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申请/专利权人：中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司

摘要：本发明基于机理的挖泥船输送系统全管段运行参数动态监测与优化方法，属于水力输送领域，应用于疏浚工程，涉及步骤有：S1测量输送系统主要参数，并通过数学推演方法获得全管道输送参数；S2选取临界流速计算公式，用于确定实用流速区间合理取值范围；S3计算流速最低下限与安全监测；S4实用流速区间计算与安全性、经济性监测；S5参数动态优化与定量调控。通过本发明监测和优化方法，保持系统的自我调节机制，既遵从了疏浚作业自身动态波动的特性，又有效提升了输送系统的安全性和经济性。

主权项：1.基于机理的挖泥船输送系统全管段运行参数动态监测与优化方法，其特征是，按照如下步骤实施：S1：测量输送系统主要参数，并通过数学推演方法获得全管道输送参数；S1-1：通过传感器测量输送系统以下参数用于提供给后续步骤，包括：1工程水文地质条件参数：绞吸船挖深Hdown、潮位Htide和管路在陆地上的爬高Hup；2挖泥船船舶机具性能参数：该船所用水下泵和舱内泵的清水额定扬程Hwe、清水额定流量Qwe，水下泵额定转速nwe1，两台舱内泵额定转速nwe2，管道布置情况；3输送工况参数：管道内径D，浆体的容重γm，输送载液的容重γw，固体的容重γs，摩擦系数μs，管道起始点的浓度C，浆体流速V，输送颗粒均值粒径ds，泥沙颗粒沉速Vss；S1-2：使用已知数学推演模型实时输入数学推演模型测量参数进行计算，从而输出实时的整管道浓度分布，进而将全管道的两个输送参数，即全管道上的浓度分布和流速，提供给S3、S4和S5；S2：选取临界流速计算公式，用于确定实用流速区间合理取值范围，用于提供给S3和S4；S2-1：构建新临界流速公式进行计算；构建新的临界流速Vc＝kp·14·C13·g14·D12·vss12·ds-14公式2用于计算重点监测点下限流速Vc，其中倾斜管段临界流速修正系数为kp，通过实验验证其与管道倾斜角度非线性相关；S2-2：采用实用流速区间作为流速控制阈值的方法，而所述实用流速区间是通过利用S2-1阻力最低的临界流速公式和工程试验数据确定，以输送管线平均浓度计算的临界流速乘以倍数kmax和kmin作为工作流速控制的上下限Vcmax和Vcmin，即公式3所示的实用流速区间，以实现输送系统的相对安全性和经济性；所述实用流速区间[Vcmin，Vcmax]的计算是基于全管平均浓度的； S3：计算流速最低下限与安全监测采用取多个重点监测点临界流速Vc1，Vc2，Vc3……的最大值作为总的流速最低下限Vc的方法，即Vc＝maxVc1，Vc2，Vc3，……，来实现对管线堵管风险的监测与评估；具体的布置方案和匹配的算法方案如下：S3-1：识别重点监测点，用于提供给S3-2所述重点监测点包括：1重点监测点A：全管浓度最大值点利用S1全管段浓度分布数据用于实时客观确定出真实位置，并借以设计重点监测点下限流速Vc计算模型；2重点监测点B：沉管浓度最大值点利用S1全管段浓度分布数据用于实时客观确定出真实位置，并借以设计重点监测点下限流速Vc计算模型；3重点监测点C：为沉管起始点利用S1全管段浓度分布数据用于实时客观确定出真实位置并结合布置后确定的沉管起始点位置，借以设计重点监测点下限流速Vc计算模型；S3-2：根据识别的重点监测点位置信息，从S1的全管道输送参数中提取出所述重点监测点的浓度C1，C2，C3，以及流速V1，V2，V3数据，不同位置的流速值相同，即为管道起始点测量的流速值V0，也就是监测的工作流速V，如此V＝V0＝V1＝V2＝V3；S3-3：将重点监测点的输送参数管道倾斜系数kp，浓度C，管径D，颗粒沉降速度Vss，颗粒粒径ds输入步骤S2中的临界流速公式2以计算得各监测点对应的实时临界流速Vc1，Vc2，Vc3，分别对应监测点A、B、C，用于提供给S3-4；S3-4：对比S3-2中工作流速V与S3-3中各监测点临界流速Vc1，Vc2，Vc3，若工作流速V低于其中任何一个监测点的临界流速，则识别当前输送系统可能会发生淤堵的安全风险，进入S3-5；S3-5：预警存在安全风险，确定需及时调整作业参数，则进入S5；S4：实用流速区间计算与安全性、经济性监测S4-1：从步骤S1得到的全管道输送参数中，提取全管道浓度分布数据和临界流速公式2所需的管径D，颗粒沉降速度Vss，颗粒粒径ds，计算整个管线上的浓度平均值将这些数据提供给S4-2；提取管道起始位置流速测量值V0，该流速视为工作流速V，用于提供给S4-4；S4-2：将所述平均浓度代入到阻力最低的临界流速公式2Vc＝kp·14·C13·g14·D12·vss12·ds-14，计算得到“全管道实时临界流速”，所述“全管道实时临界流速”视为整个管道统计平均情况，区别于监测点的局部临界流速；S4-3：进一步，根据S2-2实用流速区间推荐取值，计算具体的实用流速区间[Vcmin，Vcmax]，提供给S4-4；S4-4：对比S4-1中所述工作流速V与S4-3中所述实用流速区间[Vcmin，Vcmax]，判断流速是否超出该区间；S4-5：以安全性和经济性进行预警并分类执行：S4-5-1：若工作流速V小于实用流速下限Vcmin，则预警输送流速过低，有堵管风险，调整作业参数，则进入S5；实用流速下限Vcmin对应的临界流速并不等同于S3-3步骤中管道局部的临界流速Vc1，Vc2，Vc3，且不能确定实用流速下限Vcmin与Vc1，Vc2，Vc3具体哪个更大，为此，对于安全性的监测并同时对所监测的工作流速V与实用流速下限Vcmin进行对比，即工作流速V小于Vc1，Vc2，Vc3和Vcmin中的任意一个，都触发安全性预警；S4-5-2：若工作流速V高于实用流速上限Vcmax，则预警输送流速过高，输送系统能耗大，不经济，需调整作业参数，则进入S5；否则当前作业参数不变，维持工况；S5：参数动态优化与定量调控方法对于步骤S3-5和S4-5-1的安全性预警的情况，需提高泥泵转速，而对于S4-5-2的经济性预警的情况，需降低泥泵转速，分别进行调控：1所述安全性预警：S5-1-1：设定泥泵转速的初步计划提高值为总转速的百分比例；S5-2：按计划调节的泥泵转速进行计算，得到泥泵扬程，根据泥泵扬程的变化分情况分别进入S5-4-1或S5-4-2；上述计算过程如下：挖泥船所用水下泵和舱内泵的清水额定扬程Hwe-清水额定流量Qwe关系通过多项式进行拟合，分别满足如下关系式： 水下泵额定转速nwe1＝245rmin，两台舱内泵额定转速都是nwe2＝257rmin；浆体流量Qw1-泥泵转速nw1存在如下关系： 通过式4可获得泥泵在某流量Qw1、转速nw1下对应的额定清水流量Qwe；通过关系式5获得相应的额定清水扬程Hwe；额定清水扬程Hwe和瞬时清水扬程Hw1又满足如下关系式： 如此，计算得到某浆体流量条件下对应的瞬时清水扬程Hw1；根据Stepanoff经验公式，压头下降比HR表示为：HR＝1-0.8+0.6logdm·Cvd7式中，dm为浆体颗粒平均粒径，用中值粒径d50替代，Cvd为浆体体积浓度；同时，压头下降比HR还表示为： 综合式4-8，可求得泥泵在某浆体浓度条件下的扬程Hm；S5-3：与S5-2并行，同时刻计算该时刻基于全程浓度分布的总水头损失，并根据总水头损失的变化分情况分别进入S5-4-1或S5-4-2；上述计算过程如下：选取费祥俊公式作为基础公式，通过实测数据对其进行修正，并对管路摩阻Im进行计算；修正的费祥俊公式如下： 式中，Im为输送浆体摩阻损失；α为与浆体相对粘滞系数有关的修正系数；Vss为泥沙颗粒沉速；λ为输送清水时的管道沿程阻力系数；V为输送流速；g为重力加速度；D为管道内径；γm为浆体的容重；γw为输送载液的容重；γs为固体的容重；Km为试验系数，经实测数据率定，取值为1120；μs为摩擦系数，取0.44；Cvd为浆体中固体颗粒体积浓度；Re是雷诺数；Δ为管壁当量粗糙度；Vc为临界流速：Vc＝90CV13·g14·D12·ω12·dm-1412总的沿程水头损失hm是每段管道沿程水头损失的总和：hm＝∑Im·L·k13此外，进口水头损失hjm，出口水头损失hjou，爬高水头损失hH计算公式分别如下： 式中，进口水头损失系数ξin值取0.8，出口水头损失系数ξout值取1；管道进口为扩口，截面直径为0.9m，入口速度vin通过截面积比换算；出口为缩口，截面直径为0.45m，出口速度vout通过出口截面积比换算；Hdown，Htide，Hup分别为绞吸船挖深、潮位和管路在陆地上的爬高；γm为浆体混合密度，通过浓度进行换算，公式如下γm＝γs-γw·Cvd+γw17管路总水头损失hmt为所有水头损失的和：hmt＝hjin+hjout+hH+hm18S5-4-1：对比计算的扬程和总水头损失，若扬程小于总水头损失某百分比例，则回到S5-1-1，继续提高计划泥泵转速，在第一次计划值的基础上再加总转速的百分比例；继而进入步骤S5-2进行循环；直到扬程大于总水头损失的百分比例或泥泵转速增加值达到总转速的百分比例，则跳出循环，进入S5-5-1；S5-5-1：获得当前时刻实际需要提高的泥泵转速；2对于所述经济性预警：S5-1-2：据S4-5-2监测预警，为了降低流速，需降低泥泵转速，设定泥泵转速的初步计划降低值为总转速的百分比例；S5-2：按计划调节后的泥泵转速进行计算，得到泥泵扬程，计算过程相同于所述安全性预警；S5-3：计算该时刻基于延迟浓度分布的总水头损失，计算过程相同于所述安全性预警；S5-4-2：对比计算的扬程和总水头损失，若扬程大于总水头损失的某百分比例，则回到S5-1-2，继续降低计划泥泵转速，在第一次计划值的基础上再加总转速的相同百分比例；继而进入步骤S5-2进行循环，直到扬程小于总水头损失百分比例或泥泵转速降低值达到总转速的百分比例，跳出循环；S5-5-2：获得当前时刻实际需要降低的泥泵转速。

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