絞吸式挖泥船泥泵運(yùn)行參數(shù)配置分析

何炎平，饒維生，楊劍濤，譚家華

（1.上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.中交天津航道局有限公司，天津 300042）

0 引言

絞吸式挖泥船生產(chǎn)能力是其重要的性能指標(biāo)之一，如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，如何選取泥泵的額定工作參數(shù)對(duì)挖泥船以后的作業(yè)和生產(chǎn)能力均有一定的影響，本文將結(jié)合一實(shí)船配置對(duì)此作探討。

1 實(shí)船配置相關(guān)基本參數(shù)

本文分析結(jié)合的實(shí)船為某一“3 500 m3/h絞吸式挖泥船”，該船配置了3臺(tái)泥漿泵，包括1臺(tái)安裝在橋架上的水下泥泵和2臺(tái)安裝在船體內(nèi)的艙內(nèi)泥泵，泥泵配置的相關(guān)參數(shù)如表1。

艙內(nèi)泥泵采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，水下泥泵采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)際配置參數(shù)見表1。從表1中可見，雖然泥泵和驅(qū)動(dòng)動(dòng)力之間存在齒輪箱和軸系，因而有一定的功率損耗，但艙內(nèi)泥泵的功率和其驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)功率相差較多，對(duì)此影響隨后進(jìn)行分析。

表1 泥泵配置參數(shù)

2 按泥泵額定功率分析

2.1 不同排距的理論工作點(diǎn)

在絞吸式挖泥船設(shè)計(jì)之初，往往會(huì)提出一個(gè)額定工況，據(jù)此來確定泥泵的額定轉(zhuǎn)速[1-2]。就本文結(jié)合的實(shí)船算例而言，在排管直徑為φ800 mm、挖深25 m、排高6 m、D50=0.2 mm和輸送泥漿密度為1 350 kg/m3時(shí)，艙內(nèi)泥泵和水下泥泵的功率取表1中的數(shù)據(jù)，對(duì)不同當(dāng)量排距可得到如圖1和表2的計(jì)算結(jié)果。

圖1中的橫坐標(biāo)為泥漿流量，縱坐標(biāo)為管阻和排壓?！翱偱艍骸鼻€為3臺(tái)泥泵在輸送指定泥漿的串聯(lián)特性曲線，該曲線有1個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在該點(diǎn)的左側(cè)，流量小，揚(yáng)程高，但所需要的總功率相對(duì)較小，泵機(jī)能以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，泵機(jī)發(fā)出功率小于其額定功率；在轉(zhuǎn)折點(diǎn)的右側(cè)，隨著流量增加，泵機(jī)將不能提供保持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)所需的功率，而進(jìn)入降低轉(zhuǎn)速的恒扭矩工作區(qū)域；因此轉(zhuǎn)折點(diǎn)處為泵機(jī)發(fā)出功率和扭矩均在額定值的工作狀態(tài)[2-3]。其余9條曲線為對(duì)應(yīng)不同排距的管阻曲線，從圖中可以看到存在管阻最小的谷點(diǎn)[4-5]，它們與泥泵的總排壓曲線的交點(diǎn)即為理論上的工作點(diǎn)[2，6]，可以得到泥漿流量、總排壓、泥泵轉(zhuǎn)速和功率等運(yùn)行參數(shù)，見表2。

圖1 D50=0.2 mm不同排距工作點(diǎn)計(jì)算

表2 D50=0.2 mm不同排距的工作點(diǎn)

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖1計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)的土質(zhì)為中細(xì)砂，其沉淀的臨界流速較小，小于2 m/s，所以對(duì)于此類土質(zhì)的輸送，在本算例中不需考慮因沉降產(chǎn)生堵管[2]。

從圖1可以看到，管阻曲線不是單調(diào)曲線，而是存在著低谷，對(duì)應(yīng)的流速稱為臨界流速，此時(shí)的管阻最小。

從圖1可以看到，從2 500 m到4 500 m的當(dāng)量排距范圍，管阻曲線與總排壓曲線的交點(diǎn)均在泵機(jī)的恒扭矩工作區(qū)間，其中2 500 m的艙內(nèi)泵轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的85.6%，4 500 m的艙內(nèi)泵轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的97.1%。在2 000 m當(dāng)量排距時(shí)，艙內(nèi)泵轉(zhuǎn)速為280 r/min，對(duì)應(yīng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速為約494 r/min，是額定轉(zhuǎn)速的82.4%。在5 000當(dāng)量排距時(shí)，管阻曲線和總排壓曲線的交點(diǎn)與總排壓曲線折點(diǎn)非常接近，此時(shí)泥泵的轉(zhuǎn)速和功率與設(shè)計(jì)的額定值非常接近。在5 500 m當(dāng)量排距時(shí)，管阻曲線和總排壓曲線的交點(diǎn)在總排壓曲線折點(diǎn)的左側(cè)，這表明在排距較長(zhǎng)時(shí)，泵機(jī)可以工作在額定轉(zhuǎn)速，且此時(shí)泵機(jī)的功率并沒有達(dá)到額定功率，這與國(guó)內(nèi)操作挖泥船時(shí)通常不會(huì)讓泵機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的習(xí)慣不一致，為了提高產(chǎn)量，此時(shí)應(yīng)讓泵機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速。

圖1中6 000 m當(dāng)量排距的管阻曲線和總排壓曲線沒有交點(diǎn)，表明此時(shí)的泥泵能力不能輸送密度為1 350 kg/m3的泥漿，需降低泥泵濃度。如輸送泥漿密度為1 300 kg/m3的泥漿，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見圖2，此時(shí)泵機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速，但此時(shí)泵機(jī)的功率并沒有達(dá)到額定功率；同時(shí)也表明了在當(dāng)量排距為7 000 m時(shí)，泥泵能力不足以輸送密度為1 300 kg/m3的泥漿，在如此長(zhǎng)排距時(shí)，需要更進(jìn)一步降低泥漿濃度[4-5]。

圖2 1300kg/m3泥漿密度工作點(diǎn)計(jì)算

2.3 理想的工作排距探討

對(duì)于上述的土質(zhì)、挖深、排高和泥漿密度，從圖1所示的計(jì)算結(jié)果來看，理想的工作當(dāng)量排距范圍為2 500～4 500 m，此時(shí)艙內(nèi)泥泵的柴油機(jī)和水下泵電動(dòng)機(jī)均在其恒扭矩工作區(qū)間。

泥泵工作在其驅(qū)動(dòng)設(shè)備的恒扭矩區(qū)間是理想的工作狀態(tài)，理由如下：

1）與挖泥手操縱的習(xí)慣一致，一般在挖泥作業(yè)時(shí)泵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度不會(huì)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，而泵機(jī)的控制則限制其輸出扭矩在額定范圍內(nèi)。

2）在實(shí)際疏浚作業(yè)中，由于泥漿濃度、土質(zhì)粒徑和當(dāng)量排距等各種因素并非一成不變，而總是在不停變化和波動(dòng)中，管阻也因此不斷波動(dòng)。由圖1和表2可以看到，泥泵工作在其驅(qū)動(dòng)設(shè)備的恒扭矩區(qū)間時(shí)，管阻的波動(dòng)對(duì)輸送泥漿的流量影響并不太大，如當(dāng)量排距從3 500 m增加到4 000 m，泥漿流量?jī)H減少458 m3/h，約降低5%。因此，即使出現(xiàn)局部沉淀，導(dǎo)致管阻增加，由于流量減小有限，將使泥管發(fā)生局部沉淀處的流速反而會(huì)增加，從而阻止沉淀的累積，甚至消除局部沉淀[4]。

3）對(duì)柴油機(jī)而言，針對(duì)用于疏浚作業(yè)設(shè)計(jì)的柴油機(jī)，其恒扭矩區(qū)間的單位功率油耗較低，因此也是比較經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行區(qū)間。

4）泥泵工作在其驅(qū)動(dòng)設(shè)備的額定轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，如圖1中的5 500 m當(dāng)量排距，其工作狀態(tài)并不穩(wěn)定，如發(fā)生管阻增大，則會(huì)使輸送泥漿的流量降低過快，容易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。

以上原因也正是疏浚行業(yè)一致強(qiáng)調(diào)泵機(jī)需要有恒扭矩能力的原因之一。

3 按泥泵實(shí)際可獲得功率分析

3.1 柴油機(jī)功率配置分析

設(shè)計(jì)和運(yùn)行絞吸式挖泥船時(shí)，無疑要考慮其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。理想的泥泵驅(qū)動(dòng)裝置需按照泥泵的運(yùn)行特性來配置，因此要求設(shè)定對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)泥泵工況的配置和運(yùn)行參數(shù)。因此在設(shè)計(jì)挖泥船時(shí)，具有恒扭矩性能的柴油機(jī)額定功率和泥泵額定功率僅相差傳動(dòng)效率，而不需為柴油機(jī)保留功率儲(chǔ)備。

如表1所示，即使考慮泥泵和其驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)之間的齒輪箱與軸系的效率，本算例中的泥泵驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)的額定功率與泥泵設(shè)計(jì)額定功率之間也存在較大的差異。這是國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)通常的做法，一方面是考慮柴油機(jī)老化后的功率會(huì)降低，另一方面是基于疏浚作業(yè)需要柴油機(jī)持續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行，而且經(jīng)常承受波動(dòng)負(fù)荷，為了保證柴油機(jī)能可靠運(yùn)行而總是讓柴油機(jī)不滿負(fù)荷運(yùn)行。

下面分析此種配置的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 不同排距的理論工作點(diǎn)

根據(jù)泥泵驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)的實(shí)際可提供功率和扭矩計(jì)算理論工作點(diǎn)時(shí)，在考慮齒輪箱和軸系效率后，艙內(nèi)泥泵可獲得的功率取為3 100 kW，其余參數(shù)不變，計(jì)算得到的理論工作點(diǎn)如圖3和表3。

圖3 艙內(nèi)泵功率增大后的工作點(diǎn)計(jì)算

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

從圖3可以看到，總排壓曲線存在兩個(gè)拐點(diǎn)，第1個(gè)拐點(diǎn)在流量為2.5 m3/s附近，是由于水下泥泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的恒扭矩特性造成的；第2個(gè)拐點(diǎn)在流量為3.2 m3/s附近，是由于艙內(nèi)泥泵驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)的恒扭矩特性造成的。由于艙內(nèi)泥泵有兩臺(tái)，而且單臺(tái)功率比水下泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)大很多，所以第2個(gè)拐點(diǎn)后曲線變陡很多。

表3 艙內(nèi)泵功率增大后的工作點(diǎn)

對(duì)比表2和表3，在當(dāng)量排距從2 000 m到5 000 m的范圍內(nèi)，泥漿流量有所增加，艙內(nèi)泥泵柴油機(jī)負(fù)荷也有所增加，而水下泵的功率和轉(zhuǎn)速則有所降低。另外也可以看到，表3中柴油機(jī)在4 000 m當(dāng)量排距時(shí)即開始運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速，而在表2中柴油機(jī)在5 000 m當(dāng)量排距時(shí)才開始運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速。

產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是在配置泥泵運(yùn)行參數(shù)時(shí)降低了柴油機(jī)功率，如按與水下泵現(xiàn)在轉(zhuǎn)速匹配，則艙內(nèi)泵的轉(zhuǎn)速需提高到359 r/min，如按艙內(nèi)泵現(xiàn)在轉(zhuǎn)速來重新確定水下泵的轉(zhuǎn)速，則水下泵的額定轉(zhuǎn)速需下降到262 r/min，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見圖4。圖4中標(biāo)注為高速排壓線對(duì)應(yīng)艙內(nèi)泵轉(zhuǎn)速為359 r/min和水下泵轉(zhuǎn)速為278 r/min，標(biāo)注為低速排壓線對(duì)應(yīng)艙內(nèi)泵轉(zhuǎn)速為340 r/min和水下泵轉(zhuǎn)速為262 r/min，此兩種配置參數(shù)將使艙內(nèi)泥泵柴油機(jī)和水下泥泵電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率基本一致。

圖4 額定速度變化后的工作點(diǎn)計(jì)算

從圖4中還可以看到泥泵不同速度對(duì)不同當(dāng)量排距的適應(yīng)性，在泵機(jī)功率一定的情況下，泥泵額定速度較高時(shí)比較適合較長(zhǎng)排距，因此有的泥泵齒輪箱采用了雙速比，以增強(qiáng)對(duì)不同挖泥工況的適應(yīng)性。

4 結(jié)語

泥泵的輸送能力無疑是絞吸式挖泥船的重要性能指標(biāo)之一。本文結(jié)合具體算例分析了泥泵參數(shù)配置對(duì)實(shí)際挖泥運(yùn)行狀態(tài)的影響，得到的主要結(jié)論如下：

1）泥泵工作在其驅(qū)動(dòng)設(shè)備的恒扭矩區(qū)間是理想的工作狀態(tài)，此時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，在出現(xiàn)偶發(fā)的管阻增加時(shí)，通過泥泵和驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速的提高，可在一定程度內(nèi)保證排泥正常。

2）國(guó)內(nèi)通常按減小柴油機(jī)功率來配置艙內(nèi)泥泵，實(shí)質(zhì)是在挖泥作業(yè)時(shí)艙內(nèi)泥泵的負(fù)荷大，而水下泥泵負(fù)荷較小，而按泥泵運(yùn)行特性來配置驅(qū)動(dòng)裝置，可使艙內(nèi)泥泵和水下泥泵的驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷率基本一致，是最佳的運(yùn)行狀況。

3）在保持泥泵驅(qū)動(dòng)功率不變時(shí)，提高泥泵額定轉(zhuǎn)速使輸送系統(tǒng)更適合較長(zhǎng)的當(dāng)量排距。

因此，按泥泵工作特性設(shè)計(jì)和配置其驅(qū)動(dòng)設(shè)備，結(jié)合輸運(yùn)泥漿的操作和控制特點(diǎn)來恰當(dāng)選取泥泵的額定轉(zhuǎn)速，將會(huì)使泥泵驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行更可靠和經(jīng)濟(jì)，同時(shí)也會(huì)使泥泵和泵機(jī)的性能充分發(fā)揮。

[1]K C Wilson，G R Addie，A Sellgren，R Clift.Slurry Using Centrifugal Pummps[M].Springer Science+Business Media，Inc.，2006.

[2]Ir S E M de Bree.Centrifugal Dredgepumps[J].Port and Dredging，1975，86：4-9.

[3]Ir W J Vlasblom.Dredge Pumps[M].Delft University of Technology，2004.

[4]王海榮，何炎平.疏浚管路阻力損失計(jì)算方法的分析[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2008（5）：17-20.

[5]K C Wilson，R Clift，A Sellgren.Operating Points for Pipelines Carrying Concentrated Heterogeneous Slurries[J].Powder Technology，2002，123：19-24.

[6]Ir W J Vlasblom.Cutter Suction Dredger[M].Delft University of Technology，2003.