專利名稱：兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)所需總揚程的確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水利疏浚工程領(lǐng)域，具體涉及一種兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)所需總揚程的確定方法。二、 背景技術(shù)由于水土流失，我國大部分地區(qū)的河流、湖泊、水庫淤積嚴重，為確保防洪安全，必 須定期對河道、湖床或水庫進行疏浚。目前用于疏浚江河湖泊的裝置主要有簡易吸泥船、 挖泥船、沖挖機組、兩相流潛水泵等，其中，利用兩相流潛水泵進行水力抽沙，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)境保護的要求，要運 送到適當?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， 利用管道將泥沙遠距離輸送到適當?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)，己廣泛應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、電動機和泥漿泵組成，加壓站均采用閉式加壓方式， 即加壓泵的進出口直接聯(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)濟效益和社會效益。為了進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，如何精確確定疏浚系 統(tǒng)所需的總揚程，即疏浚系統(tǒng)完成遠距離輸沙所需要的總揚程，是系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。 然而，影響總揚程度因素很多、很復雜，目前只能根據(jù)施工經(jīng)驗和施工慣例來大致估算疏 浚系統(tǒng)需要的總揚程， 一般的做法是多配置潛水泵，而這樣往往導致系統(tǒng)的效率較低，輸沙能耗較高。三、發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題考慮各泵的流量一揚程關(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，提供一種精確確定兩相流潛水泵疏 浚系統(tǒng)所需總揚程的方法。技術(shù)方案兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)所需總揚程的確定方法，所述疏浚系統(tǒng)包括疏浚平 臺、管道和若干個加壓站，疏浚平臺上包括若干臺兩相流潛水泵并聯(lián)抽沙，所述加壓站采 用閉式加壓方式，相互之間相隔一定間距布置，選定管道的材質(zhì)，現(xiàn)場測定疏浚系統(tǒng)需要 布設(shè)的管道長度、管道進出口高差和所要輸送的泥漿濃度，然后引用下面的公式確定所述 疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程Hf:<formula>formula see original document page 4</formula>式中L為管道長度，^為泥漿管路的水力坡度；ho為管道進出口高差；Z'。為清水管 道的水力坡度;/ ， A和y^分別為清水、泥沙和泥漿的密度；C;為槳體的體積濃度，Cvd 為泥沙的當量體積濃度(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；Vf為泥沙的自由沉降末速，ds為泥沙平均粒徑，"=0.01泊(相當于1=20°0;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， a為修正系數(shù)，通過現(xiàn)場試驗得 到《=1.225; D為管路內(nèi)徑；g為重力加速度；義為管路的摩阻系數(shù)；Re為雷諾數(shù)，Ks 為管道的當量粗糙度，鋼管的當量粗糙度取Ks二0.05mm，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、進出口高差ho、泥漿當量體積濃度Cvd和流量Q，引用式(l一l) (l一6)，即可算出疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程。本發(fā)明通過大量現(xiàn)場試驗和理論推導，建立了能夠精確計算疏浚系統(tǒng)輸送泥漿時管路 的水力坡度的數(shù)學模型，提供了利用所述數(shù)學模型確定疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程的 方法，改變了以往只能根據(jù)施工經(jīng)驗或施工慣例來大致確定總揚程的方法，為兩相流潛水 泵疏浚系統(tǒng)的優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。該方法不僅應用于黃河機淤施工，而且可以應用于固粒的管道輸送，具有顯著的經(jīng)濟效益。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表示大堤剖面， D表示主管路出口， Q表示泥漿流量，Ll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l(wèi)、 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。平臺上的附屬設(shè)備有移船巻揚機、主平臺、泥漿泵、 膠管、三通管、主管路、檢測閥、電控機房、龍門架、電動巻揚機和配電盤、變頻調(diào)速柜 等。三臺并聯(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-350mm，最大承壓能力為0.5Mpa。亦有用4>400mm和4> 300mm的鋼管，目前在施工中已經(jīng)開始用4>350mm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，加壓站主要 由變頻調(diào)速柜、電動機和泥漿泵組成，附屬設(shè)備有機泵聯(lián)接底座、進水管路、進口壓力傳 感器、出水管路和出口壓力傳感器。加壓站均采用閉式加壓方式，即加壓泵的進出口直接 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。 為了達到系統(tǒng)運行優(yōu)化的目的，應當用數(shù)量盡可能少的平臺潛水泵和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。而要精確確定所 需泵的數(shù)量，必須首先確定疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程。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，影響因素非常復雜， 主要包括管道材質(zhì)、管道長度和管徑、管道進出口高差、泥漿濃度、泥沙平均粒徑、泥漿流量等。通過大量的現(xiàn)場試驗和理論推導，本發(fā)明提出了精確計算疏浚系統(tǒng)輸送泥漿時管 路的水力坡度的數(shù)學模型，利用該數(shù)學模型，確定疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程Hf:<formula>formula see original document page 0</formula>式中L為管道長度，^為泥漿管路的水力坡度；ho為管道進出口高差；/。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；C;為漿體的體積濃度，Cvd 為泥沙的當量體積濃度(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 泥槳總體積的百分比，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，"=0.01泊(相當于1=20°0);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，本實施方式中取從=0.55; a為 修正系數(shù)，通過現(xiàn)場試驗得到"=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為管道的當量粗糙度，鋼管的當量粗糙度取Ks-0.05mm,對 于超高分子量聚乙烯管，Ks二0.02mm。通過現(xiàn)場測量，得到管道材質(zhì)、內(nèi)徑D、長度L、進出口高差ho、泥漿當量體積濃度 Cvd和泥漿流量Q，引用公式(1 — 1) (l一6)，即可算出疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚 程Hf。
權(quán)利要求
1. 兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)所需總揚程的確定方法，所述疏浚系統(tǒng)包括疏浚平臺、管道和若干個加壓站，疏浚平臺上包括若干臺兩相流潛水泵并聯(lián)抽沙，所述加壓站采用閉式加壓方式，相互之間相隔一定間距布置，其特征在于，首先選定管道的材質(zhì)，然后現(xiàn)場測定疏浚系統(tǒng)需要布設(shè)的管道長度、管道進出口高差和所要輸送的泥漿濃度，引用下面的公式確定所述疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程HfHf＝L×im+h0 (1-1)
全文摘要
本發(fā)明公開了確定兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程的方法，適用于河流湖泊的疏浚及遠距離輸沙，通過大量現(xiàn)場試驗和理論推導，建立了能夠精確計算疏浚系統(tǒng)輸送泥漿時管路的水力坡度的數(shù)學模型，選定管道的材質(zhì)，現(xiàn)場測定疏浚系統(tǒng)需要布設(shè)的管道長度、管道進出口高差和所要輸送的泥漿濃度，引用所述數(shù)學模型即可算出疏浚系統(tǒng)輸送泥漿所需的總揚程。改變了以往只能根據(jù)施工經(jīng)驗或施工慣例來大致確定總揚程的方法，為兩相流潛水泵疏浚系統(tǒng)的優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。該方法不僅適用于河流湖泊的疏浚及遠距離輸沙，而且可以應用于固粒的管道輸送，具有顯著的經(jīng)濟效益。
文檔編號F04D13/12GK101265913SQ20081009753
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:杭州小爾機電設(shè)計有限公司