泥泵疏浚性能提升技術研究

摘要：針對原有泥泵效率低、流量偏離原設計流量的現(xiàn)狀，本項目在原齒輪箱箱體及泥泵中心點位置不變的情況下，更新泥泵并設計優(yōu)化齒輪箱主從齒輪、中間軸及鼓式聯(lián)軸器，同時在優(yōu)化泥泵排出管布設的基礎上，運用數(shù)值模擬和模型泵結合的辦法，研制低流量、高效率的新型專用泥泵，提高船舶泥漿輸送能力。項目結合耙吸船機動性比較強的特點，找出類似工程進行單船萬方能耗的對比，得出各條耙吸船的萬方節(jié)能量，并根據(jù)單船項目年度作業(yè)量，計算單船節(jié)能量，進而得出本項目總節(jié)能量。通過改進設計新泥泵葉輪，使泥泵效率提高，流量符合原設計要求。新泥泵排量與船舶現(xiàn)有動力和泥艙艙容相適應，具有良好的粉細砂裝艙沉淀效果，裝艙效率優(yōu)于原泥泵系統(tǒng)。1.技術概況在耙吸船挖掘和疏浚系統(tǒng)中，泥泵為關鍵設備，其效率高低將直接影響船舶施工產(chǎn)量和能耗，泥泵效率的提升將大大降低船舶萬方能耗，起到節(jié)能降耗的效果。本項目針對原有泥泵效率低、流量偏離原設計流量的現(xiàn)狀，在原齒輪箱箱體及泥泵中心點位置不變的情況下，更新泥泵并優(yōu)化齒輪箱主從齒輪、中間軸及鼓式聯(lián)軸器，同時在優(yōu)化泥泵排出管布設的基礎上，運用數(shù)值模擬和模型泵結合的辦法，研制低流量、高效率的新型專用泥泵，提高船舶泥漿輸送能力。通過改進設計新泥泵葉輪，使泥泵效率提高，流量符合原設計要求，且新泵完全適應原有外部環(huán)境條件，排量、壓頭、轉速、直徑、吸排口直徑等均優(yōu)于原設計參數(shù)，施工效率大幅度提升。本項目中的“新海馬”輪自交船投入施工后，分別在長江口深水航道治理三期疏浚工程、長江南京以下12.5m深水航道一期工程及海南工程項目等工程施工，工況為疏浚、吹填，為公司的生產(chǎn)經(jīng)營發(fā)揮應有的作用。但隨著時間的推移，船舶疏浚設備的日常耗損，施工環(huán)境的日新月異和近年來疏浚設備的發(fā)展，特別是在挖掘珊瑚砂等土質時，“新海馬”輪泥泵顯得有點力不從心，主要表現(xiàn)為泥泵的適應性差，施工效率降低。國外大型泥泵的研究及開發(fā)主要集中在荷蘭、美國、德國、比利時等國。荷蘭IHC和VOSTA.LMG公司都擁有自己核心研發(fā)團隊及裝備，研究、設計和制造能力處于世界領先水平，其產(chǎn)品暢銷世界各地，國際四大疏浚公司及國內疏浚公司的大部分挖泥船都選用他們設計制造的泥泵。上世紀制造泥泵最高效率為80%。目前，隨著技術的進步、材料的發(fā)展、制造工藝的完善，借助先進的設計工具，尤其是計算流體動力學（CFD）的發(fā)展,泥泵的發(fā)展又經(jīng)歷一次質的飛躍，目前最先進的泥泵為高效曲線泥泵，最高效率可達到88%，吸入性能在原有的基礎上也有大的提升，吸口直徑已達到1400mm。IHC公司在繼續(xù)做精既有傳統(tǒng)的泥泵產(chǎn)品的基礎上，又開發(fā)了系列高效泥泵（HR），包括額定水頭約100~500kPa的低壓泵（LD）、200~800kPa的中壓泵（MD）、400~1500kPa的高壓泵（最高4000kPa）并成功地應用于我國香港、新加坡和迪拜等地區(qū)大型吹填項目的耙吸挖泥船上。2.技術原理“新海馬”等船舶的泥泵使用石家莊強大泵業(yè)有限公司研發(fā)制造的泥泵，針對原有泥泵效率低、流量偏離原設計流量的現(xiàn)狀，本項目在原齒輪箱箱體及泥泵中心點位置不變的情況下，更新泥泵并優(yōu)化設計齒輪箱主從齒輪、中間軸及鼓式聯(lián)軸器，同時在優(yōu)化泥泵排出管布設的基礎上，運用數(shù)值模擬和模型泵結合的辦法，研制低流量、高效率的新型專用泥泵，提高船舶泥漿輸送能力。通過改進設計新泥泵葉輪，使泥泵效率提高，流量符合原設計要求，適應原有外部環(huán)境條件，且排量、壓頭、轉速、直徑、吸排口直徑等均優(yōu)于原設計參數(shù)，使施工效率能夠大幅度提升。3.主要創(chuàng)新點“新海馬”等船舶的實踐證明，國產(chǎn)泥泵與進口引進的泥泵經(jīng)過典型工程的使用，效率仍存在一定的差距，需進一步完善優(yōu)化。國內研發(fā)的泥泵理論上效率可達82%左右，由于國內無大型泥泵的實驗室可測試，只能通過實船測試，實船測試時密度計、流量計、泥泵吸排壓力及泥泵輸入功率（泥泵輸入功率通過主推進功率、推進器功率及軸發(fā)功率計算所得）存在誤差，造成結果誤差較大。從實際使用及相關船舶比對可推算，國產(chǎn)泥泵效率為75%~80%。國外IHC生產(chǎn)的泥泵，歷史悠久，質量可靠，效率目前可達88%，節(jié)能降碳效果明顯。4.技術可靠性中國船舶工業(yè)集團公司708設計所是國內設計耙吸船較為成熟的設計單位，對疏浚設備泥泵也有深入的研究，據(jù)統(tǒng)計，2005年以后設計的10000m3以上船舶超過17艘，最大的是20000m3的“通途”號，該輪現(xiàn)處于安全營運中。國外的荷蘭、比利時、意大利都是設計制造疏浚裝備的強國，其中荷蘭IHC公司是引領世界挖泥船現(xiàn)代化潮流的著名企業(yè)，中港疏浚有限公司2000年引進的“新海龍”為大型耙吸船國內設計、國內建造發(fā)揮了重要作用。因此，無論國內還是國外，泥泵的研發(fā)技術方案都已經(jīng)相當成熟。中港疏浚有限公司是一家有著悠久歷史的疏浚企業(yè)，在多年的生產(chǎn)經(jīng)營中積累了一套行之有效的管理制度及體系，可為企業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供強有力的制度保障。同時，有固定長期從事泥泵使用及研究的人員，從人力、財力、技術等方面都能為本課題的研究及應用提供全方位的保障。5.技術適用領域國內大型泥泵研發(fā)主要集中在各大疏浚公司、泥泵制造商以及相關高等院所。綜觀近十幾年我國疏浚裝備技術的發(fā)展，走過了引進、消化、吸收、再開發(fā)之路。為滿足疏浚市場對挖泥船的需求，在充分消化吸收國際成熟技術和經(jīng)驗的基礎上，中港疏浚有限公司充分利用國內資源，采用“國內設計、國內建造、主要關鍵設備引進”的模式，相繼在國內建造了“新海虎”“新海鳳”“新海?！薄靶潞ｑR”“新海虎4”“新?；?”等六艘大型自航耙吸式挖泥船，六艘船舶的建成，不僅保持了公司裝備的前瞻性、適應性和先進性，提升了公司參與國內外港口和航道建設的施工能力，而且，通過切實貫徹國家倡導的“國輪國造”方針，成功填補了國內萬方以上疏浚船舶建造的空白，為大型挖泥船設計、建造的國產(chǎn)化邁出堅實的步伐，促進了我國特種工程船舶制造業(yè)的發(fā)展，為“振興民族疏浚產(chǎn)業(yè)”夯實了最重要的裝備能力基礎。公司建造了7艘萬方以上國產(chǎn)耙吸挖泥船，在生產(chǎn)能力大幅度提高的同時，改善了船舶性能、船舶結構，吸收、消化了國外的先進技術，提高了國產(chǎn)挖泥船研發(fā)、設計、制造的能力，帶動了國內自航耙吸挖泥船配套設備的發(fā)展。萬方耙式挖泥船的核心裝備——泥泵的研究、開發(fā)、制造也開始有序推進?！靶潞ｑR”輪耙吸船泥泵改造前后性能對比見圖1。圖1耙吸船泥泵改造前后性能對比從圖1可以看出，“新海馬”輪泥泵改造后與改造前比較，具有以下特點：（1）高效區(qū)流量范圍基本一致，改造后的理論最高效率約為88.0%，大大高于改造前的施工效率；（2）同流量下所需的軸功率明顯小于改造前，在常用施工流量4.0~5.0m3/s下，改造后的泥泵軸功率與改造前相比降低240~420kW，降低了約17.2%~25.9%（按理論功率特性曲線計算），節(jié)能效果顯著。應用該技術需要公司具備一定研發(fā)基礎，與一定經(jīng)濟實力和設備生產(chǎn)商及安裝設計方、施工方有良好的溝通。受制于成本因素，國內挖泥船特別是民企建造的挖泥船，首選是國產(chǎn)低效的泥泵，采用高效泥泵技術比例目前不高。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前該高效泥泵在行業(yè)內應用約占15%。

6.技術應用情況通過市場調研分析并結合中港疏浚前幾年對老舊船舶泥泵改造的成功經(jīng)驗，選用國外先進的“雙高”（高效率、高吸入性能）泥泵，可明顯提高船舶的適應性及施工效率，提高船舶的疏浚能力。通過對實船施工情況的調研和分析，結合實船功能要求和動力系統(tǒng)配置，針對不同挖掘土質及挖深開展挖泥系統(tǒng)管路特性的計算分析，合理確定泥泵的相關參數(shù)要求，通過與泥泵廠商交流，結合泥泵的特性，進一步開展系統(tǒng)性分析，為最終泥泵選型提供科學的決策依據(jù)，使實船的泥泵性能優(yōu)化和提高得以實現(xiàn)。有了人力、財力、技術等方面的支持，本項目采用國內設計、關鍵設備進口、國內安裝的方案。（1）根據(jù)船舶現(xiàn)有動力配置、進排出管線和位置條件，重新設計適用泥泵；（2）新設計泥泵應適合于淤泥、粉細砂、細砂和中粗砂土質施工；（3）新泥泵汽蝕余量應適用于現(xiàn)有吸排管路和最大挖深條件；（4）新泥泵排量與船舶現(xiàn)有動力和泥艙艙容相適應，具有良好的粉細砂裝艙沉淀效果，裝艙效率優(yōu)于原泥泵系統(tǒng)；（5）改造后的理論最高效率約為88.0%；（6）原則上現(xiàn)有傳動減速裝置不變，若現(xiàn)有原動機轉速輸入不適用，可考慮更改傳動齒輪箱；（7）泥泵泵殼、葉輪、襯板、軸套等采用優(yōu)質耐磨材料。7.技術效益分析7.1節(jié)能低碳效益為了測算更新后的泥泵性能，分別選取了“新海馬”改造前9個月的施工情況及改造后10個月的施工情況進行對比?？紤]到工況條件、施工操作等差異性，選取“新海馬”輪改造前于2018年1月、2月、5月、7月、8月在巴西巴拉那瓜工地正常施工的情況和改造后于2020年4月、5月、6月在呂四港工程施工情況。對比情況見表1。表1改造前后實船工況對比通過表1可以看出改造前能耗為

每萬方30.78噸標煤，改造后為

每萬方25.75噸標煤，節(jié)能16.34%，節(jié)能效果明顯?！靶潞ｑR”輪2020年3月份正常施工，至9月份7個月共疏浚土方437.21萬方，折合年疏浚土方562.13萬方（扣除船舶年修理時間3個月），按照節(jié)能量30.78－25.75＝5.03噸標煤/萬方測算，年節(jié)省180CST燃油

1980噸，折合節(jié)碳量

2828噸標煤。節(jié)能量計算方法如下：“新海馬”輪節(jié)能量=（實施前萬方能耗－實施后萬方能耗）×年度作業(yè)量7.2經(jīng)濟效益項目投入主要分泥泵采購、配置傳動裝置與設計及改造施工三大塊，經(jīng)過新海馬實船安裝計算，泥泵采購款1553.29萬元，泥泵系統(tǒng)傳動裝置技術服務費182.20萬元，泥泵系統(tǒng)改造施工款193.23萬元，合計1928.72萬元。通過實船安裝對比，改造前后節(jié)能效果明顯，單船年