沉船重油電磁感應加熱仿真與實驗研究

張 偉， 馮志強， 黃柱林

(1.交通運輸部煙臺打撈局技術中心，山東 煙臺 264012； 2.大連海事大學船舶與海洋工程學院， 遼寧 大連 116026)

引言

當船舶發生擱淺、沉沒等事故時，為避免或減少燃油泄漏對海洋生態環境的污染，需要及時將事故船舶中的燃油抽吸出來并過駁到安全船只內。對于船用重油，由于其黏度大，在低溫環境下流動性差，難以完成抽油作業，因此需要將重油加熱到一定溫度，黏度滿足條件后才能進行抽油作業[1]。目前對重油通常的加熱方法是向油艙內注入高溫水蒸汽，或在油艙內布設蒸汽加熱盤管，利用水蒸氣的熱量加熱重油[2]。但這種方法需要配套大型蒸汽發生鍋爐，管路連接復雜，潛水員水下安裝難度大；由于水蒸氣的比熱小，蒸汽加熱的效率比較低，尤其對于水深較大的情況，水蒸氣的熱量由于管路長度的增加而損失明顯，加熱效率下降；高溫蒸汽能夠輸送到的水深受限于鍋爐能夠提供的壓力[3]。使用熱仿真技術并將結果指導設備優化是常用的研究方法及技術手段，熊凌鵠等有限元進行電熱仿真[4]；李鑫鑫等使用有限元進行管路、管道熱仿真[5-6]；李閣強等進行了油氣-剛體二相熱力仿真[7]；陳家浩等使用有限元進行了液壓有散熱仿真[8]。電磁加熱技術在船舶制造和船舶燃油加熱領域有一定的應用，國內學者開展了一系列研究，張勇等進行了電磁感應管狀結構加熱研究及驗證[9]；王園武研究了感應線圈參數對鋼板溫度場的影響及線圈尺寸選取的問題，建立了電磁加熱鋼板的數學模型[10]；劉肖對基于HIS調節的船用重油加熱器進行了研究與設計，并對輸油管道的結構和材質進行了仿真[11]。

與傳統的蒸汽加熱方法相比，采用電磁加熱技術進行重油加熱具有顯著優點，主要包括以下三個方面：

(1) 結構簡單，易于操作。該技術利用沉船外板作為加熱源，無需額外發熱裝置，只需要在沉船表面安裝感應線圈，結構簡單，大大減輕了潛水員或ROV的工作量。同時加熱階段無需對油艙開孔，減少了燃油泄漏的風險。

(2) 加熱效率高，易于控制。感應線圈接通電源后，該加熱系統能夠瞬間達到所需的最大功率，鋼板溫度可在短時間內升至數百攝氏度，且與重油直接接觸進行熱量傳遞，因此加熱重油的效率高，與之相比，蒸汽加熱管的溫度上限為蒸汽溫度，且加熱重油需要高溫蒸汽-加熱管-重油兩個階段，導致加熱效率較低。此外，電磁加熱的功率可通過調整電流大小進行調節，易于進行溫度控制。

(3) 不受水深限制。加熱裝置與電源通過電纜連接，電流傳輸過程中的損耗可以忽略，因此該系統的加熱效率幾乎不受水深的影響，相比之下蒸汽加熱需要考慮輸出壓力及熱量損失兩方面的影響，導致工作水深受限。

鑒于高溫蒸汽加熱重油技術的局限性，有必要研究一種利用電磁加熱原理，直接使用沉船油艙外板作為加熱源的重油加熱方法。在沉船水下抽油領域，電磁加熱技術尚沒有成熟的應用。由于沉船環境往往十分復雜，難以在油艙內部布設加熱管，考慮到油艙外板均是鋼板，可以在交變磁場的作用下產生渦流發熱，進而加熱重油。

1 電磁加熱原理

1.1 電磁場數學模型

感應加熱電磁場的控制方程由Maxwell方程組描述，包括4個定律：安培環路定律、法拉第電磁感應定律、高斯電通定律和高斯磁通定律。微分形式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，H—— 磁場強度矢量,A/m

Js—— 源電流密度矢量，A/m2

B—— 磁感應強度矢量/Wb/m2

ρ—— 電荷體密度C/m3

同時滿足以下關系：

(5)

(6)

式中，μ—— 磁導率，H/m

ε—— 介電常數，F/m

本研究鋼板表面任意一點的磁場強度為：

(7)

I—— 電流，A

Li—— 第i個線圈的線積分

r—— 空間點與電流元間的距離

1.2 渦流生熱數學模型

根據對稱性原理，鋼板上任意點的磁場強度大小為該點到線圈圓心距離的函數，半徑為r的圓形范圍內的磁通量：

(8)

(9)

式中，σ—— 鋼板的電導率，S/m

ε—— 感應電動勢

D—— 鋼板厚度

r—— 任意計算點與線圈圓心的距離

2 重油加熱熱力學仿真

對于水下重油加熱分析使用流體軟件進行數值分析，上述兩種模型均需要在計算中應用。其中穩態熱模型可快速模擬分析油艙內重油在給定熱源溫度后油艙溫度場的變化，瞬態熱可模擬油艙溫度場隨時間的變化。兩項模擬對重油加熱作業熱源布置都有重要意義，為安全抽油提供支持[12]。

2.1 重油參數

油品的黏度與溫度呈線性關系，溫度越高黏度越低，越有利于抽油，從煙臺打撈局10月中在營口海上抽油作業，環境溫度5 ℃，油品的溫度加熱到12 ℃即可滿足油泵的抽油的黏度，實驗用1500 s重油油品參數如表1所示[13]。

表1 1500 s重燃料油參數

2.2 數值模擬

基于上述參數進行數值計算，考慮自然水冷效果，結合同期陸地測試數據，電磁加熱器可以在短時間內將船板局部加熱至最高溫度90 ℃，我們從最右側艙板被加熱至最高溫度時開始，采用瞬態有限體積分析，進行電磁加熱二維數值模擬，計算結果如下。

從熱分析溫度梯度云圖可以看出加熱溫度衰減非?？欤跓嵩锤浇瑴囟扰c加熱棒溫度相近，隨著距離的增加，溫度急速衰減，線圈半長切面處溫度輻射距離最大，油溫升高10.0 ℃以上輻射距離約1400 mm，溫度變化如圖2所示。

根據仿真結果，可以預測，在實際實驗中，穩態下的溫度應該呈現比較明顯的環狀梯度分布，溫度隨著距離的衰減會比較大根據仿真結果，可以預測，在實際實驗中，穩態下的溫度應該呈現比較明顯的環狀梯度分布，溫度隨著距離的衰減會比較大，如圖3所示。

1.油箱壁 2.線圈所在位置 3.重油

圖2 重油加熱溫度梯度表

圖3 數值計算溫度衰減曲線表(局部)

3 重油電磁感應加熱實驗

3.1 實驗裝置

沉船重油電磁加熱系統的原理如圖5所示，潛水員通過探摸得到沉船油艙的準確位置后，在油艙外板表面固定安裝感應線圈，線圈外層包覆耐高溫絕緣材料，通過電纜與位于作業母船甲板上的交流電源連接，電源接通后，線圈內的交變電流產生垂直于鋼板的交變磁場，由于電磁感應原理，鋼板內產生渦流，電能轉換成熱能從而溫度迅速升高，熱量傳遞給船艙內的重油從而實現重油快速加熱[14-15]。

圖5 電磁加熱重油系統

為驗證電磁加熱重油技術的可行性，利用重油艙模型進行模擬實驗。重油艙模型及電磁加熱線圈如圖4所示，重油艙模型尺寸為1200 mm×1200 mm×1000 mm，內裝有1 m3重油，電磁加熱線圈貼近油艙鋼板固定在側下方，線圈內接交流電源，最大功率為50 kW，重油內設計位置安裝溫度傳感器，實時監測內部溫度變化，同時使用紅外測溫儀監測重油表面的溫度數值。

1.傳感器定位桿 2.重油艙模型 3.電磁加熱線圈

如圖6和表2所示，在模擬油箱中布置了六個測溫點，1～4號測溫點在油箱的一條中軸線上，距離線圈100，300，600，1100 mm，5、6號測溫點在中軸線距離線圈700 mm處，距離線圈的直線距離為800 mm和850 mm。深度均為400 mm。在各測溫點布置LCD-DTM280型溫度傳感器，傳感器參數如表3所示。

圖6 重油加熱實驗裝置結構示意圖(俯視)

表2 各測試點到熱源距離

表3 LCD-DTM280溫度傳感器參數

3.2 實驗過程

實驗裝置安裝完成后，利用吊機將油艙放至海水中，使海面略高于重油液面，隨后接通電源，讀取溫度傳感器的顯示溫度，并實時測量重油表面不同位置的溫度變化情況，待所有測溫點的溫度保持穩定后停止加熱，實驗結束。

圖7 實驗現場圖(吊裝中)

3.3 實驗結果與討論

各測溫點溫度隨時間變化情況如下：

在整個實驗過程中，電源接通后，艙壁溫度迅速達到極限溫度，并開始加熱重油。如圖8所示，電磁加熱工作后，6個監測點開始逐漸升溫，距離最近的1號測溫點(100 mm)處在4 min時達到最高溫度55 ℃，距離最遠的4號測溫點(1100 mm)處也會在30分鐘后達到穩定的溫度，但由于距離的原因，這個溫度衰減到30 ℃，這個結果與仿真的結果在點4、5、6處有細微的差別。這是因為艙體的鋼板相對于重油具有良好的導熱性，加熱時，雖然存在嚴重的自然對流散失，但它們的溫度仍然高于環境溫度，這對整個加熱有著正向的作用，這種差異的出現是正常的。

圖8 模型實驗各測溫點溫度變化情況

從實驗數據可以看出，1號測溫點溫度最高值維持在55 ℃左右不再隨時間變化，主要受電磁生成器功率限制，另外低溫海水對電磁加熱的鋼板產生自然水冷的效果，但是對于加熱油品來說這樣的“負”效果是有益的，即防止油溫過高而發生危險。受以上因素影響，結合如圖9所示的實驗結果，我們可以判斷出，距離線圈最近處為溫度最高點，距離越遠，距離海水越近，海水的冷卻效果越明顯，加熱效果越差，加熱溫度出現了明顯的衰減，距離110 cm處，溫度降低至30 ℃，溫度衰減達到45.5%。

圖9 實驗溫度衰減曲線表

4 結論

為了研究電磁加熱重油時性能，我們建立了電磁加熱重油的數值模型，并進行了實際的加熱實驗，對比研究了電磁加熱的加熱性能，得到了以下結論：

(1) 電磁感應相對于傳統的加熱方式效率更高，可以用較小的功率(50 kW)在較短的時間(30 min)內將較大體積(1.44 m3)的重油加熱到較高溫度(30 ℃)；

(2) 在油箱中，重油的溫度梯度是以加熱線圈附近鋼板為中心的放射狀分布，加熱達到的穩定溫度隨著距離的增加有明顯的衰減，溫度最高處(55 ℃)與最低處(30 ℃)為溫度相差45.5%；

(3) 在油箱中，重油達到最高溫度的時間隨著與鋼板中心距離的增加而增加，最遠處達到平衡的時間是最近處的5倍以上。在工程上，我們可以結合結論2、3對電磁加熱線圈進行合理布置，達到最好的工程效果。

在國家大力施行交通強國戰略的背景下，保障海上交通安全、提高海上事故應急處置能力的重要性凸顯，因此沉船事故發生時的抽油速度亟待提高，水下重油的加熱速度是其中的重要一環。通過以上理論分析及模型實驗可以看出，基于電磁加熱原理的沉船外板加熱重油技術在沉船打撈抽油領域有一定的可行性。該重油加熱技術具有高效、簡易的優點，與沉船打撈作業中海況復雜、水下作業難度大的特點相適應。以此為理論基礎，開發出適用于水深大、效率高、安全可靠、可在實際打撈工程中應用的重油加熱裝置，具有十分重要的現實意義。