挖泥船泥浆管道输送工况点的在线动态优化方法

第 4 5 卷第 9期 2 0 0 9 年 9 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG VO 1 45 N O 9 S e p 20 0 9 DoI： 1 0 39 01 J M E 2 00 9 O 9 0 9 3 挖泥船泥浆管道输送工况点的 在线动态优化方法冰 闭治跃王庆丰唐建中 ( 浙江大学流体传动及控制 国家重点实验室杭州3 1 0 0 2 7 ) 摘要：分析挖泥船泥浆管道输送系统的构成、特性以及边界约束条件。提出一种以比能耗为优化 目标的泥浆管道输送工况点 在线动态优化方法。既克服以产量最大化为优化 目标时能耗过高、效率偏低的弊病，又很好地解决现有离线静态优化方法不 适合应用到泥浆管道输送过程中进行工况点连续优化的问题 。提出的工况点在线优化方法以实时检测的系统过程参数为基 础， 利用模糊决策方法进行工况点优化， 不依赖于对系统设备特性的准确描述， 特别适合于疏浚施工过程中土质和系统特性 不断发生变化的场合应用。 在浙江临海疏浚施工现场对所提出的方法和传统的手动疏浚作业方法进行对比试验，试验结果证 明了该优化方法的有效性，不但提高了疏浚产量，而且减少了泥浆流速和浓度的波动，降低比能耗，提高泥浆管道输送系统 的效率。 关键词：疏浚泥浆管道输送模糊决策在线优化 比能耗 中图分类号：T P 2 9 W o r k i n g Po i n t s Onl i ne Dy na m i c Op t i mi z a t i o n M e t ho d f o r Dr e d g e S l u r r y Pi pe l i ne Tr a ns po r t S y s t e m B I Z h i y u e WA NG Qin g f e n g T ANG J i a n z h o n g ( T h e S t a t e Ke y L a b o f F l u i d P o we r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y , Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 7 ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o fthe s t r u c t u r e ， c h a r a c t e ris t i c s a n d b o u n d a r y c o n d i t i o n s o f a d r e d g e s l u r r y p i p e l i n e t r a n s p o r t s y s t e m， a n o v e l wo r k i n g p o i n t s o n fi n e d y n a mi c o p ti mi z a t i o n me t h o d i s i n t r o d u c ed ，wh i c h u s e s t h e p i p e l i n e s y s t e m S s p e c i fi c e n e r g y c o n s u mp t i o n a s i t s o p t i mi z a t i o n g o a 1 T h i s me tho d C an s o l v e n o t o n l y the p r o b l e m o f h i g h e n e r g y c o n s u mp t i o n a n d l o w e ffi c i e n c y o f t h e o p t i mi z a t i o n me tho d s w h i c h u s e o u t p u t m a x i m u m a s the i r g o a l s ， b u t a l s o the p r o b l e m tha t o ffii n e s t a t i c o p ti mi z a t i o n me t h o d s c a n n o t b e a p p l i e d t o t h e s l u r r y p i p e l i n e trans p o r t s y s t e m S wo r k i n g p o i n t s o n l i n e c o n ti n u o u s o p ti mi z a t i o n Ba s e d o n the r e a l t i me p r o c e s s d a ta a n a l y s i s ， thi s m h o d i e s the f u z z ) r d e c i s i o n me tho d t o o p t i miz e the w o r kin g p o i n t s p a r a me t e r s T h i s me tho d d o e s n t r e l y 0 n the p r e c i s e d e s c rip t i o n o f the c h ara c t e r i s ti c s o f s l u r r y p i p e l i n e tra n s p o r t s y s t e m a n d i t c a n be e a s i l y a p p l i e d t o the dre d g i n g o p e r a t i o n ， d u r i n g wh i c h t h e s o i l a n d s y s t e m S c h a r a c t e ris t i c s v a r y f r o m t i me t o t i me Co mp ari s o n e x p e rime n t s o f thi s me tho d an d c o n v e n t i o n a l manu a l o p e r a t i n g me t h o d are c a r r i e d o u t i n t h e dre d g i n g fi e l d o f L i n h a i C o u n t y , Z h e j i a n g P r o v i n c e ， C h i n a E x p e ri me n t r e s u l t s s h o w tha t thi s me tho d c a l l n o t o n l y i mp r o v e the dre d g i n g o u tpu t ， b u t a l s o mi n i mi z e t h e fl u c t u a t i o n o f s l u r r y c o n c e n tr a t i o n and v e l o c i t y , thu s the s l u r r y p ip e l i n e tr an s p o rt s y s t e m S s p e c i fi c e n e r gy c o n s u mp t i o n i s l o we r an d i t s e ffic i e n c y i s h i g h e r Ke y wo r d s ：Dr e d g i n g S l u r r y pip e l i n e t r a n s p o rt F u z z y d e c i s i o n On l i n e o p t i mi z a ti o n S p e c i fi c e n e r gy c o n s um p ti o n 0 前言 水力疏浚式挖泥船将土壤挖掘和输送合并在 一 道工序内完成 ，使疏浚施工能够连续高效进行， 浙江省湖州市科技攻关计划资助项I I ( 2 0 04G G4 5 ) 。 2 0 0 8 0 9 2 4收到初稿 2 0 0 9 0 4 2 1 收到修改稿 且易于实现 自动化和智能化 ，是 目前最为重要 的疏 浚工具 ， 被广泛应用于开发和维护航道、港 口码头、 河流整治等方面。泥浆管道输送系统是水力疏浚式 挖泥船重要的组成部分，挖掘 的泥沙和水混合成泥 浆后需要通过管道输送 到指定的排泥点。疏浚施工 大部分能耗都消耗在泥浆输送上，泥浆管道输送系 统的效率对疏浚施工的整体效率影响很太。选择合 适的泥浆管道输送工况点可以达到提高疏浚施工效 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 5卷第 9期 率和 降低疏浚施工成本 的目的。国内外许多学者对 泥浆管道输送工况点的优化 问题进行 了一系列的研 究【 l 。 】 ， 大多数研究工作都是在假定疏浚土质和系统 特性已知的前提下进行，属于多约束条件的静态优 化 问题 。这些研究成果在指导管道输送系统设计和 初步确定施工工况点等方面具有积极意义 。在实际 疏浚施工过程中，土质 因挖掘地 点而异，泥浆管道 输送系统的特性也会随着施工条件的不同而改变， 因此采用静态优化方法得到的工况点输送泥浆既不 合理也不安全。 针对疏浚施工过程中土质和泥浆管道输送系 统特性易变的特点，本文提 出一种挖泥船泥浆管道 输送系统工况点在线动态优化方法 。该方法利用静 态优化方法计算系统的初始工况点，通过 多种传感 器采集泥浆管道输送系统各种重要的工作参数，对 工作状态进行在线评价，利用模糊决策方法确定系 统的控制量，使得在实际施工过程 中，工况点能随 着工况的变化而改变，动态地调整到最优，从而提 高泥浆管道输送系统的安全性和输送效率 。 1 泥浆管道输送的优化 目标 疏浚施工一般 以挖掘土石方量计算工程量，所 以许多文献都把产量最大化作为优化 目标，这种做 法不尽合理。产量最大化指标忽视了系统的效能， 片面追求产量最大化会导致泥浆管道输送系统的能 耗增高，疏浚成本增加，收益减少。 本 文提 出 以泥浆 管道输送系统的 比能耗作为 优化指标，该指标既考虑了系统的工作效率，又兼 顾了疏浚施工的产量，在保证系统高效工作的前提 下实现产量最大化 。优化的 目标函数定义为 轰 ( 1) 式 中 。 。 为泥浆管道输送系统的比能耗 ( 将单位质 量的泥沙输送单位距离时所消耗 的能量) ； 为泥沙 比重； 为泥浆体积浓度； f m为水力坡度( 单位管长 上的水头损失) ，由式( 2 ) 给出【 q J f ， 、 ， 、 = 0 2 2 C ( 一 1 ) j 一l + fw ( 2 ) V s o 式中 v= 4 Q ( r d 9 ) 为管道内泥浆流速；D 为管道内 径；Q为泥浆流量； ，5 0 为参考流速；指数 为跟 泥沙颗粒大小分布有关的系数，一般取值 1 7 t ； w 为 管 道 输 送 清 水 时 的 水 力 坡 度 ， 由 著 名 的 Da r c y We i s b a c h公式给出L 5 1 ， 式中 厂 w 为管道摩阻系数 ，与管道 内壁的表面绝对粗 糙度 s 、管径 D 以及雷诺数 R e 有关L 6 J 。 泥浆管道输送系统的工况点是泥泵 Q 岫。 曲 线与管道 Q i p 。 曲线的交点， 唧 为泥泵提供的 扬程， i 为管道的扬程损失。合理调节工况点， 可以降低水力坡度 f m 和提高泥浆浓度 C v ， 使比能耗 趋于最小。 。 。 越小，表明将单位质量的泥沙输 送单位距离时所消耗的能量就越少 ，泥浆管道输送 系统的效率就越高，在柴油机装机容量一定的条件 下，输送的泥沙就越多，从而保证系统高效工作 的 前提下实现产量最大化。 2 泥浆管道输送系统的构成及特性 2 1 泥浆管道输送系统的构成 水力疏浚式挖泥船泥浆管道输送 系统的基本 构成如图 1 所示。系统主要 由吸泥管、大功率柴油 机、传动机构、泥泵、排泥管 以及各种传感器构成 。 柴油机和泥泵 的装机容量由挖泥船设计的疏浚能力 确定 ，柴油机的功率一般为几百至数千千瓦。吸泥 管长度由挖泥船设计的挖深确定，一般长为十多米 至数十米 。排泥管长度 由具体疏浚工程的要求所 决 定 ，单泵 泥 浆管 道输 送系 统 的排泥 管长 可达 3 - - - 4 k m，当需要将泥浆输送得更远 时，可以在排 泥管道上增设接力泵站解决。 柴油机 图 1 泥浆管道 输送 系统 的基本构成 2 2 泥泵 的工作特性 泥泵的工作特性主要是指泥泵在一定转速下， 其扬程、效率和驱动功率与流量之间的关系。在研 究泥浆管道输送系统工况点时，更关心的是泥泵和 管道 的Q- H特性 。 泥泵的清水特性由欧拉方程导出【 7 J 一 ( 一 1 一 C 2 ( ) ( 4 ) J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9 年 9月 闭治跃等 ：挖泥船泥浆管道输送工况 点的在线动态优化方法 9 5 式中 为泥泵清水扬程；g为重力加速度常数；k 、 c 1 和 C 2 为泥泵扬程修 正系数； 为泥泵叶轮外缘 线速度 ； 为叶轮 内缘线速度；尻 为泥泵叶片出口 液流角；崩为泥泵叶片进 口液流角；R 。 为泥泵 叶轮 外半径； R i 为泥泵叶轮内半径；b 为泥泵叶轮厚度； Q a 为泥泵实际流量 ；Q d 为泥泵设计流量。 输送泥浆时，泥泵的扬程和效率 比输送清水时 低【 8 】 o E NGI N 等 9 】 在收集整理前人对泥泵特性研究 的大量试验数据基础上 ，给出了适用性更广、更精 确的泥泵输送泥浆时扬程修正公式 ， h o 3 1 3 7 ： I l 一 2 7 0 5 C w ( 一 1 ) I I ( 5 ) l v u m p J 式中， 为泥浆的质量浓度； 为泥沙颗粒质量平 均直径 ；D 即为泥泵叶轮外径 。 2 3 吸泥管的工作特性 泥泵入 口侧吸泥管的水头损失计算公式为 L= l + r s 2 + r s 3 + ( 6 ) 式中，Hs l = 2 g为吸入水头损 失； 为与 吸泥 口形状 有 关 的系 数 ，取值 如表l所 示【 】 ； = 4 Q 为吸泥管 内泥浆的流速 ； 为吸泥管 内径； 为泥浆密度； 2 = 2 g为吸泥管速 度水头损 失； 3 。 f 为吸泥管沿程水头损失；工 。 为吸泥管长度 ； =Z s ( 一1 ) 为吸泥管升程静水 头损失；Z s 为吸泥管升程。 表 1 系数 的值 2 4 排泥管的工作特性 泥泵出口侧排泥管的水头损失计算公式为 = l + ( 7 ) 式中， 。 =Z d P m为排泥管升程 的静水头损失；Z d 为排泥管的总升程； Hd 2 =L d i m为排泥管沿程水头损 失；L d =L p + 。 为排泥管的等效长度；L p i p e 为排 泥管实际长度，一般以岸管长度计算，如果排泥管 中有浮管存在， 则将浮管长度乘 以系数 1 6 7折算为 岸管长度【 】 o j ； 。 为各种闸阀、弯头折算为岸管的当 量长度，其取值参见文献【 1 1 】 。 2 5 柴油机的负载特性 柴 油机 的性能指标及其主要参数 随工况而变 化的关系称为柴油机的特性，是分析柴油机做功性 能和经济性能的依据 。挖泥船上驱动泥泵的柴油 机一般要求具有恒定输 出转矩的特性，其典型的特 性曲线如图 2所示。 碍 蠡 转速 n 图 2 柴油机的负载特性 柴油机正常工作时，一般位于 C段，输出功 率小于额定功率，柴油机负荷变化时，柴油机速度 变化较小，柴油机速度由调速器控制。当柴油机的 负载 明显增加并超过额定功率时，柴油机的油门全 开， 柴油机工作在 区段。随着负载进一步增加， 柴油机速度下降很快，当下降超过 点时，柴油机 因过载而堵转、冒黑烟。在疏浚作业过程中，应当 尽量将柴油机的工作状态控制在调速区内，严格避 免柴油机出现持续过载情况。 3 泥浆管道输送系统的约束条件 3 1 压 力平衡条件 泥浆管道输送系统的工况点是泥泵 Q n p曲 线与管 - Q - Hp ip 。 曲线的交点， 此时泥泵的扬程 哪p 必须与管道系统总的水头损失 平衡，即 u m p = = L+Hd ( 8 ) 3 2 功率平衡条件 泥泵输入轴功率与柴油机输出功率平衡，即 = 尸 E ( 9 ) 式中， ：P m 1 0 0 0 p 为泥泵 的输入轴 功 率； 叩 为泥泵的机械效率； P E 为柴油机的实际输出 功率； 为传动机构 的机械效率。 3 3 气蚀条件 泥泵不 发生气蚀 的条件是泥 泵入 口处 的有效 气蚀余量 G a 大于泥泵需要气蚀余量 G r ，并留有适 当的安全裕量 ，即 G a G r ( 1 0 ) 式中，G a = 一 P ) ) 一 ； 为工作地点的 大气压力； 为泥浆在工作温度下的气化压力； P w 为清水密度 ；Gr 为泥泵需要气蚀余量，与泥泵的结 构有关 ，一般 由泥泵供应商提供。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 5 卷第 9期 3 4 安全流动条件 泥浆 的流动状态 直接影响到管路系统 的阻力 损失和安全性 。流速较低时，泥浆的紊动力较弱， 管路中的泥沙会发生沉积 ，严重时会 出现堵管等故 障。要使泥沙保持悬浮，泥浆流速 v必须大于临界 流速 ，即 ， ( 1 1 ) 4 工况点在线动态优化方法 4 1 工况点优化准则 由优化 目标函数 以 = m ( &C v ) 可知，对于输送 土质和泥浆浓度一定的泥浆， 管道的水力坡度 f m 越 小，比能耗 也就越小。研究表 明，当其他条件 不变时，水力坡度 f m与泥浆流速 v有关，当且仅 当泥浆流速处于临界流速 V c 时， 水力坡度 f m 达到最 小【 】 引 ，所 以得 出准则一。 准则一：应把泥浆输送速度动态优化为临界流 速或者略高于临界流速。 当土质和其他条件不变时，临界流速 与泥浆 浓度有关，浓度越高，v 。 越大，所以优化 目标函数 还与泥浆浓度有关。不 同的泥浆浓度对应于不同的 临界流速，因此也就对应于不同的比能耗最小值 。 图 3是 比能耗最小值随泥浆浓度变化的仿真结果， 浓度越高，比能耗最小值越小，所 以得出准N-。 撵 怒 七 堪 泥浆体积浓厦 c v P o 图3 最小比能耗随泥浆浓度的变化关系图 准则二：在满足管道输送约束的条件下，应尽 可能提高泥浆的输送浓度。 这两条优化准则与疏浚施工经验完全吻合【 J 叭 ， 是进行工况点在线动态优化的依据。 4 2 工况点在线动态优化 本文提 出一种泥浆管道输送系统工 况点在线 动态优化结构，如图 4所示。在线优化方法以实时 检测的系统运行过程参数为基础，对泥浆管道输送 系统进行连续的故障诊断和状态评价，利用模糊决 策方法确定系统的控制量 ，实现对工况 点的动态 优化 。 工况点在线动态优化包括以下 5个主要步骤。 ( 1 )利用静态优化方法求系统的初始工况点。 开始 静态优化方法求初始工况点 泥浆浓度和流速控制 挖泥船泥浆管道输送系统 系统过程参数在线测量 至 I 一 运行状态评价 在线动态优化控制参数 图4 工况点在线动态优化结构 ( 2 )在线连续测量系统过程参数。 ( 3 )判断泥浆管道输送系统是否安全，有无故 障出现 。 ( 4 )对泥浆管道输送系统进行状态评价 ，判断 系统运行状态是否适当。 ( 5 )以系统当前运行状态的评价结果为基础 ， 利用模糊决策的方法确定系统的控制调节量。 4 3 系统故障状态识别 泥浆管道输送系统可能出现吸泥 口堵塞、泥泵 被石块或者树根卡住等故障，所以在进行工况点动 态优化时，必须先诊断系统是否正常，并进行必要 的处理，避免系统状态的持续恶化 ，降低故障对系 统设备和生产效率的影响。 4 4 系统运行状态评价 评价系统运行状态 的 目的是分 析当前工况点 系统的安全状态和工作效率，为判断系统下一步工 况点的调节方 向和调整量提供依据 。为了对系统运 行状态的优劣程度进行评价，引入 了安全裕度的概 念。安全裕度是对系统运行安全程度的一种评价， 取值 _ _ 1 0 ， 1 0 。安全裕度的意义是双重的，当安全 裕度值偏大时表示系统运行安全程度高，出现故障 的概率小， 但系统效率偏低 ； 当安全裕度值偏小时， 系统效率高，但系统出现故障的概率上升 。 本 文定义与泥浆 管道输送运 行状态密切相关 的气蚀裕度 ， 功率裕度 和安全流动裕度 三个 指标描述系统运行状态的优劣 。 气蚀裕度 定义为 ， ， 、 = 厂 I l ( 1 2 ) U r l 式中 ) ： - e x p1 x )十e x pt -x) 0 【。 气蚀裕度修正系数 功率裕度 定义为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年 9月 闭治跃等：挖泥船泥浆管道输送工况点的在线动态优化方法 警 r1 模 糊 系 统 的 推 理 方 法 采 用 M in M ax 方 法 ， 反 模 糊 化 选 用 重 心 法 。 式中， 尸 A 为柴油机额定功率； 为柴油机实际输出 功率 ； 。 为功率裕度修正系数。 安全流动裕度 ， I v 的定义 比较复杂 。考虑到临界 流速 v c 随土质和管道特性而变化 ，因此不能用 临界 流速来定义安全流动裕度。 从临界流速的定义可知， 当且仅 当实际流速大于临界流速时管道底部才不会 出现沙床。所以可用一种表征管道底部是否存在沙 床 的特性量来定义安全流动裕度。疏浚过程中只能 用间接的方法来测量沙床是否存在 。荷兰 De l ft科 技大学 MA T O US E K H 与 T AL MO N 研究表明， 当 泥浆流速低于临界速度 时，管道底部形成沙床，泥 浆和沙床 中泥沙的不平衡交换导致泥浆沿管道向前 流动时浓度发生变化，而且流速越低，沙床堆积越 严重 ，泥浆浓度变化越大。本文采用检测泥浆从管 道首端流到末端时浓度的变化程度表征沙床堆积的 严重程度 。 用相似离度 C 表征泥浆浓度变化的严重程度【 l 6 J c= )( 1 4 ) 式中 ， 形系 数 = I一 P I ； 值 系数 = I I ； e = x k：x k = 一 x a； 表示泥浆浓度 的时间 己 ： 一 ； 衣不 匕 永 厦 制日 J 日 J 序列数值；n表示序列的长度 ；下标 i 、O表示管道 首端和末端：k表示序列中第 k个元素。 定义 c 盯为临界流速下的相似离度值( 由实际施 工过程标定) ，则安全流动裕度 r v 定义为 ： 兰 ( 1 5 ) c c 式中 、 ， 为安全流动裕度修正系数。 4 5 控制参数优化 工况点的参数按照第 4 1节确定的两条准则进 行优化调节。优化调节的参数主要有泥浆浓度和泥 浆流速 。本文提 出的工况点在线动态优化方法以系 统当前工作状态 的评价指标 和 为基础，利 用模糊决策方法确定泥浆浓度和流速的控制量 。 安全裕度的论域为 _ _ 1 0 ， 1 0 】 ，浓度调节增量的 论域为 - - 3 0 ，3 0 ，速度调节 增量 的论域 为卜0 6 ， 0 6 1 。定义各安全裕度 、泥浆浓度和速度的调节增 量 的模 糊 变量 的集 合 为 NB ( 负 大) ，NM( 负 中) ， NS ( 负小) ， z ( 零) ， P S ( 正小) ， P M( 正中) ， P B ( 正大) ， 并 定义 r D 和 r v 的隶属度如图5所示，浓度增量的 隶属度如图6 所示， 速度增量的隶属度如图 7 所示。 隶属度 “ NB NM ) ( -o 1 0_0 0 5 0 00 5 o 1 0 o 1 5 o 2 o评价 指 标 _r ， 图 5 评价指标 ， ， r q 的隶属度函数定义 隶属度 U I ( V V 图 6 浓度增量 c v 的隶属度函数定义 隶属度 “ X) ( ( 图 7 流速增量 A v的隶属度函数定义 =由安全流动裕度 和功率裕度 确定泥浆浓度 增量 1 和流速增量 1 ， 1 的模糊推理规有 4 9条， 如 表 2和表 3所示；由安全流动裕度 r v 和气蚀裕度 确定泥浆浓度增量 C v 2 和流速增量 1 ， 2 的模糊推理 规则有 4 9条，如表 4和表 5所示 。 表2 泥浆浓度增量 A Gl 模糊推理规则集 表 3 泥浆流速增量 A 模糊推理规则集 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 5卷第 9期 表 4 泥浆浓度增量 A C 模糊推理规则集 表 5 泥浆流速增量 A v 2 模糊推理规则集 第 k步泥浆浓度和流速 的决策过程如下。 ( 1 )由安全流动裕度和功率裕度确 定泥浆浓度 的调节增量 G1 和流速的调节增量 ， l ( 。 ( 2 )由安全流动裕度和气蚀裕度确 定泥浆浓度 的调节增量 A C 2 ( k ) 和流速的调节增量 t v 2 ( k ) 。 ( 3 )泥浆浓度为 c A k ) ： ( ) + 盟 ( 4 )泥浆流速为 v ( ) ： v ( 七 一 1 ) + )_ 2 泥浆浓度通过调节挖泥船斗桥横移速度实现 ， 泥浆流速通过调节驱动泥泵 的柴油机转速实现，斗 桥横移速度和柴油机转速都 由专用控制器控制。 5 对比试验 为 了验证本文提 出的泥浆管道输送 系统工况 点在线动态优化方法的可行性和有效性，在浙江临 海疏浚施工现场 ，用浙江省疏浚工程有限公司制造 的 9 0 0斗轮式挖泥船进行了试验。该挖泥船采用浙 江大学研发的挖泥船 自 动作业监控系统对疏浚施工 进行监控 。疏浚挖深 5 m，驱动泥泵的柴油机额定 功率为 7 5 0 k W，泥泵为国产 9 0 0 1 7 5 3 5型离心泵， 吸泥管和排泥管内径均为 0 4 m，吸泥管长 1 8 m， 排泥管长 1 2 0 0m( 其 中浮管 9 0 0m，岸管 3 0 0 m) ， 总升程 2 5 m。疏浚土质为松软的沙土、夹杂有草 根、砖头、石块等。 试验时，设定采样周期为 1 S ，首先 由熟练疏浚 施工人员进行手动作业 2 0 mi n ，采集相关的试验数 据； 然后应用本文提 出的工况点在线动态优化方法， 利用工控机和可编程逻辑控制器联合进行 自动作业 2 0 mi n ，采集相关的试验数据 。试验结果如图 8 1 2所示。 量 瑙 零 喜 篓 丑 篓 藁 妄 访 嘲 L 釜 、 糕 时间 t mi n 图 8 泥浆浓度变化曲线 时间 t mi n 图 9 泥 浆流速变化 曲线 时间 t mi n 图 1 O 柴油机输 出功率变化曲线 时间 t mi n 图 1 1 疏浚产量变化曲线 时间 t rai n 图 1 2 比能耗变化曲线 试验结果表 明，手动疏浚作业时，由于操作人 员很难对泥浆管道输送系统的工作状态做出准确判 加 m 5 u巡艇 媒赠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年 9月 闭治跃等：挖泥船泥浆管道输送工况点的在线动态优化方法 断，担心管道发生堵塞，所以一般只好采用较高的 流速输送较低浓度 的泥浆，导致疏浚产量低而泥浆 管道输送系统的比能耗较高。当采用所提出的工况 点在线动态优化方法进行泥浆浓度和流速 的 自动控 制时，工控机对采集的过程参数进行在线分析，通 过评价指标 和 r v 对系统的工作状态进行准确 判断，利用模糊决策方法合理地调整泥浆浓度和流 速 ，在提高泥浆浓度 的同时还降低 了泥浆 的流速， 使疏浚产量从手动操作的 2 6 0 m h左右提升到 3 2 0 m m 左右 ，而柴油机 的输 出功率基本维持在原有的 水平上，泥浆管道输送系统的比能耗也从手动操作 的 0 1 4左右下降到只有 0 1 0左右， 泥浆管道输送系 统的效率得到了较大的提高。试验结果还表 明， 自 动疏浚 比手动疏浚更为平稳 ，泥浆浓度和流速波动 较小，产量稳定。 6 结论 ( 1 )利用状态评价指标 r q 、 和 r v 对挖泥船泥 浆管道输送系统 的状态进行在线准确评价，通过模 糊决策方法合理调整泥浆浓度和流速，使疏浚过程 中工况点随着施工条件的变化而变化，实现在线动 态优化 ，提高疏浚作业 的适应性和安全性 。 ( 2 )提 出以 比能耗最 小化 为工况 点的优化 目 标，克服 以疏浚产量最大化为优化 目标时系统能耗 过高、效率偏低的弊病 ，在保证系统高效 、安全运 作的前提下提高疏浚的产量。 ( 3 )以工况点在线动态优化为基础的 自动疏浚 作业 比传统的手动疏浚作业更为平稳 ，泥浆浓度和 流速波动较小，疏浚产量稳定 。 参考文献 【 1 】B OO R M 0 P r o d u c t i o n o p t i mi z a t i o n M Ho l l a n d ：I HC C o mp any , 2 0 0 5 2 B A ADB AA R T J ， MOU R I K M W E ffic i e n t d r e d g i n g ： T h e n e x t g e n e r a t i o n J P o rt s and D r e d g in g ， 2 0 0 4 ， 1 6 2 ： 2 0 2 3 3 】张存保绞吸式挖泥船疏浚作业优化系统的研究与开 发【 D 】 武汉：武汉交通科技大学，2 0 0 0 Z HANG Cu n b a o Re s e a r c h a n d d e v e l o p me n t o f o p e r a t i n g o p t i mi z a ti o n s y s t e m f o r c u r e r dre d g e r D Wu h an ： Wu h an T r a n s p o r t a t i o n Un i v e r s i t y , 2 0 0 0 4 】WI L S 0 N K C ， A DD L E G R ， S E L L GR E N A， e t a 1 S l u r r y t r a n s p o r t u s ing c e n t r i f u g a l p u mp s M 2 n d ed L o n d o n ： B l a c k i e Ac a d e mi c a n d P r o f e s s i o n a l ( C h a p man & H a l 1 ) 1 9 9 7 5 】B R O WN G 0Th e h i s t o r y o f t h e Darc y - We i s b a c h e q u a ti o n for p i p e fl o w r e s i s t a n c e C E n v i r o n me n t a l a n d W a t er Re s o u r c e s Hi s t o r y , A S CE Ci v i l E n g i n e e r i n g Co n f er e n c e an d E x p o s i t i o n 2 0 0 2 ， W a s h ing t o n D C ， US A， 2 0 0 2 ： 3 4 4 3 6 】 WA S P E ，K E NN Y J ，G AN DHI R S o l i d l i q u i d fl o w s l u r r y p i p e l i n e t r a n s p o r t a ti o n M B e r l in：T r ans 1 1e c h P u b l i c a ti o n s ， 1 9 7 7 7 】7 B R E ESEM d e C e n t r i f u g a l d r e d g e p um p s M Ho l l and ： I HC Co mp an y , 1 9 7 7 8 】GA HL O T V K， S E S H AD R I MA LH OT R A R C E ff e c t o f d e n s i t y ,s i z e d i s t r i b u t i o n ，a n d c o n c e n tra ti o n o f s o l i d s o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c e n t r i f u g a l p u mp s J J o u r n a l o f Fl u i d s E n g i n e e r i n g ， AS ME，1 9 9 2 ， 1 1 4 ： 3 8 6 - 3 8 9 ； 9 E NGI N T ， GU R MC o mp a r a ti v e e v a l u a ti o n o f s o me e x i s t ing c o r r e l a tio n s t o p r e d i c t h e a d d e g r a d a t i o n o f c e n t r i f u g a l s l u r r y p um p s J J o u r n a l o f F l u i d s E n g i n e e r i n g ， AS M E ， 2 0 0 3 ， 1 2 5 ： 1 4 9 1 5 7 1 0 】 包元平 提 高绞吸式 挖泥 船生产 效率 的探 讨 J 水运 工程，2 0 0 0 ，3 1 7 ( 6 ) ：2 7 3 2 BAO Yu a n p i n g A s t u d y o n i mp r o v i n g p r o d u c t i o n e ffic i e n c y o f c u t t e r s u c t i o n dre d g e r J P o rt& Wa t e r w a y E n g ine e r i n g ， 2 0 0 0 ， 3 1 7 ( 6 ) ：2 7 - 3 2 1 1 戈维尔，阿济兹复杂混合物在管道 中的流动( 上 册) M】 北京 ：石油工业 出版社 ，1 9 8 3 GOVI E R G W AZI Z K Th e f l o w o f c o mp l e x mi x t u r e s in p i p e s M B e i j i n g ：P e tr o l e um I n d u s t r y P r e s s ， 1 9 8 3 1 2 】李人宪车用柴油机【 M】 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 9 L I R e n x i an V e h i c l e d i e