絞吸式挖泥船泥泵運行參數配置分析

何炎平，饒維生，楊劍濤，譚家華

（1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.中交天津航道局有限公司，天津 300042）

0 引言

絞吸式挖泥船生產能力是其重要的性能指標之一，如僅就泥泵和泥管的輸送能力而言，在確定好泥泵型號和驅動裝置功率后，如何選取泥泵的額定工作參數對挖泥船以后的作業(yè)和生產能力均有一定的影響，本文將結合一實船配置對此作探討。

1 實船配置相關基本參數

本文分析結合的實船為某一“3 500 m3/h絞吸式挖泥船”，該船配置了3臺泥漿泵，包括1臺安裝在橋架上的水下泥泵和2臺安裝在船體內的艙內泥泵，泥泵配置的相關參數如表1。

艙內泥泵采用柴油機驅動，水下泥泵采用電動機驅動，實際配置參數見表1。從表1中可見，雖然泥泵和驅動動力之間存在齒輪箱和軸系，因而有一定的功率損耗，但艙內泥泵的功率和其驅動柴油機功率相差較多，對此影響隨后進行分析。

表1 泥泵配置參數

2 按泥泵額定功率分析

2.1 不同排距的理論工作點

在絞吸式挖泥船設計之初，往往會提出一個額定工況，據此來確定泥泵的額定轉速[1-2]。就本文結合的實船算例而言，在排管直徑為φ800 mm、挖深25 m、排高6 m、D50=0.2 mm和輸送泥漿密度為1 350 kg/m3時，艙內泥泵和水下泥泵的功率取表1中的數據，對不同當量排距可得到如圖1和表2的計算結果。

圖1中的橫坐標為泥漿流量，縱坐標為管阻和排壓。“總排壓”曲線為3臺泥泵在輸送指定泥漿的串聯特性曲線，該曲線有1個轉折點，在該點的左側，流量小，揚程高，但所需要的總功率相對較小，泵機能以額定轉速運轉，泵機發(fā)出功率小于其額定功率；在轉折點的右側，隨著流量增加，泵機將不能提供保持額定轉速運轉所需的功率，而進入降低轉速的恒扭矩工作區(qū)域；因此轉折點處為泵機發(fā)出功率和扭矩均在額定值的工作狀態(tài)[2-3]。其余9條曲線為對應不同排距的管阻曲線，從圖中可以看到存在管阻最小的谷點[4-5]，它們與泥泵的總排壓曲線的交點即為理論上的工作點[2，6]，可以得到泥漿流量、總排壓、泥泵轉速和功率等運行參數，見表2。

圖1 D50=0.2 mm不同排距工作點計算

表2 D50=0.2 mm不同排距的工作點

2.2 計算結果分析

圖1計算結果對應的土質為中細砂，其沉淀的臨界流速較小，小于2 m/s，所以對于此類土質的輸送，在本算例中不需考慮因沉降產生堵管[2]。

從圖1可以看到，管阻曲線不是單調曲線，而是存在著低谷，對應的流速稱為臨界流速，此時的管阻最小。

從圖1可以看到，從2 500 m到4 500 m的當量排距范圍，管阻曲線與總排壓曲線的交點均在泵機的恒扭矩工作區(qū)間，其中2 500 m的艙內泵轉速為額定轉速的85.6%，4 500 m的艙內泵轉速為額定轉速的97.1%。在2 000 m當量排距時，艙內泵轉速為280 r/min，對應柴油機的轉速為約494 r/min，是額定轉速的82.4%。在5 000當量排距時，管阻曲線和總排壓曲線的交點與總排壓曲線折點非常接近，此時泥泵的轉速和功率與設計的額定值非常接近。在5 500 m當量排距時，管阻曲線和總排壓曲線的交點在總排壓曲線折點的左側，這表明在排距較長時，泵機可以工作在額定轉速，且此時泵機的功率并沒有達到額定功率，這與國內操作挖泥船時通常不會讓泵機轉速達到額定轉速的習慣不一致，為了提高產量，此時應讓泵機工作在額定轉速。

圖1中6 000 m當量排距的管阻曲線和總排壓曲線沒有交點，表明此時的泥泵能力不能輸送密度為1 350 kg/m3的泥漿，需降低泥泵濃度。如輸送泥漿密度為1 300 kg/m3的泥漿，相應的計算結果見圖2，此時泵機工作在額定轉速，但此時泵機的功率并沒有達到額定功率；同時也表明了在當量排距為7 000 m時，泥泵能力不足以輸送密度為1 300 kg/m3的泥漿，在如此長排距時，需要更進一步降低泥漿濃度[4-5]。

圖2 1300kg/m3泥漿密度工作點計算

2.3 理想的工作排距探討

對于上述的土質、挖深、排高和泥漿密度，從圖1所示的計算結果來看，理想的工作當量排距范圍為2 500～4 500 m，此時艙內泥泵的柴油機和水下泵電動機均在其恒扭矩工作區(qū)間。

泥泵工作在其驅動設備的恒扭矩區(qū)間是理想的工作狀態(tài)，理由如下：

1）與挖泥手操縱的習慣一致，一般在挖泥作業(yè)時泵機的運轉速度不會達到額定轉速，而泵機的控制則限制其輸出扭矩在額定范圍內。

2）在實際疏浚作業(yè)中，由于泥漿濃度、土質粒徑和當量排距等各種因素并非一成不變，而總是在不停變化和波動中，管阻也因此不斷波動。由圖1和表2可以看到，泥泵工作在其驅動設備的恒扭矩區(qū)間時，管阻的波動對輸送泥漿的流量影響并不太大，如當量排距從3 500 m增加到4 000 m，泥漿流量僅減少458 m3/h，約降低5%。因此，即使出現局部沉淀，導致管阻增加，由于流量減小有限，將使泥管發(fā)生局部沉淀處的流速反而會增加，從而阻止沉淀的累積，甚至消除局部沉淀[4]。

3）對柴油機而言，針對用于疏浚作業(yè)設計的柴油機，其恒扭矩區(qū)間的單位功率油耗較低，因此也是比較經濟的運行區(qū)間。

4）泥泵工作在其驅動設備的額定轉速區(qū)間時，如圖1中的5 500 m當量排距，其工作狀態(tài)并不穩(wěn)定，如發(fā)生管阻增大，則會使輸送泥漿的流量降低過快，容易出現堵管現象。

以上原因也正是疏浚行業(yè)一致強調泵機需要有恒扭矩能力的原因之一。

3 按泥泵實際可獲得功率分析

3.1 柴油機功率配置分析

設計和運行絞吸式挖泥船時，無疑要考慮其運行的經濟性。理想的泥泵驅動裝置需按照泥泵的運行特性來配置，因此要求設定對應驅動泥泵工況的配置和運行參數。因此在設計挖泥船時，具有恒扭矩性能的柴油機額定功率和泥泵額定功率僅相差傳動效率，而不需為柴油機保留功率儲備。

如表1所示，即使考慮泥泵和其驅動柴油機之間的齒輪箱與軸系的效率，本算例中的泥泵驅動柴油機的額定功率與泥泵設計額定功率之間也存在較大的差異。這是國內設計通常的做法，一方面是考慮柴油機老化后的功率會降低，另一方面是基于疏浚作業(yè)需要柴油機持續(xù)高負荷運行，而且經常承受波動負荷，為了保證柴油機能可靠運行而總是讓柴油機不滿負荷運行。

下面分析此種配置的運行狀態(tài)。

3.2 不同排距的理論工作點

根據泥泵驅動柴油機的實際可提供功率和扭矩計算理論工作點時，在考慮齒輪箱和軸系效率后，艙內泥泵可獲得的功率取為3 100 kW，其余參數不變，計算得到的理論工作點如圖3和表3。

圖3 艙內泵功率增大后的工作點計算

3.3 計算結果分析

從圖3可以看到，總排壓曲線存在兩個拐點，第1個拐點在流量為2.5 m3/s附近，是由于水下泥泵驅動電動機的恒扭矩特性造成的；第2個拐點在流量為3.2 m3/s附近，是由于艙內泥泵驅動柴油機的恒扭矩特性造成的。由于艙內泥泵有兩臺，而且單臺功率比水下泵驅動電動機大很多，所以第2個拐點后曲線變陡很多。

表3 艙內泵功率增大后的工作點

對比表2和表3，在當量排距從2 000 m到5 000 m的范圍內，泥漿流量有所增加，艙內泥泵柴油機負荷也有所增加，而水下泵的功率和轉速則有所降低。另外也可以看到，表3中柴油機在4 000 m當量排距時即開始運行在額定轉速，而在表2中柴油機在5 000 m當量排距時才開始運行在額定轉速。

產生上述結果的原因是在配置泥泵運行參數時降低了柴油機功率，如按與水下泵現在轉速匹配，則艙內泵的轉速需提高到359 r/min，如按艙內泵現在轉速來重新確定水下泵的轉速，則水下泵的額定轉速需下降到262 r/min，相應的計算結果見圖4。圖4中標注為高速排壓線對應艙內泵轉速為359 r/min和水下泵轉速為278 r/min，標注為低速排壓線對應艙內泵轉速為340 r/min和水下泵轉速為262 r/min，此兩種配置參數將使艙內泥泵柴油機和水下泥泵電動機的負載率基本一致。

圖4 額定速度變化后的工作點計算

從圖4中還可以看到泥泵不同速度對不同當量排距的適應性，在泵機功率一定的情況下，泥泵額定速度較高時比較適合較長排距，因此有的泥泵齒輪箱采用了雙速比，以增強對不同挖泥工況的適應性。

4 結語

泥泵的輸送能力無疑是絞吸式挖泥船的重要性能指標之一。本文結合具體算例分析了泥泵參數配置對實際挖泥運行狀態(tài)的影響，得到的主要結論如下：

1）泥泵工作在其驅動設備的恒扭矩區(qū)間是理想的工作狀態(tài)，此時運轉穩(wěn)定，在出現偶發(fā)的管阻增加時，通過泥泵和驅動裝置轉速的提高，可在一定程度內保證排泥正常。

2）國內通常按減小柴油機功率來配置艙內泥泵，實質是在挖泥作業(yè)時艙內泥泵的負荷大，而水下泥泵負荷較小，而按泥泵運行特性來配置驅動裝置，可使艙內泥泵和水下泥泵的驅動裝置的負荷率基本一致，是最佳的運行狀況。

3）在保持泥泵驅動功率不變時，提高泥泵額定轉速使輸送系統(tǒng)更適合較長的當量排距。

因此，按泥泵工作特性設計和配置其驅動設備，結合輸運泥漿的操作和控制特點來恰當選取泥泵的額定轉速，將會使泥泵驅動設備運行更可靠和經濟，同時也會使泥泵和泵機的性能充分發(fā)揮。

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