挖泥船泥沙輸送系統的參數匹配問題

李銘志，何炎平，諸葛瑋，黃超

（1.上海交通大學，海洋工程國家重點試驗室，上海 200240；2.中港疏浚有限公司，上海 200120）

從19世紀第一批配離心泵的吸泥船誕生以來，這種可以不間斷工作的泥沙輸送方式以其高效、經濟和節能的特點得到了大力推廣，到50年代后期，泥沙管道輸送已經占據了疏浚工程的大部分市場。但是，嚴格的說，無論是高效還是經濟，都要建立在科學的系統設計和恰當的操控基礎之上。

泥沙管道輸送系統是非常龐大繁雜的系統，包含諸多機械設備，涉及數個學術領域。這個系統不單因為符合“木桶理論”會因受到某個因素的限制而大大降低其經濟性，而且其各個參數都因輸送介質（尤其指顆粒粒徑和輸送濃度）的變化而變化，即其經濟性隨輸送介質的變化而波動。

因此，在系統設計之初就要考慮在典型工況或者最常用工況下的參數匹配，并兼顧其它工作范圍，在施工操作階段要根據施工環境恰當地調節各設備的運行狀態，達到最大產量或者最高效率。要實現這些要求，不僅要了解不同施工條件對各主要設備及其運行參數的要求，還必須熟知各參數之間的約束關系。

以下將詳細的介紹泥沙管道輸送系統的主要設備及其關鍵參數，分析各參數之間的最佳匹配方案。

1 關鍵設備及其性能參數

1.1 泥泵

泥泵是泥沙管道輸送系統最核心的設備，是整個系統水動力的直接提供者。泥泵的主要性能參數包括揚程、效率、轉速和功率等，各參數都和輸送泥漿參數緊密相關，不同的濃度，不同的顆粒級配都影響泥泵的排壓和效率。另外，吸入泵的設計中還需保證凈正吸入揚程。圖1為一典型泥泵的無量綱清水特性曲線。

圖1 典型泥泵特性曲線Fig.1 The characteristic curve of centrifugalpum p

用該泵輸送顆粒中值粒徑d50=0.3mm，顆粒密度ρs=2 650 kg/m3的中砂，輸送漿體體積濃度C=0.2，取液體運動黏度v=1.146×10-6m2/s，液體密度ρ=1 025 kg/m3，在轉速n=340 r/min，n=320 r/min和n=300 r/min三種狀態下的特性曲線如圖2。

圖2 泥泵輸送中砂特性曲線Fig.2 The characteristic curveof themedium grained sand in centrifugalpum p transportation

從圖2可以看出，在特定的工況（顆粒、濃度）下，不同的轉速都對應一個效率最高點（ Best efficiency point，簡稱 BEP）。

1.2 驅動設備

1）柴油機：柴油機驅動因為不需要能量轉換中間環節而具有很高的經濟性，是挖泥船艙內泵驅動的主要方式。

柴油機的主要性能參數包括額定功率（有效功率）、機械效率、額定轉速、燃油消耗率、滑油消耗率等，參數匹配主要考慮前三者與被驅動設備之間的匹配。另外，恒轉矩工作范圍也是系統關心的主要參數。柴油機的典型負載特性曲線如圖 3 所示[1]。

圖3 柴油機特性曲線Fig.3 The characteristic curve of dieselengine

線AC是調試特性曲線，在該階段運行時，柴油機受調速器控制，限制其轉速在額定轉速附近，做發電機的驅動設備時一般運行在該區域。

線AB是全負荷特性曲線，一般而言，轉矩高于額定轉矩。

線AE是等轉矩限制曲線，也是作為泥泵驅動時的理想工作曲線。

線BD是等排煙溫度限制曲線，在該曲線附近，由于燃燒不完全，柴油機開始冒黑煙。

ABDFH區域是柴油機的持續運行范圍，額定點A點附近是具有恒扭矩特性的泥泵驅動柴油機最經濟運行區域。

2）變頻電機：隨著電力電子技術，尤其是高功率晶閘管的開發利用，變頻驅動方式在疏浚業乃至船舶業都得到了廣泛應用，尤其是水下泥泵的驅動。變頻驅動特性曲線如圖4。

AB線是恒功率曲線，作泥泵驅動時，一般保持在額定轉速120%范圍內。

AF線是額定轉矩曲線，可以達到額定轉速的10%～100%。

ACEF是電機的持續運行范圍，ABDC區域作為長排距時的工作區域。

圖4 變頻電機特性曲線Fig.4 The characteristic curveofvariable frequencymotor

從工作范圍可以明顯看出變頻驅動的優勢。另外，其低速啟動相對柴油機驅動減少了汽蝕、水擊對泥泵的傷害和不完全燃燒對柴油機的損壞。當然，變頻驅動在增加了設備的同時也增加了復雜電路造成的損耗，其經濟性要根據實際情況加以評估。

1.3 管路

管路參數包括管長L、管徑D和粗糙度k，不同的管徑、管長或粗糙度都對應不同的阻力特性。由于粗糙度k隨輸送漿體的不斷磨擦會有相應的變化，而且相對于前兩者對阻力的影響是小量，因此在特性匹配中主要關注前兩者。圖5為不同管徑和不同管長在輸送前文所述泥漿時的阻力特性。

圖5 阻力特性曲線Fig.5 The resistance characteristic curve

2 各設備性能參數匹配

2.1 泥泵與管路參數的匹配

泥泵和管路匹配的理想狀態是：①泥泵在典型工況（設計工況）工作點的效率最高；②管路阻力在典型工況工作點附近為最小。

1）泥泵和管路匹配的約束條件

①泥泵的有效汽蝕余量NPSHA要大于其汽蝕余量NPSHR，否則，泵易被汽蝕。NPSHR由泵本身的設計決定，NPSHA由式（1）計算[2]。

式中：a為泵安裝高度；α，ξ分別為管道吸口和其它局部損失系數；Vz為吸口段管道流速；Lz為吸口段管道長；w100為吸口段管道每100 m水頭損失；z為吸口深（挖深）；P0為大氣壓強；Pair為水氣化壓強；Sm為泥漿比重。

②工作點流量Qopt要大于臨界流速對應的流量Qmin，設計中一般取5%到10%不等的安全余量，否則易形成堵管。Qmin可按式（2）計算[3-4]。

根據以上條件，在泥泵匹配時，效率最高點選擇在典型工況工作點附近，理想功率（未計入泥泵效率）可以用式（3）計算。

式中：Hopt為典型工況工作點的揚程；ρm為泥漿密度。

2）泥泵和管路匹配設計的關鍵點

①產量和經濟性保證：產量的保證在于管徑的選擇，經濟性保證主要靠控制泥漿的濃度，一般隨泥漿濃度的上升，每度電產量隨之增大，直到其最大值，即為經濟濃度。同時，泥漿濃度的上升會導致管阻的上升，如果泥泵受到驅動端額定功率的限制，工作點流量可能會因此減小，這時必須考慮工作點流量相對于臨界流速的安全余量。如果設計工作點Qopt在經濟濃度附近，系統的經濟性最好。

②吸入泵汽蝕和吸口段堵管的矛盾：這種矛盾通常出現在不配水下泥泵的耙吸挖泥船和絞吸挖泥船的設計和施工中。為了通過降低吸入段管阻以防止汽蝕發生，一般選取管徑比排出段管徑略大的管道作為吸入段管以降低流速，減小管阻。但大管徑同時提高了臨界流速，如果流速低于臨界流速又會堵管。IHC建議800 mm及以下管增加50 mm做吸入段管；800 mm以上管增加100 mm做吸入段管[2]。

③泥漿參數的波動和泥泵的穩定運行：泥漿管道輸送，尤其是挖泥作業過程中，泥漿的顆粒大小和體積濃度都不是恒定不變的，而且，這些波動對管阻的影響非常明顯，因此設計工作點最好在泥泵的恒轉矩區。因為恒轉矩區管阻的波動引起的流量變化要比調速區（恒轉速）小得多。圖6為某系統不同體積濃度時的特性曲線。

圖6 不同濃度漿體的特性曲線Fig.6 The characteristic curve of the slurry w ith different concentration

圖6 所示系統的經濟濃度是0.4（泥沙疏松堆積密度2 000 kg/m3、漿體比重1.4），在此工況下系統工作點流量Qopt大約在臨界流速決定的最小流速Qmin的120%和汽蝕限制的最大流速Qmax的80%處，在滿負荷點流量的105%附近，無論是安全性、經濟性還是穩定性都非常好。

2.2 驅動裝置與泥泵的匹配

驅動裝置與泥泵的匹配主要考慮功率、轉速、效率和工作區間等參數的匹配。

1）功率匹配：對于耙吸挖泥船，一般都采用一拖三（泥泵、推進器、發電機）的形式，功率匹配根據各種不同工況三者各自的使用系數來確定。對于絞吸挖泥船，在驅動裝置與泥泵功率匹配設計中，目前有兩種傾向，一種是考慮柴油機老化造成的功率降低和疏浚作業時負荷的波動，采取犧牲經濟性保留部分功率儲備的做法[5]，另一種是具有恒轉矩功能柴油機驅動泥泵時，其額定功率和泥泵額定功率之間僅相差傳動效率對應的損耗，因此并不需要為柴油機保留儲備功率，在機器老舊后根據實際情況采取縮短排距、修整泥泵葉輪或者在管路加設移動泵站等措施提高系統經濟性。本文推薦后者，雖然需要中途維護，但是其經濟性一般會比前者好很多。

2）轉速：驅動裝置的額定轉速一般都比泥泵轉速大很多，目前都采用加設變速箱的結構實現。在柴油機驅動泥泵系統中，為了盡可能提高系統使用效率和工作范圍，變速箱可采用雙變速比。

第一變速比i1等于柴油機額定轉速nDN與泥泵額定轉速nPN之比，即：

第二變速比的設定需根據整個系統的動力分配和工況設置確定。例如，耙吸挖泥船的泥泵低速運行主要是針對挖泥工作時，此時輸送系統的水頭損失相對較小，同時作業需要螺旋槳的推動和發電機為輔助設備供電，因此一個驅動柴油機同時帶發電機、螺旋槳和泥泵，而當艏吹時，一般不需要螺旋槳工作，因此柴油機功率富裕，而且往往排距較遠，水頭損失相對較大，則用高速或者高低速串聯運行。而對于絞吸式挖泥船的高速狀態，則主要是應對低速運行的泥泵已經無法滿足穩定輸送要求的狀況，即長排距的工況。下面以這兩種疏浚船為例說明第二變速比i2的設定方法。

①絞吸挖泥船：主要考慮長排距典型工況下的臨界流速限制（一般長排距工況的設置都只是輸送細顆粒泥沙，臨界流速較小）、泥泵凈正吸入揚程限制（配水下泵的絞吸船一般都不存在這個問題）和考慮柴油機運行效率，一般選驅動低速泥泵的柴油機功率富裕20%時切換為高速（該點也是大多數具有恒轉矩特性柴油機驅動泥泵高速恒轉矩運行的冒煙點），運行曲線如圖7。

對應第二變速比i2為：

②耙吸挖泥船：主要考慮功率分配，即典型工況泥泵的功率限制，尤其是在挖泥工作中，同時兼顧高低速運行時泥泵的效率及高低速搭配運行時的覆蓋范圍。實際施工中，由于艏吹施工時螺旋槳不工作而柴油機功率保持富裕，因此第二變速比i2的選取相對不受第一變速比i1的影響，轉速相差可以達到40%以上。

3）工作區間及其效率：柴油機的效率在全負荷點能發揮其全部能力，但因實際工作時存在負荷波動，一般運行在恒轉矩工作區間比較合適，此時系統將運行在高效狀態。另外，在長排距時需要提高泥泵的轉速。

2.3 多級泥泵之間性能的匹配

現代大型挖泥船為了能提高使用范圍，都具備多個泥泵串聯運行的功能。比較典型的大型絞吸挖泥船配備1個水下泥泵和2個艙內泥泵。根據工程所需排距、土質等因素選擇多泵搭配運行。由于要配合運行，各泵必須在性能上互相匹配，達到高效、穩定和經濟。主要體現在以下兩點：

1）系統的經濟性要求各泵在典型工況工作時都運行于效率最高區域。

2）系統穩定性要求各泵在典型工況的工作點都位于恒轉矩區域。

為了滿足以上兩點的要求，趨勢是船舶配置的泥泵采用同一系列的泥泵（無量綱曲線為同一曲線）。另外，為了使系統能夠在整個工作區間高效穩定工作，其高低速泵（例如艙內泵和水下泵）最大運行轉速和最大驅動功率需滿足式（6）。

式中：PNd為高速泵最大驅動功率；PNw為低速泵最大驅動功率；nNd為高速泵最大運行轉速；nNw為低速泵最大運行轉速。

圖8顯示了典型兩臺泵高低速性能曲線和搭配運行情況。

圖8 2臺泥泵高低速搭配運行水頭曲線Fig.8 Thewater head curve in the operation of high and low centrifugalpumps

從圖8可以看出，采用雙速變速箱的驅動系統，可以覆蓋更廣的工作范圍，大大提高挖泥船的適應能力。

3 結語

設計之初對典型工況下各重要設備參數的匹配方案決定泥沙管道輸送系統的運行效率，合理匹配各設備的參數，能大大提高系統的經濟性。

當運行工況在典型工況附近波動時，通過調整輸送濃度，可以達到較高的經濟性。

在工況條件大幅度偏離典型工況或者設備老舊導致其運行情況嚴重偏離設計狀態等非正常情況下，應該通過縮短排距、修整泥泵葉輪或者在管路加設移動泵站等措施重新調整系統的運行參數，使其達到經濟高效。

[1] 李斌.船舶柴油機[M].大連：大連海事大學出版社，2008.LIBin.Marine diesel engine[M].Dalian:Dalian Maritime University Press,2008.

[2] DE BREE Ir SEM.Dredging pipelines and pumps[J].Ports and Dredging,1975(80):4-9.

[3]DURANDR.The hydraulic transportation of coal and othermaterials in pipes[M].London:CollageofNationalCoal Board,1952.

[4]SCHILLER R E,HERBICH JB.Handbook of dredging[M].New York:McGraw-Hill,1991.

[5] 何炎平，饒維生，楊劍濤，等.絞吸式挖泥船泥泵運行參數配置分析[J].中國港灣建設，2010（5）：50-53.HEYan-ping,RAOWei-sheng,YANG Jian-tao,etal.Analysison thepumps′runningparametersofCSD[J].ChinaHarbourEngineering,2010(5):50-53.