多组分土质水力输送特性及疏浚船输送参数优化控制技术

主要完成单位：中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司、

中交上海航道局有限公司、中港疏浚有限公司、

中交新三生环保工程技术(上海)有限公司

1、项目基本情况

目前，针对影响输送特性关键因素之一的土质，现有研究多采用单一粒径参数来表征，不能反映工程常见多组分土质不同粒径颗粒存在的影响；受限于测试技术及分析方法，研究成果多基于室内小管径试验或工程经验，多组分土质大管径工况下计算结果偏离明显。现行的疏浚船输送参数监测与控制技术，则多基于船载仪器实测单点数据，运用一定的机理模型/控制理论建立，未体现疏浚输送作业过程的高度动态特性。我国疏浚界多组分土质输送特性方面研究甚少，输送系统的监测与控制仍以操作人员的经验为主，限制了疏浚船性能的有效发挥，在国际疏浚市场竞争中处于不利位置。

为解决上述问题，该项研究通过理论分析、数值模拟、室内试验和现场测试验证等方法，开展多组分土质水力输送测试方法及输送特性研究， 建立适用于多组分土质输送特性的分析计算公式，探索疏浚船输送作业参数控制与优化策略及方法，形成疏浚船输送系统运行优化控制技术，在多个方面取得了技术突破。

2、技术难点和特点

（1）适用于多组分土质输送特性测试的大型管道输送试验平台；

（2）多组分土质输送特性参数及其分布的准确测量；

（3）动态作业工况下现场测试技术及数据处理方法；

（4）多组分土质输送机理及输送特性分析计算模型；

（5）疏浚管线输送作业动态特性模拟及实时监测；

（6）基于全管线动态作业参数的输送参数的优化方法。

3、主要成果和创新点

（1）创新提出电阻层析图像重建的“二次反投影算法”，研发快速、高精度的全断面浓度分布测试技术；提出基于垂直管非稳态阻力特性的浓度测试改进方法；研制排泥管线输送参数分布实时测试系统；形成了适用于多组分土质大管径管道水力输送特性室内和现场测试成套方法，建设大型、可调角度管道输送试验平台，为多组分土质管道输送特性研究提供基础保障。

（2）首次提出动态测试条件下管道水力输送测试数据按浆体浓度、流速排序分类的分析方法，实现动态测试工况数据全覆盖，解决常用时均数据处理方法无法体现实际输送特征的问题。

（3）研究建立多组分土质浆体输送临界流速以及摩阻损失计算模型，大幅提升了输送特性计算精度及适用性。

（4）研发构建疏浚船全管段作业参数动态模拟分析方法及计算模型，提出基于全管段参数的疏浚船输送作业参数控制与优化方法，形成疏浚船输送系统自动监测与优化控制技术，实现疏浚船输送系统的安全、高效、稳定运行。

该成果已获得发明专利 3 项、实用新型专利 5 项，计算机软件著作权 1 项，

发表学术论文 17 篇（EI 检索 12 篇）。

4、成果应用

该项成果已成功应用于“新海豚”轮厦门大小嶝岛造地工程，推荐不同排距输送系统实用指导产量及推荐作业参数，综合平均生产效率提升了6%，单船年产值增加约 780 万元。应用所建立的输送系统作业性能分析计算模型，对比“新海鳄”轮古雷增填沙工程两泵施工以及三泵施工模式输送系统作业产量及能耗情况，在增加油耗 18%的同时，施工效率提升 23%，综合效益约 1159 万元，满足了古雷增砂工程施工工期紧、吹填方量多的需求。研究成果作为疏浚船输送系统性能分析和优化控制的重要理论基础，纳入新一代智能化疏浚船SCADA 系统， 并在“航浚 4019”轮、“航浚 3011”轮等先进智能疏浚船上成功部署， 有效发挥了输送系统作业性能，提升整船施工效率。

5、经济和社会效益

该项目成果属于国内疏浚行业在管道水力输送特性以及疏浚船输送系统优化控制方面的基础研究和技术积累，有助于提升我国疏浚船疏浚作业的性能保障，提高我国疏浚船关键技术研发水平和实力；为我国疏浚船输送系统性能发挥和智能化控制奠定了基础，对我国的疏浚设备和控制系统的自动化、智能化发展产生重要影响和推动作用；推动提升了我国疏浚企业整体技术实力和综合竞争力，在“海洋强国”建设和“一带一路”战略实施中，更好地发挥疏浚的力量。项目承担单位与国际顶级疏浚研究机构——荷兰代尔夫特理工大学建立了良好的交流与合作关系，形成了良好的常态化交流合作与联合培养机制。通过国际交流与合作，大幅提升了我国疏浚输送技术研发的实力和水平，也很好地展现了我国疏浚技术的综合研发优势与能力，经济和社会效益显著。