吹填施工中管道水力输送原理分析.pdf

年 月水运工程 第 期 总第 期 吹填施工中管道水力输送原理分析王 朋(中交天航南方交通建设有限公司 广东 深圳)摘要:吹填施工涉及到管道水力输送理论知识 包括泵机、泥泵、管道组成的联合系统 各子系统相互关联、相对复杂 疏浚管理人员理解难度较大 并对水力输送过程中出现的问题分析不准确 本文针对上述问题 采用能量守恒分析法对管道水力输送原理进行解析、推导经验公式以及实例分析 可以加深疏浚管理人员对原理及公式的理解 更准确地预测吹填产能 分析解决施工中的技术问题 实现精细化管理以及规避相关风险关键词:吹填 管道 水力输送 原理解析中图分类号:文献标志码:文章编号:().收稿日期:作者简介:王朋()男 高级工程师 从事港口航道与海岸工程施工技术管理工作 常用疏浚船舶设备主要有绞吸船、耙吸船、抓斗船、铲斗船、链斗船 其中前二者涉及泥泵管道输送原理 即柴油机或电机、泥泵、管道内流体力学相关知识的组合 相对复杂 而且与施工过程中生产率的发挥密切相关 在施工过程中 预测不同吹距、不同土质情况下的吹填产能 同一土质、同一吹距下是否变管径以增加产能或防止堵管 短管路情况下采取措施避免超负荷施工等 均需要利用经验公式进行测算 因此疏浚吹填技术管理人员需要清晰地了解船舶管道输送原理 预判和防范施工相关风险 更好地指导现场施工 能量守恒定律在流体中的表现形式(伯努利方程式).水体的能量水中压力能、重力势能、动能常互相转换微元水体能量计算如下:压压()()()()()式中:压为压力 为压强 为微元水体压力作用面积 为微元水体体积 为微元水体质量 为密度 为重力加速度 为相对高度 为速度水 运 工 程 年.能量守恒定律水体能量转换典型分析根据能量守恒定律 在无能量增加、不考虑阻力损失的情况下 图 中 断面 点与 断面 点满足下列方程:()式中:、分别为 点的压强、相对高度、流速、分别为 点的压强、相对高度、流速两边同除以微元水体体积 得:()式中:密度 单位体积压强能、单位体积重力势能、单位体积动能单位均为()与能量量纲一致 物理意义为单位体积流体的压强能、重力势能以及动能之和等于常量考虑出水管的阻力 沿程摩阻耗能为()与管线长度、管径、沿程摩阻系数 以及速度 相关 局部摩阻耗能为 与局部摩阻系数 以及速度 相关 则式()变为:()()图 水体能量分析.泥泵管道作用下泥浆能量转换分析如图 吸泥口到 断面的能量增加耗用情况包括:泥泵做功提供能量为 排真 管道沿程摩阻耗能为()局部摩阻耗能为 压能变化为 重力势能变化为 动能变化为 其中排为排压表排压、真为真空表真空(为负值)、为泥浆密度、为真空表排压表高度差、为泥浆沿程摩阻系数、为泥浆局部摩阻系数、为吸泥口至水面高度(挖深)、为水面到排泥口高度(排高)、为水密度、为出口流速 根据能量守恒定律得:(排真)()()()将能量量纲转化为疏浚常用的水头 量纲等式两边同时除以 得:()()()式()中 左侧为泥泵扬程 右侧为泥浆管路总耗水头 根据右侧方程绘制出不同土质、泥浆浓度、管径、管线长度以及不同流速下的管路流量扬程特性曲线 见图 沿程摩阻系数 及局部摩阻系数 可经过试验统计确定图 管路 特性曲线 第 期王 朋:吹填施工中管道水力输送原理分析 泥泵特性泥泵是一种输送泥浆的离心泵 其基本性能参数包括:流量()、扬程()、轴功率、水功率、效率、转速、比转速、真空度 和需要的汽蚀余量()(或允许吸入真空度或允许吸上高度)泥泵性能参数在离心泵外还有允许通过最大球径 .泥泵清水流量扬程特性泥泵流量扬程特性可以由 特性曲线反映不同转速下具有不同的曲线图 泥泵清水 特性曲线由图 可知 当泥泵转速不变时扬程随流量的增大呈减小趋势 在相同流量下 转速高者扬程大 在相同扬程下 转速高者流量大流量增加时 扬程下降较多的曲线称为陡降型 相反则称为平坦型 对于疏浚施工 宜用陡降型泥泵 因为当浓度增大、流量减小时 根据泥泵特性 扬程可较大幅度地增加 对泥浆提供较大的推动力 有利于管道中泥浆输送和减少堵塞的危险 .泥泵泥浆流量扬程特性泥浆越接近均匀的单相介质 扬程功率增加越接近泥浆密度的倍数 效率降低越小 泥浆越接近不均匀的两相介质 扬程增加越少或下降越多 功率增加越多 效率降低越多 见图 图 泥泵泥浆、特性曲线 泥泵管道输送工况点泥泵工况指泥泵的工作状态 决定了挖泥生产率及比油耗率 单位为()如图 泥浆在输送过程中 假设泥浆的土质条件、密度等不发生变化 流量大于 时 因管路所需水头大于泥泵所产生水头 管路中能量不足以维持流量 流量下降 流量小于 时 因泥泵所产生水头超过管路所需水头 管路中能量过剩 流量上升 流量等于 时 管路所需水头与泥泵所产生水头相等 泥泵可维持平衡运转 图中 点即为泥泵的工况点 图 泥泵泥浆工况点水 运 工 程 年 在施工输送过程中绞吸船的管线长度、排高、泥浆密度、泥浆土质条件等常发生变化 泥泵工况点也随着发生变化 因此在实际施工中 泥泵工况点是一个变量 可根据施工条件限制以及泥浆浓度控制情况等确定泥泵工况范围 进而测算生产效率 短管路条件下超负荷原因分析及解决措施图 工况点 中 降低的幅度较 增加的幅度小 所以泥泵水功率 依次增加 短管路所需功率最大 当定速柴油机转速恒定、管路过短时 为达到所需功率 可通过增加柴油机进油量以增加负荷 但是由于转速不变时进气量也不变 过多的进油量会使缸内燃烧不充分 导致冒黑烟 严重影响设备安全 性能参数 为空气余量系数 为离心泵轴功率 为比油耗率为离心泵轴效率 为负荷 见图 图 泥泵不同管路工况点图 泥泵短管路超负荷分析 如图 工况点 为加缩口后的工况 泥泵特性没有改变 管路特性曲线变陡 交于工况点 根据泥泵特性 流量比扬程对功率的影响更大因此流量减小扬程增大 功率减小 在泥泵转速不变的情况下负荷下降 保证了正常运转 工况点 为加浓度后的工况 泥泵特性及管路特性均上抬 交于工况点 根据特性曲线 虽然扬程和浓度增大但流量减小 功率减小 在泥泵转速不变的情况下负荷下降 保证了正常运转图 短管路下改善工况点 生产率测算疏浚工程施工前可参照疏浚与吹填工程设计规范相关章节 根据泥泵管路特性 结合土质、管线情况 考虑气蚀、恒转矩以及恒功率等条件确定泥泵工况点范围和测算生产率 结论)通过能量守恒定律对泥泵管道输送能转换过程进行分析 结合离心泵特性、管道特性 理解泥泵、管道输送的原理 建立泥泵管道输送泥浆工况点计算模型 提前测算绞吸船输送不同土质、不同吹距以及不同管径等的产能情况)通过疏浚、吹填施工实践及理论分析 为施工提供理论指导 做好生产能力预判 为项目管理决策提供依据 把握施工跟踪统计分析关键点 不断积累验证及提高(下转第 页)第 期葛高岭 等:城市分汊型河道环保疏浚深度设计关键要素量约 万 去除量、分别为 、有效去除了内源污染物 结语)本工程内源污染物为输入型污染底泥 应用背景法和含量分析法能很好地确定其疏浚深度()其中于单一段分汊前、汊道中间及汇聚段污染较为严重)疏浚深度应减少对河演的影响 在边滩处疏挖高程不应低于平滩高程 即污染层在平滩高程之上的疏挖至污染层 而污染层在平滩高程之下时挖至平滩高程 减少疏浚前后过水断面的变化导致下游河床的变化 在主河槽处应尽量挖除污染底泥并保持河道天然比降 减少底泥对水质的影响)疏浚深度应考虑与堤防、桥梁构筑物的安全距离 以及疏浚后冲刷深度的影响 以保护堤防护坡、护脚及桥墩的安全参考文献:.姜霞 王雯雯 王书航 等.竺山湾重金属污染底泥环保疏浚深度的推算 .环境科学 .周小宁 姜霞 金相灿 等.太湖梅梁湾沉积物磷的垂直分布及环保疏浚深度的推算 .中 国 环 境科 学 .汪懋先译 朱振华校.内河水道的最佳疏浚深度 .水运工程 .张鑫 张彬 齐彦博.河湖污染底泥环保疏浚设计深度研究 .水运工程 .丁君松 杨国禄 熊治平.分汊河段若干问题的探讨 .泥沙研究 .葛高岭 李广一.多沙河道中的泥沙治理 .水运工程 .水利水电规划设计总院.堤防工程设计规范 .北京 计划出版社.河北省交通规划设计院.公路工程水文勘测设计规范 .北京 人民交通出版社有限公司.(本文编辑 武亚庆)(上接第 页)参考文献:中交天津航道局有限公司.水运工程测量规范 .北京 人民交通出版社.中交第一航务工程局有限公司 福建省交通基本建设工程质量监督监测站.水运工程质量检验标准 .北京 人民交通出版社.天津市航浚科技服务有限公司.绞吸挖泥船泥泵输泥计算手册 .天津 天津市航浚科技服务有限公司.胡冀元.泥泵基本理论特性与管路特性的运用 .天津 天津航道勘察设计研究院.中交上海航道勘察设计研究院有限公司 中交天津港航勘察设计研究院有限公司.疏浚与吹填工程设计规范 .北京 人民交通出版社.(本文编辑 赵娟)