□ 霍幼文 □ 潘再兵 □ 周大慶 □ 閔思明 □ 周文朝 □ 王春華 □ 張文杰

1.上海凱士比泵有限公司 上海 200245 2.河海大學 能源與電氣學院 南京 211100

1 分析背景

單級雙吸離心泵又稱為單級雙吸水平中開泵,泵體部分可以根據(jù)使用條件,采取立式或臥式安裝,密封可以采用機械密封或填料密封。與普通離心泵相比,單級雙吸離心泵效率高、流量大,便于安裝維修,是應用最為廣泛的泵類產(chǎn)品之一,廣泛應用于工廠、礦山、城市給排水、電站、農(nóng)田排灌,以及各類水利工程。

上海凱士比泵有限公司采用德國先進技術(shù)設計制造的單級雙吸離心泵如圖1所示。

圖1 單級雙吸離心泵

為了掌握單級雙吸離心泵的能效現(xiàn)狀,對某年度的單級雙吸離心泵出廠試驗進行調(diào)查,對所收集的相關(guān)試驗報告進行統(tǒng)計分析,并參考相關(guān)國家標準。本文對調(diào)查過程和分析結(jié)果進行介紹。

2 數(shù)據(jù)來源

對于單級雙吸離心泵而言,高效節(jié)能是主要特征,對應泵在額定工況下的效率指標。泵的效率高低是衡量泵能效等級的最重要依據(jù)。

出廠試驗報告的內(nèi)容分別按流量、比轉(zhuǎn)速、效率進行統(tǒng)計,統(tǒng)計的重點是實測最高效率與產(chǎn)品樣本最高效率的差值,兩者的流量相同,都是產(chǎn)品樣本中規(guī)定轉(zhuǎn)速下最高效率點對應的流量。

3 分析方法

準確分析單級雙吸離心泵的各種試驗報告,必須有正確的分析方法。描述統(tǒng)計分析是一種最基本的統(tǒng)計方法,對研究中所得的數(shù)據(jù)加以整理、歸類、簡化,并繪制成圖表,以此描述和歸納數(shù)據(jù)的特征及變量之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)剛?cè)〉脮r,可能雜亂無章,不便于發(fā)現(xiàn)規(guī)律,通過制圖、造表,用各種形式的方程進行擬合,計算某些特征量等,可以探索規(guī)律性的可能形式,尋找和揭示隱含在數(shù)據(jù)中的規(guī)律性。將產(chǎn)品的實際試驗報告指標與國家標準規(guī)定值進行比較分析,可以找出差異。

依據(jù)GB/T 3216—2016《回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗收試驗 1級、2級和3級》,GB/T 13007—2011《離心泵 效率》、GB 19762—2007《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評價值》三個國家標準,對單級雙吸離心泵的試驗效率進行分析判斷。

4 實測效率與產(chǎn)品樣本對比分析

在某年度的單級雙吸離心泵出廠試驗報告中,總共篩選出有完整試驗曲線可統(tǒng)計分析的有效報告683份。通過對試驗報告的最高效率與產(chǎn)品樣本的最高效率進行對比,發(fā)現(xiàn)試驗報告普遍比產(chǎn)品樣本低,平均低1.9個百分點。扣除10個最大值和10個最小值,平均低1.8個百分點。每個規(guī)格單級雙吸離心泵的最高效率點通常只對應一個比轉(zhuǎn)速。每個客戶要求的流量揚程參數(shù)不一樣,雖然選擇的是同一泵型,但是葉輪直徑不一樣,或者轉(zhuǎn)速不一樣,導致在最高效率點上形成多個相近的流量或比轉(zhuǎn)速,反映在分布圖中數(shù)據(jù)點的重合比較少,顯得略微分散。

單級雙吸離心泵最高效率的實測數(shù)據(jù)與產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)對比,效率容差因數(shù)流量分布如圖2所示,比轉(zhuǎn)速分布如圖3所示,百分比分布如圖4所示。

圖2 效率容差因數(shù)流量分布

圖3 效率容差因數(shù)比轉(zhuǎn)速分布

圖4 效率容差因數(shù)百分比分布

通過某年度683份試驗報告的最高效率與產(chǎn)品樣本對比,發(fā)現(xiàn)效率容差因數(shù)為負值的有552份,為正值的有120份,相同的有11份,實測效率大于或等于產(chǎn)品樣本效率的比例為19.2%。效率容差因數(shù)在-5%～5%內(nèi)的占91.8%,效率容差因數(shù)值在-10%～10%內(nèi)的占98.5%。上述統(tǒng)計的的單級雙吸離心泵產(chǎn)品的實測最高效率,與產(chǎn)品樣本比較,還有一定的差距。

按照GB/T 3216—2016檢測允許偏差下限評定,多數(shù)產(chǎn)品屬于合格品。效率容差因數(shù)的平均值接近0時,分布范圍主要在流量1 500 m3/h以上,或比轉(zhuǎn)速200以下。驗收等級1B級的泵,效率容差因數(shù)不小于-3%,合格率為73.1%。驗收等級2B級的泵,效率容差因數(shù)不小于-5%,合格率為92.4%。驗收等級3B級的泵,效率容差因數(shù)不小于-7%,合格率為96.3%。

公司與客戶簽訂的合同驗收等級通常是1B級或2B級。按照驗收等級2B級,泵效率容差因數(shù)不小于-5%,達不到的不能出廠,需要查明原因,返工修理再次試驗。將泵效率容差因數(shù)小于-5%的試驗數(shù)據(jù)52份去除,再統(tǒng)計分析,則基本上反映了交付給客戶的泵的效率水平。這52份試驗數(shù)據(jù)來自52臺泵,占總出廠臺數(shù)的8%左右,因效率不合格需要返工維修。對應的一次試驗產(chǎn)品合格率為92%,反映了廠家的制造水平。

剩下631份試驗報告的最高效率與產(chǎn)品樣本對比,發(fā)現(xiàn)其中效率容差因數(shù)為負值的有500份,為正值的有120份,相同的有11份,實測效率大于或等于產(chǎn)品樣本效率的比例為20.8%。效率容差因數(shù)在-5%～5%內(nèi)的占99.4%。按照GB/T 3216—2016,驗收等級為1B級的泵,效率容差因數(shù)不小于-3%,合格率為79.1%。驗收等級2B級的泵,效率容差因數(shù)不小于-5%,合格率為100%。

有的客戶選擇最為嚴格的泵性能驗收等級1U級,保證點各項參數(shù)不得有負偏差,效率容差因數(shù)不小于0。實際上達到這個要求并不容易,根據(jù)上述統(tǒng)計結(jié)果,達到驗收等級1U級的只有20.8%,尤其是流量1 500 m3/h以下的小流量泵比例更低。多數(shù)泵需要返工維修,打磨葉片流道,調(diào)整裝配間隙或更換零件,然后再做試驗。為了能夠順利通過客戶驗收,降低制造成本,有的廠家在客戶技術(shù)協(xié)議中提供效率數(shù)據(jù)時,比產(chǎn)品樣本上保證點的效率低2個或3個百分點,根據(jù)上述統(tǒng)計結(jié)果,一次試驗符合驗收等級1U級的泵,可以達到55.8%或73.1%。

去除實測數(shù)據(jù)中不合格的52份數(shù)據(jù)后,單級雙吸離心泵的最高效率與產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)對比,效率容差因數(shù)流量分布如圖5所示,比轉(zhuǎn)速分布如圖6所示,百分比分布如圖7所示。

圖5 去除不合格數(shù)據(jù)后效率容差因數(shù)流量分布

圖6 去除不合格數(shù)據(jù)后效率容差因數(shù)比轉(zhuǎn)速分布

圖7 去除不合格數(shù)據(jù)后效率容差因數(shù)百分比分布

在全部合格的出廠產(chǎn)品中,效率容差因數(shù)的平均值與流量呈線性關(guān)聯(lián)。流量為100 m3/h時,效率容差因數(shù)的平均值為-2.8%。流量為1 800 m3/h時,效率容差因數(shù)的平均值為0。流量為2 600 m3/h時,效率容差因數(shù)的平均值為1.6%。也就是說,大流量泵實測最高效率的平均值高于產(chǎn)品樣本,小流量的泵實測最高效率的平均值低于產(chǎn)品樣本,以流量1 800 m3/h為分界點。

效率容差因數(shù)的平均值與比轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)聯(lián)。比轉(zhuǎn)速為40時,效率容差因數(shù)的平均值為-1.3%。比轉(zhuǎn)速為280時,效率容差因數(shù)的平均值為-1.5%。效率容差因數(shù)的平均值基本上不受比轉(zhuǎn)速的影響,在不同的比轉(zhuǎn)速下差異很小。

效率容差因數(shù)百分比分布反映了產(chǎn)品的質(zhì)量分布狀態(tài),絕大多數(shù)泵的實測最高效率低于產(chǎn)品樣本,占比為79.2%。有少數(shù)泵的實測最高效率高于產(chǎn)品樣本,效率容差因數(shù)不小于3%的占比為4%,共有25份。這個值得深入研究,需要詳細調(diào)查設計、制造、檢驗、試驗等全過程活動,重點檢查葉輪、泵體、泵蓋的模具和鑄件,必要時對葉片和流道進行三維掃描,查找與設計的偏差,并對比最近幾年同一規(guī)格的產(chǎn)品質(zhì)量檢測報告和試驗數(shù)據(jù)。多次實測泵的最高效率高于產(chǎn)品樣本,可以考慮修改提升產(chǎn)品樣本中的效率數(shù)據(jù),在行業(yè)中體現(xiàn)公司技術(shù)上的進步和優(yōu)勢。

經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),實測效率數(shù)據(jù)普遍低于產(chǎn)品樣本效率數(shù)據(jù)。產(chǎn)品樣本效率數(shù)據(jù)也是來自于試驗結(jié)果,沒有人為拔高以夸大宣傳,也沒有抄襲其它廠家,但是通常的做法是挑選最好的幾臺泵的試驗數(shù)據(jù)寫入產(chǎn)品樣本,而不是所有泵的平均值,并且這一批次的泵質(zhì)量把關(guān)非常嚴格,零部件都是優(yōu)中選優(yōu)。而面對客戶生產(chǎn)的泵則是大批量的,由于受到交貨時間、制造成本、物流供應等制約,很難每臺泵都做到很精細,出現(xiàn)質(zhì)量偏差的現(xiàn)象增多。

對于國內(nèi)泵制造廠家產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)普遍存在與實測數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象,在很多學者專家的類似泵產(chǎn)品分析報告中得到了證實。絕大多數(shù)泵的實測效率數(shù)據(jù)均小于產(chǎn)品樣本效率數(shù)據(jù),占整個數(shù)據(jù)組的82%。也就是說,國內(nèi)泵實測效率數(shù)據(jù)與產(chǎn)品樣本效率數(shù)據(jù)實際上并不相符,最好的是國內(nèi)產(chǎn)品樣本,然后是國外產(chǎn)品樣本,最差的是國內(nèi)實測。還有許多學者專家及專業(yè)工程師對提高離心泵的效率及性能做了一些有益的研究工作,重視產(chǎn)品節(jié)能,追求效率及性能提升,這一直是整個泵行業(yè)前進的方向。

5 實測效率與標準規(guī)定點效率對比分析

比轉(zhuǎn)速120～210時單級雙吸離心泵效率曲線如圖8所示。GB/T 13007—2011對單級雙吸離心泵的最高效率工況點效率進行了規(guī)定,不得低于圖8中曲線A。同時對泵的容許工作范圍內(nèi)最低效率進行了規(guī)定,不得低于圖8中曲線B。效率規(guī)定值對應不同的流量,流量大則效率規(guī)定值高,流量小則效率規(guī)定值低。在比轉(zhuǎn)速小于120或大于210時,效率規(guī)定值做適當修正。通過實測效率與國家標準對比,可以判斷產(chǎn)品的合格率。

圖8 比轉(zhuǎn)速120～210時單級雙吸離心泵效率曲線

在上述篩選出可統(tǒng)計分析的有效試驗報告683份中,實測最高效率大于或等于國家標準規(guī)定點效率的有400份,占比為58.6%。單級雙吸離心泵最高效率的實測數(shù)據(jù)與國家標準規(guī)定點效率對比,效率容差因數(shù)流量分布如圖9所示,比轉(zhuǎn)速分布如圖10所示,百分比分布如圖11所示?？梢钥闯?小流量和低比轉(zhuǎn)速的單級雙吸離心泵達標情況較好。

圖9 與標準比較效率容差因數(shù)流量分布

圖10 與標準比較效率容差因數(shù)比轉(zhuǎn)速分布

圖11 與標準比較效率容差因數(shù)百分比分布

效率容差因數(shù)在-5%～5%內(nèi)的占81.4%,效率容差因數(shù)在-10%～10%內(nèi)的占97.5%,效率容差因數(shù)在-15%～15%內(nèi)的占99.6%,這與相應的國家標準比較,還有一定差距。

該批次單級雙吸離心泵效率一次試驗合格率為58.6%,指泵的試驗最高效率大于或等于國家標準規(guī)定點效率的泵數(shù)量的占比。泵的最高效率總體平均水平與國家標準相比略高,大多數(shù)都達到了國家標準要求。按照GB/T 3216—2016檢測允許偏差下限評定,多數(shù)產(chǎn)品屬于合格品,主要分布在流量小于1 500 m3/h和比轉(zhuǎn)速小于120的泵。驗收等級1B級的泵,效率容差因數(shù)不小于-3%,合格率為88.7%。驗收等級2B級的泵,效率容差因數(shù)不小于-5%,合格率為96%。驗收等級3B級的泵,效率容差因數(shù)不小于-7%,合格率為98%。

參照前述統(tǒng)計分析方法,將與產(chǎn)品樣本對比的效率容差因數(shù)小于-5%的試驗數(shù)據(jù)52份去除,再統(tǒng)計分析,則基本上反映了按照國家標準規(guī)定點效率要求交付給客戶的泵的效率水平。去除實測數(shù)據(jù)中不符合驗收等級2B級的52份數(shù)據(jù)后,單級雙吸離心泵最高效率的實測數(shù)據(jù)與國家標準規(guī)定點效率對比,效率容差因數(shù)流量分布如圖12所示,比轉(zhuǎn)速分布如圖13所示,百分比分布如圖14所示?？梢钥闯?小流量和低比轉(zhuǎn)速的單級雙吸離心泵達標情況較好,平均效率容差因數(shù)為正值,主要分布在流量小于1 500 m3/h和比轉(zhuǎn)速小于120的泵。比轉(zhuǎn)速200以上的負偏差較大,這部分泵的效率有待改進和提高。

圖12 去除不合格數(shù)據(jù)后與標準比較效率容差因數(shù)流量分布

圖13 去除不合格數(shù)據(jù)后與標準比較效率容差因數(shù)比轉(zhuǎn)速分布

圖14 去除不合格數(shù)據(jù)后與標準比較效率容差因數(shù)百分比分布

按照GB/T 3216—2016檢測允許偏差下限評定,多數(shù)產(chǎn)品屬于合格品。驗收等級1B級的泵,效率容差因數(shù)不小于-3%,合格率為92.2%。驗收等級2B級的泵,效率容差因數(shù)不小于-5%,合格率為98.7%。

泵的最高效率與國家標準相比,總體平均值高出1.5個百分點,大多數(shù)達到了國家標準要求。與10 a前相比,整個系列產(chǎn)品的最高效率平均值提高了1.2個百分點。但是,仍然存在不達標的現(xiàn)象。最高效率實測值與國家標準相符,是對所有泵企業(yè)的基本要求,無論產(chǎn)品是國際一流還是國內(nèi)一流,首先必須符合企業(yè)標準,并且企業(yè)標準不低于國家標準。

效率容差因數(shù)百分比分布反映了出廠產(chǎn)品的質(zhì)量分布狀態(tài),部分泵的實測最高效率低于國家標準規(guī)定點效率,占比為38.5%。少數(shù)泵的實測最高效率遠遠高于國家標準規(guī)定點效率,效率容差因數(shù)不小于5%的占比為18.4%,這體現(xiàn)了公司在行業(yè)中的技術(shù)領先優(yōu)勢。

6 泵節(jié)能評價

按照GB 19762—2007,當流量不大于600 m3/h時,泵能效限定值為規(guī)定點效率減去3個百分點。當流量大于600 m3/h時,泵能效限定值為規(guī)定點效率減去4個百分點。當流量不大于600 m3/h時,泵節(jié)能評價值為規(guī)定點效率加上2個百分點。當流量大于600 m3/h時,泵節(jié)能評價值為規(guī)定點效率加上1個百分點。

對單級雙吸離心泵的最高效率實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,滿足泵能效限定值的臺數(shù)占比為91.5%,10 a前為83%。滿足泵節(jié)能評價值的臺數(shù)占比為43%,10 a前為39.5%。按照標準制定的初衷,希望整個行業(yè)滿足泵節(jié)能評價值的臺數(shù)占比為10%,實際上已有公司遠遠超過了這一要求。用節(jié)能評價值的數(shù)據(jù)證明了公司在泵行業(yè)的搶先領跑地位,并且一直在進步。

7 結(jié)束語

筆者通過采取不同的研究方法,得出了某系列單級雙吸離心泵的各種效率及合格率數(shù)據(jù),包括一次試驗合格率、各種驗收等級所占比例、實測最高效率與樣本效率差值、實測最高效率與國家標準規(guī)定點效率差值、各種效率差值百分比分布等。

實測最高效率與產(chǎn)品樣本的效率容差因數(shù)的平均值對比轉(zhuǎn)速變化不敏感,不同比轉(zhuǎn)速下基本一致,但對流量變化比較敏感,在小流量下多為負值,隨著流量增大逐步轉(zhuǎn)為正值。這說明小口徑單級雙吸離心泵的鑄造加工質(zhì)量等有待進一步提高,以使平均最高效率與產(chǎn)品樣本相符合。

實測最高效率與國家標準規(guī)定點效率容差因數(shù)的平均值在小流量下多為正值,隨著流量增大逐漸減小,在大流量下則略有增大。這一效率容差因數(shù)平均值對比轉(zhuǎn)速變化特別敏感,低比轉(zhuǎn)速下為正值,高比轉(zhuǎn)速下為負值,這說明比轉(zhuǎn)速200以上的高比轉(zhuǎn)速單級雙吸離心泵有待進一步研發(fā)水力模型以提高效率。

按照國家標準節(jié)能評價值,公司產(chǎn)品臺數(shù)所占比例為43%,單級雙吸離心泵的能效等級在行業(yè)中處于領先水平。