李銘志,何炎平,鄭金龍,周丙浩
(1.上海交通大學,海洋工程國家重點試驗室,上海 200240;2.中港疏浚有限公司,上海 200136)
近幾年,每年的全球疏浚量達到數(shù)十億立方米,所產(chǎn)生的經(jīng)濟總量高達上百億美,僅我國沿海,疏浚需求就達6億~7億m3,市場規(guī)模達幾十億美元。其中,耙吸挖泥船完成的施工量占疏??偭康囊淮蟀?。而且,隨著經(jīng)濟的發(fā)展和市場的擴大、港口航道拓寬和維護工程量持續(xù)增加,耙吸挖泥船的市場占有率必將進一步攀升。
耙吸挖泥船因能夠高效、快速地獨立完成挖、運、拋整個疏浚吹填作業(yè)過程,在全世界大規(guī)模陸域形成工程、臨海工業(yè)園區(qū)建設及航道修建和維護中都發(fā)揮著舉足輕重的作用。但是,由于耙吸挖泥船施工中最大產(chǎn)量受到臨界流速和泥泵汽蝕余量的限制,限制條件隨土質(zhì)、挖深、吃水等工況條件和施工參數(shù)的變化而變化;且由于泥沙之間、泥沙與水之間、漿體與管道之間相互作用的復雜性導致各種理論方法、計算公式繁復紛雜,操作人員難以掌握最大產(chǎn)量對應工作點隨工況條件變化的規(guī)律,更無法掌握出自實驗室小管徑試驗數(shù)據(jù)的各種計算方法在大管徑施工條件下的精確程度,大大影響了耙吸挖泥船施工能力的全面發(fā)揮和效率的進一步提升。
因此,開展耙吸挖泥船優(yōu)化疏浚技術研究、探討優(yōu)化疏浚流量的方式方法,對提高挖泥船疏浚作業(yè)效率和增強市場競爭力具有重大意義。疏浚效率提升1%,都能為節(jié)約能源和保護環(huán)境做出巨大貢獻。
高效疏浚不僅是疏浚施工一直追求的目標,也是疏浚研究不變的熱點。近百年來眾多學者從泥沙管道輸送阻力[3-14]、泥沙對泥泵特性的影響[15-16]、泥泵性能的提升等多方面進行了研究,為優(yōu)化施工的計算提供了堅實的基礎。本文基于以上相關方面的研究成果,就耙吸挖泥船施工中以最大產(chǎn)量為目標的工作點優(yōu)化方法進行了研究和應用分析,尤其就最大產(chǎn)量對應的泥漿輸送管道流量進行計算分析和討論,供挖泥船設計人員、操縱人員及疏浚施工設計人員參考,以提高其疏浚效率,達到節(jié)能減排的目的。
工作點確定即工作點參數(shù)確定,工作點參數(shù)主要包括施工過程中對應的耙吸挖泥船航速,泥漿流量、濃度,泥泵排壓、功率、轉(zhuǎn)速、效率、汽蝕余量,耙頭活動罩開度等。針對某個工況條件,比如特定挖深、排高、岸管直徑、排岸距離等,隨著輸送流量、濃度的變化,產(chǎn)量會隨之變化,在整個施工船舶能力的范圍內(nèi),存在一個產(chǎn)量最大的工作點,稱之為產(chǎn)量最大工作點。耙吸挖泥船的工作點受其挖掘能力和輸送能力的限制,產(chǎn)量等于輸送土方量,等于挖掘土方量減去溢流土方量:
Qm=1 852(1-μd)vhBdHd
(1)
式中:Qm為目標產(chǎn)量(m3/h);μd為耙頭挖掘時候的溢出率;vh為挖泥船對地航速(kn);Bd為耙頭有效挖泥寬度(m);Hd為耙齒齒尖相對于耐磨塊下邊緣的入泥深度(m)。
其中輸送系統(tǒng)受泥泵輸送能力的限制,當泥泵排壓等于管道阻力的時候,系統(tǒng)保持在工作點穩(wěn)定運行,見圖1。
圖1 基于流量水頭的工作點示意圖
其中,輸送漿體時泥泵排壓按式(2)修正:
Hm=HSm[1-2.705Sm(S-1)0.64(d50/Dp)0.313]
(2)
式中:Hm為漿體揚程(m水柱);H為清水揚程(m水柱);Sm為漿體與水密度比;S為顆粒與水密度比;d50為中值粒徑(m);Dp為泥泵葉輪直徑(m)。
泥管阻力采用適用范圍較寬的式(3)計算:
(3)
式中:i為沿程損失(m水柱);L為管路長(m);ζ為管路上所有閥、彎管、耙頭等部件的局部損失系數(shù)之和;v為漿體輸送速度(m/s);g為重力加速度(m/s2);α為減阻系數(shù),用式(4)計算:
α=0.69+0.99lgμr+0.075lgCu-1.27lgμr·lgCu+
0.165(lgμr)2+0.082(lgCu)2
(4)
iFB為固定層導致的沿程損失,用式(5)計算:
(5)
(6)
(7)
iHe為非均質(zhì)流形成的沿程損失,用式(8)計算:
(8)
iHo為均質(zhì)流和偽均質(zhì)流引起沿程損失,用式(9)計算:
iHo=il(RsdCV+1)·
(9)
式中:Ap為輸送管道內(nèi)橫載面積(m2);β為滑移層對應半圓心角(rad);μr為漿體有黏度;μsf為滑動摩擦系數(shù);λ1為清水在管壁上的達西摩擦系數(shù);λl2為清水在顆粒床上的達西摩擦系數(shù);δv為黏性底層厚度(mm);κ為卡門常數(shù);Acv為均質(zhì)流阻力系數(shù);CV為漿體體積濃度;CVb滑移層內(nèi)顆粒體積濃度;CVr為相對濃度;Cu為顆粒不均勻度;il為清水壓力梯度(m水柱/m);Ol為清水占據(jù)的管道周長部分(m);Ol2為顆粒床占據(jù)的管道周長部分(m);Op為管道周長(m);vl為水相速度(m/s);vls為顆粒相與水相之間的速度差;顆粒濕重Rsd=(ρs-ρl)/ρl,其中ρs為顆粒密度,ρl為水密度。
挖泥船施工優(yōu)化有很多方法,其中以單方能耗最小、產(chǎn)量最大為目標的優(yōu)化居多。由于單方能耗涉及到柴油機效率、推進效率、施工區(qū)域和拋泥區(qū)域之間的距離等諸多比較難確定的要素,而且實際施工當中也多以產(chǎn)量為考核指標,因此本文以產(chǎn)量最大化為目標進行優(yōu)化。優(yōu)化目標函數(shù)為:
Qm=QCVu
(10)
式中:Qm為目標產(chǎn)量(m3/h);Q為漿體總流量(m3/h);CVu為漿體原狀土體積濃度。
從上式可以看出,產(chǎn)量隨輸送流量的增大和濃度的升高而增大。在離心泵管道輸送系統(tǒng)中,流量和濃度是一對相互約束的量,即對于某特定的挖泥船在特定施工條件下有Q=f(CVu),因此,上式可以寫成:
Qm=g(Q)
(11)
2.2.1臨界流速
泥沙輸送系統(tǒng)受到兩個因素的限制,一個是臨界流速,一個是凈正吸入揚程。這兩個因素和泥管管徑、顆粒粒徑、輸送濃度等諸多因素有關。
關于臨界流速有很多種計算方法,但是涉及的因素和各因素的影響趨勢基本是一致的。式(12)是文獻[18]推薦適合計算泥沙(粒徑大于0.05 mm)管道輸送臨界流速的Durand公式,長期應用于疏浚工程計算。
(12)
式中:vk為管道輸送臨界流速;D為管道直徑(m);S為顆粒與水的密度比;KD是Schiller和Herbich1991年在Durand公式的基礎上,基于中值粒徑d50給出的修正系數(shù):
(13)
從上式可以看出,隨著管徑的增大,臨界流速增大;體積濃度越高,臨界流速越大(當體積濃度增大到一定程度的時候,由于顆粒之間的相互作用加劇,即顆粒脈動速度增大,臨界流速會相對減小,但是工程作業(yè)中達不到這么大的濃度,因此不考慮這種情況);中值粒徑d50越大,臨界流速越大(當顆粒粗細不均勻時,不同粒徑的顆粒之間相互作用,細顆粒相對增大了漿體的黏性,因此臨界流速會相對較小)。
2.2.2凈正吸入揚程
輸送作業(yè)中,泥泵的實際凈正吸入揚程NPSHA必須大于其需要的凈正吸入揚程NPSHR。否則,泵容易被空蝕。NPSHR由泵本身的設計決定,NPSHA由式(14)[20]計算:
(14)
式中:ρw為清水密度(kg/m3);γ、ξ分別為管道吸口和其它局部損失系數(shù);a為泵安裝高度(m);vz為吸口段管道流速(m/s);Sm為泥漿與水的密度比;Lz為吸口段管道長(m);w100為吸口段管道每100m水頭損失(m水柱);z為吸口深,即挖深(m);P0為大氣壓強(kPa);Pair為水氣化壓強(kPa)。
圖2為某挖泥船輸送特定土質(zhì)時的凈正吸入揚程限制流速。從圖2可以看出,隨著泥漿濃度的增加,由于管阻的增加,泥泵實際凈正吸入揚程減小,而泥泵所需凈正吸入揚程因工作點流量的減小而減小得相對很少,因此空蝕限制的流速將進一步減小。
圖2 臨界流速和凈正吸入揚程
優(yōu)化算法見圖3,主要包括以下5個步驟:
圖3 優(yōu)化計算流程
第1步:只考慮泥泵驅(qū)動功率、泥泵排壓和裝艙管道系統(tǒng)管阻,用公式(2)和公式(3)計算輸送漿體原狀土濃度從零到100%的產(chǎn)量。
①首先基于泥泵清水性能曲線,采用公式(2)進行泥泵輸送各濃度漿體性能曲線(包括排壓-流量曲線、效率-流量曲線、NPSHA-流量曲線等),考慮泥泵恒扭矩和超速恒功率特性。
②采用公式(3)計算各流量對應管路阻力,繪制管道壓降-流量曲線,并求取與泵排壓-流量曲線的交點(泵排壓等于管系壓降)。
③根據(jù)泥泵特性曲線,確定工作點參數(shù),包括系統(tǒng)流量、漿體濃度和離心泵功率、效率、揚程、轉(zhuǎn)速、離心泵需要的凈正吸入揚程、離心泵實際凈正吸入揚程等。
第2步:搜索0%~100%漿體濃度范圍內(nèi)的最大產(chǎn)量,取最大產(chǎn)量對應的濃度為初始最佳濃度Rmaxp。
第3步:計算汽蝕限制下的最大濃度Rmaxn。
①基于泥泵性能曲線,計算Rmaxp工況條件下泵需要的凈正吸入揚程NPSHR。取Rmaxn=Rmaxp。
②采用公式(14)計算Rmaxp工況條件下實際凈正吸入揚程NPSHA。
③判斷Rmaxp工況條件下泵需要的凈正吸入揚程NPSHR是否小于實際凈正吸入揚程NPSHA。
如果NPSHR ≤ NPSHA,則Rmaxn=Rmaxp;否則,降低濃度Rmaxp,從①開始繼續(xù)循環(huán),直到NPSHR=NPSHA,取Rmaxn=Rmaxp。
第4步:計算臨界流速限制下的最大濃度Rmaxk。
①采用公式12、13計算輸送漿體濃度為Rmaxn時的臨界流速vk。取Rmaxk=Rmaxp。
②比較輸送漿體濃度為Rmaxn時的輸送流速v和vk的大小。
如果vk≤v,則Rmaxk=Rmaxp;否則,降低濃度Rmaxk,從①開始繼續(xù)循環(huán),直到vk=v,取Rmaxk=Rmaxp。
第5步:求取Rmaxp、Rmaxn、Rmaxk三者中的最小值為最佳濃度,取其對應的工作點參數(shù)為最佳工作點參數(shù),包括泥泵性能參數(shù)、漿體特征參數(shù)和管路輸送參數(shù)。
以在黃驊工程施工的“航浚6008”為例,進行優(yōu)化計算。“航浚6008”配威龍耙頭,IHC生產(chǎn)HRMD 202-43-100型泥泵,泥泵高速325 r/min、低速191 r/min,低速時可用功率1 400 kW,黃驊工程挖深15 m,土質(zhì)為細粉沙(d50=0.02 mm、ρsm=1 750 kg/m3)?!昂娇?008”裝艙管路參數(shù)見表1。黃驊土質(zhì)級配見表2。
表1 “航浚6008”裝艙管路參數(shù)
最佳工作點受到土質(zhì)、排距、泥泵特性、管路特性等因素的影響和制約。其中產(chǎn)量隨工作點流速變化的情況見圖4。
表2黃驊工程土質(zhì)級配
圖4 流量-產(chǎn)量曲線
從圖4可以看出,在空艙工況下,產(chǎn)量曲線起初隨著輸送漿體流量的增大而增大,但當流量超過3.3 m3/s后,泥泵受到汽蝕余量的限制,不得不降低輸送濃度,導致產(chǎn)量開始下降。到4.4 m3/s附近時,為了實現(xiàn)輸送流量的進一步提高,不得不更多地犧牲輸送濃度,導致產(chǎn)量開始劇烈下降。
在滿艙工況下,產(chǎn)量曲線起初同樣隨著輸送漿體流量的增大而增大,泥泵一直沒有受到汽蝕余量的影響,直到4.3 m3/s附近時,為了進一步提高輸送流量,不得不降低輸送濃度,產(chǎn)量開始隨流量的增大而下降。
因此,從裝艙量變化的角度看,產(chǎn)量最大對應的流量隨裝艙量的增加而增大,從空艙時候的3.3 m3/s增大到滿艙時候的4.2 m3/s。
從施工數(shù)據(jù)的對比看,施工船舶流量在4.4~4.5 m3/s時,施工的產(chǎn)量數(shù)據(jù)和計算結果非常吻合,可見計算方法合理可靠。同時,計算結果顯示施工團隊可以采取降低施工流量的方法,達到更高產(chǎn)量的目的。
1)本文以耙吸挖泥船裝艙作業(yè)過程中的最大產(chǎn)量為優(yōu)化目標,泥泵汽蝕余量和管路臨界流速為約束條件,以施工人員最為熟知和方便控制的流量為優(yōu)化變量,建立了耙吸挖泥船裝艙作業(yè)最佳流量的計算模型。以“航浚6008”在黃驊工程施工為例,進行優(yōu)化計算,并與實際施工數(shù)據(jù)進行了比較分析。
2)模型計算結果和“航浚6008”在黃驊工程實際施工采集數(shù)據(jù)吻合良好,說明本計算方法合理可行,計算結果可靠可信。
3)模型計算所需變量容易采集,優(yōu)化計算結果明確,施工人員對流量的控制操縱熟悉便捷,因此,模型不僅能為施工設計和疏浚作業(yè)提供參考,而且易于推廣應用。