挖泥船泥沙輸送系統(tǒng)的參數(shù)匹配問題

李銘志，何炎平，諸葛瑋，黃超

（1.上海交通大學(xué)，海洋工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200240；2.中港疏浚有限公司，上海 200120）

從19世紀(jì)第一批配離心泵的吸泥船誕生以來，這種可以不間斷工作的泥沙輸送方式以其高效、經(jīng)濟(jì)和節(jié)能的特點(diǎn)得到了大力推廣，到50年代后期，泥沙管道輸送已經(jīng)占據(jù)了疏浚工程的大部分市場(chǎng)。但是，嚴(yán)格的說，無論是高效還是經(jīng)濟(jì)，都要建立在科學(xué)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和恰當(dāng)?shù)牟倏鼗A(chǔ)之上。

泥沙管道輸送系統(tǒng)是非常龐大繁雜的系統(tǒng)，包含諸多機(jī)械設(shè)備，涉及數(shù)個(gè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域。這個(gè)系統(tǒng)不單因?yàn)榉稀澳就袄碚摗睍?huì)因受到某個(gè)因素的限制而大大降低其經(jīng)濟(jì)性，而且其各個(gè)參數(shù)都因輸送介質(zhì)（尤其指顆粒粒徑和輸送濃度）的變化而變化，即其經(jīng)濟(jì)性隨輸送介質(zhì)的變化而波動(dòng)。

因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就要考慮在典型工況或者最常用工況下的參數(shù)匹配，并兼顧其它工作范圍，在施工操作階段要根據(jù)施工環(huán)境恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到最大產(chǎn)量或者最高效率。要實(shí)現(xiàn)這些要求，不僅要了解不同施工條件對(duì)各主要設(shè)備及其運(yùn)行參數(shù)的要求，還必須熟知各參數(shù)之間的約束關(guān)系。

以下將詳細(xì)的介紹泥沙管道輸送系統(tǒng)的主要設(shè)備及其關(guān)鍵參數(shù)，分析各參數(shù)之間的最佳匹配方案。

1 關(guān)鍵設(shè)備及其性能參數(shù)

1.1 泥泵

泥泵是泥沙管道輸送系統(tǒng)最核心的設(shè)備，是整個(gè)系統(tǒng)水動(dòng)力的直接提供者。泥泵的主要性能參數(shù)包括揚(yáng)程、效率、轉(zhuǎn)速和功率等，各參數(shù)都和輸送泥漿參數(shù)緊密相關(guān)，不同的濃度，不同的顆粒級(jí)配都影響泥泵的排壓和效率。另外，吸入泵的設(shè)計(jì)中還需保證凈正吸入揚(yáng)程。圖1為一典型泥泵的無量綱清水特性曲線。

圖1 典型泥泵特性曲線Fig.1 The characteristic curve of centrifugalpum p

用該泵輸送顆粒中值粒徑d50=0.3mm，顆粒密度ρs=2 650 kg/m3的中砂，輸送漿體體積濃度C=0.2，取液體運(yùn)動(dòng)黏度v=1.146×10-6m2/s，液體密度ρ=1 025 kg/m3，在轉(zhuǎn)速n=340 r/min，n=320 r/min和n=300 r/min三種狀態(tài)下的特性曲線如圖2。

圖2 泥泵輸送中砂特性曲線Fig.2 The characteristic curveof themedium grained sand in centrifugalpum p transportation

從圖2可以看出，在特定的工況（顆粒、濃度）下，不同的轉(zhuǎn)速都對(duì)應(yīng)一個(gè)效率最高點(diǎn)（ Best efficiency point，簡(jiǎn)稱 BEP）。

1.2 驅(qū)動(dòng)設(shè)備

1）柴油機(jī)：柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)因?yàn)椴恍枰芰哭D(zhuǎn)換中間環(huán)節(jié)而具有很高的經(jīng)濟(jì)性，是挖泥船艙內(nèi)泵驅(qū)動(dòng)的主要方式。

柴油機(jī)的主要性能參數(shù)包括額定功率（有效功率）、機(jī)械效率、額定轉(zhuǎn)速、燃油消耗率、滑油消耗率等，參數(shù)匹配主要考慮前三者與被驅(qū)動(dòng)設(shè)備之間的匹配。另外，恒轉(zhuǎn)矩工作范圍也是系統(tǒng)關(guān)心的主要參數(shù)。柴油機(jī)的典型負(fù)載特性曲線如圖 3 所示[1]。

圖3 柴油機(jī)特性曲線Fig.3 The characteristic curve of dieselengine

線AC是調(diào)試特性曲線，在該階段運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)受調(diào)速器控制，限制其轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速附近，做發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備時(shí)一般運(yùn)行在該區(qū)域。

線AB是全負(fù)荷特性曲線，一般而言，轉(zhuǎn)矩高于額定轉(zhuǎn)矩。

線AE是等轉(zhuǎn)矩限制曲線，也是作為泥泵驅(qū)動(dòng)時(shí)的理想工作曲線。

線BD是等排煙溫度限制曲線，在該曲線附近，由于燃燒不完全，柴油機(jī)開始冒黑煙。

ABDFH區(qū)域是柴油機(jī)的持續(xù)運(yùn)行范圍，額定點(diǎn)A點(diǎn)附近是具有恒扭矩特性的泥泵驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域。

2）變頻電機(jī)：隨著電力電子技術(shù)，尤其是高功率晶閘管的開發(fā)利用，變頻驅(qū)動(dòng)方式在疏浚業(yè)乃至船舶業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用，尤其是水下泥泵的驅(qū)動(dòng)。變頻驅(qū)動(dòng)特性曲線如圖4。

AB線是恒功率曲線，作泥泵驅(qū)動(dòng)時(shí)，一般保持在額定轉(zhuǎn)速120%范圍內(nèi)。

AF線是額定轉(zhuǎn)矩曲線，可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的10%～100%。

ACEF是電機(jī)的持續(xù)運(yùn)行范圍，ABDC區(qū)域作為長(zhǎng)排距時(shí)的工作區(qū)域。

圖4 變頻電機(jī)特性曲線Fig.4 The characteristic curveofvariable frequencymotor

從工作范圍可以明顯看出變頻驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。另外，其低速啟動(dòng)相對(duì)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)減少了汽蝕、水擊對(duì)泥泵的傷害和不完全燃燒對(duì)柴油機(jī)的損壞。當(dāng)然，變頻驅(qū)動(dòng)在增加了設(shè)備的同時(shí)也增加了復(fù)雜電路造成的損耗，其經(jīng)濟(jì)性要根據(jù)實(shí)際情況加以評(píng)估。

1.3 管路

管路參數(shù)包括管長(zhǎng)L、管徑D和粗糙度k，不同的管徑、管長(zhǎng)或粗糙度都對(duì)應(yīng)不同的阻力特性。由于粗糙度k隨輸送漿體的不斷磨擦?xí)邢鄳?yīng)的變化，而且相對(duì)于前兩者對(duì)阻力的影響是小量，因此在特性匹配中主要關(guān)注前兩者。圖5為不同管徑和不同管長(zhǎng)在輸送前文所述泥漿時(shí)的阻力特性。

圖5 阻力特性曲線Fig.5 The resistance characteristic curve

2 各設(shè)備性能參數(shù)匹配

2.1 泥泵與管路參數(shù)的匹配

泥泵和管路匹配的理想狀態(tài)是：①泥泵在典型工況（設(shè)計(jì)工況）工作點(diǎn)的效率最高；②管路阻力在典型工況工作點(diǎn)附近為最小。

1）泥泵和管路匹配的約束條件

①泥泵的有效汽蝕余量NPSHA要大于其汽蝕余量NPSHR，否則，泵易被汽蝕。NPSHR由泵本身的設(shè)計(jì)決定，NPSHA由式（1）計(jì)算[2]。

式中：a為泵安裝高度；α，ξ分別為管道吸口和其它局部損失系數(shù)；Vz為吸口段管道流速；Lz為吸口段管道長(zhǎng)；w100為吸口段管道每100 m水頭損失；z為吸口深（挖深）；P0為大氣壓強(qiáng)；Pair為水氣化壓強(qiáng)；Sm為泥漿比重。

②工作點(diǎn)流量Qopt要大于臨界流速對(duì)應(yīng)的流量Qmin，設(shè)計(jì)中一般取5%到10%不等的安全余量，否則易形成堵管。Qmin可按式（2）計(jì)算[3-4]。

根據(jù)以上條件，在泥泵匹配時(shí)，效率最高點(diǎn)選擇在典型工況工作點(diǎn)附近，理想功率（未計(jì)入泥泵效率）可以用式（3）計(jì)算。

式中：Hopt為典型工況工作點(diǎn)的揚(yáng)程；ρm為泥漿密度。

2）泥泵和管路匹配設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

①產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)性保證：產(chǎn)量的保證在于管徑的選擇，經(jīng)濟(jì)性保證主要靠控制泥漿的濃度，一般隨泥漿濃度的上升，每度電產(chǎn)量隨之增大，直到其最大值，即為經(jīng)濟(jì)濃度。同時(shí)，泥漿濃度的上升會(huì)導(dǎo)致管阻的上升，如果泥泵受到驅(qū)動(dòng)端額定功率的限制，工作點(diǎn)流量可能會(huì)因此減小，這時(shí)必須考慮工作點(diǎn)流量相對(duì)于臨界流速的安全余量。如果設(shè)計(jì)工作點(diǎn)Qopt在經(jīng)濟(jì)濃度附近，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最好。

②吸入泵汽蝕和吸口段堵管的矛盾：這種矛盾通常出現(xiàn)在不配水下泥泵的耙吸挖泥船和絞吸挖泥船的設(shè)計(jì)和施工中。為了通過降低吸入段管阻以防止汽蝕發(fā)生，一般選取管徑比排出段管徑略大的管道作為吸入段管以降低流速，減小管阻。但大管徑同時(shí)提高了臨界流速，如果流速低于臨界流速又會(huì)堵管。IHC建議800 mm及以下管增加50 mm做吸入段管；800 mm以上管增加100 mm做吸入段管[2]。

③泥漿參數(shù)的波動(dòng)和泥泵的穩(wěn)定運(yùn)行：泥漿管道輸送，尤其是挖泥作業(yè)過程中，泥漿的顆粒大小和體積濃度都不是恒定不變的，而且，這些波動(dòng)對(duì)管阻的影響非常明顯，因此設(shè)計(jì)工作點(diǎn)最好在泥泵的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。因?yàn)楹戕D(zhuǎn)矩區(qū)管阻的波動(dòng)引起的流量變化要比調(diào)速區(qū)（恒轉(zhuǎn)速）小得多。圖6為某系統(tǒng)不同體積濃度時(shí)的特性曲線。

圖6 不同濃度漿體的特性曲線Fig.6 The characteristic curve of the slurry w ith different concentration

圖6 所示系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)濃度是0.4（泥沙疏松堆積密度2 000 kg/m3、漿體比重1.4），在此工況下系統(tǒng)工作點(diǎn)流量Qopt大約在臨界流速?zèng)Q定的最小流速Q(mào)min的120%和汽蝕限制的最大流速Q(mào)max的80%處，在滿負(fù)荷點(diǎn)流量的105%附近，無論是安全性、經(jīng)濟(jì)性還是穩(wěn)定性都非常好。

2.2 驅(qū)動(dòng)裝置與泥泵的匹配

驅(qū)動(dòng)裝置與泥泵的匹配主要考慮功率、轉(zhuǎn)速、效率和工作區(qū)間等參數(shù)的匹配。

1）功率匹配：對(duì)于耙吸挖泥船，一般都采用一拖三（泥泵、推進(jìn)器、發(fā)電機(jī)）的形式，功率匹配根據(jù)各種不同工況三者各自的使用系數(shù)來確定。對(duì)于絞吸挖泥船，在驅(qū)動(dòng)裝置與泥泵功率匹配設(shè)計(jì)中，目前有兩種傾向，一種是考慮柴油機(jī)老化造成的功率降低和疏浚作業(yè)時(shí)負(fù)荷的波動(dòng)，采取犧牲經(jīng)濟(jì)性保留部分功率儲(chǔ)備的做法[5]，另一種是具有恒轉(zhuǎn)矩功能柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)泥泵時(shí)，其額定功率和泥泵額定功率之間僅相差傳動(dòng)效率對(duì)應(yīng)的損耗，因此并不需要為柴油機(jī)保留儲(chǔ)備功率，在機(jī)器老舊后根據(jù)實(shí)際情況采取縮短排距、修整泥泵葉輪或者在管路加設(shè)移動(dòng)泵站等措施提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。本文推薦后者，雖然需要中途維護(hù)，但是其經(jīng)濟(jì)性一般會(huì)比前者好很多。

2）轉(zhuǎn)速：驅(qū)動(dòng)裝置的額定轉(zhuǎn)速一般都比泥泵轉(zhuǎn)速大很多，目前都采用加設(shè)變速箱的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)泥泵系統(tǒng)中，為了盡可能提高系統(tǒng)使用效率和工作范圍，變速箱可采用雙變速比。

第一變速比i1等于柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速nDN與泥泵額定轉(zhuǎn)速nPN之比，即：

第二變速比的設(shè)定需根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力分配和工況設(shè)置確定。例如，耙吸挖泥船的泥泵低速運(yùn)行主要是針對(duì)挖泥工作時(shí)，此時(shí)輸送系統(tǒng)的水頭損失相對(duì)較小，同時(shí)作業(yè)需要螺旋槳的推動(dòng)和發(fā)電機(jī)為輔助設(shè)備供電，因此一個(gè)驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)同時(shí)帶發(fā)電機(jī)、螺旋槳和泥泵，而當(dāng)艏吹時(shí)，一般不需要螺旋槳工作，因此柴油機(jī)功率富裕，而且往往排距較遠(yuǎn)，水頭損失相對(duì)較大，則用高速或者高低速串聯(lián)運(yùn)行。而對(duì)于絞吸式挖泥船的高速狀態(tài)，則主要是應(yīng)對(duì)低速運(yùn)行的泥泵已經(jīng)無法滿足穩(wěn)定輸送要求的狀況，即長(zhǎng)排距的工況。下面以這兩種疏浚船為例說明第二變速比i2的設(shè)定方法。

①絞吸挖泥船：主要考慮長(zhǎng)排距典型工況下的臨界流速限制（一般長(zhǎng)排距工況的設(shè)置都只是輸送細(xì)顆粒泥沙，臨界流速較?。?、泥泵凈正吸入揚(yáng)程限制（配水下泵的絞吸船一般都不存在這個(gè)問題）和考慮柴油機(jī)運(yùn)行效率，一般選驅(qū)動(dòng)低速泥泵的柴油機(jī)功率富裕20%時(shí)切換為高速（該點(diǎn)也是大多數(shù)具有恒轉(zhuǎn)矩特性柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)泥泵高速恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行的冒煙點(diǎn)），運(yùn)行曲線如圖7。

對(duì)應(yīng)第二變速比i2為：

②耙吸挖泥船：主要考慮功率分配，即典型工況泥泵的功率限制，尤其是在挖泥工作中，同時(shí)兼顧高低速運(yùn)行時(shí)泥泵的效率及高低速搭配運(yùn)行時(shí)的覆蓋范圍。實(shí)際施工中，由于艏吹施工時(shí)螺旋槳不工作而柴油機(jī)功率保持富裕，因此第二變速比i2的選取相對(duì)不受第一變速比i1的影響，轉(zhuǎn)速相差可以達(dá)到40%以上。

3）工作區(qū)間及其效率：柴油機(jī)的效率在全負(fù)荷點(diǎn)能發(fā)揮其全部能力，但因?qū)嶋H工作時(shí)存在負(fù)荷波動(dòng)，一般運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)間比較合適，此時(shí)系統(tǒng)將運(yùn)行在高效狀態(tài)。另外，在長(zhǎng)排距時(shí)需要提高泥泵的轉(zhuǎn)速。

2.3 多級(jí)泥泵之間性能的匹配

現(xiàn)代大型挖泥船為了能提高使用范圍，都具備多個(gè)泥泵串聯(lián)運(yùn)行的功能。比較典型的大型絞吸挖泥船配備1個(gè)水下泥泵和2個(gè)艙內(nèi)泥泵。根據(jù)工程所需排距、土質(zhì)等因素選擇多泵搭配運(yùn)行。由于要配合運(yùn)行，各泵必須在性能上互相匹配，達(dá)到高效、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)。主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：

1）系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求各泵在典型工況工作時(shí)都運(yùn)行于效率最高區(qū)域。

2）系統(tǒng)穩(wěn)定性要求各泵在典型工況的工作點(diǎn)都位于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域。

為了滿足以上兩點(diǎn)的要求，趨勢(shì)是船舶配置的泥泵采用同一系列的泥泵（無量綱曲線為同一曲線）。另外，為了使系統(tǒng)能夠在整個(gè)工作區(qū)間高效穩(wěn)定工作，其高低速泵（例如艙內(nèi)泵和水下泵）最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速和最大驅(qū)動(dòng)功率需滿足式（6）。

式中：PNd為高速泵最大驅(qū)動(dòng)功率；PNw為低速泵最大驅(qū)動(dòng)功率；nNd為高速泵最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速；nNw為低速泵最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

圖8顯示了典型兩臺(tái)泵高低速性能曲線和搭配運(yùn)行情況。

圖8 2臺(tái)泥泵高低速搭配運(yùn)行水頭曲線Fig.8 Thewater head curve in the operation of high and low centrifugalpumps

從圖8可以看出，采用雙速變速箱的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以覆蓋更廣的工作范圍，大大提高挖泥船的適應(yīng)能力。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)之初對(duì)典型工況下各重要設(shè)備參數(shù)的匹配方案決定泥沙管道輸送系統(tǒng)的運(yùn)行效率，合理匹配各設(shè)備的參數(shù)，能大大提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)運(yùn)行工況在典型工況附近波動(dòng)時(shí)，通過調(diào)整輸送濃度，可以達(dá)到較高的經(jīng)濟(jì)性。

在工況條件大幅度偏離典型工況或者設(shè)備老舊導(dǎo)致其運(yùn)行情況嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)等非正常情況下，應(yīng)該通過縮短排距、修整泥泵葉輪或者在管路加設(shè)移動(dòng)泵站等措施重新調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，使其達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效。

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