李康康 朱繼軍 吳 磊

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

絞吸挖泥船作為疏浚船舶中最為重要的船型，廣泛應(yīng)用于航道疏浚、港口建設(shè)及吹填作業(yè)［1］。近年來(lái)，為提高疏浚效率，節(jié)約成本，絞吸挖泥船愈發(fā)趨于大型化，其裝備的泥泵功率越來(lái)越大；同時(shí)為滿足泥泵系統(tǒng)長(zhǎng)排距，高揚(yáng)程的需求，往往還需配置多臺(tái)泥泵進(jìn)行串聯(lián)作業(yè)。泥泵功率的增加及泥泵運(yùn)行工況的多樣性導(dǎo)致泥泵封水系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，因此，在對(duì)泥泵封水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮各方因素，以確保系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可靠。本文以7 800 kW絞刀功率自航絞吸挖泥船為研究對(duì)象，探討分析大型絞吸挖泥船泥泵封水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及配置。

1 系統(tǒng)介紹

挖泥船泥泵為單級(jí)單吸離心式渣漿泵，運(yùn)行時(shí)，泥漿在離心力的作用下從軸向吸口端進(jìn)入，沿葉輪徑向通過(guò)泵殼上的切向排口排出。泥泵有艙內(nèi)泵和水下泵之分，出于安全考慮，艙內(nèi)泵采用雙殼泵體的設(shè)計(jì)，而水下泵考慮到質(zhì)量問(wèn)題通常采用單殼泥泵。雙殼泵體的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

為防止充滿固體顆粒的泥漿回流竄入葉輪與內(nèi)泵殼之間的間隙，減少泥漿在軸封位置的沉淀及葉輪和襯板的磨損，需為泥泵設(shè)置一套泥泵封水系統(tǒng)［2］，通過(guò)海水沉淀艙及泥泵封水管系引入清潔海水為泥泵吸口端與軸承端各提供一股連續(xù)封水，見(jiàn)圖2。

圖1 雙殼泵體的泥泵結(jié)構(gòu)示意

圖2 泥泵封水簡(jiǎn)圖

泥泵運(yùn)行前必須供給封水，并從泥泵軸端封水管引一路支管到砂水分離器，用作“LIQUIDYNE”水潤(rùn)滑軸封的水源，確定泥泵停止運(yùn)行后再停止供給封水。為使封水系統(tǒng)發(fā)揮作用，保護(hù)泥泵密封及降低泥泵磨損，泥泵封水進(jìn)口處的壓力需高于泵腔內(nèi)該處泥漿水壓力，并且其流量需同時(shí)滿足密封和葉輪間隙、平衡水（雙殼泵體）及水潤(rùn)滑軸封的需要。

2 系統(tǒng)要求

7 800 kW絞刀功率自航絞吸挖泥船設(shè)有1臺(tái)安裝于橋架中下部的單殼水下泵（4 050 kW）及2臺(tái)雙殼艙內(nèi)泵（5 650 kW），每臺(tái)泥泵可運(yùn)行在0%～100%額定轉(zhuǎn)速下的恒扭矩工況及100%～120%額定轉(zhuǎn)速下的恒功率工況。泥泵電機(jī)在100%額定轉(zhuǎn)速和120%額定轉(zhuǎn)速時(shí)泥泵的排壓-流速特性曲線見(jiàn)下頁(yè)圖3。

為提高排距，泥泵系統(tǒng)采用水下泵串聯(lián)2臺(tái)艙內(nèi)泵的工作方式，實(shí)現(xiàn)以下四種作業(yè)工況：

（1）水下泥泵單獨(dú)或裝駁工作，額定排距1 000 m；

（2）左舷艙內(nèi)泵作為2級(jí)泵與水下泥泵兩泵串聯(lián)工作，額定排距3 500 m（通過(guò)拆管實(shí)現(xiàn)）；

（3）右舷艙內(nèi)泵作為2級(jí)泵與水下泥泵兩泵串聯(lián)工作，額定排距3 500 m；

圖3 泥泵排壓-流速特殊性曲線

（4）左舷泥泵作為3級(jí)泵、右舷艙內(nèi)泵作為2級(jí)泵與水下泥泵三泵串聯(lián)工作，額定排距6 000 m。

泥泵串聯(lián)工作時(shí)，系統(tǒng)壓頭由串聯(lián)工作的泵的壓頭之和決定［3］。因此不同工況下，封水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)不盡相同，需根據(jù)工況作相應(yīng)調(diào)整。各工況下7 800 kW絞刀功率自航絞吸挖泥船的泥泵封水要求可見(jiàn)表1，其為泥泵在最高轉(zhuǎn)速下的要求，當(dāng)泥泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，封水泵參數(shù)不得低于表中參數(shù)值。

表1 泥泵封水要求

3 系統(tǒng)配置方案分析

封水泵及管路系統(tǒng)合理配置和設(shè)計(jì)是保證泥泵正常、有效、持久工作的關(guān)鍵［4］。泥泵運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速下具有較高的效率，當(dāng)需在不降低排量的情況下增加排距時(shí)，可將泥泵轉(zhuǎn)速提高，在100%～120%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)定功率運(yùn)行。由表1可見(jiàn)，同一工況下每臺(tái)泥泵的軸端及吸口端的封水壓力相同，但流量需求卻不同，若為軸端和吸口端封水配置1臺(tái)共用的封水泵，流量需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)進(jìn)行合理分配，此外還需配置1臺(tái)備用泵，造成封水泵的總?cè)萘考哟蟆Ｒ虼?，?shí)際配置時(shí)，往往為軸端和吸口端各設(shè)1臺(tái)封水泵，同時(shí)再設(shè)置1臺(tái)備用泵以提高系統(tǒng)的冗余度。

當(dāng)泥泵運(yùn)行于不同工況時(shí)，泥泵泵腔內(nèi)的壓力也不相同，這使封水系統(tǒng)的管路特性也在變化，當(dāng)選用特性曲線固定的常規(guī)封水泵時(shí)，其工作點(diǎn)將發(fā)生偏移，造成流量改變，給船舶施工帶來(lái)不利影響，為此，封水泵常采用變頻控制［5］。采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的封水泵可以和泥泵更好地匹配，使其能夠在不同工況下通過(guò)主動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)該工況下轉(zhuǎn)速基本恒定，以確保足夠的封水進(jìn)入泥泵。

圖4 常規(guī)封水泵系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

常規(guī)封水泵系統(tǒng)見(jiàn)下頁(yè)圖4。泥泵運(yùn)行前啟動(dòng)封水泵需保持旁通閥關(guān)閉，直到泵出口壓力大于封水要求壓力時(shí)，旁通閥打開(kāi)。當(dāng)使用變頻封水泵時(shí)，由于變頻泵啟動(dòng)時(shí)速度可控，可以免去常規(guī)封水泵系統(tǒng)管路上的節(jié)流-旁通管路（見(jiàn)圖5），水下泥泵及右舷泥泵均可按此設(shè)計(jì)。

圖5 變頻封水泵系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

此時(shí)，可以有兩種配置方案，一種是通過(guò)多臺(tái)低壓泵串聯(lián)的方式來(lái)使系統(tǒng)壓力達(dá)到要求值，另一種是采用多級(jí)葉輪增壓的離心泵作為封水泵。

采用多泵串聯(lián)方案時(shí)，當(dāng)泥泵作為2級(jí)泥泵運(yùn)行，封水泵壓力要求較低，可以選用低壓封水泵；當(dāng)泥泵作為3級(jí)泵運(yùn)行時(shí)，需為軸端和吸口端低壓封水泵增設(shè)2級(jí)增壓封水泵以滿足封水壓力要求。如此，包括備用的1級(jí)及2級(jí)封水泵，總共需要6臺(tái)封水泵服務(wù)于左舷泥泵。另有水下泥泵封水及右舷泥泵封水各3臺(tái)封水泵，整個(gè)封水系統(tǒng)需配置12臺(tái)離心泵。因此，考慮為3臺(tái)泥泵封水系統(tǒng)配置1臺(tái)共用的低壓封水泵，將封水泵數(shù)量減至10臺(tái)，見(jiàn)下頁(yè)圖6?？梢?jiàn)，多泵串聯(lián)方案相比多級(jí)離心泵方案雖然只多了1臺(tái)封水泵，但系統(tǒng)管路卻變得較為復(fù)雜，且增加了一定數(shù)量的遙控閥門。

采用多級(jí)離心泵方案時(shí)，左舷泥泵的封水系統(tǒng)與水下泥泵及右舷泥泵的封水系統(tǒng)相同，如圖5所示。此時(shí)，系統(tǒng)的管路布置較簡(jiǎn)單，且不需要遙控閥門。但是，高壓頭的多級(jí)離心泵對(duì)泵本身的設(shè)計(jì)要求較高，且根據(jù)表1的要求，左舷泥泵的封水系統(tǒng)較水下泥泵及右舷泥泵的封水系統(tǒng)多兩個(gè)工況點(diǎn)，即需滿足四個(gè)工況點(diǎn)的要求（作為2級(jí)泥泵和3級(jí)泥泵各兩個(gè)工況），吸口端封水泵特性曲線見(jiàn)下頁(yè)圖7。

圖6 高壓泥泵封水串聯(lián)式解決方案

圖7 左舷泥泵吸口端封水泵特性曲線

綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、可靠性及布置情況，7 800 kW絞刀功率自航絞吸挖泥船左舷泥泵的封水系統(tǒng)采用了多級(jí)離心泵方案，為每臺(tái)泥泵設(shè)置了吸口端封水泵、軸端封水泵及備用泵各1臺(tái)，整個(gè)封水系統(tǒng)共配置9臺(tái)封水泵。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合7 800 kW絞刀功率自航絞吸挖泥船對(duì)泥泵封水系統(tǒng)的要求，對(duì)其配置及系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：泥泵封水系統(tǒng)宜采用變頻離心泵作為封水泵；對(duì)于封水壓力要求較高的泥泵封水系統(tǒng)，則可選擇多泵串聯(lián)方案或多級(jí)離心泵方案。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，建議根據(jù)實(shí)船情況選擇不同的配置方案。