恒功率電伴熱系統在船上的應用探討

■施振寶　吳永紅(中國船級社實業公司福州分公司，福州　350001)

恒功率電伴熱系統在船上的應用探討

■施振寶吳永紅
(中國船級社實業公司福州分公司，福州350001)

摘要本文以恒功率電伴熱系統在某國內航行51000DWT系列散貨船的應用為例，介紹了該電伴熱系統的設計、選型、安裝及效用試驗等方面內容，并進一步探討恒功率電伴熱系統在船上應用的可行性以及節能環保等方面的優勢。

關鍵詞恒功率電伴熱系統設計選型安裝及效用試驗經濟性評估

0　前言

電伴熱系統在現代石油、化工、海上平臺等行業的生產中已經得到了廣泛應用，但船舶行業使用較少。值得一提的是，國內船上燃油管路安裝電伴熱系統的設計尚無先例。

電伴熱與傳統伴熱(如蒸汽、熱水、熱油等)方式相比具有清潔、節能、溫度自動控制精度高、溫升快、安裝方便、運行維修費用低等優點，且能滿足船上惡劣的工作環境。利用其他行業電伴熱系統使用所積累的成熟技術，在船上燃油管路增設一套電伴熱帶系統，當船舶在進出港主機降速運行或停泊工況，鍋爐廢氣部分產生蒸汽不足時，可將燃油管路蒸汽伴熱換用電伴熱。此時，鍋爐燃油燒器無需點火，或燃油日用系統無需轉換使用輕柴油，采用電伴熱系統同樣能滿足主、輔機燃油系統燒重油。正是由于電伴熱具有上述的特點，所以電伴熱也逐步得到船東的青睞及使用。下面結合恒功率電伴熱系統在國內某51000DWT系列散貨船的使用情況，介紹了該電伴熱系統的設計、選型、安裝及效用試驗等方面內容。

1　船舶恒功率電伴熱系統設計

1.1結構分類及特點

恒功率電伴熱帶可分為并聯和串聯兩種類型。并聯型恒功率電伴熱帶見圖1，根據工作電源又分為單相和三相。其中單相電伴熱帶一般適用小管徑或管網系統短管線的伴熱保溫；三相電伴熱帶一般適用于大管徑，管網系統管線和罐體的伴熱保溫；串聯電伴熱帶適用于長距離和超長距離單一管線的伴熱保溫，一個電源點最大使用長度為幾百米到數千米。

恒功率電伴熱帶安裝時能按實際需要長度任意剪切，且具有柔軟性，能緊貼管線表面敷設等特點。電伴熱帶外層的編織層能起到傳熱、散熱及安全接地線的作用，同時還能提高電伴熱帶的整體強度。恒功率電伴熱帶的最大特點是起動電流小，在運行過程中基本無功率衰減。

圖1　防爆并聯三相電伴熱帶結構

1.2電伴熱帶選型原則

船舶在營運中，為確保機器設備及系統在燃用重油時正常工作，需對燃油相關管路系統進行伴熱處理，如燃油日用、回油及泄放、駁運等管路系統。

電伴熱系統設計同蒸汽伴熱管路系統一樣，其選型前需先計算出要維持介質在管路流動過程中產生熱損失所需的熱量，再用一定規格、數量的電伴熱帶產生等值熱量進行替代補償。除此外還應考慮其他方面因素，如船舶環境工作條件、經濟性及供電條件的特殊性。主要有以下幾個方面:

(1)根據管路維持溫度及偶然性的最高工作溫度選定的耐溫等級；并通過管路熱損失計算，選擇合適的發熱溫度等級。

(2)根據船上供電條件、電網負荷、管徑大小、管路長度以及管路閥件等條件來選擇電伴熱帶的型式、電壓等級，以確定是用并聯式還是串聯式，是單相還是三相帶。

(3)根據管路系統計算出所需的電熱帶總長，管路附件上的設備、閥門及儀表件也需要電伴熱，可按照管道長度的10%～15%考慮。

(4)根據不同使用環境來確定所需電熱帶的結構型式。如選用普通型、加強型。船上工作環境條件惡劣，須選用船用型電伴熱帶。

1.3電伴熱系統計算方法

電伴熱帶選型計算前,需先確定與計算相關的工藝參數。某51000DWT系列散貨船主機、輔機設計燃用380cst (50℃)重油，在正常使用時重油需加熱至120～125℃，管路材料為無縫鋼管，根據燃油日用及泄放系統原理圖，共有13路重油管路需進行伴熱，如圖2所示:供油單元至主、輔機燃油供油管路，維持溫度為130～140℃,保溫層厚度為25mm,導熱系統λ取0.056W/(m·K)；日用艙至供油單元的燃油管路，維持溫度為80～85℃，保溫層厚度為20mm，導熱系統λ取0.044W/(m·K)；主機與輔機的燃油回管路，維持溫度為120～130℃，保溫層厚度為25mm，導熱系統λ取0.056W/(m·K)；燃油泄放管路，維持溫度為45℃，保溫層厚度為20mm，導熱系統λ取0.044W/(m·K)，機艙的極端溫度按-10℃開始計算；燃油管路系統圖及相關管路規格和長度見圖2示意圖。

1.4管路散熱量計算

管路散熱量采用公式計算法。根據GB/T19518.2《爆炸性氣體環境用電氣設備電阻式伴熱器》第2部分：設計、安裝和維護指南，管路散熱量計算公式為：

式中，K為安全富裕系數，取1.2；λ為保溫材料導熱系數，δ為保溫材料厚度；ΔT為介質維持溫度與機艙冬天環境溫度差；φ為管路外徑，mm。根據已知參數，計算出的各伴熱管路單位長度的散熱量見表1。

表1　管路單位散熱量計算Qc

圖2　某51000DWT系列散船燃油管路電伴熱系統示意圖

1.5電伴熱帶選型及其系統配電方案

電伴熱帶在選型計算時，除需補償管路散熱量損失，實際上管路中附件(如閥門、濾器及儀表等)也需要電伴熱。因此，這部分管路附件散熱量損失也需計入。表2中管路補償熱量Qs為修正后設計取值。因船上重油電伴熱系統每組溫控回路的管路不長，且安裝于含有可燃液體的防爆區域，另外電網要求三相電流盡量平衡，因此參照選型原則，選用JPBC-40/3J型船用電伴熱帶，其長期耐熱溫度可達260℃，介質最高維持溫度可達180℃，可滿足重油管路伴熱要求。每組溫控回路的電伴熱帶選型見表2。

根據船級社規范要求，電伴熱帶控制箱設計為非防爆型，其防護等級為IP54。參照機艙燃油管路系統的布置特點，結合輪機管理要求，將燃油管路電伴熱系統分為11組溫控回路。本船共設有三個電氣控制箱，分別為主機、輔機及燃油泄放管路電伴熱控制箱，每個箱內分別對應設有5、4及2路三相防爆數顯溫控儀。該控制箱具有短路、過載和漏電保護功能。配電箱進線電源為三相三線制，每路輸出回路額定電壓380V、額定電流18A (32A)。其供電系統圖如圖3所示。

表2　電伴熱計算設計及選型

圖3　電伴熱供電系統示意圖

2　恒功率電伴熱系統安裝及效用試驗

2.1電伴熱帶的安裝注意問題

電伴熱系統通能否按工藝要求長期正常運行，與其是否采用正確的安裝方法及安裝質量是密切相關的。因此，現場在安裝電伴熱系統前需詳細閱讀產品說明書，掌握安裝要求。

由于船上機艙管路繁多，重油管路空間走向復雜，且需上下穿越平臺甲板，電伴熱帶在安裝帶過程中注意以下問題:

(1)并聯型恒功率電伴熱帶由多段發熱節并聯組合而成，節長通常為70～100cm，其首尾各有幾十厘米的冷端，安裝應從發熱的部位開始。首尾端的發熱體應盡可能短，不得外露，若不可避免時需采取隔熱措施，以免燙傷值班人員。

(2)電伴熱帶的安裝需考慮管路附件和設備拆裝檢修，確保電伴熱帶本身不損壞。

(3)船舶風浪中，搖晃厲害，電源接線盒、終端接線盒及溫度儀探頭等部件安裝需牢靠，以防松動，而影響系統正常工作。

(4)恒功率電伴熱帶敷設時不允許疊繞、交叉，以免出現過熱。嚴禁與蒸汽伴熱管路相碰。其尾端需用終端接線盒密封，伴熱帶導電線芯不能連接，以免造成短路事故。

(5)電伴熱帶貫穿機艙平臺甲板或船體結構時，需使用貫穿件，其兩端口需打磨處理，防止伴熱帶表皮磨損。在某些位置還需封堵處理，如A-0級艙壁。

(6)溫控儀探頭安裝：將溫度傳感器探頭緊貼在該路電伴熱管路最尾端位置的管壁上。安裝時先用鋁膠帶粘貼牢，再用耐熱膠帶扎緊。此外，該探頭不能離電伴熱帶太近，以免顯示的是電熱帶或電熱帶附近的溫度，發生誤操作；不同管段電伴熱回路探頭不能互相交叉混裝，也不能安裝在一起，以免造成溫控失靈，影響電伴熱系統正常工作。

(7)安裝電熱帶要考慮管道閥門、設備等附件拆卸方便，且不應損壞電熱帶。

2.2電伴熱系統安裝檢查

2.2.1設備外觀檢查

(1)根據圖紙及訂貨協議檢查設備的銘牌參數是否符合要求，檢查船檢鋼印標識、防護等級是否滿足設計要求。

(2)檢查控制箱外表面是否受到碰撞，是否有損壞，內部是否有任何部件遺失。

(3)檢查電伴熱帶及其附件防爆等級是否滿足船級社相關規范要求。

2.2.2電伴熱系統回路檢查

(1)檢查電伴帶回路布置是否與圖紙一致。溫控儀探頭安裝位置是否與圖紙相符。

(2)檢查所有電源接線盒、終端接線盒及溫控儀探頭接線是否正確，及其安裝是否牢靠。

(3)檢查電伴熱系統回路接地是否良好，其接地電阻不大于4Ω。

(4)在保溫層材料包敷前，檢查安裝完畢的電伴熱帶有無交叉與疊繞、相碰及損壞等現象。在貫穿位置工藝處理是否符合要求。

2.2.3絕緣電阻及回路電阻測量

(1)用500V直流高阻計測量所有載流部分對地的冷態絕緣電阻值，其值應不小于2MΩ。若小于0.5MΩ，則說明系統有故障，應檢查處理。

(2)用數字式萬用表測量回路芯線電阻阻值是否正常，其阻值大小是否與所測系統的總功率相對應，三相電阻是否平衡。

圖4　恒功率電伴熱帶在船上安裝圖

2.3電伴熱系統效用試驗

電伴熱系統在船上效用試驗，受條件限制，一般分為兩個階段進行，內容如下：

系泊試驗階段，對電伴熱帶通電檢查，主要有5個方面：(1)檢查各開關供電的正確性；(2)模擬測試漏電開關漏電功能；對每個伴熱帶回路逐個試供電，并逐段檢查發熱情況是否正常；(3)檢查電伴熱柜的漏電及故障保護功能的可靠性及其靈敏性；(4)測量每個回路電伴熱帶的回路電流；(5)應急切斷功能試驗，檢查動作是否正確。

航行試驗時，在主機100%負荷時，關掉蒸汽伴熱系統，換用電伴熱系統，以驗證電伴熱系統設計是否滿足營運工況要求。一般是通過檢查管路溫降來判定是否滿足伴熱系統設計要求，如主輔機供給重油管路(供油單元至主輔機)其溫降是否為8～10℃左右，以確保重油進機粘度符合要求。

通過某51000DWT系列散貨船系泊和航行試驗，其結果驗證了上述電伴熱系統設計能滿足船舶燃油管路的伴熱要求。

3　某51000DWT系列散貨船電伴熱系統經濟性評估

3.1初投資分析

(1)恒功率電伴熱帶，電壓為380V，最高維持伴熱溫度為180℃，價格為人民幣115元/m。全長812米，則材料費用為812×115=93380元；安裝費用(主要是人工工資)，按3元/m計算，費用為812×3=2436元；指導安裝費1000元；產品檢驗費7000元。

(2)供電配電系統：包括電氣控制箱、接線盒、溫控探頭等附件材料費用為22645元。安裝費用為760元；指導安裝費1000元。詳見表3。

表3　電伴熱帶投資估算　(單位：元)

3.2伴熱系統營運成本分析

該51000DWT散貨船定航線營運—曹妃甸運煤到鎮江/江陰等火電廠。船上配有一臺組合鍋爐，型號為LYF1.2/195-0.7，工作壓力0.7MPa，燃油部分蒸發量為1.2t/h，耗油量約為93.8kg/h；輔機型號為6DK-20e，額定功率為720kW，油耗約為200g/kW·h。據該船公司報表統計，在正常營運情況下，平均一個月2.5個航次，該輪一年累計停泊時間約120d，主機機動工況下需輔助伴熱時間約為20d。

(1)采用電伴熱系統，停泊工況下電加熱設備消耗功率總計約為104kW，其耗油量約為500kg/d；主機機動工況下，電加熱設備消耗功率約總計為194kW，，其耗油量約為931kg/d。另外，電伴熱系統只需要定期用搖表測量絕緣電阻即可，這里按2000元/年估算。輪機員日常維護保養工作量少，操作簡單。

(2)采用蒸汽熱系統，鍋爐燃燒器耗油量93.8kg/h，停泊工況下每天運行間歇系統取0.35，其耗油量約為788kg/d；主機機動工況下每天間歇系數取0.55，其油耗量約為1238kg/d。另外，蒸汽伴熱系統維護保養費用包括日常巡查、管路檢修、爐水投藥、淡水損耗等各項費用，每年大約為8000元。詳見表4～5。

表4　兩種伴熱系統日油耗及營運天數

表5　兩種伴熱系統維修保養成本

結合上面表4、5的數據，重油價格按4000元/噸計算，該輪正常營運一年，在停泊和主機機動工況下，采用電伴熱與蒸汽伴熱相比，合計節約費用約：

4000×[(788-500)×120+ (1238-931)×20]/1000+8000-2000=16.28萬元。

結合實際船上的應用，船公司統計了該輪營運一年的油耗數據，結果表明，在上述中的營運工況下，輔機使用電加熱后其燃油每天平均約多消耗0.5t，而若采用傳統蒸汽伴系統，鍋爐平均每天燃油消耗量約為1.0～1.1t。二者相比之下，采用電伴熱系統每天可節省約0.5t的燃油。因此，船上投資一套電伴熱系統不用一年時間，便可以回收成本。而電伴熱系統壽命保守估算也有5～8年的時間，值得船東考慮。

3.3環保方面

與傳統蒸汽伴熱系統相比，電伴熱在環保方面還具有以下幾個優點：

(1)具有節約水資源，能源干凈，無污染；

(2)可有效杜絕伴熱系統“跑、冒、滴、漏”的現象，利于維持機艙工作環境；

(3)系統啟動速度快，溫升快，能量利用率高；

(4)啟用電伴熱系統后，發電機工作飽和，確保燃燒完善，可降低溫室氣體排放；

(5)當蒸汽伴熱系統出現故障，電伴熱系統起到很好的應急作用。

3.4綜合經濟性分析

由上面技術經濟分析可知，船上增設一套恒功率電伴熱系統雖然一次性投資成本較高，但其可節省營運成本，經濟效益明顯，且其操作簡便，維護保養量小，可減少輪機員勞動強度。

4　結束語

實踐表明，恒功率電伴熱系統在船上能正常工作，可以滿足船舶各營運工況下的燃油管路伴熱要求，作為蒸汽伴熱的備用系統。此外，船上增設一套電伴熱系統后，與蒸汽伴熱系統交替配合使用，可有效的減少使用輕柴油及鍋爐燃油消耗，從而達到降本增效的目的。特別是對跑國內航線僅裝有廢氣鍋爐的船舶，增設一套電熱伴系統，具有良好的經濟性。但電伴熱帶使用壽命與蒸汽管系相比較短，且在機艙惡劣環境中工作具有一定的危險性，因此，需要研發新一代更為安全可靠的船用電伴熱帶產品，以推動節能降耗技術在船舶的廣泛運用。

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