水下泥泵额定功率对其定额转速的影响

水下泥泵额定功率对其定额转速的影响

0泥泵和泵的匹配工艺绞吸式泥浆泵的生产能力是其重要的性能指标之一。例如，仅根据泥泵和粘土管道的传输能力，确定土泵的类型和驱动装置的功率，然后选择土泵的固定工作参数，对泥泵的运营和生产能力有一定影响。在这项工作中，我们将这一点与真实的船舶配置相结合。1泥泵的配置参数本文分析结合的实船为某一“3500m3/h绞吸式挖泥船”,该船配置了3台泥浆泵,包括1台安装在桥架上的水下泥泵和2台安装在船体内的舱内泥泵,泥泵配置的相关参数如表1。舱内泥泵采用柴油机驱动,水下泥泵采用电动机驱动,实际配置参数见表1。从表1中可见,虽然泥泵和驱动动力之间存在齿轮箱和轴系,因而有一定的功率损耗,但舱内泥泵的功率和其驱动柴油机功率相差较多,对此影响随后进行分析。2基于粘液泵的额定功率分析2.1计算结果及分析在绞吸式挖泥船设计之初,往往会提出一个额定工况,据此来确定泥泵的额定转速。就本文结合的实船算例而言,在排管直径为准800mm、挖深25m、排高6m、D50=0.2mm和输送泥浆密度为1350kg/m3时,舱内泥泵和水下泥泵的功率取表1中的数据,对不同当量排距可得到如图1和表2的计算结果。图1中的横坐标为泥浆流量,纵坐标为管阻和排压。“总排压”曲线为3台泥泵在输送指定泥浆的串联特性曲线,该曲线有1个转折点,在该点的左侧,流量小,扬程高,但所需要的总功率相对较小,泵机能以额定转速运转,泵机发出功率小于其额定功率;在转折点的右侧,随着流量增加,泵机将不能提供保持额定转速运转所需的功率,而进入降低转速的恒扭矩工作区域;因此转折点处为泵机发出功率和扭矩均在额定值的工作状态。其余9条曲线为对应不同排距的管阻曲线,从图中可以看到存在管阻最小的谷点,它们与泥泵的总排压曲线的交点即为理论上的工作点,可以得到泥浆流量、总排压、泥泵转速和功率等运行参数,见表2。2.2不同计算公式的泵转速图1计算结果对应的土质为中细砂,其沉淀的临界流速较小,小于2m/s,所以对于此类土质的输送,在本算例中不需考虑因沉降产生堵管。从图1可以看到,管阻曲线不是单调曲线,而是存在着低谷,对应的流速称为临界流速,此时的管阻最小。从图1可以看到,从2500m到4500m的当量排距范围,管阻曲线与总排压曲线的交点均在泵机的恒扭矩工作区间,其中2500m的舱内泵转速为额定转速的85.6%,4500m的舱内泵转速为额定转速的97.1%。在2000m当量排距时,舱内泵转速为280r/min,对应柴油机的转速为约494r/min,是额定转速的82.4%。在5000当量排距时,管阻曲线和总排压曲线的交点与总排压曲线折点非常接近,此时泥泵的转速和功率与设计的额定值非常接近。在5500m当量排距时,管阻曲线和总排压曲线的交点在总排压曲线折点的左侧,这表明在排距较长时,泵机可以工作在额定转速,且此时泵机的功率并没有达到额定功率,这与国内操作挖泥船时通常不会让泵机转速达到额定转速的习惯不一致,为了提高产量,此时应让泵机工作在额定转速。图1中6000m当量排距的管阻曲线和总排压曲线没有交点,表明此时的泥泵能力不能输送密度为1350kg/m3的泥浆,需降低泥泵浓度。如输送泥浆密度为1300kg/m3的泥浆,相应的计算结果见图2,此时泵机工作在额定转速,但此时泵机的功率并没有达到额定功率;同时也表明了在当量排距为7000m时,泥泵能力不足以输送密度为1300kg/m3的泥浆,在如此长排距时,需要更进一步降低泥浆浓度。2.3泥泵工作原理对于上述的土质、挖深、排高和泥浆密度,从图1所示的计算结果来看,理想的工作当量排距范围为2500~4500m,此时舱内泥泵的柴油机和水下泵电动机均在其恒扭矩工作区间。泥泵工作在其驱动设备的恒扭矩区间是理想的工作状态,理由如下:1)与挖泥手操纵的习惯一致,一般在挖泥作业时泵机的运转速度不会达到额定转速,而泵机的控制则限制其输出扭矩在额定范围内。2)在实际疏浚作业中,由于泥浆浓度、土质粒径和当量排距等各种因素并非一成不变,而总是在不停变化和波动中,管阻也因此不断波动。由图1和表2可以看到,泥泵工作在其驱动设备的恒扭矩区间时,管阻的波动对输送泥浆的流量影响并不太大,如当量排距从3500m增加到4000m,泥浆流量仅减少458m3/h,约降低5%。因此,即使出现局部沉淀,导致管阻增加,由于流量减小有限,将使泥管发生局部沉淀处的流速反而会增加,从而阻止沉淀的累积,甚至消除局部沉淀。3)对柴油机而言,针对用于疏浚作业设计的柴油机,其恒扭矩区间的单位功率油耗较低,因此也是比较经济的运行区间。4)泥泵工作在其驱动设备的额定转速区间时,如图1中的5500m当量排距,其工作状态并不稳定,如发生管阻增大,则会使输送泥浆的流量降低过快,容易出现堵管现象。以上原因也正是疏浚行业一致强调泵机需要有恒扭矩能力的原因之一。3根据泥泵的实际情况，功率分析3.1泥泵驱动柴油额定功率设计和运行绞吸式挖泥船时,无疑要考虑其运行的经济性。理想的泥泵驱动装置需按照泥泵的运行特性来配置,因此要求设定对应驱动泥泵工况的配置和运行参数。因此在设计挖泥船时,具有恒扭矩性能的柴油机额定功率和泥泵额定功率仅相差传动效率,而不需为柴油机保留功率储备。如表1所示,即使考虑泥泵和其驱动柴油机之间的齿轮箱与轴系的效率,本算例中的泥泵驱动柴油机的额定功率与泥泵设计额定功率之间也存在较大的差异。这是国内设计通常的做法,一方面是考虑柴油机老化后的功率会降低,另一方面是基于疏浚作业需要柴油机持续高负荷运行,而且经常承受波动负荷,为了保证柴油机能可靠运行而总是让柴油机不满负荷运行。下面分析此种配置的运行状态。3.2理论工作点的计算根据泥泵驱动柴油机的实际可提供功率和扭矩计算理论工作点时,在考虑齿轮箱和轴系效率后,舱内泥泵可获得的功率取为3100kW,其余参数不变,计算得到的理论工作点如图3和表3。3.3有效降低泥泵电机负载率从图3可以看到,总排压曲线存在两个拐点,第1个拐点在流量为2.5m3/s附近,是由于水下泥泵驱动电动机的恒扭矩特性造成的;第2个拐点在流量为3.2m3/s附近,是由于舱内泥泵驱动柴油机的恒扭矩特性造成的。由于舱内泥泵有两台,而且单台功率比水下泵驱动电动机大很多,所以第2个拐点后曲线变陡很多。对比表2和表3,在当量排距从2000m到5000m的范围内,泥浆流量有所增加,舱内泥泵柴油机负荷也有所增加,而水下泵的功率和转速则有所降低。另外也可以看到,表3中柴油机在4000m当量排距时即开始运行在额定转速,而在表2中柴油机在5000m当量排距时才开始运行在额定转速。产生上述结果的原因是在配置泥泵运行参数时降低了柴油机功率,如按与水下泵现在转速匹配,则舱内泵的转速需提高到359r/min,如按舱内泵现在转速来重新确定水下泵的转速,则水下泵的额定转速需下降到262r/min,相应的计算结果见图4。图4中标注为高速排压线对应舱内泵转速为359r/min和水下泵转速为278r/min,标注为低速排压线对应舱内泵转速为340r/min和水下泵转速为262r/min,此两种配置参数将使舱内泥泵柴油机和水下泥泵电动机的负载率基本一致。从图4中还可以看到泥泵不同速度对不同当量排距的适应性,在泵机功率一定的情况下,泥泵额定速度较高时比较适合较长排距,因此有的泥泵齿轮箱采用了双速比,以增强对不同挖泥工况的适应性。4泥泵和驱动装置位置泥泵的输送能力无疑是绞吸式挖泥船的重要性能指标之一。本文结合具体算例分析了泥泵参数配置对实际挖泥运行状态的影响,得到的主要结论如下:1)泥泵工作在其驱动设备的恒扭矩区间是理想的工作状态,此时运转稳定,在出现偶发的管阻增加时,通过泥泵和驱动装置转速的提高,可在一定程度内保证排泥正常。2)国内通常按减小柴油机功率来配置舱内泥泵,实质是在挖泥作业时舱内泥泵的负荷大,而水下泥泵负荷较