絞吸挖泥船吸揚系統匹配優化設計

王 煒

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絞吸挖泥船吸揚系統匹配優化設計

王 煒

（長江武漢航道工程局，武漢430014）

絞吸式挖泥船施工土質條件復雜，挖泥船操作人員往往無法選擇正確的吸揚系統施工參數與之匹配，導致能耗高，產量低等問題。本文針對該問題，建立泥泵管線輸送數學模型，提出了工況點自適應調整邏輯算法，開發了以土方量和比能耗為優化目標的最佳工況點尋優軟件，可在對應施工條件下，實現了泥泵管線系統的動態尋優，對現場施工具有實際的指導意義。

絞吸式挖泥船 工況點尋優 節能 復雜土質 吸揚系統

0 引言

挖泥船最優工況點的優化一直是挖泥船疏浚系統的研究熱點，保證挖泥船吸揚系統在最優工況點下進行施工，可顯著降低疏浚成本。僅就泥泵和泥管的輸送能力而言，在確定好泥泵型號和驅動裝置功率后，如果能選取正確的施工參數，與施工現場的排泥管線進行準確的匹配，得到較優工況點，可以顯著提升挖泥船的作業和生產能力[1]。國內外許多學者對挖泥船工況點優化問題進行了一系列研究，陳建國[2]等提出了一種挖泥船施工工況點的測試與選擇的方法,實質上是以疏浚產量最大化為優化目標,以管道、泥泵和柴油機特性為約束條件進行的靜態多約束條件的優化問題。包元平[3]等對系統工況點對挖泥船泥漿管道輸送系統效率的影響進行了比較系統的研究,給出了一些系統工況點優選的指導原則。胡翼元和強耀明[4]等首次提出了利用計算機設算絞吸挖泥船施工工況點的方法,其實質就是利用計算機求解一個多約束的靜態優化問題。本文在前人研究的基礎上，開發了吸揚系統最優工況點動態尋優軟件，能動態獲得最優施工工況點，較好解決了絞吸挖泥船現場施工過程中最優工況點難以及時計算的問題。

1 工況點優化數學模型

絞吸挖泥船吸揚系統最優工況點的優化是通過建立數學模型，對吸揚過程中泥漿特性及阻力損失進行分析，以土方量和比能耗為優化目標，實現現場施工最優工況點動態尋優。

1.1 優化目標

挖泥船泥漿管線系統優化的目的通常分為產量優化和效率優化，產量優化的目標是系統在一定時間內產量最大化，即

而效率優化的目標就是在系統輸送總功率一定的條件下，盡可能減少系統的能量損耗，降低輸送過程中的比能耗，使系統效率達到最大化。

假設泥漿輸送管道總長為米,則總長米管道中泥沙的總質量為

聯立得

1.2 泥泵模型

為了得到一個有效的模型，需要建立一個泥泵模型①以便根據泥泵中混合物的密度P來預測泥泵的排壓Δp。模型的公式原型如下所示：

公式中為了更好的通過管道內混合物的密度來預測泥泵的排壓，引入了泥泵的磨損因子f、固體影響因子f，其中f因土壤類型的不同而不同。ρ是水的密度。由水引起的排壓Δp是混合物流量Q[kg/m3]和泥泵轉速[rpm]的函數，可通過泥泵的特性曲線得出。固體因子f給出了混合物密度對壓頭影響的一種度量。固體因子值為0表示混合物密度對壓頭沒有影響，負值表示密度導致的壓頭低，而正值表示密度導致的壓頭高.

1.3 管路模型

給定性質的流體的各種速度下的壓力差的曲線即為管路特性。為了通過管線輸送泥水混合物需要一定的壓力差。它需由泥泵提供，管路的壓力差有以下幾個因素：

——管路進口與出口之間的高度差；

——加速泥漿需用的壓力；

——管路中的各種阻力，有管路本身的阻力、及整個管線長度內的彎頭、Y 型管、膠管、球接頭和其它部件的阻力。

不同土質、濃度下的管線阻力計算，可以使用與泥泵模型的壓頭相類似的方程式作為管線壓力損失Δpipe,m[Pa]的模型，也就是：

式中：pipe,solids[-]是一個給出了管道中的平均密度對壓力損失產生影響的因子，其影響方式類似于泥泵模型中的pipe,solids因子；pipe[kg/m3]是管道內的平均密度；Δhgeo[m]是管道內的幾何高度差；[m/s2]是重力加速度。由水產生的壓力損失Δpipe,m[Pa]是管道長度[m]、管道直徑[m]，管道摩擦系數λ [-]和混合物流速[m/s]的函數。

管道模型結構根據Jufin-Lopatin的公式建立。文獻（Berg C. H. van den等人，1999年）指出Jufin-Lopatin公式對于管道內的壓力損失做出了很好的預測。利用Jufin-Lopatin公式，可以將平均粒徑d[m]作為fpipe,solids的函數。

式中：crit[m/s]是臨界流速,ρ[kg/m3]是沙的密度。

根據泥泵和管線的特性曲線即可得出不同管線配置、泥泵配置、不同土質、濃度下的工作點，并對以上參數進行調整選擇最佳生產效率下的配置和控制。

1.4 工況點的匹配

泥泵的工況點是由泥泵的壓頭與流量曲線與管路的Q~H 特性曲線的交點決定。可以通過泥泵出廠時的原始泥泵特性計算出不同轉速下的泥泵特性和多臺泥泵串聯時的泥泵的清水特性曲線，管線的特性曲線可根據管路的沿程阻力公式得出。同時國內外專家也都總結出了不同土質的泥泵、管線特性曲線的計算公式，只需根據公式繪出曲線，即可找出對應濃度下的工作點。

不同泥泵轉速下特性曲線的換算公式：

式中：：轉速；：流量；：揚程；：功率。

2 工況點自適應調整邏輯

2.1 流速調整

絞吸挖泥船排泥管輔助決策的目的是提高輸送效率，延長排拒并預防堵管。當管道瞬時流速高于最佳經濟流速，管道阻力損失增加，需反饋至控制系統減少泥泵轉速，降低泥漿流速。當管道瞬時流速低于最佳經濟流速，需反饋至控制系統增加泥泵轉速，增加泥漿流速。

2.2 濃度調整

泥漿濃度參數是工況自適應調關鍵參數，同理，根據管路阻力損失模型，匹配泥泵在不同濃度條件下的特性曲線，計算出最佳工況點，得出最佳輸送濃度范圍。當泥漿濃度高于工況點范圍，泥漿臨界不淤流速過大，而泥泵的能力滿足不了管道輸送的要求時，往往容易發生管道淤堵事故，此時需要降低泥漿的濃度來滿足泥泵的工作需求。當泥漿濃度較低時，挖泥船產量較低，而泥泵的工作能力有富余，此時需增加泥漿的濃度來滿足泥泵的工作需求。

流速和濃度的具體調整邏輯如圖1所示。

3 吸揚系統匹配優化系統實現

在對揚程損失研究的基礎上，開發了吸揚系統優化軟件，進行以產量和比能耗為優化目標的最優工況點動態尋優，軟件初始界面見圖2。

3.1 泥泵管線參數設置

在狀態設置欄中，選擇水下泵、甲板泵1、甲板泵2的類型，同時依據實船管線布置及排泥管線布置情況設定相應的參數，同時依據挖泥船實際工作過程中的濃度范圍（5%～60%）、泥泵轉速范圍（260～350 prm）、管道內泥漿流量范圍（5000～15000 m3/h）設定相應的上下限，同時在環境變量設置欄中根據目前施工工地的實際情況選擇相應的土質類型（中砂）、岸管長度（300 m）、浮管長度（1200 m）、沉管長度（800 m）、排高（6 m），管件數量等依據實船參數進行設置，根據以上參數系統自動推薦最佳的阻力損失模型，通過計算得出該工況下的最佳施工參數組合及相應的泥泵與管線匹配的曲線。

3.2 最佳工況點計算

點擊“計算初始化參數”便可對目前該船初始的施工參數進行計算。

3.3 最佳工況點自適應調整

在如圖3所示的匹配優化系統中，按照絞吸挖泥船管線及泥泵實際工作狀態設定好相應的參數，可以產量最大為優化目標或以單方能耗最小為優化目標進行優化計算，通過對某一濃度范圍、泥泵轉速范圍、管道內泥漿流量范圍內管線與泥泵匹配進行計算。

圖3 泥泵特征分析界面

圖4 施工參數初始化界面

分別得出產量最大或者單方能耗最小情形下的泥泵組合模式、泥泵轉速、最佳的泥漿濃度及產量。以泥泵轉速和泥漿濃度為調整依據，根據本文所述自適應調整邏輯進行調整，達到最佳施工效果。如圖4所示可知當泥漿濃度為17%時，采用雙泵模式進行施工，泥泵轉速為320 r/min，挖泥船具有最高的產量，以上施工數據為實際施工操作提供參考依據。

4 結論

本文通過對泥泵管線工況點匹配及阻力損失系數模型進行分析，開發了以土方量和比能耗為優化目標的最優工況點優化軟件，利用計算機技術，簡化了絞吸挖泥船施工過程中最優工況點尋優的步驟，根據現場工況情況，獲得吸揚系統動態最優工況點，并提出調整方案，為絞吸挖泥船高效節能施工有著重要的指導意義。

[1] 何炎平, 譚家華. 絞吸挖泥船泥泵運行參數配置分析[J]. 中國港灣建設, 2010, (2) :5-7.

[2] 陳建國. 絞吸挖泥船施工工況點的測試與選擇[J]. 上海航道科技, 1991, (4):45-50.

[3] 包元平. 提高絞吸挖泥船生產效率的探討[J]. 水運工程, 2000, (6):27-32.

[4] 胡翼元, 強耀明. 利用計算機設算絞吸挖泥船施工工況[J]. 水運工程, 1994, (1):43-48.

Dynamic Optimization Design of Suction-lifting System for Cutter Suction Dredger

Wang Wei

(Wuhan Waterway Engineering Bureau, Wuhan 430014, China)

U615

A

1003-4862（2017）09-0059-04

2017-06-15

王煒(1977-)，男，高級工程師。研究方向：疏浚船舶管理。