專利名稱：兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)中加壓站位置范圍的確定方法
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)中加壓站位置范圍的確 定方法。二、 背景技術(shù)由于水土流失，我國(guó)大部分地區(qū)的河流、湖泊、水庫(kù)淤積嚴(yán)重，為確保防洪安全，必須 定期對(duì)河道、湖床或水庫(kù)進(jìn)行疏浚。目前用于疏浚江河湖泊的裝置主要有簡(jiǎn)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(chǎng)地限制或環(huán)境保護(hù)的要求，要運(yùn)送到適當(dāng) 的地點(diǎn)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(shí)，利用管道將 泥沙遠(yuǎn)距離輸送到適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)，是目前最常采用的方法。中國(guó)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(tái)5、泥漿泵6、主管路9和配電盤、變頻調(diào)速柜等。中國(guó)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(dòng)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(tái)、主管路和加壓站三大部分。平臺(tái)上一般有若干臺(tái) 兩相流潛水泵并聯(lián)抽沙，根據(jù)泥漿輸送的距離和揚(yáng)程的要求， 一般需要若干個(gè)加壓泵站串聯(lián) 增壓，加壓站主要由變頻調(diào)速柜、電動(dòng)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(zhǎng)，運(yùn)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(huì)效益。目前，在布置兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)時(shí)，加壓站的位置只能根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和施工慣例來(lái) 大致確定，運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間后，往往導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，設(shè)備使用壽命縮短，甚至導(dǎo)致設(shè)備 損壞。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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行，以提高 系統(tǒng)的運(yùn)行效益。優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行，必須要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。 為防止系統(tǒng)壓力驟變，造成設(shè)備的損壞或淤堵，加壓站的位置需要進(jìn)行合理選擇，否則將影 響系統(tǒng)的運(yùn)行，因此，如何確定加壓站的位置范圍，是系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。加壓 站位置受到管道承壓能力和泵揚(yáng)程的影響。在一定的流量下，如第一號(hào)加壓站離疏浚平臺(tái)越 近，則加壓泵出口壓力越大；同樣第二號(hào)加壓站離第一號(hào)加壓站越近，則第二號(hào)加壓站泵的出口壓力越大；而泵的出口壓力不能超過輸送管路的承壓能力。第一號(hào)加壓站離疏浚平臺(tái)的 最遠(yuǎn)距離則受到兩相流潛水泥漿泵揚(yáng)程的約束，而兩個(gè)加壓站之間的最大距離受第一加壓站 加壓泵揚(yáng)程和第二號(hào)加壓站加壓泵揚(yáng)程的共同約束。如何精確確定疏浚平臺(tái)與加壓站、加壓 站與加壓站之間的距離，至今沒有解決。三、發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題利用兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)進(jìn)行疏浚及泥沙輸送時(shí)， 一般情況下，兩個(gè)或兩 個(gè)以下的加壓站即能夠滿足施工需要，加壓站多于兩個(gè)的情況很罕見，因此，本發(fā)明提供的 確定加壓站位置范圍的方法，適用于加壓站數(shù)量等于或少于兩個(gè)的情況。技術(shù)方案兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)中加壓站位置范圍的確定方法，所述加壓站均采用閉 式加壓方式，疏浚平臺(tái)與加壓站之間相隔一定間距布置，根據(jù)所選用的管道的材質(zhì)，以及疏 浚平臺(tái)上的潛水泵和加壓站的泵的性能參數(shù)，確定所述疏浚平臺(tái)與加壓站之間的間距。確定的依據(jù)是<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula>1<formula>formula see original document page 5</formula>LlDlin^第一加壓泵站距離疏浚平臺(tái)的最小距離； U,——第一加壓泵站距離疏浚平臺(tái)的最大距離； L2min^第二加壓泵站距離疏浚平臺(tái)的最小距離； ——第二加壓泵站距離疏浚平臺(tái)的最大距離； Ho——疏浚平臺(tái)上潛水泥漿泵在工作轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程，m水柱； Ht——第一加壓泵站在工作轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程，m水柱； H2——第二加壓泵站在工作轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程，m水柱；Pmax——管道允許的最大承受壓力，與管道材質(zhì)有關(guān)，超高分子量聚乙烯管，取P皿 =0. 7Mpa;鋼管，取P隨=0. 5Mpa;Id——管道承壓安全系數(shù)，1^<1，且Ki越小越安全；K2——管道加壓輸送可靠系數(shù)，K2<1，且K2越小越可靠；、——為泥漿管路的水力坡度。<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 6</formula>(l一7)<formula>formula see original document page 6</formula>a—8)<formula>formula see original document page 6</formula>(1—9)式中/。為清水管道的水力坡度；p， A和/^分別為清水，泥沙和泥漿的密度；Q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，e為自然堆積的泥沙的孔隙率，e-0.5;V為漿體管 道中的平均速度；v,為泥沙的自由沉降末速，ds為泥沙平均粒徑，U二0.01泊(相當(dāng)于1 = 20°C); ^為管底推移質(zhì)顆粒與管道底部摩擦系數(shù)，從=0.37 0.75, a為修正系數(shù)，通過現(xiàn) 場(chǎng)試驗(yàn)得到a =1.225; D為管路內(nèi)徑；g為重力加速度；A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二0.05mm，對(duì)于超高分子量聚乙烯管， Ks=0.02mm。給定管道材質(zhì)、直徑D、疏浚平臺(tái)上潛水泵和加壓站泥漿泵的揚(yáng)程Ho、 Hi和H2、泥漿當(dāng) 量體積濃度Cvd和流量Q，弓l用式(l一l) (1—9)，即可精確確定加壓站的位置范圍。本發(fā)明通過大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論推導(dǎo)，建立了精確計(jì)算泥漿管路的水力坡度的數(shù)學(xué)模型， 提供了利用所述數(shù)學(xué)模型確定加壓站的位置范圍的方法，改變了以往只能根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和施 工慣例來(lái)大致確定加壓站位置的方法，使兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)得到優(yōu)化運(yùn)行，提高了系統(tǒng) 的安全性和利用效率，節(jié)約了輸沙能耗，該方法不僅應(yīng)用于江河湖泊的疏浚施工，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(tái)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(shí)施方式
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(tái)、主管路和加壓站三大部分。 圖3中A表示疏浚平臺(tái)，B表示第一號(hào)加壓站，C表示第二號(hào)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，Ll表示第一號(hào)加壓站距疏浚平臺(tái)的距離，L2表示第一 號(hào)加壓站距第二號(hào)加壓站的距離，L3表示第二號(hào)加壓站距管路出口的距離。平臺(tái)上有若干臺(tái) 兩相流潛水泵并聯(lián)抽沙，圖中l(wèi)、 2、 3分別表示其中的一臺(tái)潛水泵，根據(jù)實(shí)際情況亦可用4 臺(tái)泵并聯(lián)或2臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行。三臺(tái)并聯(lián)泥漿泵的出口通過4> 150mm的耐壓膠管與主管路相連。主管路通常用厚3mm的鋼板滾壓焊接而成，直徑D二350mm，最大承壓能力為0.5Mpa。亦 有用小400mm和小300mm的鋼管，目前在施工中已經(jīng)開始用小350mm的超高分子量聚乙烯 管(下面.簡(jiǎn)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(yáng)程的要求， 一般需要1 2個(gè)加壓泵站串聯(lián)增壓，加壓站主要由 變頻調(diào)速柜、電動(dòng)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h?？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。根據(jù)所選用的管道的材質(zhì)，以及疏浚平臺(tái)上的潛水泵和加壓站的泵的性能參數(shù)，確定加 壓站之間的位置范圍，確定的依據(jù)是<formula>formula see original document page 7</formula>式中Llmin^第一加壓泵站距離疏浚平臺(tái)的最小距離；LlMI——第一加壓泵站距離疏浚平臺(tái)的最大距離；L2min——第二加壓泵站距離疏浚平臺(tái)的最小距離；L2max——第二加壓泵站距離疏浚平臺(tái)的最大距離；Ho——疏浚平臺(tái)上潛水泥漿泵在工作轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程，水柱；ft——第一加壓泵站在工作轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程，m水柱；H2——第二加壓泵站在工作轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程，m水柱；一管道允許的最大承受壓力，與管道材質(zhì)有關(guān)，超高分子量聚乙烯管，取P皿Pmax-=0.7Mpa;鋼管，取Pmax =0.5Mpa;L——管道承壓安全系數(shù)，&<1，且K越小越安全，本實(shí)施方式取1^=0.8; K2——管道加壓輸送可靠系數(shù)，K2越小越可靠，本實(shí)施方式取K2-0.7; I——為泥漿管路的水力坡度。其中，疏浚系統(tǒng)輸送泥漿時(shí)泥漿管路的水力坡度不同于輸送清水時(shí)的水力坡度，影響因素非常復(fù)雜，主要包括管道材質(zhì)、管徑、泥漿濃度、泥沙平均粒徑、泥漿流量等<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 8</formula>式中/。為清水管道的水力坡度；p， ^和/^分別為清水，泥沙和泥漿的密度；G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，e為自然堆積的泥沙的孔隙率，e^0.5;V為漿體管 道中的平均速度；^為泥沙的自由沉降末速，山為泥沙平均粒徑，ix =0.01泊(相當(dāng)于t= 20°C);從為管底推移質(zhì)顆粒與管道底部摩擦系數(shù)，從=0.37 0.75，本實(shí)施方式中取從= 0.55; a為修正系數(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到a =1.225; D為管路內(nèi)徑；g為重力加速度；A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(duì)于超高分子量聚乙烯管，Ks=0.02mm。給定管道材質(zhì)、直徑D、疏浚平臺(tái)上潛水泵和加壓站泥漿泵的揚(yáng)程、泥漿當(dāng)量體積濃度 Cvd和流量Q，如果需要兩個(gè)加壓站，引用公式(1 — 1) (l一9)，即可精確確定兩個(gè)加壓 站的位置范圍；如果只需要一個(gè)加壓站，引用公式(1 — 1) (1—2)和公式(1—5) (1 一9)，即可精確確定該加壓站的位置范圍。而且，如果需要兩個(gè)以上的加壓站，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)公式(l一l) (l一9)也可 以很容易地推導(dǎo)出確定其位置范圍的公式。
權(quán)利要求
1. 兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)中加壓站位置范圍的確定方法，其特征在于，所述加壓站均采用閉式加壓方式，疏浚平臺(tái)與加壓站之間相隔一定間距布置，根據(jù)所選用的管道的材質(zhì)，以及疏浚平臺(tái)上的潛水泵和加壓站的泵的性能參數(shù)，確定所述疏浚平臺(tái)與加壓站之間的間距；確定的依據(jù)是L1min＝(H0+H1-K1Pmax)/im(1-1)L1max＝K2H0/im (1-2)L2min＝(H0+H1+H2-K1Pmax)/im (1-3)L2max＝K2(H0+H1)/im (1-4)式中L1min——第一加壓泵站距離疏浚平臺(tái)的最小距離；L1max——第一加壓泵站距離疏浚平臺(tái)的最大距離；L2min——第二加壓泵站距離疏浚平臺(tái)的最小距離；L2max——第二加壓泵站距離疏浚平臺(tái)的最大距離；H0——疏浚平臺(tái)上潛水泥漿泵在工作轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程；H1——第一加壓泵站在工作轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程；H2——第二加壓泵站在工作轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程；Pmax——管道允許的最大承受壓力，與選用管道的材質(zhì)有關(guān)，超高分子量聚乙烯管，取Pmax＝0.7Mpa；鋼管，取Pmax＝0.5Mpa；K1——管道承壓安全系數(shù)，K1＜1，且K1越小越安全；K2——管道加壓輸送可靠系數(shù)，K2＜1，且K2越小越可靠；im——為泥漿管路的水力坡度；
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)中加壓站位置范圍的確定方法，其特征 在于，1 = 0.8， K2 = 0. 7。
全文摘要
本發(fā)明公開了兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)中加壓站位置范圍的確定方法，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(jì)算出疏浚系統(tǒng)輸送泥漿時(shí)泥漿管路的水力坡度，然后根據(jù)所選用的管道的材質(zhì)，以及疏浚平臺(tái)上的潛水泵和加壓站的泵的性能參數(shù)，確定所述疏浚平臺(tái)與加壓站之間的間距范圍。該方法改變了以往根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和施工慣例來(lái)大致確定加壓站位置的方法，使疏浚系統(tǒng)得到優(yōu)化運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的安全性和利用效率，節(jié)約了輸沙能耗，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)F04D13/12GK101265915SQ20081009753
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)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(qǐng)人:杭州小爾機(jī)電設(shè)計(jì)有限公司