大型輸油泵性能測(cè)試與評(píng)價(jià)指標(biāo)研究現(xiàn)狀

張鳳麗，梁元元，王金江，谷 明

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249； 2.中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 三河 065201)

離心輸油泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、壓力平穩(wěn)、維護(hù)快捷方便等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)[1]，是油氣集輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備，同時(shí)也是最主要的耗能設(shè)備。油氣集輸系統(tǒng)中在用的大多數(shù)輸油泵機(jī)組由于多種原因，出現(xiàn)了輸油泵機(jī)組效率低、能耗高等問(wèn)題。因此，為了能及時(shí)掌握離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)特性，需要對(duì)輸油泵機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)性能和效率測(cè)試，改善低效運(yùn)行的輸油泵機(jī)組，提高其效率、降低其輸油單耗。

進(jìn)行輸油泵性能和效率測(cè)試的方法主要有傳統(tǒng)方法(水力法)和熱力學(xué)法[2]2種。傳統(tǒng)方法是針對(duì)水泵進(jìn)行性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)方法，其原理是通過(guò)逐漸改變水泵出口處調(diào)節(jié)閘閥的開(kāi)啟度，改變管路阻力，測(cè)試出每個(gè)開(kāi)啟度時(shí)水泵性能參數(shù)，包括揚(yáng)程、流量、軸功率、轉(zhuǎn)速等，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的效率，然后繪制出水泵的特性曲線。泵典型性能曲線一般包括流量-揚(yáng)程(Q-H)、流量-效率(Q-η)、流量-必需汽蝕余量(Q-NPSHr) 和流量-軸功率(Q-P)4條曲線。傳統(tǒng)方法計(jì)算泵效率如式(1)。

(1)

式中：ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度；Q為水泵流量，m3/s；H為揚(yáng)程，m；P為電網(wǎng)輸入功率，kW；ηP為泵效率；ηD為變頻器(VFD)效率；ηM為電機(jī)效率。

這些參數(shù)中，需要直接測(cè)量的參數(shù)包括電網(wǎng)輸入功率P、泵進(jìn)出口壓力p1及p2、流量Q。需要計(jì)算的參數(shù)包括揚(yáng)程H。而變頻器(VFD)的效率ηD和電機(jī)的效率ηM采用制造商提供的原始數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@兩個(gè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化非常小。

熱力學(xué)法是將熱力學(xué)定律應(yīng)用于水和離心泵之間的熱量傳遞，水流進(jìn)入離心泵時(shí)的壓力、溫度、流速和液位均發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量參數(shù)的變化，根據(jù)水的熱力學(xué)特性，就可以確定單位質(zhì)量的水接受的能量[3]。熱力學(xué)法在20 世紀(jì)60 年代由WHILLIER等提出[4]，是被廣泛認(rèn)可的高精度泵效和性能測(cè)試與評(píng)估中的領(lǐng)先技術(shù)。但是由于該方法對(duì)測(cè)試儀器的要求較高，直到最近10多a才開(kāi)始得到廣泛的應(yīng)用[2]。

研究發(fā)現(xiàn)，熱力學(xué)法計(jì)算泵效率的公式存在不一致的情況，不同文獻(xiàn)根據(jù)實(shí)際需要對(duì)公式進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化，魏亞平對(duì)國(guó)內(nèi)外具有一定代表性的計(jì)算公式進(jìn)行了比較和探討[5]。本文采用GB/T 18149―2017《離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗(yàn)規(guī)范 精密級(jí)》提出的泵效率計(jì)算公式，如式(2)。

(2)

1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前在國(guó)內(nèi)輸油泵性能測(cè)試領(lǐng)域，熱力學(xué)法的應(yīng)用還不是非常廣泛，傳統(tǒng)水力方法仍是主流。李柏松等[1]、劉國(guó)豪等[6]對(duì)2 500 kW級(jí)國(guó)產(chǎn)化輸油泵進(jìn)行了出廠性能測(cè)試，并與進(jìn)口輸油泵進(jìn)行了效率和振動(dòng)等方面的對(duì)比，測(cè)試結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)化輸油泵效果良好，相關(guān)指標(biāo)(電機(jī)效率、泵效率、機(jī)組效率、振動(dòng)速度等)達(dá)到了進(jìn)口泵的技術(shù)水平，為國(guó)產(chǎn)化輸油泵推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。為了檢驗(yàn)離心泵是否滿足設(shè)計(jì)和制造要求，付吉海等依據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)的API 610 離心泵制造標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，采用傳統(tǒng)方法對(duì)臥式離心泵進(jìn)行了性能試驗(yàn)，并對(duì)整個(gè)試驗(yàn)的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行了分析[7]。

國(guó)內(nèi)有關(guān)采用熱力學(xué)法測(cè)試泵性能和效率的研究大多集中在基礎(chǔ)介紹和理論研究上，有關(guān)熱力學(xué)法的應(yīng)用或?qū)嵺`較少，少數(shù)案列只是針對(duì)單個(gè)泵進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試對(duì)象單一，測(cè)試結(jié)果不具有代表性或統(tǒng)計(jì)意義。秦建安等分別采用2種方法分析了水泵的效率，得出熱力學(xué)法測(cè)試泵效優(yōu)于水力學(xué)法的結(jié)論[8]；商德勇針對(duì)熱力學(xué)法測(cè)試泵效的公式進(jìn)行了推導(dǎo)，并對(duì)其不確定性進(jìn)行了研究[9]；王娟等建立了一種新型基于熱力學(xué)法的水泵效率數(shù)學(xué)模型——熱力學(xué)壓力法模型，該模型不需要測(cè)量溫差，而是用水泵進(jìn)出口壓力與壓差進(jìn)行模擬[10]，雖然避免了溫差測(cè)量精度對(duì)泵效率的影響，但是模型精度較低；孫立波采用熱力學(xué)法測(cè)試了變頻調(diào)速外輸泵泵效[3]；高紫俊等對(duì)低揚(yáng)程水泵進(jìn)行了熱力學(xué)法效率測(cè)試[11]；黃曉東利用熱力學(xué)法對(duì)可逆式水泵水輪機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)效率試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性[12]。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2006年，北美最大的泵制造業(yè)協(xié)會(huì)——液壓協(xié)會(huì)(Hydraulic Institute，HI)、美國(guó)能源部工業(yè)技術(shù)辦公室(Office of Industrial Technologies，OIT)和歐洲泵協(xié)會(huì)(Europump)聯(lián)合開(kāi)展了一項(xiàng)“提高泵系統(tǒng)性能”的項(xiàng)目，并建立了泵生命周期費(fèi)用的數(shù)學(xué)模型[13]。Nault等采用基于過(guò)程的生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment, LCA)與經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出(Economic Input-Output，EIO)相結(jié)合的方法，對(duì)水分配系統(tǒng)泵的生命周期成本、能耗和溫室氣體排放進(jìn)行了評(píng)估，考慮了泵的制造、使用和壽命終止3個(gè)生命周期階段以及其他文獻(xiàn)較少考慮的過(guò)程，包括排出口節(jié)流、泵測(cè)試、老化、翻新和變轉(zhuǎn)速等，如圖1所示[14]。

圖1 泵的3個(gè)生命周期

2011年，美國(guó)水衛(wèi)生組織(Water and Sanitation Initiative)和可持續(xù)能源及氣候變化組織(Sustainable Energy and Climate Change Initiative)采用傳統(tǒng)方法開(kāi)展了一項(xiàng)水泵系統(tǒng)能源效率評(píng)估項(xiàng)目，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試。測(cè)量的參數(shù)包括電氣參數(shù)、液壓參數(shù)以及溫度3大類，文獻(xiàn)詳細(xì)描述了測(cè)量?jī)x器安裝布置方式、測(cè)量方法、計(jì)算公式等，并對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)行了分析與效率計(jì)算。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了節(jié)能評(píng)價(jià)，提出了一系列的節(jié)能措施[15]。為了評(píng)價(jià)能量效率，選用了2個(gè)指標(biāo)：能量因子(Energy Index ，簡(jiǎn)稱EI，單位kW·h/m3) 和單位能量成本因子(Unitary Energy Cost Indicator，簡(jiǎn)稱UEC，單位$/kW·h)，計(jì)算方法分別如式(3)～(4)所示。

(3)

(4)

指標(biāo)EI是水系統(tǒng)默認(rèn)的能量指標(biāo)，定義為泵系統(tǒng)消耗的總能量和輸送的總水量(體積)之比，不足之處在于只考慮輸送流體的體積而沒(méi)有考慮揚(yáng)程，不同工況所得計(jì)算結(jié)果差異較大，因此不能用于不同泵、不同泵站、組合泵之間的比較。此外，這2個(gè)指標(biāo)都沒(méi)有基準(zhǔn)值可以參考，因?yàn)橹笜?biāo)EI是和水源的類型、用水城市的地貌密切相關(guān)的，而指標(biāo)UEC是基于機(jī)電設(shè)施以及相關(guān)費(fèi)用的，不同公司需要單獨(dú)設(shè)置基準(zhǔn)值。

英國(guó)RIVENTA公司長(zhǎng)期致力于領(lǐng)先級(jí)泵效測(cè)試和優(yōu)化，并提出了一個(gè)新的性能指標(biāo)--綠色泵指標(biāo) (Green Pump Index, 簡(jiǎn)稱GPX，無(wú)量綱)，可以用于評(píng)價(jià)任何泵的能量效率，無(wú)論操作參數(shù)或系統(tǒng)如何，因?yàn)樗紤]了影響泵能性能的所有關(guān)鍵參數(shù)和因素，計(jì)算方法如式(5)。

(5)

式中：Hstatic為靜揚(yáng)程，m；P為輸入功率，kW。

為了更好地對(duì)指標(biāo)進(jìn)行解釋，他們還建立了一個(gè)GPX指標(biāo)等級(jí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)(GPXIndex rating system)，該指標(biāo)取值范圍為0～100，值越大表示泵的能量效率越高[16]。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，該指標(biāo)雖然考慮了流量和揚(yáng)程，改進(jìn)了指標(biāo)EI,但只考慮了流體體積，而沒(méi)有考慮揚(yáng)程。揚(yáng)程只是靜揚(yáng)程(水泵的取水面到排水面的垂直高度)，沒(méi)有考慮壓力能頭和動(dòng)能頭。

2013年，加拿大多倫多大學(xué)和HydraTek公司采用2種方法對(duì)安大略省不同地區(qū)和規(guī)模的152臺(tái)水泵進(jìn)行了性能測(cè)試和效率評(píng)估,覆蓋了18個(gè)水泵制造商，6種水泵類型，電動(dòng)機(jī)的功率為22.5～3 000 kW，15 %的水泵使用了變頻器。其中用熱力學(xué)法測(cè)試了137臺(tái)，用水力法測(cè)試了72臺(tái)，2種方法結(jié)合測(cè)試了57臺(tái)，獲得了統(tǒng)計(jì)效應(yīng)級(jí)的測(cè)試數(shù)據(jù)，推動(dòng)了熱力學(xué)法在水泵性能測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用。該項(xiàng)目所測(cè)效率包括單泵效率和泵組效率(包括變頻器、電機(jī))，并考慮了3種工況下的效率，即制造商提供的最佳效率點(diǎn) (BEP)、測(cè)試的最佳效率點(diǎn)、測(cè)試的典型工況點(diǎn)[17]。其中，最大的貢獻(xiàn)在于提出了一個(gè)新的能量評(píng)價(jià)指標(biāo)：泵能量因子(Pump Energy Indicator，簡(jiǎn)稱PEI，單位 kW·h/(Mm3·m-1)，定義為泵產(chǎn)生每單位揚(yáng)程、每百萬(wàn)立方米流體體積所消耗的能量，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于同時(shí)考慮了流量和揚(yáng)程，且揚(yáng)程是總揚(yáng)程，如式(6)。

(6)

PEI的值越大表明輸送同等流體需要消耗的能量(或者花費(fèi)的費(fèi)用)越多，一臺(tái)完美的泵-電機(jī)組(效率100%)的PEI基準(zhǔn)值為2 725 kW·h/(Mm3·m-1)[17]。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)比

國(guó)內(nèi)外針對(duì)輸油泵機(jī)組性能測(cè)試開(kāi)展了廣泛的研究，從研究方法、選用指標(biāo)、測(cè)量參數(shù)、以及貢獻(xiàn)幾方面進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外離心泵機(jī)組性能測(cè)試對(duì)比

4 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

為了更好地反映輸油泵的綜合性能，基于現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試數(shù)據(jù)及歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合生命周期評(píng)價(jià)方法,建立了一套綜合性的輸油泵機(jī)組性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系包括3個(gè)一級(jí)指標(biāo)(性能、RAMS和可持續(xù)性指標(biāo))和若干個(gè)二級(jí)指標(biāo)，如圖2所示。旨在為輸油泵綜合性能進(jìn)行科學(xué)、全面的評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)。

5 結(jié)論

1) 在輸出油泵性能評(píng)價(jià)方面，傳統(tǒng)方法理論和技術(shù)已非常成熟，有國(guó)際/國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可依， 有實(shí)踐

經(jīng)驗(yàn)積累；但是測(cè)試精度有限，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件要求較高。國(guó)內(nèi)仍以傳統(tǒng)方法為主，熱力學(xué)法案例較少，國(guó)外2種方法應(yīng)用都非常廣泛。

2) 熱力學(xué)法測(cè)量精度較高，但對(duì)測(cè)試儀器要求較高，且仍缺少專門的、可操作性的標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件。

3) 泵效評(píng)價(jià)指標(biāo)多樣，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加拿大提出的PEI指標(biāo)因綜合考慮了流量和總揚(yáng)程，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

4) 建立了一套綜合性的輸油泵機(jī)組性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，可為輸油泵綜合性能進(jìn)行科學(xué)、全面的評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)。

圖2 綜合性的輸油泵機(jī)組性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系