大型絞吸挖泥船泥泵封水系統(tǒng)配置分析

李康康 朱繼軍 吳 磊

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

絞吸挖泥船作為疏浚船舶中最為重要的船型，廣泛應用于航道疏浚、港口建設及吹填作業(yè)［1］。近年來，為提高疏浚效率，節(jié)約成本，絞吸挖泥船愈發(fā)趨于大型化，其裝備的泥泵功率越來越大；同時為滿足泥泵系統(tǒng)長排距，高揚程的需求，往往還需配置多臺泥泵進行串聯(lián)作業(yè)。泥泵功率的增加及泥泵運行工況的多樣性導致泥泵封水系統(tǒng)變得更為復雜，因此，在對泥泵封水系統(tǒng)進行設計時，需綜合考慮各方因素，以確保系統(tǒng)的經(jīng)濟可靠。本文以7 800 kW絞刀功率自航絞吸挖泥船為研究對象，探討分析大型絞吸挖泥船泥泵封水系統(tǒng)的設計及配置。

1 系統(tǒng)介紹

挖泥船泥泵為單級單吸離心式渣漿泵，運行時，泥漿在離心力的作用下從軸向吸口端進入，沿葉輪徑向通過泵殼上的切向排口排出。泥泵有艙內(nèi)泵和水下泵之分，出于安全考慮，艙內(nèi)泵采用雙殼泵體的設計，而水下泵考慮到質(zhì)量問題通常采用單殼泥泵。雙殼泵體的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

為防止充滿固體顆粒的泥漿回流竄入葉輪與內(nèi)泵殼之間的間隙，減少泥漿在軸封位置的沉淀及葉輪和襯板的磨損，需為泥泵設置一套泥泵封水系統(tǒng)［2］，通過海水沉淀艙及泥泵封水管系引入清潔海水為泥泵吸口端與軸承端各提供一股連續(xù)封水，見圖2。

圖1 雙殼泵體的泥泵結(jié)構(gòu)示意

圖2 泥泵封水簡圖

泥泵運行前必須供給封水，并從泥泵軸端封水管引一路支管到砂水分離器，用作“LIQUIDYNE”水潤滑軸封的水源，確定泥泵停止運行后再停止供給封水。為使封水系統(tǒng)發(fā)揮作用，保護泥泵密封及降低泥泵磨損，泥泵封水進口處的壓力需高于泵腔內(nèi)該處泥漿水壓力，并且其流量需同時滿足密封和葉輪間隙、平衡水（雙殼泵體）及水潤滑軸封的需要。

2 系統(tǒng)要求

7 800 kW絞刀功率自航絞吸挖泥船設有1臺安裝于橋架中下部的單殼水下泵（4 050 kW）及2臺雙殼艙內(nèi)泵（5 650 kW），每臺泥泵可運行在0%～100%額定轉(zhuǎn)速下的恒扭矩工況及100%～120%額定轉(zhuǎn)速下的恒功率工況。泥泵電機在100%額定轉(zhuǎn)速和120%額定轉(zhuǎn)速時泥泵的排壓-流速特性曲線見下頁圖3。

為提高排距，泥泵系統(tǒng)采用水下泵串聯(lián)2臺艙內(nèi)泵的工作方式，實現(xiàn)以下四種作業(yè)工況：

（1）水下泥泵單獨或裝駁工作，額定排距1 000 m；

（2）左舷艙內(nèi)泵作為2級泵與水下泥泵兩泵串聯(lián)工作，額定排距3 500 m（通過拆管實現(xiàn)）；

（3）右舷艙內(nèi)泵作為2級泵與水下泥泵兩泵串聯(lián)工作，額定排距3 500 m；

圖3 泥泵排壓-流速特殊性曲線

（4）左舷泥泵作為3級泵、右舷艙內(nèi)泵作為2級泵與水下泥泵三泵串聯(lián)工作，額定排距6 000 m。

泥泵串聯(lián)工作時，系統(tǒng)壓頭由串聯(lián)工作的泵的壓頭之和決定［3］。因此不同工況下，封水系統(tǒng)的設計參數(shù)不盡相同，需根據(jù)工況作相應調(diào)整。各工況下7 800 kW絞刀功率自航絞吸挖泥船的泥泵封水要求可見表1，其為泥泵在最高轉(zhuǎn)速下的要求，當泥泵轉(zhuǎn)速降低時，封水泵參數(shù)不得低于表中參數(shù)值。

表1 泥泵封水要求

3 系統(tǒng)配置方案分析

封水泵及管路系統(tǒng)合理配置和設計是保證泥泵正常、有效、持久工作的關鍵［4］。泥泵運行在額定轉(zhuǎn)速下具有較高的效率，當需在不降低排量的情況下增加排距時，可將泥泵轉(zhuǎn)速提高，在100%～120%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)定功率運行。由表1可見，同一工況下每臺泥泵的軸端及吸口端的封水壓力相同，但流量需求卻不同，若為軸端和吸口端封水配置1臺共用的封水泵，流量需通過現(xiàn)場調(diào)試來進行合理分配，此外還需配置1臺備用泵，造成封水泵的總?cè)萘考哟?。因此，實際配置時，往往為軸端和吸口端各設1臺封水泵，同時再設置1臺備用泵以提高系統(tǒng)的冗余度。

當泥泵運行于不同工況時，泥泵泵腔內(nèi)的壓力也不相同，這使封水系統(tǒng)的管路特性也在變化，當選用特性曲線固定的常規(guī)封水泵時，其工作點將發(fā)生偏移，造成流量改變，給船舶施工帶來不利影響，為此，封水泵常采用變頻控制［5］。采用變頻電機驅(qū)動的封水泵可以和泥泵更好地匹配，使其能夠在不同工況下通過主動控制實現(xiàn)該工況下轉(zhuǎn)速基本恒定，以確保足夠的封水進入泥泵。

圖4 常規(guī)封水泵系統(tǒng)簡圖

常規(guī)封水泵系統(tǒng)見下頁圖4。泥泵運行前啟動封水泵需保持旁通閥關閉，直到泵出口壓力大于封水要求壓力時，旁通閥打開。當使用變頻封水泵時，由于變頻泵啟動時速度可控，可以免去常規(guī)封水泵系統(tǒng)管路上的節(jié)流-旁通管路（見圖5），水下泥泵及右舷泥泵均可按此設計。

圖5 變頻封水泵系統(tǒng)簡圖

此時，可以有兩種配置方案，一種是通過多臺低壓泵串聯(lián)的方式來使系統(tǒng)壓力達到要求值，另一種是采用多級葉輪增壓的離心泵作為封水泵。

采用多泵串聯(lián)方案時，當泥泵作為2級泥泵運行，封水泵壓力要求較低，可以選用低壓封水泵；當泥泵作為3級泵運行時，需為軸端和吸口端低壓封水泵增設2級增壓封水泵以滿足封水壓力要求。如此，包括備用的1級及2級封水泵，總共需要6臺封水泵服務于左舷泥泵。另有水下泥泵封水及右舷泥泵封水各3臺封水泵，整個封水系統(tǒng)需配置12臺離心泵。因此，考慮為3臺泥泵封水系統(tǒng)配置1臺共用的低壓封水泵，將封水泵數(shù)量減至10臺，見下頁圖6?？梢?，多泵串聯(lián)方案相比多級離心泵方案雖然只多了1臺封水泵，但系統(tǒng)管路卻變得較為復雜，且增加了一定數(shù)量的遙控閥門。

采用多級離心泵方案時，左舷泥泵的封水系統(tǒng)與水下泥泵及右舷泥泵的封水系統(tǒng)相同，如圖5所示。此時，系統(tǒng)的管路布置較簡單，且不需要遙控閥門。但是，高壓頭的多級離心泵對泵本身的設計要求較高，且根據(jù)表1的要求，左舷泥泵的封水系統(tǒng)較水下泥泵及右舷泥泵的封水系統(tǒng)多兩個工況點，即需滿足四個工況點的要求（作為2級泥泵和3級泥泵各兩個工況），吸口端封水泵特性曲線見下頁圖7。

圖6 高壓泥泵封水串聯(lián)式解決方案

圖7 左舷泥泵吸口端封水泵特性曲線

綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟性、可靠性及布置情況，7 800 kW絞刀功率自航絞吸挖泥船左舷泥泵的封水系統(tǒng)采用了多級離心泵方案，為每臺泥泵設置了吸口端封水泵、軸端封水泵及備用泵各1臺，整個封水系統(tǒng)共配置9臺封水泵。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合7 800 kW絞刀功率自航絞吸挖泥船對泥泵封水系統(tǒng)的要求，對其配置及系統(tǒng)設計進行分析，得出以下結(jié)論：泥泵封水系統(tǒng)宜采用變頻離心泵作為封水泵；對于封水壓力要求較高的泥泵封水系統(tǒng)，則可選擇多泵串聯(lián)方案或多級離心泵方案。實際設計時，建議根據(jù)實船情況選擇不同的配置方案。