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技术方案

本发明专利技术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。通过本发明专利技术监测和优化方法，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。有效提升了输送系统的安全性和经济性。有效提升了输送系统的安全性和经济性。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于水力输送领域，应用于疏浚工程。

技术介绍

[0002]由于挖泥船疏浚作业过程复杂，其作业参数具有难以预测的不稳定的强波动特点，这使得作业过程的实时优化成为疏浚界的难点问题。由于相关理论的不完善，对挖泥船挖掘、输送系统的运行状态及其演变趋势难以准确把控。就输送系统而言，因挖掘系统产量的不确定性及其导致的沿线浓度分布的波动性，加上固液两相流输送特性，表现出明显的动态特性。尤其是在砂质土等粗颗粒土质高浓度输送工况下，当以临界流速输送、底部存在淤积时，会出现密度波现象，并通过冲淤演变使得密度沿线分布更加不均匀，加剧管道堵管风险。为保证输送系统的安全运行，实际作业时，通常需要将工作流速设定在临界流速以上，并留有较大的余量。此外，输送系统作业性能和参数的监测方面，目前多以船载仪器实测的流速、浓度、真空、排压等测点数据为基础，通过计算得到工作流速的下限值，而不考虑输送系统全管段运行状态及作业参数演变趋势的影响。而实船操作，目前仍主要依靠操作人员的知识和经验进行状态评价与调节操作。
[0003]传统的基于机理的输送系统监测控制方法主要是基于管道起始点测点浓度或全管平均浓度直接计算管路水头损失，进而通过寻找泥泵扬程
‑
流量特性曲线与管路水头损失
‑
流量曲线的交点，确定输送工况点，并以此工况点为输送系统的优化目标进行作业参数的调控(如文献：王炜，绞吸挖泥船吸扬系统匹配优化设计，船电技术，2017,37(9)：59
‑
67)。
[0004]近年来，随着控制理论和控制技术的飞速发展，机器学习、数据挖掘等方法被用于挖泥船作业性能及作业参数的预测分析与优化控制，取得了一定的成果。但这些方法，在用于挖泥船输送系统时，多仅考虑泥泵作业性能的监测与优化控制(如文献：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，机械工程学报，2009,45(9):93
‑
99,108)。实际应用中，以荷兰IHC公司研发并应用于中港疏浚两艘6500方耙吸挖泥船上的经济泥泵控制单元为例(Economical Pump Controller，EPC)，也以泥泵性能的最优化为优化目标(如文献：Wang,et.al,Study on Performance Analysis and Optimization Strategy for Conveying System of Hydraulic Dredgers,Proceedings of the Thirtieth International Ocean and Polar Engineering Conference,2020:1351
‑
1357)。由于忽略了管道参数，难以处理排距变化、浓度分布及其演变对输送系统性能的影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在克服现有技术的不足，在继承全管道浓度及相关参数推演的技术方法和工程经验的基础上，运用泥沙运动力学相关理论及分析计算方法，包括阻力最低临界流速、管道摩阻公式、泥泵扬程公式等，改变了传统监测优化方法的思路，综合提出一种基于机理的挖泥船输送系统全管段运行参数实时动态监测的方法，从输送系统局部和整体特
性分别出发，综合得到工作流速允许的上下限，进行安全性和经济性的判定；并结合实际工程中挖泥船挖掘、输送系统运行特点及优化需求，提出分别计算和对比瞬时泥泵扬程和总水头损失，最终得到调控参数定量化的优化调控方法。通过本专利技术所述监测和优化方法的耦合，可只在必要时进行人工干预，保持了系统一定的自我调节机制，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。
[0006]为此，本专利技术保护技术方案：
[0007]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：
[0008]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
[0009]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：
[0010](1)工程水文地质条件参数：绞吸船挖深H
down
、潮位H
tide
和管路在陆地上的爬高H
up
；
[0011](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H
we
、清水额定流量Q
we
，水下泵额定转速n
we1
，两台舱内泵额定转速n
we2
，管道布置情况(具体如水上管长度、沉管长度)；
[0012](3)输送工况参数：管道内径D(m)，浆体的容重γ
m
(t/m3)，输送载液的容重γ
w
(t/m3)，固体的容重γ
s
(t/m3)，摩擦系数μ
s
，管道起始点的浓度C，浆体流速V，输送颗粒均值粒径d
s
，泥沙颗粒沉速V
ss
。
[0013]S1
‑
2：使用已知数学推演模型(详见文献：Zhou,et.al,A dynamic theoretical model of long
‑
distance sediment pipeline transport based on Lagrangian method,Proceedings of the Thirty
‑
first International Ocean and Polar Engineering Conference,Rhodes,Greece,2021:1276
‑
1281)实时输入数学推演模型测量参数(包括传感器测量的管道起始点浓度C和浆体流速V)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，提供给提供给S3、S4和S5。
[0014]所述数学推演模型即是基于浆体浓度不随空间位置的改变而改变的假设，提出用拉格朗日方法推演浓度位移距离和整个管道内的浓度分布，具体为：某一时刻管道吸口处实测浆体的浓度为c，实测该浆体流速v是时间的函数，浓度为c的浆体在Δt时间后，该浆体位于距吸口x处：
[0015][0016]以此类推，将一段时间内的测量的起始点浓度进行推演，即获得该一段时间内整个管道上的浓度分布。
[0017]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。
[0018]S2
‑
1：现有技术中临界流速有众多计算公式，各个公式存在一定的适用性，本专利技术算法根据工况土质等情况，构建新临界流速公式进行计算；本专利技术经分析与实测数据验证，认为现有临界流速计算公式计算得到临界流速不能作为本专利技术布设方案中各重点监测点下限流速值。为此，采用修正重新构建本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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H
down
、潮位H
tide
和管路在陆地上的爬高H
up
；(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H
we
、清水额定流量Q
we
，水下泵额定转速n
we1
，两台舱内泵额定转速n
we2
，管道布置情况；(3)输送工况参数：管道内径D，浆体的容重γ
m
，输送载液的容重γ
w
，固体的容重γ
s
，摩擦系数μ
s
，管道起始点的浓度C，浆体流速V，输送颗粒均值粒径d
s
，泥沙颗粒沉速V
ss
；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；构建新的临界流速公式(2)用于计算重点监测点下限流速V
c
，其中倾斜管段临界流速修正系数为k
p
，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k
max
和k
min
作为工作流速控制的上下限V
cmax
和V
cmin
，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[V
cmin
，V
cmax
]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V
c1
，V
c2
，V
c3
……
的最大值作为总的流速最低下限V
c
的方法，即V
c
＝max(V
c1
，V
c2
，V
c3
，
……
)，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V
c
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V
c
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V
c
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k
p
，浓度C，管径D，颗粒沉降速度V
ss
，颗粒粒径d
s
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V
c1
，V
c2
，V
c3
，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V
c1
，V
c2
，V
c3
，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V
ss
，颗粒粒径d
s
，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：将所述平均浓度等代入到阻力最低的临界流速公式(2)V
c
＝k
p
·
(14
·
C)
1/3
·
g
1/4
·
D
1/2
·
v
ss1/2
·
d
s
‑
1/4
，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[V
cmin
，V
cmax
]，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[V
cmin
，V
cmax
]，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V
cmin
，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V
cmin
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V
c1
，V
c2
，V
c3
，且不能确定实用流速下限V
cmin
与V
c1
，V
c2
，V
c3
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V
cmin
进行对比，即工作流速V小于V
c1
，V
c2
，V
c3
和V
cmin
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V
cmax
，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王费新，周忠玮，尹纪富，洪国军，邢津，程书凤，鲁嘉俊，冒小丹，张忱，舒敏骅，刘功勋，周振燕，
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，
类型：发明
国别省市：