絞吸挖泥船泥沙輸送系統計算分析軟件開發研究

李銘志， 何炎平、2， 劉亞東、2， 黃 超

(1．上海交通大學 海洋工程國家重點試驗室，上海 200240； 2．高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200120)

絞吸挖泥船泥沙輸送系統計算分析軟件開發研究

李銘志1， 何炎平1、2， 劉亞東1、2， 黃 超1

(1．上海交通大學 海洋工程國家重點試驗室，上海 200240； 2．高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200120)

分析了絞吸挖泥船泥沙輸送系統設計工作者、施工管理人員和施工操作者等相關人員對泥沙輸送系統計算分析功能的需求，據此制定并模塊化軟件的主要功能，給出了基于船舶數據庫、以工程項目為主導、工作點計算和優化為核心、計算工具和數據管理為輔助的絞吸挖泥船泥沙輸送系統計算分析軟件結構框架，提出了3級區域劃分的人性化界面方案，介紹了該軟件中多種計算方法及其計算結果比較分析、項目便捷管理、參數設置和數據管理等關鍵技術的實現方法。軟件結構清晰，易于軟件升級和功能擴展，軟件界面簡潔、層次分明、表達形式多樣、表述詳細具體、能夠滿足多方使用需求，便于使用。

泥沙； 管道輸送； 絞吸挖泥船； 軟件開發

0 引 言

泥沙管道輸送不同于其他輸送方式，不需要裝載、卸載等工序，即無需因此中斷輸送作業，不受天氣、地理等因素的限制，可以實現不間斷全天候地連續運行，因此相對更加高效、經濟。同時，由于管道的封閉性，使得管道輸送更加環保。另外，管道系統施工方便，對配套設施的要求低。因此，泥沙管道輸送長久以來受到疏浚業界的廣泛應用和大力推廣。到20世紀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。絞吸挖泥船就是泥沙管道輸送在疏浚行業中的最成功應用的案例之一，目前國內大小絞吸挖泥船近百艘，每年管道泥沙輸送系統消耗的燃油達數百萬t。

近幾年，每年的全球疏浚量高達到數十億m3，所產生的經濟總量達上百億美元[1]，僅我國沿海，疏浚需求就達六七億m3，市場規模達幾十億美元[2]。挖泥船市場頻頻告急，各大疏浚公司都在建造更大型的絞吸挖泥船。

另外，由于國內挖泥船的相關研發起步較晚，技術水平相對于發達國家，甚至國內主流船型都還有一定差距，因此挖泥船中能量消耗占80%以上的泥沙輸送系統的優化設計與控制還有較大的改進空間和經濟性潛力。另一方面，隨著計算機技術的發展，以及自動化技術在船舶行業，尤其工程船舶上的廣泛應用，為絞吸挖泥船及其管道輸送系統的優化控制提供了技術基礎。

如果能夠通過技術手段使得絞吸挖泥船燃油消耗稍有降低，在每年疏浚業如此龐大的燃油消耗及其所產生經濟總量的基數上，無論多小的改進都將產生巨大的節約，即使是1%的能耗提升，也將節省燃油數萬t，獲利上億元人民幣。

優化控制的前提是能夠準確的計算和分析各種施工條件下挖泥船關鍵設備的運行狀況和產量效率等關鍵參數，為此，上海交通大學船舶設計研究所開發了“絞吸挖泥船泥沙輸送系統優化分析軟件”作為基礎平臺，供挖泥船設計人員，施工設計人員，操縱人員和優化控制軟件開發人員參考和使用。

1 功能需求

軟件主要面向絞吸挖泥船泥沙輸送系統設計人員、疏浚項目施工設計人員，絞吸挖泥船操縱人員和泥沙輸送系統優化控制相關研究人員，為他們提供相關的服務和參考。

為此，從軟件開發前的功能需求到項目結題的評審會議，軟件開發過程中間多次和使用人員交流修改，總結各方用戶對軟件功能的需求。

1.1 絞吸挖泥船泥沙輸送系統設計人員需求

(1) 不同設計工況(土質、排距、挖深、排高等)在其特定的動力配置(泥泵配置)情況下，不同規格的輸送管道對產量和能效的影響；

(2) 不同規格、型號的泥泵在不同工況能夠提供的排壓及其效率、轉速等性能情況；

(3 不同土質，不同濃度和不同流速對管道阻力、泥泵性能的影響。

1.2 疏浚工程施工設計人員需求

(1) 特定施工條件(排距、排高、挖深、管線坡度等)、環境參數(溫度、水密度、大氣壓等)，不同輸送路線、不同規格管道及其配置(不同段配不同規格和不同形式的管道，比如海上配塑料浮管、陸上埋設大管徑鋼管)的產量和能效情況；

(2) 施工條件下，使用不同挖泥船時的產量和能效情況。

1.3 挖泥船操縱人員需求

(1) 在施工條件下，如何操縱挖泥船(開幾臺泥泵，每臺泥泵多少轉速)使其達到產量最大(或者效率最高)；

(2) 在施工條件下，如何操縱才能避免危險(汽蝕，水錘)。

1.4 泥沙輸送系統優化控制研究人員需求

(1) 土質，濃度及流速等施工參數對管道阻力、泥泵性能的影響；

(2) 挖深、排高、管路規格等參數對管路阻力的影響；

(3) 各種施工條件下汽蝕、水錘、堵管等危險情況的邊界條件；

(4) 提供管道阻力、關鍵流速等核心計算方法，并能就當前使用較多的和最新提出的算法之計算結果進行比較分析。

2 模塊劃分

綜合各方用戶對軟件的功能需求可見：首先，不同施工條件下各關鍵設備的運行狀態和系統的產量、效率分析是所有使用人員最為關心的功能，因此，軟件系統必須能夠直觀、準確的呈現泥沙輸送系統的流量、排壓、產量、效率以及關鍵設備的性能參數，例如泥泵的排壓、轉速、效率等。能夠給出各關鍵設備在各施工工況下的性能曲線和工作曲線。包括在各種施工土質、輸送濃度和環境條件下的泥泵排壓曲線、軸功率曲線、效率曲線、凈正吸入揚程曲線、泥管阻力曲線以及工作點產量、流量、泥泵排壓、效率等信息。

其次，軟件系統能夠就設定工況進行優化，給出最大產量和最經濟施工曲線及相應的泥泵運行參數和管路阻力特性等。

另外，軟件系統還要能夠詳細的給出本軟件相關的當前使用較多的和最新提出的核心計算分析方法(比如管道阻力計算、土質分析、關鍵流速計算、泵性能分析等)，并能從界面上直接選擇相關算法進行計算分析，計算分析結果能夠直觀顯示，尤其多種算法的計算結果能夠在同一界面顯示，以便比較分析。

除此之外，軟件系統應該具備一定的管理功能，包括各種公用數據、施工項目數據、船舶參數等。

為了使得軟件結構清晰，使用方便，軟件的功能模塊劃分如下：

(1) 項目管理模塊。項目管理模塊實現對疏浚施工項目的管理，包括新建、刪除、復制、項目參數修改等。客戶使用過程中，最好有符合其公司的項目參數命名的標準，統一的命名規則會提升管理的效率。

(2) 參數設置模塊。為了方便操作，避免重復手動輸入，軟件需提供參數設置功能，包括船舶參數(包括泥泵數量、泥泵型號、管路長度、管路管徑等)、環境參數(水溫、氣壓、水密度等)、土質參數(包括粒徑、級配、顆粒密度等)和工況參數(包括管道參數、排距、輸送濃度、局部損失系數等)。

(3) 計算分析模塊。主要包括下面幾個方面：①泵特性曲線計算。包括功率曲線、排壓曲線、揚程曲線(基于離心泵[3]提供King[4]、Schiller[5]、Fairbank[6]等人公開發表的離心泵輸送漿體水頭修正方法)、效率曲線、凈正吸入揚程曲線(基于文獻[5]所發表的公式)；②管阻曲線的計算(管阻計算采用本單位自主開發的計算方法，并提供采用王紹周[8]、Durand[9]、Wasp[10]、Turian[11]、Wilson[12]、[13]、Miedima[14]、[15]等人公開發表算法的計算工具，可實現多種計算方法相互比較分析、參考印證功能)；③工作點分析。包括產量、流速、各個泵的運行特性；④優化分析。包括最大產量分析和最大效率分析。

(4) 計算結果顯示模塊。提供多種算法計算結果、多種工況施工分析結果、多種動力配置施工情況等各種曲線的對比分析界面。

(5) 實用工具模塊。提供輔助設計功能模塊實現對軟件計算分析過程中所涉及各種計算方法的解釋和對絞吸挖泥船施工中關鍵工藝技術的指導功能。主要包括體積濃度分析、原狀土分析、關鍵流速分析、泵性能曲線分析、氣化壓力分析、呼吸閥計算、排水口設計、水上浮管受力計算和局部水頭損失系數等。

(6) 數據管理模塊。提供對土質、泥泵、閘閥等公共數據和營運船舶的泥沙輸送系統相關參數的管理功能。

(7) 幫助模塊。為客戶提供軟件使用、計算方法說明等方面的幫助。

3 系統結構框架

基于功能需求分析，軟件系統分為四個大的部分：

(1) 主程序部分。實現各個施工項目、船舶項目的管理功能，包括新建、復制、粘貼及相關參數設置等；實現施工項目所有工況的優化計算分析和結果比較分析及顯示說明功能。

(2) 實用工具部分。實現泥沙輸送系統關鍵流速分析、泵性能曲線分析、氣化壓力分析、漿體體積濃度分析、原狀土分析、呼吸閥計算、排水口設計和局部水頭損失系數顯示等輔助分析功能。

(3) 公共數據管理部分。實現土質數據、船舶參數、泵性能數據和閘閥參數等公用數據的管理功能。

(4) 幫助部分。幫助了解本軟件操作方法和計算方法。

其系統結構框架如圖1所示。其中公共資料庫包括存儲公用數據的公共數據庫文件和存儲項目數據的項目數據庫模板文件。公共數據主要指本項目施工區域或常見施工區域的土質數據、管理單位的船舶數據、常用泥泵數據和典型呼吸閥數據等。

圖1 系統結構圖

項目資料庫包括所有需要計算或者已經計算完成的各項目數據。

4 界面設計

本系統選用面向對象程序設計語言Visual Basic以及同屬微軟公司開發的ACCESS數據庫作為實現工具。主要運行界面如圖2所示。

本系統所有界面采用如圖所示的3級模式，第1級為用Menu控件實現7大功能模塊的選擇；第2和第3級都采用TabControl控件，用其TabPages集合的Visible屬性實現與上級選項的聯動功能。

5 實現方法

(1) 多種計算方法及其計算結果比較分析功能的實現。如圖2所示，在“工況設置”界面，可以對任意一段管路、泥泵選擇不同的計算方法。同樣，在關鍵流速計算、土質分析等操縱界面都有類似的下拉組合框供選擇對應的算法，并且提供了各種計算方法的說明界面。

在“結果顯示”菜單對應的2級區域設置TreeView控件，并設置其CheckBoxes屬性為True，節點名稱采用工況名，在選擇復選框時，對應工況的工作曲線將顯示在3級區域，這樣就實現了直觀比較的功能。

(2) 項目便捷管理功能的實現。本系統設置一個用于文檔存儲的文件夾，文件夾中包含一個用來存儲公共數據和文件模板的以Module文件夾，及分別以每個項目編號為名稱的用以存儲其設置參數、計算結果等項目信息文件的文件夾。

以項目號命名的文件夾中包含一個存放項目數據的ACCESS 數據庫和一個設置項目編號、項目名稱等項目信息的txt文本文件。

圖2 系統界面

每次軟件打開都會根據項目文件夾的名稱更改txt文本文件中的項目編號，項目管理功能里也可以通過修改項目編號直接修改文件夾名稱和txt文本文檔中的項目編號，因此，用戶可以直接通過復制一個項目文件夾，并修改其名稱，實現對一個項目的復制和重新命名。

(3) 大量參數設置界面的實現。本系統參數設置界面同樣采用3級模式，第1級為菜單欄“參數設置”菜單；第2級采用TabControl控件，用其TabPages集合(包括船舶參數設置、環境參數設置、土質參數設置和工況設置4項)的Visible屬性實現與上級選項的聯動功能；第3級同樣采用TabControl控件，實現具體參數的設置、計算方法的說明、每個參數物理意義的解釋說明等功能。

(4) 數據管理功能的實現。本系統對泥泵、土質、閘閥等公共數據和每個施工項目的各種工況分別設置了不同級別的數據庫，在軟件當中通過設備型號調用公共數據庫中的設備性能參數，通過土質名稱調用土質參數，通過船號調用船舶參數，而項目數據庫中只包括船名、每個船舶只設置泥泵個數和型號等參數，而每個項目的每種工況只調用船號，設置排管、水溫、氣壓等參數。

這種數據分級的結構大大減少了手工輸入數據的工作量，也減少了可能因此導致的錯誤，同時使得軟件界面更加簡潔明了。

6 結 語

本軟件設計的目標性明確，開發過程中與使用者密切聯系和交流，再加上簡單人性化的操作界面和軟件內部的智能化處理，使得軟件使用人員在不經過軟件培訓的情況下即可正常使用。

目前軟件已經在船舶設計和疏浚工程規劃方面得到了大量應用，并在巴西工程、香港工程等多個疏浚項目中得到了實際驗證，尤其泥沙管道輸送阻力的計算在上海機場工程中得到了詳細的多工況實驗驗證[5]。

另外，軟件框架結構和數據結構層次劃分詳細分明，為軟件的升級和維護打下了良好的基礎。

[1] 北京智研科信公司. 2016-2022年中國疏浚工程市場調查與行業前景預測報告[EB/OL]. http://www.ibaogao.com/baogao/12101C0062015.html.

[2] 中國港口網. 多因素驅動我國疏浚工程行業發展 疏浚總量將超40億立方米[EB/OL]. http://www.zgsyb.com/html/channel/2014/08/2831018.html.

[3] Bajawi H Y, Salim B, Suhibani Z. Performance of a centrifugal slurry pump[J]. Research Journal of Applied Sciences Engineering & Technology, 2014, 7(8).

[4] King R P. Introduction to Practical Fluid Flow[M]. Butterworth-Heinemann, Burlington, 2002.

[5] Schiller R E，Herbich J B. Handbook of Dredging [M]. McGraw-Hill, New York, 1991.

[6] Fairbank L C. Pipe-line flow of solids in suspension: A symposium: Effect on the characteristics of centrifugal pumps[J]. Transactions of the American Society of Civil Engineers, 2014, 107:1564-1575.

[7] de Bree Ir S E M. Dredging pipelines and pumps [J]. Ports and Dredging，1975(80): 4-9.

[8] 王紹周. 粒裝物料的漿體管道輸送[M]. 北京：海洋出版社，1998: 64-66.

[9] Durand R. The Hydraulic Transportation of Coal and Other Materials in Pipes [M]. Collage of National Coal Board, London, Nov. 1952.

[10] Wasp E J, Kenny J P, Gandhi R L. Soild-liquid Flow Slurry Pipeline Transportation[M]. Trans. Tech. Publications，1977.

[11] Turian R M, Yuan Tran-Fu. Flow of slurries in pipelines [J]. J Amer Inst Chem Angrs, 1977(3): 232-242.

[12] Wilson K C, Clift R, Sellgren A. Operating points for pipelines carrying concentrated heterogeneous slurries[J]. Powder Technology, 2002 (1):19-24.

[13] Wilson K C, Addie G R, Sellgren A,etal. Slurry Transport Using Centrifugal Pumps[M]. Springer Science and Business Media, Inc., 2004.

[14] Miedema S A. A head loss model for homogeneous slurry transport for medium sized particles[J]. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 2016 (1):1-12.

[15] Miedema S A. The heterogeneous to homogeneous transition for slurry flow in pipes[J]. Ocean Engineering, 2016(123):422-431.

[16] 李銘志，何炎平，韓 政，等.泥沙輸送計算方法探討[J]. 水運工程，2014(5): 38-42.

DevelopmentofCalculationandAnalysissoftwareforCSDSlurryTransportationSystem

LIMingzhi1,HEYanping1、2,LIUYadong1、2,HUANGChao1

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China；2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200120, China)

The function requirement of calculation software, which is designed for cuter suction dredge (CSD) system, is analyzed in this issue for designers, operators and other relative people, respectively. The major function is determined and modularized. The project guiding structure of the software is putted forward based on database. The software framework constitutes of project management, computing, supporting tools, database managements and so on. The interface composed by triplex district is proposed for easy manipulation and increasing humanization. And the implementation of the comparative analysis of the results of various calculation methods is given, and projects management, data setting and management are illustrated. The precision and the applicability of the software have been proved by its practice data.

grads solid; pipeline transportation; cuter suction dredge; software development

U 616+.21

A

1006-7167(2017)11-0126-04

2016-11-08

海洋工程國家重點試驗室自主研究課題(GKZD010068)

李銘志(1983-)，男，寧夏西吉人，博士生，主要從事挖泥船疏浚系統優化方面的研究。

Tel.:15921227897;E-mail:Limz_2008@sjtu.edu.cn