多組分土質(zhì)水力輸送特性及疏浚船輸送參數(shù)優(yōu)化控制技術(shù)

主要完成單位：中交疏浚技術(shù)裝備國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、

中交新三生環(huán)保工程技術(shù)(上海)有限公司

1、項目基本情況

目前，針對影響輸送特性關(guān)鍵因素之一的土質(zhì)，現(xiàn)有研究多采用單一粒徑參數(shù)來表征，不能反映工程常見多組分土質(zhì)不同粒徑顆粒存在的影響；受限于測試技術(shù)及分析方法，研究成果多基于室內(nèi)小管徑試驗或工程經(jīng)驗，多組分土質(zhì)大管徑工況下計算結(jié)果偏離明顯。現(xiàn)行的疏浚船輸送參數(shù)監(jiān)測與控制技術(shù)，則多基于船載儀器實測單點數(shù)據(jù)，運用一定的機理模型/控制理論建立，未體現(xiàn)疏浚輸送作業(yè)過程的高度動態(tài)特性。我國疏浚界多組分土質(zhì)輸送特性方面研究甚少，輸送系統(tǒng)的監(jiān)測與控制仍以操作人員的經(jīng)驗為主，限制了疏浚船性能的有效發(fā)揮，在國際疏浚市場競爭中處于不利位置。

為解決上述問題，該項研究通過理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試驗證等方法，開展多組分土質(zhì)水力輸送測試方法及輸送特性研究， 建立適用于多組分土質(zhì)輸送特性的分析計算公式，探索疏浚船輸送作業(yè)參數(shù)控制與優(yōu)化策略及方法，形成疏浚船輸送系統(tǒng)運行優(yōu)化控制技術(shù)，在多個方面取得了技術(shù)突破。

2、技術(shù)難點和特點

（1）適用于多組分土質(zhì)輸送特性測試的大型管道輸送試驗平臺；

（2）多組分土質(zhì)輸送特性參數(shù)及其分布的準(zhǔn)確測量；

（3）動態(tài)作業(yè)工況下現(xiàn)場測試技術(shù)及數(shù)據(jù)處理方法；

（4）多組分土質(zhì)輸送機理及輸送特性分析計算模型；

（5）疏浚管線輸送作業(yè)動態(tài)特性模擬及實時監(jiān)測；

（6）基于全管線動態(tài)作業(yè)參數(shù)的輸送參數(shù)的優(yōu)化方法。

3、主要成果和創(chuàng)新點

（1）創(chuàng)新提出電阻層析圖像重建的“二次反投影算法”，研發(fā)快速、高精度的全斷面濃度分布測試技術(shù)；提出基于垂直管非穩(wěn)態(tài)阻力特性的濃度測試改進方法；研制排泥管線輸送參數(shù)分布實時測試系統(tǒng)；形成了適用于多組分土質(zhì)大管徑管道水力輸送特性室內(nèi)和現(xiàn)場測試成套方法，建設(shè)大型、可調(diào)角度管道輸送試驗平臺，為多組分土質(zhì)管道輸送特性研究提供基礎(chǔ)保障。

（2）首次提出動態(tài)測試條件下管道水力輸送測試數(shù)據(jù)按漿體濃度、流速排序分類的分析方法，實現(xiàn)動態(tài)測試工況數(shù)據(jù)全覆蓋，解決常用時均數(shù)據(jù)處理方法無法體現(xiàn)實際輸送特征的問題。

（3）研究建立多組分土質(zhì)漿體輸送臨界流速以及摩阻損失計算模型，大幅提升了輸送特性計算精度及適用性。

（4）研發(fā)構(gòu)建疏浚船全管段作業(yè)參數(shù)動態(tài)模擬分析方法及計算模型，提出基于全管段參數(shù)的疏浚船輸送作業(yè)參數(shù)控制與優(yōu)化方法，形成疏浚船輸送系統(tǒng)自動監(jiān)測與優(yōu)化控制技術(shù)，實現(xiàn)疏浚船輸送系統(tǒng)的安全、高效、穩(wěn)定運行。

該成果已獲得發(fā)明專利 3 項、實用新型專利 5 項，計算機軟件著作權(quán) 1 項，

發(fā)表學(xué)術(shù)論文 17 篇（EI 檢索 12 篇）。

4、成果應(yīng)用

該項成果已成功應(yīng)用于“新海豚”輪廈門大小嶝島造地工程，推薦不同排距輸送系統(tǒng)實用指導(dǎo)產(chǎn)量及推薦作業(yè)參數(shù)，綜合平均生產(chǎn)效率提升了6%，單船年產(chǎn)值增加約 780 萬元。應(yīng)用所建立的輸送系統(tǒng)作業(yè)性能分析計算模型，對比“新海鱷”輪古雷增填沙工程兩泵施工以及三泵施工模式輸送系統(tǒng)作業(yè)產(chǎn)量及能耗情況，在增加油耗 18%的同時，施工效率提升 23%，綜合效益約 1159 萬元，滿足了古雷增砂工程施工工期緊、吹填方量多的需求。研究成果作為疏浚船輸送系統(tǒng)性能分析和優(yōu)化控制的重要理論基礎(chǔ)，納入新一代智能化疏浚船SCADA 系統(tǒng)， 并在“航浚 4019”輪、“航浚 3011”輪等先進智能疏浚船上成功部署， 有效發(fā)揮了輸送系統(tǒng)作業(yè)性能，提升整船施工效率。

5、經(jīng)濟和社會效益

該項目成果屬于國內(nèi)疏浚行業(yè)在管道水力輸送特性以及疏浚船輸送系統(tǒng)優(yōu)化控制方面的基礎(chǔ)研究和技術(shù)積累，有助于提升我國疏浚船疏浚作業(yè)的性能保障，提高我國疏浚船關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)水平和實力；為我國疏浚船輸送系統(tǒng)性能發(fā)揮和智能化控制奠定了基礎(chǔ)，對我國的疏浚設(shè)備和控制系統(tǒng)的自動化、智能化發(fā)展產(chǎn)生重要影響和推動作用；推動提升了我國疏浚企業(yè)整體技術(shù)實力和綜合競爭力，在“海洋強國”建設(shè)和“一帶一路”戰(zhàn)略實施中，更好地發(fā)揮疏浚的力量。項目承擔(dān)單位與國際頂級疏浚研究機構(gòu)——荷蘭代爾夫特理工大學(xué)建立了良好的交流與合作關(guān)系，形成了良好的常態(tài)化交流合作與聯(lián)合培養(yǎng)機制。通過國際交流與合作，大幅提升了我國疏浚輸送技術(shù)研發(fā)的實力和水平，也很好地展現(xiàn)了我國疏浚技術(shù)的綜合研發(fā)優(yōu)勢與能力，經(jīng)濟和社會效益顯著。