船舶重油加熱方式的優(yōu)化與研究

楊梓強(qiáng)，張存喜，王 瑞，陳冬兵

（1.浙江海洋大學(xué) 海洋工程裝備學(xué)院，舟山316022；2.浙江海洋大學(xué) 船舶與海運(yùn)學(xué)院，舟山 316022）

傳統(tǒng)蒸汽加熱方式目前技術(shù)成熟，本文實(shí)地調(diào)研了建于2021年的TZ GLORY 油船， 發(fā)現(xiàn)船舶大多都采用蒸汽加熱方式對(duì)重油進(jìn)行加熱，這種加熱方式效率低而且加熱速度慢，容易出故障，為了響應(yīng)國(guó)家政策，從節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的理念出發(fā)，需要對(duì)現(xiàn)有的船舶重油加熱裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造與升級(jí)。 目前市場(chǎng)上流行的電加熱方式也可用于船舶重油加熱，但是由于其采用接觸式加熱方式，考慮到安全性和設(shè)備維修費(fèi)用，沒有被廣泛運(yùn)用到船舶加熱。 TZ GLORY 油船沿用了傳統(tǒng)的重油蒸汽加熱方式，但是船舶規(guī)模較大，對(duì)鍋爐所需的蒸發(fā)量也大。隨著對(duì)船舶持續(xù)航行能力要求的不斷提高，在保證滿足負(fù)荷要求的前提下，對(duì)船用鍋爐的蒸汽壓力系統(tǒng)的安全性、實(shí)用性、有效性和經(jīng)濟(jì)性等一系列性能的要求也越來越高，這就對(duì)其控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

本文研究的船用重油管道電磁感應(yīng)加熱，其加熱方式符合節(jié)能減排理念，有利于降低船舶能耗EEDI指數(shù)，促進(jìn)船舶供油系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)[1]。

1 重油加熱方式的優(yōu)化

結(jié)合對(duì)TZ GLORY 油船的研究（圖1 為TZ GLORY油船），本船對(duì)重油的加熱原理是鍋爐中沸水產(chǎn)生的蒸汽再通過管道輸送到船體的各個(gè)部位。 船上的重油被高溫蒸汽加熱，使其粘度降低，然后被泵輸送到船體的各個(gè)供油單元。 其中需要注意的是，重油必須要達(dá)到所需的溫度（50 ℃），以確保重油粘度達(dá)到進(jìn)機(jī)的粘度要求（12～15 mm2/s）。

圖1 TZ GLORY 油船F(xiàn)ig.1 TZ GLORY tanker

由于船舶管道較長(zhǎng)，蒸汽在管道內(nèi)容易散失熱能，所以在蒸汽管道外部包上保溫棉，用于減少蒸汽的熱量損耗，再用鋁箔膠帶纏在保溫棉外用于隔熱，也可以有效防止船員由于不慎觸摸而燙傷。圖2是該油船的鍋爐蒸汽總管分支。

圖2 TZ GLORY 油船鍋爐蒸汽總管分支Fig.2 TZ GLORY tanker boiler steam master branch

TZ GLORY 油船重油處理方式為重油從儲(chǔ)存?zhèn)}到澄清倉(cāng)進(jìn)行凈化處理，通過分油機(jī)將重油進(jìn)行過濾，將油渣分離出去，剩下的通過泵輸送到燃油日用柜，再?gòu)娜加腿沼霉褫斔偷酱肮┯蛦卧斔偷街鳈C(jī)。 由于各個(gè)環(huán)節(jié)重油都需要保持一定的溫度來確保重油的粘度（12～15 mm2/s），重油粘度過高會(huì)導(dǎo)致泵無法抽取，重油無法輸送到下個(gè)環(huán)節(jié)，所以整個(gè)重油加熱方式都是采用鍋爐蒸汽加熱方式。 由于船體對(duì)燃油日用柜的重油溫度控制精度要求較高，且要保證重油到達(dá)主機(jī)前能達(dá)到燃燒要求，本文對(duì)TZ GLORY 重油加熱方式環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，如圖3 所示。 將燃油日用柜與供油單元的油管和供油單元到主機(jī)的油管道繞上線圈，逆變器輸出的中高頻交流電通過線圈，由于電磁感應(yīng)原理，油管壁在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生渦流。 被加熱的油管壁將熱能傳導(dǎo)至管內(nèi)的重油，這種加熱方式線圈直接環(huán)繞在船舶供油單元輸油管道上進(jìn)行加熱。 電磁感應(yīng)加熱方式相比蒸汽加熱升溫速度快，加熱部位精準(zhǔn)，加熱溫度容易控制[2]。

圖3 船舶重油加熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖Fig.3 Schematic diagram of optimization of heavy oil heating structure of ships

這種加熱方式安裝比較方便，而且設(shè)備使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低，是一種綠色環(huán)保型加熱方式。 電磁感應(yīng)加熱替代原有的蒸汽加熱，只需在重油進(jìn)機(jī)輸油管道上環(huán)繞電磁感應(yīng)加熱線圈即可實(shí)現(xiàn)重油加熱控制，操作簡(jiǎn)單且安裝方便。

2 電磁感應(yīng)加熱

本文將TZ GLORY 油船原本的單通道油管道改為三通油管，并且在3 條油管道上都繞上電磁線圈，如圖4 所示。 其中，油管道外壁繞著通電線圈，將逆變器輸出的中高頻交流電通過線圈，由于電磁感應(yīng)原理，油管壁在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生渦流進(jìn)而加熱管內(nèi)的重油，重油經(jīng)過泵，輸送到船舶各個(gè)供油環(huán)節(jié)，這樣可以對(duì)重油進(jìn)行更加精確且高效率的加熱。 圖5 為油管路的局部放大圖。

圖4 電磁感應(yīng)線圈示意圖Fig.4 Schematic diagram of electromagnetic induction coil

圖5 油管路局部圖Fig.5 Partial diagram of the oil pipeline

相比現(xiàn)有的船舶重油加熱方式，電磁感應(yīng)加熱是將逆變器輸出的中高頻交流電通過電磁感應(yīng)加熱線圈， 線圈直接環(huán)繞在船舶輸油管道上進(jìn)行加熱。 電磁感應(yīng)加熱方式相比電加熱升溫速度快，加熱部位精準(zhǔn)，加熱溫度容易控制[3]，而且設(shè)備使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低，是一種綠色環(huán)保型加熱方式。 電磁感應(yīng)加熱器替代原有的鍋爐，只需在重油進(jìn)機(jī)輸油管道上環(huán)繞電磁感應(yīng)加熱線圈即可實(shí)現(xiàn)重油加熱控制，減少了工作流程以及加熱裝置體積，從而節(jié)省船舶供油單元空間，更快速高效將重油進(jìn)機(jī)粘度控制在12～15 mm2/s 之間， 保證重油良好霧化與噴射質(zhì)量[4]。

3 電磁感應(yīng)加熱優(yōu)點(diǎn)分析

由于該方式采取電磁感應(yīng)加熱，這種加熱方式相比現(xiàn)有的蒸汽加熱，明顯減少了工作流程以及重油加熱裝置體積，可以節(jié)省船舶供油單元的空間。而且這種加熱方式比較安全，相比于蒸汽加熱燃燒鍋爐水加熱重油，電磁感應(yīng)加熱重油升溫速度快，加熱部位精準(zhǔn)，加熱溫度容易控制，是綠色環(huán)保的加熱方式。

雖然重油電磁感應(yīng)加熱方式是間接加熱，但是由目前電磁感應(yīng)加熱設(shè)備的使用數(shù)據(jù)可知其電效率可高達(dá)90%[5]， 所以電磁感應(yīng)加熱方式的整體熱效率要比傳統(tǒng)的電加熱方式要高。 除此之外，電磁感應(yīng)加熱是通過感應(yīng)線圈對(duì)輸油管道進(jìn)行加熱，感應(yīng)線圈的拆裝比較方便，故障容易排除，相比電加熱操作方便，節(jié)約安裝維護(hù)成本；由于電磁感應(yīng)加熱是非接觸式加熱， 感應(yīng)加熱線圈本身不發(fā)熱，可以顯著降低作業(yè)環(huán)境溫度，所以電磁感應(yīng)加熱設(shè)備安全性高，使用壽命長(zhǎng)[6]。

綜上所述，在目前航運(yùn)業(yè)低迷的情況下，船運(yùn)企業(yè)要想減少虧損或者進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)盈利，同時(shí)還要響應(yīng)海運(yùn)行業(yè)節(jié)能減排號(hào)召，必須自主研發(fā)有利于船舶節(jié)能減排的新技術(shù)，制定船舶能耗精細(xì)化管理以及降低船舶EEDI 指數(shù)[7]的新方案。

4 結(jié)語

本文在考察了TZ GLORY 油船的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有船舶加熱存在的問題和缺陷提供了一種可行的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。 出于對(duì)重油粘度高的特點(diǎn)，重油在進(jìn)入船舶每個(gè)環(huán)節(jié)都必須要進(jìn)行預(yù)熱，這也是船舶供油系統(tǒng)控制重油粘度的關(guān)鍵步驟。目前船舶供油單元加熱重油都采用蒸汽加熱方法[8]。蒸汽加熱由鍋爐蒸汽提供熱量，手動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽閥開度控制重油溫度，此方法存在操作不便、加熱慢、效率低等問題，同時(shí)船上鍋爐燃燒產(chǎn)生的廢氣對(duì)環(huán)境不利。

船舶節(jié)能減排可以從改善結(jié)構(gòu)和引入新技術(shù)研發(fā)等方面入手，針對(duì)傳統(tǒng)船舶蒸汽加熱重油的方式效率低、加熱慢、故障率高等缺點(diǎn)，從節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的理念出發(fā)對(duì)船舶重油加熱裝置進(jìn)行了改造與升級(jí)。 采用節(jié)能環(huán)保的電磁感應(yīng)加熱方式，替代原有的蒸汽加熱。 電磁感應(yīng)加熱是將逆變器輸出的中高頻交流電通過電磁感應(yīng)加熱線圈，線圈直接環(huán)繞在船舶供油單元輸油管道上進(jìn)行加熱。 電磁感應(yīng)加熱方式相比電加熱升溫速度快，加熱部位精準(zhǔn)，加熱溫度容易控制，加熱器安裝也比較方便，而且設(shè)備使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低，是一種綠色環(huán)保型加熱方式。