绞吸挖泥船泥沙输送系统计算分析软件开发研究

2017-12-15李铭志何炎平刘亚东

实验室研究与探索 2017年11期

关键词：泥泵挖泥船泥沙

李铭志，何炎平、2，刘亚东、2，黄超

(1．上海交通大学海洋工程国家重点试验室，上海 200240； 2．高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200120)

绞吸挖泥船泥沙输送系统计算分析软件开发研究

李铭志1，何炎平1、2，刘亚东1、2，黄超1

(1．上海交通大学海洋工程国家重点试验室，上海 200240； 2．高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200120)

分析了绞吸挖泥船泥沙输送系统设计工作者、施工管理人员和施工操作者等相关人员对泥沙输送系统计算分析功能的需求，据此制定并模块化软件的主要功能，给出了基于船舶数据库、以工程项目为主导、工作点计算和优化为核心、计算工具和数据管理为辅助的绞吸挖泥船泥沙输送系统计算分析软件结构框架，提出了3级区域划分的人性化界面方案，介绍了该软件中多种计算方法及其计算结果比较分析、项目便捷管理、参数设置和数据管理等关键技术的实现方法。软件结构清晰，易于软件升级和功能扩展，软件界面简洁、层次分明、表达形式多样、表述详细具体、能够满足多方使用需求，便于使用。

泥沙；管道输送；绞吸挖泥船；软件开发

0 引言

泥沙管道输送不同于其他输送方式，不需要装载、卸载等工序，即无需因此中断输送作业，不受天气、地理等因素的限制，可以实现不间断全天候地连续运行，因此相对更加高效、经济。同时，由于管道的封闭性，使得管道输送更加环保。另外，管道系统施工方便，对配套设施的要求低。因此，泥沙管道输送长久以来受到疏浚业界的广泛应用和大力推广。到20世纪50年代后期，泥沙管道输送已经占据了疏浚工程的大部分市场。绞吸挖泥船就是泥沙管道输送在疏浚行业中的最成功应用的案例之一，目前国内大小绞吸挖泥船近百艘，每年管道泥沙输送系统消耗的燃油达数百万t。

近几年，每年的全球疏浚量高达到数十亿m3，所产生的经济总量达上百亿美元[1]，仅我国沿海，疏浚需求就达六七亿m3，市场规模达几十亿美元[2]。挖泥船市场频频告急，各大疏浚公司都在建造更大型的绞吸挖泥船。

另外，由于国内挖泥船的相关研发起步较晚，技术水平相对于发达国家，甚至国内主流船型都还有一定差距，因此挖泥船中能量消耗占80%以上的泥沙输送系统的优化设计与控制还有较大的改进空间和经济性潜力。另一方面，随着计算机技术的发展，以及自动化技术在船舶行业，尤其工程船舶上的广泛应用，为绞吸挖泥船及其管道输送系统的优化控制提供了技术基础。

如果能够通过技术手段使得绞吸挖泥船燃油消耗稍有降低，在每年疏浚业如此庞大的燃油消耗及其所产生经济总量的基数上，无论多小的改进都将产生巨大的节约，即使是1%的能耗提升，也将节省燃油数万t，获利上亿元人民币。

优化控制的前提是能够准确的计算和分析各种施工条件下挖泥船关键设备的运行状况和产量效率等关键参数，为此，上海交通大学船舶设计研究所开发了“绞吸挖泥船泥沙输送系统优化分析软件”作为基础平台，供挖泥船设计人员，施工设计人员，操纵人员和优化控制软件开发人员参考和使用。

1 功能需求

软件主要面向绞吸挖泥船泥沙输送系统设计人员、疏浚项目施工设计人员，绞吸挖泥船操纵人员和泥沙输送系统优化控制相关研究人员，为他们提供相关的服务和参考。

为此，从软件开发前的功能需求到项目结题的评审会议，软件开发过程中间多次和使用人员交流修改，总结各方用户对软件功能的需求。

1.1 绞吸挖泥船泥沙输送系统设计人员需求

(1) 不同设计工况(土质、排距、挖深、排高等)在其特定的动力配置(泥泵配置)情况下，不同规格的输送管道对产量和能效的影响；

(2) 不同规格、型号的泥泵在不同工况能够提供的排压及其效率、转速等性能情况；

(3 不同土质，不同浓度和不同流速对管道阻力、泥泵性能的影响。

1.2 疏浚工程施工设计人员需求

(1) 特定施工条件(排距、排高、挖深、管线坡度等)、环境参数(温度、水密度、大气压等)，不同输送路线、不同规格管道及其配置(不同段配不同规格和不同形式的管道，比如海上配塑料浮管、陆上埋设大管径钢管)的产量和能效情况；

(2) 施工条件下，使用不同挖泥船时的产量和能效情况。

1.3 挖泥船操纵人员需求

(1) 在施工条件下，如何操纵挖泥船(开几台泥泵，每台泥泵多少转速)使其达到产量最大(或者效率最高)；

(2) 在施工条件下，如何操纵才能避免危险(汽蚀，水锤)。

1.4 泥沙输送系统优化控制研究人员需求

(1) 土质，浓度及流速等施工参数对管道阻力、泥泵性能的影响；

(2) 挖深、排高、管路规格等参数对管路阻力的影响；

(3) 各种施工条件下汽蚀、水锤、堵管等危险情况的边界条件；

(4) 提供管道阻力、关键流速等核心计算方法，并能就当前使用较多的和最新提出的算法之计算结果进行比较分析。

2 模块划分

综合各方用户对软件的功能需求可见：首先，不同施工条件下各关键设备的运行状态和系统的产量、效率分析是所有使用人员最为关心的功能，因此，软件系统必须能够直观、准确的呈现泥沙输送系统的流量、排压、产量、效率以及关键设备的性能参数，例如泥泵的排压、转速、效率等。能够给出各关键设备在各施工工况下的性能曲线和工作曲线。包括在各种施工土质、输送浓度和环境条件下的泥泵排压曲线、轴功率曲线、效率曲线、净正吸入扬程曲线、泥管阻力曲线以及工作点产量、流量、泥泵排压、效率等信息。

其次，软件系统能够就设定工况进行优化，给出最大产量和最经济施工曲线及相应的泥泵运行参数和管路阻力特性等。

另外，软件系统还要能够详细的给出本软件相关的当前使用较多的和最新提出的核心计算分析方法(比如管道阻力计算、土质分析、关键流速计算、泵性能分析等)，并能从界面上直接选择相关算法进行计算分析，计算分析结果能够直观显示，尤其多种算法的计算结果能够在同一界面显示，以便比较分析。

除此之外，软件系统应该具备一定的管理功能，包括各种公用数据、施工项目数据、船舶参数等。

为了使得软件结构清晰，使用方便，软件的功能模块划分如下：

(1) 项目管理模块。项目管理模块实现对疏浚施工项目的管理，包括新建、删除、复制、项目参数修改等。客户使用过程中，最好有符合其公司的项目参数命名的标准，统一的命名规则会提升管理的效率。

(2) 参数设置模块。为了方便操作，避免重复手动输入，软件需提供参数设置功能，包括船舶参数(包括泥泵数量、泥泵型号、管路长度、管路管径等)、环境参数(水温、气压、水密度等)、土质参数(包括粒径、级配、颗粒密度等)和工况参数(包括管道参数、排距、输送浓度、局部损失系数等)。

(3) 计算分析模块。主要包括下面几个方面：①泵特性曲线计算。包括功率曲线、排压曲线、扬程曲线(基于离心泵[3]提供King[4]、Schiller[5]、Fairbank[6]等人公开发表的离心泵输送浆体水头修正方法)、效率曲线、净正吸入扬程曲线(基于文献[5]所发表的公式)；②管阻曲线的计算(管阻计算采用本单位自主开发的计算方法，并提供采用王绍周[8]、Durand[9]、Wasp[10]、Turian[11]、Wilson[12]、[13]、Miedima[14]、[15]等人公开发表算法的计算工具，可实现多种计算方法相互比较分析、参考印证功能)；③工作点分析。包括产量、流速、各个泵的运行特性；④优化分析。包括最大产量分析和最大效率分析。

(4) 计算结果显示模块。提供多种算法计算结果、多种工况施工分析结果、多种动力配置施工情况等各种曲线的对比分析界面。

(5) 实用工具模块。提供辅助设计功能模块实现对软件计算分析过程中所涉及各种计算方法的解释和对绞吸挖泥船施工中关键工艺技术的指导功能。主要包括体积浓度分析、原状土分析、关键流速分析、泵性能曲线分析、气化压力分析、呼吸阀计算、排水口设计、水上浮管受力计算和局部水头损失系数等。

(6) 数据管理模块。提供对土质、泥泵、闸阀等公共数据和营运船舶的泥沙输送系统相关参数的管理功能。

(7) 帮助模块。为客户提供软件使用、计算方法说明等方面的帮助。

3 系统结构框架

基于功能需求分析，软件系统分为四个大的部分：

(1) 主程序部分。实现各个施工项目、船舶项目的管理功能，包括新建、复制、粘贴及相关参数设置等；实现施工项目所有工况的优化计算分析和结果比较分析及显示说明功能。

(2) 实用工具部分。实现泥沙输送系统关键流速分析、泵性能曲线分析、气化压力分析、浆体体积浓度分析、原状土分析、呼吸阀计算、排水口设计和局部水头损失系数显示等辅助分析功能。

(3) 公共数据管理部分。实现土质数据、船舶参数、泵性能数据和闸阀参数等公用数据的管理功能。

(4) 帮助部分。帮助了解本软件操作方法和计算方法。

其系统结构框架如图1所示。其中公共资料库包括存储公用数据的公共数据库文件和存储项目数据的项目数据库模板文件。公共数据主要指本项目施工区域或常见施工区域的土质数据、管理单位的船舶数据、常用泥泵数据和典型呼吸阀数据等。

图1 系统结构图

项目资料库包括所有需要计算或者已经计算完成的各项目数据。

4 界面设计

本系统选用面向对象程序设计语言Visual Basic以及同属微软公司开发的ACCESS数据库作为实现工具。主要运行界面如图2所示。

本系统所有界面采用如图所示的3级模式，第1级为用Menu控件实现7大功能模块的选择；第2和第3级都采用TabControl控件，用其TabPages集合的Visible属性实现与上级选项的联动功能。

5 实现方法

(1) 多种计算方法及其计算结果比较分析功能的实现。如图2所示，在“工况设置”界面，可以对任意一段管路、泥泵选择不同的计算方法。同样，在关键流速计算、土质分析等操纵界面都有类似的下拉组合框供选择对应的算法，并且提供了各种计算方法的说明界面。

在“结果显示”菜单对应的2级区域设置TreeView控件，并设置其CheckBoxes属性为True，节点名称采用工况名，在选择复选框时，对应工况的工作曲线将显示在3级区域，这样就实现了直观比较的功能。

(2) 项目便捷管理功能的实现。本系统设置一个用于文档存储的文件夹，文件夹中包含一个用来存储公共数据和文件模板的以Module文件夹，及分别以每个项目编号为名称的用以存储其设置参数、计算结果等项目信息文件的文件夹。

以项目号命名的文件夹中包含一个存放项目数据的ACCESS 数据库和一个设置项目编号、项目名称等项目信息的txt文本文件。

图2 系统界面

每次软件打开都会根据项目文件夹的名称更改txt文本文件中的项目编号，项目管理功能里也可以通过修改项目编号直接修改文件夹名称和txt文本文档中的项目编号，因此，用户可以直接通过复制一个项目文件夹，并修改其名称，实现对一个项目的复制和重新命名。

(3) 大量参数设置界面的实现。本系统参数设置界面同样采用3级模式，第1级为菜单栏“参数设置”菜单；第2级采用TabControl控件，用其TabPages集合(包括船舶参数设置、环境参数设置、土质参数设置和工况设置4项)的Visible属性实现与上级选项的联动功能；第3级同样采用TabControl控件，实现具体参数的设置、计算方法的说明、每个参数物理意义的解释说明等功能。

(4) 数据管理功能的实现。本系统对泥泵、土质、闸阀等公共数据和每个施工项目的各种工况分别设置了不同级别的数据库，在软件当中通过设备型号调用公共数据库中的设备性能参数，通过土质名称调用土质参数，通过船号调用船舶参数，而项目数据库中只包括船名、每个船舶只设置泥泵个数和型号等参数，而每个项目的每种工况只调用船号，设置排管、水温、气压等参数。

这种数据分级的结构大大减少了手工输入数据的工作量，也减少了可能因此导致的错误，同时使得软件界面更加简洁明了。

6 结语

本软件设计的目标性明确，开发过程中与使用者密切联系和交流，再加上简单人性化的操作界面和软件内部的智能化处理，使得软件使用人员在不经过软件培训的情况下即可正常使用。

目前软件已经在船舶设计和疏浚工程规划方面得到了大量应用，并在巴西工程、香港工程等多个疏浚项目中得到了实际验证，尤其泥沙管道输送阻力的计算在上海机场工程中得到了详细的多工况实验验证[5]。

另外，软件框架结构和数据结构层次划分详细分明，为软件的升级和维护打下了良好的基础。

[1] 北京智研科信公司. 2016-2022年中国疏浚工程市场调查与行业前景预测报告[EB/OL]. http://www.ibaogao.com/baogao/12101C0062015.html.

[2] 中国港口网. 多因素驱动我国疏浚工程行业发展疏浚总量将超40亿立方米[EB/OL]. http://www.zgsyb.com/html/channel/2014/08/2831018.html.

[3] Bajawi H Y, Salim B, Suhibani Z. Performance of a centrifugal slurry pump[J]. Research Journal of Applied Sciences Engineering & Technology, 2014, 7(8).

[4] King R P. Introduction to Practical Fluid Flow[M]. Butterworth-Heinemann, Burlington, 2002.

[5] Schiller R E，Herbich J B. Handbook of Dredging [M]. McGraw-Hill, New York, 1991.

[6] Fairbank L C. Pipe-line flow of solids in suspension: A symposium: Effect on the characteristics of centrifugal pumps[J]. Transactions of the American Society of Civil Engineers, 2014, 107:1564-1575.

[7] de Bree Ir S E M. Dredging pipelines and pumps [J]. Ports and Dredging，1975(80): 4-9.

[8] 王绍周. 粒装物料的浆体管道输送[M]. 北京：海洋出版社，1998: 64-66.

[9] Durand R. The Hydraulic Transportation of Coal and Other Materials in Pipes [M]. Collage of National Coal Board, London, Nov. 1952.

[10] Wasp E J, Kenny J P, Gandhi R L. Soild-liquid Flow Slurry Pipeline Transportation[M]. Trans. Tech. Publications，1977.

[11] Turian R M, Yuan Tran-Fu. Flow of slurries in pipelines [J]. J Amer Inst Chem Angrs, 1977(3): 232-242.

[12] Wilson K C, Clift R, Sellgren A. Operating points for pipelines carrying concentrated heterogeneous slurries[J]. Powder Technology, 2002 (1):19-24.

[13] Wilson K C, Addie G R, Sellgren A,etal. Slurry Transport Using Centrifugal Pumps[M]. Springer Science and Business Media, Inc., 2004.

[14] Miedema S A. A head loss model for homogeneous slurry transport for medium sized particles[J]. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 2016 (1):1-12.

[15] Miedema S A. The heterogeneous to homogeneous transition for slurry flow in pipes[J]. Ocean Engineering, 2016(123):422-431.

[16] 李铭志，何炎平，韩政，等.泥沙输送计算方法探讨[J]. 水运工程，2014(5): 38-42.

DevelopmentofCalculationandAnalysissoftwareforCSDSlurryTransportationSystem

LIMingzhi1,HEYanping1、2,LIUYadong1、2,HUANGChao1

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China；2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200120, China)

The function requirement of calculation software, which is designed for cuter suction dredge (CSD) system, is analyzed in this issue for designers, operators and other relative people, respectively. The major function is determined and modularized. The project guiding structure of the software is putted forward based on database. The software framework constitutes of project management, computing, supporting tools, database managements and so on. The interface composed by triplex district is proposed for easy manipulation and increasing humanization. And the implementation of the comparative analysis of the results of various calculation methods is given, and projects management, data setting and management are illustrated. The precision and the applicability of the software have been proved by its practice data.

grads solid; pipeline transportation; cuter suction dredge; software development