船舶供油單元輔助電磁感應(yīng)加熱方法研究

劉 肖，陳 明，陳 寧

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.海軍駐江蘇科技大學(xué)選委辦，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

?

船舶供油單元輔助電磁感應(yīng)加熱方法研究

劉 肖1，陳 明2，陳 寧1

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.海軍駐江蘇科技大學(xué)選委辦，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

針對船用燃油供油單元輔助EHS電加熱所存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型燃油粘度控制裝置，根據(jù)電磁感應(yīng)加熱原理，將IGBT逆變開關(guān)輸出的高頻電流通過加熱線圈對燃油管道進(jìn)行加熱。電磁感應(yīng)加熱裝置能夠依據(jù)測定燃油粘度與設(shè)定值的偏差調(diào)節(jié)加熱功率，實(shí)現(xiàn)燃油粘度的快速、高效控制，最終控制燃油粘度在12～14 mm/s2之間，并利用多物理場仿真COMSOL Multiphysics對其進(jìn)行仿真分析。在船舶航行期間，廢氣鍋爐蒸汽不足時(shí)由電磁感應(yīng)加熱替代鍋爐燃燒產(chǎn)生加熱介質(zhì)保證燃油的溫度，使船舶正常航行，從而節(jié)約船舶能耗。

船用燃油;供電單元;電磁加熱； IGBT逆變；高頻

0 引言

船舶主機(jī)燃油粘度控制是船舶燃油系統(tǒng)的重要組成部分。為降低船舶營運(yùn)成本，合理利用石油資源，目前，低速柴油機(jī)船舶多采用重油燃料。然而，重油成分復(fù)雜，雜質(zhì)多，發(fā)火性差，粘度高，在使用中易引發(fā)主機(jī)缸套磨損，燃燒不充分，進(jìn)而影響動力系統(tǒng)的運(yùn)行工況。所以加強(qiáng)船舶燃油系統(tǒng)的管理，特別是燃油粘度的控制至關(guān)重要[1]。

本文針對燃油供油單元輔助EHS電加熱所存在的效率低、加熱慢、故障率高等缺點(diǎn)，研究了一種新型燃油粘度控制裝置，利用電磁感應(yīng)加熱原理，將IGBT逆變開關(guān)輸出的高頻電流通過加熱線圈對燃油管道進(jìn)行加熱[2]，控制燃油粘度在12～14 mm2/s之間，保證燃燒輸送與噴射質(zhì)量。該裝置能夠依據(jù)測定的燃油粘度與設(shè)定值的偏差調(diào)節(jié)加熱功率，實(shí)現(xiàn)燃油粘度的快速、高效控制。同時(shí)電磁感應(yīng)加熱方式運(yùn)行可靠、故障率低、綠色環(huán)保。

1 研究方法

1.1 電磁感應(yīng)電加熱和EHS電加熱原理

傳統(tǒng)船用燃油供油單元粘度控制方式有鍋爐蒸汽加熱和輔助EHS電加熱。在采用EHS電加熱裝置時(shí)，EHS電加熱模塊的主要部件是管殼式電加熱器，它是一種循環(huán)式電加熱器，是通過強(qiáng)迫對流的方式對流動介質(zhì)進(jìn)行加熱，由浸入式電加熱器裝入壓力容器內(nèi)組成。燃油輔助EHS電加熱裝置是一種與蒸汽加熱器通過相關(guān)管路、閥門并聯(lián)安裝在主副機(jī)燃油供油單元上的設(shè)備。它與蒸汽加熱器互為備用，由主配電板專用開關(guān)通過專用電纜送電，每臺電加熱器內(nèi)部有幾組發(fā)熱絲組成，總功率為幾十千瓦。在船舶主機(jī)降速運(yùn)行時(shí)，如果燃油/廢氣組合鍋爐產(chǎn)生的蒸汽不足以加熱燃油時(shí)，視情況將發(fā)熱絲投入使用，滿足加熱燃油之需。燃油供油單元見圖1。

電磁感應(yīng)加熱的原理是感應(yīng)加熱電源產(chǎn)生的交變電流通過感應(yīng)器(即線圈)產(chǎn)生交變磁場[3]，導(dǎo)磁性物體置于其中切割交變磁力線，從而在物體內(nèi)部產(chǎn)生交變的電流(即渦流)，渦流使物體內(nèi)部的原子高速無規(guī)則運(yùn)動，原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能，從而起到加熱物品的效果，即是通過把電能轉(zhuǎn)化為磁能，使被加熱鋼體感應(yīng)到磁能而發(fā)熱的一種加熱方式。這種方式從根本上解決了電熱片、電熱圈等電阻式通過熱傳導(dǎo)方式加熱的效率低、加熱慢、故障率高等缺點(diǎn)[4]。

因此電磁感應(yīng)加熱與EHS電加熱相比，具有效率高、加熱快、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 電磁感應(yīng)加熱和EHS電加熱區(qū)別

1.2.1 電磁感應(yīng)加熱比EHS電加熱效率高

傳統(tǒng)電阻絲加熱方式的加熱效率約為40%，其他能量都消耗在熱傳導(dǎo)和空氣熱對流上。而電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的熱效率能夠達(dá)到90%，使加熱效率提高了1倍。理論上節(jié)電效果可達(dá)到50%以上，但考慮到不同質(zhì)量的電磁感應(yīng)加熱控制器的能量轉(zhuǎn)換效率是不太相同的，以及不同的生產(chǎn)設(shè)備和環(huán)境，所有電磁加熱比電加熱節(jié)能的效果一般至少能夠達(dá)到30%。

1.重油柴油轉(zhuǎn)換 2.三通閥 3.泵過濾器 4.供給泵 5.自動反沖洗過濾器 6.降壓開關(guān) 7.供給壓力控制閥 8.流量變送器 9.旁通流量檢測儀 10.壓力變送器、供給泵 11.液位開關(guān) 12.自動排氣閥 13.混油筒 14.循環(huán)泵 15.加熱器 16.壓力變送器、循環(huán)泵 17.溫度傳感器 18.粘度傳感器 19.主機(jī)壓力控制閥

1.2.2 電磁感應(yīng)加熱比EHS電加熱加熱快

傳統(tǒng)的電阻絲加熱原理是電阻絲本身產(chǎn)生高溫后熱量再慢慢傳導(dǎo)到燃油中，速度緩慢，并且位于電阻絲周圍溫度高于油管表面溫度，不利于燃油整體均勻受熱，降低加熱速度。而高頻加熱系統(tǒng)的工作原理是使金屬油管自身發(fā)熱，熱能是油管整體產(chǎn)生，燃油均勻受熱，明顯改善了加熱的質(zhì)量且提高了加熱速度。

1.2.3 電磁感應(yīng)加熱比EHS電加熱故障率低

電磁感應(yīng)加熱設(shè)備運(yùn)行可靠.由于高頻加熱系統(tǒng)本身不發(fā)熱，所以它不會把吸附在自身表面的油污、塑料顆粒等加熱碳化，故不會產(chǎn)生漏電、短路等故障。EHS電加熱是通過電阻絲或電阻棒直接浸在燃油中對其加熱來實(shí)現(xiàn)燃油粘度控制。由于電阻絲金屬本身在高溫下會快速揮發(fā)，迅速老化而失效，所以傳統(tǒng)電阻絲需要不定期的更換。而高頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)的特點(diǎn)是只有被感應(yīng)的油管金屬內(nèi)部才產(chǎn)生高溫加熱，自身電損耗小，所以功率大時(shí)也不影響高頻加熱系統(tǒng)的使用壽命，還可以根據(jù)自身需要來調(diào)節(jié)使用功率[5]。圖2為電磁感應(yīng)加熱設(shè)備方案圖。

圖2 電磁感應(yīng)加熱設(shè)備方案

2 仿真分析及試驗(yàn)

2.1 仿真分析

研究過程中以7 kW固定功率的電磁感應(yīng)加熱機(jī)的頻率作為研究對象，考察不同頻率感應(yīng)電流密度的變化關(guān)系。利用多物理場仿真COMSOL Multiphysics[6]采用5組不同頻率進(jìn)行研究分析，5組頻分別為10 Hz、100 Hz、1 000 Hz、10 kHz、20 kHz。加熱線圈和被加熱金屬材料屬性目錄見表1。

表1 材料屬性目錄

圖3～圖6分別為10 Hz、100 Hz、1 000 Hz、10 kHz時(shí)單匝線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流分布圖。從圖中可以得出，隨著電流頻率的增加，感流應(yīng)電密度越高，同時(shí)被加熱金屬感應(yīng)電流越集中在金屬表層。

圖3 10 Hz單匝線圈感應(yīng)電流分布

圖4 100 Hz單匝線圈感應(yīng)電流分布

圖5 1 000 Hz單匝線圈感應(yīng)電流分布

圖7～圖9為10 kHz、20 kHz多匝線圈感應(yīng)電流分布2維、3維圖。從圖中可以看出，線圈匝數(shù)增多，感應(yīng)電流密度更高，也更集中于被加熱金屬表層。當(dāng)頻率增加到20 kHz時(shí)，被加熱金屬表層電流密度可達(dá)到7.42×104A/m2。

由圖3至圖9對比分析，可得出如下結(jié)論：

(1)利用多物理場仿真COMSOL Multiphysics采用5組不同頻率進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明在功率固定的條件下，隨著電磁感應(yīng)加熱頻率的增加，感應(yīng)電流的密度也跟著增加，這符合預(yù)期的分析結(jié)果。

圖6 10 kHz單匝線圈感應(yīng)電流分布

圖7 10 kHz多匝線圈感應(yīng)電流分布

圖8 20 kHz多匝線圈感應(yīng)電流分布

(2)當(dāng)頻率增加到20 kHz時(shí)，感應(yīng)產(chǎn)生的渦流主要集中在被加熱金屬表層，深度在2～3 mm，渦流產(chǎn)生的熱量主要集中在金屬表層，符合本研究針對輸油管道的加熱特點(diǎn)。

(3)當(dāng)頻率為20 kHz時(shí)，被加熱金屬表層的感應(yīng)電流密度可達(dá)到7.42×104A/m2，根據(jù)加熱效果可通過改變加熱功率來調(diào)節(jié)，最終使燃油加熱到100 ～130 ℃，控制燃油粘度在12～14 mm/s2之間。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用7 kW、20 kHz電磁感應(yīng)加熱機(jī)1臺，加熱線圈采用半徑2.5 mm、長度200 mm銅線圈，線圈中通冷水防止線圈過熱老化。燃油管道采用DN15規(guī)格輸油管，還包括浮子流量計(jì)、壓力表、測溫計(jì)、冷排、測溫水箱、冷卻水箱等。

圖9 20 kHz多匝線圈感應(yīng)電流分布3D

電磁感應(yīng)加熱方案示意圖如圖10所示。電磁感應(yīng)加熱器輸出高頻低壓大電流通過加熱線圈，高頻電流通過線圈產(chǎn)生交變磁場，輸油管置于其中切割交變磁力線，從而在輸油管產(chǎn)生交變的渦流而被加熱。線圈長度不大于輸油管長度，線圈直徑大于輸油管直徑，同時(shí)將絕緣隔熱層包裹輸油管使得線圈保持較低溫度。電磁感應(yīng)加熱機(jī)工作的同時(shí)往復(fù)泵也開始工作，使燃油以脈動流形式被加熱，從而燃油受熱均勻，保證燃燒質(zhì)量。根據(jù)保溫測量裝置得出的燃油溫度，調(diào)整加熱器的頻率、功率以及輸油量。電磁感應(yīng)加熱裝置如圖11所示。

圖10 電磁感應(yīng)加熱方案示意

3 技術(shù)內(nèi)容

3.1 電磁感應(yīng)加熱機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

電磁感應(yīng)加熱機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：單相電壓220V，頻率50～60 Hz，最大換熱功率7 kW；重油進(jìn)口溫度100 ℃，重油出口溫度120 ℃。

圖11 電磁感應(yīng)加熱裝置

3.2 燃油加熱模塊的特點(diǎn)

模塊的主要部件是國內(nèi)原裝大功率電磁感應(yīng)加熱器，它是一種外置加熱器，感應(yīng)加熱電源產(chǎn)生的交變電流通過感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場，燃油管道置于其中切割交變磁力線，從而在物體內(nèi)部產(chǎn)生交變的渦流，渦流使物體管道內(nèi)部的原子高速無規(guī)則運(yùn)動，原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能，從而起到加熱燃油的效果。工作時(shí)，用往復(fù)泵把流動燃油泵進(jìn)加熱管道進(jìn)行加熱，加熱后燃油在加熱器另一端輸出。該加熱器具有體積小、功率大、加熱速度快、控溫精度高，熱效率高、應(yīng)用范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 模塊的安全保護(hù)措施

3.3.1 超溫控制裝置

在電磁感應(yīng)加熱器中裝有超溫控制裝置作為電磁感應(yīng)加熱器的保護(hù)裝置。當(dāng)電磁感應(yīng)加熱器的發(fā)熱元件超溫時(shí)，發(fā)熱元件獨(dú)立的過熱保護(hù)裝置立即切斷加熱電源，避免電磁感應(yīng)加熱器中的加熱材料超溫引起結(jié)焦、變質(zhì)及碳化，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電磁感應(yīng)加熱器中的發(fā)熱元件燒壞，有效延長電磁感應(yīng)加熱器使用壽命。同時(shí)要求切斷電源后需手動復(fù)位，方可接通加熱器電源。

3.3.2 高溫?cái)嚅_

為安全起見，當(dāng)被加熱流體出口溫度高于最大允許值時(shí)，自動切斷電磁感應(yīng)加熱器的電源；低于該值時(shí)，自動接通電源。

3.3.3 防空燒

電磁感應(yīng)加熱器的安全使用非常重要。操作時(shí)必須保證管道內(nèi)有被加熱流體通過，通過往復(fù)泵的運(yùn)行、燃油管道出口壓力、燃油管道出口流量開關(guān)等，保證電磁感應(yīng)加熱器處于非空燒狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)溫暖天氣時(shí)，在燃油日用柜燃油量高位和溫度90 ℃情況下，不用鍋爐蒸汽可以使用燃油輔助電磁感應(yīng)加熱器裝置加熱燃油供靠/離碼頭(根據(jù)錨地距離決定)。

(2) 溫暖天氣錨泊期間，只要在停用鍋爐前將燃油日用柜分滿油并加溫達(dá)到90 ℃，主機(jī)燃油循環(huán)加熱、副機(jī)燃油供應(yīng)不需要點(diǎn)鍋爐供汽加溫，電磁感應(yīng)加熱器調(diào)節(jié)到一定功率即可滿足燃油加熱要求。副機(jī)5 d內(nèi)不需要點(diǎn)爐加溫，只要燃油日用柜油溫達(dá)到50℃以上，就能滿足副機(jī)停泊使用燃油加溫要求，足夠副機(jī)停泊單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3) 需要使用分油機(jī)分油補(bǔ)充日用柜燃油油量時(shí)，則點(diǎn)鍋爐提供蒸汽加溫，5 h可以將燃油日用柜分滿，之后,若在溫暖天氣就可以滿足再停泊5 d副機(jī)使用的燃油量。

(4) 天氣寒冷時(shí)，需要點(diǎn)鍋爐提供蒸汽對燃油艙、燃油沉淀柜燃油的保溫和中央空調(diào)取暖，此時(shí)可通過各蒸汽閥開度控制燃油艙和沉淀柜保溫蒸汽用量，采用壓火間歇點(diǎn)爐，減少鍋爐燃燒時(shí)間。

平時(shí)注意對燃油/廢氣鍋爐的保養(yǎng)，保證能隨時(shí)可以使用。鍋爐燃油系統(tǒng)要保持循環(huán)，或者停爐前轉(zhuǎn)用輕油，否則會因停爐沒有伴熱的情況下造成燃油管系的堵塞。

該電磁感應(yīng)加熱裝置應(yīng)用后，可以節(jié)約燃油，減少燃油/廢氣鍋爐的使用時(shí)間，減少硫氧化物、氮氧化物等污染物的排放量，保護(hù)環(huán)境?，F(xiàn)有船舶若要加裝該燃油電磁感應(yīng)加熱裝置，由于只需額外安裝電磁感應(yīng)加熱器，加熱線圈環(huán)繞燃油管道即可實(shí)現(xiàn)加熱效果，因此應(yīng)用方便。

[1] 鄭鳳閣.輪機(jī)自動化[M].大連:大連海事大學(xué)出版社，1998.

[2] 趙亞軍. 電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[3] Choi H，Shung K K. Novel power Mosfet-based expander for high frequency ultrasound systems[J]. Ultrasonics，2013(4):121-130.

[4] Alessandro Pensini，Claus N,Rasmussen，et al Kempton. Economic analysis of using excess renewable electricity to displace heating fuels[J]. Applied Energy，2014，131：530-543.

[5] 孫克剛，馬征賓，苗群福. GDJR系列管道電磁感應(yīng)加熱設(shè)備[J]. 石油科技論壇，2014(2):68-69，72.

2016-09-02

劉肖(1990—)，男，碩士研究生，從事輪機(jī)設(shè)備與系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究；陳明(1966—)，男，副教授，從事高等教育、船舶裝備方面工作；陳寧(1963—)，男，教授，從事輪機(jī)設(shè)備與系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

U664.81+2

A