基于“航浚6008”轮的黄骅港施工参数优化及产量计算分析

蔺永学，周丙浩

（中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

耙吸挖泥船能够高效、快速地独立完成装、运、卸整个疏浚吹填周期作业，在世界大规模陆域成形工程、临海工业园区建设及航道基建和维护中都发挥着举足轻重的作用。耙吸挖泥船施工产量随土质、挖深、吃水等工况条件和施工参数的变化而变化，且受临界流速和泥泵汽蚀余量的限制。而泥沙之间、泥沙与水之间、浆体与管道之间相互作用的复杂性导致各种理论方法、计算公式繁复纷杂，操作人员难以掌握最大产量对应工作点随工况条件变化的规律，且实验室小管径试验数据的各种计算方法在大管径施工条件下的适用精度不高，耙吸挖泥船施工能力的全面发挥和效率有待进一步提升。

中港疏浚有限公司于2019 年首次建造具有智能疏浚模式的2 艘耙吸挖泥船“航浚6008”轮与“航浚6009”轮，针对“一人疏浚”模式下的疏浚效果，基于装舱时间、产量、能耗、真空、流速和密度等数据，进行了手动与智能疏浚模式下的疏浚性能对比试验与分析[1-3]。智能疏浚系统嵌入产量计算模型，通过自动控制器动态地在降低混合物流量和提高浓度之间寻找最佳工况点，以保持可实现的最高产量。

本文基于智能疏浚模式下的产量优化计算原理，对黄骅港工程“航浚6008”轮的智能疏浚数据进行分析，建立产量计算模型，并对“航浚6008”轮在黄骅港工程的产量作进一步优化计算，以提高疏浚效率和产量，节本降耗。

1 计算原理

1.1 挖掘与输送

挖掘生产率及泥泵输送生产率计算公式：

式中：W1为挖掘生产率，m3/h；V 为船舶对地航速，kn/h；B 为耙头有效挖泥宽度，m；H 为耙头入泥深度，m；W2为泥泵输送生产率，m3/h；Q为泥泵流量，m3/h；C 为泥浆体积浓度，%。

以“航浚6008”轮威龙耙头为例，在活动罩对地角度为0°时，即V=3 kn/h、B=3.956 m、H=0.37 m 时，挖掘生产率W1=8 132 m3/h。

按施工经验选取Q= 20 000 m3/h、C=35%时，泥泵输送生产率W2= 7 000 m3/h。

耙吸挖泥船施工过程中，通过调整挖掘参数和泥泵参数使耙头挖掘生产率与泥泵输送生产率相匹配。一般来说，挖掘生产率应略大于输送生产率，以保证泵吸能力的最大利用率，且需避免因挖掘生产率过大而造成的残余浪费。

1.2 输送适应性

管道输送适应性影响因素包括土质、排距、输送浓度、关键流速及净正吸入扬程等，各因素相互影响、相互制约[4-9]。

1）颗粒粒径

在排距、输送管径和输送浓度等参数保持不变的情况下，随着输送颗粒粒径的增大，输送系统的管路水头损失会逐渐增大，泥泵可提供水头则随之减小。

2） 排距

在颗粒粒径、输送浓度等因素确定的条件下，管路水头损失会随排距的增加而成比例增加。

3） 浓度

随着输送浓度的增大，运行在额定转速、功率富裕的泥泵提供的水头将持续增大，泥管水头损失也随之增大。

4）关键流速和净正吸入扬程

关于关键流速、净正吸入扬程的计算方法有很多，此处不再赘述，其影响趋势基本一致。管道输送的最佳工作点同时受关键流速和净正吸入扬程的限制，关键流速的限制对应该流速下的最小流量，净正吸入扬程限制对应该流速下的最大流量。

2 智能疏浚模式下的黄骅港产能分析

选取 2019-08-14—23 期间“航浚6008”轮在黄骅港工程施工数据中运行比较稳定且特征比较明显的典型数据段进行分析处理，以2019-08-14T14:52—15:22 段数据为例，分析处理结果见图1~图 3。

图1 原状土装舱量和原状土产量时程曲线Fig.1 Time history curve of situ volume and situ production

图3 真空度和泵出口排压时程曲线Fig.3 Time history curve of vacuum degree and pump outlet pressure

图2 流量和泥浆密度时程曲线Fig.2 Time history curve of flow and specific gravity of slurry

以产量、挖深、浓度、真空、排压等参数为评判指标，采用逐级筛选的方法，首先选择装舱产量比较稳定的数据段，然后再分别逐级从所选择的数据段中挑选挖深、浓度、真空、排压、泥泵转速等稳定但相异的数据进行分析，并以此作为产量计算模型验证数据。筛选后，得到稳定数据（2019-08-14 T14:52—15:22段；2019-08-15T 05:44—06:21 段；2019-08-16 T 03:23—03:59 段；2019-08-16 T 05:47—06:20 段；2019-08-21 T 05:40—06:14 段；2019-08-21 T 08:42—09:15 段）进行分析处理。

由图1~图3 可知，产量受到挖深、流量、泥浆密度与泥泵特性等因素的影响和制约。该工况条件下，随着挖深的增加，产量明显降低；挖深14 m 时，产量可高达5 000 m3/h，泵出口压力约0.7×102kPa，真空度接近-0.9×102kPa；挖深14.3 m 时，产量约4 000 m3/h，泥泵出口压力约0.8 ×102kPa，真空度接近-0.85 ×102kPa；挖深14.4 m时，产量约4 000 m3/h，泥泵出口压力约0.7 ×102kPa，真空度接近-0.85×102kPa；挖深14.8 m 时，产量约3 000 m3/h，泥泵出口压力约0.7×102kPa，真空度约-0.7×102kPa。

装舱开始阶段，产量曲线与输送浆体流量的变化趋势一致，当流量超过4.4 m3/s 后，泥泵受到汽蚀余量限制，由活动罩自动控制器控制耙头，降低输送浓度，此时产量开始下降。到4 m3/s 附近时，为进一步提高输送流量，降低输送浓度，泥浆密度下降，此时产量开始急剧下降。

满舱作业时，与装舱开始阶段相同，产量先随着输送浆体流量的增大而增大，且该施工段泥泵一直没有受到汽蚀余量的影响，直到4 m3/s 附近时，为进一步提高输送流量，降低输送浓度，产量随流量的增加而下降。

综上，从装舱量变化的角度看，最大产量工作点对应的流量随装舱量的增加而增大，从空舱时候的3.44 m3/s 增大到满舱时候的4.0 m3/s。

3 黄骅港工艺参数优化与产量计算

黄骅港工程挖深14～15 m，土质为细粉砂（中值粒径d50=0.02 mm、干土密度ρsm=1 750 kg/m3）。“航浚6008”轮装备威龙耙头与HRMD 202-43-100 型泥泵（高速325 r/min，低速191 r/min），装舱管路参数如表1 所示。

表1 “航浚6008”轮进舱管路参数Table 1 Entering pipeline parameters of ″Hangjun 6008″TSHD

基于2019-08-14 T 14:52—15:22 段；2019-08-15 T 05:44—06:21 段；2019-08-16 T 03:23—03:59 段；2019-08-16 T 05:47 — 06:20 段；2019-08-21 T 08:42—09:15 段施工数据，进行理论工作点计算，以14:52—15:22 段理论工作点计算为例，对比曲线如图4 所示。

图4 14:52—15:22 段理论工作点计算对比曲线Fig.4 Comparison curve of theoretical working point in 14:52—15:22 time period

综合分析5 个时间段所选施工数据可知，随着施工段的变化，理论工作点也随之发生改变；与实际数据分析结果相吻合，理论工作点对应的流量随装舱量的增加而增大；空舱时，理论工作点对应流量约3.44 m3/s；满舱时，理论工作点对应流量约4.0 m3/s，最大可达4.4 m3/s。理论工作点对应流量与实际施工数据基本吻合，计算模型及其参数的选择符合作业需求。

根据实际施工与模拟计算分析结果，对“航浚6008”轮黄骅港工况下的产量进行计算与优化分析。如表2 所示，对于满舱和空舱两种施工工况，关键流速取0.77 m/s、泥泵转速为191 r/min、航速为3 kn/h，输送泥浆密度为1 179 kg/m3，平均流速为7.02 m/s，产量可达3 415 m3/h。

表2 施工参数优化计算Table 2 Optimization calculation of construction parameters

优化后的施工曲线与流量产量曲线如图5 与图6 所示。

图5 施工曲线Fig.5 Construction curve

图6 流量-产量曲线Fig.6 Flow-production curve

从图5~图6 可以看出，原状土产量随流量的增加先增大后减小；空舱时的工作点流量为3.4 m3/s，满舱时的工作点流量为4.3 m3/s；空舱时，低流量阶段受汽蚀限制，随着流量的增加，最大浓度随之减小，此时产量降低，当流量到达4.4 m3/s 附近，受泥泵功率限制，降低泥泵转速，此时产量急剧下降；满舱时，泥泵位于水面以下约4 m 深处，泥泵不受汽蚀限制，低流量阶段，产量随流量的增加而增大，当流量到达4.3 m3/s时，受泥泵功率限制，产量开始剧烈下降。从施工数据的对比看，施工船舶在4.4～4.5 m3/s 施工的产量数据和计算结果非常吻合，验证了计算方法的合理性。同时，由计算结果可知，可降低施工流量，以达到更高产量。

综上，黄骅港工程，智能模式下的疏浚产能受浓度、流量、泥泵功率等因素限制，通过控制活动罩与泥泵转速控制流量与浓度，实现最佳产量。输送泥浆密度取1 179 kg/m3，平均流速取7.02 m/s，产量可达3 415 m3/h。

4 结语

1）基于泥泵水头、管路水头损失随土质、排距、管径、泥浆浓度变化的规律，及关键流速和净正吸入扬程的限制，泥浆输送管道设计时，根据施工区域土质信息和排距匹配合理的输送管道管径；根据输送颗粒粒径的变化改变输送浓度以达到最大产量；同时在提高输送浓度以追求高产量和高效率时，考虑关键流速和净正吸入扬程的限制。

2）产量受到流量、泥浆密度与泥泵特性等因素的影响和制约。由黄骅工程施工数据的处理分析结果可知，随着挖深从14 m 增加到14.8 m，产量从5 000 m3/h 降低到3 000 m3/h。产量曲线与输送浆体流量的变化趋势基本一致，当流量超过4.4 m3/s 后，泥泵受到汽蚀余量限制，由活动罩自动控制器控制耙头活动罩，降低输送浓度，此时产量开始下降。到4 m3/s 附近时，为进一步提高输送流量，降低输送浓度，泥浆密度下降，此时产量开始急剧下降。

3） 通过对“航浚6008”轮在黄骅港工况下的优化计算可得，输送泥浆密度取1 179 kg/m3，平均流速取7.02 m/s，产量可达3 415 m3/h。