□ 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(xué) 能源與電氣學(xué)院 南京 211100
單級(jí)雙吸離心泵又稱為單級(jí)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(jī)械密封或填料密封。與普通離心泵相比,單級(jí)雙吸離心泵效率高、流量大,便于安裝維修,是應(yīng)用最為廣泛的泵類產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)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(guó)先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)制造的單級(jí)雙吸離心泵如圖1所示。
圖1 單級(jí)雙吸離心泵
為了掌握單級(jí)雙吸離心泵的能效現(xiàn)狀,對(duì)某年度的單級(jí)雙吸離心泵出廠試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)查,對(duì)所收集的相關(guān)試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并參考相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。本文對(duì)調(diào)查過(guò)程和分析結(jié)果進(jìn)行介紹。
對(duì)于單級(jí)雙吸離心泵而言,高效節(jié)能是主要特征,對(duì)應(yīng)泵在額定工況下的效率指標(biāo)。泵的效率高低是衡量泵能效等級(jí)的最重要依據(jù)。
出廠試驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容分別按流量、比轉(zhuǎn)速、效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)的重點(diǎn)是實(shí)測(cè)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量。
準(zhǔn)確分析單級(jí)雙吸離心泵的各種試驗(yàn)報(bào)告,必須有正確的分析方法。描述統(tǒng)計(jì)分析是一種最基本的統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)研究中所得的數(shù)據(jù)加以整理、歸類、簡(jiǎn)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(shí),可能雜亂無(wú)章,不便于發(fā)現(xiàn)規(guī)律,通過(guò)制圖、造表,用各種形式的方程進(jìn)行擬合,計(jì)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(shí)際試驗(yàn)報(bào)告指標(biāo)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值進(jìn)行比較分析,可以找出差異。
依據(jù)GB/T 3216—2016《回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵 水力性能驗(yàn)收試驗(yàn) 1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)》,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(píng)價(jià)值》三個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),對(duì)單級(jí)雙吸離心泵的試驗(yàn)效率進(jìn)行分析判斷。
在某年度的單級(jí)雙吸離心泵出廠試驗(yàn)報(bào)告中,總共篩選出有完整試驗(yàn)曲線可統(tǒng)計(jì)分析的有效報(bào)告683份。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)報(bào)告的最高效率與產(chǎn)品樣本的最高效率進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)報(bào)告普遍比產(chǎn)品樣本低,平均低1.9個(gè)百分點(diǎn)??鄢?0個(gè)最大值和10個(gè)最小值,平均低1.8個(gè)百分點(diǎn)。每個(gè)規(guī)格單級(jí)雙吸離心泵的最高效率點(diǎn)通常只對(duì)應(yīng)一個(gè)比轉(zhuǎn)速。每個(gè)客戶要求的流量揚(yáng)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(dǎo)致在最高效率點(diǎn)上形成多個(gè)相近的流量或比轉(zhuǎn)速,反映在分布圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)的重合比較少,顯得略微分散。
單級(jí)雙吸離心泵最高效率的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)對(duì)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(guò)某年度683份試驗(yàn)報(bào)告的最高效率與產(chǎn)品樣本對(duì)比,發(fā)現(xiàn)效率容差因數(shù)為負(fù)值的有552份,為正值的有120份,相同的有11份,實(shí)測(cè)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(jì)的的單級(jí)雙吸離心泵產(chǎn)品的實(shí)測(cè)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(cè)允許偏差下限評(píng)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(shí),分布范圍主要在流量1 500 m3/h以上,或比轉(zhuǎn)速200以下。驗(yàn)收等級(jí)1B級(jí)的泵,效率容差因數(shù)不小于-3%,合格率為73.1%。驗(yàn)收等級(jí)2B級(jí)的泵,效率容差因數(shù)不小于-5%,合格率為92.4%。驗(yàn)收等級(jí)3B級(jí)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(yàn)收等級(jí)通常是1B級(jí)或2B級(jí)。按照驗(yàn)收等級(jí)2B級(jí),泵效率容差因數(shù)不小于-5%,達(dá)不到的不能出廠,需要查明原因,返工修理再次試驗(yàn)。將泵效率容差因數(shù)小于-5%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)52份去除,再統(tǒng)計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自52臺(tái)泵,占總出廠臺(tái)數(shù)的8%左右,因效率不合格需要返工維修。對(duì)應(yīng)的一次試驗(yàn)產(chǎn)品合格率為92%,反映了廠家的制造水平。
剩下631份試驗(yàn)報(bào)告的最高效率與產(chǎn)品樣本對(duì)比,發(fā)現(xiàn)其中效率容差因數(shù)為負(fù)值的有500份,為正值的有120份,相同的有11份,實(shí)測(cè)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(yàn)收等級(jí)為1B級(jí)的泵,效率容差因數(shù)不小于-3%,合格率為79.1%。驗(yàn)收等級(jí)2B級(jí)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(yán)格的泵性能驗(yàn)收等級(jí)1U級(jí),保證點(diǎn)各項(xiàng)參數(shù)不得有負(fù)偏差,效率容差因數(shù)不小于0。實(shí)際上達(dá)到這個(gè)要求并不容易,根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果,達(dá)到驗(yàn)收等級(jí)1U級(jí)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(yàn)。為了能夠順利通過(guò)客戶驗(yàn)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(shí),比產(chǎn)品樣本上保證點(diǎn)的效率低2個(gè)或3個(gè)百分點(diǎn),根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果,一次試驗(yàn)符合驗(yàn)收等級(jí)1U級(jí)的泵,可以達(dá)到55.8%或73.1%。
去除實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中不合格的52份數(shù)據(jù)后,單級(jí)雙吸離心泵的最高效率與產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)對(duì)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(shí),效率容差因數(shù)的平均值為-2.8%。流量為1 800 m3/h時(shí),效率容差因數(shù)的平均值為0。流量為2 600 m3/h時(shí),效率容差因數(shù)的平均值為1.6%。也就是說(shuō),大流量泵實(shí)測(cè)最高效率的平均值高于產(chǎn)品樣本,小流量的泵實(shí)測(cè)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(diǎn)。
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(shí),效率容差因數(shù)的平均值為-1.3%。比轉(zhuǎn)速為280時(shí),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(shí)測(cè)最高效率低于產(chǎn)品樣本,占比為79.2%。有少數(shù)泵的實(shí)測(cè)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(gè)值得深入研究,需要詳細(xì)調(diào)查設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、試驗(yàn)等全過(guò)程活動(dòng),重點(diǎn)檢查葉輪、泵體、泵蓋的模具和鑄件,必要時(shí)對(duì)葉片和流道進(jìn)行三維掃描,查找與設(shè)計(jì)的偏差,并對(duì)比最近幾年同一規(guī)格的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。多次實(shí)測(cè)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(jìn)步和優(yōu)勢(shì)。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),實(shí)測(cè)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(lái)自于試驗(yàn)結(jié)果,沒(méi)有人為拔高以夸大宣傳,也沒(méi)有抄襲其它廠家,但是通常的做法是挑選最好的幾臺(tái)泵的試驗(yàn)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(yán)格,零部件都是優(yōu)中選優(yōu)。而面對(duì)客戶生產(chǎn)的泵則是大批量的,由于受到交貨時(shí)間、制造成本、物流供應(yīng)等制約,很難每臺(tái)泵都做到很精細(xì),出現(xiàn)質(zhì)量偏差的現(xiàn)象增多。
對(duì)于國(guó)內(nèi)泵制造廠家產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)普遍存在與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象,在很多學(xué)者專家的類似泵產(chǎn)品分析報(bào)告中得到了證實(shí)。絕大多數(shù)泵的實(shí)測(cè)效率數(shù)據(jù)均小于產(chǎn)品樣本效率數(shù)據(jù),占整個(gè)數(shù)據(jù)組的82%。也就是說(shuō),國(guó)內(nèi)泵實(shí)測(cè)效率數(shù)據(jù)與產(chǎn)品樣本效率數(shù)據(jù)實(shí)際上并不相符,最好的是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品樣本,然后是國(guó)外產(chǎn)品樣本,最差的是國(guó)內(nèi)實(shí)測(cè)。還有許多學(xué)者專家及專業(yè)工程師對(duì)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(gè)泵行業(yè)前進(jìn)的方向。
比轉(zhuǎn)速120~210時(shí)單級(jí)雙吸離心泵效率曲線如圖8所示。GB/T 13007—2011對(duì)單級(jí)雙吸離心泵的最高效率工況點(diǎn)效率進(jìn)行了規(guī)定,不得低于圖8中曲線A。同時(shí)對(duì)泵的容許工作范圍內(nèi)最低效率進(jìn)行了規(guī)定,不得低于圖8中曲線B。效率規(guī)定值對(duì)應(yīng)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(shí),效率規(guī)定值做適當(dāng)修正。通過(guò)實(shí)測(cè)效率與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比,可以判斷產(chǎn)品的合格率。
圖8 比轉(zhuǎn)速120~210時(shí)單級(jí)雙吸離心泵效率曲線
在上述篩選出可統(tǒng)計(jì)分析的有效試驗(yàn)報(bào)告683份中,實(shí)測(cè)最高效率大于或等于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定點(diǎn)效率的有400份,占比為58.6%。單級(jí)雙吸離心泵最高效率的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定點(diǎn)效率對(duì)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(jí)雙吸離心泵達(dá)標(biāo)情況較好。
圖9 與標(biāo)準(zhǔn)比較效率容差因數(shù)流量分布
圖10 與標(biāo)準(zhǔn)比較效率容差因數(shù)比轉(zhuǎn)速分布
圖11 與標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)比較,還有一定差距。
該批次單級(jí)雙吸離心泵效率一次試驗(yàn)合格率為58.6%,指泵的試驗(yàn)最高效率大于或等于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定點(diǎn)效率的泵數(shù)量的占比。泵的最高效率總體平均水平與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相比略高,大多數(shù)都達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。按照GB/T 3216—2016檢測(cè)允許偏差下限評(píng)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(yàn)收等級(jí)1B級(jí)的泵,效率容差因數(shù)不小于-3%,合格率為88.7%。驗(yàn)收等級(jí)2B級(jí)的泵,效率容差因數(shù)不小于-5%,合格率為96%。驗(yàn)收等級(jí)3B級(jí)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(jì)分析方法,將與產(chǎn)品樣本對(duì)比的效率容差因數(shù)小于-5%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)52份去除,再統(tǒng)計(jì)分析,則基本上反映了按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定點(diǎn)效率要求交付給客戶的泵的效率水平。去除實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中不符合驗(yàn)收等級(jí)2B級(jí)的52份數(shù)據(jù)后,單級(jí)雙吸離心泵最高效率的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定點(diǎn)效率對(duì)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。可以看出,小流量和低比轉(zhuǎn)速的單級(jí)雙吸離心泵達(dá)標(biāo)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(fù)偏差較大,這部分泵的效率有待改進(jìn)和提高。
圖12 去除不合格數(shù)據(jù)后與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)比較效率容差因數(shù)百分比分布
按照GB/T 3216—2016檢測(cè)允許偏差下限評(píng)定,多數(shù)產(chǎn)品屬于合格品。驗(yàn)收等級(jí)1B級(jí)的泵,效率容差因數(shù)不小于-3%,合格率為92.2%。驗(yàn)收等級(jí)2B級(jí)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相比,總體平均值高出1.5個(gè)百分點(diǎn),大多數(shù)達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。與10 a前相比,整個(gè)系列產(chǎn)品的最高效率平均值提高了1.2個(gè)百分點(diǎn)。但是,仍然存在不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象。最高效率實(shí)測(cè)值與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相符,是對(duì)所有泵企業(yè)的基本要求,無(wú)論產(chǎn)品是國(guó)際一流還是國(guó)內(nèi)一流,首先必須符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并且企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
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(shí)測(cè)最高效率低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定點(diǎn)效率,占比為38.5%。少數(shù)泵的實(shí)測(cè)最高效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定點(diǎn)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(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。
按照GB 19762—2007,當(dāng)流量不大于600 m3/h時(shí),泵能效限定值為規(guī)定點(diǎn)效率減去3個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)流量大于600 m3/h時(shí),泵能效限定值為規(guī)定點(diǎn)效率減去4個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)流量不大于600 m3/h時(shí),泵節(jié)能評(píng)價(jià)值為規(guī)定點(diǎn)效率加上2個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)流量大于600 m3/h時(shí),泵節(jié)能評(píng)價(jià)值為規(guī)定點(diǎn)效率加上1個(gè)百分點(diǎn)。
對(duì)單級(jí)雙吸離心泵的最高效率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,滿足泵能效限定值的臺(tái)數(shù)占比為91.5%,10 a前為83%。滿足泵節(jié)能評(píng)價(jià)值的臺(tái)數(shù)占比為43%,10 a前為39.5%。按照標(biāo)準(zhǔn)制定的初衷,希望整個(gè)行業(yè)滿足泵節(jié)能評(píng)價(jià)值的臺(tái)數(shù)占比為10%,實(shí)際上已有公司遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了這一要求。用節(jié)能評(píng)價(jià)值的數(shù)據(jù)證明了公司在泵行業(yè)的搶先領(lǐng)跑地位,并且一直在進(jìn)步。
筆者通過(guò)采取不同的研究方法,得出了某系列單級(jí)雙吸離心泵的各種效率及合格率數(shù)據(jù),包括一次試驗(yàn)合格率、各種驗(yàn)收等級(jí)所占比例、實(shí)測(cè)最高效率與樣本效率差值、實(shí)測(cè)最高效率與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定點(diǎn)效率差值、各種效率差值百分比分布等。
實(shí)測(cè)最高效率與產(chǎn)品樣本的效率容差因數(shù)的平均值對(duì)比轉(zhuǎn)速變化不敏感,不同比轉(zhuǎn)速下基本一致,但對(duì)流量變化比較敏感,在小流量下多為負(fù)值,隨著流量增大逐步轉(zhuǎn)為正值。這說(shuō)明小口徑單級(jí)雙吸離心泵的鑄造加工質(zhì)量等有待進(jìn)一步提高,以使平均最高效率與產(chǎn)品樣本相符合。
實(shí)測(cè)最高效率與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定點(diǎn)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(duì)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(fù)值,這說(shuō)明比轉(zhuǎn)速200以上的高比轉(zhuǎn)速單級(jí)雙吸離心泵有待進(jìn)一步研發(fā)水力模型以提高效率。
按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能評(píng)價(jià)值,公司產(chǎn)品臺(tái)數(shù)所占比例為43%,單級(jí)雙吸離心泵的能效等級(jí)在行業(yè)中處于領(lǐng)先水平。