什么是泵的水力功率与轴功率：效率核算与能耗测算方法

上海蓝海泵业制造有限公司在节能改造前期评估中接触较多的一类问题，是把电机铭牌功率当作实际耗电，导致节能量测算失真。泵的能量传递链条上有水力功率、轴功率与配用功率三个不同口径，三者之间由效率与余量系数连接，混用会直接放大测算误差。GB 19762—2025《离心泵能效限定值及能效等级》将于 2026 年 3 月 1 日实施，能效限定值为强制性指标，其评定同样以泵效率为核心参数。

一、三个功率口径的定义与相互关系

1. 水力功率（有效功率）

水力功率是指单位时间内泵传递给通过泵体的液体并使其获得的那部分能量，工程上也称有效功率，记作 Pu。它只取决于流量、扬程与介质密度，与泵本身做得好不好无关。换言之，两台效率不同的泵在相同流量、相同扬程、相同介质下输送液体，它们的水力功率完全相同，差别体现在需要消耗多少轴功率上。

理解这一点有助于厘清节能的落点：水力功率由工艺需求决定，不能通过换泵降低；能够降低的是轴功率与输入功率，途径是提高泵效率、削减不必要的扬程与流量，以及改变运行方式。因此节能方案的评估口径应当是输入功率，而不是水力功率。

2. 轴功率

轴功率是原动机传到泵轴上的功率，记作 Pa。它等于水力功率除以泵的总效率，即 Pa = Pu / η。轴功率与水力功率之差是泵内部各类损失之和，包括叶轮与蜗壳内的水力损失、通过密封环与平衡装置的容积泄漏损失，以及轴承、轴封与叶轮圆盘摩擦带来的机械损失。

轴功率是选配电机、核算传动部件与判断泵是否超载的直接依据。工程上读到的性能曲线上那条功率曲线，标的就是轴功率，其取值随流量变化，通常在关死点附近较低，随流量增大而上升。选电机时应按性能曲线上轴功率的上限值配，而不是按额定点轴功率直接配。

3. 配用功率与电机输出

配用功率通常指与泵配套的原动机（多为三相异步电动机）的额定输出功率，也就是电机铭牌上的功率值。它是电机在额定条件下轴上可以输出的机械功率，不是电机从电网吸收的电功率。配用功率相对轴功率需要留一定余量，用来覆盖工况波动、介质密度变化、电压偏差与起动过程。

三个口径的传递关系可以写成一条链：工艺需求决定 Pu，泵效率决定 Pa，余量系数决定配用功率，电机效率与功率因数决定输入电功率。能耗测算必须顺着这条链一直推到电网侧，停在链条中间任何一环都会低估实际耗电。

• 水力功率 Pu 只由流量、扬程与介质密度决定，与泵效率无关。
• 轴功率 Pa = Pu / η，是选配电机与判断超载的直接依据。
• 配用功率指电机额定输出机械功率，不是电机从电网吸收的电功率。
• 三个口径由泵效率、余量系数与电机效率依次连接，缺一环则测算失真。
• 节能评估的落点是电网侧输入功率，而不是水力功率。

二、水力功率的计算与单位换算

1. 公式与量纲

水力功率的基本算式为 Pu = ρ * g * Q * H。使用国际单位制时，ρ 取 kg/m3，g 取 m/s2（通常取 9.81），Q 取 m3/s，H 取 m，计算结果的单位为 W。工程上常用的简化写法是 Pu(kW) = ρ * g * Q * H / 1000，把瓦换算为千瓦。

现场最容易出错的环节是流量单位。性能曲线与铭牌上的流量通常标注为 m3/h，代入公式前必须先除以 3600 换算为 m3/s，漏掉这一步会使结果放大 3600 倍。扬程的单位是 m，指单位重量液体获得的能量，进出口压力差换算为扬程时应除以 ρ * g，同时计入压力表表位高差与进出口管径差异带来的速度头修正。

2. 用工程常数简化

以清水为介质、密度取 1000 kg/m3 时，可把 ρ * g / 1000 合并为一个常数：1000 * 9.81 / 1000 = 9.81。于是算式简化为 Pu(kW) = 9.81 * Q(m3/s) * H(m)。若流量仍用 m3/h，则进一步简化为 Pu(kW) 约等于 Q(m3/h) * H(m) / 367，因为 9.81 / 3.6 约等于 2.725，而 1 / 2.725 约等于 0.367。

用这个简化式可以快速复核现场数据：一台流量 100 m3/h、扬程 32 m 的清水泵，水力功率约 100 * 32 / 367 约等于 8.72 kW，与按基本式计算的结果一致。该简化式只适用于密度接近 1000 kg/m3 的清水类介质，介质密度明显不同时必须回到基本式。

3. 介质密度差异的处理

密度在公式中是一次方关系，因此介质密度每变化 10%，同等流量扬程下的水力功率也变化 10%。输送密度 1200 kg/m3 的盐水时，同一台泵在相同流量扬程下的水力功率约为清水工况的 1.2 倍；输送高温热水时，因密度随温度上升而下降，水力功率相应低于常温清水工况的取值。

需要注意的是，密度只影响功率，不影响扬程。泵给出的扬程是单位重量液体的能量增量，与密度无关，因此同一台泵输送不同密度介质时 Q-H 曲线基本不变，变化的是功率曲线与所需的配用功率。这一条常被误读为"重介质扬程会下降"，实际下降的是压力表读数。

• 基本式为 Pu = ρ * g * Q * H，Q 必须用 m3/s，结果单位为 W。
• 流量由 m3/h 换算为 m3/s 需除以 3600，这是现场常见的差错点。
• 清水工况可简化为 Pu(kW) 约等于 Q(m3/h) * H(m) / 367。
• 密度与功率成一次方关系，密度变化 10% 时水力功率同步变化 10%。
• 介质密度不影响扬程，只影响功率与压力表读数。

三、总效率的三个组成部分

1. 水力效率

水力效率 ηh 反映液体在叶轮、导叶与蜗壳内流动时的能量损失，包括沿程摩擦损失、局部损失，以及非设计工况下的冲击与脱流损失。它是三项效率中数值波动范围较宽的一项，也是泵效率随工况变化的主要来源。设计工况下液流方向与叶片进口安放角一致，冲击损失小，水力效率处于峰值附近；偏离设计流量后，进口冲角改变，冲击与旋涡损失上升。

叶片表面粗糙度、流道铸造质量与口环间隙状态都会影响水力效率。长期运行后叶轮流道结垢或磨损，水力效率下降，表现为同样阀门开度下流量下降、电耗上升。这是运行阶段效率衰减的主要机理之一，也是定期检修能够恢复部分能效的原因。

2. 容积效率

容积效率 ηv 反映泵内部泄漏造成的高压区液体回流损失。叶轮出口的高压液体会通过密封环间隙、平衡孔、级间衬套与轴封处漏回低压区，这部分液体虽然在泵内循环并获得能量，却没有被输送出去，形成容积损失。

若理论流量为 Q + q，实际输出流量为 Q，则 ηv = Q / (Q + q)。密封环间隙因磨损而扩大时，泄漏量 q 上升，容积效率下降，表现为流量下降、轴功率下降不明显但单位电耗上升。容积效率随泵的大小而异，小型泵的间隙损失占比通常高于大型泵。

3. 机械效率

机械效率 ηm 反映轴承摩擦、轴封摩擦与叶轮圆盘摩擦这三类机械损失。其中叶轮圆盘摩擦损失指叶轮外侧盖板与泵体内液体之间的摩擦造成的功率消耗，它与叶轮外径的高次方及转速的三次方相关，在比转速较低的泵中占比相对突出。

三类效率相乘得到泵的总效率：η = ηh * ηv * ηm。用一组说明性数值演示：取 ηh = 0.88、ηv = 0.96、ηm = 0.92，则总效率约 0.777，即约 78%。这说明即使每一项单独看都不低，乘积之后的总效率仍然只有接近八成，其余两成以上在泵内部转化为损失并最终变为热量。

• 总效率等于水力效率、容积效率与机械效率三项的乘积。
• 水力效率是随工况波动较明显的一项，偏离设计流量后冲击损失上升。
• 容积效率反映密封环与平衡装置的泄漏，间隙磨损后效率下降。
• 机械损失包括轴承、轴封摩擦与叶轮圆盘摩擦三类。
• 三项效率各接近九成时，乘积后的总效率仍只有接近八成。

四、计算示例：100 m3/h、32 m、效率 72% 的清水泵

1. 轴功率的计算

下面用一组说明性数据演示完整核算过程，具体工程应代入厂家性能曲线与实测工况。设一台单级清水泵运行于 Q = 100 m3/h、H = 32 m，介质为常温清水，密度取 1000 kg/m3，该工况点泵效率 η = 72%。先把流量换算为 100 / 3600 约等于 0.02778 m3/s。

水力功率 Pu = 1000 * 9.81 * 0.02778 * 32 / 1000 约等于 8.72 kW。轴功率 Pa = Pu / η = 8.72 / 0.72 约等于 12.11 kW。用简化式复核：100 * 32 / 367 约等于 8.72 kW，结果一致，说明单位换算没有出错。这一步的复核在手工计算时值得保留，能拦截绝大多数量纲错误。

2. 配用功率的选择

配用功率相对轴功率需要留余量，工程上通常按 10% 至 20% 掌握，轴功率较小时取偏大值。按 12.11 kW 计算，取 1.1 倍为 13.3 kW，取 1.2 倍为 14.5 kW，向上取标准电机功率等级，选 15 kW。此时 15 kW 电机在 12.11 kW 轴功率下的负载率约 80.7%，处于电机效率较高的区间。

若该泵改为输送密度 1200 kg/m3 的盐水，水力功率约升至 8.72 * 1.2 约等于 10.46 kW，效率仍按 0.72 计则轴功率约 14.5 kW，负载率升至约 96.7%。可见介质密度变化会直接改变配用功率的校核结论，选型阶段只按清水核算而不留密度裕量，是现场电机过载的常见来源。

3. 年耗电量测算

能耗测算必须落到电机输入功率口径。设配套电机效率为 91%，则输入功率 Pin = 12.11 / 0.91 约等于 13.31 kW。按年运行 8000 h 计，年耗电量约 13.31 * 8000 约等于 106480 kWh，即约 10.6 万 kWh；若按全年连续运行 8760 h 计，则约 11.7 万 kWh。

同一台泵若通过更换高效叶轮把该工况点效率由 72% 提到 80%，轴功率降至 8.72 / 0.80 约等于 10.9 kW，输入功率约 11.98 kW，年耗电量约 95840 kWh，年节电约 10640 kWh，节电率约 10%。该组数据仅用于演示测算口径，实际节能量应按实测工况与运行时间分布计算。

• 100 m3/h、32 m、效率 72% 的清水泵，水力功率约 8.72 kW、轴功率约 12.11 kW。
• 按 10% 至 20% 余量选配电机时，本例宜取 15 kW 标准功率等级。
• 介质密度改为 1200 kg/m3 时，同工况轴功率升至约 14.5 kW。
• 电机效率 91% 时输入功率约 13.31 kW，年运行 8000 h 耗电约 10.6 万 kWh。
• 效率由 72% 提到 80% 时，本例年节电约 10640 kWh，节电率约 10%。

五、电机侧：效率、功率因数与输入功率

1. 电机效率与输入功率

电机铭牌功率是轴输出的机械功率，电机从电网吸收的有功功率需要用效率折算：Pin = Pout / ηmotor。上例中轴功率 12.11 kW、电机效率 91% 时，输入有功功率约 13.31 kW。电机效率并非常数，它随负载率变化，通常在负载率 75% 至 **** 区间处于较高水平，负载率低于 50% 时效率明显下降。

这条特性对节能测算有直接影响：泵长期低负载运行时，电机效率的下降会抵消一部分变速节能收益。因此在做变频改造或台数控制的测算时，宜按实际负载率取电机效率，而不是统一取额定效率。变频运行时还应把变频器自身的效率计入，通常也在九成以上，低负载时同样会下降。

2. 功率因数的概念

功率因数是交流电路中用功功率与视在功率的比值，记作 cosφ。三相电路中视在功率 S = 1.732 * U * I，有功功率 P = 1.732 * U * I * cosφ，其中 U 为线电压、I 为线电流。功率因数反映的是电流中有多少比例在做功，它影响线路电流与供电容量占用，但不直接等于电机效率。

沿用上例做一次说明性核算：输入有功 13.31 kW，线电压 380 V，功率因数取 0.85，则线电流 I 约等于 13310 / (1.732 * 380 * 0.85) 约等于 23.8 A。这个数值可用于核对电缆截面与保护器件整定值。需要注意功率因数低会增加线路电流与损耗，但与电机是否费电是两个概念。

3. 余量系数与标准功率等级

配用功率的余量用于覆盖四类不确定性：工况与设计值的偏差、介质密度与粘度的偏差、电网电压与频率偏差，以及起动与短时过载。余量过大会造成电机长期低负载运行，效率与功率因数同时下降，形成"大马拉小车"；余量过小则在工况波动时过载跳闸，甚至烧毁绕组。

标准电机功率存在等级序列（如 11、15、18.5、22 kW 等），核算出的轴功率乘以余量系数后需向上取到相邻等级。选型时还应核对泵性能曲线上轴功率的上限值，对于功率曲线随流量上升的泵型，应按可能出现的上限流量对应的轴功率配电机，而不只按额定点配。

• 电机铭牌功率是轴输出机械功率，输入有功功率需除以电机效率得到。
• 电机效率随负载率变化，负载率低于 50% 时下降较为明显。
• 功率因数影响线路电流与容量占用，与电机效率不是同一概念。
• 三相电流可按 I = P / (1.732 * U * cosφ) 估算，用于核对电缆与保护器件。
• 配用功率应向上取标准等级，并按轴功率的上限值而非额定点配电机。

六、效率随工况变化的机理

1. 偏离额定点后损失的变化

泵的性能曲线上效率是一条先升后降的曲线，峰值出现在设计流量附近。流量小于设计值时，叶轮进口冲角改变产生冲击损失，蜗壳内的流动与叶轮出口的流动不再匹配，同时部分液体在叶轮内反复循环，圆盘摩擦损失在总功率中的占比上升，效率下降。

流量大于设计值时，流速上升使沿程与局部损失按平方关系增长，进口流速分布不均加剧，且必需汽蚀余量 NPSHr 随流量上升，抗汽蚀性能变差。两侧的下降并不对称，通常小流量侧的下降更为平缓，大流量侧的下降更为陡峭，这也是工程上多把工作点布置在峰值点略偏小流量一侧的原因之一。

2. 低效率运行的识别

识别低效率运行不一定要拆解设备，运行数据本身就能给出线索。一个直观指标是单位输送量电耗，即输入功率除以实际流量，单位为 kWh/m3。上例中 13.31 kW 除以 100 m3/h 得 0.133 kWh/m3，若同类型、同扬程的泵实测值明显偏高，就说明存在效率或选型问题。

其余线索包括：出口阀门长期小开度运行且阀门前后压差大，说明扬程配置偏高、能量消耗在节流上；泵体与轴承座温度偏高、噪声与振动偏大，提示内部损失上升或间隙异常；压力表读数远高于系统实际需求，提示扬程裕量过大；长期运行电流接近额定值但流量不足，提示内部泄漏或流道堵塞。

• 效率曲线在流量轴上先升后降，峰值出现在设计流量附近。
• 小流量侧冲击损失与圆盘摩擦占比上升，大流量侧沿程损失按平方增长。
• 单位输送量电耗 kWh/m3 是横向比较泵运行经济性的直观指标。
• 阀门小开度、泵体温度偏高、压力表读数过高都是低效率运行的线索。
• 运行电流接近额定而流量不足，通常指向内部泄漏或流道堵塞。

七、能耗测算口径与节能评估

1. 年耗电量的基本算法

年耗电量的基本算式是 E = Pin * T，其中 Pin 为电网侧输入有功功率（kW），T 为年运行小时数（h），结果单位为 kWh。输入功率应取实测值或按 Pa / ηmotor 折算，不能直接用配用功率代替。用配用功率乘以运行小时得到的数值，通常会明显高于实际耗电。

对于连续运行的装置，T 可取 8760 h 扣除计划检修时间；对于季节性或间歇运行的装置，应按实际启停记录统计。存在备用泵定期切换的系统，应把各台泵的实际运行时间分别统计，因为同型号的两台泵因管路阻力与阀门开度不同，实际工作点也可能不同。

2. 工况点分布的加权

泵很少全年固定在额定点运行，更常见的情形是在若干典型工况之间切换。此时应把年运行时间按工况分解，分别计算各工况的输入功率，再按时间加权求和：E = Σ (Pin,i * Ti)。只用额定点数据外推全年，会与实测电量出现明显偏差。

加权的要点是工况划分要与实际运行方式对应。变频系统应按典型频率段划分，台数控制系统应按运行台数与组合方式划分，季节性负荷应按月份划分。加权结果应与电费单据或电能表读数比对，偏差持续偏大说明工况划分或效率取值有误，应回到现场复测而不是直接修正系数。

• 年耗电量 E = Pin * T，输入功率应取实测值或按轴功率除以电机效率折算。
• 用配用功率代替输入功率会明显高估实际耗电。
• 多变工况应按典型工况分解并对运行时间加权求和。
• 变频、台数控制与季节性负荷三类系统的工况划分方式各不相同。
• 测算结果应与电能表读数比对，偏差持续偏大时应回现场复测。

八、与 GB 19762—2025 能效评定的关系

GB 19762—2025《离心泵能效限定值及能效等级》将于 2026 年 3 月 1 日实施，其中能效限定值为强制性指标，是产品进入市场的效率下限。该标准以泵效率为核心评价指标，按标准规定的工况点评定，评定口径与具体指标数值以正式发布的标准文本为准。

这一口径对采购与改造提出两个明确要求。采购环节应按标准规定的额定转速工况点核对泵效率与能效等级，提供的是额定点效率数据，而不是现场某个部分负荷点的实测效率。改造环节若要评估能效提升效果，应把改造前后的实测效率放在同一工况点、同一测试方法下比较，否则数值不可比。

截至 2026 年 10 月，企业在进行设备更新与能效台账建设时，通常需要同时提供三套数据：额定点效率用于合规核对，实测工况效率用于运行诊断，年耗电量用于经济性评估。三套数据口径不同、用途不同，混用是节能报告出现逻辑矛盾的主要原因。

• GB 19762—2025 于 2026 年 3 月 1 日实施，能效限定值为强制性指标。
• 能效限定值是产品进入市场的效率下限，评定以泵效率为核心指标。
• 采购时应按标准规定的额定转速工况点核对能效等级。
• 改造效果评估要求改造前后在同一工况点、同一测试方法下比较。
• 额定点效率、实测工况效率与年耗电量三套数据应分别标注口径。

九、常见误区

误区一，把电机铭牌功率当作实际耗电。铭牌功率是电机轴输出的机械功率，实际耗电要用轴功率除以电机效率得到输入有功功率。本例中 15 kW 电机在 12.11 kW 轴功率、电机效率 91% 时，输入功率约 13.31 kW，与 15 kW 相差约 11%，用铭牌值测算会系统性高估。

误区二，忽略介质密度差异。水力功率与密度成一次方关系，密度 1200 kg/m3 的介质在相同流量扬程下轴功率约为清水的 1.2 倍。只按清水核算配用功率，换介质后容易出现过载跳闸，这一点在化工与海水输送场合尤为常见。

误区三，按额定效率估算实际能耗。泵效率随工况变化，偏离设计流量后效率下降，电机效率也随负载率变化。按额定效率乘以全年运行小时得到的年耗电量通常偏低，与电能表读数的差值就是被忽略的效率衰减与工况偏离。

误区四，把水力功率当成可以优化的指标。水力功率由流量、扬程与密度决定，反映的是工艺需求本身，换泵不能改变它。真正能够优化的环节是削减不必要的扬程裕量与节流损失、提高泵与电机的效率、以及按负荷变化调节运行方式，落点都在轴功率与输入功率上。

• 铭牌功率是轴输出机械功率，实际耗电需按轴功率除以电机效率折算。
• 介质密度与轴功率成一次方关系，换介质必须重新校核配用功率。
• 按额定效率估算全年能耗会偏低，应计入工况偏离与负载率影响。
• 水力功率由工艺需求决定，节能应落在扬程裕量、效率与运行方式上。
• 节能报告应分别标注额定点效率、实测效率与年耗电量三套数据的口径。

十、常见问题

问：水力功率和轴功率有什么区别？

结论是水力功率是液体实际获得的功率，轴功率是电机传到泵轴上的功率，两者相差一个效率。依据是 Pa = Pu / η，其中 η 为泵总效率，差值部分转化为水力损失、容积泄漏与机械摩擦，最终以热量形式散失。

问：100 m3/h、32 m 扬程、效率 72% 的清水泵轴功率是多少？

结论是约 12.11 kW。依据是 Pu = ρ * g * Q * H，取 Q = 0.02778 m3/s、ρ = 1000 kg/m3、g = 9.81 m/s2，得水力功率约 8.72 kW，再除以效率 0.72 得轴功率约 12.11 kW。该组数据为说明性演算。

问：为什么用电机铭牌功率算出来的电耗偏高？

结论是铭牌功率表示电机轴输出的机械功率，不是电网侧输入功率，两者相差电机效率与负载率的影响。依据是输入有功功率 Pin = Pout / ηmotor，本例 12.11 kW 轴功率、电机效率 91% 时输入约 13.31 kW，而铭牌功率为 15 kW。

问：泵的总效率由哪几部分组成？

结论是总效率等于水力效率、容积效率与机械效率的乘积。依据是 η = ηh * ηv * ηm，分别对应叶轮蜗壳内的流动损失、密封环与平衡装置的泄漏损失，以及轴承、轴封与叶轮圆盘摩擦损失，三项各接近九成时总效率仍在八成上下。

问：年耗电量应该怎么测算才接近实际？

结论是按输入有功功率乘以年运行小时，并对典型工况加权求和。依据是 E = Σ (Pin,i * Ti)，输入功率应取实测值或按轴功率除以电机效率折算，工况划分应对应实际运行方式，测算结果需与电能表读数比对校验。