两相流潜水泵疏浚系统所需总扬程的确定方法

摘要

本发明公开了确定两相流潜水泵疏浚系统输送泥浆所需的总扬程的方法，适用于河流湖泊的疏浚及远距离输沙，通过大量现场试验和理论推导，建立了能够精确计算疏浚系统输送泥浆时管路的水力坡度的数学模型，选定管道的材质，现场测定疏浚系统需要布设的管道长度、管道进出口高差和所要输送的泥浆浓度，引用所述数学模型即可算出疏浚系统输送泥浆所需的总扬程。改变了以往只能根据施工经验或施工惯例来大致确定总扬程的方法，为两相流潜水泵疏浚系统的优化打下了基础。该方法不仅适用于河流湖泊的疏浚及远距离输沙，而且可以应用于固粒的管道输送，具有显著的经济效益。

说明书

一、技术领域

本发明属于水利疏浚工程领域，具体涉及一种两相流潜水泵疏浚系统所需总扬程的确定方法。

二、背景技术

由于水土流失，我国大部分地区的河流、湖泊、水库淤积严重，为确保防洪安全，必须定期对河道、湖床或水库进行疏浚。目前用于疏浚江河湖泊的装置主要有简易吸泥船、挖泥船、冲挖机组、两相流潜水泵等，其中，利用两相流潜水泵进行水力抽沙，是最常采用且快捷有效的方法。疏浚而产生的大量泥沙往往由于场地限制或环境保护的要求，要运送到适当的地点存放，也可以用于放淤固堤、填充洼地。在利用潜水泵抽沙抽沙的同时，利用管道将泥沙远距离输送到适当地点，是目前最常采用的方法。

中国专利CN2668704Y公开了一种用于抽送黄河泥沙的泥沙抽送装置，如图1所示，主要包括平台5、泥浆泵6、主管路9和配电盘、变频调速柜等。中国专利CN2675748Y公开了一种用于黄河泥沙远距离输送的加压装置，如图2所示，该装置主要包括变频调速柜14、电动机15和泥浆泵17组成。目前，利用类似前述的泥沙抽送和加压装置组成的两相流潜水泵疏浚系统，已广泛应用于江河湖泊的疏浚工程。

两相流潜水泵疏浚系统主要包括平台、主管路和加压站三大部分。平台上一般有若干台两相流潜水泵并联抽沙，根据泥浆输送的距离和扬程的要求，一般需要若干个加压泵站串联增压，加压站主要由变频调速柜、电动机和泥浆泵组成，加压站均采用闭式加压方式，即加压泵的进出口直接联接在泥浆管路上。该系统由于效率高，效益好，使用寿命长，运行稳定可靠，在黄河放淤固堤和江河、湖泊等水力挖沙疏浚工程中发挥了重要作用，收到了显著的经济效益和社会效益。

为了进一步提高两相流潜水泵疏浚系统的效益，有必要对系统进行优化运行，以提高系统的运行效益。由于两相流潜水泵疏浚系统在各工地上的运行条件如泥浆的管路输送距离、泥沙粒度、管道直径、管道材质(钢管或工程塑料管)等各不相同，故在系统的泵组上配备了变频调速器，但满足同样输送条件，各泵之间可以有不同的转速配合。而泵之间不同的转速配合所消耗的能量不同。系统运行优化的目的，是要精确确定泵的数量，并找出泵之间最佳的工作配合，使系统输送同样的泥沙耗能最小。其中，如何精确确定疏浚系统所需的总扬程，即疏浚系统完成远距离输沙所需要的总扬程，是系统优化的基础和关键。然而，影响总扬程度因素很多、很复杂，目前只能根据施工经验和施工惯例来大致估算疏浚系统需要的总扬程，一般的做法是多配置潜水泵，而这样往往导致系统的效率较低，输沙能耗较高。

三、发明内容

技术问题：考虑各泵的流量-扬程关系和管道的种类、直径，以及泥沙颗粒和输送距离等主要影响因素，通过大量的现场试验和理论推导，提供一种精确确定两相流潜水泵疏浚系统所需总扬程的方法。

技术方案：两相流潜水泵疏浚系统所需总扬程的确定方法，所述疏浚系统包括疏浚平台、管道和若干个加压站，疏浚平台上包括若干台两相流潜水泵并联抽沙，所述加压站采用闭式加压方式，相互之间相隔一定间距布置，选定管道的材质，现场测定疏浚系统需要布设的管道长度、管道进出口高差和所要输送的泥浆浓度，然后引用下面的公式确定所述疏浚系统输送泥浆所需的总扬程Hf：

Hf＝L×i_m+h₀     (1-1)

$i_m=\alpha \frac{{\rho }_m}{\rho }{i}_0+11{\mu }_s{C}_v\left(\frac{{\rho }_s-{\rho }_m}{\rho }\right)\frac{v_t}{V}---(1-2)$

$i_0=\frac{{\mathrm{\lambda V}}^2}{2\mathrm{gD}}---(1-3)$

$v_t=54.5\left(\frac{{\rho }_s-\rho }{\mu }\right)d_s^2---(1-4)$

Cv＝(1-ε)Cvd    (1-5)

$\frac{1}{\sqrt{\lambda }}=-2\lg [\frac{\mathrm{Ks}}{3.89D}+\frac{5.58}{{\mathrm{Re}}^{0.9}}]---(1-6)$

式中：L为管道长度，i_m为泥浆管路的水力坡度；h₀为管道进出口高差；i₀为清水管道的水力坡度；ρ，ρ_s和ρ_m分别为清水、泥沙和泥浆的密度；C_v为浆体的体积浓度，Cvd为泥沙的当量体积浓度(亦称毛体积浓度)，即抽送到目的地后自然堆积的泥沙的体积占泥浆总体积的百分比，ε为自然堆积的泥沙的孔隙率，ε＝0.5；V为浆体管道中的平均速度；v_t为泥沙的自由沉降末速，d_s为泥沙平均粒径，μ＝0.01泊(相当于t＝20℃)；μ_s为管底推移质颗粒与管道底部摩擦系数，μ_s＝0.37～0.75，α为修正系数，通过现场试验得到α＝1.225；D为管路内径；g为重力加速度；λ为管路的摩阻系数；Re为雷诺数，Ks为管道的当量粗糙度，钢管的当量粗糙度取Ks＝0.05mm，对于超高分子量聚乙烯管，Ks＝0.02mm。

给定管道材质、直径D、长度L、进出口高差h₀、泥浆当量体积浓度Cvd和流量Q，引用式(1-1)～(1-6)，即可算出疏浚系统输送泥浆所需的总扬程。

本发明通过大量现场试验和理论推导，建立了能够精确计算疏浚系统输送泥浆时管路的水力坡度的数学模型，提供了利用所述数学模型确定疏浚系统输送泥浆所需的总扬程的方法，改变了以往只能根据施工经验或施工惯例来大致确定总扬程的方法，为两相流潜水泵疏浚系统

的优化打下了基础。该方法不仅应用于黄河机淤施工，而且可以应用于固粒的管道输送，具有显著的经济效益。

四、附图说明

附图1为两相流潜水泵疏浚系统的疏浚平台示意图。

附图2为两相流潜水泵疏浚系统的加压泵站示意图。

附图3为两相流潜水泵疏浚系统的整体布置示意图。

五、具体实施方式

如附图3所示，两相流潜水泵疏浚系统主要包括疏浚平台、主管路和加压站三大部分。图3中A表示疏浚平台，B表示第一号加压站，C表示第二号加压站，E表示大堤剖面，D表示主管路出口，Q表示泥浆流量，L1表示第一号加压站距疏浚平台的距离，L2表示第一号加压站距第二号加压站的距离，L3表示第二号加压站距管路出口的距离。平台上有若干台两相流潜水泵并联抽沙，图中1、2、3分别表示其中的一台潜水泵，根据实际情况亦可用4台泵并联或2台泵并联运行。平台上的附属设备有移船卷扬机、主平台、泥浆泵、胶管、三通管、主管路、检测阀、电控机房、龙门架、电动卷扬机和配电盘、变频调速柜等。三台并联泥浆泵的出口通过φ150mm的耐压胶管与主管路相连。主管路通常用厚3mm的钢板滚压焊接而成，直径D＝350mm，最大承压能力为0.5Mpa。亦有用φ400mm和φ300mm的钢管，目前在施工中已经开始用φ350mm的超高分子量聚乙烯管(下面简称P管)，P管的承压能力为0.7Mpa。

根据泥浆输送的距离和扬程的要求，一般需要若干个加压泵站串联增压，加压站主要由变频调速柜、电动机和泥浆泵组成，附属设备有机泵联接底座、进水管路、进口压力传感器、出水管路和出口压力传感器。加压站均采用闭式加压方式，即加压泵的进出口直接联接在泥浆管路上。考虑到管道的承压能力，加压泵不能布置在一起，必须相隔一定间距。为了达到系统运行优化的目的，应当用数量尽可能少的平台潜水泵和加压站满足长距离输沙要求，以提高加压泵站的使用效率，使系统输送同样的泥沙耗能最小。而要精确确定所需泵的数量，必须首先确定疏浚系统输送泥浆所需的总扬程。

疏浚系统输送泥浆所需的总扬程Hf不同于输送清水时的扬程，影响因素非常复杂，主要包括管道材质、管道长度和管径、管道进出口高差、泥浆浓度、泥沙平均粒径、泥浆流量等。通过大量的现场试验和理论推导，本发明提出了精确计算疏浚系统输送泥浆时管路的水力坡度的数学模型，利用该数学模型，确定疏浚系统输送泥浆所需的总扬程Hf：

Hf＝L×i_m+h₀     (1-1)

$i_m=\alpha \frac{{\rho }_m}{\rho }{i}_0+11{\mu }_s{C}_v\left(\frac{{\rho }_s-{\rho }_m}{\rho }\right)\frac{v_t}{V}---(1-2)$

$i_0=\frac{{\mathrm{\lambda V}}^2}{2\mathrm{gD}}---(1-3)$

$v_t=54.5\left(\frac{{\rho }_s-\rho }{\mu }\right)d_s^2---(1-4)$

Cv＝(1-ε)Cvd    (1-5)

$\frac{1}{\sqrt{\lambda }}=-2\lg [\frac{\mathrm{Ks}}{3.89D}+\frac{5.58}{{\mathrm{Re}}^{0.9}}]---(1-6)$

式中：L为管道长度，i_m为泥浆管路的水力坡度；h₀为管道进出口高差；i₀为清水管道的水力坡度；ρ，ρ_s和ρ_m分别为清水，泥沙和泥浆的密度；C_v为浆体的体积浓度，Cvd为泥沙的当量体积浓度(亦称毛体积浓度)，即抽送到目的地后自然堆积的泥沙的体积占泥浆总体积的百分比，ε为自然堆积的泥沙的孔隙率，ε＝0.5；V为浆体管道中的平均速度；v_t为泥沙的自由沉降末速，d_s为泥沙平均粒径，μ＝0.01泊(相当于t＝20℃)；μ_s为管底推移质颗粒与管道底部摩擦系数，μ_s＝0.37～0.75，本实施方式中取μ_s＝0.55；α为修正系数，通过现场试验得到α＝1.225；D为管路内径；g为重力加速度；λ为管路的摩阻系数；Re为雷诺数，Ks为管道的当量粗糙度，钢管的当量粗糙度取Ks＝0.05mm，对于超高分子量聚乙烯管，Ks＝0.02mm。

通过现场测量，得到管道材质、内径D、长度L、进出口高差h₀、泥浆当量体积浓度Cvd和泥浆流量Q，引用公式(1-1)～(1-6)，即可算出疏浚系统输送泥浆所需的总扬程Hf。