基于原位土的泥泵運(yùn)行狀況分析

基于原位土的泥泵運(yùn)行狀況分析

1絞吸式挖泥船的產(chǎn)量絞吸式泥漿泵的生產(chǎn)能力是該船型中最重要的性能指標(biāo)。正確理解其含義。在施工過程中，應(yīng)合理選擇泵的設(shè)計(jì)參數(shù)，最合適的填充工藝參數(shù)和正確的運(yùn)營決策非常重要。對(duì)絞吸式挖泥船的命名,國內(nèi)習(xí)慣采用一個(gè)有效作業(yè)小時(shí)的產(chǎn)量,如“3500m3/h絞吸式挖泥船”,其意義即為每有效作業(yè)小時(shí)的產(chǎn)量為3500m3。絞吸式挖泥船的實(shí)際產(chǎn)量除與挖泥船自身的設(shè)備配置等技術(shù)參數(shù)有關(guān)以外,還與實(shí)際工程的土質(zhì)、挖深、排距和風(fēng)浪條件等外界因素有關(guān),在不同的作業(yè)工況下的產(chǎn)量變化非常大,所以以所謂的產(chǎn)量來命名絞吸式挖泥船并不能嚴(yán)格反映其自身的技術(shù)指標(biāo)和能力,因此既不嚴(yán)謹(jǐn),也不科學(xué)。在國外,荷蘭IHCMerwede公司以前采用總裝機(jī)功率來命名絞吸式挖泥船,如對(duì)上海航道局的“新海豹”,命名為“11837kW非自航絞吸式挖泥船”,該船的總裝機(jī)功率即為11837kW。最近,IHC對(duì)其開發(fā)的定型絞吸式挖泥船采用以泥管直徑和最大挖深的命名方式,如“7025非自航絞吸式挖泥船”,該船的泥管內(nèi)徑為準(zhǔn)700mm、最大挖深為25m。此兩種方式均選擇了挖泥船自身的技術(shù)參數(shù)來命名,相對(duì)采用產(chǎn)量命名的方式而言比較科學(xué)。絞吸式挖泥船在不同的作業(yè)工況下的產(chǎn)量變化很大,本論文將結(jié)合某一具體船舶的產(chǎn)量計(jì)算來探討粒徑和排距對(duì)產(chǎn)量的影響。2原位土的密度和孔隙率挖掘密實(shí)的土質(zhì)不僅需要更大的絞刀功率,同時(shí)也對(duì)絞吸式挖泥船的產(chǎn)量影響很大,產(chǎn)生這樣結(jié)果的原因是絞吸式挖泥船產(chǎn)量的測量與定義方式。絞吸式挖泥船的產(chǎn)量并不是采用直接對(duì)土骨架體積的計(jì)量,而是對(duì)應(yīng)原位土體積的計(jì)量。對(duì)于疏浚行業(yè),原位土一般為飽和土,土骨架間的孔隙充滿了水。計(jì)量方量時(shí),原位土的比重對(duì)產(chǎn)量影響重大,它與土粒孔隙關(guān)系密切,存在如下公式:其中:ρm為原位土的密度;ρs為土粒密度,一般為2650kg/m3;ρw為如指海中挖泥作業(yè),則為海水密度,一般為1025kg/m3;e為孔隙率,土中孔隙體積與土的整個(gè)體積(含土粒體積與孔隙體積)之比;n為孔隙比,土中孔隙體積與土粒體積之比,與孔隙率有如下的關(guān)系:如泥管中泥漿的流量為10000m3/h,泥漿的密度為1300kg/m3,對(duì)應(yīng)不同孔隙率原狀土的產(chǎn)量曲線見圖2,可見即使在輸送同樣密度的泥漿時(shí),計(jì)量的產(chǎn)量也大不相同。由此可見,海底原狀土的密實(shí)程度對(duì)挖泥船的名義產(chǎn)量影響巨大,因此原位土的密度和孔隙率參數(shù)對(duì)產(chǎn)量計(jì)量非常重要,需要給予特別關(guān)注。其中:Cv為體積濃度,為輸送的原位土體積占泥漿體積的百分?jǐn)?shù);ρmix為泥漿的密度,可由濃度計(jì)的測量得到。由此很容易得到挖泥作業(yè)的計(jì)量產(chǎn)量,計(jì)算公式為:其中:Qm為計(jì)量產(chǎn)量;Qmix為輸送泥漿的流量,可由流量計(jì)得到。4泥泵有效作業(yè)的生產(chǎn)能力影響絞吸式挖泥船產(chǎn)量的因素很多,泥泵的生產(chǎn)能力是其中最重要的因素之一,本文將著重探討泥泵有效作業(yè)的生產(chǎn)能力。本計(jì)算采用我所設(shè)計(jì)的一艘絞吸式挖泥船的實(shí)際參數(shù),以便相關(guān)單位與實(shí)船作業(yè)性能進(jìn)行比較。4.1裝在船體的水下泥泵和船體內(nèi)的內(nèi)部泥泵本文的計(jì)算相關(guān)參數(shù)為某一“3500m3/h絞吸式挖泥船”的實(shí)際值,該船配置了3臺(tái)泥漿泵,包括1臺(tái)安裝在橋架上水下泥泵和2臺(tái)安裝在船體內(nèi)的艙內(nèi)泥泵,泥泵配置的相關(guān)參數(shù)如表1。艙內(nèi)泥泵采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng),水下泥泵采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)所能提供的功率比表1中略大,但本文計(jì)算按表1中的參數(shù),并且柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)的恒扭矩范圍按85%~100%的額定轉(zhuǎn)速。計(jì)算時(shí)挖深取25m,排高為6m,排管直徑為準(zhǔn)800mm。4.2臺(tái)以泵串聯(lián)運(yùn)行曲線為單位的工作點(diǎn)砂性土質(zhì)由不同粒徑大小的顆粒組成,用級(jí)配曲線來描述,不同粒徑土的泥漿在管道中輸送的管阻不同,而挖泥船作業(yè)時(shí)的理論工作點(diǎn)為泥泵流量排壓曲線和泥管管阻曲線的交點(diǎn)。以圖3為例進(jìn)行說明。圖中土顆粒的D50(中值直徑)為0.01mm;總排壓為水下泵和兩臺(tái)艙內(nèi)泵串聯(lián)運(yùn)行曲線,該曲線有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),在該點(diǎn)的左側(cè),流量小,排壓高,但所需要的總功率相對(duì)較小,泵機(jī)和泥泵能以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn),泵機(jī)發(fā)出功率小于其額定功率;在轉(zhuǎn)折點(diǎn)的右側(cè),隨著流量增加,泵機(jī)將不能提供保持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)所需的功率,而進(jìn)入降低轉(zhuǎn)速的恒扭矩工作區(qū)域。因此轉(zhuǎn)折點(diǎn)處為泵機(jī)發(fā)出功率和扭矩均在額定值的工作狀態(tài),泥泵亦處于降低轉(zhuǎn)速的運(yùn)行狀態(tài);其余8條曲線為對(duì)應(yīng)不同排距的管阻曲線,它們與泥泵的總排壓曲線的交點(diǎn)即為理論上的工作點(diǎn),可以得到各工作點(diǎn)的泥漿流量、總管阻和泥泵轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)。圖3~圖6為不同中值粒徑的三泵串聯(lián)總排壓與不同排距管阻曲線,圖中管阻曲線和總排壓曲線的交點(diǎn)即為理論工作點(diǎn)。計(jì)算時(shí),為了進(jìn)行比較,泥漿密度均選用了1250kg/m3。如前分析,原狀土的孔隙率對(duì)產(chǎn)量的計(jì)量影響非常大,所以本計(jì)算也沒有給出對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量值。4.3管阻和總排壓曲線圖3中表示的土質(zhì)為淤泥,其管阻隨著流量增大為單調(diào)增加,圖中3000m當(dāng)量排距的管阻曲線與總排壓曲線沒有交點(diǎn),表明了管阻很小,如采用三泵串聯(lián)工作則需要采用節(jié)流措施,否則泵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度低于恒扭矩工作范圍,而表現(xiàn)為泵機(jī)超負(fù)荷,或者僅采用兩泵串聯(lián)工作。另外,可以看到,從4000~7000m的當(dāng)量排距范圍,管阻曲線與總排壓曲線的交點(diǎn)均在泵機(jī)的恒扭矩工作區(qū)間。圖4對(duì)應(yīng)細(xì)粉砂,是目前國內(nèi)吹填較常見的土質(zhì),管阻曲線已不再是單調(diào)曲線,而是存在著管阻低谷。在圖中的7000m和8000m當(dāng)量排距時(shí),管阻曲線和總排壓曲線的交點(diǎn)在總排壓曲線折點(diǎn)的左側(cè),這表明在排距較長時(shí),泵機(jī)可以工作在額定轉(zhuǎn)速,且此時(shí)泵機(jī)的功率并沒有達(dá)到額定功率,這與國內(nèi)操作挖泥船時(shí)通常不會(huì)讓泵機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的習(xí)慣不一致,為了提高產(chǎn)量,此時(shí)應(yīng)讓泵機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速。圖5中的8000m當(dāng)量排距和圖6中的4000m當(dāng)量排距對(duì)應(yīng)的管阻曲線和總排壓曲線沒有交點(diǎn),表明此時(shí)的泥泵能力不能輸送密度為1250kg/m3的泥漿,需降低泥泵濃度。圖6還表明對(duì)于D50為0.5mm粗砂的輸送能力較低,在承接此類工程時(shí)應(yīng)給予充分重視。綜合比較圖3~圖6,還可以得知不同泥土直徑對(duì)管阻影響很大,從而對(duì)泥泵輸送產(chǎn)量影響很大,如進(jìn)一步考慮到粒徑粗的原位土一般孔隙率也比較小,則輸送不同粒徑泥土的計(jì)量產(chǎn)量相差更大。5泥泵的流變量和密度泥泵的輸送能力無疑是絞吸式挖泥船的重要性能指標(biāo)之一。本文首先論述了原位土的密度對(duì)絞吸式挖泥船產(chǎn)量的影響,指出了因產(chǎn)量一般用挖掘和輸送的原位土體積來計(jì)量,而原位土的孔隙率和密度差異甚大,導(dǎo)致即使輸送相同密度的泥漿,而體積濃度也將會(huì)因原位土孔隙率和密度不同而差異很大,因而計(jì)量的產(chǎn)量也差異很大。輸送距離和土的粒徑也是影響絞吸式挖泥船泥泵產(chǎn)量的重要因素,隨著土粒徑的增大,泥泵可輸送的距離和產(chǎn)量下降明顯,但對(duì)于D50=0.01mm和D50=0.1mm的土質(zhì),泥泵可輸送的距離很大,文中計(jì)算表明可以達(dá)到8000m,且還具有較大的泥漿流量和產(chǎn)量。國內(nèi)工程的一些疏浚工程土質(zhì)接近D50=0.1mm的細(xì)砂,如長江口和曹妃甸地區(qū),在該地區(qū)作業(yè)的絞吸式挖泥船的實(shí)際運(yùn)行狀況也符合文中計(jì)算結(jié)果。但需要注意在D50達(dá)到0.5mm時(shí),泥泵的排距和產(chǎn)量將大大下降。絞吸式挖泥船實(shí)際作業(yè)的工況千差萬別,本文旨在通過對(duì)比較常見工況的分析,給出泥泵運(yùn)行和管阻匹配特性的定性規(guī)律,以供參考,當(dāng)然對(duì)于所選算例更有一定的直接參考價(jià)值。