水泵机组能效检测的不确定度研究_瞿亚运.pdf

51 电工电气电工电气 (2023 No.2)检验与测试作者简介：瞿亚运(1990)，女，工程师，硕士，从事能效测评及实验室体系管理工作；秦剑华(1991)，男，高级工程师，博士，从事变电设备运维监控与智能运检技术工作；陆婋泉(1985)，女，高级工程师，博士，从事能效测评及能源计量工作。瞿亚运1，秦剑华2，陆婋泉1(1 国网江苏省电力有限公司营销服务中心，江苏 南京 210019；2 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 211103)摘 要：对水泵机组能效检测结果作符合性声明时，通常缺乏测量不确定度的相关分析，使得判定结果的置信度较低。为了实现水泵机组能效检测结果精确评价的目标，以某型热水供热侧循环水泵为研究对象，开展能效检测工作，基于检测结果进行测量不确定度评定，通过研究电机运行效率、水泵机组运行效率以及水泵机组吨 百米耗电量的数学模型及不确定度传播率，引入设备不确定度来源，最终计算出能效检测结果的扩展不确定度，有效解决了水泵机组能效检测中涉及的多维度测量不确定度量化分析问题。采用的分析方法、分析过程及结论可作为同类型能效检测符合性声明的一般性参考。关键词：水泵能效检测；测量不确定度；符合性声明中图分类号：TM306 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2023)02-0051-06 Abstract:When statement of conformity is made to energy efficiency test results of water pump sets,the lack of relevant analysis of mea-surement uncertainty makes the confidence of judgment results low.To achieve the accurate evaluation of energy efficiency test results of water pump sets,the paper,taking the hot water heating-side circulating water pump as the research object,carries out energy efficiency test and evaluates measurement uncertainty based on test results.After making research on the operation efficiency of motor and water pump sets,and the mathematical model and uncertainty propagation rate of water pump sets tonhectometer power consumption,the paper introduces the sources of equipment uncertainty and finally calculates extended uncertainty of energy efficiency test results,which solves the problem of quantitative analysis of multi-dimension measurement uncertainty happening in the energy efficiency test of water pump sets.The analytical method,process and conclusion adopted in the paper can be used as the general reference for statement of conformity of the same-type ener-gy efficiency test.Key words:energy efficiency test of water pump;measurement uncertainty;statement of conformityQU Ya-yun1,QIN Jian-hua2,LU Xiao-quan1（1 State Grid Jiangsu Electric Power Co.,Ltd.Power Marketing Service Center,Nanjing 210019,China;2 State Grid Jiangsu Electric Power Co.,Ltd.Electric Power Research Institue,Nanjing 211103,China）Research on Uncertainty of Energy Efficiency Test of Water Pump Sets水泵机组能效检测的不确定度研究0 引言水泵、风机等作为工、农业及生活中的通用类机械，具有量大面广的特点。据统计，我国目前拥有的水泵、风机、空压机、锅炉等 21 类重点用能设备年耗电占全国总量的 70%，提高重点用能设备能效水平、推广节能技术应用，是促进产业转型升级的重要举措1。但是，很多水泵类设备投运年代久远、运行效率低，大量能源被无端浪费，节能潜力巨大，据不完全统计，国内与水泵匹配的电动机消耗电能占全国总消耗电能的 1/5，部分水泵效率甚至不足 30%，“大马拉小车”的现象普遍存在2，提升水泵类设备能效水平的工作任重道远。准确指导能源消费用户改进提升水泵类设备能效，开展水泵机组能效评估工作势在必行。2021 年，我国提出“双碳”战略目标，促进新型能源消费结构体系建立，需求侧结构优化调整是迈向“双碳”目标的关键一步3；此外，市场监管总局等多部委共同发布关于加强国家现代先进测量体系建设的指水泵机组能效检测的不确定度研究52电工电气电工电气 (2023 No.2)导意见，鼓励开展具有新时代特色的测量技术、测量仪器设备的研究和应用。水泵类设备的测试技术以及测量仪器设备在迎来快速发展的同时，也存在着不容忽视的关键问题，水泵机组部件众多，能效评估环节中的测试步骤复杂，电量及非电量的测试手段、测试方法、测试要求不尽相同等，这些问题给水泵类设备能效检测结果的置信度提出了挑战。国内外学者在重点用能设备能效管理、水泵类设备能效评估以及重点用能设备能效检测不确定度评定方面开展了研究。参考文献 4 分析了上海市百家企业的电机系统重点用能设备(电机、空压机、泵、制冷空调)的能效水平，并针对重点用能设备能效提升面临的挑战提出了合理建议；参考文献5 基于层次分析法原理建立了电机系统能效评估指标体系，并对 20 家典型工业企业进行了电机系统能效评估；参考文献 6 详细阐述了能效管理的基本原则和系统方法，对用户端系统及智能电器能效标准的发展提出了思考和建议；参考文献 7 将水泵机组分为电动机、联轴器、水泵 3 个部分，并对各部分的工作原理和能耗进行了剖析；参考文献 8在 JJF 16082016中小型三相异步电动机能源效率计量检测规则9的理论基础上，进一步将电机效率测量不确定度与效率容差进行了比较分析；参考文献 10 对干式配电变压器绕组温升试验的不确定度进行了分析；参考文献 11 提出了不确定度分析原理在锅炉热效率测算中的应用方法；参考文献 12 对风机关键性能指标的测试结果进行了不确定度分析。虽然已有学者开展了一些水泵类设备能效检测及不确定度的基础性研究工作，但是针对数学模型深化分析、不确定度评定以及关键影响因素研究方面涉及较少，因此，本文重点围绕水泵能效检测数学模型的量化分析、不确定度的传播率分析、设备因素的影响规律分析 3 个方面开展水泵能效检测的不确定度评定研究工作。本文以某型热水供热侧水泵为不确定度评定研究对象，依托江苏省能源计量中心(电力)水泵能效检测平台，依据 JJF 1059.12012测量不确定度评定与表示13与 GB/T 166662012泵类及液体输送系统节能监测14的测量方法，分别建立了电机运行效率、水泵运行效率以及水泵机组吨 百米耗电量的模型，并按照 A 类不确定度、B 类不确定度以及合成不确定度 3 个评定分析步骤，对水泵关键性能指标的测试结果进行不确定度分析工作。1 不确定度评定方法测量不确定度作为测量结果的重要组成部分，用于表征被测量值的分散性，对测量结果的可信性、可比性和可接受性都有重要影响，是评价测量活动质量的重要指标。国家计量技术规范 JJF 10012011通用计量术语及定义15对测量不确定度定义为，赋予表征被测量值分散性的非负参数。测量结果完整表征应体现测量不确定度。JJF 1059.12012 测量不确定度评定与表示13定义 GUM 法：在规定试验条件下获得的测量值，通过统计分析方法进行的不确定度分量评定称为测量不确定度的 A 类评定，用uA表示；用非测量不确定度 A 类评定方法对测量不确定度分类进行的评定称为测量不确定度的 B 类评定，用uB表示，其用权威机构发布的量值或经检定的测量仪器的准确度等级等信息来估计；对于一个测量模型，由其各输入量的标准测量不确定度获得的输出量的标准测量不确定度，称为合成标准测量不确定度，用uC表示。合成标准测量不确定度uC乘以包含因子k，得到扩展不确定度U。大多数情况下，取k=2，表明正态分布情况下该扩展不确定度的置信概率约为 95%。测量不确定度评定分析过程如图 1 所示。本文基于上述不确定度评定分析方法，开展水泵能效不确定度评定工作。图1 测量不确定度评定分析过程开始建立数学模型，确定能效判定值与输入量的关系根据数学模型计算得到能效判定值的合成不确定度在相同条件下进行多次试验，获得A类不确定度根据测量仪器设备的准确度等级或最大允许误差，获得B类不确定度列出测量不确定度来源开展不确定度评价及分析评定扩展不确定度水泵机组能效检测的不确定度研究53 电工电气电工电气 (2023 No.2)2 水泵能效的数学模型2.1 水泵能效的数学模型水泵机组由驱动电机、联轴器、水泵等装置组成，如图 2 所示。GB/T 166662012泵类及液体输送系统节能监测14指出，水泵能效由电机运行效率、水泵运行效率、水泵机组吨百米耗电量3 个参量作为判定依据，因此建立 3 个参量的数学模型。2.1.1 电机运行效率电机运行效率的计算如下：式中：e为电机额定效率，%；为电机电流负载率，%。计算公式如下：式中：I为电机运行电流，A，可由电能质量测试仪直接测得；Ie为电机额定电流，A。2.1.2 水泵运行效率水泵运行效率的计算如下14：式中：为液体密度，kg/m3；g为重力常数，m/s2；Q为水泵流量，m3/h；H为水泵扬程，m；Nb为泵轴功率(泵输入功率)，kW。式(3)中，水泵流量Q的计算如下：Q=900 D20v0 (4)式中：v0为管道内液体平均流速，m/s，可由超声波流量计直接测得；D0为管道内径，m，由管道周长L0和管道壁厚0计算得到，如式(5)所示，管道周长和管道壁厚分别由钢卷尺和超声波测厚仪直接测得。式(3)中，水泵扬程H的计算如下14：式中：z1和z2分别为泵进、出口测压点到泵水平中心线的垂直距离，m，由钢卷尺测量得到；v1和v2分别为泵进、出口液体平均流速，m/s，同样由超声波流量计测得；p为泵静压差，m。式(6)中，泵静压差p的计算公式如下14：式中：p1和p2分别为泵进、出口压力，Pa，由压力变送器测量得到。式(3)中，泵轴功率Nb的计算如下14：Nb=N1dc (8)式中：N1为电动机输入功率，kW，由电能质量测试仪直接测得；c为传动效率，%，查 GB/T 166662012泵类及液体输送系统节能监测14附录 A可以得到。2.1.3 水泵机组吨百米耗电量水泵机组吨百米耗电量计算如下14：式中，为系统总效率，计算如下14：=bdgc (10)式中：g为输送效率，%。式(10)中，输