水泵效率计算

选泵中效率计算问题

——选泵的节能技术

华东建筑设计研究院有限公司 马信国

摘要：本文阐述了离心水泵效率影响因素，在工程设计中，依照国家标准规定确定水泵效率，合理匹配电机功率，尽量使水泵运行在高效区内。通过案例说明选用高效优质产品重要性，建议在设备材料表中增加水泵节能效率值。

关键词：离心泵、效率标准、轴功率、节能评价值

1 前言 水泵是建筑给排水设计的常用设备，选用高效率水泵，节省日常运行耗电量，满足工程建设需要，是广大工程师追求的目标之一，也是节能技术的一个重要内容。但是如何确定水泵效率,是选泵中面临的一个难题。

2 离心泵轴功率与电机功率 离心泵在实际运转中由于存在容积损失（即泄漏损失）、水力损失（水流在水泵内的摩阻、冲击损失）和机械损失（转动的叶轮和泵轴同固定泵壳等轴承的摩擦损失），造成水泵的效率降低；离心泵的效率实质上是机械、容积和水力三种效率的乘积，它反映了水泵传递功率的有效程度，是离心泵的一个重要参数。 2.1离心泵轴功率计算公式

（1）

式中：N 轴—水泵轴功率（KW ） Q —水泵输送流量（L/s ）

H —水泵输送扬程（m ） η—水泵输送效率（%） 102是单位整理常数

该式表明，当流量、扬程一定时，水泵的轴功率与水泵的效率成反比。水泵效率高，其轴功率低，反之，轴功率则高。

2.2

配用的电机功率

（2）

式中：N 机—电机功率（KW ） K —备用系数

N 轴—水泵轴功率（KW ）

备用系数也称富裕系数，它考虑了电机的机械效率等因素，其值随轴功率而异，一般可参考下列数值。见表1。 每台水泵配用电机额定功率也可参见ISO5199《离心泵驱动机功率匹配技术标准》中安全余量，详见表2. 3 离心泵的特性曲线 要正确选泵就必须了解水泵的性能特点，离心泵的特性曲线通常由生产厂家根据实验测定的Q 、H 、N 轴、η等数据标示绘成一组曲线，供使用者选泵和操作时参考。（见图1） 图1 离心泵性能曲线 轴机N K N ?=η

102H Q N ?=

轴

表1 K值

表2 水泵轴功率与配用电机功率

不同型号泵的特性曲线不同，但均有以下三条曲线：

（1）Q~H曲线，表示流量和扬程关系。特点是其扬程随流量增大而减小。在Q~H 曲线上有两条波折线，指示在这条波折线范围内水泵的效率较高。

（2）Q~η曲线表示流量和效率关系。其中效率最高点A0表明该泵对应的流量Q A 和扬程H A下工作最为经济。这条曲线的变化趋势是

流量由小中大，

效率由低高低。

（3）Q~N轴曲线表示泵的流量和轴功率关系。其特点是流量由小到大，轴功率也由小到大，在流量为零时轴功率最小。（4）上述三条曲线均在一定转速下测定。故在特性曲线图上需注明转速n值。总之，离心泵的特性曲线反映了水泵在一定转速下其扬程、效率和轴功率随流量变化的规律。必须指出的是各种型号的离心泵都有其本身独有的特性曲线，它不受管路特性的影响。

4离心泵的效率标准

4.1国家标准《离心泵效率》

（GB/T13007-91）规定了离心泵的效率标准。见表3和表4。

需要说明的是，表3、表4中A栏数值为水泵最高点效率，B栏数值为高效区的临界点效率，超出临界点，水泵效率下降很快；表中的效率值是比转数，n s=120~210的数值。当水泵的比转数小于120或大于210时，其相对应效率值应予修正，具体修正值可按GB/T13007-91规定。

从表3和表4可知，离心泵的效率特征是：水泵效率随着流量增大而增大，一般在建筑用的给水泵流量范围内，小泵流量（5~30m3/h）其效率大致在55%~65%之间；中泵流量（30~150m3/h）其效率大致在70%~75%之间；大泵流量（>150m3/h）可达75%~85%之间；

单级水泵效率在同等流量下，要比多级水泵效率高，平均约高出5%。

水泵高效区的范围大致在最高效率的90%。

表3 单级离心泵效率

注：（1）表中的效率值是n s =120~210时的数值

（2）表中的单级双吸离心泵的流量是指全流量值

表4 多级离心水泵效率

注：（1）表中的效率值是n s =120~210时的数值

4.2 比转数n s 意义

水泵的比转数是体现水泵性能的重要参数，它与流量Q 、扬程H 、转速n 有关，对于离心泵而言，比转数在120~210之间时水泵效率最高。 比转数n s 计算公式

n

H

Q n s ?=4

32

165.3 （3）

式中：Q — 流量（m 3/s ） H — 扬程（m ） n —转速（r/min ）（转/分） 从上式可知：

比转数随扬程H 增大而减小，随流量增大而增大，说明低比转数水泵扬程高，流量小，而高比转数水泵流量大，扬程小。

根据水泵的比例定律，转速提高，其流量相应增大，则效率也增大，在一定比转数范围内，提高转速可提高水泵效率 4.3 标准效率下的水泵扬程

根据公式（3）可以推求出在比转数n s

为

120~210，转速n 为2900转/分时的扬程计算公式

3

2393~186Q H ）（= （m ） （4-1） 式中：Q — 流量（m 3/s ）

同理可以推求出在比转数n s 为120~210，转速n 为1450转/分时的扬程计算公式 32156~74Q H ）（= （m ） （4-2） 将公式（4）代入表3，得常用单级离心泵在最高效率下的最佳扬程。

表5 单级离心泵最佳扬程

分析表5值可知，在满足离心泵最高效率下，其扬程随着流量和转速的增大而增加，在实际工程中，低扬程水泵使用范围较窄，当扬程超出上表中流量对应值时，应按公式（3）重新计算比转数n s ，然后在GB/T13007-91 中查得效率修正值，即为该水泵的效率值（η1） 【示例一】 某工程选用一单级单吸离心水泵，转速为2900转/分，最高效率点的流量为60m 3/h ，扬程为40m ，求其效率、轴功率和电机功率。 解：（1）求n s

86290040)

360060(65.365.34

3

2

1

432

1

=?=?=n H Q n s （2）查《离心泵效率》中修正值 n s =86 △η=2.5%

（3）查表3， Q=60m 3/h ，

η=75.8% 则η1=75.8-2.5=73.3%

KW

N 92.8%3.7310240

)6.360()

4(=??÷=

（5）配用电机，查表2的N 机=11KW

【示例二】某工程选用多级离心泵转速为2900转/

分，扬程为120m ，流量为15m 3/h ，求其效率、轴功率和电机功率。 解 (1)n s ＝

()290020)

360015(

65.375

.05

.0?? （多级离心泵有六级,每级20ｍ） ＝72.2≈72

s (3) 查表4，Q=15m 3/h η=61.8% 则η1=61.8%-4.5%=57.3%

()KW N 55.8%

3.571021206.315)

4(=??÷=

轴

(5) 查表2，配用电机 N 机=11KW 综上可述，影响离心水泵效率的主要因素：

水泵的流量：水泵流量越大，效率越高。可参见下图：

图2 不同形式离心泵效率

比转数：在n s =120~210,比转数增大，效率也随之增加。

转速：同样参数的水泵，高转速泵比低转速泵效率高。

扬程：大流量低扬程泵要比小流量高扬程泵效率高。

5.使水泵运行在高效区的方法

水泵实际运行工作点是由水泵特性曲线（Q~H ）和管道特性曲线两者同时决定的。欲获得高效区工作，关键应设法使管道特性曲线与水泵Q~H 曲线相交于该泵的最佳效率点。

5.1 定流量水泵管道特性曲线

在工程设计中，采用水池、水泵、高位水箱的给水方式。水泵采用一用一备时，流量是恒定的，其扬程由静扬程和出水管道水头损失

Q

η(%)

及流出水头三部分组成，流出水

头较小可略去，则总扬程可表达

为下式

H=H

+SQ２（5）

式中：H

－静扬程（ｍ）（即水泵

从水池最低水位提升到水箱的高

水位）

S－为输水管道的阻力系数，

与管道长度、材质、直径等有关

Q－输水流量（L/S）

管道特性曲线有三种情况，

见图3所示。

图3 管道特性曲线

正好通过所选水泵最高效率

点（A）。

管道阻力损失值估算高，配

管偏大，和Q-H曲线交于B点。

配管管径偏小，和Q-H曲线

交于C点。

由于B、C点效率较A点低，运行在B点造成电机功率增大，运行至C点，则流量偏小，效率也下降。因此，根据管材、摩阻、长度，精确计算沿程和局部水头损失，使计算的管道特性曲线正好交于A点，是必需的步骤。

5.2 变流量水泵的工作点效率

恒压变流量供水方式，通常采用变频调速方法，根据比例定律，水泵流量与转速的一次方成正比，扬程与转速的二次方成正比，而轴功率与转速的三次方成正比。

又根据转速与频率关系：

（6）

式中： n—转速（r/min）

f—频率（Hz）

p—级组数

可求出改变转速后流量、扬程、轴功率和频率变化参数。

表 6 转速下降后流量、扬程、轴功

率和频率变化值

表6只是一种理想状态下的数值。实际上流量的减少视水泵性能曲线是否平缓或陡降有关。扬程的下降要引起人们警觉。转速下降决不能降到维持系统所需的压力，即H=H

+SQ2。当采用恒压（非变压）供水时，其水泵扬程不能满足恒压要求时，就会出现小流量不出水现象，电机发热，空转故障。

水泵变频改变转速后，效率下降很大，主要是小流量效率较小缘故，还有电机从满载到3/4负载再到1/2负载，电机效率亦随之下降。试举一例。

格兰富水泵曾实测同一水泵50Hz （100%转速）到47H Z（94%转速）的效率。水泵型号CR32-2 2917r/min，配4kw电机。从表7可得：频率下降6%

则：流量减少40%

水泵效率下降13.4%

整机效率下降14.6%

轴功率降低31%

即节能率为31%

将本案例按前述方法计算，比较理

论值与实际数据，见表8和表9。

表8、表9证明优质产品水泵其

效能指标完全可以达到并超出

H管＝H０＋SQ２

国家规定的离心泵效率，同时也表7 变频供水效率实例

说明只有选用高效优质水泵才能达表9变频运行理论参数与实测数据对照表

6.1 国家规定

为大力推行节能型水泵，我国于2005年5月13日发布了《清水离心泵能效限定值及节能评估值》的国家标准（GB19762-2005），并于同年12月1日实施。该标准第5.3条是强制性的，即泵的能效限定值和节能评价值。

所谓“泵能效限定值”定义为：“在标准规定测试条件下，所允许泵规定点效率最低保证值”，可理解为泵运行时效率比最高点效率值允许最大下降值。

按照泵类型分为三类： ⑴ 单级单吸清水泵，各种流量能效限定值-3%。

⑵ 单级双吸清水离心泵，流量≤600m 3/h 为-3%；流量＞600m 3/h 为-4%。

⑶ 多吸清水离心泵：流量≤100m 3/h 为-3%；流量＞100m 3/h 为-4%。

归纳上述，可知离心水泵的高效区允许偏离最高效率规定点3～4%。

为了鉴定节能型水泵，该标准5.3条还规定了节能评价值，见表10.即“在标准规定测试条件下，节能

6.2 选泵材料表应规定最低效率 为采购到高效节能的优质水泵，设

计人员在列出设备材料表时，除需列出Q 、H 、N 外，还须注明其最低效率值，建议按GB19762-2005规定中节能评价值，列出设计选用水泵的效率值。 参考文献

1．同济大学流体力学教研室《水泵》1981年12月

2．《清水离心泵能效限定值及节能评价值》 GB19762-2005

3．《离心泵效率》 GB/T 13607-91

4．《关于水泵转速、效率、变频、并联影响 的探讨》 格兰富水泵公司 曹林

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