■施振寶　吳永紅(中國(guó)船級(jí)社實(shí)業(yè)公司福州分公司，福州　350001)

恒功率電伴熱系統(tǒng)在船上的應(yīng)用探討

■施振寶吳永紅
(中國(guó)船級(jí)社實(shí)業(yè)公司福州分公司，福州350001)

摘要本文以恒功率電伴熱系統(tǒng)在某國(guó)內(nèi)航行51000DWT系列散貨船的應(yīng)用為例，介紹了該電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型、安裝及效用試驗(yàn)等方面內(nèi)容，并進(jìn)一步探討恒功率電伴熱系統(tǒng)在船上應(yīng)用的可行性以及節(jié)能環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞恒功率電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型安裝及效用試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

0　前言

電伴熱系統(tǒng)在現(xiàn)代石油、化工、海上平臺(tái)等行業(yè)的生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但船舶行業(yè)使用較少。值得一提的是，國(guó)內(nèi)船上燃油管路安裝電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尚無(wú)先例。

電伴熱與傳統(tǒng)伴熱(如蒸汽、熱水、熱油等)方式相比具有清潔、節(jié)能、溫度自動(dòng)控制精度高、溫升快、安裝方便、運(yùn)行維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，且能滿足船上惡劣的工作環(huán)境。利用其他行業(yè)電伴熱系統(tǒng)使用所積累的成熟技術(shù)，在船上燃油管路增設(shè)一套電伴熱帶系統(tǒng)，當(dāng)船舶在進(jìn)出港主機(jī)降速運(yùn)行或停泊工況，鍋爐廢氣部分產(chǎn)生蒸汽不足時(shí)，可將燃油管路蒸汽伴熱換用電伴熱。此時(shí)，鍋爐燃油燒器無(wú)需點(diǎn)火，或燃油日用系統(tǒng)無(wú)需轉(zhuǎn)換使用輕柴油，采用電伴熱系統(tǒng)同樣能滿足主、輔機(jī)燃油系統(tǒng)燒重油。正是由于電伴熱具有上述的特點(diǎn)，所以電伴熱也逐步得到船東的青睞及使用。下面結(jié)合恒功率電伴熱系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)某51000DWT系列散貨船的使用情況，介紹了該電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型、安裝及效用試驗(yàn)等方面內(nèi)容。

1　船舶恒功率電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)分類及特點(diǎn)

恒功率電伴熱帶可分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種類型。并聯(lián)型恒功率電伴熱帶見圖1，根據(jù)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(wǎng)系統(tǒng)短管線的伴熱保溫；三相電伴熱帶一般適用于大管徑，管網(wǎng)系統(tǒng)管線和罐體的伴熱保溫；串聯(lián)電伴熱帶適用于長(zhǎng)距離和超長(zhǎng)距離單一管線的伴熱保溫，一個(gè)電源點(diǎn)最大使用長(zhǎng)度為幾百米到數(shù)千米。

恒功率電伴熱帶安裝時(shí)能按實(shí)際需要長(zhǎng)度任意剪切，且具有柔軟性，能緊貼管線表面敷設(shè)等特點(diǎn)。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(shí)還能提高電伴熱帶的整體強(qiáng)度。恒功率電伴熱帶的最大特點(diǎn)是起動(dòng)電流小，在運(yùn)行過(guò)程中基本無(wú)功率衰減。

圖1　防爆并聯(lián)三相電伴熱帶結(jié)構(gòu)

1.2電伴熱帶選型原則

船舶在營(yíng)運(yùn)中，為確保機(jī)器設(shè)備及系統(tǒng)在燃用重油時(shí)正常工作，需對(duì)燃油相關(guān)管路系統(tǒng)進(jìn)行伴熱處理，如燃油日用、回油及泄放、駁運(yùn)等管路系統(tǒng)。

電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)同蒸汽伴熱管路系統(tǒng)一樣，其選型前需先計(jì)算出要維持介質(zhì)在管路流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生熱損失所需的熱量，再用一定規(guī)格、數(shù)量的電伴熱帶產(chǎn)生等值熱量進(jìn)行替代補(bǔ)償。除此外還應(yīng)考慮其他方面因素，如船舶環(huán)境工作條件、經(jīng)濟(jì)性及供電條件的特殊性。主要有以下幾個(gè)方面:

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

(2)根據(jù)船上供電條件、電網(wǎng)負(fù)荷、管徑大小、管路長(zhǎng)度以及管路閥件等條件來(lái)選擇電伴熱帶的型式、電壓等級(jí)，以確定是用并聯(lián)式還是串聯(lián)式，是單相還是三相帶。

(3)根據(jù)管路系統(tǒng)計(jì)算出所需的電熱帶總長(zhǎng)，管路附件上的設(shè)備、閥門及儀表件也需要電伴熱，可按照管道長(zhǎng)度的10%～15%考慮。

(4)根據(jù)不同使用環(huán)境來(lái)確定所需電熱帶的結(jié)構(gòu)型式。如選用普通型、加強(qiáng)型。船上工作環(huán)境條件惡劣，須選用船用型電伴熱帶。

1.3電伴熱系統(tǒng)計(jì)算方法

電伴熱帶選型計(jì)算前,需先確定與計(jì)算相關(guān)的工藝參數(shù)。某51000DWT系列散貨船主機(jī)、輔機(jī)設(shè)計(jì)燃用380cst (50℃)重油，在正常使用時(shí)重油需加熱至120～125℃，管路材料為無(wú)縫鋼管，根據(jù)燃油日用及泄放系統(tǒng)原理圖，共有13路重油管路需進(jìn)行伴熱，如圖2所示:供油單元至主、輔機(jī)燃油供油管路，維持溫度為130～140℃,保溫層厚度為25mm,導(dǎo)熱系統(tǒng)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(dǎo)熱系統(tǒng)λ取0.044W/(m·K)；主機(jī)與輔機(jī)的燃油回管路，維持溫度為120～130℃，保溫層厚度為25mm，導(dǎo)熱系統(tǒng)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(dǎo)熱系統(tǒng)λ取0.044W/(m·K)，機(jī)艙的極端溫度按-10℃開始計(jì)算；燃油管路系統(tǒng)圖及相關(guān)管路規(guī)格和長(zhǎng)度見圖2示意圖。

1.4管路散熱量計(jì)算

管路散熱量采用公式計(jì)算法。根據(jù)GB/T19518.2《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備電阻式伴熱器》第2部分：設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)指南，管路散熱量計(jì)算公式為：

式中，K為安全富裕系數(shù)，取1.2；λ為保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，δ為保溫材料厚度；ΔT為介質(zhì)維持溫度與機(jī)艙冬天環(huán)境溫度差；φ為管路外徑，mm。根據(jù)已知參數(shù)，計(jì)算出的各伴熱管路單位長(zhǎng)度的散熱量見表1。

表1　管路單位散熱量計(jì)算Qc

圖2　某51000DWT系列散船燃油管路電伴熱系統(tǒng)示意圖

1.5電伴熱帶選型及其系統(tǒng)配電方案

電伴熱帶在選型計(jì)算時(shí)，除需補(bǔ)償管路散熱量損失，實(shí)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(jì)入。表2中管路補(bǔ)償熱量Qs為修正后設(shè)計(jì)取值。因船上重油電伴熱系統(tǒng)每組溫控回路的管路不長(zhǎng)，且安裝于含有可燃液體的防爆區(qū)域，另外電網(wǎng)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(zhǎng)期耐熱溫度可達(dá)260℃，介質(zhì)最高維持溫度可達(dá)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(jù)船級(jí)社規(guī)范要求，電伴熱帶控制箱設(shè)計(jì)為非防爆型，其防護(hù)等級(jí)為IP54。參照機(jī)艙燃油管路系統(tǒng)的布置特點(diǎn)，結(jié)合輪機(jī)管理要求，將燃油管路電伴熱系統(tǒng)分為11組溫控回路。本船共設(shè)有三個(gè)電氣控制箱，分別為主機(jī)、輔機(jī)及燃油泄放管路電伴熱控制箱，每個(gè)箱內(nèi)分別對(duì)應(yīng)設(shè)有5、4及2路三相防爆數(shù)顯溫控儀。該控制箱具有短路、過(guò)載和漏電保護(hù)功能。配電箱進(jìn)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(tǒng)圖如圖3所示。

表2　電伴熱計(jì)算設(shè)計(jì)及選型

圖3　電伴熱供電系統(tǒng)示意圖

2　恒功率電伴熱系統(tǒng)安裝及效用試驗(yàn)

2.1電伴熱帶的安裝注意問(wèn)題

電伴熱系統(tǒng)通能否按工藝要求長(zhǎng)期正常運(yùn)行，與其是否采用正確的安裝方法及安裝質(zhì)量是密切相關(guān)的。因此，現(xiàn)場(chǎng)在安裝電伴熱系統(tǒng)前需詳細(xì)閱讀產(chǎn)品說(shuō)明書，掌握安裝要求。

由于船上機(jī)艙管路繁多，重油管路空間走向復(fù)雜，且需上下穿越平臺(tái)甲板，電伴熱帶在安裝帶過(guò)程中注意以下問(wèn)題:

(1)并聯(lián)型恒功率電伴熱帶由多段發(fā)熱節(jié)并聯(lián)組合而成，節(jié)長(zhǎng)通常為70～100cm，其首尾各有幾十厘米的冷端，安裝應(yīng)從發(fā)熱的部位開始。首尾端的發(fā)熱體應(yīng)盡可能短，不得外露，若不可避免時(shí)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(shè)備拆裝檢修，確保電伴熱帶本身不損壞。

(3)船舶風(fēng)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(dòng)，而影響系統(tǒng)正常工作。

(4)恒功率電伴熱帶敷設(shè)時(shí)不允許疊繞、交叉，以免出現(xiàn)過(guò)熱。嚴(yán)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(dǎo)電線芯不能連接，以免造成短路事故。

(5)電伴熱帶貫穿機(jī)艙平臺(tái)甲板或船體結(jié)構(gòu)時(shí)，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(jí)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(shí)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(fā)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(tǒng)正常工作。

(7)安裝電熱帶要考慮管道閥門、設(shè)備等附件拆卸方便，且不應(yīng)損壞電熱帶。

2.2電伴熱系統(tǒng)安裝檢查

2.2.1設(shè)備外觀檢查

(1)根據(jù)圖紙及訂貨協(xié)議檢查設(shè)備的銘牌參數(shù)是否符合要求，檢查船檢鋼印標(biāo)識(shí)、防護(hù)等級(jí)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)檢查控制箱外表面是否受到碰撞，是否有損壞，內(nèi)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(jí)是否滿足船級(jí)社相關(guān)規(guī)范要求。

2.2.2電伴熱系統(tǒng)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(tǒng)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(wú)交叉與疊繞、相碰及損壞等現(xiàn)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(cè)量

(1)用500V直流高阻計(jì)測(cè)量所有載流部分對(duì)地的冷態(tài)絕緣電阻值，其值應(yīng)不小于2MΩ。若小于0.5MΩ，則說(shuō)明系統(tǒng)有故障，應(yīng)檢查處理。

(2)用數(shù)字式萬(wàn)用表測(cè)量回路芯線電阻阻值是否正常，其阻值大小是否與所測(cè)系統(tǒng)的總功率相對(duì)應(yīng)，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(tǒng)效用試驗(yàn)

電伴熱系統(tǒng)在船上效用試驗(yàn)，受條件限制，一般分為兩個(gè)階段進(jìn)行，內(nèi)容如下：

系泊試驗(yàn)階段，對(duì)電伴熱帶通電檢查，主要有5個(gè)方面：(1)檢查各開關(guān)供電的正確性；(2)模擬測(cè)試漏電開關(guān)漏電功能；對(duì)每個(gè)伴熱帶回路逐個(gè)試供電，并逐段檢查發(fā)熱情況是否正常；(3)檢查電伴熱柜的漏電及故障保護(hù)功能的可靠性及其靈敏性；(4)測(cè)量每個(gè)回路電伴熱帶的回路電流；(5)應(yīng)急切斷功能試驗(yàn)，檢查動(dòng)作是否正確。

航行試驗(yàn)時(shí)，在主機(jī)100%負(fù)荷時(shí)，關(guān)掉蒸汽伴熱系統(tǒng)，換用電伴熱系統(tǒng)，以驗(yàn)證電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足營(yíng)運(yùn)工況要求。一般是通過(guò)檢查管路溫降來(lái)判定是否滿足伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，如主輔機(jī)供給重油管路(供油單元至主輔機(jī))其溫降是否為8～10℃左右，以確保重油進(jìn)機(jī)粘度符合要求。

通過(guò)某51000DWT系列散貨船系泊和航行試驗(yàn)，其結(jié)果驗(yàn)證了上述電伴熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)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(jià)格為人民幣115元/m。全長(zhǎng)812米，則材料費(fèi)用為812×115=93380元；安裝費(fèi)用(主要是人工工資)，按3元/m計(jì)算，費(fèi)用為812×3=2436元；指導(dǎo)安裝費(fèi)1000元；產(chǎn)品檢驗(yàn)費(fèi)7000元。

(2)供電配電系統(tǒng)：包括電氣控制箱、接線盒、溫控探頭等附件材料費(fèi)用為22645元。安裝費(fèi)用為760元；指導(dǎo)安裝費(fèi)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(tǒng)營(yíng)運(yùn)成本分析

該51000DWT散貨船定航線營(yíng)運(yùn)—曹妃甸運(yùn)煤到鎮(zhèn)江/江陰等火電廠。船上配有一臺(tái)組合鍋爐，型號(hào)為L(zhǎng)YF1.2/195-0.7，工作壓力0.7MPa，燃油部分蒸發(fā)量為1.2t/h，耗油量約為93.8kg/h；輔機(jī)型號(hào)為6DK-20e，額定功率為720kW，油耗約為200g/kW·h。據(jù)該船公司報(bào)表統(tǒng)計(jì)，在正常營(yíng)運(yùn)情況下，平均一個(gè)月2.5個(gè)航次，該輪一年累計(jì)停泊時(shí)間約120d，主機(jī)機(jī)動(dòng)工況下需輔助伴熱時(shí)間約為20d。

(1)采用電伴熱系統(tǒng)，停泊工況下電加熱設(shè)備消耗功率總計(jì)約為104kW，其耗油量約為500kg/d；主機(jī)機(jī)動(dòng)工況下，電加熱設(shè)備消耗功率約總計(jì)為194kW，，其耗油量約為931kg/d。另外，電伴熱系統(tǒng)只需要定期用搖表測(cè)量絕緣電阻即可，這里按2000元/年估算。輪機(jī)員日常維護(hù)保養(yǎng)工作量少，操作簡(jiǎn)單。

(2)采用蒸汽熱系統(tǒng)，鍋爐燃燒器耗油量93.8kg/h，停泊工況下每天運(yùn)行間歇系統(tǒng)取0.35，其耗油量約為788kg/d；主機(jī)機(jī)動(dòng)工況下每天間歇系數(shù)取0.55，其油耗量約為1238kg/d。另外，蒸汽伴熱系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用包括日常巡查、管路檢修、爐水投藥、淡水損耗等各項(xiàng)費(fèi)用，每年大約為8000元。詳見表4～5。

表4　兩種伴熱系統(tǒng)日油耗及營(yíng)運(yùn)天數(shù)

表5　兩種伴熱系統(tǒng)維修保養(yǎng)成本

結(jié)合上面表4、5的數(shù)據(jù)，重油價(jià)格按4000元/噸計(jì)算，該輪正常營(yíng)運(yùn)一年，在停泊和主機(jī)機(jī)動(dòng)工況下，采用電伴熱與蒸汽伴熱相比，合計(jì)節(jié)約費(fèi)用約：

4000×[(788-500)×120+ (1238-931)×20]/1000+8000-2000=16.28萬(wàn)元。

結(jié)合實(shí)際船上的應(yīng)用，船公司統(tǒng)計(jì)了該輪營(yíng)運(yùn)一年的油耗數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，在上述中的營(yíng)運(yùn)工況下，輔機(jī)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(tǒng)蒸汽伴系統(tǒng)，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(tǒng)每天可節(jié)省約0.5t的燃油。因此，船上投資一套電伴熱系統(tǒng)不用一年時(shí)間，便可以回收成本。而電伴熱系統(tǒng)壽命保守估算也有5～8年的時(shí)間，值得船東考慮。

3.3環(huán)保方面

與傳統(tǒng)蒸汽伴熱系統(tǒng)相比，電伴熱在環(huán)保方面還具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)具有節(jié)約水資源，能源干凈，無(wú)污染；

(2)可有效杜絕伴熱系統(tǒng)“跑、冒、滴、漏”的現(xiàn)象，利于維持機(jī)艙工作環(huán)境；

(3)系統(tǒng)啟動(dòng)速度快，溫升快，能量利用率高；

(4)啟用電伴熱系統(tǒng)后，發(fā)電機(jī)工作飽和，確保燃燒完善，可降低溫室氣體排放；

(5)當(dāng)蒸汽伴熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電伴熱系統(tǒng)起到很好的應(yīng)急作用。

3.4綜合經(jīng)濟(jì)性分析

由上面技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析可知，船上增設(shè)一套恒功率電伴熱系統(tǒng)雖然一次性投資成本較高，但其可節(jié)省營(yíng)運(yùn)成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯，且其操作簡(jiǎn)便，維護(hù)保養(yǎng)量小，可減少輪機(jī)員勞動(dòng)強(qiáng)度。

4　結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明，恒功率電伴熱系統(tǒng)在船上能正常工作，可以滿足船舶各營(yíng)運(yùn)工況下的燃油管路伴熱要求，作為蒸汽伴熱的備用系統(tǒng)。此外，船上增設(shè)一套電伴熱系統(tǒng)后，與蒸汽伴熱系統(tǒng)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(dá)到降本增效的目的。特別是對(duì)跑國(guó)內(nèi)航線僅裝有廢氣鍋爐的船舶，增設(shè)一套電熱伴系統(tǒng)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。但電伴熱帶使用壽命與蒸汽管系相比較短，且在機(jī)艙惡劣環(huán)境中工作具有一定的危險(xiǎn)性，因此，需要研發(fā)新一代更為安全可靠的船用電伴熱帶產(chǎn)品，以推動(dòng)節(jié)能降耗技術(shù)在船舶的廣泛運(yùn)用。

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