泥泵疏浚性能提升技术研究

摘要：针对原有泥泵效率低、流量偏离原设计流量的现状，本项目在原齿轮箱箱体及泥泵中心点位置不变的情况下，更新泥泵并设计优化齿轮箱主从齿轮、中间轴及鼓式联轴器，同时在优化泥泵排出管布设的基础上，运用数值模拟和模型泵结合的办法，研制低流量、高效率的新型专用泥泵，提高船舶泥浆输送能力。项目结合耙吸船机动性比较强的特点，找出类似工程进行单船万方能耗的对比，得出各条耙吸船的万方节能量，并根据单船项目年度作业量，计算单船节能量，进而得出本项目总节能量。通过改进设计新泥泵叶轮，使泥泵效率提高，流量符合原设计要求。新泥泵排量与船舶现有动力和泥舱舱容相适应，具有良好的粉细砂装舱沉淀效果，装舱效率优于原泥泵系统。1.技术概况在耙吸船挖掘和疏浚系统中，泥泵为关键设备，其效率高低将直接影响船舶施工产量和能耗，泥泵效率的提升将大大降低船舶万方能耗，起到节能降耗的效果。本项目针对原有泥泵效率低、流量偏离原设计流量的现状，在原齿轮箱箱体及泥泵中心点位置不变的情况下，更新泥泵并优化齿轮箱主从齿轮、中间轴及鼓式联轴器，同时在优化泥泵排出管布设的基础上，运用数值模拟和模型泵结合的办法，研制低流量、高效率的新型专用泥泵，提高船舶泥浆输送能力。通过改进设计新泥泵叶轮，使泥泵效率提高，流量符合原设计要求，且新泵完全适应原有外部环境条件，排量、压头、转速、直径、吸排口直径等均优于原设计参数，施工效率大幅度提升。本项目中的“新海马”轮自交船投入施工后，分别在长江口深水航道治理三期疏浚工程、长江南京以下12.5m深水航道一期工程及海南工程项目等工程施工，工况为疏浚、吹填，为公司的生产经营发挥应有的作用。但随着时间的推移，船舶疏浚设备的日常耗损，施工环境的日新月异和近年来疏浚设备的发展，特别是在挖掘珊瑚砂等土质时，“新海马”轮泥泵显得有点力不从心，主要表现为泥泵的适应性差，施工效率降低。国外大型泥泵的研究及开发主要集中在荷兰、美国、德国、比利时等国。荷兰IHC和VOSTA.LMG公司都拥有自己核心研发团队及装备，研究、设计和制造能力处于世界领先水平，其产品畅销世界各地，国际四大疏浚公司及国内疏浚公司的大部分挖泥船都选用他们设计制造的泥泵。上世纪制造泥泵最高效率为80%。目前，随着技术的进步、材料的发展、制造工艺的完善，借助先进的设计工具，尤其是计算流体动力学（CFD）的发展,泥泵的发展又经历一次质的飞跃，目前最先进的泥泵为高效曲线泥泵，最高效率可达到88%，吸入性能在原有的基础上也有大的提升，吸口直径已达到1400mm。IHC公司在继续做精既有传统的泥泵产品的基础上，又开发了系列高效泥泵（HR），包括额定水头约100~500kPa的低压泵（LD）、200~800kPa的中压泵（MD）、400~1500kPa的高压泵（最高4000kPa）并成功地应用于我国香港、新加坡和迪拜等地区大型吹填项目的耙吸挖泥船上。2.技术原理“新海马”等船舶的泥泵使用石家庄强大泵业有限公司研发制造的泥泵，针对原有泥泵效率低、流量偏离原设计流量的现状，本项目在原齿轮箱箱体及泥泵中心点位置不变的情况下，更新泥泵并优化设计齿轮箱主从齿轮、中间轴及鼓式联轴器，同时在优化泥泵排出管布设的基础上，运用数值模拟和模型泵结合的办法，研制低流量、高效率的新型专用泥泵，提高船舶泥浆输送能力。通过改进设计新泥泵叶轮，使泥泵效率提高，流量符合原设计要求，适应原有外部环境条件，且排量、压头、转速、直径、吸排口直径等均优于原设计参数，使施工效率能够大幅度提升。3.主要创新点“新海马”等船舶的实践证明，国产泥泵与进口引进的泥泵经过典型工程的使用，效率仍存在一定的差距，需进一步完善优化。国内研发的泥泵理论上效率可达82%左右，由于国内无大型泥泵的实验室可测试，只能通过实船测试，实船测试时密度计、流量计、泥泵吸排压力及泥泵输入功率（泥泵输入功率通过主推进功率、推进器功率及轴发功率计算所得）存在误差，造成结果误差较大。从实际使用及相关船舶比对可推算，国产泥泵效率为75%~80%。国外IHC生产的泥泵，历史悠久，质量可靠，效率目前可达88%，节能降碳效果明显。4.技术可靠性中国船舶工业集团公司708设计所是国内设计耙吸船较为成熟的设计单位，对疏浚设备泥泵也有深入的研究，据统计，2005年以后设计的10000m3以上船舶超过17艘，最大的是20000m3的“通途”号，该轮现处于安全营运中。国外的荷兰、比利时、意大利都是设计制造疏浚装备的强国，其中荷兰IHC公司是引领世界挖泥船现代化潮流的著名企业，中港疏浚有限公司2000年引进的“新海龙”为大型耙吸船国内设计、国内建造发挥了重要作用。因此，无论国内还是国外，泥泵的研发技术方案都已经相当成熟。中港疏浚有限公司是一家有着悠久历史的疏浚企业，在多年的生产经营中积累了一套行之有效的管理制度及体系，可为企业的持续发展提供强有力的制度保障。同时，有固定长期从事泥泵使用及研究的人员，从人力、财力、技术等方面都能为本课题的研究及应用提供全方位的保障。5.技术适用领域国内大型泥泵研发主要集中在各大疏浚公司、泥泵制造商以及相关高等院所。综观近十几年我国疏浚装备技术的发展，走过了引进、消化、吸收、再开发之路。为满足疏浚市场对挖泥船的需求，在充分消化吸收国际成熟技术和经验的基础上，中港疏浚有限公司充分利用国内资源，采用“国内设计、国内建造、主要关键设备引进”的模式，相继在国内建造了“新海虎”“新海凤”“新海牛”“新海马”“新海虎4”“新海虎5”等六艘大型自航耙吸式挖泥船，六艘船舶的建成，不仅保持了公司装备的前瞻性、适应性和先进性，提升了公司参与国内外港口和航道建设的施工能力，而且，通过切实贯彻国家倡导的“国轮国造”方针，成功填补了国内万方以上疏浚船舶建造的空白，为大型挖泥船设计、建造的国产化迈出坚实的步伐，促进了我国特种工程船舶制造业的发展，为“振兴民族疏浚产业”夯实了最重要的装备能力基础。公司建造了7艘万方以上国产耙吸挖泥船，在生产能力大幅度提高的同时，改善了船舶性能、船舶结构，吸收、消化了国外的先进技术，提高了国产挖泥船研发、设计、制造的能力，带动了国内自航耙吸挖泥船配套设备的发展。万方耙式挖泥船的核心装备——泥泵的研究、开发、制造也开始有序推进。“新海马”轮耙吸船泥泵改造前后性能对比见图1。图1耙吸船泥泵改造前后性能对比从图1可以看出，“新海马”轮泥泵改造后与改造前比较，具有以下特点：（1）高效区流量范围基本一致，改造后的理论最高效率约为88.0%，大大高于改造前的施工效率；（2）同流量下所需的轴功率明显小于改造前，在常用施工流量4.0~5.0m³/s下，改造后的泥泵轴功率与改造前相比降低240~420kW，降低了约17.2%~25.9%（按理论功率特性曲线计算），节能效果显著。应用该技术需要公司具备一定研发基础，与一定经济实力和设备生产商及安装设计方、施工方有良好的沟通。受制于成本因素，国内挖泥船特别是民企建造的挖泥船，首选是国产低效的泥泵，采用高效泥泵技术比例目前不高。据不完全统计，目前该高效泥泵在行业内应用约占15%。

6.技术应用情况通过市场调研分析并结合中港疏浚前几年对老旧船舶泥泵改造的成功经验，选用国外先进的“双高”（高效率、高吸入性能）泥泵，可明显提高船舶的适应性及施工效率，提高船舶的疏浚能力。通过对实船施工情况的调研和分析，结合实船功能要求和动力系统配置，针对不同挖掘土质及挖深开展挖泥系统管路特性的计算分析，合理确定泥泵的相关参数要求，通过与泥泵厂商交流，结合泥泵的特性，进一步开展系统性分析，为最终泥泵选型提供科学的决策依据，使实船的泥泵性能优化和提高得以实现。有了人力、财力、技术等方面的支持，本项目采用国内设计、关键设备进口、国内安装的方案。（1）根据船舶现有动力配置、进排出管线和位置条件，重新设计适用泥泵；（2）新设计泥泵应适合于淤泥、粉细砂、细砂和中粗砂土质施工；（3）新泥泵汽蚀余量应适用于现有吸排管路和最大挖深条件；（4）新泥泵排量与船舶现有动力和泥舱舱容相适应，具有良好的粉细砂装舱沉淀效果，装舱效率优于原泥泵系统；（5）改造后的理论最高效率约为88.0%；（6）原则上现有传动减速装置不变，若现有原动机转速输入不适用，可考虑更改传动齿轮箱；（7）泥泵泵壳、叶轮、衬板、轴套等采用优质耐磨材料。7.技术效益分析7.1节能低碳效益为了测算更新后的泥泵性能，分别选取了“新海马”改造前9个月的施工情况及改造后10个月的施工情况进行对比。考虑到工况条件、施工操作等差异性，选取“新海马”轮改造前于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况和改造后于2020年4月、5月、6月在吕四港工程施工情况。对比情况见表1。表1改造前后实船工况对比通过表1可以看出改造前能耗为

每万方30.78吨标煤，改造后为

每万方25.75吨标煤，节能16.34%，节能效果明显。“新海马”轮2020年3月份正常施工，至9月份7个月共疏浚土方437.21万方，折合年疏浚土方562.13万方（扣除船舶年修理时间3个月），按照节能量30.78－25.75＝5.03吨标煤/万方测算，年节省180CST燃油

1980吨，折合节碳量

2828吨标煤。节能量计算方法如下：“新海马”轮节能量=（实施前万方能耗－实施后万方能耗）×年度作业量7.2经济效益项目投入主要分泥泵采购、配置传动装置与设计及改造施工三大块，经过新海马实船安装计算，泥泵采购款1553.29万元，泥泵系统传动装置技术服务费182.20万元，泥泵系统改造施工款193.23万元，合计1928.72万元。通过实船安装对比，改造前后节能效果明显，单船年