输油泵效率测试方法的研究

秦建安，李文锦，秦继镕

（1.中海油田服务股份有限公司钻井事业部，河北廊坊 065201；2.中国石油大学（北京），北京 102249）

0 引言

反映油泵经济效用的重要参数之一是泵的效率[1]。随着我国深化节能减排，企业对测试机泵的效率值的精确度和频率有很大需求，以把握设备的能耗状况和设备自身的运行状态，评价设备运行的合理性[2]。针对上述问题，国内外学者展开了大量研究，并最终总结出2种测试泵效的有效方法：水力法和热力学法。

我国学者李铁钢于1980-1981年，进行了热力学方法和水力学方法的比较，并进行了深入研究[3]。

1847年，法国人焦耳提出流体机械的水头损失与水温的构想。1914年，这一原理被法国的Poirson应用于水轮机效率测定，并提出水轮机内每英尺水头损失将会导致水温升高1/1400℃，并于1920年发表首个关于试验方法的论文。1937年，德国人K.J.Umptenbath开始研究如何通过测量温度确定水轮机的效率。

高紫俊、吕实诚在2009年进行的研究中，采用的核心处理器是ARM9，应用微温差法的原理，RS232信号传输和显示器等外设模块组成了一套集成水泵效率测试系统，能实现数据的收集与处理、保存数据、人机互动、通信功能，采取一定的手段保证系统的稳定和可靠[4-6]。

基于水力学法和热力学法，对泵效的测试方法进行了探讨与研究，总结出2种方法计算泵效的公式，并根据实验进行了公式的简化。在此基础上进行实验，综合对比2种测试泵效方法的优缺点，为现场测试泵效提供指导。

1 泵效的水力学测法模型

水力学法测试离心泵效率主要是应用离心泵的液体功率（也称有效功率）来测试泵效率，其基本原理是在某确定流量下液体的功率与泵轴输入的功率之比作为流量法的泵的效率值（η1）。其表达式见式（1）。

式中ρ——液体密度，kg/m3

g——当地重力加速度，m/s2

Q——离心泵的流量，m3/h

H——相应流量下泵的扬程，m

N——泵运行的轴功率，kW

2 泵效的热力学测法模型

热力学法是基于热力学第一、第二定律，应用于水泵效率测试的一种方法，是主要以热力学第一定律、稳定开口系统能量变化等为基础支撑的热力学法理论。

根据热力学原理，可以假想本实验所用的离心泵为一开口热力系统，则泵效率可以用式（2）确定。

其中，ΔEm为考虑运行过程中泄漏而添加的修正项，EX为泵轴已经提供但被水带走的外部损失，包括轴承、轴封摩擦等损失。因此，只要测算出焓差，泵的效率就能确定了[7-8]。

由焓的定义dh=Tds+vdp可知，在等熵过程中，(h2s-h1s)=其中为液体（此处为水）的平均比容；p1，p2分别为泵的进出口压力。所以其中是液体（此处为水）的热力学系数是液体（此处为水）的定压比热。该式还可写为

本实验中测量点处满足v1=v2，z1=z2，所以离心泵效率可用式（4）表示。

3 实验分析

3.1 实验参数

（1）水力学法参数。水的密度ρ=1000 kg/m3，重力加速度g=9.81 m/s2，电机功率参数cosφ=0.81，电机运行效率η电=86.6%，泵轴功率N=4.016 kW，则泵效实验计算式为100%。

（2）热力学法参数。水的平均比容v¯=0.001 m3/kg，水的定压比水的热力学系数=0.015，则泵效的实验计算式为

3.2 实验验证

改变阀门开度，获得不同流量下的原始实验数据（表1）。分别按照水力学法和热力学法进行处理，得到表2。

根据表2，绘制离心泵效率曲线图，对参考曲线与2种方法测出的泵效曲线进行耦合（图1）：曲线1为水力学法计算出的泵效率，曲线2为热力学法计算绘制的效率—流量曲线，曲线3则是离心泵生产厂家提供的参考效率—流量曲线。

由图1可以看出，在实际实验操作中，热力学法与水力学法计算的泵的效率均比参考效率小，但热力学法计算得到的效率比水力学法计算的效率更接近于参考效率值。

表1 实验原始数据

表2 不同流量下离心泵的扬程、功率和效率

图1 η—Q曲线

4 结论

（1）传统水力学测法计算泵效需要的参数复杂，如综合流量、扬程、轴功率和工况转速等。它们在本实验现有条件下会对测量精度产生较大影响，不易获得准确数据，最终会对测得的泵效产生较大影响。

（2）热力学方法测试泵效所需的参数十分简单，仅仅需要进出口的压力和温差，不需要测量流量和扬程。实验台现有条件对热力学法的影响较小，所以精度较高。

（3）结合本实验所用的2种泵效测试方法的公式，不难发现，水力学法测试泵效的公式仅仅需要进出口压差，而热力学法的公式除了涉及进出口压差外，还有进出口温差来对实验数据的测试结果进行修正。从这一点来看，热力学法测试泵效的方法优于水力学法。

（4）实验数据表明，在现场实际使用的泵的效率监测中，相比于水力学法进行泵效的测试，采用热力学法进行泵效的实时监测不仅测试精度高、结果准确，而且在监测系统的搭建上具有优势，系统所需的组件相对较少，结构简单，便于安装和维修。