智能沉箱注水系统的研发与应用.pdf
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1、智能沉箱注水系统的研发与应用张宏利,刘怡孟(中交第一航务工程局有限公司,天津300461)摘要:沉箱重力式码头已向深水化发展,无掩护海域大型沉箱的应用日益增多,对沉箱安装工艺提出了更高的要求。为保证防城港企沙港区赤沙作业区2号泊位工程5 200余t超大型椭圆沉箱的顺利安装,避免传统人工控制注水工艺的弊端,项目团队创新性的研发了一种智能沉箱注水系统,包含信息采集设备、数据处理系统、操作反应终端。通过对水位、流量、姿态等数据进行收集运算,可实现沉箱自动化精细调平。该系统在防城港企沙港区赤沙作业区2号泊位工程成功应用,顺利完成11座5 200余t超大型椭圆沉箱安装,提高了作业工效,保障了工程质量,降
2、低了施工安全风险,并且具有显著的经济和社会效益,推广应用前景广阔。关键词:沉箱;智能注水系统;水泵;研发;测试中图分类号:U655.33;U443.132文献标志码:A文章编号:2095-7874(2024)02-0077-06doi:10.7640/zggwjs202402014Research and application of intelligent water injection system of caissonZHANG Hong-li,LIU Yi-meng(CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China)
3、Abstract:Caisson gravity wharf has been developing into deep water,and the application of large caisson in unprotected seaarea is increasing day by day,which puts forward higher requirements for caisson installation technology.In order to ensure thesmooth installation of more than 5 200 tons of supe
4、r large elliptical caisson in the No.2 berthing project in Chisha OperationArea of Qishagang District,Fangchenggang,and avoid the drawbacks of traditional manual control water injection process,theproject team innovatively developed an intelligent caisson water injection system.The system consists o
5、f information acquisitionequipment,data processing system and operation reaction terminal.By collecting and calculating the data of water level,flowrate and attitude,the caisson can be automatically fine-leveled.The system has been successfully applied in the No.2 berthingproject of Chisha Operation
6、 Area,Qishagang District,Fangchenggang,and successfully completed the installation of 11 superlarge elliptical caissons with more than 5 200 tons,which improves the working efficiency,guarantees the project quality,reduces the construction safety risk,and has significant economic and social benefits
7、,and has broad prospects for promotionand application.Key words:caisson;intelligent water injection system;water pump;research and development;testing中国港湾建设China Harbour Engineering第44卷第2期2024年2月Vol.44No.2Feb.2024收稿日期:2023-04-21修回日期:2023-09-08作者简介:张宏利(1973),男,天津市人,高级工程师,土木工程专业。E-mail:0引言随着国民经济的高速发展和
8、进出口贸易需求的迅猛提高,港口作为进出口贸易运输及扩散的重要节点,扮演着整个贸易往来环节中愈发关键的角色。沉箱码头由于其具有良好的整体性,较强的抗震性能以及水下工作量少等优点,在沿海区域得到广泛应用1-3。深水沉箱码头规模的扩大,带来大批量超大规模沉箱的实施4。而在这期间,沉箱施工工艺关键问题相继延伸拓展,推动沉箱施工工艺的优化完善5-7。防城港企沙港区赤沙作业区2号泊位工程8沉箱尺寸大,整体为椭圆形,仓格划分复杂,安装中国港湾建设2024年第2期过程中仓格间注水量控制难度大;沉箱安装施工环境为无遮拦无掩护海域,受风浪影响大,海况条件复杂,沉箱整体稳定性要求高;传统人工操作阀门注水方案,根据操
9、作人员站在沉箱顶部读水尺确定各仓格注水量,操作阀门控制进水,该方法由于人为读数误差或操作阀门不及时很容易造成注水量不精确,导致沉箱整体不稳定,带来较大施工风险。如何保证本工程沉箱的平稳顺利安装是项目技术人员面临的一大挑战。1工程概况防城港企沙港区赤沙作业区2号泊位工程拟建设1个20万吨级散货泊位,水工结构按30万吨级预留,岸线总长415 m,码头宽度32.5 m,码头采用独立墩式沉箱基础。共设计11座椭圆形沉箱,沿码头前沿线布置,中心距35.5 m,位于无掩护海域环境。单个沉箱长29.0 m,高度为27.9 m,宽17.1 m(包括两边各1.8 m宽的趾),分为15个仓格,计算重量约5 278
10、 t。经计算,沉箱浮游稳定吃水19.15 m,此时注水高度5.9 m,注水方量1 722.8 m3;沉箱着床后将沉箱仓格注满水,总注水方量8 008.5 m3。椭圆沉箱模型图见图1。沉箱相关参数见表1。2系统设计2.1设计总体思路为实现沉箱下潜过程中各仓格间注水量精确控制,充分适应无掩护海域下海况环境,避免传统阀门注水工艺下的操作人员安全风险,项目技术团队以自动化控制和科技化创新为理念,结合工程实际应用情况,设计研发智能沉箱注水系统。该系统可实现以下功能:1)数字化实时监测。采用电子液位计、电磁流量计、陀螺仪等智能感知终端对数据信息进行采集,实现沉箱注水仓格水位、流量、姿态远程数字化全过程监测
11、。2)信息化模型建立。使用BIM技术创建沉箱信息化模型,对异形沉箱仓格进行合理划分,仓格之间设置连通形成不同区域,建立不同区域间对应关系。3)自动化精细调平。中控系统中建立运算机制,将收集到的数据进行分析,通过变频控制调节,实现沉箱自动化精细调平。2.2技术路线系统综合运用云计算、物联网、移动技术等信息化技术手段,通过智能感知终端对施工过程信息进行自动采集,上传至云架构中进行分析运算,变频自动调整,实现沉箱精细化调平。施工人员可在操作中心或手机端进行部署,实现施工过程的数字化把控。系统技术路线见图2。主机系统中建立沉箱注水施工信息模型(图3),根据各仓格内注水总量将沉箱仓格对称划分为7个区域,
12、使用过水孔分别联通,确定各区域间对应逻辑关系。将数据信息进行分析运算,根据运算结果判断是否调整各仓格进水情况,通过操作变频系统完成水泵流量控制,实现智能监控、注水、调平功能,完成对整个施工过程的数字信息化表达。表1沉箱相关参数Table 1Caisson related parameters重心/m11.56空箱吃水/m14.26浮游稳定吃水/m19.15浮游稳定压水高度/m5.9定倾半径/m0.53定倾高度/m0.28体积/m32 006重量/t5 278参数数值参数数值图1椭圆沉箱模型图Fig.1Elliptical caisson model图2系统技术路线Fig.2System tec
13、hnology route陀螺仪测量沉箱倾斜情况仓格注水对沉箱姿态、水位、流量等数据进行运算分析液位计读取各仓格水位流量计读取实时流量数据采集数据分析自动调平远程把控78窑窑2024年第2期系统总体布置图见图4。3系统测试3.1测试方案本工程沉箱仓格划分复杂,施工环境差,对沉箱安装过程中注水精度要求很高。以往施工中,采用水泵注水安装沉箱的应用案例极少,智能沉箱注水系统为本项目首次研发应用。因此在研发过程中和施工前对该智能沉箱注水系统功能进行测试显得尤为关键。根据系统工作原理及主要软、硬件的性能要求,分析实际应用过程中可能发生的问题,对该智能沉箱注水系统的软件功能和硬件性能进行针对性测试。结合现
14、场实际,充分利用现有条件,在研发过程中和应用前分阶段进行测试。3.2功能模型测试3.2.1测试准备结合智能沉箱系统的研发进度,在系统软件完成后先进行系统功能测试。为保证该系统功能能够充分体现,根据现有场地条件,将沉箱简化为模型,采用小规格自吸泵代替大功率水泵进行测试。2.3系统总体布置每个区域根据注水量分别设置12台大功率水泵进行注水,每台水泵设置水位测量仪、电磁流量计、电子陀螺仪对注水过程中仓格水位、注水流量、流速、沉箱姿态等信息进行实时收集,并将信息传输到操作主机,主要设备见表2。图3系统信息模型图Fig.3System information model表2系统设备清单Table 2Sy
15、stem equipment list序号功能简述备注1扬程25 m,流量150 m3/h,功率22 kW一体化水泵含电机和泵及配套弯头2长18 m,外径175 mm,壁厚15 mm3根据计算机指令调节水泵运行速度连接主机和水泵的中间控制器4接收来自电磁流量计、电子陀螺仪和液位计的信号,通过比较计算,得出合理数据去控制变频器的运作,从而控制水泵的注水量承载指令输入和输出5感知每台水泵的实时和累计注水量,把数据传至计算机6感知仓格内水位,把数据传至计算机7感知沉箱的姿态,把数据传至计算机设备水泵/台泵管/根变频柜/台控制主机/套电磁流量计/个液位计/个电子陀螺仪/台数量8821882图4系统总体
16、布置图Fig.4General layout of the system张宏利,等:智能沉箱注水系统的研发与应用水位1水位6水位2水位3水位7水位5水位4流1流2流3流8流7流6流5流4泵1泵7泵2泵3泵4泵5泵6泵8泵1泵2泵3泵4泵5泵6逻辑对应关系1号6号7号流8泵82号5号7号5号1号2号3号4号7号4号3号6号79中国港湾建设2024年第2期3.2.2测试过程和结果根据需要,将所需设备连接完毕。将沉箱模型4个仓格命名为a、b、c、d,水泵对应为泵a、泵b,泵c、泵d,仓格划分见图5。根据相对性水泵与相对性水泵连接的原则,将泵a与系统模型内泵1,泵c与泵4,泵b与泵2,泵d与泵5一一对
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