大型输油泵性能测试与评价指标研究现状

2020-12-02张凤丽梁元元王金江

石油矿场机械 2020年6期

张凤丽，梁元元，王金江，谷明

(1.中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249； 2.中海油田服务股份有限公司，河北三河 065201)

离心输油泵具有结构简单、运行稳定、压力平稳、维护快捷方便等特点和优势[1]，是油气集输系统中的关键动力设备，同时也是最主要的耗能设备。油气集输系统中在用的大多数输油泵机组由于多种原因，出现了输油泵机组效率低、能耗高等问题。因此，为了能及时掌握离心泵运转特性，需要对输油泵机组进行现场性能和效率测试，改善低效运行的输油泵机组，提高其效率、降低其输油单耗。

进行输油泵性能和效率测试的方法主要有传统方法(水力法)和热力学法[2]2种。传统方法是针对水泵进行性能测试的标准方法，其原理是通过逐渐改变水泵出口处调节闸阀的开启度，改变管路阻力，测试出每个开启度时水泵性能参数，包括扬程、流量、轴功率、转速等，并计算出对应的效率，然后绘制出水泵的特性曲线。泵典型性能曲线一般包括流量-扬程(Q-H)、流量-效率(Q-η)、流量-必需汽蚀余量(Q-NPSHr) 和流量-轴功率(Q-P)4条曲线。传统方法计算泵效率如式(1)。

(1)

式中：ρ为液体密度，kg/m3；g为重力加速度；Q为水泵流量，m3/s；H为扬程，m；P为电网输入功率，kW；ηP为泵效率；ηD为变频器(VFD)效率；ηM为电机效率。

这些参数中，需要直接测量的参数包括电网输入功率P、泵进出口压力p1及p2、流量Q。需要计算的参数包括扬程H。而变频器(VFD)的效率ηD和电机的效率ηM采用制造商提供的原始数据，因为这两个数据随时间变化非常小。

热力学法是将热力学定律应用于水和离心泵之间的热量传递，水流进入离心泵时的压力、温度、流速和液位均发生变化，通过测量参数的变化，根据水的热力学特性，就可以确定单位质量的水接受的能量[3]。热力学法在20 世纪60 年代由WHILLIER等提出[4]，是被广泛认可的高精度泵效和性能测试与评估中的领先技术。但是由于该方法对测试仪器的要求较高，直到最近10多a才开始得到广泛的应用[2]。

研究发现，热力学法计算泵效率的公式存在不一致的情况，不同文献根据实际需要对公式进行了不同程度的简化，魏亚平对国内外具有一定代表性的计算公式进行了比较和探讨[5]。本文采用GB/T 18149―2017《离心泵、混流泵和轴流泵水力性能试验规范精密级》提出的泵效率计算公式，如式(2)。

(2)

1 国内研究现状

目前在国内输油泵性能测试领域，热力学法的应用还不是非常广泛，传统水力方法仍是主流。李柏松等[1]、刘国豪等[6]对2 500 kW级国产化输油泵进行了出厂性能测试，并与进口输油泵进行了效率和振动等方面的对比，测试结果表明，国产化输油泵效果良好，相关指标(电机效率、泵效率、机组效率、振动速度等)达到了进口泵的技术水平，为国产化输油泵推广应用创造了条件。为了检验离心泵是否满足设计和制造要求，付吉海等依据美国石油协会的API 610 离心泵制造标准设计了试验装置，采用传统方法对卧式离心泵进行了性能试验，并对整个试验的计算过程进行了分析[7]。

国内有关采用热力学法测试泵性能和效率的研究大多集中在基础介绍和理论研究上，有关热力学法的应用或实践较少，少数案列只是针对单个泵进行了测试，测试对象单一，测试结果不具有代表性或统计意义。秦建安等分别采用2种方法分析了水泵的效率，得出热力学法测试泵效优于水力学法的结论[8]；商德勇针对热力学法测试泵效的公式进行了推导，并对其不确定性进行了研究[9]；王娟等建立了一种新型基于热力学法的水泵效率数学模型——热力学压力法模型，该模型不需要测量温差，而是用水泵进出口压力与压差进行模拟[10]，虽然避免了温差测量精度对泵效率的影响，但是模型精度较低；孙立波采用热力学法测试了变频调速外输泵泵效[3]；高紫俊等对低扬程水泵进行了热力学法效率测试[11]；黄晓东利用热力学法对可逆式水泵水轮机进行现场效率试验, 试验结果验证了该方法的可行性[12]。

2 国外研究现状

2006年，北美最大的泵制造业协会——液压协会(Hydraulic Institute，HI)、美国能源部工业技术办公室(Office of Industrial Technologies，OIT)和欧洲泵协会(Europump)联合开展了一项“提高泵系统性能”的项目，并建立了泵生命周期费用的数学模型[13]。Nault等采用基于过程的生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)与经济投入产出(Economic Input-Output，EIO)相结合的方法，对水分配系统泵的生命周期成本、能耗和温室气体排放进行了评估，考虑了泵的制造、使用和寿命终止3个生命周期阶段以及其他文献较少考虑的过程，包括排出口节流、泵测试、老化、翻新和变转速等，如图1所示[14]。

图1 泵的3个生命周期

2011年，美国水卫生组织(Water and Sanitation Initiative)和可持续能源及气候变化组织(Sustainable Energy and Climate Change Initiative)采用传统方法开展了一项水泵系统能源效率评估项目，并进行了现场性能测试。测量的参数包括电气参数、液压参数以及温度3大类，文献详细描述了测量仪器安装布置方式、测量方法、计算公式等，并对所测数据行了分析与效率计算。在此基础上进行了节能评价，提出了一系列的节能措施[15]。为了评价能量效率，选用了2个指标：能量因子(Energy Index ，简称EI，单位kW·h/m3) 和单位能量成本因子(Unitary Energy Cost Indicator，简称UEC，单位$/kW·h)，计算方法分别如式(3)～(4)所示。

(3)

(4)

指标EI是水系统默认的能量指标，定义为泵系统消耗的总能量和输送的总水量(体积)之比，不足之处在于只考虑输送流体的体积而没有考虑扬程，不同工况所得计算结果差异较大，因此不能用于不同泵、不同泵站、组合泵之间的比较。此外，这2个指标都没有基准值可以参考，因为指标EI是和水源的类型、用水城市的地貌密切相关的，而指标UEC是基于机电设施以及相关费用的，不同公司需要单独设置基准值。

英国RIVENTA公司长期致力于领先级泵效测试和优化，并提出了一个新的性能指标--绿色泵指标 (Green Pump Index, 简称GPX，无量纲)，可以用于评价任何泵的能量效率，无论操作参数或系统如何，因为它考虑了影响泵能性能的所有关键参数和因素，计算方法如式(5)。

(5)

式中：Hstatic为静扬程，m；P为输入功率，kW。

为了更好地对指标进行解释，他们还建立了一个GPX指标等级评价系统(GPXIndex rating system)，该指标取值范围为0～100，值越大表示泵的能量效率越高[16]。通过分析发现，该指标虽然考虑了流量和扬程，改进了指标EI,但只考虑了流体体积，而没有考虑扬程。扬程只是静扬程(水泵的取水面到排水面的垂直高度)，没有考虑压力能头和动能头。

2013年，加拿大多伦多大学和HydraTek公司采用2种方法对安大略省不同地区和规模的152台水泵进行了性能测试和效率评估,覆盖了18个水泵制造商，6种水泵类型，电动机的功率为22.5～3 000 kW，15 %的水泵使用了变频器。其中用热力学法测试了137台，用水力法测试了72台，2种方法结合测试了57台，获得了统计效应级的测试数据，推动了热力学法在水泵性能测试领域的应用。该项目所测效率包括单泵效率和泵组效率(包括变频器、电机)，并考虑了3种工况下的效率，即制造商提供的最佳效率点 (BEP)、测试的最佳效率点、测试的典型工况点[17]。其中，最大的贡献在于提出了一个新的能量评价指标：泵能量因子(Pump Energy Indicator，简称PEI，单位 kW·h/(Mm3·m-1)，定义为泵产生每单位扬程、每百万立方米流体体积所消耗的能量，其最大的优点在于同时考虑了流量和扬程，且扬程是总扬程，如式(6)。

(6)

PEI的值越大表明输送同等流体需要消耗的能量(或者花费的费用)越多，一台完美的泵-电机组(效率100%)的PEI基准值为2 725 kW·h/(Mm3·m-1)[17]。