杜金洪 王費(fèi)新

摘要：絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)運(yùn)行模式選擇及其智能優(yōu)化，有賴于定量化分析和評(píng)價(jià)方法。在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)推薦絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)產(chǎn)量計(jì)算及能耗分析公式，運(yùn)用古雷增砂工程“新海鱷”輪實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上提出并探討輸送系統(tǒng)優(yōu)化策略及量化評(píng)價(jià)方法。結(jié)果顯示：輸送系統(tǒng)計(jì)算產(chǎn)量及能耗與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合較好;在挖掘系統(tǒng)產(chǎn)量為限制條件的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)泥泵轉(zhuǎn)速使輸送系統(tǒng)產(chǎn)量與挖掘系統(tǒng)匹配，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量不變而輸送系統(tǒng)能耗最低的優(yōu)化目標(biāo)?；谳斔拖到y(tǒng)運(yùn)行模式性能評(píng)價(jià)方法，推薦了不同排距適用運(yùn)行模式。研究結(jié)果可為絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)運(yùn)行模式選擇以及優(yōu)化運(yùn)行提供指導(dǎo)和參考。

Abstract： Mode selection and optimization for conveying system of Cutter Suction Dredger （CSD） conveying system depends on quantitative analysis and evaluation methods. Based on available researches and engineering experience， production and energy consumption calculation formulae for conveying system of CSD are recommended， and verified by measured data of "Xinhaie" Dredger from Gulei sand-filling project. After that， optimization strategy and quantitative evaluation method of conveying system performance are proposed and discussed. The results show： calculated production and energy consumption are in good agreement with measured data; under excavation restriction condition， optimization strategy by reducing pump rotation speed to match the production of conveying system with that of excavation system is effective， and the optimal target of production remaining and energy consumption minimizing of conveying system can be achieved. Suitable operation mode for different conveying distance is suggested due to the evaluation method for conveying system performance. The results can provide guidance and reference for mode selection and optimization for conveying system of CSD.

關(guān)鍵詞：絞吸挖泥船;輸送系統(tǒng);產(chǎn)量;能耗;泥泵轉(zhuǎn)速

Key words： Cutter Suction Dredger;conveying system;production;energy consumption;pump rotation speed

0 ?引言

絞吸挖泥船是疏浚吹填工程中常用的一種施工船舶，利用旋轉(zhuǎn)絞刀裝置切割攪動(dòng)底床泥沙，通過(guò)泥泵管道輸送到排泥場(chǎng)或吹填區(qū)，實(shí)現(xiàn)了挖、運(yùn)、卸連續(xù)作業(yè)，施工效率高，成本較低，在沿海和內(nèi)河港口航道建設(shè)與維護(hù)、河湖清淤、環(huán)保疏浚等工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。

由泥泵及驅(qū)動(dòng)裝置、管道、配套和附屬裝置組成的輸送系統(tǒng)，其能耗可占據(jù)絞吸挖泥船整體能耗的80%以上[2-3]。根據(jù)實(shí)際情況選擇適宜的運(yùn)行模式（泥泵組合、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、縮口等），是絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵。絞吸挖泥船通常配備1臺(tái)水下泵、1或2臺(tái)甲板泵/艙內(nèi)泵，以適應(yīng)不同需求。短排距下，常采用加裝縮口的方式，避免流量過(guò)大、泥泵效率低下;超長(zhǎng)排距下，串聯(lián)接力泵船/站是目前工程中應(yīng)用最廣泛的方案[4-5]。特定排距下，絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)存在多種運(yùn)行模式，目前國(guó)內(nèi)還多憑工程經(jīng)驗(yàn)定性分析對(duì)比和擇用，未見(jiàn)量化方案。

目前，疏浚業(yè)正從傳統(tǒng)的以人工經(jīng)驗(yàn)性控制邁向自動(dòng)化智能化時(shí)代?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊控制等智能控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)疏浚作業(yè)系統(tǒng)的智能優(yōu)化[3，6-7]，且多處于探索階段，未形成完整體系。輸送系統(tǒng)方面，閉治躍[3]基于模糊推理決策與數(shù)據(jù)融合技術(shù)提出了一種以系統(tǒng)比能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)的輸送系統(tǒng)在線動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，但未見(jiàn)有應(yīng)用。

因此，有必要在現(xiàn)有絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)產(chǎn)量和能耗計(jì)算方法研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程案例，研究和探索絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)優(yōu)化策略，探討絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)不同運(yùn)行模式作業(yè)性能的量化分析和評(píng)價(jià)方法，以期為絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)智能優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，并為實(shí)際工程工藝選擇及施工優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 ?絞吸挖泥船產(chǎn)量與能耗分析

1.1 主要參數(shù)

泥泵性能及管道輸送特性是絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)產(chǎn)量分析計(jì)算的基礎(chǔ)。此外，工程土質(zhì)及自然條件是影響輸送系統(tǒng)產(chǎn)量和能耗的重要因子，土質(zhì)，尤其是粒徑級(jí)配，對(duì)泥泵性能、管道輸送特性有決定性的影響;施工管線布置和總長(zhǎng)，是決定絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)運(yùn)行方式的重要因素;排泥管線出口加裝縮口可用于調(diào)節(jié)輸送參數(shù)，但會(huì)消耗額外的能量。

1.2 產(chǎn)量計(jì)算

絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)產(chǎn)量分析計(jì)算，就是泥泵性能與管路總耗用水頭的匹配過(guò)程。為防止堵管、汽蝕等異常工況及事故發(fā)生，還需對(duì)流量、泥泵汽蝕余量、密度等進(jìn)行一定的限制?，F(xiàn)行規(guī)范[8]推薦了泥泵性能（揚(yáng)程Hw、Hm，功率Pw、Pm，效率ηw、ηm）、管路總耗用水頭（hw、hm）、臨界流速（vc）及實(shí)用流速（vp）等的經(jīng)驗(yàn)公式和計(jì)算方法，可用于絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)產(chǎn)量的分析和計(jì)算。對(duì)于砂土，規(guī)范推薦Durand公式計(jì)算管路沿程阻力系數(shù)：

其中，λm、λf分別為輸送泥漿及清水時(shí)的管路沿程阻力系數(shù);C為土顆粒體積濃度（%）;KD為實(shí)驗(yàn)系數(shù)，取121;v為管路泥漿平均流速（m/s）;g為重力加速度（m2/s）;D為管路內(nèi)徑（m）;γs為土顆粒密度（t/m3）;ds為顆粒平均直徑（m）;vss為土顆粒沉降速度（m/s）。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，大管徑高濃度工況宜采用下式對(duì)KD進(jìn)行修正[9-10]：

1.3 能耗分析

Matousek[11]采用單位能耗（SEC），即每米管段的能耗與管道固體輸送產(chǎn)量之比，來(lái)評(píng)估泥漿管道輸送的能耗：

式中，Im為輸送泥漿單位長(zhǎng)度摩阻損失（mH2O）;ρf、ρs分別為水和固體顆粒的密度（kg/m3）;Qm為漿體流量（m3/s）;SS為土顆粒比重。該參數(shù)適用于長(zhǎng)距離管道輸送，用于短排距尤其加裝縮口情況，會(huì)存在偏差。王費(fèi)新等[10]采用單方能耗（SECV，kJ/m3）來(lái)評(píng)價(jià)輸送系統(tǒng)能耗，取為能耗參數(shù)，定義為泥泵軸功率Nm（kW）與輸送產(chǎn)量Qs0（m3/h）之比，即：

2 ?工程案例

2.1 工程概況

古雷增砂工程位于福建省漳州市南部沿海的東山灣內(nèi)，施工土質(zhì)為中粗砂，中值粒徑為0.38mm，由砂船拋填至指定的拋砂區(qū)，再由大型絞吸挖泥船吹填至指定區(qū)域，為典型的拋吹施工工藝。施工排泥管線長(zhǎng)度在1.75～3.5km左右，其中水上管線長(zhǎng)度約0.6km，沉管約1.1km。施工船舶為“新海鱷”輪，該船總長(zhǎng)97.8m，型寬17.2m，型深5.0m，滿載吃水3.67m，配備1臺(tái)水下泵和2臺(tái)甲板泵，吸泥管直徑900mm，排泥管直徑850mm，船管總長(zhǎng)度為104m，疏浚能力3500m3/h，最大挖深25m，最大排距大于6km。

2.2 輸送系統(tǒng)產(chǎn)量與能耗分析計(jì)算

根據(jù)實(shí)際施工工況，適當(dāng)概化得到計(jì)算所需基礎(chǔ)參數(shù)。針對(duì)不同排距和輸送系統(tǒng)運(yùn)行模式（兩泵或三泵、有無(wú)縮口），在最低實(shí)用流速和挖掘系統(tǒng)產(chǎn)量（按3500m3/h計(jì)）限制條件下，計(jì)算得到不同運(yùn)行模式下的流量～產(chǎn)量、產(chǎn)量～單方能耗曲線。計(jì)算時(shí)泥泵轉(zhuǎn)速與實(shí)際工況基本一致，即：兩泵無(wú)縮口模式下水下泵及甲板泵轉(zhuǎn)速均取為額定轉(zhuǎn)速的96%;其余運(yùn)行模式下水下泵取額定轉(zhuǎn)速的93%，甲板泵取91%。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2～圖5，與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

由圖2～圖5，同一模式下，排距對(duì)輸送系統(tǒng)性能有決定性影響：隨著排距的增加，輸送系統(tǒng)產(chǎn)能逐步下降，單方能耗普遍上升（不考慮挖掘系統(tǒng)產(chǎn)能限制）;在相同產(chǎn)量下，長(zhǎng)排距工況單方能耗較短排距略有下降，這在絞吸船整體產(chǎn)能受限于挖掘系統(tǒng)時(shí)尤為明顯，此時(shí)輸送系統(tǒng)存在進(jìn)一步優(yōu)化的可能。此外，不同運(yùn)行模式下，三泵產(chǎn)量均顯著高于兩泵，單方能耗一般也有所增加;縮口導(dǎo)致輸送產(chǎn)量顯著下降，單方能耗也普遍加大;與兩泵無(wú)縮口模式相比，三泵加縮口模式輸送產(chǎn)量增加顯著，單方能耗也增加。

3 ?分析與討論

3.1 優(yōu)化方案

根據(jù)上述分析計(jì)算結(jié)果，絞吸挖泥船整體產(chǎn)能受限于挖掘系統(tǒng)情況下，輸送系統(tǒng)存在進(jìn)一步優(yōu)化的可能。具體優(yōu)化策略如下：通過(guò)調(diào)降泥泵轉(zhuǎn)速，使輸送系統(tǒng)產(chǎn)能與挖掘系統(tǒng)匹配，保證總體產(chǎn)量的同時(shí)，輸送系統(tǒng)能耗最低。對(duì)三泵加縮口模式（排距2850m、3100m、3350m）、三泵無(wú)縮口模式（排距3700m、4100m）進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，下調(diào)水下泵及甲板泵轉(zhuǎn)速，使流量～產(chǎn)量曲線左移，通過(guò)流速限制產(chǎn)量和挖掘系統(tǒng)產(chǎn)能限制曲線的交點(diǎn)，達(dá)到輸送系統(tǒng)產(chǎn)能與挖掘系統(tǒng)匹配的優(yōu)化目標(biāo)?？紤]到泥泵轉(zhuǎn)速限制，取泥泵最低轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的80～85%。

經(jīng)計(jì)算，三泵加縮口模式，排距2850m時(shí)水下泵及艙內(nèi)泥泵轉(zhuǎn)速分別取為額定轉(zhuǎn)速的85%、80%、85%時(shí)，排距3100m時(shí)分別取85%、85%、85%，排距3350m時(shí)分別取85%、85%、90%，均可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)。三泵無(wú)縮口模式下，排距3700m時(shí)則分別取88%、85%、85%，排距4100m時(shí)則分別取93%、85%、90%。優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6及圖7，泥泵轉(zhuǎn)速調(diào)整后，輸送系統(tǒng)產(chǎn)量不變，而單方能耗均下降明顯，且排距越短，優(yōu)化效果越顯著，論證了上述優(yōu)化策略的可行性。

3.2 不同運(yùn)行模式適用排距

為進(jìn)一步分析絞吸挖泥船不同運(yùn)行模式適用排距，取流量～產(chǎn)量曲線與流速限制產(chǎn)量及挖掘系統(tǒng)產(chǎn)能曲線交點(diǎn)為理論產(chǎn)量，并考慮絞吸挖泥船施工特點(diǎn)，取理論產(chǎn)量的80%為輸送系統(tǒng)平均產(chǎn)能，得到古雷增砂工程“新海鱷”輪不同運(yùn)行模式下輸送系統(tǒng)平均產(chǎn)能曲線及其能耗曲線，結(jié)果見(jiàn)圖8，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合較好。圖中也給出了進(jìn)一步優(yōu)化后的能耗曲線。

由圖8，以產(chǎn)量為基本評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，兩泵加縮口模式適用排距為1750～2500m，兩泵無(wú)縮口模式適用排距2150～2500m，三泵加縮口模式適用排距2850～5000m，三泵無(wú)縮口模式適用排距4100～5700m，排距超過(guò)6000m，則需考慮加設(shè)接力泵船等措施，以提高施工產(chǎn)量和效率。泥泵轉(zhuǎn)速優(yōu)化后，三種運(yùn)行模式下，輸送系統(tǒng)產(chǎn)量未受影響情況下單方能耗均有顯著下降。

縮口對(duì)絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)產(chǎn)量及能耗有顯著影響，僅適用于排距相對(duì)較短，需要通過(guò)縮口降低施工流量以避免泥泵效率過(guò)低的情況。其中，排距2150～2500m工況下，兩泵無(wú)縮口模式較兩泵加縮口模式，無(wú)論在產(chǎn)量方面，還是在能耗方面，都明顯具有優(yōu)勢(shì);同樣地，排距3700～5000m工況下，三泵無(wú)縮口模式較三泵加縮口模式，也具明顯優(yōu)勢(shì)。

排距2850～3350m工況下，兩泵無(wú)縮口模式與三泵加縮口模式各具優(yōu)勢(shì)。平均而言，兩泵無(wú)縮口模式計(jì)算產(chǎn)量2227m3/h、單方能耗為2.10kJ/m3;三泵加縮口模式（未優(yōu)化）計(jì)算產(chǎn)量2800m3/h、單方能耗2.57kJ/m3;后者產(chǎn)量高25.7%、單方能耗高22.4%。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，10天兩泵無(wú)縮口模式平均產(chǎn)量2154m3/h，三泵加縮口模式為2785m3/h，后者較前者施工效率提升29.3%，而萬(wàn)方油耗僅增加18%，與計(jì)算結(jié)果基本相符。優(yōu)化后，三泵加縮口模式計(jì)算單方能耗下降明顯，但由于縮口的存在及產(chǎn)量的明顯增加，仍大于兩泵無(wú)縮口模式。

3.3 評(píng)價(jià)方法

進(jìn)一步地，對(duì)絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)不同運(yùn)行模式性能構(gòu)建如下評(píng)價(jià)公式：

其中，GTS、GQ、GN分別為輸送系統(tǒng)整體、產(chǎn)能及單方能耗評(píng)分;wQ、wN分別為產(chǎn)能和單方能耗的權(quán)重，根據(jù)工程實(shí)際選定。如工期緊、施工效率要求高，可分別取1.0，0.0;如工期長(zhǎng)、成本控制要求高，可取0.0，1.0;如工期適中、施工能耗及效率兼顧，可取0.5、0.5。Qs0max、Qs0min、SECVmax、SECVmin則分別為產(chǎn)能及單方能耗的參考最大值和最小值。

根據(jù)產(chǎn)能及能耗計(jì)算結(jié)果，取參考值為2800m3/h、1800m3/h、3.0kJ/m3、1.5kJ/m3，計(jì)算排距2850～3350m工況下兩泵無(wú)縮口與三泵加縮口模式評(píng)分，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1，兩泵無(wú)縮口模式較三泵加縮口模式（未優(yōu)化），僅在能耗優(yōu)先指標(biāo)以及排距2850m下能效兼顧指標(biāo)占優(yōu);較優(yōu)化后的三泵加縮口模式，則僅在排距2850m、3100m下能耗優(yōu)先指標(biāo)占優(yōu)。因此，綜合而言，排距2850～3350m工況，推薦采用三泵加縮口模式，與工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)優(yōu)選結(jié)果一致。需要指出的是，以上分析僅基于泥泵軸功率，未考慮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率及挖掘系統(tǒng)能耗;權(quán)重系數(shù)及參考值的選取，還待大量工程數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)積累。

4 ?結(jié)論

①絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)計(jì)算產(chǎn)量與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合較好，且排距2850～3350m工況下兩泵無(wú)縮口、三泵加縮口兩種模式計(jì)算能耗比值，也基本與實(shí)測(cè)萬(wàn)方油耗比值一致，表明本文推薦的分析計(jì)算公式與方法具有較好的適用性。

②針對(duì)絞吸挖泥船整體產(chǎn)能受限于挖掘系統(tǒng)工況，提出進(jìn)一步優(yōu)化方案，即調(diào)降泥泵轉(zhuǎn)速，使輸送系統(tǒng)流量～產(chǎn)量曲線通過(guò)流速限制產(chǎn)量與挖掘系統(tǒng)產(chǎn)能限制的交點(diǎn)，達(dá)到輸送系統(tǒng)產(chǎn)能與挖掘系統(tǒng)匹配，可在保證產(chǎn)量的同時(shí)，使輸送系統(tǒng)能耗最低。

③針對(duì)排距2850～3350m工況兩泵無(wú)縮口與三泵加縮口模式的比選需求，提出一種基于權(quán)重的絞吸挖泥船輸送系統(tǒng)運(yùn)行模式性能定量化評(píng)價(jià)方法，可根據(jù)工程實(shí)際調(diào)整產(chǎn)量與能耗的權(quán)重，評(píng)選結(jié)果與工程經(jīng)驗(yàn)優(yōu)選結(jié)果一致。

④根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，推薦排距2150m以下采用兩泵加縮口模式，排距2150～2850m采用兩泵無(wú)縮口模式，排距2850～3350m采用三泵加縮口模式，排距3700～5700m采用三泵無(wú)縮口模式，排距超過(guò)6000m，則需考慮加設(shè)接力泵船等措施。

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作者簡(jiǎn)介：杜金洪（1977-），男，湖北荊門人，工程師，本科，從事疏浚技術(shù)和設(shè)備的研究和管理。