沉船重油電磁感應(yīng)加熱仿真與實驗研究

張 偉， 馮志強， 黃柱林

(1.交通運輸部煙臺打撈局技術(shù)中心，山東 煙臺 264012； 2.大連海事大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

引言

當(dāng)船舶發(fā)生擱淺、沉沒等事故時，為避免或減少燃油泄漏對海洋生態(tài)環(huán)境的污染，需要及時將事故船舶中的燃油抽吸出來并過駁到安全船只內(nèi)。對于船用重油，由于其黏度大，在低溫環(huán)境下流動性差，難以完成抽油作業(yè)，因此需要將重油加熱到一定溫度，黏度滿足條件后才能進行抽油作業(yè)[1]。目前對重油通常的加熱方法是向油艙內(nèi)注入高溫水蒸汽，或在油艙內(nèi)布設(shè)蒸汽加熱盤管，利用水蒸氣的熱量加熱重油[2]。但這種方法需要配套大型蒸汽發(fā)生鍋爐，管路連接復(fù)雜，潛水員水下安裝難度大；由于水蒸氣的比熱小，蒸汽加熱的效率比較低，尤其對于水深較大的情況，水蒸氣的熱量由于管路長度的增加而損失明顯，加熱效率下降；高溫蒸汽能夠輸送到的水深受限于鍋爐能夠提供的壓力[3]。使用熱仿真技術(shù)并將結(jié)果指導(dǎo)設(shè)備優(yōu)化是常用的研究方法及技術(shù)手段，熊凌鵠等有限元進行電熱仿真[4]；李鑫鑫等使用有限元進行管路、管道熱仿真[5-6]；李閣強等進行了油氣-剛體二相熱力仿真[7]；陳家浩等使用有限元進行了液壓有散熱仿真[8]。電磁加熱技術(shù)在船舶制造和船舶燃油加熱領(lǐng)域有一定的應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者開展了一系列研究，張勇等進行了電磁感應(yīng)管狀結(jié)構(gòu)加熱研究及驗證[9]；王園武研究了感應(yīng)線圈參數(shù)對鋼板溫度場的影響及線圈尺寸選取的問題，建立了電磁加熱鋼板的數(shù)學(xué)模型[10]；劉肖對基于HIS調(diào)節(jié)的船用重油加熱器進行了研究與設(shè)計，并對輸油管道的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進行了仿真[11]。

與傳統(tǒng)的蒸汽加熱方法相比，采用電磁加熱技術(shù)進行重油加熱具有顯著優(yōu)點，主要包括以下三個方面：

(1) 結(jié)構(gòu)簡單，易于操作。該技術(shù)利用沉船外板作為加熱源，無需額外發(fā)熱裝置，只需要在沉船表面安裝感應(yīng)線圈，結(jié)構(gòu)簡單，大大減輕了潛水員或ROV的工作量。同時加熱階段無需對油艙開孔，減少了燃油泄漏的風(fēng)險。

(2) 加熱效率高，易于控制。感應(yīng)線圈接通電源后，該加熱系統(tǒng)能夠瞬間達到所需的最大功率，鋼板溫度可在短時間內(nèi)升至數(shù)百攝氏度，且與重油直接接觸進行熱量傳遞，因此加熱重油的效率高，與之相比，蒸汽加熱管的溫度上限為蒸汽溫度，且加熱重油需要高溫蒸汽-加熱管-重油兩個階段，導(dǎo)致加熱效率較低。此外，電磁加熱的功率可通過調(diào)整電流大小進行調(diào)節(jié)，易于進行溫度控制。

(3) 不受水深限制。加熱裝置與電源通過電纜連接，電流傳輸過程中的損耗可以忽略，因此該系統(tǒng)的加熱效率幾乎不受水深的影響，相比之下蒸汽加熱需要考慮輸出壓力及熱量損失兩方面的影響，導(dǎo)致工作水深受限。

鑒于高溫蒸汽加熱重油技術(shù)的局限性，有必要研究一種利用電磁加熱原理，直接使用沉船油艙外板作為加熱源的重油加熱方法。在沉船水下抽油領(lǐng)域，電磁加熱技術(shù)尚沒有成熟的應(yīng)用。由于沉船環(huán)境往往十分復(fù)雜，難以在油艙內(nèi)部布設(shè)加熱管，考慮到油艙外板均是鋼板，可以在交變磁場的作用下產(chǎn)生渦流發(fā)熱，進而加熱重油。

1 電磁加熱原理

1.1 電磁場數(shù)學(xué)模型

感應(yīng)加熱電磁場的控制方程由Maxwell方程組描述，包括4個定律：安培環(huán)路定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、高斯電通定律和高斯磁通定律。微分形式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，H—— 磁場強度矢量,A/m

Js—— 源電流密度矢量，A/m2

B—— 磁感應(yīng)強度矢量/Wb/m2

ρ—— 電荷體密度C/m3

同時滿足以下關(guān)系：

(5)

(6)

式中，μ—— 磁導(dǎo)率，H/m

ε—— 介電常數(shù)，F(xiàn)/m

本研究鋼板表面任意一點的磁場強度為：

(7)

I—— 電流，A

Li—— 第i個線圈的線積分

r—— 空間點與電流元間的距離

1.2 渦流生熱數(shù)學(xué)模型

根據(jù)對稱性原理，鋼板上任意點的磁場強度大小為該點到線圈圓心距離的函數(shù)，半徑為r的圓形范圍內(nèi)的磁通量：

(8)

(9)

式中，σ—— 鋼板的電導(dǎo)率，S/m

ε—— 感應(yīng)電動勢

D—— 鋼板厚度

r—— 任意計算點與線圈圓心的距離

2 重油加熱熱力學(xué)仿真

對于水下重油加熱分析使用流體軟件進行數(shù)值分析，上述兩種模型均需要在計算中應(yīng)用。其中穩(wěn)態(tài)熱模型可快速模擬分析油艙內(nèi)重油在給定熱源溫度后油艙溫度場的變化，瞬態(tài)熱可模擬油艙溫度場隨時間的變化。兩項模擬對重油加熱作業(yè)熱源布置都有重要意義，為安全抽油提供支持[12]。

2.1 重油參數(shù)

油品的黏度與溫度呈線性關(guān)系，溫度越高黏度越低，越有利于抽油，從煙臺打撈局10月中在營口海上抽油作業(yè)，環(huán)境溫度5 ℃，油品的溫度加熱到12 ℃即可滿足油泵的抽油的黏度，實驗用1500 s重油油品參數(shù)如表1所示[13]。

表1 1500 s重燃料油參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬

基于上述參數(shù)進行數(shù)值計算，考慮自然水冷效果，結(jié)合同期陸地測試數(shù)據(jù)，電磁加熱器可以在短時間內(nèi)將船板局部加熱至最高溫度90 ℃，我們從最右側(cè)艙板被加熱至最高溫度時開始，采用瞬態(tài)有限體積分析，進行電磁加熱二維數(shù)值模擬，計算結(jié)果如下。

從熱分析溫度梯度云圖可以看出加熱溫度衰減非?？欤跓嵩锤浇?，溫度與加熱棒溫度相近，隨著距離的增加，溫度急速衰減，線圈半長切面處溫度輻射距離最大，油溫升高10.0 ℃以上輻射距離約1400 mm，溫度變化如圖2所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，可以預(yù)測，在實際實驗中，穩(wěn)態(tài)下的溫度應(yīng)該呈現(xiàn)比較明顯的環(huán)狀梯度分布，溫度隨著距離的衰減會比較大根據(jù)仿真結(jié)果，可以預(yù)測，在實際實驗中，穩(wěn)態(tài)下的溫度應(yīng)該呈現(xiàn)比較明顯的環(huán)狀梯度分布，溫度隨著距離的衰減會比較大，如圖3所示。

1.油箱壁 2.線圈所在位置 3.重油

圖2 重油加熱溫度梯度表

圖3 數(shù)值計算溫度衰減曲線表(局部)

3 重油電磁感應(yīng)加熱實驗

3.1 實驗裝置

沉船重油電磁加熱系統(tǒng)的原理如圖5所示，潛水員通過探摸得到沉船油艙的準確位置后，在油艙外板表面固定安裝感應(yīng)線圈，線圈外層包覆耐高溫絕緣材料，通過電纜與位于作業(yè)母船甲板上的交流電源連接，電源接通后，線圈內(nèi)的交變電流產(chǎn)生垂直于鋼板的交變磁場，由于電磁感應(yīng)原理，鋼板內(nèi)產(chǎn)生渦流，電能轉(zhuǎn)換成熱能從而溫度迅速升高，熱量傳遞給船艙內(nèi)的重油從而實現(xiàn)重油快速加熱[14-15]。

圖5 電磁加熱重油系統(tǒng)

為驗證電磁加熱重油技術(shù)的可行性，利用重油艙模型進行模擬實驗。重油艙模型及電磁加熱線圈如圖4所示，重油艙模型尺寸為1200 mm×1200 mm×1000 mm，內(nèi)裝有1 m3重油，電磁加熱線圈貼近油艙鋼板固定在側(cè)下方，線圈內(nèi)接交流電源，最大功率為50 kW，重油內(nèi)設(shè)計位置安裝溫度傳感器，實時監(jiān)測內(nèi)部溫度變化，同時使用紅外測溫儀監(jiān)測重油表面的溫度數(shù)值。

1.傳感器定位桿 2.重油艙模型 3.電磁加熱線圈

如圖6和表2所示，在模擬油箱中布置了六個測溫點，1～4號測溫點在油箱的一條中軸線上，距離線圈100，300，600，1100 mm，5、6號測溫點在中軸線距離線圈700 mm處，距離線圈的直線距離為800 mm和850 mm。深度均為400 mm。在各測溫點布置LCD-DTM280型溫度傳感器，傳感器參數(shù)如表3所示。

圖6 重油加熱實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖(俯視)

表2 各測試點到熱源距離

表3 LCD-DTM280溫度傳感器參數(shù)

3.2 實驗過程

實驗裝置安裝完成后，利用吊機將油艙放至海水中，使海面略高于重油液面，隨后接通電源，讀取溫度傳感器的顯示溫度，并實時測量重油表面不同位置的溫度變化情況，待所有測溫點的溫度保持穩(wěn)定后停止加熱，實驗結(jié)束。

圖7 實驗現(xiàn)場圖(吊裝中)

3.3 實驗結(jié)果與討論

各測溫點溫度隨時間變化情況如下：

在整個實驗過程中，電源接通后，艙壁溫度迅速達到極限溫度，并開始加熱重油。如圖8所示，電磁加熱工作后，6個監(jiān)測點開始逐漸升溫，距離最近的1號測溫點(100 mm)處在4 min時達到最高溫度55 ℃，距離最遠的4號測溫點(1100 mm)處也會在30分鐘后達到穩(wěn)定的溫度，但由于距離的原因，這個溫度衰減到30 ℃，這個結(jié)果與仿真的結(jié)果在點4、5、6處有細微的差別。這是因為艙體的鋼板相對于重油具有良好的導(dǎo)熱性，加熱時，雖然存在嚴重的自然對流散失，但它們的溫度仍然高于環(huán)境溫度，這對整個加熱有著正向的作用，這種差異的出現(xiàn)是正常的。

圖8 模型實驗各測溫點溫度變化情況

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，1號測溫點溫度最高值維持在55 ℃左右不再隨時間變化，主要受電磁生成器功率限制，另外低溫海水對電磁加熱的鋼板產(chǎn)生自然水冷的效果，但是對于加熱油品來說這樣的“負”效果是有益的，即防止油溫過高而發(fā)生危險。受以上因素影響，結(jié)合如圖9所示的實驗結(jié)果，我們可以判斷出，距離線圈最近處為溫度最高點，距離越遠，距離海水越近，海水的冷卻效果越明顯，加熱效果越差，加熱溫度出現(xiàn)了明顯的衰減，距離110 cm處，溫度降低至30 ℃，溫度衰減達到45.5%。

圖9 實驗溫度衰減曲線表

4 結(jié)論

為了研究電磁加熱重油時性能，我們建立了電磁加熱重油的數(shù)值模型，并進行了實際的加熱實驗，對比研究了電磁加熱的加熱性能，得到了以下結(jié)論：

(1) 電磁感應(yīng)相對于傳統(tǒng)的加熱方式效率更高，可以用較小的功率(50 kW)在較短的時間(30 min)內(nèi)將較大體積(1.44 m3)的重油加熱到較高溫度(30 ℃)；

(2) 在油箱中，重油的溫度梯度是以加熱線圈附近鋼板為中心的放射狀分布，加熱達到的穩(wěn)定溫度隨著距離的增加有明顯的衰減，溫度最高處(55 ℃)與最低處(30 ℃)為溫度相差45.5%；

(3) 在油箱中，重油達到最高溫度的時間隨著與鋼板中心距離的增加而增加，最遠處達到平衡的時間是最近處的5倍以上。在工程上，我們可以結(jié)合結(jié)論2、3對電磁加熱線圈進行合理布置，達到最好的工程效果。

在國家大力施行交通強國戰(zhàn)略的背景下，保障海上交通安全、提高海上事故應(yīng)急處置能力的重要性凸顯，因此沉船事故發(fā)生時的抽油速度亟待提高，水下重油的加熱速度是其中的重要一環(huán)。通過以上理論分析及模型實驗可以看出，基于電磁加熱原理的沉船外板加熱重油技術(shù)在沉船打撈抽油領(lǐng)域有一定的可行性。該重油加熱技術(shù)具有高效、簡易的優(yōu)點，與沉船打撈作業(yè)中海況復(fù)雜、水下作業(yè)難度大的特點相適應(yīng)。以此為理論基礎(chǔ)，開發(fā)出適用于水深大、效率高、安全可靠、可在實際打撈工程中應(yīng)用的重油加熱裝置，具有十分重要的現(xiàn)實意義。