.3 100 110 1.13.2 4 1.25 120 132 1.14.3 5.5 1.28 145 160 1.16.1 7.5 1.23 181 200 1.19.1 11 1.2 227 250

5、 1.112.8 15 1.17 286 315 1.115.9 18.5 1.16 322 355 1.1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）QH 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QH 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）QN 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

6、）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=120210 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

7、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（530m 3/h）其效率大致在 55%65%之间；中泵流量（30150m 3/h）其效率大致在 70%75%之间；大泵流量（150m 3/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%。3表 3 单级离心泵效率Q,m3/h 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80A 58 64 67.2 69.4 70.9 72 73.8 74.9 7

8、5.8 76.5 77B 52.5 58 60.8 62.5 63.8 64.8 66 67 67.8 68.5 69Q,m3/h 90 100 150 200 300 400 500 600 700 800 900A 77.6 78 79.8 80.8 82 83 83.7 84.2 84.7 85 85.3B 69.5 69.9 71.2 72 73 73.7 74.2 74.5 74.9 75.1 75.5Q,m3/h 1000 1500 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000A 85.7 86.6 87.2 88 88.6 89 89

9、.2 89.5 89.7 89.9 90B 78.7 76.6 77.2 78 78.6 78.9 79.2 79.4 79.6 79.8 80注 ： （ 1） 表 中 的 效 率 值 是 ns=120210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 4 多级离心水泵效率Q,m3/h 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100A 55.4 59.4 61.8 63.5 64.8 65.9 67.5 68.9 69.9 70.9 71.5 72.3 72.9B 49.4 53.1 55.

10、3 56.8 58 58.9 60.5 61.8 62.6 63.5 64.1 64.9 65.3Q,m3/h 150 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1500 2000 3000A 75.3 76.9 79.2 80.6 81.5 82.2 82.8 83.1 83.5 83.9 84.8 85.1 85.5B 67.5 69 70.9 72 72.9 73.3 73.9 74.2 74.5 74.8 75.4 75.8 76注 ： （ 1） 表 中 的 效 率 值 是 ns=120210时 的 数 值(%)(%)4.2 比转数 ns意义水泵的比转数

11、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120210 之间时水泵效率最高。比转数 ns计算公式（3）nHs432165.式中：Q 流量（m 3/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4.3 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 120210，转速 n 为 2900 转/分时的扬程计算公式（

12、m） （4-1）329186Q）（式中：Q 流量（m 3/s）同理可以推求出在比转数 ns为120210，转速 n 为 1450 转/分时的扬程计算公式（m） （4-2）3215674H）（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 5 单级离心泵最佳扬程Q(m3/h) 5 10 15 20 25 30 40 50（%） 58 64 67.2 69.4 70.8 72.0 73.8 74.94n=2900 2.34.9 3.77.8 4.810.2 5.812.3 6.814.2 7.616.1 9.219.4 10.722.6Hn=1450 0.921.93 1.46

13、3.1 1.924.0 2.34.9 2.75.7 3.06.4 3.77.7 4.39.0Q(m3/h) 60 70 80 90 100 150 200 300（%） 75.8 75.5 77.0 77.6 78.0 79.8 80.8 82.0n=2900 12.125.6 13.428.4 14.731.0 15.933.6 17.136.0 22.447.2 27.157.1 35.574.9Hn=1450 4.810.1 5.411.3 5.812.3 6.313.3 6.814.3 8.918.7 10.822.6 14.129.6分析表 5 值可知，在满足离心泵最高效率下，其扬程

14、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 862904)36(5.65.31421 HQns（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%.7024)6()4(（5

15、）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 290)3615(.7.0.（多级离心泵有六级,每级 20）72.272(2) 查修正值 n s=72, =4.5%(3) 查表 4， Q=15m3/h =61.8% 则 1=61.8%-4.5%=57.3%KWN5.8%.702165)(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

16、2 不同形式离心泵效率比转数：在 ns=120210,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.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（QH）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(%)5线与水泵 QH 曲线相交于该泵的最佳效率点。5.1 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

17、中：H 0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 3 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恒压变流量供水方式

18、，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 6 转速下降后流量、扬程、轴功率和频率变化值表 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

19、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% 0.94Q 0.88H 0.830 4790% 0.90Q 0.81H 0.729 4585% 0.85Q 0.723H 0.614 42.580% 0.8Q 0.64H 0.512 40H 管 H SQ 6水泵效率下

20、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 7 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 8 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 25 32.8 64.3 2917 108 3.47 5.5样本 25 32.8 74 2917 3.02 4表 9 变频运行理论参数与实测数据对照表Q(m3/h) H(m)

21、(%) n(r/min) ns N 轴（KW）负载率（%）节能率（%）理论 15 32.8 58.8 2742 79 2.28 41 34.3实测 15 32.8 64.1 2742 2.08 52 316 节能型水泵能效要求6.1 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：“在标准规定测试条件下，所允许泵规定点效率最低保证值” ，可理解为泵运行时效率比最高点效率值允许最大

22、下降值。按照泵类型分为三类： 单级单吸清水泵，各种流量能效限定值-3%。 单级双吸清水离心泵，流量600m 3/h 为 -3%；流量600m 3/h 为-4%。 多吸清水离心泵：流量100m 3/h 为-3%；流量100m 3/h为-4%。归纳上述，可知离心水泵的高效区允许偏离最高效率规定点 34%。为了鉴定节能型水泵，该标准 5.3条还规定了节能评价值，见表 10.即“在标准规定测试条件下，节能泵规定点效率应达到的最低保证值”表 10 离心泵节能评价值泵类型 Q(m3/h)节能评价值（%）300 1+2%单级单吸300 1+1%600 1+2%单级双吸600 1+1%100 1+2%多级离心

23、泵100 1+1%6.2 选泵材料表应规定最低效率为采购到高效节能的优质水泵，设计人员在列出设备材料表时，除需列出 Q、H 、 N 外，还须注明其最低效水泵转速 Q(m3/h) H（m） N 轴 1 泵+电机 2HZ100% 25 32.8 3.02 KW 74% 65.2% 5094% 15 32.8 2.08 KW 64.1% 55.7% 47.17率值，建议按 GB19762-2005 规定中节能评价值，列出设计选用水泵的效率值。参考文献1同济大学流体力学教研室水泵1981年 12 月2 清水离心泵能效限定值及节能评价值 GB19762-20053 离心泵效率 GB/T 13607-914 关于水泵转速、效率、变频、并联影响 的探讨 格兰富水泵公司 曹林作者通讯处: 上海江西中路 246 号五楼联系电话 13601875495邮箱 xinguo_