長江航道2000m3/h吸盤挖泥船優(yōu)化設(shè)計(jì)

何進(jìn)輝 凌良勇 沈志平 王 兵 楊佩瑤 鄭 琴

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.長江航道局 武漢430014）

研究與設(shè)計(jì)

長江航道2000m3/h吸盤挖泥船優(yōu)化設(shè)計(jì)

何進(jìn)輝1凌良勇2沈志平1王 兵2楊佩瑤1鄭 琴2

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.長江航道局 武漢430014）

吸盤式挖泥船由于其特殊的船型特點(diǎn)和作業(yè)特點(diǎn)，特別適用于內(nèi)河淺水航道的維護(hù)疏浚。該文以長江航道局建造交付的“吸盤3”號以及前續(xù)船“吸盤2”號為例，闡述了包括功率分配優(yōu)化、疏浚性能提升、側(cè)推功能設(shè)計(jì)和裝駁功能設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些優(yōu)化設(shè)計(jì)大幅提升了吸盤式挖泥船的疏浚能力、操縱性和環(huán)保性，從而能更好地確保長江航道黃金水道的暢通。文中所介紹的設(shè)計(jì)理念，對于從事工程船舶設(shè)計(jì)的專業(yè)人員有一定啟迪。

吸盤挖泥船；優(yōu)化設(shè)計(jì)；疏浚性能

引 言

吸盤式挖泥船（dustpan dredger，DD）是吸揚(yáng)式挖泥船的一種，以射流技術(shù)為開采方法，利用高壓沖水切割水底的泥土，使泥土處于懸浮狀態(tài)形成泥漿，再利用泥泵將泥漿吸入，并進(jìn)行邊拋或者通過泥管進(jìn)行排岸［1］具有挖寬大、吸入濃度高、挖槽平整、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，此外還具備自航能力、吃水較小、作業(yè)不礙航等船型特點(diǎn)，因此特別適用于內(nèi)河淺水航道的維護(hù)疏浚工程［2］。吸盤式挖泥船最早于1894年誕生在美國，從20世紀(jì)60年代起，蘇聯(lián)也開始建造吸盤式挖泥船［3］。

長江中下游航道以沙質(zhì)河床為主，航道維護(hù)水深約為4～12.5m，航道航運(yùn)密度大，對疏浚船舶作業(yè)不礙航要求高，特別適合采用吸盤式挖泥船進(jìn)行疏浚。國內(nèi)首艘吸盤船——1250m3/h“吸盤1”號，正是由長江航道局于1993年建造使用，主要用于確保葛洲壩建成后中游航道的暢通［4］，隨后的20年間在保障長江黃金水道暢通中屢立戰(zhàn)功，被譽(yù)為“航道蛟龍”［2］。進(jìn)入新世紀(jì)后，為提高長江航道應(yīng)急搶通能力，改善枯水期航道條件，保障長江中游黃金水道的暢通，國內(nèi)自行開發(fā)建造又一艘新型吸盤挖泥船——2000m3/h“吸盤2”號。該船創(chuàng)新性地采用了全電力驅(qū)動系統(tǒng)，技術(shù)形態(tài)具有顯著的先進(jìn)性。該船于2012年交付使用，在實(shí)際使用中體現(xiàn)了顯著的經(jīng)濟(jì)及社會效益［5］。

基于“吸盤1”號與“吸盤2”號的良好應(yīng)用情況，同時根據(jù)交通運(yùn)輸部支持系統(tǒng)“十二五”建設(shè)規(guī)劃，為進(jìn)一步提高長江中游航道維護(hù)疏浚能力，長江航道局決定再行建造一艘2000m3/h吸盤挖泥船——“吸盤3”號，并于2015年交付使用（見圖1）。該船在“吸盤2”號的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在全船電站總功率不變的前提下使船舶疏浚性能與船舶整體性能均大幅提升。本文將對以上優(yōu)化設(shè)計(jì)作簡要介紹。

1 全電驅(qū)系統(tǒng)下功率分配優(yōu)化

對于需要有大量功率按照不同工況需求在不同負(fù)載中轉(zhuǎn)移的船舶，采用全電力驅(qū)動系統(tǒng)在功率轉(zhuǎn)移靈活性上具有巨大優(yōu)勢。吸盤挖泥船主要功率負(fù)載為泥泵、高壓沖水泵、舵槳以及液壓泵站，由于其具有自航邊拋和絞進(jìn)尾排兩種不同的作業(yè)方式，各主要設(shè)備系統(tǒng)的功率負(fù)荷變化較大，適合采用全電力驅(qū)動系統(tǒng)。

“吸盤2”號采用全電力驅(qū)動系統(tǒng)以及功率管理系統(tǒng)，主電站由3臺1600 kW的柴油發(fā)電機(jī)組組成，可靈活選擇并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組數(shù)量以及分配不同負(fù)載功率［6］。結(jié)合“吸盤2”號實(shí)際使用情況，在額定設(shè)計(jì)環(huán)境條件下（風(fēng)力6級，流速5 kn），絞進(jìn)尾排以及自航邊拋?zhàn)鳂I(yè)工況電站功率有部分功率富余，該富余部分功率可轉(zhuǎn)移至挖泥核心設(shè)備——泥泵。同時，由于額定設(shè)計(jì)環(huán)境條件是滿足長江航道疏浚的極限環(huán)境條件，實(shí)際作業(yè)過程中的環(huán)境條件較為良好，風(fēng)力為3級，流速為2 kn。因此，絞進(jìn)尾排作業(yè)時原用于舵槳定位的功率也可轉(zhuǎn)移至泥泵，實(shí)現(xiàn)功率分配的優(yōu)化?！拔P3”號電站功率分配優(yōu)化估算如表1所示。

表1 “吸盤3”號電站功率分配優(yōu)化估算

由表1可見，經(jīng)過功率分配優(yōu)化后，泥泵電機(jī)功率可由原來“吸盤2”號的1850 kW提升至“吸盤3”號2250 kW（自航邊拋）、2500 kW（額定環(huán)境條件下絞進(jìn)尾排）和3000 kW（良好環(huán)境條件下絞進(jìn)尾排），提升幅度分別達(dá)21%、35%和62%，可實(shí)現(xiàn)疏浚性能的優(yōu)化提升。同時，在主發(fā)電機(jī)組配置不變的前提下電站總負(fù)荷率提升至93%，充分利用電站的潛能，可提高單位疏浚土方的經(jīng)濟(jì)性。

2 疏浚性能優(yōu)化提升

2.1 絞進(jìn)尾排疏浚性能優(yōu)化提升

2.1.1 額定設(shè)計(jì)環(huán)境條件

額定設(shè)計(jì)環(huán)境條件下，通過功率分配優(yōu)化，泥泵電機(jī)最大功率可達(dá)到2500 kW，因此在“吸盤3”號設(shè)計(jì)過程中，保持泥泵不變，通過選用更大功率的泥泵電機(jī)，配合不同的泥泵工作點(diǎn)，可將富余功率用于泥泵疏浚作業(yè)，提升疏浚性能。

“吸盤2”號絞進(jìn)尾排工況設(shè)計(jì)疏浚能力為挖深12m，泥漿濃度20%時產(chǎn)量為2000m3/h，排距為600m，對應(yīng)泥泵電機(jī)為1850 kW。表2估算在相同挖深12m，相同泥漿濃度和相同產(chǎn)量的前提下，“吸盤3”號排距隨著泥泵電機(jī)功率增加而增加的規(guī)律，從表中可看出，電機(jī)功率由1855 kW提升至2400 kW后，尾排距離由～700m增至～1000m。此外，如果考慮到特殊作業(yè)要求，需要增加尾排距離至2000m，受2500 kW泥泵電機(jī)功率限制，需降低泥漿濃度至～9.14%，產(chǎn)量隨之下降至～900m3/h。

2.1.2 較好環(huán)境條件

在較好環(huán)境條件下，風(fēng)速和流速較小，吸盤挖泥船作業(yè)時受到風(fēng)、流作用的環(huán)境力相對較小，在絞進(jìn)尾排時，側(cè)風(fēng)、側(cè)流僅通過絞進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行克服，舵槳系統(tǒng)不工作，高壓沖水泵的功率適當(dāng)調(diào)整，富余功率轉(zhuǎn)移至泥泵，泥泵功率最大可達(dá)到3000 kW，其疏浚能力進(jìn)一步提升（見下頁表2）。當(dāng)泥泵電機(jī)功率達(dá)到2560 kW，挖深12m，尾排距離為2000m，產(chǎn)量可達(dá)到約1100m3/h，較額定環(huán)境條件疏浚性能提升約200m3/h。再考慮到泥泵氣蝕性能，適當(dāng)挖深降低至8m，對應(yīng)泥漿濃度為14.5%，產(chǎn)量可達(dá)到1500m3/h。

表2 尾排輸泥管路外部特性

2.2 自航邊拋疏浚性能優(yōu)化提升

在額定設(shè)計(jì)環(huán)境條件下，用于舵槳系統(tǒng)定位的功率高于絞車系統(tǒng)絞進(jìn)定位的功率，因而自航邊拋工況泥泵電機(jī)可用功率低于絞進(jìn)尾排工況，為2250 kW。在額定設(shè)計(jì)環(huán)境條件下，“吸盤2”號挖泥船自航邊拋工況設(shè)計(jì)疏浚能力為挖深12m，邊拋距離60m，產(chǎn)量不少于2000m3/h。表3估算在相同邊拋距離下，“吸盤3”號挖泥船在不同泥漿濃度、挖深和電機(jī)功率下，產(chǎn)量的變化規(guī)律。從表中可見，泥漿濃度越高，排泥產(chǎn)量越大，需要的泥泵揚(yáng)程及軸功率也越大；當(dāng)挖深12m，產(chǎn)量3000m3/h以上時，泥泵產(chǎn)生氣蝕，產(chǎn)量不再隨泥泵軸功率增大而增大。通過減小挖深至8m，降低泥泵的吸入損失，降低泥泵的氣蝕余量，產(chǎn)量可以到達(dá)3000m3/h；邊拋產(chǎn)量達(dá)到一定程度后主要由氣蝕性能決定，不再隨著泥泵功率增加而增加，換言之，邊拋工況時泥泵電機(jī)功率最大不超過2100 kW，疏浚作業(yè)具有最佳經(jīng)濟(jì)性。

表3 邊拋輸泥管路外部特性

3 首側(cè)推功能設(shè)計(jì)

“吸盤2”號挖泥船水線長為75.0m，根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，其在進(jìn)出港口操船時，操縱性能不夠靈活。因此，在“吸盤3”號挖泥船的設(shè)計(jì)過程中，增設(shè)首側(cè)推功能，提高操船靈活性。由于吸盤布置原因，“吸盤3”號首部中間具有4m寬度的開槽，見圖2。如考慮在首部設(shè)置隧道側(cè)推器，需在首部2個片體中各設(shè)置1個側(cè)推器，同時在使用過程中與吸盤架還存在干擾作用，使用便利性不高，建造成本增加較多。考慮到本船首部已有2個500 kW高壓沖水泵及管系，本船通過在高壓沖水管系上設(shè)置左右舷側(cè)高壓沖水旁通管路實(shí)現(xiàn)側(cè)推功能，如圖2所示。

舷側(cè)高壓沖水側(cè)推設(shè)計(jì)的并鍵點(diǎn)在于確定流量和出水口的直徑，以獲得滿足要求的推力。根據(jù)噴水推進(jìn)動量定理，反推力可通過式（1）求得：

式中：Q為管路出口流量，m3/s；S為管路出口截面積，m2；d為管路出口直徑，m；ρ為水的密度，kg/m3。

由式（1）可以看出，流量越大，管徑越小，可獲得的推力也越大，但是對水泵和管路的壓力要求也越高。

選取舷側(cè)高壓沖水管路出口直徑0.2m、0.24m和0.3m，結(jié)合高壓沖水管路特性對高壓沖水所能產(chǎn)生的最大推力進(jìn)行估算，結(jié)果如表4所示。

表4 高壓沖水側(cè)推不同管徑及流量方案對比

從表4可得出，方案1雙泵同時使用時，可獲得最大側(cè)推力約為25 kN，根據(jù)船體受風(fēng)面積560m2，6級風(fēng)速的正橫風(fēng)計(jì)算約需側(cè)推力約28 kN，方案1基本可以滿足側(cè)推要求。舷側(cè)旁通管路如圖3所示，根據(jù)“吸盤3”號挖泥船實(shí)際使用情況反饋，使用該側(cè)推系統(tǒng)，可大幅提高本船進(jìn)出港口時操船靈活性，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 裝駁功能設(shè)計(jì)

按照《長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃綱要》總體要求，今后長江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展要把環(huán)保放在壓倒性位置，長江航道疏浚的環(huán)保性也越來越重要。在此背景下，“吸盤3”號挖泥船的設(shè)計(jì)也要求在尾排距離增加至2000m用于泥漿排岸的環(huán)保疏浚方式上，進(jìn)一步考慮更大輸泥距離的環(huán)保疏浚方式?？紤]到吸盤挖泥船采用單一泥泵吸泥，同時電站功率有所限制，單純增加尾排距離方式已經(jīng)不具有經(jīng)濟(jì)性。因此，大于2000m輸泥距離的作業(yè)工況下，本船擬采用裝泥駁轉(zhuǎn)運(yùn)的作業(yè)方式。結(jié)合本船絞進(jìn)尾排和自航邊拋兩種作業(yè)模式，裝駁也可實(shí)現(xiàn)在不進(jìn)行較大改動的前提下絞進(jìn)尾排裝駁和自航邊拋裝駁。

4.1 絞進(jìn)尾排裝駁

該方案考慮吸盤船在一定區(qū)域內(nèi)施工，泥駁?？奎c(diǎn)不變。尾排作業(yè)時，駁船停靠在吸盤船側(cè)后方，排泥浮管在接近駁船處進(jìn)行拋錨固定，同時在排泥浮管盡頭設(shè)置一個小型平臺用于將泥管抬起，為排泥管進(jìn)到駁船泥艙內(nèi)做準(zhǔn)備（參見圖4和圖5）。為了提高疏浚作業(yè)效率，泥駁應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的溢流裝置。待泥駁裝滿泥漿后，暫停挖泥作業(yè)，將駁船移至指定卸泥點(diǎn)進(jìn)行卸泥，卸泥后重新回到裝駁點(diǎn)裝泥；前一艘泥駁卸泥時，新的泥駁?？恐裂b駁點(diǎn)就位后，再重新開始挖泥作業(yè)裝駁，如此滾動作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)疏浚效率和環(huán)保的兼顧。對“吸盤3”號挖泥船的設(shè)備以及構(gòu)造而言，絞進(jìn)尾排裝駁與直接尾排到岸兩種作業(yè)模式并無差別，因此設(shè)計(jì)中不必特別考慮。

4.2 自航邊拋裝駁

“吸盤3”號挖泥船自航邊拋時，噴嘴方向斜向上方，泥漿噴出后可達(dá)到較大邊拋距離，見圖6。當(dāng)需要采用邊拋架泥管裝駁時，需將噴泥方向改為垂直向下，見圖7。因此，“吸盤3”號挖泥船的邊拋管噴嘴在設(shè)計(jì)中采用可拆卸式的設(shè)計(jì)，通過對噴嘴的更換，實(shí)現(xiàn)邊拋和裝駁兩種輸泥模式的切換。

采用自航邊拋裝駁時，配套泥駁需具備自航能力或者通過拖輪拖帶，以在施工過程中保持與“吸盤3”號挖泥船前進(jìn)速度保持同步，同時通過調(diào)整邊拋架的旋轉(zhuǎn)角度，調(diào)整泥漿裝駁點(diǎn)的位置。在整個施工過程中，泥駁與“吸盤3”號挖泥船的相對位置依賴于雙方或拖輪的操船人員以及船舶操縱靈活性，因此需要操船人員保持注意力高度集中，同時在兩船舷邊需設(shè)置若干護(hù)舷，以防彼此相撞。

5 結(jié) 論

通過以上優(yōu)化設(shè)計(jì)，“吸盤3”號挖泥船在全船電站總功率不變的前提下大幅度提升了疏浚能力和整體性能，總結(jié)如下：

（1）通過選用更大功率的泥泵電機(jī)，配合泥泵不同工作點(diǎn)，可將富余功率轉(zhuǎn)移至泥泵，實(shí)現(xiàn)各主要負(fù)載功率更加均衡，電站運(yùn)行狀態(tài)更合理。

（2）實(shí)現(xiàn)了疏浚能力的提升，相同挖深和產(chǎn)量，尾排距離大幅增加；相同挖深和邊拋距離，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量增加，約可達(dá)3000m3/h。

（3）因地制宜利用高壓沖水管系實(shí)現(xiàn)側(cè)推功能，大幅提升本船在低速狀態(tài)下的操縱性。

（4）對裝駁施工作了論證研究，并對邊拋泥管噴嘴預(yù)留可拆卸方式，可實(shí)現(xiàn)裝駁輸泥方式的轉(zhuǎn)換，可提升本船疏浚作業(yè)的環(huán)保能力。

［1］ 盧雨.挖泥吸盤流場特性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

［2］ 孫雪.吸盤式挖泥船吸盤特性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

［3］ 劉厚恕.印象國內(nèi)外疏浚裝備［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2016.

［4］ 劉厚恕. 1250m3/h吸盤挖泥船總體設(shè)計(jì)［J］.船舶，1995（2）：10-16.

［5］ 王兵.用于長江中游航道維護(hù)的2000m3/h自航吸盤挖泥船研制及應(yīng)用［J］.船海工程，2014（2）：53-56.

［6］ 韓龍，張海榮，邰能靈.吸盤挖泥船采用全電力驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)論證［J］.船舶，2013（2）：60-64.

Optimization design of 2000m3/h dustpan dredger in Yangtze River waterway

HE Jin-hui1LING Liang-yong2sHEN Zhi-ping1WANG Bing2YANG Pei-yao1ZHENG Qin2
(1.marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China; 2. Chang jiang Waterway Bureau, Wuhan 430014, China)

The dustpan dredger is very suitable for the dredging mission in the shallow waterway due to its special ship type and the operation characteristics. This article presents aseries of optimization designs for the “XIPAN 3”dustpan dredger and previous “XIPAN 2” dustpan dredger that were built by the Chang jiang Waterway Bureau (CWB),such as the power distribution optimization, dredge performance improvement, tunnel thruster functional design and barging functional design. These optimization designs greatly enhance the dredging performance,maneuverability and environmental protection of the dustpan dredger, ensuring the smooth passage of the golden channel on the Yangtze River waterway. The design concepts will benefit the experts that are engaged in the engineering ship design.

dustpan dredger; optimization design; dredge performance

U674.31

A

1001-9855（2017）05-0016-07

2017-02-13；

2017-04-17

何進(jìn)輝（1986-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶與海洋工程總體設(shè)計(jì)。凌良勇（1961-），男，高級工程師。研究方向：船舶工程。沈志平（1959-），男，研究員。研究方向：船舶與海洋工程總體設(shè)計(jì)。王 兵（1963-），男，高級工程師。研究方向：船舶工程。楊佩瑤（1977-），女，碩士，工程師。研究方向：船舶特種機(jī)械設(shè)計(jì)。鄭 琴（1980-），女，工程師。研究方向：船舶工程。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.016