绞吸船施工输送过程分析

徐玉华，岳文飞

（1.中交海洋投资控股有限公司，海南　三亚　572000；2.中交天航南方交通建设有限公司，广东　深圳　518040）

绞吸船施工输送过程分析

徐玉华1，岳文飞2

（1.中交海洋投资控股有限公司，海南三亚572000；2.中交天航南方交通建设有限公司，广东深圳518040）

绞吸船施工工艺复杂，涉及到挖掘工艺和输送技术，其中输送过程与泥泵性能、管路特性及操作手法等密切相关。文中主要通过对输送过程泥泵工况点、泥泵与柴油机特性匹配的分析，寻找到理论较优工况以及绞吸船施工输送过程一般规律，探讨绞吸船施工分析方法，以对绞吸船的有效施工操作提供指导。

绞吸船；施工；分析；效率

0　引言

绞吸船施工中，潮位、地形、土质、设备运转参数等条件时刻改变着，施工状态也随之发生复杂变化，为了保证船舶生产效率的充分发挥，管理人员需较全面地了解绞吸船施工性能，才能根据实际条件设计出切实可行的施工方案，并及时准确地对施工状态的优劣作出判断，进而采取相应优化措施。

本文重点从泥泵柴油机特性、泥泵特性、管路特性、组合工况分析及经验收集入手，以寻找绞吸船施工输送过程一般规律，探讨绞吸船施工分析方法。

1　绞吸船施工输送过程

绞吸船施工过程由挖掘和输送过程组成，即通过船上泵机驱动离心式泥泵，产生一定的真空，把绞刀挖掘所得的泥浆吸入、泵出再通过输泥管线输送、排出的过程。其中输送过程与泵机性能、泥泵性能、管路特性及操作手法等密切相关。

2　柴油机

2.1主要性能指标

柴油机性能通常可从动力性、经济性、运转性、可靠性、耐久性等方面进行评价。动力性和经济性指标可分为指示指标和有效指标两类[1]。

1）指示指标：包括平均指示压力Pi，MPa、指示功率Ni，kW、指示热效率ηi、指示燃油消耗率gi，kg/（kW·h）。

2）有效指标：包括平均有效压力Pe，MPa、有效功率Ne，kW、有效热效率ηe、有效燃油消耗率ge，kg/（kW·h）。

Ne=Ni-Nm

ηe=ηi·ηm

式中：Nm为机械损失功率；ηm为机械效率。

转矩Me=

3）其他指标：充气系数ηv、过量空气系数α、机械损失功率Nm，kW、机械效率ηm。

2.2柴油机工况

工况是指柴油机在带动各种设备运转时的状况，其中转速n和负荷（转矩Me或平均有效压力Pe）是柴油机运转变化的两个主要参数。

2.3柴油机特性

随着运转工况变化，柴油机性能参数相应变化。柴油机有效性能参数（Ne、Pe、ηe等）随工况（转速、负荷）而变化的关系，称为柴油机的特性。

1）负荷特性

指柴油机在转速固定不变时，其主要性能指标及工作参数随负荷而变化的规律。典型负荷特性曲线见图1。

图1　负荷特性曲线Fig.1　Characteristic curve of loading

2）速度特性

将油量调节机构（油泵齿条或拉杆）固定在某一位置时，改变柴油机的外负荷，使柴油机转速变化，这样测得的柴油机的主要性能指标和工作参数随转速ne而变化的规律，叫柴油机的速度特性。典型负荷特性曲线见图2。

3　泥泵

3.1泥泵性能参数

图2　速度特性曲线Fig.2　Characteristic curve of velocity

泥泵是一种输送泥浆的离心泵。离心泵的基本性能参数有流量Q，m3/h、扬程H，m、轴功率Np、水功率Nu、效率η、转速n、比转速ns和需要的汽蚀余量（NPSHr）（或允许吸入真空度，或允许吸上高度）。泥泵性能参数在离心泵外还有允许通过最大球径f。

3.2泥泵清水特性

3.2.1流量扬程特性

泥泵流量扬程特性可以从流量扬程特性曲线（Q-H曲线）反映，不同转速下具有不同的Q-H曲线，见图3。

图3　流量扬程特性曲线Fig.3　Characteristic curve of flow rate and lift head

3.2.2流量功率特性

泥泵轴转矩Mp=

泥泵水功率Nu是泥泵传递给输送液体的功率，用下式计算：

柴油机发出的功率Ne与泥泵轴功率的关系依传动情况而不同。如柴油机与泥泵轴直接连接，则Ne=Np。柴油机流量功率关系曲线见图4。

图4　柴油机流量功率关系曲线Fig.4　Relationship of flow rate to power of a diesel engine

从图4中可知，随着流量增大，功率逐渐增大。相同流量下，转速高者功率大。

3.2.3流量效率特性

泥泵效率η为泥泵输出功率Nu与轴功率Np之比，η=×100%。泥泵传动效率ηt=×100%泥泵的机组效率ηgr=η·η·tηe×100%式中：ηe为柴油机有效热效率。

3.3泥泵泥浆特性

泥泵泥浆特性受土质、土壤颗粒、泥浆浓度、密度及流态等因素影响较大。

泥泵泵送泥浆时基本规律：同种土质，泥浆密度增大，扬程增加（颗粒大时可能减少），效率降低，功率增加。泥浆越接近均匀的单相介质，扬程功率增加越接近泥浆密度倍数，效率降低亦越小，泥浆越接近不均匀的两相介质，扬程增加越少或下降越多，功率增加越多，效率降低越多。

4　管路特性

4.1管路清水特性

液体在管路中流动，摩阻水头损失包括沿程摩阻损失hf和局部阻力损失hj[2-3]。式中：λw为清水沿程摩阻系数；l为管路长度；D为管线内径；v为流速；ξw为清水局部阻力系数。影响λw的有流动形态，雷诺数大小，管壁内表面相对粗糙度以及过流断面形状等。ξw不仅与断面的几何条件有关，且与雷诺数Re有关，因工程中管内流动为紊流，雷诺数比较大，则ξw与Re无关，仅随断面几何条件不同而变化。

管路流量扬程特性曲线是由管中流动水力损失hf曲线和几何扬程h0曲线迭加而得。

4.2管路泥浆特性

泥浆在管路内运动非常复杂，流动性及管路摩阻受颗粒大小、分配形状、泥浆密度、平均流速、管径、黏滞度等影响。

5　泥泵工况

5.1泥泵工况点

泥泵工况指泥泵工作状态，泥泵的工况决定着挖泥生产率及比油耗率（1 m3土方·1 000 m排距的燃油消耗率，kg）[4]。

如图5[5]，泥泵工况点可以从泥泵泥浆特性曲线及管路泥浆特性曲线中找到。输送泥浆过程中，假设泥浆中土质条件、密度等不发生变化，流量大于Qm时，因管路所需水头大于泥泵所产生水头，管路中能量不足以保证流量维持，流量将下降；流量小于Qm时，因泥泵所产生水头超过管路所需水头，管路中能量过剩，流量上升；流量等于Qm时，管路所需水头与泥泵所产生水头相等，泥泵可在此工况下维持平衡运转，图5中K点即为泥泵的工况点。

图5　泥泵泥浆工况点示意图Fig.5　Schematic diagram of working points of mud pumps

由于绞吸船施工输送过程中，管线长度、排高、泥浆密度、泥浆土质条件等常发生变化，泥泵工况点也随着发生变化。

5.2工况设计思路

1）虽然提高浓度、流量均可提高生产率，但提高浓度的效果更为显著，而经济性的提高也主要靠提高浓度，故尽量使浓度为最大，勿使浓度受提高流速的影响。

2）勿使管路泥浆摩阻增加过多，细颗粒土摩阻较小，可适当取较大的流速。如当受挖掘吸入浓度限制已达最大浓度时，短排距施工时流量较大，此时虽生产率较大，但摩阻较大，对于能耗及设备磨耗均不利，不宜采用，应降低流量使用。而当进行细颗粒土施工时，可适当采用相对粗颗粒土稍大的流速。

3）土质变化复杂，浓度变化大的流速可选取的大些。

4）较大的流速虽然要增大摩阻、泥泵功率及耗油量，但如能增大挖泥生产率而比油耗率降低，仍应取较大流速[6]。

5.3泥泵工况设计步骤

1）根据柴油机特性，选取柴油机不同转速运转工况。

国内柴油机驱动泥泵输泥时均采用柴油机在恒定转速下运转，利用调速器保持转速的恒定。因此，国内施工一般以柴油机在某一恒定转速的工况下进行泥泵工况的分析。如选取90%、95%、100%额定转速进行设计比对等。

2）合理选择排泥管径。

一般绞吸船设计管径可满足不同土质施工的需要，但因土类不同，能达到的浓度也不同，各类土临界流速和实用流速也不同，且泥泵扬程及功率都有一定的限制，挖不同土类时最大排距亦不同。当挖粗砂、砾石等土类，其临界流速较高，采用设计管径的排泥管路施工而泥泵的扬程尚未用足，但因流速的限制使浓度不能提高时，可选用较设计管径更小的管径施工，虽然管路摩阻有所增加，但因临界流速有所降低，使浓度可以增加，亦即可以增加生产率。有时挖淤泥、粉土等土类，其临界流速很低，采用设计管径的长管路施工而泥泵功率尚未充分发挥，但泥泵的扬程过高时，可选用较设计管径更大的管径施工，既能使管路摩阻降低，又有可能在降低泥泵扬程的条件下施工并提高生产率。

管径选择也应通过进一步验算进行确定。

3）综合考虑绞刀挖掘能力、泥泵吸入能力、泥泵柴油机驱动能力和泥泵排送能力的限制，初选输泥最大浓度和平均浓度。

绞吸船输泥最大浓度指施工中短时或瞬时能建立的最大浓度，如挖泥船在施工时，施工条件较好，挖泥操作合理得当，亦可能由较长时间建立的浓度。平均浓度指在一般情况下，挖泥船应能达到的施工浓度，一般取最大浓度的70%左右。

管道能排送的泥浆浓度取决于管内泥浆流速的大小，而泥浆流速又取决于泥泵的驱动能力，为了求出最大可能的浓度，需首先设定一个最大浓度值，然后用泥泵和管路的泥浆特性曲线作图求出泥泵能泵送的流量范围，其次计算最大浓度值下的临界流速，并与当前流速进行对比确定是否满足要求，经过几次试算便可找出最大浓度。

4）计算并绘制泥泵泥浆特性曲线。

5）计算绘制管路泥浆特性曲线。

6）结合柴油机运转特性、泥泵工况，进行各类工况的生产能力、经济性的对比验算，从不同工况点中选择满足柴油机负荷要求、泥泵吸入、排送能力要求的最佳工况点。

7）在实际施工中验证，并根据具体情况进行适当修正。

6　结语

1） 泥泵工况选取要根据柴油机特性，合理选取排泥管径，综合考虑绞刀挖掘能力、泥泵吸入能力和泥泵排送能力的限制，初选输泥最大浓度和平均浓度，通过泥泵和管路特性曲线，可以选定最佳的工况点。

2）施工中，由于施工条件常发生变化，泥泵工况也在不断变动，因此需要结合浓度变化，准确分析管路中的情况，采取相应增减排压、增减浓度的措施。

[1]徐立华.船舶柴油机[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006. XU Li-hua.Marine diesel engine[M].Harbin:Harbin Engineering University Press,2006.

[2]胡冀元.泥泵基本理论特性与管路特性的运用[M].天津：天津航道勘察设计研究院，2000. HU Ji-yuan.The basic theoretical characteristics of mud pumps andapplication of pipeline characteristics[M].Tianjin:Tianjin FairwayProspection and Research Institute,2000.

[3]JTS 181-5—2012，疏浚与吹填工程设计规范[S]. JTS 181-5—2012,Design code for dredging and reclamation works[S].

[4]JTS 207—2012，疏浚与吹填工程施工规范[S]. JTS 207—2012,Construction code for dredging and reclamation works[S].

[5]天津市航浚科技服务公司.绞吸挖泥船泥泵输泥计算手册[K]. 1996. Tianjin Hangjun Technology Services Company.Manual for calculation of mud transport by mud pumps on cutter suction dredger[K]. 1996.

[6]JTJ 319—99，疏浚工程技术规范[S]. JTJ 319—99,The technical code for dredging engineering[S].

Analysis of transport process of cutter-suction dredger

XU Yu-hua1,YUE Wen-fei2
（1.CCCC Ocean Investment Holding Co.,Ltd.,Sanya,Hainan 572000,China；2.CCCC TDC Southern Communication Construction Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518040,China）

The technology of a cutter-suction dredger for dredging operations is complex,including excavation and transport technology.The transport process is associated with the performance of dredge pumps,characteristics of pipelines and operating methods.We try to find the optimum conditions of a dredge pump in theory by analyzing the best efficiency point of a dredge pump and the matching between a dredge pump and a diesel engine as well as the general law of transport process.We also discuss the methods for the analysis of the operation of a cutter suction dredger.It's hoped that this study may provide some guidelines for effective operation of cutter-suction dredgers.

cutter-suction dredger;construction;analysis;efficiency

U615.351.3

A

2095-7874（2016）09-0062-04

10.7640/zggwjs201609015

2016-06-26

徐玉华（1963— ），女，吉林长春市人，硕士，高级工程师，董事长，从事港湾项目施工管理工作。E-mail：2260500194@qq.com