基于“航浚6008”輪的黃驊港施工參數(shù)優(yōu)化及產(chǎn)量計(jì)算分析

藺永學(xué)，周丙浩

（中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

耙吸挖泥船能夠高效、快速地獨(dú)立完成裝、運(yùn)、卸整個疏浚吹填周期作業(yè)，在世界大規(guī)模陸域成形工程、臨海工業(yè)園區(qū)建設(shè)及航道基建和維護(hù)中都發(fā)揮著舉足輕重的作用。耙吸挖泥船施工產(chǎn)量隨土質(zhì)、挖深、吃水等工況條件和施工參數(shù)的變化而變化，且受臨界流速和泥泵汽蝕余量的限制。而泥沙之間、泥沙與水之間、漿體與管道之間相互作用的復(fù)雜性導(dǎo)致各種理論方法、計(jì)算公式繁復(fù)紛雜，操作人員難以掌握最大產(chǎn)量對應(yīng)工作點(diǎn)隨工況條件變化的規(guī)律，且實(shí)驗(yàn)室小管徑試驗(yàn)數(shù)據(jù)的各種計(jì)算方法在大管徑施工條件下的適用精度不高，耙吸挖泥船施工能力的全面發(fā)揮和效率有待進(jìn)一步提升。

中港疏浚有限公司于2019 年首次建造具有智能疏浚模式的2 艘耙吸挖泥船“航浚6008”輪與“航浚6009”輪，針對“一人疏?！蹦Ｊ较碌氖杩ＰЧ谘b艙時間、產(chǎn)量、能耗、真空、流速和密度等數(shù)據(jù)，進(jìn)行了手動與智能疏浚模式下的疏浚性能對比試驗(yàn)與分析[1-3]。智能疏浚系統(tǒng)嵌入產(chǎn)量計(jì)算模型，通過自動控制器動態(tài)地在降低混合物流量和提高濃度之間尋找最佳工況點(diǎn)，以保持可實(shí)現(xiàn)的最高產(chǎn)量。

本文基于智能疏浚模式下的產(chǎn)量優(yōu)化計(jì)算原理，對黃驊港工程“航浚6008”輪的智能疏浚數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立產(chǎn)量計(jì)算模型，并對“航浚6008”輪在黃驊港工程的產(chǎn)量作進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算，以提高疏浚效率和產(chǎn)量，節(jié)本降耗。

1 計(jì)算原理

1.1 挖掘與輸送

挖掘生產(chǎn)率及泥泵輸送生產(chǎn)率計(jì)算公式：

式中：W1為挖掘生產(chǎn)率，m3/h；V 為船舶對地航速，kn/h；B 為耙頭有效挖泥寬度，m；H 為耙頭入泥深度，m；W2為泥泵輸送生產(chǎn)率，m3/h；Q為泥泵流量，m3/h；C 為泥漿體積濃度，%。

以“航浚6008”輪威龍耙頭為例，在活動罩對地角度為0°時，即V=3 kn/h、B=3.956 m、H=0.37 m 時，挖掘生產(chǎn)率W1=8 132 m3/h。

按施工經(jīng)驗(yàn)選取Q= 20 000 m3/h、C=35%時，泥泵輸送生產(chǎn)率W2= 7 000 m3/h。

耙吸挖泥船施工過程中，通過調(diào)整挖掘參數(shù)和泥泵參數(shù)使耙頭挖掘生產(chǎn)率與泥泵輸送生產(chǎn)率相匹配。一般來說，挖掘生產(chǎn)率應(yīng)略大于輸送生產(chǎn)率，以保證泵吸能力的最大利用率，且需避免因挖掘生產(chǎn)率過大而造成的殘余浪費(fèi)。

1.2 輸送適應(yīng)性

管道輸送適應(yīng)性影響因素包括土質(zhì)、排距、輸送濃度、關(guān)鍵流速及凈正吸入揚(yáng)程等，各因素相互影響、相互制約[4-9]。

1）顆粒粒徑

在排距、輸送管徑和輸送濃度等參數(shù)保持不變的情況下，隨著輸送顆粒粒徑的增大，輸送系統(tǒng)的管路水頭損失會逐漸增大，泥泵可提供水頭則隨之減小。

2） 排距

在顆粒粒徑、輸送濃度等因素確定的條件下，管路水頭損失會隨排距的增加而成比例增加。

3） 濃度

隨著輸送濃度的增大，運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速、功率富裕的泥泵提供的水頭將持續(xù)增大，泥管水頭損失也隨之增大。

4）關(guān)鍵流速和凈正吸入揚(yáng)程

關(guān)于關(guān)鍵流速、凈正吸入揚(yáng)程的計(jì)算方法有很多，此處不再贅述，其影響趨勢基本一致。管道輸送的最佳工作點(diǎn)同時受關(guān)鍵流速和凈正吸入揚(yáng)程的限制，關(guān)鍵流速的限制對應(yīng)該流速下的最小流量，凈正吸入揚(yáng)程限制對應(yīng)該流速下的最大流量。

2 智能疏浚模式下的黃驊港產(chǎn)能分析

選取 2019-08-14—23 期間“航浚6008”輪在黃驊港工程施工數(shù)據(jù)中運(yùn)行比較穩(wěn)定且特征比較明顯的典型數(shù)據(jù)段進(jìn)行分析處理，以2019-08-14T14:52—15:22 段數(shù)據(jù)為例，分析處理結(jié)果見圖1~圖 3。

圖1 原狀土裝艙量和原狀土產(chǎn)量時程曲線Fig.1 Time history curve of situ volume and situ production

圖3 真空度和泵出口排壓時程曲線Fig.3 Time history curve of vacuum degree and pump outlet pressure

圖2 流量和泥漿密度時程曲線Fig.2 Time history curve of flow and specific gravity of slurry

以產(chǎn)量、挖深、濃度、真空、排壓等參數(shù)為評判指標(biāo)，采用逐級篩選的方法，首先選擇裝艙產(chǎn)量比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)段，然后再分別逐級從所選擇的數(shù)據(jù)段中挑選挖深、濃度、真空、排壓、泥泵轉(zhuǎn)速等穩(wěn)定但相異的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并以此作為產(chǎn)量計(jì)算模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)。篩選后，得到穩(wěn)定數(shù)據(jù)（2019-08-14 T14:52—15:22段；2019-08-15T 05:44—06:21 段；2019-08-16 T 03:23—03:59 段；2019-08-16 T 05:47—06:20 段；2019-08-21 T 05:40—06:14 段；2019-08-21 T 08:42—09:15 段）進(jìn)行分析處理。

由圖1~圖3 可知，產(chǎn)量受到挖深、流量、泥漿密度與泥泵特性等因素的影響和制約。該工況條件下，隨著挖深的增加，產(chǎn)量明顯降低；挖深14 m 時，產(chǎn)量可高達(dá)5 000 m3/h，泵出口壓力約0.7×102kPa，真空度接近-0.9×102kPa；挖深14.3 m 時，產(chǎn)量約4 000 m3/h，泥泵出口壓力約0.8 ×102kPa，真空度接近-0.85 ×102kPa；挖深14.4 m時，產(chǎn)量約4 000 m3/h，泥泵出口壓力約0.7 ×102kPa，真空度接近-0.85×102kPa；挖深14.8 m 時，產(chǎn)量約3 000 m3/h，泥泵出口壓力約0.7×102kPa，真空度約-0.7×102kPa。

裝艙開始階段，產(chǎn)量曲線與輸送漿體流量的變化趨勢一致，當(dāng)流量超過4.4 m3/s 后，泥泵受到汽蝕余量限制，由活動罩自動控制器控制耙頭，降低輸送濃度，此時產(chǎn)量開始下降。到4 m3/s 附近時，為進(jìn)一步提高輸送流量，降低輸送濃度，泥漿密度下降，此時產(chǎn)量開始急劇下降。

滿艙作業(yè)時，與裝艙開始階段相同，產(chǎn)量先隨著輸送漿體流量的增大而增大，且該施工段泥泵一直沒有受到汽蝕余量的影響，直到4 m3/s 附近時，為進(jìn)一步提高輸送流量，降低輸送濃度，產(chǎn)量隨流量的增加而下降。

綜上，從裝艙量變化的角度看，最大產(chǎn)量工作點(diǎn)對應(yīng)的流量隨裝艙量的增加而增大，從空艙時候的3.44 m3/s 增大到滿艙時候的4.0 m3/s。

3 黃驊港工藝參數(shù)優(yōu)化與產(chǎn)量計(jì)算

黃驊港工程挖深14～15 m，土質(zhì)為細(xì)粉砂（中值粒徑d50=0.02 mm、干土密度ρsm=1 750 kg/m3）?！昂娇?008”輪裝備威龍耙頭與HRMD 202-43-100 型泥泵（高速325 r/min，低速191 r/min），裝艙管路參數(shù)如表1 所示。

表1 “航浚6008”輪進(jìn)艙管路參數(shù)Table 1 Entering pipeline parameters of ″Hangjun 6008″TSHD

基于2019-08-14 T 14:52—15:22 段；2019-08-15 T 05:44—06:21 段；2019-08-16 T 03:23—03:59 段；2019-08-16 T 05:47 — 06:20 段；2019-08-21 T 08:42—09:15 段施工數(shù)據(jù)，進(jìn)行理論工作點(diǎn)計(jì)算，以14:52—15:22 段理論工作點(diǎn)計(jì)算為例，對比曲線如圖4 所示。

圖4 14:52—15:22 段理論工作點(diǎn)計(jì)算對比曲線Fig.4 Comparison curve of theoretical working point in 14:52—15:22 time period

綜合分析5 個時間段所選施工數(shù)據(jù)可知，隨著施工段的變化，理論工作點(diǎn)也隨之發(fā)生改變；與實(shí)際數(shù)據(jù)分析結(jié)果相吻合，理論工作點(diǎn)對應(yīng)的流量隨裝艙量的增加而增大；空艙時，理論工作點(diǎn)對應(yīng)流量約3.44 m3/s；滿艙時，理論工作點(diǎn)對應(yīng)流量約4.0 m3/s，最大可達(dá)4.4 m3/s。理論工作點(diǎn)對應(yīng)流量與實(shí)際施工數(shù)據(jù)基本吻合，計(jì)算模型及其參數(shù)的選擇符合作業(yè)需求。

根據(jù)實(shí)際施工與模擬計(jì)算分析結(jié)果，對“航浚6008”輪黃驊港工況下的產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算與優(yōu)化分析。如表2 所示，對于滿艙和空艙兩種施工工況，關(guān)鍵流速取0.77 m/s、泥泵轉(zhuǎn)速為191 r/min、航速為3 kn/h，輸送泥漿密度為1 179 kg/m3，平均流速為7.02 m/s，產(chǎn)量可達(dá)3 415 m3/h。

表2 施工參數(shù)優(yōu)化計(jì)算Table 2 Optimization calculation of construction parameters

優(yōu)化后的施工曲線與流量產(chǎn)量曲線如圖5 與圖6 所示。

圖5 施工曲線Fig.5 Construction curve

圖6 流量-產(chǎn)量曲線Fig.6 Flow-production curve

從圖5~圖6 可以看出，原狀土產(chǎn)量隨流量的增加先增大后減小；空艙時的工作點(diǎn)流量為3.4 m3/s，滿艙時的工作點(diǎn)流量為4.3 m3/s；空艙時，低流量階段受汽蝕限制，隨著流量的增加，最大濃度隨之減小，此時產(chǎn)量降低，當(dāng)流量到達(dá)4.4 m3/s 附近，受泥泵功率限制，降低泥泵轉(zhuǎn)速，此時產(chǎn)量急劇下降；滿艙時，泥泵位于水面以下約4 m 深處，泥泵不受汽蝕限制，低流量階段，產(chǎn)量隨流量的增加而增大，當(dāng)流量到達(dá)4.3 m3/s時，受泥泵功率限制，產(chǎn)量開始劇烈下降。從施工數(shù)據(jù)的對比看，施工船舶在4.4～4.5 m3/s 施工的產(chǎn)量數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果非常吻合，驗(yàn)證了計(jì)算方法的合理性。同時，由計(jì)算結(jié)果可知，可降低施工流量，以達(dá)到更高產(chǎn)量。

綜上，黃驊港工程，智能模式下的疏浚產(chǎn)能受濃度、流量、泥泵功率等因素限制，通過控制活動罩與泥泵轉(zhuǎn)速控制流量與濃度，實(shí)現(xiàn)最佳產(chǎn)量。輸送泥漿密度取1 179 kg/m3，平均流速取7.02 m/s，產(chǎn)量可達(dá)3 415 m3/h。

4 結(jié)語

1）基于泥泵水頭、管路水頭損失隨土質(zhì)、排距、管徑、泥漿濃度變化的規(guī)律，及關(guān)鍵流速和凈正吸入揚(yáng)程的限制，泥漿輸送管道設(shè)計(jì)時，根據(jù)施工區(qū)域土質(zhì)信息和排距匹配合理的輸送管道管徑；根據(jù)輸送顆粒粒徑的變化改變輸送濃度以達(dá)到最大產(chǎn)量；同時在提高輸送濃度以追求高產(chǎn)量和高效率時，考慮關(guān)鍵流速和凈正吸入揚(yáng)程的限制。

2）產(chǎn)量受到流量、泥漿密度與泥泵特性等因素的影響和制約。由黃驊工程施工數(shù)據(jù)的處理分析結(jié)果可知，隨著挖深從14 m 增加到14.8 m，產(chǎn)量從5 000 m3/h 降低到3 000 m3/h。產(chǎn)量曲線與輸送漿體流量的變化趨勢基本一致，當(dāng)流量超過4.4 m3/s 后，泥泵受到汽蝕余量限制，由活動罩自動控制器控制耙頭活動罩，降低輸送濃度，此時產(chǎn)量開始下降。到4 m3/s 附近時，為進(jìn)一步提高輸送流量，降低輸送濃度，泥漿密度下降，此時產(chǎn)量開始急劇下降。

3） 通過對“航浚6008”輪在黃驊港工況下的優(yōu)化計(jì)算可得，輸送泥漿密度取1 179 kg/m3，平均流速取7.02 m/s，產(chǎn)量可達(dá)3 415 m3/h。