紅外熱像儀測量管道散熱損失方法及誤差分析

王玉石　齊剛　馬中山　帕爾哈提

摘 要：稠油熱采過程中，散熱損失占注汽管道輸送總能耗的比重較大。保溫管線減少散熱損失是油田節(jié)能亟待解決的問題，也是提高企業(yè)效益的有效途徑。如何準(zhǔn)確測量現(xiàn)場實際運(yùn)行工況下注汽管道的散熱損失是實現(xiàn)節(jié)能降耗的首要前提。結(jié)合現(xiàn)有管道熱損失測量方法，通過實驗室模擬油田現(xiàn)場運(yùn)行管道，采用紅外熱像儀設(shè)置不同發(fā)射率及測量距離測量所模擬的管道外表面溫度，對紅外熱像儀使用過程中造成的誤差影響因素進(jìn)行了分析。

關(guān) 鍵 詞：紅外熱成像；保溫管道；熱損失；誤差分析

中圖分類號：TG174 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1416-03

Determination of Pipe Heat Loss by

Infrared Thermal Imager and Error Analysis

WANG Yu-shi1， QI Gang2， MA Zhong-shan1， Paerhati1

（1. PetroChina Xinjiang Oilfield Company Experiment and Detection Research Institute，Xinjiang Karamay 834000， China；

2. PetroChina Xinjiang Oilfield Company Fengcheng Oilfield Operation District，Xinjiang Karamay 834000， China）

Abstract： In the process of thermal recovery of heavy oil， heat loss accounts for a large proportion of the total transport energy consumption of the steam injection pipeline. Reducing heat loss of the pipeline by heat preservation way is an urgent problem to be solved in the oilfield energy saving， and is also an effective way to improve the benefit of enterprises. How to accurately measure the heat loss of the steam pipeline in the actual operating condition is the first premise to achieve energy saving and consumption reduction. In this paper， combined with the existing methods of pipeline heat loss measurement， through the laboratory simulation of oil field operation pipeline， the infrared thermal imaging system was used to measure the temperature of the outer surface of the pipe under different emissivities and measuring distances， the influence factors to cause errors in the use of infrared thermal imaging system were analyzed.

Key words： Infrared thermography； Thermal insulation pipeline； Heat loss； Error analysis

稠油熱采注蒸汽管道作為輸汽系統(tǒng)的重要設(shè)備，其熱損失占到整個注汽系統(tǒng)的10%以上，稠油熱采注汽管道的節(jié)能空間較大，新疆油田公司現(xiàn)有注汽管道800 km?？茖W(xué)準(zhǔn)確的計算稠油熱采注汽管道的熱損失，對于優(yōu)化保溫方案，降低生產(chǎn)耗能，減少運(yùn)行成本，具有重要意義。

目前設(shè)備或管道表面的熱損失測量方法有熱流密度法[1]、表面溫度計法[2]、焓降法[3]三種。近年來發(fā)展迅速的紅外熱成像法是基于表面溫度法的一種測量方法，具有耐高溫，響應(yīng)快、易操作、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、異常溫度場快速識別等優(yōu)點(diǎn)。因此，紅外熱成像技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[4-8]。

紅外熱像儀測溫的原理是通過接收被測物體表面的輻射量來確定被測物體的溫度。利用紅外熱成像技術(shù)，精確地測量稠油熱采注汽管道外表面溫度，進(jìn)而準(zhǔn)確地計算管道熱損失是油田節(jié)能工作的一項緊迫課題。到目前為止，已有很多學(xué)者提出了注汽管道表面溫度的測量方法，進(jìn)而確定管道熱損失。張才根等研究了由表面溫度轉(zhuǎn)化為熱損失的處理方法，估算了節(jié)能潛力[9]。王富聚通過管網(wǎng)模擬技術(shù)建立管網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，提出了基于模擬技術(shù)的蒸汽管線散熱損失分析評價方法[10]。高建蘋等針對蘭州石化公司蒸汽管線投用時間長、保溫效果差，造成熱損失較大的問題對管道散熱損失進(jìn)行多次測試、對比分析，從而確定了需整治的管線，實現(xiàn)了節(jié)能降耗[11]。楊麗等介紹了紅外熱像檢測技術(shù)和管道保溫散熱損失計算方法，并對測算過程中的誤差進(jìn)行了分析[12]。

目前，關(guān)于紅外熱像原理在測量注汽管道熱損失時的系統(tǒng)理論方法介紹和使用過程中誤差影響因素的分析還不完善。本文正是基于紅外熱成像原理，對注汽管道熱損失的測量給出較為全面的介紹，并對影響測量精度的因素進(jìn)行了分析。

1 實驗原理

實際管道向周圍環(huán)境散熱滿足熱力學(xué)對流和輻射兩種方式，測量出管道外表面溫度、環(huán)境溫度以及風(fēng)速等，按照對流和輻射換熱公式可計算出管道散熱損失q。

（1）

式中： —表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

—管道表面溫度， K；

—環(huán)境溫度， K；

—管道表面發(fā)射率；

—斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)， W/（m2·K4）。

表面換熱系數(shù) 可按下式計算[13]：

（2）

露天布置的保溫管線，可按照式（3）計算表面換熱系數(shù)：

（3）

式中：W —風(fēng)速，m/s。

根據(jù)式（1）并結(jié)合實際測量水平分析知，散熱損失的測量精度主要受到管道表面溫度及管道表面發(fā)射率測量的準(zhǔn)確度。

在實際測量中，熱像儀會接受到目標(biāo)的自身輻射、環(huán)境反射輻射和大氣輻射三部分有效輻射。熱像儀通常在2～5 μm或8～13 μm兩個波段工作，探測器在工作波段上積分入射的輻射能，把入射的輻射能轉(zhuǎn)化為與能量成正比的電信號。熱像儀測溫的通用基本公式為[14]：

（4）

式中： —電壓信號；

K —常數(shù)；

—大氣透射率；

—大氣發(fā)射率，

=1- ；

—物體表面發(fā)射率；

—物體表面吸收率；

—被測物體表面溫度；

—反射環(huán)境溫度；

—大氣溫度。

對式（4）進(jìn)一步變化可得下式[15]：

（5）

式（5）為計算灰體表面真實溫度的計算公式，當(dāng)近距離測量或室內(nèi)測量時， =1， 為熱像儀測量的物體表面溫度。當(dāng)使用不同波段的熱像儀時，n值的取值不同。2～5 μm波段時，n=9.2554；8～13 μm波段時，n=3.988 9。

由式（5）知，熱像儀測量的物體表面溫度 也會影響到物體表面真實溫度的測量值。因而在使用紅外熱像儀測溫時還需要減小這部分誤差。紅外輻射會受到大氣的吸收和散射作用而衰減，因此測量距離是一個重要的影響因素[16]。

2 實驗方法

本次實驗裝置采用鍍鋅鐵皮制成的其內(nèi)充滿熱水的模擬管道內(nèi)徑300 mm，長度600 mm。在管道外表面上下左右四個位置安置標(biāo)定好的熱電偶，同時用另外的熱電偶測量環(huán)境溫度。如圖1所示為管道截面熱電偶測點(diǎn)布置圖。本次實驗采用的紅外熱像儀型號為ThermaCAMTMP30。實驗裝置圖如圖2所示。

2.1 固定距離下設(shè)置不同發(fā)射率測量管道表面溫度

①連接實驗裝置，將測量管道表面溫度的熱電偶與模擬管道良好連接；

②利用激光測距儀調(diào)節(jié)管道側(cè)表面與紅外熱像儀的距離為1.5 m并且使其處于同一個水平面；

③設(shè)置紅外熱像儀發(fā)射率并對其進(jìn)行焦距調(diào)節(jié)使熱圖像清晰，在發(fā)射率分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0時測量管道表面溫度。

2.2 參考發(fā)射率下不同距離測量管道表面溫度

①連接實驗裝置，將測量管道表面溫度的熱電偶與模擬管道良好連接；

②設(shè)置紅外熱像儀發(fā)射率為參考發(fā)射率0.23；

③利用激光測距儀調(diào)節(jié)管道側(cè)表面與紅外熱像儀的距離分別為0.5、1.0、1.5、2.0 m并使其處于同一個水平面；

④改變管道表面溫度進(jìn)行重復(fù)上述距離設(shè)定值進(jìn)行測量。

3 實驗結(jié)果及分析

如表1所示為距離1.5 m時紅外熱像儀設(shè)置不同的發(fā)射率時測得的管道表面溫度與管道表面四個熱電偶測得的管道表面溫度平均值的對比。由表1數(shù)據(jù)知，紅外熱像儀設(shè)置的發(fā)射率對測溫影響造成的誤差還是比較大的。當(dāng)紅外熱像儀設(shè)置的發(fā)射率接近參考發(fā)射率時，測得的管道溫度與熱電偶測得的管道溫度比較接近，誤差較小。圖3為實驗過程中從熱像儀采集的熱像圖。如表2所示為發(fā)射率設(shè)置為參考發(fā)射率0.23時，紅外熱像儀設(shè)置不同距離時測得的管道表面溫度值與管道表面四個熱電偶測得的管道表面溫度平均值的對比。其中，第一行所示為熱電偶測得的溫度平均值。由表2數(shù)據(jù)知，距離對測溫影響造成的誤差還是比較大的。隨著距離的增大，誤差也在增大。原因是距離增大時，大氣透射率減小的同時熱像儀的瞬時視場角的視場面積隨之增大，管道相對于瞬時視場面積的倍數(shù)在減小。當(dāng)管道不能充滿熱像儀視場時，輸出信號降低，導(dǎo)致測量誤差。當(dāng)然，測量距離也不能太近，測量需符合被測管道能夠充滿視場。

4 結(jié) 論

基于紅外熱成像原理的管道熱損失計算方法在實際測溫過程中能夠方便計算高空及角落位置的管道表面溫度，從而計算局部管道熱損失。同時，該方法也能夠方便快捷地發(fā)現(xiàn)管道有缺損部位及散熱嚴(yán)重的部位，進(jìn)而及時地對其進(jìn)行更換，能夠避免更大的熱損失。

本文通過實驗室模擬油田現(xiàn)場運(yùn)行管道，采用紅外熱像儀設(shè)置不同發(fā)射率及測量距離測量所模擬的管道外表面溫度，對紅外熱像儀使用過程中造成的誤差影響因素進(jìn)行了分析，最終得出以下結(jié)論：

（1）紅外熱像儀設(shè)置不同的發(fā)射率會對測溫造成誤差。當(dāng)紅外熱像儀設(shè)置的發(fā)射率接近參考發(fā)射率時，測得的管道溫度與熱電偶測得的管道溫度比較接近，誤差較??；當(dāng)紅外熱像儀設(shè)置的發(fā)射率偏離參考發(fā)射率較大時測量誤差相應(yīng)變大。

（2）紅外熱像儀在參考發(fā)射率附近測量管道表面溫度時會受到測量距離的影響。隨著距離的增大，誤差也在增大；測量距離太小時，被測管道不能充滿視場，也會造成誤差。

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