船舶重油加热方式的优化与研究

杨梓强，张存喜，王 瑞，陈冬兵

（1.浙江海洋大学 海洋工程装备学院，舟山316022；2.浙江海洋大学 船舶与海运学院，舟山 316022）

传统蒸汽加热方式目前技术成熟，本文实地调研了建于2021年的TZ GLORY 油船， 发现船舶大多都采用蒸汽加热方式对重油进行加热，这种加热方式效率低而且加热速度慢，容易出故障，为了响应国家政策，从节能减排、保护环境的理念出发，需要对现有的船舶重油加热装置进行结构改造与升级。 目前市场上流行的电加热方式也可用于船舶重油加热，但是由于其采用接触式加热方式，考虑到安全性和设备维修费用，没有被广泛运用到船舶加热。 TZ GLORY 油船沿用了传统的重油蒸汽加热方式，但是船舶规模较大，对锅炉所需的蒸发量也大。随着对船舶持续航行能力要求的不断提高，在保证满足负荷要求的前提下，对船用锅炉的蒸汽压力系统的安全性、实用性、有效性和经济性等一系列性能的要求也越来越高，这就对其控制系统提出了更高的要求。

本文研究的船用重油管道电磁感应加热，其加热方式符合节能减排理念，有利于降低船舶能耗EEDI指数，促进船舶供油系统转型升级[1]。

1 重油加热方式的优化

结合对TZ GLORY 油船的研究（图1 为TZ GLORY油船），本船对重油的加热原理是锅炉中沸水产生的蒸汽再通过管道输送到船体的各个部位。 船上的重油被高温蒸汽加热，使其粘度降低，然后被泵输送到船体的各个供油单元。 其中需要注意的是，重油必须要达到所需的温度（50 ℃），以确保重油粘度达到进机的粘度要求（12～15 mm2/s）。

图1 TZ GLORY 油船Fig.1 TZ GLORY tanker

由于船舶管道较长，蒸汽在管道内容易散失热能，所以在蒸汽管道外部包上保温棉，用于减少蒸汽的热量损耗，再用铝箔胶带缠在保温棉外用于隔热，也可以有效防止船员由于不慎触摸而烫伤。图2是该油船的锅炉蒸汽总管分支。

图2 TZ GLORY 油船锅炉蒸汽总管分支Fig.2 TZ GLORY tanker boiler steam master branch

TZ GLORY 油船重油处理方式为重油从储存仓到澄清仓进行净化处理，通过分油机将重油进行过滤，将油渣分离出去，剩下的通过泵输送到燃油日用柜，再从燃油日用柜输送到船舶供油单元输送到主机。 由于各个环节重油都需要保持一定的温度来确保重油的粘度（12～15 mm2/s），重油粘度过高会导致泵无法抽取，重油无法输送到下个环节，所以整个重油加热方式都是采用锅炉蒸汽加热方式。 由于船体对燃油日用柜的重油温度控制精度要求较高，且要保证重油到达主机前能达到燃烧要求，本文对TZ GLORY 重油加热方式环节进行改进，如图3 所示。 将燃油日用柜与供油单元的油管和供油单元到主机的油管道绕上线圈，逆变器输出的中高频交流电通过线圈，由于电磁感应原理，油管壁在磁场的作用下产生涡流。 被加热的油管壁将热能传导至管内的重油，这种加热方式线圈直接环绕在船舶供油单元输油管道上进行加热。 电磁感应加热方式相比蒸汽加热升温速度快，加热部位精准，加热温度容易控制[2]。

图3 船舶重油加热结构优化示意图Fig.3 Schematic diagram of optimization of heavy oil heating structure of ships

这种加热方式安装比较方便，而且设备使用寿命长，维护成本低，是一种绿色环保型加热方式。 电磁感应加热替代原有的蒸汽加热，只需在重油进机输油管道上环绕电磁感应加热线圈即可实现重油加热控制，操作简单且安装方便。

2 电磁感应加热

本文将TZ GLORY 油船原本的单通道油管道改为三通油管，并且在3 条油管道上都绕上电磁线圈，如图4 所示。 其中，油管道外壁绕着通电线圈，将逆变器输出的中高频交流电通过线圈，由于电磁感应原理，油管壁在磁场的作用下产生涡流进而加热管内的重油，重油经过泵，输送到船舶各个供油环节，这样可以对重油进行更加精确且高效率的加热。 图5 为油管路的局部放大图。

图4 电磁感应线圈示意图Fig.4 Schematic diagram of electromagnetic induction coil

图5 油管路局部图Fig.5 Partial diagram of the oil pipeline

相比现有的船舶重油加热方式，电磁感应加热是将逆变器输出的中高频交流电通过电磁感应加热线圈， 线圈直接环绕在船舶输油管道上进行加热。 电磁感应加热方式相比电加热升温速度快，加热部位精准，加热温度容易控制[3]，而且设备使用寿命长，维护成本低，是一种绿色环保型加热方式。 电磁感应加热器替代原有的锅炉，只需在重油进机输油管道上环绕电磁感应加热线圈即可实现重油加热控制，减少了工作流程以及加热装置体积，从而节省船舶供油单元空间，更快速高效将重油进机粘度控制在12～15 mm2/s 之间， 保证重油良好雾化与喷射质量[4]。

3 电磁感应加热优点分析

由于该方式采取电磁感应加热，这种加热方式相比现有的蒸汽加热，明显减少了工作流程以及重油加热装置体积，可以节省船舶供油单元的空间。而且这种加热方式比较安全，相比于蒸汽加热燃烧锅炉水加热重油，电磁感应加热重油升温速度快，加热部位精准，加热温度容易控制，是绿色环保的加热方式。

虽然重油电磁感应加热方式是间接加热，但是由目前电磁感应加热设备的使用数据可知其电效率可高达90%[5]， 所以电磁感应加热方式的整体热效率要比传统的电加热方式要高。 除此之外，电磁感应加热是通过感应线圈对输油管道进行加热，感应线圈的拆装比较方便，故障容易排除，相比电加热操作方便，节约安装维护成本；由于电磁感应加热是非接触式加热， 感应加热线圈本身不发热，可以显著降低作业环境温度，所以电磁感应加热设备安全性高，使用寿命长[6]。

综上所述，在目前航运业低迷的情况下，船运企业要想减少亏损或者进一步实现盈利，同时还要响应海运行业节能减排号召，必须自主研发有利于船舶节能减排的新技术，制定船舶能耗精细化管理以及降低船舶EEDI 指数[7]的新方案。

4 结语

本文在考察了TZ GLORY 油船的基础上，对现有船舶加热存在的问题和缺陷提供了一种可行的结构改进。 出于对重油粘度高的特点，重油在进入船舶每个环节都必须要进行预热，这也是船舶供油系统控制重油粘度的关键步骤。目前船舶供油单元加热重油都采用蒸汽加热方法[8]。蒸汽加热由锅炉蒸汽提供热量，手动调节蒸汽阀开度控制重油温度，此方法存在操作不便、加热慢、效率低等问题，同时船上锅炉燃烧产生的废气对环境不利。

船舶节能减排可以从改善结构和引入新技术研发等方面入手，针对传统船舶蒸汽加热重油的方式效率低、加热慢、故障率高等缺点，从节能减排、保护环境的理念出发对船舶重油加热装置进行了改造与升级。 采用节能环保的电磁感应加热方式，替代原有的蒸汽加热。 电磁感应加热是将逆变器输出的中高频交流电通过电磁感应加热线圈，线圈直接环绕在船舶供油单元输油管道上进行加热。 电磁感应加热方式相比电加热升温速度快，加热部位精准，加热温度容易控制，加热器安装也比较方便，而且设备使用寿命长，维护成本低，是一种绿色环保型加热方式。