泥泵疏浚性能提升技術(shù)研究

摘要：針對原有泥泵效率低、流量偏離原設(shè)計流量的現(xiàn)狀，本項(xiàng)目在原齒輪箱箱體及泥泵中心點(diǎn)位置不變的情況下，更新泥泵并設(shè)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(shè)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬和模型泵結(jié)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(xiàng)目結(jié)合耙吸船機(jī)動性比較強(qiáng)的特點(diǎn)，找出類似工程進(jìn)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(xiàng)目年度作業(yè)量，計算單船節(jié)能量，進(jìn)而得出本項(xiàng)目總節(jié)能量。通過改進(jìn)設(shè)計新泥泵葉輪，使泥泵效率提高，流量符合原設(shè)計要求。新泥泵排量與船舶現(xiàn)有動力和泥艙艙容相適應(yīng)，具有良好的粉細(xì)砂裝艙沉淀效果，裝艙效率優(yōu)于原泥泵系統(tǒng)。1.技術(shù)概況在耙吸船挖掘和疏浚系統(tǒng)中，泥泵為關(guān)鍵設(shè)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(xiàng)目針對原有泥泵效率低、流量偏離原設(shè)計流量的現(xiàn)狀，在原齒輪箱箱體及泥泵中心點(diǎn)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(shè)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬和模型泵結(jié)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(jìn)設(shè)計新泥泵葉輪，使泥泵效率提高，流量符合原設(shè)計要求，且新泵完全適應(yīng)原有外部環(huán)境條件，排量、壓頭、轉(zhuǎn)速、直徑、吸排口直徑等均優(yōu)于原設(shè)計參數(shù)，施工效率大幅度提升。本項(xiàng)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(xiàng)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(yīng)有的作用。但隨著時間的推移，船舶疏浚設(shè)備的日常耗損，施工環(huán)境的日新月異和近年來疏浚設(shè)備的發(fā)展，特別是在挖掘珊瑚砂等土質(zhì)時，“新海馬”輪泥泵顯得有點(diǎn)力不從心，主要表現(xiàn)為泥泵的適應(yīng)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(tuán)隊(duì)及裝備，研究、設(shè)計和制造能力處于世界領(lǐng)先水平，其產(chǎn)品暢銷世界各地，國際四大疏浚公司及國內(nèi)疏浚公司的大部分挖泥船都選用他們設(shè)計制造的泥泵。上世紀(jì)制造泥泵最高效率為80%。目前，隨著技術(shù)的進(jìn)步、材料的發(fā)展、制造工藝的完善，借助先進(jìn)的設(shè)計工具，尤其是計算流體動力學(xué)（CFD）的發(fā)展,泥泵的發(fā)展又經(jīng)歷一次質(zhì)的飛躍，目前最先進(jìn)的泥泵為高效曲線泥泵，最高效率可達(dá)到88%，吸入性能在原有的基礎(chǔ)上也有大的提升，吸口直徑已達(dá)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(chǔ)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(yīng)用于我國香港、新加坡和迪拜等地區(qū)大型吹填項(xiàng)目的耙吸挖泥船上。2.技術(shù)原理“新海馬”等船舶的泥泵使用石家莊強(qiáng)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(shè)計流量的現(xiàn)狀，本項(xiàng)目在原齒輪箱箱體及泥泵中心點(diǎn)位置不變的情況下，更新泥泵并優(yōu)化設(shè)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(shè)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬和模型泵結(jié)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(jìn)設(shè)計新泥泵葉輪，使泥泵效率提高，流量符合原設(shè)計要求，適應(yīng)原有外部環(huán)境條件，且排量、壓頭、轉(zhuǎn)速、直徑、吸排口直徑等均優(yōu)于原設(shè)計參數(shù)，使施工效率能夠大幅度提升。3.主要創(chuàng)新點(diǎn)“新海馬”等船舶的實(shí)踐證明，國產(chǎn)泥泵與進(jìn)口引進(jìn)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(jìn)一步完善優(yōu)化。國內(nèi)研發(fā)的泥泵理論上效率可達(dá)82%左右，由于國內(nèi)無大型泥泵的實(shí)驗(yàn)室可測試，只能通過實(shí)船測試，實(shí)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(jìn)功率、推進(jìn)器功率及軸發(fā)功率計算所得）存在誤差，造成結(jié)果誤差較大。從實(shí)際使用及相關(guān)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(zhì)量可靠，效率目前可達(dá)88%，節(jié)能降碳效果明顯。4.技術(shù)可靠性中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司708設(shè)計所是國內(nèi)設(shè)計耙吸船較為成熟的設(shè)計單位，對疏浚設(shè)備泥泵也有深入的研究，據(jù)統(tǒng)計，2005年以后設(shè)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(yùn)中。國外的荷蘭、比利時、意大利都是設(shè)計制造疏浚裝備的強(qiáng)國，其中荷蘭IHC公司是引領(lǐng)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(jìn)的“新海龍”為大型耙吸船國內(nèi)設(shè)計、國內(nèi)建造發(fā)揮了重要作用。因此，無論國內(nèi)還是國外，泥泵的研發(fā)技術(shù)方案都已經(jīng)相當(dāng)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(qiáng)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(shù)等方面都能為本課題的研究及應(yīng)用提供全方位的保障。5.技術(shù)適用領(lǐng)域國內(nèi)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(guān)高等院所。綜觀近十幾年我國疏浚裝備技術(shù)的發(fā)展，走過了引進(jìn)、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(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，中港疏浚有限公司充分利用國內(nèi)資源，采用“國內(nèi)設(shè)計、國內(nèi)建造、主要關(guān)鍵設(shè)備引進(jìn)”的模式，相繼在國內(nèi)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(yīng)性和先進(jìn)性，提升了公司參與國內(nèi)外港口和航道建設(shè)的施工能力，而且，通過切實(shí)貫徹國家倡導(dǎo)的“國輪國造”方針，成功填補(bǔ)了國內(nèi)萬方以上疏浚船舶建造的空白，為大型挖泥船設(shè)計、建造的國產(chǎn)化邁出堅實(shí)的步伐，促進(jìn)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(shí)了最重要的裝備能力基礎(chǔ)。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(jié)構(gòu)，吸收、消化了國外的先進(jìn)技術(shù)，提高了國產(chǎn)挖泥船研發(fā)、設(shè)計、制造的能力，帶動了國內(nèi)自航耙吸挖泥船配套設(shè)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(jìn)?！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(diǎn)：（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(yīng)用該技術(shù)需要公司具備一定研發(fā)基礎(chǔ)，與一定經(jīng)濟(jì)實(shí)力和設(shè)備生產(chǎn)商及安裝設(shè)計方、施工方有良好的溝通。受制于成本因素，國內(nèi)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(shù)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(nèi)應(yīng)用約占15%。

6.技術(shù)應(yīng)用情況通過市場調(diào)研分析并結(jié)合中港疏浚前幾年對老舊船舶泥泵改造的成功經(jīng)驗(yàn)，選用國外先進(jìn)的“雙高”（高效率、高吸入性能）泥泵，可明顯提高船舶的適應(yīng)性及施工效率，提高船舶的疏浚能力。通過對實(shí)船施工情況的調(diào)研和分析，結(jié)合實(shí)船功能要求和動力系統(tǒng)配置，針對不同挖掘土質(zhì)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(guān)參數(shù)要求，通過與泥泵廠商交流，結(jié)合泥泵的特性，進(jìn)一步開展系統(tǒng)性分析，為最終泥泵選型提供科學(xué)的決策依據(jù)，使實(shí)船的泥泵性能優(yōu)化和提高得以實(shí)現(xiàn)。有了人力、財力、技術(shù)等方面的支持，本項(xiàng)目采用國內(nèi)設(shè)計、關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)口、國內(nèi)安裝的方案。（1）根據(jù)船舶現(xiàn)有動力配置、進(jìn)排出管線和位置條件，重新設(shè)計適用泥泵；（2）新設(shè)計泥泵應(yīng)適合于淤泥、粉細(xì)砂、細(xì)砂和中粗砂土質(zhì)施工；（3）新泥泵汽蝕余量應(yīng)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(yīng)，具有良好的粉細(xì)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(jī)轉(zhuǎn)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(zhì)耐磨材料。7.技術(shù)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(jìn)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(shí)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(biāo)煤，改造后為

每萬方25.75噸標(biāo)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(biāo)煤/萬方測算，年節(jié)省180CST燃油

1980噸，折合節(jié)碳量

2828噸標(biāo)煤。節(jié)能量計算方法如下：“新海馬”輪節(jié)能量=（實(shí)施前萬方能耗－實(shí)施后萬方能耗）×年度作業(yè)量7.2經(jīng)濟(jì)效益項(xiàng)目投入主要分泥泵采購、配置傳動裝置與設(shè)計及改造施工三大塊，經(jīng)過新海馬實(shí)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(shù)服務(wù)費(fèi)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(shí)船安裝對比，改造前后節(jié)能效果明顯，單船年