沉船重油电磁感应加热仿真与实验研究

张 伟， 冯志强， 黄柱林

(1.交通运输部烟台打捞局技术中心，山东 烟台 264012； 2.大连海事大学船舶与海洋工程学院， 辽宁 大连 116026)

引言

当船舶发生搁浅、沉没等事故时，为避免或减少燃油泄漏对海洋生态环境的污染，需要及时将事故船舶中的燃油抽吸出来并过驳到安全船只内。对于船用重油，由于其黏度大，在低温环境下流动性差，难以完成抽油作业，因此需要将重油加热到一定温度，黏度满足条件后才能进行抽油作业[1]。目前对重油通常的加热方法是向油舱内注入高温水蒸汽，或在油舱内布设蒸汽加热盘管，利用水蒸气的热量加热重油[2]。但这种方法需要配套大型蒸汽发生锅炉，管路连接复杂，潜水员水下安装难度大；由于水蒸气的比热小，蒸汽加热的效率比较低，尤其对于水深较大的情况，水蒸气的热量由于管路长度的增加而损失明显，加热效率下降；高温蒸汽能够输送到的水深受限于锅炉能够提供的压力[3]。使用热仿真技术并将结果指导设备优化是常用的研究方法及技术手段，熊凌鹄等有限元进行电热仿真[4]；李鑫鑫等使用有限元进行管路、管道热仿真[5-6]；李阁强等进行了油气-刚体二相热力仿真[7]；陈家浩等使用有限元进行了液压有散热仿真[8]。电磁加热技术在船舶制造和船舶燃油加热领域有一定的应用，国内学者开展了一系列研究，张勇等进行了电磁感应管状结构加热研究及验证[9]；王园武研究了感应线圈参数对钢板温度场的影响及线圈尺寸选取的问题，建立了电磁加热钢板的数学模型[10]；刘肖对基于HIS调节的船用重油加热器进行了研究与设计，并对输油管道的结构和材质进行了仿真[11]。

与传统的蒸汽加热方法相比，采用电磁加热技术进行重油加热具有显著优点，主要包括以下三个方面：

(1) 结构简单，易于操作。该技术利用沉船外板作为加热源，无需额外发热装置，只需要在沉船表面安装感应线圈，结构简单，大大减轻了潜水员或ROV的工作量。同时加热阶段无需对油舱开孔，减少了燃油泄漏的风险。

(2) 加热效率高，易于控制。感应线圈接通电源后，该加热系统能够瞬间达到所需的最大功率，钢板温度可在短时间内升至数百摄氏度，且与重油直接接触进行热量传递，因此加热重油的效率高，与之相比，蒸汽加热管的温度上限为蒸汽温度，且加热重油需要高温蒸汽-加热管-重油两个阶段，导致加热效率较低。此外，电磁加热的功率可通过调整电流大小进行调节，易于进行温度控制。

(3) 不受水深限制。加热装置与电源通过电缆连接，电流传输过程中的损耗可以忽略，因此该系统的加热效率几乎不受水深的影响，相比之下蒸汽加热需要考虑输出压力及热量损失两方面的影响，导致工作水深受限。

鉴于高温蒸汽加热重油技术的局限性，有必要研究一种利用电磁加热原理，直接使用沉船油舱外板作为加热源的重油加热方法。在沉船水下抽油领域，电磁加热技术尚没有成熟的应用。由于沉船环境往往十分复杂，难以在油舱内部布设加热管，考虑到油舱外板均是钢板，可以在交变磁场的作用下产生涡流发热，进而加热重油。

1 电磁加热原理

1.1 电磁场数学模型

感应加热电磁场的控制方程由Maxwell方程组描述，包括4个定律：安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯电通定律和高斯磁通定律。微分形式为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，H—— 磁场强度矢量,A/m

Js—— 源电流密度矢量，A/m2

B—— 磁感应强度矢量/Wb/m2

ρ—— 电荷体密度C/m3

同时满足以下关系：

(5)

(6)

式中，μ—— 磁导率，H/m

ε—— 介电常数，F/m

本研究钢板表面任意一点的磁场强度为：

(7)

I—— 电流，A

Li—— 第i个线圈的线积分

r—— 空间点与电流元间的距离

1.2 涡流生热数学模型

根据对称性原理，钢板上任意点的磁场强度大小为该点到线圈圆心距离的函数，半径为r的圆形范围内的磁通量：

(8)

(9)

式中，σ—— 钢板的电导率，S/m

ε—— 感应电动势

D—— 钢板厚度

r—— 任意计算点与线圈圆心的距离

2 重油加热热力学仿真

对于水下重油加热分析使用流体软件进行数值分析，上述两种模型均需要在计算中应用。其中稳态热模型可快速模拟分析油舱内重油在给定热源温度后油舱温度场的变化，瞬态热可模拟油舱温度场随时间的变化。两项模拟对重油加热作业热源布置都有重要意义，为安全抽油提供支持[12]。

2.1 重油参数

油品的黏度与温度呈线性关系，温度越高黏度越低，越有利于抽油，从烟台打捞局10月中在营口海上抽油作业，环境温度5 ℃，油品的温度加热到12 ℃即可满足油泵的抽油的黏度，实验用1500 s重油油品参数如表1所示[13]。

表1 1500 s重燃料油参数

2.2 数值模拟

基于上述参数进行数值计算，考虑自然水冷效果，结合同期陆地测试数据，电磁加热器可以在短时间内将船板局部加热至最高温度90 ℃，我们从最右侧舱板被加热至最高温度时开始，采用瞬态有限体积分析，进行电磁加热二维数值模拟，计算结果如下。

从热分析温度梯度云图可以看出加热温度衰减非常快，在热源附近，温度与加热棒温度相近，随着距离的增加，温度急速衰减，线圈半长切面处温度辐射距离最大，油温升高10.0 ℃以上辐射距离约1400 mm，温度变化如图2所示。

根据仿真结果，可以预测，在实际实验中，稳态下的温度应该呈现比较明显的环状梯度分布，温度随着距离的衰减会比较大根据仿真结果，可以预测，在实际实验中，稳态下的温度应该呈现比较明显的环状梯度分布，温度随着距离的衰减会比较大，如图3所示。

1.油箱壁 2.线圈所在位置 3.重油

图2 重油加热温度梯度表

图3 数值计算温度衰减曲线表(局部)

3 重油电磁感应加热实验

3.1 实验装置

沉船重油电磁加热系统的原理如图5所示，潜水员通过探摸得到沉船油舱的准确位置后，在油舱外板表面固定安装感应线圈，线圈外层包覆耐高温绝缘材料，通过电缆与位于作业母船甲板上的交流电源连接，电源接通后，线圈内的交变电流产生垂直于钢板的交变磁场，由于电磁感应原理，钢板内产生涡流，电能转换成热能从而温度迅速升高，热量传递给船舱内的重油从而实现重油快速加热[14-15]。

图5 电磁加热重油系统

为验证电磁加热重油技术的可行性，利用重油舱模型进行模拟实验。重油舱模型及电磁加热线圈如图4所示，重油舱模型尺寸为1200 mm×1200 mm×1000 mm，内装有1 m3重油，电磁加热线圈贴近油舱钢板固定在侧下方，线圈内接交流电源，最大功率为50 kW，重油内设计位置安装温度传感器，实时监测内部温度变化，同时使用红外测温仪监测重油表面的温度数值。

1.传感器定位杆 2.重油舱模型 3.电磁加热线圈

如图6和表2所示，在模拟油箱中布置了六个测温点，1～4号测温点在油箱的一条中轴线上，距离线圈100，300，600，1100 mm，5、6号测温点在中轴线距离线圈700 mm处，距离线圈的直线距离为800 mm和850 mm。深度均为400 mm。在各测温点布置LCD-DTM280型温度传感器，传感器参数如表3所示。

图6 重油加热实验装置结构示意图(俯视)

表2 各测试点到热源距离

表3 LCD-DTM280温度传感器参数

3.2 实验过程

实验装置安装完成后，利用吊机将油舱放至海水中，使海面略高于重油液面，随后接通电源，读取温度传感器的显示温度，并实时测量重油表面不同位置的温度变化情况，待所有测温点的温度保持稳定后停止加热，实验结束。

图7 实验现场图(吊装中)

3.3 实验结果与讨论

各测温点温度随时间变化情况如下：

在整个实验过程中，电源接通后，舱壁温度迅速达到极限温度，并开始加热重油。如图8所示，电磁加热工作后，6个监测点开始逐渐升温，距离最近的1号测温点(100 mm)处在4 min时达到最高温度55 ℃，距离最远的4号测温点(1100 mm)处也会在30分钟后达到稳定的温度，但由于距离的原因，这个温度衰减到30 ℃，这个结果与仿真的结果在点4、5、6处有细微的差别。这是因为舱体的钢板相对于重油具有良好的导热性，加热时，虽然存在严重的自然对流散失，但它们的温度仍然高于环境温度，这对整个加热有着正向的作用，这种差异的出现是正常的。

图8 模型实验各测温点温度变化情况

从实验数据可以看出，1号测温点温度最高值维持在55 ℃左右不再随时间变化，主要受电磁生成器功率限制，另外低温海水对电磁加热的钢板产生自然水冷的效果，但是对于加热油品来说这样的“负”效果是有益的，即防止油温过高而发生危险。受以上因素影响，结合如图9所示的实验结果，我们可以判断出，距离线圈最近处为温度最高点，距离越远，距离海水越近，海水的冷却效果越明显，加热效果越差，加热温度出现了明显的衰减，距离110 cm处，温度降低至30 ℃，温度衰减达到45.5%。

图9 实验温度衰减曲线表

4 结论

为了研究电磁加热重油时性能，我们建立了电磁加热重油的数值模型，并进行了实际的加热实验，对比研究了电磁加热的加热性能，得到了以下结论：

(1) 电磁感应相对于传统的加热方式效率更高，可以用较小的功率(50 kW)在较短的时间(30 min)内将较大体积(1.44 m3)的重油加热到较高温度(30 ℃)；

(2) 在油箱中，重油的温度梯度是以加热线圈附近钢板为中心的放射状分布，加热达到的稳定温度随着距离的增加有明显的衰减，温度最高处(55 ℃)与最低处(30 ℃)为温度相差45.5%；

(3) 在油箱中，重油达到最高温度的时间随着与钢板中心距离的增加而增加，最远处达到平衡的时间是最近处的5倍以上。在工程上，我们可以结合结论2、3对电磁加热线圈进行合理布置，达到最好的工程效果。

在国家大力施行交通强国战略的背景下，保障海上交通安全、提高海上事故应急处置能力的重要性凸显，因此沉船事故发生时的抽油速度亟待提高，水下重油的加热速度是其中的重要一环。通过以上理论分析及模型实验可以看出，基于电磁加热原理的沉船外板加热重油技术在沉船打捞抽油领域有一定的可行性。该重油加热技术具有高效、简易的优点，与沉船打捞作业中海况复杂、水下作业难度大的特点相适应。以此为理论基础，开发出适用于水深大、效率高、安全可靠、可在实际打捞工程中应用的重油加热装置，具有十分重要的现实意义。