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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（%）
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

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QA和扬程HA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，ns=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
表4 多级离心水泵效率

4.2 比转数ns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ns计算公式
（3）
式中：Q — 流量（m3/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ns为120~210，转速n为2900转/分时的扬程计算公式
（m） （4-1）
式中：Q — 流量（m3/s）
同理可以推求出在比转数ns为120~210，转速n为1450转/分时的扬程计算公式
（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
Q(m3/h)
5
10
15
20
25
30
40
50
η（%）
58
64
67.2
69.4
70.8
72.0
73.8
74.9
H
n=2900
2.3~4.9
3.7~7.8
4.8~10.2
5.8~12.3
6.8~14.2
7.6~16.1
9.2~19.4
10.7~22.6
n=1450
0.92~1.93
1.46~3.1
1.92~4.0
2.3~4.9
2.7~5.7
3.0~6.4
3.7~7.7
4.3~9.0

Q(m3/h)
60
70
80
90
100
150
200
300
η（%）
75.8
75.5
77.0
77.6
78.0
79.8
80.8
82.0
H
n=2900
12.1~25.6
13.4~28.4
14.7~31.0
15.9~33.6
17.1~36.0
22.4~47.2
27.1~57.1

35.5~74.9
n=1450
4.8~10.1
5.4~11.3
5.8~12.3
6.3~13.3
6.8~14.3
8.9~18.7
10.8~22.6
14.1~29.6

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ns，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60m3/h，扬程为40m，求其效率、轴功率和电机功率。
解：（1）求ns
（2）查《离心泵效率》中修正值 ns=86 △η=2.5%
（3）查表3， Q=60m3/h，
η=75.8%
则η1=75.8-2.5=73.3%
（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15m3/h，求其效率、轴功率和电机功率。
解
(1)ns＝
（多级离心泵有六级,每级20ｍ）
　 ＝72.2≈72
(2) 查修正值 ns=72, △η=4.5%
(3) 查表4，Q=15m3/h η=61.8% 则η1=61.8%-4.5%=57.3%

(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：
η(%)
Q
小型多级单吸泵

小型单级单吸泵

单级双吸离心泵

图2 不同形式离心泵效率
比转数：在ns=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=H0+SQ２ （5）
式中：H0－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。

H管＝H０＋SQ２

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
n=100%
Q
(m3/h)
H
（m）
N轴(KW）
频率=50（Hz）
94%
0.94Q
0.88H
0.830
47
90%
0.90Q
0.81H
0.729
45
85%
0.85Q
0.723H
0.614
42.5
80%
0.8Q
0.64H
0.512
40

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HH0+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47HZ（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
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到节能要求。
水泵转速
Q(m3/h)
H（m）
N轴
η1
泵+电机η2
HZ
100%
25
32.8
3.02 KW
74%
65.2%
50
94%
15
32.8
2.08 KW
64.1%
55.7%
47.1
表8 恒速运行设计参数与样本数据对照表

Q(m3/h)
H(m)
η(%)
n (r/min)
ns
N轴（kw）
N机（kw）
设计
25
32.8
64.3
2917
108
3.47
5.5
样本
25
32.8
74
2917

3.02
4
表9变频运行理论参数与实测数据对照表

Q(m3/h)
H(m)
η(%)
n(r/min)
ns
N轴（KW）
负载率
（%）
节能率（%）
理论
15
32.8
58.8
2742
79
2.28
41
34.3
实测
15
32.8
64.1
2742

2.08
52
31

6 节能型水泵能效要求
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≤600m3/h为-3%；流量＞600m3/h 为-4%。
⑶ 多吸清水离心泵：流量≤100m3/h 为-3%；流量＞100m3/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，节能泵规定点效率应达到的最低保证值”
表10 离心泵节能评价值
泵类型
Q(m3/h)
节能评价值（%）
单级单吸
≤300
η1+2%
＞300
η1+1%
单级双吸
≤600
η1+2%
＞600
η1+1%
多级离心泵
≤100
η1+2%
＞100
η1+1%
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》
5.资料来源：职称论文发表网