王 煒

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絞吸挖泥船吸揚(yáng)系統(tǒng)匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 煒

（長(zhǎng)江武漢航道工程局，武漢430014）

絞吸式挖泥船施工土質(zhì)條件復(fù)雜，挖泥船操作人員往往無(wú)法選擇正確的吸揚(yáng)系統(tǒng)施工參數(shù)與之匹配，導(dǎo)致能耗高，產(chǎn)量低等問(wèn)題。本文針對(duì)該問(wèn)題，建立泥泵管線(xiàn)輸送數(shù)學(xué)模型，提出了工況點(diǎn)自適應(yīng)調(diào)整邏輯算法，開(kāi)發(fā)了以土方量和比能耗為優(yōu)化目標(biāo)的最佳工況點(diǎn)尋優(yōu)軟件，可在對(duì)應(yīng)施工條件下，實(shí)現(xiàn)了泥泵管線(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)尋優(yōu)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

絞吸式挖泥船 工況點(diǎn)尋優(yōu) 節(jié)能 復(fù)雜土質(zhì) 吸揚(yáng)系統(tǒng)

0 引言

挖泥船最優(yōu)工況點(diǎn)的優(yōu)化一直是挖泥船疏浚系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，保證挖泥船吸揚(yáng)系統(tǒng)在最優(yōu)工況點(diǎn)下進(jìn)行施工，可顯著降低疏浚成本。僅就泥泵和泥管的輸送能力而言，在確定好泥泵型號(hào)和驅(qū)動(dòng)裝置功率后，如果能選取正確的施工參數(shù)，與施工現(xiàn)場(chǎng)的排泥管線(xiàn)進(jìn)行準(zhǔn)確的匹配，得到較優(yōu)工況點(diǎn)，可以顯著提升挖泥船的作業(yè)和生產(chǎn)能力[1]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)挖泥船工況點(diǎn)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了一系列研究，陳建國(guó)[2]等提出了一種挖泥船施工工況點(diǎn)的測(cè)試與選擇的方法,實(shí)質(zhì)上是以疏浚產(chǎn)量最大化為優(yōu)化目標(biāo),以管道、泥泵和柴油機(jī)特性為約束條件進(jìn)行的靜態(tài)多約束條件的優(yōu)化問(wèn)題。包元平[3]等對(duì)系統(tǒng)工況點(diǎn)對(duì)挖泥船泥漿管道輸送系統(tǒng)效率的影響進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究,給出了一些系統(tǒng)工況點(diǎn)優(yōu)選的指導(dǎo)原則。胡翼元和強(qiáng)耀明[4]等首次提出了利用計(jì)算機(jī)設(shè)算絞吸挖泥船施工工況點(diǎn)的方法,其實(shí)質(zhì)就是利用計(jì)算機(jī)求解一個(gè)多約束的靜態(tài)優(yōu)化問(wèn)題。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了吸揚(yáng)系統(tǒng)最優(yōu)工況點(diǎn)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)軟件，能動(dòng)態(tài)獲得最優(yōu)施工工況點(diǎn)，較好解決了絞吸挖泥船現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中最優(yōu)工況點(diǎn)難以及時(shí)計(jì)算的問(wèn)題。

1 工況點(diǎn)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

絞吸挖泥船吸揚(yáng)系統(tǒng)最優(yōu)工況點(diǎn)的優(yōu)化是通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)吸揚(yáng)過(guò)程中泥漿特性及阻力損失進(jìn)行分析，以土方量和比能耗為優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工最優(yōu)工況點(diǎn)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)。

1.1 優(yōu)化目標(biāo)

挖泥船泥漿管線(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化的目的通常分為產(chǎn)量?jī)?yōu)化和效率優(yōu)化，產(chǎn)量?jī)?yōu)化的目標(biāo)是系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)量最大化，即

而效率優(yōu)化的目標(biāo)就是在系統(tǒng)輸送總功率一定的條件下，盡可能減少系統(tǒng)的能量損耗，降低輸送過(guò)程中的比能耗，使系統(tǒng)效率達(dá)到最大化。

假設(shè)泥漿輸送管道總長(zhǎng)為米,則總長(zhǎng)米管道中泥沙的總質(zhì)量為

聯(lián)立得

1.2 泥泵模型

為了得到一個(gè)有效的模型，需要建立一個(gè)泥泵模型①以便根據(jù)泥泵中混合物的密度P來(lái)預(yù)測(cè)泥泵的排壓Δp。模型的公式原型如下所示：

公式中為了更好的通過(guò)管道內(nèi)混合物的密度來(lái)預(yù)測(cè)泥泵的排壓，引入了泥泵的磨損因子f、固體影響因子f，其中f因土壤類(lèi)型的不同而不同。ρ是水的密度。由水引起的排壓Δp是混合物流量Q[kg/m3]和泥泵轉(zhuǎn)速[rpm]的函數(shù)，可通過(guò)泥泵的特性曲線(xiàn)得出。固體因子f給出了混合物密度對(duì)壓頭影響的一種度量。固體因子值為0表示混合物密度對(duì)壓頭沒(méi)有影響，負(fù)值表示密度導(dǎo)致的壓頭低，而正值表示密度導(dǎo)致的壓頭高.

1.3 管路模型

給定性質(zhì)的流體的各種速度下的壓力差的曲線(xiàn)即為管路特性。為了通過(guò)管線(xiàn)輸送泥水混合物需要一定的壓力差。它需由泥泵提供，管路的壓力差有以下幾個(gè)因素：

——管路進(jìn)口與出口之間的高度差；

——加速泥漿需用的壓力；

——管路中的各種阻力，有管路本身的阻力、及整個(gè)管線(xiàn)長(zhǎng)度內(nèi)的彎頭、Y 型管、膠管、球接頭和其它部件的阻力。

不同土質(zhì)、濃度下的管線(xiàn)阻力計(jì)算，可以使用與泥泵模型的壓頭相類(lèi)似的方程式作為管線(xiàn)壓力損失Δpipe,m[Pa]的模型，也就是：

式中：pipe,solids[-]是一個(gè)給出了管道中的平均密度對(duì)壓力損失產(chǎn)生影響的因子，其影響方式類(lèi)似于泥泵模型中的pipe,solids因子；pipe[kg/m3]是管道內(nèi)的平均密度；Δhgeo[m]是管道內(nèi)的幾何高度差；[m/s2]是重力加速度。由水產(chǎn)生的壓力損失Δpipe,m[Pa]是管道長(zhǎng)度[m]、管道直徑[m]，管道摩擦系數(shù)λ [-]和混合物流速[m/s]的函數(shù)。

管道模型結(jié)構(gòu)根據(jù)Jufin-Lopatin的公式建立。文獻(xiàn)（Berg C. H. van den等人，1999年）指出Jufin-Lopatin公式對(duì)于管道內(nèi)的壓力損失做出了很好的預(yù)測(cè)。利用Jufin-Lopatin公式，可以將平均粒徑d[m]作為fpipe,solids的函數(shù)。

式中：crit[m/s]是臨界流速,ρ[kg/m3]是沙的密度。

根據(jù)泥泵和管線(xiàn)的特性曲線(xiàn)即可得出不同管線(xiàn)配置、泥泵配置、不同土質(zhì)、濃度下的工作點(diǎn)，并對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行調(diào)整選擇最佳生產(chǎn)效率下的配置和控制。

1.4 工況點(diǎn)的匹配

泥泵的工況點(diǎn)是由泥泵的壓頭與流量曲線(xiàn)與管路的Q~H 特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)決定。可以通過(guò)泥泵出廠(chǎng)時(shí)的原始泥泵特性計(jì)算出不同轉(zhuǎn)速下的泥泵特性和多臺(tái)泥泵串聯(lián)時(shí)的泥泵的清水特性曲線(xiàn)，管線(xiàn)的特性曲線(xiàn)可根據(jù)管路的沿程阻力公式得出。同時(shí)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家也都總結(jié)出了不同土質(zhì)的泥泵、管線(xiàn)特性曲線(xiàn)的計(jì)算公式，只需根據(jù)公式繪出曲線(xiàn)，即可找出對(duì)應(yīng)濃度下的工作點(diǎn)。

不同泥泵轉(zhuǎn)速下特性曲線(xiàn)的換算公式：

式中：：轉(zhuǎn)速；：流量；：揚(yáng)程；：功率。

2 工況點(diǎn)自適應(yīng)調(diào)整邏輯

2.1 流速調(diào)整

絞吸挖泥船排泥管輔助決策的目的是提高輸送效率，延長(zhǎng)排拒并預(yù)防堵管。當(dāng)管道瞬時(shí)流速高于最佳經(jīng)濟(jì)流速，管道阻力損失增加，需反饋至控制系統(tǒng)減少泥泵轉(zhuǎn)速，降低泥漿流速。當(dāng)管道瞬時(shí)流速低于最佳經(jīng)濟(jì)流速，需反饋至控制系統(tǒng)增加泥泵轉(zhuǎn)速，增加泥漿流速。

2.2 濃度調(diào)整

泥漿濃度參數(shù)是工況自適應(yīng)調(diào)關(guān)鍵參數(shù)，同理，根據(jù)管路阻力損失模型，匹配泥泵在不同濃度條件下的特性曲線(xiàn)，計(jì)算出最佳工況點(diǎn)，得出最佳輸送濃度范圍。當(dāng)泥漿濃度高于工況點(diǎn)范圍，泥漿臨界不淤流速過(guò)大，而泥泵的能力滿(mǎn)足不了管道輸送的要求時(shí)，往往容易發(fā)生管道淤堵事故，此時(shí)需要降低泥漿的濃度來(lái)滿(mǎn)足泥泵的工作需求。當(dāng)泥漿濃度較低時(shí)，挖泥船產(chǎn)量較低，而泥泵的工作能力有富余，此時(shí)需增加泥漿的濃度來(lái)滿(mǎn)足泥泵的工作需求。

流速和濃度的具體調(diào)整邏輯如圖1所示。

3 吸揚(yáng)系統(tǒng)匹配優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在對(duì)揚(yáng)程損失研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了吸揚(yáng)系統(tǒng)優(yōu)化軟件，進(jìn)行以產(chǎn)量和比能耗為優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)工況點(diǎn)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)，軟件初始界面見(jiàn)圖2。

3.1 泥泵管線(xiàn)參數(shù)設(shè)置

在狀態(tài)設(shè)置欄中，選擇水下泵、甲板泵1、甲板泵2的類(lèi)型，同時(shí)依據(jù)實(shí)船管線(xiàn)布置及排泥管線(xiàn)布置情況設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，同時(shí)依據(jù)挖泥船實(shí)際工作過(guò)程中的濃度范圍（5%～60%）、泥泵轉(zhuǎn)速范圍（260～350 prm）、管道內(nèi)泥漿流量范圍（5000～15000 m3/h）設(shè)定相應(yīng)的上下限，同時(shí)在環(huán)境變量設(shè)置欄中根據(jù)目前施工工地的實(shí)際情況選擇相應(yīng)的土質(zhì)類(lèi)型（中砂）、岸管長(zhǎng)度（300 m）、浮管長(zhǎng)度（1200 m）、沉管長(zhǎng)度（800 m）、排高（6 m），管件數(shù)量等依據(jù)實(shí)船參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)以上參數(shù)系統(tǒng)自動(dòng)推薦最佳的阻力損失模型，通過(guò)計(jì)算得出該工況下的最佳施工參數(shù)組合及相應(yīng)的泥泵與管線(xiàn)匹配的曲線(xiàn)。

3.2 最佳工況點(diǎn)計(jì)算

點(diǎn)擊“計(jì)算初始化參數(shù)”便可對(duì)目前該船初始的施工參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3.3 最佳工況點(diǎn)自適應(yīng)調(diào)整

在如圖3所示的匹配優(yōu)化系統(tǒng)中，按照絞吸挖泥船管線(xiàn)及泥泵實(shí)際工作狀態(tài)設(shè)定好相應(yīng)的參數(shù)，可以產(chǎn)量最大為優(yōu)化目標(biāo)或以單方能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，通過(guò)對(duì)某一濃度范圍、泥泵轉(zhuǎn)速范圍、管道內(nèi)泥漿流量范圍內(nèi)管線(xiàn)與泥泵匹配進(jìn)行計(jì)算。

圖3 泥泵特征分析界面

圖4 施工參數(shù)初始化界面

分別得出產(chǎn)量最大或者單方能耗最小情形下的泥泵組合模式、泥泵轉(zhuǎn)速、最佳的泥漿濃度及產(chǎn)量。以泥泵轉(zhuǎn)速和泥漿濃度為調(diào)整依據(jù)，根據(jù)本文所述自適應(yīng)調(diào)整邏輯進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到最佳施工效果。如圖4所示可知當(dāng)泥漿濃度為17%時(shí)，采用雙泵模式進(jìn)行施工，泥泵轉(zhuǎn)速為320 r/min，挖泥船具有最高的產(chǎn)量，以上施工數(shù)據(jù)為實(shí)際施工操作提供參考依據(jù)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)泥泵管線(xiàn)工況點(diǎn)匹配及阻力損失系數(shù)模型進(jìn)行分析，開(kāi)發(fā)了以土方量和比能耗為優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)工況點(diǎn)優(yōu)化軟件，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，簡(jiǎn)化了絞吸挖泥船施工過(guò)程中最優(yōu)工況點(diǎn)尋優(yōu)的步驟，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況情況，獲得吸揚(yáng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)最優(yōu)工況點(diǎn)，并提出調(diào)整方案，為絞吸挖泥船高效節(jié)能施工有著重要的指導(dǎo)意義。

[1] 何炎平, 譚家華. 絞吸挖泥船泥泵運(yùn)行參數(shù)配置分析[J]. 中國(guó)港灣建設(shè), 2010, (2) :5-7.

[2] 陳建國(guó). 絞吸挖泥船施工工況點(diǎn)的測(cè)試與選擇[J]. 上海航道科技, 1991, (4):45-50.

[3] 包元平. 提高絞吸挖泥船生產(chǎn)效率的探討[J]. 水運(yùn)工程, 2000, (6):27-32.

[4] 胡翼元, 強(qiáng)耀明. 利用計(jì)算機(jī)設(shè)算絞吸挖泥船施工工況[J]. 水運(yùn)工程, 1994, (1):43-48.

Dynamic Optimization Design of Suction-lifting System for Cutter Suction Dredger

Wang Wei

(Wuhan Waterway Engineering Bureau, Wuhan 430014, China)

U615

A

1003-4862（2017）09-0059-04

2017-06-15

王煒(1977-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：疏浚船舶管理。