專利名稱：兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)中加壓站最優(yōu)數(shù)量的確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水利疏浚工程領(lǐng)域，特別涉及兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)中加壓站最優(yōu)數(shù)量的確定方法。
背景技術(shù)：
由于水土流失，我國大部分地區(qū)的河流、湖泊、水庫淤積嚴(yán)重，為確保防洪安全，必須定期對河道、湖床或水庫進(jìn)行疏浚。目前用于疏浚江河湖泊的裝置主要有簡易吸泥船、挖泥船、沖挖機(jī)組、兩相流潛水泵等，其中，利用兩相流潛水泵進(jìn)行水力抽沙，是最常采用且快捷有效的方法。疏浚而產(chǎn)生的大量泥沙往往由于場地限制或環(huán)境保護(hù)的要求，要運送到適當(dāng)?shù)牡攸c存放，也可以用于放淤固堤、填充洼地。在利用潛水泵抽沙抽沙的同時，利用管道將泥沙遠(yuǎn)距離輸送到適當(dāng)?shù)攸c，是目前最常采用的方法。
中國專利CN2668704Y公開了一種用于抽送黃河泥沙的泥沙抽送裝置，如圖1所示，主要包括平臺5、泥漿泵6、主管路9和配電盤、變頻調(diào)速柜等。中國專利CN2675748Y公開了一種用于黃河泥沙遠(yuǎn)距離輸送的加壓裝置，如圖2所示，該裝置主要包括變頻調(diào)速柜14、電動機(jī)15和泥漿泵17組成。目前，利用類似前述的泥沙抽送和加壓裝置組成的兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于江河湖泊的疏浚工程。
兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)主要包括平臺、主管路和加壓站三大部分。平臺上一般有若干臺兩相流潛水泵并聯(lián)抽沙，根據(jù)泥漿輸送的距離和揚程的要求，一般需要若干個加壓泵站串聯(lián)增壓，加壓站主要由變頻調(diào)速柜、電動機(jī)和泥漿泵組成，加壓站均采用閉式加壓方式，即加壓泵的進(jìn)出口直接聯(lián)接在泥漿管路上。該系統(tǒng)由于效率高，效益好，使用壽命長，運行穩(wěn)定可靠，在黃河放淤固堤和江河、湖泊等水力挖沙疏浚工程中發(fā)揮了重要作用，收到了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
目前，在布置兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)時，只能根據(jù)施工經(jīng)驗和施工慣例來大致確定加壓站的個數(shù)，往往導(dǎo)致系統(tǒng)的效率較低，輸沙能耗較高。為了進(jìn)一步提高兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)的效益，有必要對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化運行，以提高系統(tǒng)的運行效益。由于兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)在各工地上的運行條件如泥漿的管路輸送距離、泥沙粒度、管道直徑、管道材質(zhì)(鋼管或工程塑料管)等各不相同，故在系統(tǒng)的泵組上配備了變頻調(diào)速器，但滿足同樣輸送條件，各泵之間可以有不同的轉(zhuǎn)速配合。而泵之間不同的轉(zhuǎn)速配合所消耗的能量不同。系統(tǒng)運行優(yōu)化的目的，是要精確確定泵的數(shù)量，并找出泵之間最佳的工作配合，使系統(tǒng)輸送同樣的泥沙耗能最小。其中，如何精確確定加壓站的最優(yōu)數(shù)量，是系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，也是技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題考慮各泵的流量-揚程關(guān)系和管道的種類、直徑，以及泥沙顆粒和輸送距離等主要影響因素，通過大量的現(xiàn)場試驗和理論推導(dǎo)，提供一種精確確定加壓站最優(yōu)數(shù)量的方法。
技術(shù)方案兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)中加壓站最優(yōu)數(shù)量的確定方法，每個加壓站由變頻調(diào)速柜、電動機(jī)和泥漿泵組成，所述加壓站均采用閉式加壓方式，相互之間相隔一定間距布置，根據(jù)疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程的要求，以及疏浚平臺上的潛水泵和加壓站的泵的性能參數(shù)，確定加壓站的個數(shù)，確定的方法是 如果H0≥Hf，則不選用加壓站； 如果H0＜Hf≤H0+H1，則選用一個加壓站； 如果H0+H1＜Hf≤H0+H1+H2，則選用兩個加壓站； 以此類推； 其中，Hf為疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程，H0為疏浚平臺潛水泵在轉(zhuǎn)速為980轉(zhuǎn)/min的揚程，H1為一號加壓站泵在轉(zhuǎn)速為980轉(zhuǎn)/min的揚程，H2為二號加壓站泵的在轉(zhuǎn)速為980轉(zhuǎn)/min的揚程，其中H0、H1和H2都轉(zhuǎn)換為抽送漿體時的米水柱表示。
Hf＝L×im+h0 (1-1) Cv＝(1-ε)Cvd(1-5) 式中L為管道長度，im為泥漿管路的水力坡度；h0為管道進(jìn)出口高差；i0為清水管道的水力坡度；ρ，ρs和ρm分別為清水、泥沙和泥漿的密度；Cv為漿體的體積濃度，Cvd為泥沙的當(dāng)量體積濃度(亦稱毛體積濃度)，即抽送到目的地后自然堆積的泥沙的體積占泥漿總體積的百分比，ε為自然堆積的泥沙的孔隙率，ε＝0.5；V為漿體管道中的平均速度；vt為泥沙的自由沉降末速，ds為泥沙平均粒徑，μ＝0.01泊(相當(dāng)于t＝20℃)；μs為管底推移質(zhì)顆粒與管道底部摩擦系數(shù)，μs＝0.37～0.75，α為修正系數(shù)，通過現(xiàn)場試驗得到α＝1.225；D為管路內(nèi)徑；g為重力加速度；λ為管路的摩阻系數(shù)；Re為雷諾數(shù)，Ks為管道的當(dāng)量粗糙度，鋼管的當(dāng)量粗糙度取Ks＝0.05mm，對于超高分子量聚乙烯管，Ks＝0.02mm。
給定管道材質(zhì)、直徑D、長度L、進(jìn)出口高差h0、泥漿當(dāng)量體積濃度Cvd和流量Q，引用式(1-1)～(1-6)，即可算出疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程，繼而確定加壓站的最優(yōu)數(shù)量。
本發(fā)明通過大量現(xiàn)場試驗和理論推導(dǎo)，建立了能夠精確計算疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程的數(shù)學(xué)模型，提供了利用所述數(shù)學(xué)模型確定加壓站的最優(yōu)個數(shù)的方法，改變了以往只能根據(jù)施工經(jīng)驗和施工慣例來大致確定加壓站個數(shù)的方法，使兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)得到優(yōu)化運行，提高了系統(tǒng)的效率，節(jié)約了輸沙能耗，該方法不僅可用于江河湖泊的疏浚，而且可以應(yīng)用于固粒的管道輸送，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
四

附圖1為兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)的疏浚平臺示意圖。
附圖2為兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)的加壓泵站示意圖。
附圖3為兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)的整體布置示意圖。
五具體實施例方式 如附圖3所示，兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)主要包括疏浚平臺、主管路和加壓站三大部分。圖3中A表示疏浚平臺，B表示第一號加壓站，C表示第二號加壓站，E表示堤壩剖面，D表示主管路出口，Q表示泥漿流量，L1表示第一號加壓站距疏浚平臺的距離，L2表示第一號加壓站距第二號加壓站的距離，L3表示第二號加壓站距管路出口的距離。平臺上有若干臺兩相流潛水泵并聯(lián)抽沙，圖中1、2、3分別表示其中的一臺潛水泵，根據(jù)實際情況亦可用4臺泵并聯(lián)或2臺泵并聯(lián)運行。如圖1所示，平臺上的附屬設(shè)備有移船卷揚機(jī)4、主平臺5、泥漿泵6、膠管7、三通管8、主管路9、檢測閥10、電控機(jī)房11、龍門架12、電動卷揚機(jī)13和配電盤、變頻調(diào)速柜等。三臺并聯(lián)泥漿泵6的出口通過φ150mm的耐壓膠管7與主管路9相連。主管路9通常用厚3mm的鋼板滾壓焊接而成，直徑D＝350mm，最大承壓能力為0.5Mpa。亦有用φ400mm和φ300mm的鋼管，目前在施工中已經(jīng)開始用φ350mm的超高分子量聚乙烯管(下面簡稱P管)，P管的承壓能力為0.7Mpa。
根據(jù)泥漿輸送的距離和揚程的要求，一般需要若干個加壓泵站串聯(lián)增壓，如圖2所示，加壓站主要由變頻調(diào)速柜14、電動機(jī)15和泥漿泵17組成，附屬設(shè)備有機(jī)泵聯(lián)接底座16、進(jìn)水管路18、進(jìn)口壓力傳感器19、出水管路20和出口壓力傳感器21。加壓站均采用閉式加壓方式，即加壓泵的進(jìn)出口直接聯(lián)接在泥漿管路上?？紤]到管道的承壓能力，加壓泵不能布置在一起，必須相隔一定間距。為了達(dá)到系統(tǒng)運行優(yōu)化的目的，應(yīng)當(dāng)用數(shù)量盡可能少的加壓站滿足長距離輸沙要求，以提高加壓泵站的使用效率，使系統(tǒng)輸送同樣的泥沙耗能最小。
根據(jù)疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程的要求，以及疏浚平臺上的潛水泵和加壓站的泵的性能參數(shù)，確定加壓泵站的個數(shù)，確定的依據(jù)是 如果H0≥Hf，則不選用加壓站； 如果H0＜Hf≤H0+H1，則選用一個加壓站； 如果H0+H1＜Hf≤H0+H1+H2，則選用兩個加壓站； 以此類推； 其中，Hf為疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程，H0為疏浚平臺潛水泵在轉(zhuǎn)速為980轉(zhuǎn)/min的揚程，H1為一號加壓站泵在轉(zhuǎn)速為980轉(zhuǎn)/min的揚程，H2為二號加壓站泵的在轉(zhuǎn)速為980轉(zhuǎn)/min的揚程，其中H0、H1和H2都轉(zhuǎn)換為抽送漿體時的米水柱表示。
其中，疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程Hf不同于輸送清水時的揚程，影響因素非常復(fù)雜，主要包括管道材質(zhì)、管道長度和管徑、泥漿濃度、泥沙平均粒徑、泥漿流量。
Hf＝L×im+h0 (1-1) Cv＝(1-ε)Cvd(1-5) 式中L為管道長度，im為泥漿管路的水力坡度；h0為管道進(jìn)出口高差；i0為清水管道的水力坡度；ρ，ρs和ρm分別為清水，泥沙和泥漿的密度；Cv為漿體的體積濃度，Cvd為泥沙的當(dāng)量體積濃度(亦稱毛體積濃度)，即抽送到目的地后自然堆積的泥沙的體積占泥漿總體積的百分比，ε為自然堆積的泥沙的孔隙率，ε＝0.5；V為漿體管道中的平均速度；vt為泥沙的自由沉降末速，ds為泥沙平均粒徑，μ＝0.01泊(相當(dāng)于t＝20℃)；μs為管底推移質(zhì)顆粒與管道底部摩擦系數(shù)，μs＝0.37～0.75，本實施方式中取μs＝0.55；α為修正系數(shù)，通過現(xiàn)場試驗得到α＝1.225；D為管路內(nèi)徑；g為重力加速度；λ為管路的摩阻系數(shù)；Re為雷諾數(shù)，Ks為管道的當(dāng)量粗糙度，鋼管的當(dāng)量粗糙度取Ks＝0.05mm，對于超高分子量聚乙烯管，Ks＝0.02mm。
通過現(xiàn)場測量，得到管道材質(zhì)、內(nèi)徑D、長度L、進(jìn)出口高差h0、泥漿當(dāng)量體積濃度Cvd和泥漿流量Q，而H0、H1和H2在潛水泵生產(chǎn)廠家提供的資料里能夠查到，引用公式(1-1)～(1-6)，即可算出疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程Hf，繼而確定加壓站的最優(yōu)數(shù)量。
權(quán)利要求
兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)中加壓站最優(yōu)數(shù)量的確定方法，每個加壓站由變頻調(diào)速柜、電動機(jī)和泥漿泵組成，所述加壓站均采用閉式加壓方式，相互之間相隔一定間距布置，根據(jù)疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程的要求，以及疏浚平臺上的潛水泵和加壓站的泵的性能參數(shù)，確定加壓站的個數(shù)，確定的方法是
如果H0≥Hf，則不選用加壓站；
如果H0＜Hf≤H0+H1，則選用一個加壓站；
如果H0+H1＜Hf≤H0+H1+H2，則選用兩個加壓站；
以此類推；
其中，Hf為疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程，H0為疏浚平臺潛水泵在轉(zhuǎn)速為980轉(zhuǎn)/min的揚程，H1為一號加壓站泵在轉(zhuǎn)速為980轉(zhuǎn)/min的揚程，H2為二號加壓站泵的在轉(zhuǎn)速為980轉(zhuǎn)/min的揚程，其中H0、H1和H2都轉(zhuǎn)換為抽送漿體時的米水柱表示，
Hf＝L×im+h0 (1-1)
Cv＝(1-ε)Cvd(1-5)
式中L為管道長度，im為泥漿管路的水力坡度；h0為管道進(jìn)出口高差；i0為清水管道的水力坡度；ρ，ρs和ρm分別為清水、泥沙和泥漿的密度；Cv為漿體的體積濃度，Cvd為泥沙的當(dāng)量體積濃度(亦稱毛體積濃度)，即抽送到目的地后自然堆積的泥沙的體積占泥漿總體積的百分比，ε為自然堆積的泥沙的孔隙率，ε＝0.5；V為漿體管道中的平均速度；vt為泥沙的自由沉降末速，ds為泥沙平均粒徑，μ＝0.01泊(相當(dāng)于t＝20℃)；μs為管底推移質(zhì)顆粒與管道底部摩擦系數(shù)，μs＝0.37～0.75，α為修正系數(shù)，通過現(xiàn)場試驗得到α＝1.225；D為管路內(nèi)徑；g為重力加速度；λ為管路的摩阻系數(shù)；Re為雷諾數(shù)，Ks為管道的當(dāng)量粗糙度，鋼管的當(dāng)量粗糙度取Ks＝0.05mm，對于超高分子量聚乙烯管，Ks＝0.02mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)中加壓站最優(yōu)數(shù)量的確定方法，適用于江河湖泊的疏浚及遠(yuǎn)距離輸沙，利用建立的數(shù)學(xué)模型計算出疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程Hf，然后根據(jù)疏浚平臺上的潛水泵和加壓站的泵的性能參數(shù)，確定所需加壓站的最優(yōu)個數(shù)，確定的依據(jù)是如果H0≥Hf，則不選用加壓站；如果H0＜Hf≤H0+H1，則選用一個加壓站；如果H0+H1＜Hf≤H0+H1+H2，則選用兩個加壓站；以此類推。其中，H0為疏浚平臺上的潛水泵在轉(zhuǎn)速為980轉(zhuǎn)/min的揚程，H1為一號加壓站的泵在轉(zhuǎn)速為980轉(zhuǎn)/min的揚程，H2為二號加壓站的泵在轉(zhuǎn)速為980轉(zhuǎn)/min的揚程。該方法改變了以往只能根據(jù)施工經(jīng)驗和施工慣例來大致確定加壓站個數(shù)的方法，使疏浚系統(tǒng)得到優(yōu)化運行，提高了系統(tǒng)的效率，節(jié)約了輸沙能耗，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號F04D13/08GK101265914SQ20081009753
公開日2008年9月17日 申請日期2008年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月12日
發(fā)明者王天成 申請人:杭州小爾機(jī)電設(shè)計有限公司