船舶供油單元輔助電磁感應加熱方法研究

劉 肖，陳 明，陳 寧

(1.江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江 212003；2.海軍駐江蘇科技大學選委辦，江蘇 鎮江 212003)

?

船舶供油單元輔助電磁感應加熱方法研究

劉 肖1，陳 明2，陳 寧1

(1.江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江 212003；2.海軍駐江蘇科技大學選委辦，江蘇 鎮江 212003)

針對船用燃油供油單元輔助EHS電加熱所存在的缺點，設計了一種新型燃油粘度控制裝置，根據電磁感應加熱原理，將IGBT逆變開關輸出的高頻電流通過加熱線圈對燃油管道進行加熱。電磁感應加熱裝置能夠依據測定燃油粘度與設定值的偏差調節加熱功率，實現燃油粘度的快速、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對其進行仿真分析。在船舶航行期間，廢氣鍋爐蒸汽不足時由電磁感應加熱替代鍋爐燃燒產生加熱介質保證燃油的溫度，使船舶正常航行，從而節約船舶能耗。

船用燃油;供電單元;電磁加熱； IGBT逆變；高頻

0 引言

船舶主機燃油粘度控制是船舶燃油系統的重要組成部分。為降低船舶營運成本，合理利用石油資源，目前，低速柴油機船舶多采用重油燃料。然而，重油成分復雜，雜質多，發火性差，粘度高，在使用中易引發主機缸套磨損，燃燒不充分，進而影響動力系統的運行工況。所以加強船舶燃油系統的管理，特別是燃油粘度的控制至關重要[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，研究了一種新型燃油粘度控制裝置，利用電磁感應加熱原理，將IGBT逆變開關輸出的高頻電流通過加熱線圈對燃油管道進行加熱[2]，控制燃油粘度在12～14 mm2/s之間，保證燃燒輸送與噴射質量。該裝置能夠依據測定的燃油粘度與設定值的偏差調節加熱功率，實現燃油粘度的快速、高效控制。同時電磁感應加熱方式運行可靠、故障率低、綠色環保。

1 研究方法

1.1 電磁感應電加熱和EHS電加熱原理

傳統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，EHS電加熱模塊的主要部件是管殼式電加熱器，它是一種循環式電加熱器，是通過強迫對流的方式對流動介質進行加熱，由浸入式電加熱器裝入壓力容器內組成。燃油輔助EHS電加熱裝置是一種與蒸汽加熱器通過相關管路、閥門并聯安裝在主副機燃油供油單元上的設備。它與蒸汽加熱器互為備用，由主配電板專用開關通過專用電纜送電，每臺電加熱器內部有幾組發熱絲組成，總功率為幾十千瓦。在船舶主機降速運行時，如果燃油/廢氣組合鍋爐產生的蒸汽不足以加熱燃油時，視情況將發熱絲投入使用，滿足加熱燃油之需。燃油供油單元見圖1。

電磁感應加熱的原理是感應加熱電源產生的交變電流通過感應器(即線圈)產生交變磁場[3]，導磁性物體置于其中切割交變磁力線，從而在物體內部產生交變的電流(即渦流)，渦流使物體內部的原子高速無規則運動，原子互相碰撞、摩擦而產生熱能，從而起到加熱物品的效果，即是通過把電能轉化為磁能，使被加熱鋼體感應到磁能而發熱的一種加熱方式。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方式加熱的效率低、加熱慢、故障率高等缺點[4]。

因此電磁感應加熱與EHS電加熱相比，具有效率高、加熱快、故障率低等優點。

1.2 電磁感應加熱和EHS電加熱區別

1.2.1 電磁感應加熱比EHS電加熱效率高

傳統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和空氣熱對流上。而電磁感應加熱技術的熱效率能夠達到90%，使加熱效率提高了1倍。理論上節電效果可達到50%以上，但考慮到不同質量的電磁感應加熱控制器的能量轉換效率是不太相同的，以及不同的生產設備和環境，所有電磁加熱比電加熱節能的效果一般至少能夠達到30%。

1.重油柴油轉換 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 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 12.自動排氣閥 13.混油筒 14.循環泵 15.加熱器 16.壓力變送器、循環泵 17.溫度傳感器 18.粘度傳感器 19.主機壓力控制閥

1.2.2 電磁感應加熱比EHS電加熱加熱快

傳統的電阻絲加熱原理是電阻絲本身產生高溫后熱量再慢慢傳導到燃油中，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。而高頻加熱系統的工作原理是使金屬油管自身發熱，熱能是油管整體產生，燃油均勻受熱，明顯改善了加熱的質量且提高了加熱速度。

1.2.3 電磁感應加熱比EHS電加熱故障率低

電磁感應加熱設備運行可靠.由于高頻加熱系統本身不發熱，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現燃油粘度控制。由于電阻絲金屬本身在高溫下會快速揮發，迅速老化而失效，所以傳統電阻絲需要不定期的更換。而高頻感應加熱系統的特點是只有被感應的油管金屬內部才產生高溫加熱，自身電損耗小，所以功率大時也不影響高頻加熱系統的使用壽命，還可以根據自身需要來調節使用功率[5]。圖2為電磁感應加熱設備方案圖。

圖2 電磁感應加熱設備方案

2 仿真分析及試驗

2.1 仿真分析

研究過程中以7 kW固定功率的電磁感應加熱機的頻率作為研究對象，考察不同頻率感應電流密度的變化關系。利用多物理場仿真COMSOL Multiphysics[6]采用5組不同頻率進行研究分析，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時單匝線圈產生的感應電流分布圖。從圖中可以得出，隨著電流頻率的增加，感流應電密度越高，同時被加熱金屬感應電流越集中在金屬表層。

圖3 10 Hz單匝線圈感應電流分布

圖4 100 Hz單匝線圈感應電流分布

圖5 1 000 Hz單匝線圈感應電流分布

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

由圖3至圖9對比分析，可得出如下結論：

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

圖6 10 kHz單匝線圈感應電流分布

圖7 10 kHz多匝線圈感應電流分布

圖8 20 kHz多匝線圈感應電流分布

(2)當頻率增加到20 kHz時，感應產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。

(3)當頻率為20 kHz時，被加熱金屬表層的感應電流密度可達到7.42×104A/m2，根據加熱效果可通過改變加熱功率來調節，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 試驗設計

試驗采用7 kW、20 kHz電磁感應加熱機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規格輸油管，還包括浮子流量計、壓力表、測溫計、冷排、測溫水箱、冷卻水箱等。

圖9 20 kHz多匝線圈感應電流分布3D

電磁感應加熱方案示意圖如圖10所示。電磁感應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。電磁感應加熱機工作的同時往復泵也開始工作，使燃油以脈動流形式被加熱，從而燃油受熱均勻，保證燃燒質量。根據保溫測量裝置得出的燃油溫度，調整加熱器的頻率、功率以及輸油量。電磁感應加熱裝置如圖11所示。

圖10 電磁感應加熱方案示意

3 技術內容

3.1 電磁感應加熱機主要技術參數

電磁感應加熱機主要技術參數：單相電壓220V，頻率50～60 Hz，最大換熱功率7 kW；重油進口溫度100 ℃，重油出口溫度120 ℃。

圖11 電磁感應加熱裝置

3.2 燃油加熱模塊的特點

模塊的主要部件是國內原裝大功率電磁感應加熱器，它是一種外置加熱器，感應加熱電源產生的交變電流通過感應線圈產生交變磁場，燃油管道置于其中切割交變磁力線，從而在物體內部產生交變的渦流，渦流使物體管道內部的原子高速無規則運動，原子互相碰撞、摩擦而產生熱能，從而起到加熱燃油的效果。工作時，用往復泵把流動燃油泵進加熱管道進行加熱，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、應用范圍寬、適應性強、壽命長、可靠性高等優點。

3.3 模塊的安全保護措施

3.3.1 超溫控制裝置

在電磁感應加熱器中裝有超溫控制裝置作為電磁感應加熱器的保護裝置。當電磁感應加熱器的發熱元件超溫時，發熱元件獨立的過熱保護裝置立即切斷加熱電源，避免電磁感應加熱器中的加熱材料超溫引起結焦、變質及碳化，嚴重時導致電磁感應加熱器中的發熱元件燒壞，有效延長電磁感應加熱器使用壽命。同時要求切斷電源后需手動復位，方可接通加熱器電源。

3.3.2 高溫斷開

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

3.3.3 防空燒

電磁感應加熱器的安全使用非常重要。操作時必須保證管道內有被加熱流體通過，通過往復泵的運行、燃油管道出口壓力、燃油管道出口流量開關等，保證電磁感應加熱器處于非空燒狀態。

4 結論

(1)溫暖天氣時，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加熱器裝置加熱燃油供靠/離碼頭(根據錨地距離決定)。

(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到90 ℃，主機燃油循環加熱、副機燃油供應不需要點鍋爐供汽加溫，電磁感應加熱器調節到一定功率即可滿足燃油加熱要求。副機5 d內不需要點爐加溫，只要燃油日用柜油溫達到50℃以上，就能滿足副機停泊使用燃油加溫要求，足夠副機停泊單機運轉。

(3) 需要使用分油機分油補充日用柜燃油油量時，則點鍋爐提供蒸汽加溫，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副機使用的燃油量。

(4) 天氣寒冷時，需要點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取暖，此時可通過各蒸汽閥開度控制燃油艙和沉淀柜保溫蒸汽用量，采用壓火間歇點爐，減少鍋爐燃燒時間。

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

該電磁感應加熱裝置應用后，可以節約燃油，減少燃油/廢氣鍋爐的使用時間，減少硫氧化物、氮氧化物等污染物的排放量，保護環境。現有船舶若要加裝該燃油電磁感應加熱裝置，由于只需額外安裝電磁感應加熱器，加熱線圈環繞燃油管道即可實現加熱效果，因此應用方便。

[1] 鄭鳳閣.輪機自動化[M].大連:大連海事大學出版社，1998.

[2] 趙亞軍. 電磁感應加熱技術的研究與應用[D].西安：西北工業大學，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系列管道電磁感應加熱設備[J]. 石油科技論壇，2014(2):68-69，72.

2016-09-02

劉肖(1990—)，男，碩士研究生，從事輪機設備與系統設計研究；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，從事輪機設備與系統設計研究。

U664.81+2

A