絞吸船吹填中粗砂泥泵節能運行轉速

李 晟，楊 杰

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

中粗砂為疏浚吹填工程常見土質，采用管道水力輸送時，較淤泥、粉土、黏土等細顆粒土質，其管道沿程阻力提升明顯；同時受較大的土顆粒密度和粒徑影響，管道水力輸送時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。常用的管道輸送阻力計算公式多適用于混合均勻泥漿，對于中粗砂水力輸送，其計算結果與實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算。

大型絞吸船吹填中粗砂施工，須采用最經濟的輸送施工參數并匹配合理的泥泵機組轉速組合，實現高效、節能輸送施工。因此須根據中粗砂管道阻力特性和泥泵機組性能計算最優輸送工況點，并以最優輸送工況點為基礎進行不同泥泵機組轉速組合的能效分析，確定經濟節能的泥泵機組運行轉速。

福建漳州古雷煉化一體化項目主廠區場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參數和大型絞吸船輸送施工參數，進行泥泵機組最優運行轉速的計算與分析。

1 工程概況

福建漳州古雷煉化一體化項目主廠區場地增填砂工程位于福建省漳州市南部沿海的東山灣內，吹填土質為中粗砂，由砂船拋填至指定拋砂區，再由大型絞吸船吹填至指定區域，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臺泥泵。施工現場典型中粗砂見圖1，大型絞吸船施工情況見圖2。

圖1 施工土質-中粗砂

圖2 大型絞吸船現場施工情況

施工現場對中粗砂進行取樣并作顆分測試，結果見表1。

表1 古雷砂樣特征粒徑

根據現場踏勘，該項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數據進行相關計算和分析。根據砂樣級配曲線，砂粒徑主要分布于0.10～3.00 mm，中值粒徑為0.38 mm，參照JTJ 319—1999《疏浚工程技術規范》,該項目中粗砂主要物理特性指標取值采用插值法確定，見表2。

表2 古雷增砂項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，根據以往類似工程施工經驗，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方能有效發揮大型絞吸船泥泵機組的輸送能力，滿足長距離安全、高效和節能輸送施工要求。

2 構建中粗砂泥漿水力輸送計算模型

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為泥泵泥漿揚程(m);Hw為泥泵清水揚程(m)；KH為土質換算系數;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為與船舶管路相關的綜合摩阻系數；Ld2為水上、水下、陸上鋼質排泥管長度(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)局部阻力水頭系數總和，彎管、三通、橡膠管等均作管路附件，不計沿程水頭損失；K為泥漿阻力系數與清水阻力系數之比值；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為試驗系數，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)。

根據能量消耗原理，即泥泵機組產生的揚程等于泥漿輸送消耗的揚程，可計算泥泵轉速、泥漿流速、泥漿濃度以及管線長度等輸送施工參數。在實際應用中，上述理論公式計算結果與實際施工參數存在一定誤差。本文主要根據實際施工數據進行泥泵特性、管道阻力特性的修正和模擬，建立能描述泥泵機組實際輸送性能和管道實際輸送阻力的計算模型。

2.2 模型公式基本形式

2.2.1泥泵揚程特性公式

根據式(1)，經典泥泵揚程的計算公式包含2部分：第1部分為泥泵清水揚程，可根據泥泵清水特性公式進行計算；第2部分為泥漿揚程系數，與泥漿密度呈線性關系。在實際應用中，傳統的泥漿揚程系數難以準確描述泥泵實際產生的揚程，故須根據實際施工數據進行擬合，其計算因子為泥漿密度ρm，確定的泥泵揚程特性公式如下：

Hm=Hwf(ρm)

(4)

2.2.2管路總耗用泥漿水頭公式

根據式(2)、(3)，在既定的管路條件、土質物理特性、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，因此根據規范公式，管路總耗用泥漿水頭公式可簡化為：

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”輪施工參數進行模型公式的擬合計算。

2.3.1泥泵揚程特性公式擬合

“新海豚2”輪在施工期間采用3泵串聯施工，故分別對各泵的揚程特性公式進行擬合。根據實際施工參數確定的泥漿揚程系數見表3。

表3 “新海豚2”輪泥泵揚程系數f(ρm)

續表3

泥漿流速∕(m·s-1)泥漿密度∕(t·m-3)揚程∕m揚程系數水下泵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泵串聯施工；水下泵轉速243 rmin；1#泵轉速282 rmin；2#泵轉速277 rmin。

根據表3計算結果，分別對水下泵、1#泵、2#泵揚程系數進行擬合，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計情況見表4。

表4 “新海豚2”輪管路總耗用泥漿水頭

續表4

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

根據表4數據和式(5)，對管路總耗用泥漿水頭公式進行擬合，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)

采用實際施工參數對管路總耗用泥漿水頭擬合公式進行校核，公式計算結果與實際施工參數對比情況見圖3。

圖3 擬合數據與實際施工參數比對

2.4 中粗砂泥漿水力輸送計算模型

根據泥泵機組產生揚程等于管道輸送總耗用泥漿水頭，構建的“新海豚2”輪中粗砂泥漿水力輸送計算模型如下：

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#泵為泥泵清水揚程(m)；k1、k2、k3為泥泵實際轉速與額定轉速比值。

根據上述模型，可計算一定泥泵機組轉速條件下的可輸送泥漿流速、密度。

3 輸送施工參數計算分析

3.1 中粗砂臨界輸送流速

根據表2所述中粗砂主要物理特性，采用砂性土泥漿臨界流速計算公式[3]，計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 可輸送施工參數及經濟性

根據“新海豚2”輪施工現場生產效率調研測試[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，其輸送中粗砂時的功率特性公式如下：

Nm=(203.06v+1 460.1)×[0.8(ρm-1)+1]

(14)

根據式(15)，在泥泵機組不超功率條件下，“新海豚2”輪可運行的輸送施工參數見表6。

表6 “新海豚2”輪在2 700 m3h挖掘效率時可輸送施工參數

表6 “新海豚2”輪在2 700 m3h挖掘效率時可輸送施工參數

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

在實際輸送施工中，應滿足泥漿流速不低于臨界流速，根據表5、6，可確定滿足安全輸送要求的輸送施工參數，見圖4。

圖4 可輸送施工流速與臨界流速對比

根據圖4，在船舶有效挖掘效率為2 700 m3h條件下，當泥漿濃度≤30%時，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%，對應的泥漿流速范圍為8.26～4.41 ms。同時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，采用泥漿濃度為30%、泥漿流速為4.41 ms進行輸送，可滿足泥漿安全、有效輸送要求，且輸送能耗最低。

3.3 三泵串聯施工泥泵機組轉速組合及效率

因泥泵機組柴油機為高速機，泥泵合理調速范圍為90%～100%額定轉速，且為均衡1#、2#泵負荷，1#、2#泵采用相同轉速運行。

根據計算結果，可確定泥泵機組總功率在水下泵不同轉速條件下的變化情況，見圖5。

圖5 泥泵機組總功率分布

至此可得出，在最經濟輸送施工流速、濃度條件下，泥泵機組可實現的最低總功率約為7 055 kW，對應的泥泵機組轉速為水下泵223 rmin、1#泵277 rmin、2#泵277 rmin。此運行條件下泥泵機組總效率為86.45%。

4 結論

1)規范中管道輸送泥漿的阻力特性公式和泥泵揚程特性公式對中粗砂輸送的水力計算精度難以滿足要求，但以規范公式的基本形式為基礎，采用實際施工參數進行擬合計算，能獲得計算精度較高的管道阻力特性、泥泵揚程特性經驗公式。

2)在施工中，根據船舶挖掘施工效率、泥泵額定功率可確定泥泵機組安全運行的泥漿輸送濃度、流速范圍，并結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濟輸送流速與濃度。

3)以經濟輸送流速、濃度為基礎，結合泥漿管道阻力特性、泥泵揚程特性經驗公式，可計算確定多種可運行的泥泵機組轉速組合，即大型絞吸船水下泵、1#泵、2#泵可采用多種不同的轉速組合運行，均可實現泥漿按經濟流速、濃度輸送；但不同泥泵機組轉速組合所對應的總功率存在差異，在實際施工中，應采用泥泵機組總功率最低的轉速組合進行輸送施工，可最大程度上降低大型絞吸船輸送施工油耗。

4)根據本文計算分析結果，在經濟輸送施工流速、濃度條件下，大型絞吸船水下泵采用低轉速，1#泵、2#泵采用高轉速，有利于降低輸送施工油耗。

5)根據大型絞吸船常用施工方法，在泥泵機組總揚程一定的情況下，水下泵通常采用高轉速運行以提升泥漿吸入性能。根據本文計算、分析結論，采用合理的泥泵轉速組合，使泥泵機組總揚程與管道消耗揚程相等，即可在既定的濃度、流速條件下實現泥漿有效吸入和輸送。因此，在實際施工中，大型絞吸船可參考本文計算分析結論，根據泥漿實際輸送工況合理調整泥泵機組轉速，對于降低輸送施工能耗具有積極的意義。