大型輸油泵性能測試與評價指標研究現狀

張鳳麗，梁元元，王金江，谷 明

(1.中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249； 2.中海油田服務股份有限公司，河北 三河 065201)

離心輸油泵具有結構簡單、運行穩定、壓力平穩、維護快捷方便等特點和優勢[1]，是油氣集輸系統中的關鍵動力設備，同時也是最主要的耗能設備。油氣集輸系統中在用的大多數輸油泵機組由于多種原因，出現了輸油泵機組效率低、能耗高等問題。因此，為了能及時掌握離心泵運轉特性，需要對輸油泵機組進行現場性能和效率測試，改善低效運行的輸油泵機組，提高其效率、降低其輸油單耗。

進行輸油泵性能和效率測試的方法主要有傳統方法(水力法)和熱力學法[2]2種。傳統方法是針對水泵進行性能測試的標準方法，其原理是通過逐漸改變水泵出口處調節閘閥的開啟度，改變管路阻力，測試出每個開啟度時水泵性能參數，包括揚程、流量、軸功率、轉速等，并計算出對應的效率，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。傳統方法計算泵效率如式(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為揚程，m；P為電網輸入功率，kW；ηP為泵效率；ηD為變頻器(VFD)效率；ηM為電機效率。

這些參數中，需要直接測量的參數包括電網輸入功率P、泵進出口壓力p1及p2、流量Q。需要計算的參數包括揚程H。而變頻器(VFD)的效率ηD和電機的效率ηM采用制造商提供的原始數據，因為這兩個數據隨時間變化非常小。

熱力學法是將熱力學定律應用于水和離心泵之間的熱量傳遞，水流進入離心泵時的壓力、溫度、流速和液位均發生變化，通過測量參數的變化，根據水的熱力學特性，就可以確定單位質量的水接受的能量[3]。熱力學法在20 世紀60 年代由WHILLIER等提出[4]，是被廣泛認可的高精度泵效和性能測試與評估中的領先技術。但是由于該方法對測試儀器的要求較高，直到最近10多a才開始得到廣泛的應用[2]。

研究發現，熱力學法計算泵效率的公式存在不一致的情況，不同文獻根據實際需要對公式進行了不同程度的簡化，魏亞平對國內外具有一定代表性的計算公式進行了比較和探討[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規范 精密級》提出的泵效率計算公式，如式(2)。

(2)

1 國內研究現狀

目前在國內輸油泵性能測試領域，熱力學法的應用還不是非常廣泛，傳統水力方法仍是主流。李柏松等[1]、劉國豪等[6]對2 500 kW級國產化輸油泵進行了出廠性能測試，并與進口輸油泵進行了效率和振動等方面的對比，測試結果表明，國產化輸油泵效果良好，相關指標(電機效率、泵效率、機組效率、振動速度等)達到了進口泵的技術水平，為國產化輸油泵推廣應用創造了條件。為了檢驗離心泵是否滿足設計和制造要求，付吉海等依據美國石油協會的API 610 離心泵制造標準設計了試驗裝置，采用傳統方法對臥式離心泵進行了性能試驗，并對整個試驗的計算過程進行了分析[7]。

國內有關采用熱力學法測試泵性能和效率的研究大多集中在基礎介紹和理論研究上，有關熱力學法的應用或實踐較少，少數案列只是針對單個泵進行了測試，測試對象單一，測試結果不具有代表性或統計意義。秦建安等分別采用2種方法分析了水泵的效率，得出熱力學法測試泵效優于水力學法的結論[8]；商德勇針對熱力學法測試泵效的公式進行了推導，并對其不確定性進行了研究[9]；王娟等建立了一種新型基于熱力學法的水泵效率數學模型——熱力學壓力法模型，該模型不需要測量溫差，而是用水泵進出口壓力與壓差進行模擬[10]，雖然避免了溫差測量精度對泵效率的影響，但是模型精度較低；孫立波采用熱力學法測試了變頻調速外輸泵泵效[3]；高紫俊等對低揚程水泵進行了熱力學法效率測試[11]；黃曉東利用熱力學法對可逆式水泵水輪機進行現場效率試驗, 試驗結果驗證了該方法的可行性[12]。

2 國外研究現狀

2006年，北美最大的泵制造業協會——液壓協會(Hydraulic Institute，HI)、美國能源部工業技術辦公室(Office of Industrial Technologies，OIT)和歐洲泵協會(Europump)聯合開展了一項“提高泵系統性能”的項目，并建立了泵生命周期費用的數學模型[13]。Nault等采用基于過程的生命周期評價(Life Cycle Assessment, LCA)與經濟投入產出(Economic Input-Output，EIO)相結合的方法，對水分配系統泵的生命周期成本、能耗和溫室氣體排放進行了評估，考慮了泵的制造、使用和壽命終止3個生命周期階段以及其他文獻較少考慮的過程，包括排出口節流、泵測試、老化、翻新和變轉速等，如圖1所示[14]。

圖1 泵的3個生命周期

2011年，美國水衛生組織(Water and Sanitation Initiative)和可持續能源及氣候變化組織(Sustainable Energy and Climate Change Initiative)采用傳統方法開展了一項水泵系統能源效率評估項目，并進行了現場性能測試。測量的參數包括電氣參數、液壓參數以及溫度3大類，文獻詳細描述了測量儀器安裝布置方式、測量方法、計算公式等，并對所測數據行了分析與效率計算。在此基礎上進行了節能評價，提出了一系列的節能措施[15]。為了評價能量效率，選用了2個指標：能量因子(Energy Index ，簡稱EI，單位kW·h/m3) 和單位能量成本因子(Unitary Energy Cost Indicator，簡稱UEC，單位$/kW·h)，計算方法分別如式(3)～(4)所示。

(3)

(4)

指標EI是水系統默認的能量指標，定義為泵系統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有考慮揚程，不同工況所得計算結果差異較大，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個指標都沒有基準值可以參考，因為指標EI是和水源的類型、用水城市的地貌密切相關的，而指標UEC是基于機電設施以及相關費用的，不同公司需要單獨設置基準值。

英國RIVENTA公司長期致力于領先級泵效測試和優化，并提出了一個新的性能指標--綠色泵指標 (Green Pump Index, 簡稱GPX，無量綱)，可以用于評價任何泵的能量效率，無論操作參數或系統如何，因為它考慮了影響泵能性能的所有關鍵參數和因素，計算方法如式(5)。

(5)

式中：Hstatic為靜揚程，m；P為輸入功率，kW。

為了更好地對指標進行解釋，他們還建立了一個GPX指標等級評價系統(GPXIndex rating system)，該指標取值范圍為0～100，值越大表示泵的能量效率越高[16]。通過分析發現，該指標雖然考慮了流量和揚程，改進了指標EI,但只考慮了流體體積，而沒有考慮揚程。揚程只是靜揚程(水泵的取水面到排水面的垂直高度)，沒有考慮壓力能頭和動能頭。

2013年，加拿大多倫多大學和HydraTek公司采用2種方法對安大略省不同地區和規模的152臺水泵進行了性能測試和效率評估,覆蓋了18個水泵制造商，6種水泵類型，電動機的功率為22.5～3 000 kW，15 %的水泵使用了變頻器。其中用熱力學法測試了137臺，用水力法測試了72臺，2種方法結合測試了57臺，獲得了統計效應級的測試數據，推動了熱力學法在水泵性能測試領域的應用。該項目所測效率包括單泵效率和泵組效率(包括變頻器、電機)，并考慮了3種工況下的效率，即制造商提供的最佳效率點 (BEP)、測試的最佳效率點、測試的典型工況點[17]。其中，最大的貢獻在于提出了一個新的能量評價指標：泵能量因子(Pump Energy Indicator，簡稱PEI，單位 kW·h/(Mm3·m-1)，定義為泵產生每單位揚程、每百萬立方米流體體積所消耗的能量，其最大的優點在于同時考慮了流量和揚程，且揚程是總揚程，如式(6)。

(6)

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

3 國內外研究現狀對比

國內外針對輸油泵機組性能測試開展了廣泛的研究，從研究方法、選用指標、測量參數、以及貢獻幾方面進行對比，如表1所示。

表1 國內外離心泵機組性能測試對比

4 綜合評價指標體系的建立

為了更好地反映輸油泵的綜合性能，基于現場性能測試數據及歷史運行數據，結合生命周期評價方法,建立了一套綜合性的輸油泵機組性能評價指標體系，該指標體系包括3個一級指標(性能、RAMS和可持續性指標)和若干個二級指標，如圖2所示。旨在為輸油泵綜合性能進行科學、全面的評價提供指導。

5 結論

1) 在輸出油泵性能評價方面，傳統方法理論和技術已非常成熟，有國際/國家標準可依， 有實踐

經驗積累；但是測試精度有限，對現場測試條件要求較高。國內仍以傳統方法為主，熱力學法案例較少，國外2種方法應用都非常廣泛。

2) 熱力學法測量精度較高，但對測試儀器要求較高，且仍缺少專門的、可操作性的標準化指導性技術文件。

3) 泵效評價指標多樣，通過對比發現，加拿大提出的PEI指標因綜合考慮了流量和總揚程，具有一定的優勢。

4) 建立了一套綜合性的輸油泵機組性能評價指標體系，可為輸油泵綜合性能進行科學、全面的評價提供指導。

圖2 綜合性的輸油泵機組性能評價指標體系