两相流潜水泵疏浚系统中加压站位置范围的确定方法

摘要

本发明公开了两相流潜水泵疏浚系统中加压站位置范围的确定方法，适用于江河湖泊的疏浚及远距离输沙，利用建立的数学模型计算出疏浚系统输送泥浆时泥浆管路的水力坡度，然后根据所选用的管道的材质，以及疏浚平台上的潜水泵和加压站的泵的性能参数，确定所述疏浚平台与加压站之间的间距范围。该方法改变了以往根据施工经验和施工惯例来大致确定加压站位置的方法，使疏浚系统得到优化运行，提高了系统的安全性和利用效率，节约了输沙能耗，具有显著的经济效益。

权利要求

1.两相流潜水泵疏浚系统中加压站位置范围的确定方法，其特征在于，所述加压站均采用闭式加压方式，疏浚平台与加压站之间相隔一定间距布置，根据所选用的管道的材质，以及疏浚平台上的潜水泵和加压站的泵的性能参数，确定所述疏浚平台与加压站之间的间距；确定的依据是： L1min＝(H0+H1-K1Pmax)/im (1-1) L1max＝K2H0/im (1-2) L2min＝(H0+H1+H2-K1Pmax)/im (1-3) L2max＝K2(H0+H1)/im (1-4) 式中： L1min——第一加压泵站距离疏浚平台的最小距离； L1max——第一加压泵站距离疏浚平台的最大距离； L2min——第二加压泵站距离疏浚平台的最小距离； L2max——第二加压泵站距离疏浚平台的最大距离； H0——疏浚平台上潜水泥浆泵在工作转速下的扬程； H1——第一加压泵站在工作转速下的扬程； H2——第二加压泵站在工作转速下的扬程； Pmax——管道允许的最大承受压力，与选用管道的材质有关，超高分子量聚乙烯管，取Pmax＝0.7Mpa；钢管，取Pmax＝0.5Mpa； K1——管道承压安全系数，K1＜1，且K1越小越安全； K2——管道加压输送可靠系数，K2＜1，且K2越小越可靠； im——为泥浆管路的水力坡度； $i_m=\mathrm{\α}\frac{{\mathrm{\ρ}}_m}{\mathrm{\ρ}}{i}_0+11{\mathrm{\μ}}_s{C}_v\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_m}{\mathrm{\ρ}}\right)\frac{v_t}{V}---(1-5)$ $i_0=\frac{{\mathrm{\λV}}^2}{2\mathrm{gD}}---(1-6)$ $v_t=54.5\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_s-\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μ}}\right)d_s^2---(1-7)$ Cv＝(1-ε)Cvd (1-8) $\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\λ}}}=-2\lg [\frac{\mathrm{Ks}}{3.89D}+\frac{5.58}{{\mathrm{Re}}^{0.9}}]---(1-9)$ 式中：i0为清水管道的水力坡度；ρ，ρs和ρm分别为清水，泥沙和泥浆的密度；Cv为浆体的体积浓度，Cvd为泥沙的当量体积浓度，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；vt为泥沙的自由沉降末速，ds为泥沙平均粒径，μ＝0.01泊；μs为管底推移质颗粒与管道底部摩擦系数，μs＝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。

2.根据权利要求l所述的两相流潜水泵疏浚系统中加压站位置范围的确定方法，其特征 在于，^=0.8， K2=0. 7。 3

说明书

两相流潜水泵疏浚系统中加压站位置范围的确定方法

一、 技术领域

本发明属于水利疏浚工程领域，特别涉及两相流潜水泵疏浚系统中加压站位置范围的确 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。

目前，在布置两相流潜水泵疏浚系统时，加压站的位置只能根据施工经验和施工惯例来 大致确定，运行较长时间后，往往导致系统稳定性降低，设备使用寿命縮短，甚至导致设备 损坏。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。

优化系统的运行，必须要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。 为防止系统压力骤变，造成设备的损坏或淤堵，加压站的位置需要进行合理选择，否则将影 响系统的运行，因此，如何确定加压站的位置范围，是系统优化的关键技术问题之一。加压 站位置受到管道承压能力和泵扬程的影响。在一定的流量下，如第一号加压站离疏浚平台越 近，则加压泵出口压力越大；同样第二号加压站离第一号加压站越近，则第二号加压站泵的

4出口压力越大；而泵的出口压力不能超过输送管路的承压能力。第一号加压站离疏浚平台的 最远距离则受到两相流潜水泥浆泵扬程的约束，而两个加压站之间的最大距离受第一加压站 加压泵扬程和第二号加压站加压泵扬程的共同约束。如何精确确定疏浚平台与加压站、加压 站与加压站之间的距离，至今没有解决。

三、发明内容

技术问题：利用两相流潜水泵疏浚系统进行疏浚及泥沙输送时， 一般情况下，两个或两 个以下的加压站即能够满足施工需要，加压站多于两个的情况很罕见，因此，本发明提供的 确定加压站位置范围的方法，适用于加压站数量等于或少于两个的情况。

技术方案：两相流潜水泵疏浚系统中加压站位置范围的确定方法，所述加压站均采用闭 式加压方式，疏浚平台与加压站之间相隔一定间距布置，根据所选用的管道的材质，以及疏 浚平台上的潜水泵和加压站的泵的性能参数，确定所述疏浚平台与加压站之间的间距。确定

的依据是：

Llmln= (Ho+H「KD/:L (H)

Llmax- K2Ho/lm (l一2)

L2min= 〈Ho+K+H2-Kf隨)/:L (卜3)

L2謹：K2(Ho+H》/:U (1-4) 式中：

Llnin^第一加压泵站距离疏浚平台的最小距离； ——第一加压泵站距离疏浚平台的最大距离； L2»in~~第二加压泵站距离疏浚平台的最小距离； U皿——第二加压泵站距离疏浚平台的最大距离； Ho——疏浚平台上潜水泥浆泵在工作转速下的扬程，m水柱； H,——第一加压泵站在工作转速下的扬程，in水柱； H2——第二加压泵站在工作转速下的扬程，m水柱；

P皿——管道允许的最大承受压力，与管道材质有关，超高分子量聚乙烯管，取Prai =0.7Mpa;钢管，取Pmax =0. 5Mpa;

&——管道承压安全系数，&<1,且Id越小越安全；

K2——管道加压输送可靠系数，K2<1，且K2越小越可靠；

L——为泥浆管路的水力坡度。

d^H+lHC"^^)》 （1—5)(l一7)

Cv= (1— O Cvd

1

71

=—21g[

& 5.58

-+ -

3.89D Re

09

]

(l一8) (l一9)

式中：/。为清水管道的水力坡度；p， A和A^分别为清水，泥沙和泥浆的密度；《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，e为自然堆积的泥沙的孔隙率，e^0.5;V为浆体管 道中的平均速度；v,为泥沙的自由沉降末速，ds为泥沙平均粒径，u-0.01泊（相当于1= 20°C); A为管底推移质颗粒与管道底部摩擦系数，从=0.37〜0.75, a为修正系数，通过现 场试验得到"=1.225; D为管路内径；g为重力加速度；义为管路的摩阻系数；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、疏浚平台上潜水泵和加压站泥浆泵的扬程Ho、 Hi和H2、泥浆当 量体积浓度Cvd和流量Q，引用式（l一l)〜（l一9),即可精确确定加压站的位置范围。

本发明通过大量现场试验和理论推导，建立了精确计算泥浆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加压站的位置范围的方法，改变了以往只能根据施工经验和施 工惯例来大致确定加压站位置的方法，使两相流潜水泵疏浚系统得到优化运行，提高了系统 的安全性和利用效率，节约了输沙能耗，该方法不仅应用于江河湖泊的疏浚施工，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表示堤坝剖面，D 表示主管路出口， Q表示泥浆流量，Ll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l、 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。三台并联泥浆泵的出口通过4)150mm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 有用小400mm和4>300mm的钢管，目前在施工中已经开始用小350mm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1〜2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。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。

根据所选用的管道的材质，以及疏浚平台上的潜水泵和加压站的泵的性能参数，确定加

压站之间的位置范围，确定的依据是：

Llrain= (Ho+H广^P迈ax)/im (1-1)

Llmai= K2Ho/im (l-2)

Uan= (Ho+Hi+H2-IdP隨)/:L (1-3)

L2max= K2(H0+Hl)/im (l-4) 式中：

Llrain~~第一加压泵站距离疏浚平台的最小距离； U,——第一加压泵站距离疏浚平台的最大距离； L^in^第二加压泵站距离疏浚平台的最小距离；

Umax——第二加压泵站距离疏浚平台的最大距离；

Ho——疏浚平台上潜水泥浆泵在工作转速下的扬程，水柱； H,——第一加压泵站在工作转速下的扬程，m水柱； H2——第二加压泵站在工作转速下的扬程，m水柱；

P皿一一管道允许的最大承受压力，与管道材质有关，超高分子量聚乙烯管，取 =0.7Mpa;钢管，取P咖-0.5Mpa;

t——管道承压安全系数，&<1，且Ki越小越安全，本实施方式取&=0.8; K2——管道加压输送可靠系数，K2越小越可靠，本实施方式取K2-0.7; l——为泥浆管路的水力坡度。

其中，疏浚系统输送泥浆时泥浆管路的水力坡度不同于输送清水时的水力坡度，影响因 素非常复杂，主要包括管道材质、管径、泥浆浓度、泥沙平均粒径、泥浆流量等：

""^H+11aC"^^)S (1-5)

(l一7)

7formula see original document page 8式中：i。为清水管道的水力坡度；/>， A和/^分别为清水，泥沙和泥浆的密度；<^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，e为自然堆积的泥沙的孔隙率，e-0.5;v为浆体管 道中的平均速度；V,为泥沙的自由沉降末速，ds为泥沙平均粒径，P=0.01泊（相当于t二 20°C); ^为管底推移质颗粒与管道底部摩擦系数，从=0.37〜0.75，本实施方式中取从=

0.55; a为修正系数，通过现场试验得到"=1.225; D为管路内径；g为重力加速度；A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、疏浚平台上潜水泵和加压站泥浆泵的扬程、泥浆当量体积浓度 Cvd和流量Q，如果需要两个加压站，引用公式（l一l)〜（l一9)，即可精确确定两个加压 站的位置范围；如果只需要一个加压站，引用公式（l一l)〜（l一2)和公式（1—5)〜（1 一9)，即可精确确定该加压站的位置范围。

而且，如果需要两个以上的加压站，本领域技术人员根据公式（l一l)〜（l一9)也可 以很容易地推导出确定其位置范围的公式。

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