輸油泵效率測(cè)試方法的研究

秦建安，李文錦，秦繼镕

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部，河北廊坊 065201；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249）

0 引言

反映油泵經(jīng)濟(jì)效用的重要參數(shù)之一是泵的效率[1]。隨著我國(guó)深化節(jié)能減排，企業(yè)對(duì)測(cè)試機(jī)泵的效率值的精確度和頻率有很大需求，以把握設(shè)備的能耗狀況和設(shè)備自身的運(yùn)行狀態(tài)，評(píng)價(jià)設(shè)備運(yùn)行的合理性[2]。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量研究，并最終總結(jié)出2種測(cè)試泵效的有效方法：水力法和熱力學(xué)法。

我國(guó)學(xué)者李鐵鋼于1980-1981年，進(jìn)行了熱力學(xué)方法和水力學(xué)方法的比較，并進(jìn)行了深入研究[3]。

1847年，法國(guó)人焦耳提出流體機(jī)械的水頭損失與水溫的構(gòu)想。1914年，這一原理被法國(guó)的Poirson應(yīng)用于水輪機(jī)效率測(cè)定，并提出水輪機(jī)內(nèi)每英尺水頭損失將會(huì)導(dǎo)致水溫升高1/1400℃，并于1920年發(fā)表首個(gè)關(guān)于試驗(yàn)方法的論文。1937年，德國(guó)人K.J.Umptenbath開(kāi)始研究如何通過(guò)測(cè)量溫度確定水輪機(jī)的效率。

高紫俊、呂實(shí)誠(chéng)在2009年進(jìn)行的研究中，采用的核心處理器是ARM9，應(yīng)用微溫差法的原理，RS232信號(hào)傳輸和顯示器等外設(shè)模塊組成了一套集成水泵效率測(cè)試系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集與處理、保存數(shù)據(jù)、人機(jī)互動(dòng)、通信功能，采取一定的手段保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠[4-6]。

基于水力學(xué)法和熱力學(xué)法，對(duì)泵效的測(cè)試方法進(jìn)行了探討與研究，總結(jié)出2種方法計(jì)算泵效的公式，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了公式的簡(jiǎn)化。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，綜合對(duì)比2種測(cè)試泵效方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試泵效提供指導(dǎo)。

1 泵效的水力學(xué)測(cè)法模型

水力學(xué)法測(cè)試離心泵效率主要是應(yīng)用離心泵的液體功率（也稱有效功率）來(lái)測(cè)試泵效率，其基本原理是在某確定流量下液體的功率與泵軸輸入的功率之比作為流量法的泵的效率值（η1）。其表達(dá)式見(jiàn)式（1）。

式中ρ——液體密度，kg/m3

g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2

Q——離心泵的流量，m3/h

H——相應(yīng)流量下泵的揚(yáng)程，m

N——泵運(yùn)行的軸功率，kW

2 泵效的熱力學(xué)測(cè)法模型

熱力學(xué)法是基于熱力學(xué)第一、第二定律，應(yīng)用于水泵效率測(cè)試的一種方法，是主要以熱力學(xué)第一定律、穩(wěn)定開(kāi)口系統(tǒng)能量變化等為基礎(chǔ)支撐的熱力學(xué)法理論。

根據(jù)熱力學(xué)原理，可以假想本實(shí)驗(yàn)所用的離心泵為一開(kāi)口熱力系統(tǒng)，則泵效率可以用式（2）確定。

其中，ΔEm為考慮運(yùn)行過(guò)程中泄漏而添加的修正項(xiàng)，EX為泵軸已經(jīng)提供但被水帶走的外部損失，包括軸承、軸封摩擦等損失。因此，只要測(cè)算出焓差，泵的效率就能確定了[7-8]。

由焓的定義dh=Tds+vdp可知，在等熵過(guò)程中，(h2s-h1s)=其中為液體（此處為水）的平均比容；p1，p2分別為泵的進(jìn)出口壓力。所以其中是液體（此處為水）的熱力學(xué)系數(shù)是液體（此處為水）的定壓比熱。該式還可寫(xiě)為

本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量點(diǎn)處滿足v1=v2，z1=z2，所以離心泵效率可用式（4）表示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

（1）水力學(xué)法參數(shù)。水的密度ρ=1000 kg/m3，重力加速度g=9.81 m/s2，電機(jī)功率參數(shù)cosφ=0.81，電機(jī)運(yùn)行效率η電=86.6%，泵軸功率N=4.016 kW，則泵效實(shí)驗(yàn)計(jì)算式為100%。

（2）熱力學(xué)法參數(shù)。水的平均比容vˉ=0.001 m3/kg，水的定壓比水的熱力學(xué)系數(shù)=0.015，則泵效的實(shí)驗(yàn)計(jì)算式為

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

改變閥門(mén)開(kāi)度，獲得不同流量下的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表1）。分別按照水力學(xué)法和熱力學(xué)法進(jìn)行處理，得到表2。

根據(jù)表2，繪制離心泵效率曲線圖，對(duì)參考曲線與2種方法測(cè)出的泵效曲線進(jìn)行耦合（圖1）：曲線1為水力學(xué)法計(jì)算出的泵效率，曲線2為熱力學(xué)法計(jì)算繪制的效率—流量曲線，曲線3則是離心泵生產(chǎn)廠家提供的參考效率—流量曲線。

由圖1可以看出，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中，熱力學(xué)法與水力學(xué)法計(jì)算的泵的效率均比參考效率小，但熱力學(xué)法計(jì)算得到的效率比水力學(xué)法計(jì)算的效率更接近于參考效率值。

表1 實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)

表2 不同流量下離心泵的揚(yáng)程、功率和效率

圖1 η—Q曲線

4 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)水力學(xué)測(cè)法計(jì)算泵效需要的參數(shù)復(fù)雜，如綜合流量、揚(yáng)程、軸功率和工況轉(zhuǎn)速等。它們?cè)诒緦?shí)驗(yàn)現(xiàn)有條件下會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生較大影響，不易獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，最終會(huì)對(duì)測(cè)得的泵效產(chǎn)生較大影響。

（2）熱力學(xué)方法測(cè)試泵效所需的參數(shù)十分簡(jiǎn)單，僅僅需要進(jìn)出口的壓力和溫差，不需要測(cè)量流量和揚(yáng)程。實(shí)驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)有條件對(duì)熱力學(xué)法的影響較小，所以精度較高。

（3）結(jié)合本實(shí)驗(yàn)所用的2種泵效測(cè)試方法的公式，不難發(fā)現(xiàn)，水力學(xué)法測(cè)試泵效的公式僅僅需要進(jìn)出口壓差，而熱力學(xué)法的公式除了涉及進(jìn)出口壓差外，還有進(jìn)出口溫差來(lái)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正。從這一點(diǎn)來(lái)看，熱力學(xué)法測(cè)試泵效的方法優(yōu)于水力學(xué)法。

（4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的泵的效率監(jiān)測(cè)中，相比于水力學(xué)法進(jìn)行泵效的測(cè)試，采用熱力學(xué)法進(jìn)行泵效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不僅測(cè)試精度高、結(jié)果準(zhǔn)確，而且在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建上具有優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)所需的組件相對(duì)較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝和維修。