絞吸挖泥船短排距工況下泥泵節(jié)能技術(shù)

莊海飛，劉明明，蘭 劍

(中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208)

泥泵作為疏浚船舶的關(guān)鍵裝備，當(dāng)疏浚施工中的土質(zhì)、輸送距離等發(fā)生變化時(shí)，泥泵性能與輸送系統(tǒng)的匹配性將影響挖泥船的效能發(fā)揮[1-3]。

泥泵性能直接影響挖泥船的施工效率。國內(nèi)學(xué)者對泥泵性能進(jìn)行相關(guān)的研究：彭光杰等[4]分析泥泵的數(shù)值模擬預(yù)測和實(shí)測的外特性曲線，預(yù)測揚(yáng)程與實(shí)測符合較好；楊赟卿等[5]采用CFD(computational fluid dynamics，計(jì)算流體動力學(xué))方法，通過流場分析研究葉片型線和數(shù)量對泥泵內(nèi)部壓力和速度的影響；莊海飛等[6-7]結(jié)合數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的方法對挖泥船泥泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，泥泵效率達(dá)到86%，4 500 m3耙吸挖泥船“航浚4006”輪的兩臺艙內(nèi)泥泵改造后，泥泵效率提高了25%，提升了挖泥濃度和生產(chǎn)率，節(jié)能增效成果顯著；翟琦瑋[8]分析絞吸船在長、短排距工況施工的應(yīng)對措施，通過適當(dāng)改變泥泵轉(zhuǎn)速和合理布置管線，提高施工效率。

考慮施工工況會隨著工程進(jìn)行不斷發(fā)生變化，如絞吸挖泥船的排泥管線長度較短時(shí)，通常稱為短排距工況，此時(shí)排泥管路管阻特性曲線與泵揚(yáng)程特性曲線的交點(diǎn)向大流量偏移，但流量過大會造成泥泵的原動機(jī)超載，無法正常施工。

目前國內(nèi)大多數(shù)絞吸挖泥船普遍采用柴油機(jī)經(jīng)減速箱直接驅(qū)動泥泵，柴油機(jī)不能長期在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行且調(diào)速范圍較小，降低泥泵轉(zhuǎn)速受到限制；施工中通常采用管線末端縮口增加管線阻力，進(jìn)而調(diào)節(jié)泥泵工況點(diǎn)，但過小的縮口相當(dāng)于“消能器”，這種方式浪費(fèi)能源，不符合當(dāng)今綠色發(fā)展、節(jié)能減排的要求。針對3 500 m3/h系列絞吸挖泥船的短排距工況，對泥泵葉輪進(jìn)行改型優(yōu)化，適當(dāng)降低泥泵揚(yáng)程，減小泥泵功率，提高泥泵性能對短排距工況的適應(yīng)性，通過更換短排距葉輪代替或減少管線縮口的使用，達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。

1 基于CFD的泥泵葉輪設(shè)計(jì)

1.1 運(yùn)行工況及參數(shù)確定

調(diào)研3 500 m3/h絞吸挖泥船“新海鷺”輪的施工需求可知，該船配置水下泥泵和艙內(nèi)泥泵，其中水下泥泵為1號泵，吸口直徑900 mm，葉輪直徑1 850 mm，額定轉(zhuǎn)速245 r/min；艙內(nèi)泥泵為2號泵，吸口直徑900 mm，葉輪直徑2 550 mm，額定轉(zhuǎn)速257 r/min。挖泥施工時(shí)，兩泵串聯(lián)，在短排距工況下設(shè)計(jì)專用葉輪，保持葉輪外徑、葉輪進(jìn)口直徑和葉輪出口寬度等尺寸相同，可通過減少葉片數(shù)和優(yōu)化葉片型線的方法降低泥泵揚(yáng)程，同時(shí)降低泥泵功率且提高泥泵效率，改型葉輪的泥泵效率目標(biāo)為短排距工況節(jié)能10%以上。“新海鷺”輪的施工流量與土質(zhì)、排距等工況有關(guān)，但是流量通常在8 000～12 000 m3/h的范圍內(nèi)，取流量為10 000 m3/h的性能參數(shù)為優(yōu)化對象，原泥泵參數(shù)與改型泥泵的目標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 原泥泵參數(shù)與改型泥泵目標(biāo)參數(shù)

1.2 葉輪葉片改型設(shè)計(jì)

水下泥泵和艙內(nèi)泥泵葉片均采用設(shè)計(jì)扭曲葉片的方法繪型[9]，葉片二維型線見圖1，其中β1為進(jìn)口角，β2為出口角，φ為葉片包角。

圖1 葉片二維型線

本葉片采用保角變換法設(shè)計(jì)扭曲葉片，原設(shè)計(jì)葉片數(shù)為5，新設(shè)計(jì)葉片數(shù)為3，葉片參數(shù)見表2。葉片由壓力面向吸力面均勻加厚，水下泵和艙內(nèi)泵葉片設(shè)計(jì)厚度與原泵葉片相同，均為80 mm。

表2 葉片主要參數(shù)

1.3 泥泵流場分析

CFD技術(shù)已成功應(yīng)用于疏浚泥泵的流場分析及外特性預(yù)測，其成本低、周期短，尤其是大型泥泵的室內(nèi)試驗(yàn)條件受限的情況下，數(shù)值模擬可在一定條件下代替試驗(yàn)。應(yīng)用CFD技術(shù)對泥泵內(nèi)部流場進(jìn)行模擬分析，不僅可以節(jié)省有限的試驗(yàn)資源，還可以顯示壓力分布、流速分布等許多流場內(nèi)部的特性細(xì)節(jié)[10]。

為保證計(jì)算精度，本文采用蝸殼和葉輪耦合求解的方法，簡化水體計(jì)算域。泥泵全流道模型由進(jìn)口水體、葉輪水體、蝸殼水體3部分組成(圖2)，其中出口延長段設(shè)置在蝸殼水體上，進(jìn)出口延長3倍管徑以保證進(jìn)出口段流動為均勻?qū)ΨQ流。

圖2 三維泥泵水體

數(shù)值模擬采用ANSYS 18.1軟件，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型(k為湍動能，ε為湍流耗散率)，對水下泥泵和艙內(nèi)泥泵的多個(gè)流量工況進(jìn)行三維流場模擬，采用四面體網(wǎng)格、fluent模塊進(jìn)行求解計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入CFD-Post軟件中進(jìn)行后處理，并經(jīng)過多次優(yōu)化，直至葉輪流道內(nèi)無漩渦發(fā)生，如圖3所示。結(jié)合CFD模擬計(jì)算，得到葉輪多次優(yōu)化后的泥泵水力方案，設(shè)計(jì)水下泵和艙內(nèi)泵的性能與目標(biāo)參數(shù)的對比情況見表3。可以看出，揚(yáng)程和功率計(jì)算結(jié)果基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖3 葉輪中截面相對速度

表3 改型泥泵性能參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)對比

2 泥泵清水性能測試

對“新海鷺”輪在施工現(xiàn)場進(jìn)行泥泵葉輪更換前后的清水性能測試，測試前對真空傳感器、壓力傳感器以及電磁流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，泥泵泵軸安裝應(yīng)變片式測功儀，如圖4所示。泥泵穩(wěn)定運(yùn)行10 min記錄泥泵性能數(shù)據(jù)，記錄3組數(shù)據(jù)，取平均值。通過相似換算將泥泵測試性能全部轉(zhuǎn)換為額定轉(zhuǎn)速時(shí)的性能。

圖4 泵軸測功儀

改型葉輪更換前后揚(yáng)程和功率的測試性能曲線對比見圖5。可以看出，艙內(nèi)泵在流量1.0萬m3/h時(shí)，測試揚(yáng)程為68 m，測試功率為2 352 kW，與計(jì)算結(jié)果相差不大，驗(yàn)證了艙內(nèi)泵改型葉輪的水力性能；與更換葉輪前相比，更換改型葉輪后艙內(nèi)泵不同流量下的測試揚(yáng)程和功率普遍較低，且效率普遍得到提升，其中流量1.0萬m3/h時(shí)，測試揚(yáng)程降低7 m，功率降低約400 kW，效率提高約8%，短排距葉輪最高測試效率81%。

圖5 改型葉輪更換前后揚(yáng)程和功率的測試性能曲線對比

水下泵在流量1.0萬m3/h時(shí)，測試揚(yáng)程為30.2 m，測試功率為1 089 kW，與計(jì)算結(jié)果相差不大，驗(yàn)證了水下泵改型葉輪的水力性能；與更換葉輪前相比，改型葉輪后水下泵不同流量下的測試揚(yáng)程和功率普遍較低，且效率普遍得到提升，其中流量1.0萬m3/h時(shí)，揚(yáng)程降低2 m，功率降低約100 kW，效率提高約5%，短排距葉輪最高測試效率77%。

艙內(nèi)泵和水下泵串聯(lián)在流量1.0萬m3/h時(shí)，功率共降低500 kW，揚(yáng)程降低9 m，效率提高4.8%。清水測試結(jié)果表明，泥泵更換為短排距專用葉輪后，性能得到驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，并為后續(xù)的工況計(jì)算和施工應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 泥泵與管路工況分析

通過管路的泥漿管阻曲線和泥泵的泥漿揚(yáng)程曲線相交，得到泥泵工作點(diǎn)，如圖6所示。通過分析預(yù)測粉砂泥漿土質(zhì)的工況點(diǎn)，對比通用葉輪和短排距葉輪的泥泵單位能耗以及土方生產(chǎn)率，分析短排距葉輪在相應(yīng)短排距工況的優(yōu)勢。泥泵單位能耗為泥泵將每立方米水下天然土方輸送1 km距離所消耗的功率，單位為kW/(m3·km)；土方生產(chǎn)率為每小時(shí)輸送的水下天然土方，單位為m3/h。

圖6 泥泵工況交點(diǎn)

管阻計(jì)算采用如下公式：

(1)

式中：Im為每米長度管路的阻力降；λ為清水管阻系數(shù)，取0.012；α為試驗(yàn)修正系數(shù)，取1.168；v為管道內(nèi)漿體平均流速；D為管道內(nèi)徑，取0.85 m；vss為顆粒沉降速度，取0.001 m/s；ρm為泥漿混合物密度；ρw為清水密度，取1 t/m3；ρs為粉砂顆粒密度，取2.65 t/m3；Cs為土顆粒濃度，按下式計(jì)算[11-12]：

(2)

泥泵的泥漿外特性系數(shù)[13]根據(jù)實(shí)船采集的泥泵性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)擬合得到，適用于含有粉砂的泥漿，泥漿密度范圍1.1～1.3 t/m3，泥漿揚(yáng)程和泥漿功率的修正折算公式分別為：

Hm=(1.079 7-0.084 7ρm)ρmHw

(3)

Pm=(0.947 9+0.050 8ρm)ρmPw

(4)

式中：Hm、Hw分別為泥漿揚(yáng)程、清水揚(yáng)程；Pm、Pw分別為泥漿功率、清水功率。

每組平均施工數(shù)據(jù)為挖泥船連續(xù)施工4 h的平均數(shù)據(jù)，施工數(shù)據(jù)每隔30 s自動采集一組。計(jì)算預(yù)測數(shù)據(jù)與施工實(shí)際采集數(shù)據(jù)對比見表4。可以看出，工況計(jì)算的流量點(diǎn)與實(shí)際施工偏差較小。

表4 理論計(jì)算工況點(diǎn)與實(shí)際工況對比

以上對比結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算不同排距的工況點(diǎn)，分析該工況點(diǎn)的生產(chǎn)率、單位功耗，得到排距-功耗曲線和排距-生產(chǎn)率曲線，見圖7。

圖7 不同排距下單位功耗和生產(chǎn)率

通過對比不同排距的單位功耗和生產(chǎn)率，得到短排距葉輪的適用排距范圍為2.0～4.5 km，在該范圍內(nèi)，排距越短，生產(chǎn)率提升效果越大，同時(shí)節(jié)能效果越明顯。當(dāng)排距在4.6 km，短排距葉輪和通用葉輪生產(chǎn)率相當(dāng)，單位功耗降低20%以上。當(dāng)排距大于4.5 km，短排距葉輪的單位功耗以及泥泵功率均低于通用葉輪，短排距葉輪生產(chǎn)率也低于通用葉輪，可以根據(jù)節(jié)能和生產(chǎn)率的需要判斷采用短排距葉輪或者通用葉輪。

4 施工應(yīng)用效果分析

為短排距設(shè)計(jì)制造的3 500 m3/h絞吸挖泥船艙內(nèi)泵和水下泵葉輪應(yīng)用在“新海鷺”輪，進(jìn)行海門中天鋼鐵產(chǎn)業(yè)基地地塊整理工程施工，在相近排距下葉輪更換前后各15 d的油耗見表5。葉輪更換前后管線長度均為3.4 km。更換短排距葉輪前，采用原葉輪的“新海鷺”輪累計(jì)產(chǎn)量39.35萬m3，累計(jì)油耗238 t，耗時(shí)183.3 h，平均生產(chǎn)率2 146 m3/h，萬立方米油耗6.05 t，更換短排距葉輪后，“新海鷺”輪累計(jì)產(chǎn)量39.71萬m3，累計(jì)油耗208 t，耗時(shí)180.6 h，平均生產(chǎn)率2 199 m3/h，萬立方米油耗5.24 t。對比可得，“新海鷺”輪更換短排距葉輪后，在相近排距、同一地點(diǎn)施工，相同工況下生產(chǎn)效率接近，但更換短排距葉輪后，萬立方米油耗節(jié)省13.4%。

表5 “新海鷺”輪施工油耗

葉輪更換前后分別施工180 h左右，總油耗節(jié)約30 t，按照全年相近工況施工合計(jì)3 600 h計(jì)算，每年將節(jié)約燃油消耗600 t，預(yù)計(jì)年節(jié)能874.26 t標(biāo)煤，節(jié)能減排非常明顯。由于泥泵葉輪為易損件，僅更換葉輪的成本小，可以在相同船型的近似工況下進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

1)研制出艙內(nèi)泥泵和水下泥泵的短排距專用葉輪，實(shí)船清水測試表明，與通用葉輪相比，短排距葉輪共降低功率500 kW。

2)CFD模擬分析可知，短排距葉輪流道相對速度沿著葉片方向，無明顯漩渦，提高了水力性能。

3)改型葉輪得到工程應(yīng)用，3.4 km排距的粉砂土質(zhì)工況，兩泵串聯(lián)施工相比，更換葉輪后，生產(chǎn)效率接近，單位能耗降低13.4%，節(jié)能效果顯著。

4)短排距葉輪大幅減少功率損耗，且根據(jù)排距對泥泵揚(yáng)程的需要，葉輪可通過個(gè)性化設(shè)計(jì)和水力優(yōu)化，保證較高的水力效率，提高絞吸船對不同施工排距的適應(yīng)性。