絞吸船吹填中粗砂泥泵節(jié)能運(yùn)行轉(zhuǎn)速

李 晟，楊 杰

(1.中交上海航道局有限公司，上海 200002;2.上海交通建設(shè)總承包有限公司，200136)

中粗砂為疏浚吹填工程常見土質(zhì)，采用管道水力輸送時(shí)，較淤泥、粉土、黏土等細(xì)顆粒土質(zhì)，其管道沿程阻力提升明顯；同時(shí)受較大的土顆粒密度和粒徑影響，管道水力輸送時(shí)中粗砂難以與水流混合形成均勻泥漿，過流斷面的顆粒體積濃度和泥漿流速分布不均勻。總體分布規(guī)律為管道上部濃度低、流速高，管道下部濃度高、流速低，即泥漿呈不顯著的分層流動(dòng)。常用的管道輸送阻力計(jì)算公式多適用于混合均勻泥漿，對(duì)于中粗砂水力輸送，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工情況存在較大誤差，難以用于大型絞吸船吹填中粗砂的水力計(jì)算。

大型絞吸船吹填中粗砂施工，須采用最經(jīng)濟(jì)的輸送施工參數(shù)并匹配合理的泥泵機(jī)組轉(zhuǎn)速組合，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能輸送施工。因此須根據(jù)中粗砂管道阻力特性和泥泵機(jī)組性能計(jì)算最優(yōu)輸送工況點(diǎn)，并以最優(yōu)輸送工況點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行不同泥泵機(jī)組轉(zhuǎn)速組合的能效分析，確定經(jīng)濟(jì)節(jié)能的泥泵機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

福建漳州古雷煉化一體化項(xiàng)目主廠區(qū)場(chǎng)地增填砂工程采用大型絞吸船吹填典型中粗砂，本文依托該工程土質(zhì)參數(shù)和大型絞吸船輸送施工參數(shù)，進(jìn)行泥泵機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的計(jì)算與分析。

1 工程概況

福建漳州古雷煉化一體化項(xiàng)目主廠區(qū)場(chǎng)地增填砂工程位于福建省漳州市南部沿海的東山灣內(nèi)，吹填土質(zhì)為中粗砂，由砂船拋填至指定拋砂區(qū)，再由大型絞吸船吹填至指定區(qū)域，為典型的拋吹施工工藝。參與施工的大型絞吸船為“新海豚2”輪、“新海鮫”輪和“新海鱷”輪，均裝備3臺(tái)泥泵。施工現(xiàn)場(chǎng)典型中粗砂見圖1，大型絞吸船施工情況見圖2。

圖1 施工土質(zhì)-中粗砂

圖2 大型絞吸船現(xiàn)場(chǎng)施工情況

施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)中粗砂進(jìn)行取樣并作顆分測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 古雷砂樣特征粒徑

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，該項(xiàng)目中粗砂中貝殼含量較少，吹填后主要分布于砂層表面，故本文采用去貝殼的顆分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和分析。根據(jù)砂樣級(jí)配曲線，砂粒徑主要分布于0.10～3.00 mm，中值粒徑為0.38 mm，參照J(rèn)TJ 319—1999《疏浚工程技術(shù)規(guī)范》,該項(xiàng)目中粗砂主要物理特性指標(biāo)取值采用插值法確定，見表2。

表2 古雷增砂項(xiàng)目中粗砂主要物理特性

該類中粗砂粒徑和天然密度均較大，根據(jù)以往類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，管道水力輸送所需流速較高，且隨著泥漿濃度逐步提高管道輸送阻力迅速增加，較為合理的輸送施工參數(shù)方能有效發(fā)揮大型絞吸船泥泵機(jī)組的輸送能力，滿足長距離安全、高效和節(jié)能輸送施工要求。

2 構(gòu)建中粗砂泥漿水力輸送計(jì)算模型

2.1 管道泥漿水力輸送基本公式

疏浚工程通常采用的泥漿輸送水力計(jì)算公式主要分為泥泵特性公式和管道阻力特性公式。

1)泥泵泥漿水頭特性公式[1]：

Hm=Hw[KH(ρm-1)+1]

(1)

式中：Hm為泥泵泥漿揚(yáng)程(m);Hw為泥泵清水揚(yáng)程(m)；KH為土質(zhì)換算系數(shù);ρm為泥漿密度。

2)850 mm管徑排泥管總耗用泥漿水頭公式[2]：

Hm=K(a+0.000 719 6Ld2+0.050 97∑ξ3)·

(2)

對(duì)于砂性土：

(3)

式中：Hm為管路總耗用泥漿水頭(m水柱)；a為與船舶管路相關(guān)的綜合摩阻系數(shù)；Ld2為水上、水下、陸上鋼質(zhì)排泥管長度(m)；vd2為水上、水下、陸上排泥管平均流速(ms)；∑ξ3為水上、水下、陸上排泥管(附件)局部阻力水頭系數(shù)總和，彎管、三通、橡膠管等均作管路附件，不計(jì)沿程水頭損失；K為泥漿阻力系數(shù)與清水阻力系數(shù)之比值；ρm為泥漿密度(tm3)；Y為挖深為土顆粒密度(tm3)；ρm為清水密度,海水取1.025 tm3；Kd為試驗(yàn)系數(shù)，取Kd=121；vd為管路泥漿平均流速(ms)；ds為顆粒平均直徑(m)；vss為土顆粒在清水中的沉降速度(ms)。

根據(jù)能量消耗原理，即泥泵機(jī)組產(chǎn)生的揚(yáng)程等于泥漿輸送消耗的揚(yáng)程，可計(jì)算泥泵轉(zhuǎn)速、泥漿流速、泥漿濃度以及管線長度等輸送施工參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，上述理論公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工參數(shù)存在一定誤差。本文主要根據(jù)實(shí)際施工數(shù)據(jù)進(jìn)行泥泵特性、管道阻力特性的修正和模擬，建立能描述泥泵機(jī)組實(shí)際輸送性能和管道實(shí)際輸送阻力的計(jì)算模型。

2.2 模型公式基本形式

2.2.1泥泵揚(yáng)程特性公式

根據(jù)式(1)，經(jīng)典泥泵揚(yáng)程的計(jì)算公式包含2部分：第1部分為泥泵清水揚(yáng)程，可根據(jù)泥泵清水特性公式進(jìn)行計(jì)算；第2部分為泥漿揚(yáng)程系數(shù)，與泥漿密度呈線性關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)的泥漿揚(yáng)程系數(shù)難以準(zhǔn)確描述泥泵實(shí)際產(chǎn)生的揚(yáng)程，故須根據(jù)實(shí)際施工數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其計(jì)算因子為泥漿密度ρm，確定的泥泵揚(yáng)程特性公式如下：

Hm=Hwf(ρm)

(4)

2.2.2管路總耗用泥漿水頭公式

根據(jù)式(2)、(3)，在既定的管路條件、土質(zhì)物理特性、挖深和排高條件下，管路總耗用泥漿水頭主要與泥漿密度、泥漿流速相關(guān)，因此根據(jù)規(guī)范公式，管路總耗用泥漿水頭公式可簡(jiǎn)化為：

Hm=av2+bv-1+cρmv2+dρm+e

(5)

2.3 模型公式擬合

本文采用大型絞吸船“新海豚2”輪施工參數(shù)進(jìn)行模型公式的擬合計(jì)算。

2.3.1泥泵揚(yáng)程特性公式擬合

“新海豚2”輪在施工期間采用3泵串聯(lián)施工，故分別對(duì)各泵的揚(yáng)程特性公式進(jìn)行擬合。根據(jù)實(shí)際施工參數(shù)確定的泥漿揚(yáng)程系數(shù)見表3。

表3 “新海豚2”輪泥泵揚(yáng)程系數(shù)f(ρm)

續(xù)表3

泥漿流速∕(m·s-1)泥漿密度∕(t·m-3)揚(yáng)程∕m揚(yáng)程系數(shù)水下泵1#泵2#泵水下泵1#泵2#泵5.321.1847.6772.0769.961.001.111.125.541.1841.7970.0466.520.881.091.085.591.2742.9473.3268.530.911.141.125.321.2744.4375.0869.890.931.151.125.051.2444.7575.0069.960.921.131.105.171.2043.1272.7367.800.891.111.085.481.3044.6775.9570.500.941.181.14

注：采用3泵串聯(lián)施工；水下泵轉(zhuǎn)速243 rmin；1#泵轉(zhuǎn)速282 rmin；2#泵轉(zhuǎn)速277 rmin。

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，分別對(duì)水下泵、1#泵、2#泵揚(yáng)程系數(shù)進(jìn)行擬合，獲得的擬合公式如下：

f(ρm)水下泵=0.253 247ρm+0.640 487

(6)

f(ρm)1#泵=0.532 873ρm+0.478 369

(7)

f(ρm)2#泵=0.441 791ρm+0.607 478

(8)

2.3.2管路總耗用泥漿水頭公式擬合

“新海豚2”輪在古雷增填砂工程中排泥管線主線總長度為4 145.8 m，排泥管出口直徑φ700 mm，其中：①挖泥船吸泥管長22.1 m、管徑900 mm，挖泥船排泥管總長104.3 m、管徑900 mm；②水上自浮管長581.4 m，管徑850 mm；③水下沉管長882 m，管徑850 mm；④陸上岸管長2 556 m，管徑850 mm。

實(shí)際施工中不同泥漿流速、密度條件下的管路總耗用泥漿水頭統(tǒng)計(jì)情況見表4。

表4 “新海豚2”輪管路總耗用泥漿水頭

續(xù)表4

泥漿流速∕(m·s-1)泥漿密度∕(t·m-3)總揚(yáng)程∕m5.281.20193.195.561.19181.415.381.18179.445.511.18180.565.561.18177.285.411.17175.36

根據(jù)表4數(shù)據(jù)和式(5)，對(duì)管路總耗用泥漿水頭公式進(jìn)行擬合，獲得的擬合公式為式(9)。

Hm=3.144 95v2-934.202v-1-5.244 29ρmv2+250.255ρm+152.371

(9)

采用實(shí)際施工參數(shù)對(duì)管路總耗用泥漿水頭擬合公式進(jìn)行校核，公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際施工參數(shù)對(duì)比情況見圖3。

圖3 擬合數(shù)據(jù)與實(shí)際施工參數(shù)比對(duì)

2.4 中粗砂泥漿水力輸送計(jì)算模型

根據(jù)泥泵機(jī)組產(chǎn)生揚(yáng)程等于管道輸送總耗用泥漿水頭，構(gòu)建的“新海豚2”輪中粗砂泥漿水力輸送計(jì)算模型如下：

Hw水下泵×(0.253 247ρm+0.640 487)+Hw1#泵×

(0.532 873ρm+0.478 369)+Hw2#泵×(0.441 791ρm+

0.607 478)=3.144 95v2-934.202v-1-5.244 29·

ρmv2+250.255ρm+152.371

(10)

其中：

(11)

(12)

(13)

式中：Hw水下泵、H1#泵、H2#泵為泥泵清水揚(yáng)程(m)；k1、k2、k3為泥泵實(shí)際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速比值。

根據(jù)上述模型，可計(jì)算一定泥泵機(jī)組轉(zhuǎn)速條件下的可輸送泥漿流速、密度。

3 輸送施工參數(shù)計(jì)算分析

3.1 中粗砂臨界輸送流速

根據(jù)表2所述中粗砂主要物理特性，采用砂性土泥漿臨界流速計(jì)算公式[3]，計(jì)算所得中粗砂臨界流速見表5。

表5 850 mm管道輸送中粗砂臨界流速

3.2 可輸送施工參數(shù)及經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)“新海豚2”輪施工現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)效率調(diào)研測(cè)試[4]，該輪在古雷增填砂工程中挖掘拋填砂堆有效效率約為2 700 m3h，該輪甲板泵額定功率為3 620 kW，其輸送中粗砂時(shí)的功率特性公式如下：

Nm=(203.06v+1 460.1)×[0.8(ρm-1)+1]

(14)

根據(jù)式(15)，在泥泵機(jī)組不超功率條件下，“新海豚2”輪可運(yùn)行的輸送施工參數(shù)見表6。

表6 “新海豚2”輪在2 700 m3h挖掘效率時(shí)可輸送施工參數(shù)

表6 “新海豚2”輪在2 700 m3h挖掘效率時(shí)可輸送施工參數(shù)

濃度∕%流速v∕(m·s-1)泥泵功率N∕kW濃度∕%流速v∕(m·s-1)泥泵功率N∕kW168.263 552284.722 942177.783 462294.562 918187.353 383304.412 897196.963 313314.272 878206.613 251324.132 860216.303 196334.012 844226.013 147343.892 830235.753 103353.782 817245.513 064363.672 806255.293 028373.572 796265.092 996383.482 786274.902 968393.392 778

在實(shí)際輸送施工中，應(yīng)滿足泥漿流速不低于臨界流速，根據(jù)表5、6，可確定滿足安全輸送要求的輸送施工參數(shù)，見圖4。

圖4 可輸送施工流速與臨界流速對(duì)比

根據(jù)圖4，在船舶有效挖掘效率為2 700 m3h條件下，當(dāng)泥漿濃度≤30%時(shí)，可輸送施工流速大于臨界流速，滿足有效輸送要求，故“新海豚2”輪可輸送的泥漿濃度范圍為16%～30%，對(duì)應(yīng)的泥漿流速范圍為8.26～4.41 ms。同時(shí)在一定的挖掘效率下，泥漿濃度越高，所需輸送施工流速越小，泥泵功率越小[5]，因此可確定：在船舶有效挖掘效率為2 700 m3h時(shí)，采用泥漿濃度為30%、泥漿流速為4.41 ms進(jìn)行輸送，可滿足泥漿安全、有效輸送要求，且輸送能耗最低。

3.3 三泵串聯(lián)施工泥泵機(jī)組轉(zhuǎn)速組合及效率

因泥泵機(jī)組柴油機(jī)為高速機(jī)，泥泵合理調(diào)速范圍為90%～100%額定轉(zhuǎn)速，且為均衡1#、2#泵負(fù)荷，1#、2#泵采用相同轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可確定泥泵機(jī)組總功率在水下泵不同轉(zhuǎn)速條件下的變化情況，見圖5。

圖5 泥泵機(jī)組總功率分布

至此可得出，在最經(jīng)濟(jì)輸送施工流速、濃度條件下，泥泵機(jī)組可實(shí)現(xiàn)的最低總功率約為7 055 kW，對(duì)應(yīng)的泥泵機(jī)組轉(zhuǎn)速為水下泵223 rmin、1#泵277 rmin、2#泵277 rmin。此運(yùn)行條件下泥泵機(jī)組總效率為86.45%。

4 結(jié)論

1)規(guī)范中管道輸送泥漿的阻力特性公式和泥泵揚(yáng)程特性公式對(duì)中粗砂輸送的水力計(jì)算精度難以滿足要求，但以規(guī)范公式的基本形式為基礎(chǔ)，采用實(shí)際施工參數(shù)進(jìn)行擬合計(jì)算，能獲得計(jì)算精度較高的管道阻力特性、泥泵揚(yáng)程特性經(jīng)驗(yàn)公式。

2)在施工中，根據(jù)船舶挖掘施工效率、泥泵額定功率可確定泥泵機(jī)組安全運(yùn)行的泥漿輸送濃度、流速范圍，并結(jié)合不同濃度泥漿臨界輸送流速，可確定既定挖掘施工效率下的泥漿最經(jīng)濟(jì)輸送流速與濃度。

3)以經(jīng)濟(jì)輸送流速、濃度為基礎(chǔ)，結(jié)合泥漿管道阻力特性、泥泵揚(yáng)程特性經(jīng)驗(yàn)公式，可計(jì)算確定多種可運(yùn)行的泥泵機(jī)組轉(zhuǎn)速組合，即大型絞吸船水下泵、1#泵、2#泵可采用多種不同的轉(zhuǎn)速組合運(yùn)行，均可實(shí)現(xiàn)泥漿按經(jīng)濟(jì)流速、濃度輸送；但不同泥泵機(jī)組轉(zhuǎn)速組合所對(duì)應(yīng)的總功率存在差異，在實(shí)際施工中，應(yīng)采用泥泵機(jī)組總功率最低的轉(zhuǎn)速組合進(jìn)行輸送施工，可最大程度上降低大型絞吸船輸送施工油耗。

4)根據(jù)本文計(jì)算分析結(jié)果，在經(jīng)濟(jì)輸送施工流速、濃度條件下，大型絞吸船水下泵采用低轉(zhuǎn)速，1#泵、2#泵采用高轉(zhuǎn)速，有利于降低輸送施工油耗。

5)根據(jù)大型絞吸船常用施工方法，在泥泵機(jī)組總揚(yáng)程一定的情況下，水下泵通常采用高轉(zhuǎn)速運(yùn)行以提升泥漿吸入性能。根據(jù)本文計(jì)算、分析結(jié)論，采用合理的泥泵轉(zhuǎn)速組合，使泥泵機(jī)組總揚(yáng)程與管道消耗揚(yáng)程相等，即可在既定的濃度、流速條件下實(shí)現(xiàn)泥漿有效吸入和輸送。因此，在實(shí)際施工中，大型絞吸船可參考本文計(jì)算分析結(jié)論，根據(jù)泥漿實(shí)際輸送工況合理調(diào)整泥泵機(jī)組轉(zhuǎn)速，對(duì)于降低輸送施工能耗具有積極的意義。