李盼盼，骆佳成，袁超哲，郝宇驰，陶润礼
（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海 200082）
目前，河湖库主力清淤设备为环保绞吸船，其在河湖库清淤过程中往往距离堆存区域（或吹填区）较远，且环保绞吸船装机功率较小带来浆体管道输送排距不足的问题。现有管道输送增排设备主要为接力泵站，该增排方案存在能耗较大、使用和维护成本较高、容易泵送能力过剩且设备复杂、占地较大、场地要求高、环境友好性较差等问题。随着河湖库环保清淤和生态文明建设的需求，亟需一种操作简单、安装方便、场地要求低、使用维护成本低、环境友好性强，适用于环保绞吸船长排距输送的辅助增排技术。
现有辅助增排技术中，已有研究从理论机理和室内试验层面对管道加气增排技术的可行性进行了探索。于利伟等[1]、汤勃等[2-3]和蔡勇[4]对加气输送室内试验平台进行了设计和分析，熊庭等[5-6]建立了管道加气输送的三相流的阻力计算模型，并对室内试验装置进行了优化[7]。然而目前管道加气增排技术的研究在实际工程中开展较少，工程现场仍多采用传统接力泵工艺延长排距。当前仅有厦门马銮湾生态修复工程[8]和南安海峡科技生态城疏浚工程利用空压机对排泥管道直接加气进行了初步探索，但未对加气增排效果进行更深入地探究，也未形成适用于工程现场的加气增排工艺参数。
本文针对当前研究的不足，依托现场工程开展射流管加气和风炮管直接加气2 种不同加气方式的增排技术试验研究，并对其增排效果和能效进行对比分析，优选出适用于河湖库清淤环保绞吸船长排距输送的加气增排技术方案，为河湖库清淤环保绞吸船的长排距施工提供参考。
1.1 工程背景
莆田市秀屿区石门澳产业园滞洪区清淤工程（以下简称石门澳工程）沿滞洪区河道展开，地形狭长，清淤区与吹填区距离较远（石门澳工程现场清淤如图1 所示）。在吹填过程中所采用环保绞吸船因装机功率较小存在排距不足的问题，采用传统接力泵站增排方式增加排距又存在泵送能力过剩、能耗较大、使用和维护成本较高，以及接力泵站占地较大，安装布置不便的问题。针对上述问题，依托现场工程开展环保绞吸船管道输送加气增排技术试验研究，通过探究射流管加气和风炮管直接加气2 种不同加气方式的增排效果，并对其能效进行对比分析，优选出适用于河湖库清淤环保绞吸船长排距输送的加气增排技术方案。
图1 石门澳工程现场清淤图Fig.1 Field dredging in Shimen"ao
1.2 试验装置
根据现场规模和应用成本，本试验自行设计了一套加气助推管道浆体输送成套装置，主要包括发电机、空压机、储气罐、调压阀、气量计、射流管、钢制加气管、监测仪器以及配套风炮管、高压气管、电缆、球阀、短接等设备，具备供气、气源控制、加气和效果监测等功能。主要试验装置连接布置如图2 所示。
图2 加气助推管道浆体输送试验装置连接布置图Fig.2 Connection and arrangement of test devices for gas injection to boost slurry transportation in pipeline
钢制加气管沿上、中、下3 个方位均预留有DN32、DN25、DN20 等不同口径的3 个垂向加气口以及1 个45˚方向的DN25 口径的斜向加气口。本试验拟采用射流管加气和风炮管直接加气2 种加气方式。其中，射流管加气采用纯加气的方式，即仅对射流管加气口进行加气，不加水。采用风炮管直接加气时需将射流管、小口径高压气管、调压阀等仪器卸掉，将与储气罐出气口连接的大口径风炮管经气量计直接与钢制加气管相连接。2种加气方式如图3 所示。
图3 加气方式Fig.3 Methods of gas injection
1.3 试验方案
石门澳工程现场排泥管线布置如图4 所示，接力泵站后西北—东南走向的排泥管线长度为1 200 m，其布设范围为已吹填地块，地势较为平坦。本试验根据现场情况，距接力泵站后约150 m处开始，每间隔约300 m 布置1 个测点，依次布置①、②、③、④4 个测点，并在吹填围区入口和排泥口附近额外布置⑤、⑥测点，分别将本试验钢制加气管替换至原排泥管线中，并将①号测点作为本次试验的加气点。每根钢制加气管上分别安装有4 个压力传感器和1 个密度计，分别将压力传感器所测的管道压力平均值作为该测点的管道压力值，将密度计所测密度值作为该测点管道输送泥浆的密度值。同时分别在①测点钢制加气管前端和⑥测点钢制加气管后端安装流量计，分别用于监测加气过程前后加气点前和围区排泥口的流量变化情况。本试验具体测点布置如图4所示。
图4 现场试验加气点位布置示意图Fig.4 Layout of gas injection points for field test
本次试验拟选取①号加气点钢制加气管上部DN32 口径进行加气。在此加气条件下，风炮管直接加气的加气压力可待加气稳定后从储气罐压力表读取，射流管加气的加气压力可通过调压阀读取，2 种加气方式的加气量则由气量计测得。风炮管直接加气方式的工况为一定值，而射流管加气方式的工况设置则由加气压力通过调压阀调节至与风炮管直接加气方式加气压力相当，2 种加气方式的具体试验工况设置如表1 所示。
表1 不同加气工艺参数测试工况表Table 1 Test conditions of different gas injection processes
2.1 分析方法
基于现有加气助推管道输送理论[5-6，8]，在管道输送过程中，根据泥沙输送情况，向管道内部合理注入高压空气，一方面使管道壁面形成封闭环形水气薄膜，使壁面变得光滑，另一方面使浆体颗粒悬浮以及压缩空气在管道内部沿程膨胀，从而起到减少输送阻力、增大输送压强的作用；
同时管道内部水气混合也可降低浆体的黏滞系数，增大浆体的输送流速，进而使浆体的流量增加。在疏浚排泥管道加气过程中，管道内部增压减阻均会引起排距的增加。为综合评价排泥管道的加气增排效果，这里不考虑其他能耗损失，将排泥管加气过程中增压引起的增加排距量ΔLP和减阻引起的增加排距量ΔLD之和作为管道加气总的增加排距量ΔL，则总体增排计算公式如下：
式中：ΔL 为排泥管加气所引起的总的增加排距量，m；
ΔLP为排泥管加气过程中增压引起的增加排距量，m；
ΔLD为排泥管加气过程中减阻引起的增加排距量，m；
ΔP 为排泥管加气引起的增压量，kPa，采用加气过程中各测点的管道压力值相比于加气前的增量的平均值进行计算；
D0为加气前的管道沿程阻力，kPa/m，以每延米压降表示，可采用两测点之间的压差与测点间距的比值计算；
L 为加气点后的管线长度，m；
r 为排泥管加气的减阻率，%，采用加气过程中排泥管道的沿程阻力系数λ 相比于加气前的减少百分比进行计算。
排泥管道的沿程阻力系数λ 可采用式（4）进行计算：
式中：ΔPp为两测点之间管段的压差，Pa，这里剔除高程因素对管线压差的影响；
ρ 为排泥管道输送泥浆的平均密度，kg/m3；
d 为管道直径，m；
l 为所测管段长度，m；
v 为管道内输送泥浆的平均流速，m/s。
已知排泥管管径为DN400，接力泵站后管线总长为1 800 m，试验时现场吹填排距总长为3 000 m，加气前和加气过程中的密度、流速以及压力变化分别由各测点位置的密度计、流量计以及压力传感器所测数据求平均值获得。
2.2 2 种加气方式加气效果对比
2.2.1 排泥口出流对比
基于Ⅱ和Ⅲ组次试验，采用射流管加气和风炮管直接加气2 种加气方式，通过对围区排泥口加气过程前后出流形态变化进行观察，可直观地观测出2 种加气方式的加气效果，分别如图5（a）～图5（c）所示。
图5 2 种加气方式加气过程前后排泥口出流变化观测Fig.5 Observation on change of sludge outlet flow before and after during two types of gas injection operations
由图5 可知，较加气前，2 种加气方式均使围区排泥口出流增大，说明2 种加气方式均可实现增排和增流效果，且效果较为明显。但2 种加气方式的排泥口出流特点存在差异。
采用风炮管直接加气方式进行加气时，其在排泥管道内的气泡形态主要为大气泡，见图6（a）。
图6 2 种加气方式排泥管内气泡形态示意图Fig.6 Bubble morphology in sludge discharge pipe of two types of gas injection methods
在加气过程中，排泥管出口处浆体出流形式为剧烈的间歇式喷涌，并存在爆炸声，其管道内部压缩空气的气团压力较大，其对管道的密封性和强度提出了极大的要求，在非顺直管段（例如弯管、爬坡管、水上管）容易发生泄漏、法兰破损、尖锐噪音和水体污染等现象，易导致停工检修，影响疏浚吹填施工的连续性、安全性和环保性。因此风炮管直接加气方式对管线排布和安装质量要求极高。
采用射流管加气方式进行加气，其在排泥管道内的气泡形态主要以微小气泡的形态存在，如图6（b）所示。管道内部压缩空气在射流管的作用下破碎效果和浆体混合效果较好，排泥管出口处浆体出流较为稳定，不存在剧烈的间歇式喷涌，且出口处的爆炸声较小。因此，其对现有疏浚排泥管的密封性和强度并无特别要求，在现场测试期间，并未出现泄漏和法兰破损的现象。
2 种加气方式的具体增排效果和能效情况则需根据监测数据定量测算得出。
2.2.2 增排效果对比
基于Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组次试验，2 种加气方式下的加气增排和增流效果如表2 所示。
表2 试验结果汇总Table 2 Summary of test results
基于Ⅰ、Ⅱ组次试验，采用射流管加气方式进行加气，加气压力较大，即加气量较大时，加气总体增排的效果较为明显。当加气压力由480 kPa（4.8 bar，对应加气量7.5 m3/h）增加到760 kPa（7.6 bar，对应加气量10 m3/h）时，在原排距3 000 m 的基础上总体增排由389.87 m 提升至499.00 m，即在原排距的基础上可以进一步延长排距由原来的13.0%提升至16.6%。同时相比于减阻增排，增压增排增幅较为明显。
基于Ⅱ、Ⅲ组次试验，当射流管加气和风炮管直接加气2 种加气方式加气压力相当，此时风炮管直接加气的加气量远大于射流管加气方式，试验结果表明，相比于射流管加气方式，风炮管直接加气的增压效果较好，减阻效果相差不大，总体增排效果较好。
由上述组次试验可知，射流管加气和风炮管直接加气2 种加气方式的加气压力相当时，风炮管直接加气总体增排效果较优。但由于风炮管直接加气的加气压力无法调节，在给定加气条件下为一定值，当射流管加气方式的加气压力通过调压阀调节至较高压力时，风炮管直接加气方式的总体增排效果将较次于射流管加气方式。同时，试验结果表明，相比于减阻效果，增压效果对加气量的变化较为敏感。
2.2.3 能效对比
在不加气工况条件下，通过统计测试母船的清淤产能，并结合石门澳工程当地的柴油和电费单价，综合考虑绞吸船油耗、接力泵电费、所购置设备材料损耗以及工人投入等费用，来分析计算吹填过程的单方成本。不加气工况下环保绞吸船吹填施工单方成本分析计算所需的统计参数为：绞吸船油耗，t/d；
接力泵电耗，度/d；
清淤产能（按1 d 20 h 的有效施工计），m3/d；
绞吸船油费，元/d；
接力泵电费，元/d；
合计清淤燃油电费，元/d；
设备材料损耗，元/d；
人员投入费用，元/d；
单日综合成本，元/d；
单方成本，元/m3。
环保绞吸船吹填施工的单方成本可看作绞吸船施工单日综合成本与单日清淤产能的比值，环保绞吸船吹填施工的单日综合成本则可看作平均单日清淤燃油电费（包括绞吸船油费、接力泵电费）、设备材料损耗以及人员投入费用之和，其中单日有效工时按20 h 计算，油价、电费等按工程当地价格计算。
在本次试验过程中，为满足风炮管直接加气工况的测试需求，本试验所配置空压机组的功率为75 kW。其性能远超射流加气测试需求，在射流管加气工况时，通过调压阀调低输出压力进行现场测试与应用。基于本试验加气助推管道浆体输送成套装置，分别考虑空压机组购置和租赁2种方案。
75 kW 螺杆空压机组购置费用约25 万元，其租赁费用约1.2 万元/月。采用风炮管直接加气方式进行加气时，其他加气设备材料购置总费用约10.99 万元；
采用射流管加气方式进行加气时，需额外考虑射流管、调压阀和小口径高压气管等费用，则其他加气设备材料购置总费用约11.59 万元。所有购置设备均考虑2 a 折旧。另外，75 kW空压机单日电耗费用约1 500 元/d。基于上述不加气工况下环保绞吸船吹填施工所计算单日综合成本，综合考虑空压机组投入费用、其他加气设备材料投入费用以及空压机组电耗，即可分别计算出不同投入方案下风炮管直接加气和射流管加气2 种加气方式吹填施工时的单日综合成本。进而结合对应加气工况下的单日清淤产能，测算出不同投入方案下2 种加气方式吹填施工对应的单方成本。
基于环保绞吸船特定土质条件下稳定连续施工，管道浆体的浓度在加气过程中与不加气时相比波动不大，因此，可假设管道浆体浓度保持不变。基于2 种加气方式的增流效果，则在原排距条件下，其清淤产能可提高相应的百分比。若按照表1 工况进行加气施工，2 种加气方式环保绞吸船吹填施工单方成本与不加气工况下传统接力泵方式对比分析结果如表3 所示。
表3 不同加气方式环保绞吸船吹填施工单方成本分析表Table 3 Dredging cost per cubic meter analysis of reclamation by environment-friendly cutter suction dredger with different gas injection methods
由表3 可知，在原排距输送条件下，相比传统接力泵方式，风炮管直接加气和射流管加气2种加气方式均起到增流增产的作用。但在能效方面，经测算采用风炮管直接加气方式比传统接力泵方式单方成本较高；
采用射流管加气方式，当加气压力调节至较高压力时，相比于传统接力泵方式单方成本较低，反而起到节能降本增效的作用。此外，分析结果表明相同加气条件下，相比于风炮管直接加气方式，射流加气方式更加节能。经市场调研，22 kW 螺杆空压机组的1 000 kPa（10 bar）输出压力、192 m3/h 加气量的输出性能即可满足I 组次射流管加气要求。由于22 kW 空压机功率较小，租赁市场极少见，不考虑租赁方案。该22 kW 空压机购置费用约2 万元，同样按2 a折旧，分摊到单日投入费用约为27.40 元/d，单日电耗费用约440 元/d。经测算采用22 kW 空压机组购置方案，进行I 组次射流管加气，相比于传统接力泵方式，可降低单方成本约6.0%。
综上所述，基于本试验加气工况，相比于传统接力泵方式，使用22 kW 螺杆空压机组的射流管加气760 kPa（7.6 bar）、加气量10 m3/h 可增产约9%，降低单方成本约6.0%，若换算为排距，可在原排距基础上增排约16.6%，其节能增排效果显著。采用75 kW 空压机组的风炮管直接加气450 kPa（4.5 bar）、加气量264 m3/h 可增产约6%，增加单方成本约2.1%，换算为排距，可在原排距基础上增排约16.2%。射流管加气与风炮管直接加气方式相比增排效果相当，但单方成本降低约7.9%。因此，综合考虑增排增流增产效果、使用成本以及对管线排布安装质量和施工稳定等要求，射流管加气方式优于风炮管直接加气方式。
1）试验研究表明，在泥沙输送过程中，采用射流管加气和风炮管直接加气2 种加气方式均能起到增压减阻增排和增流增产的作用。当2 种加气方式加气压力相当时，风炮管直接加气方式的总体增排效果较优于射流管加气方式，但风炮管直接加气方式相比于射流管加气方式能耗较高且对管线排布和安装质量要求较高。
2）采用射流管加气方式，加气压力较大时，加气总体增排效果较为明显，且相比于传统接力泵方式单方成本较低，起到节能降本增效的作用。
3）通过工程现场测试，相比于传统接力泵方式，采用射流管加气工艺可增产约9%，降低单方成本约6.0%，若换算为排距，可在原排距基础上提升排距约16.6%，其节能增排效果显著，优于风炮管直接加气工艺。本试验研究结果可为河湖库清淤环保绞吸船的长排距施工提供参考。
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