稠油熱采保溫管線外表面發(fā)射率獲取方法及實驗

王玉石，孫銘尉，葛永廣，葛蘇鞍，吳國忠，李宏佳

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稠油熱采保溫管線外表面發(fā)射率獲取方法及實驗

王玉石1，孫銘尉2，葛永廣1，葛蘇鞍1，吳國忠3，李宏佳3

（1. 中國石油新疆油田分公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中國石油新疆油田分公司風城油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000； 3. 東北石油大學，黑龍江 大慶 163318）

稠油熱采保溫管線外表面發(fā)射率是表征輻射本領的物理量，是一項很重要的熱物性參數(shù)。利用紅外熱像儀測溫原理的通用基本公式推導出發(fā)射率的數(shù)學模型，得出兩種管線外表面發(fā)射率的測量方法，對兩種方法進行了室內(nèi)實驗驗證。通過實驗研究了有人工太陽輻射和沒有人工太陽輻射對管線外表面發(fā)射率測量的影響。結果表明人工太陽輻射對發(fā)射率的影響較大，兩種計算發(fā)射率方法中,得出管線外表面發(fā)射率誤差值分別為37.5%和25%。

保溫管線；發(fā)射率；紅外熱像儀；人工太陽輻射

2010年以來，新疆油田稠油產(chǎn)量約占原油總產(chǎn)量高達34%，能源消耗總量達到了262萬t標準煤［1］，而稠油熱采管線的散熱損失約占總能耗10%，因此管線的保溫狀況被越來越多的企業(yè)重視。管線外表面的散熱損失的大小受發(fā)射率的影響較大，所以獲取準確管線外表面發(fā)射率對得出散熱損失量至關重要［2-5］。

實際現(xiàn)場中，需要將被檢測物體的發(fā)射率作為一個參數(shù)輸入測量儀器中，發(fā)射率的數(shù)據(jù)可以從資料中獲取。由于發(fā)射率測量受現(xiàn)場很多因素的影響，需要找到合適獲取發(fā)射率的方法來解決實際問題，

目前發(fā)射率的測量實驗方法有能量法、量熱法等［6-8］，王宗偉［9］提出通過確定的熱交換狀態(tài)來求出被測物體的發(fā)射率,熱交換系統(tǒng)由被測物體與其周圍相關物體與環(huán)境共同組成，熱交換系統(tǒng)的傳熱方程可由傳熱理論推導，再測出物體相關位置溫度值即可確定系統(tǒng)熱交換狀態(tài)。Su Xiao-gang等人[10]提出在相同溫度下用同一個探測器分別測量黑體及物體的輻射功率，物體的發(fā)射率值即為二者之比。以上提出的方法有部分缺陷，如需要對被測量物體表面溫度控制精確，對周圍環(huán)境的要求比較高，然而許多設備，難以精確的控制被測物體表面的溫度。

本文從紅外熱像儀接收物體表面有效輻射著手，獲取兩種計算發(fā)射率的方法，開展了太陽輻射環(huán)境下的管線外表面發(fā)射率實驗研究。

1 發(fā)射率推導及實驗方法

紅外熱像儀的工作原理是將熱成像物鏡吸收目標物體的輻射能量分布的熱成像圖反映到探測器中，紅外熱像儀探測的熱像圖與目標物體表面的熱溫度場相吻合，熱像圖中分布不同顏色表示目標物體表面的不同溫度[11]。紅外熱像儀有如下優(yōu)點：其一，熱像儀可以在一定距離下測量目標物體，避免了操作環(huán)境帶來的影響，同時有益于實驗人員快速測量。其二，熱像儀測量時響應速度很快并且靈敏度較高[12]。紅外熱像儀測量溫度的準確性主要由目標物體表面發(fā)射率、大氣透射率、環(huán)境溫度、大氣溫度等物理量[13,14]決定的。這些物理量得出的準確性高低很大程度上影響目標物體的真實溫度， 發(fā)射率的準確性尤為重要。熱像儀測量目標物體接收到的輻射由大氣輻射、環(huán)境的反射輻射、管線外表面自身輻射三部分組成。 紅外熱像儀探測的輻射如圖1所示。圖1中1為管線外表面自身輻射、2為環(huán)境的反射輻射、3為大氣輻射。

圖1 熱像儀接受有效輻射示意圖

被測物體的輻射亮度：

目標物體的有效輻射亮度由2個部分組成，分別為目標物體外表面及反射環(huán)境的光譜輻射亮度。 其中:為物體表面發(fā)射率；為被測物體表面溫度；為表面吸收率；為環(huán)境溫度；為表面反射率。

被測物體與熱像儀之間的輻射照度為：

紅外熱像儀工作的波段有2~5μm和8~13μm，探測器在某一范圍波段上吸收輻射能，并將吸收的輻射能轉化為相應的電信號。探測器接收輻射對應的輻射功率為：

與輻射功率相應的信號電壓為：

根據(jù)普朗克輻射定律，將公式（4）進行變換推導可獲得公式（5）：

將公式（5）進行變型得：

（6）

公式（6）為被測物體表面真實溫度的計算公式，由公式可以得出，熱像儀測量目標物體的真實溫度受其發(fā)射率影響較大。物體表面真實溫度隨著發(fā)射率的改變而變化，即物體表面發(fā)射率越小，計算得出真實溫度值越大。 由計算灰體表面真實溫度的計算公式（6）可得：

公式(7)中發(fā)射率與熱像儀測量的溫度、物體的真實溫度、環(huán)境溫度、大氣溫度、大氣透射率有關。當室內(nèi)或近物體表面測量時，大氣透射率的值取為1。環(huán)境溫度與大氣溫度近似相等。

熱像儀測量物體溫度的方法不同，決定了發(fā)射率的獲取方法的差異，兩種方法分別為：

方法一：將紅外熱像儀的發(fā)射率值設為1，對 進行一次測量。將公式(5)進行變換可得公式（8）：

將公式（8）經(jīng)過變換為公式（9），即為計算發(fā)射率的公式：

（9）

使用不同波段熱像儀，的取值不同，在2~5μm時，=9.255 4，在8~13μm時，=3.988 9；可通過設置熱像儀環(huán)境參數(shù)得到；為熱像儀測量目標物體溫度；為熱電偶測量目標物體點的溫度值；取值為1，大氣溫度與反射環(huán)境溫度也近似相等即。

方法二：將紅外熱像儀的發(fā)射率設置不同的值，針對被測物體某一目標點，分別測量不同發(fā)射率對應的溫度值。將（7）進行變換可得：

（11）

2 測量發(fā)射率實驗

本實驗使用的設備包括：型號為Therma-CAM S65紅外熱像儀、T型熱電偶、直徑為20 cm長度為60 cm鍍鋅鐵皮、溫度控制器、人工太陽輻射器。環(huán)境參數(shù)包括：室內(nèi)環(huán)境溫度為13 ℃，濕度為30%。獲取發(fā)射率實物裝置圖如圖2所示。

圖2 獲取發(fā)射率的實物裝置圖

實驗前的準備工作及操作步驟：

1）準備工作

①將溫度控制器與鍍鋅鐵皮進行連接，設置溫度控制器溫度對被測目標物體加熱。標定好的熱電偶安置在鍍鋅鐵皮外表面某目標點處，留有一根熱電偶測量環(huán)境溫度。

②打開人工太陽輻射器對準鍍鋅鐵皮外表面, 對太陽輻射器進行預熱20~30 min。

③把紅外熱像儀固定一臺支架上，打開紅外熱像儀，對準鍍鋅鐵皮外表面，對熱像儀進行調(diào)焦，以便看到最佳清晰的熱像圖。根據(jù)測量要求，調(diào)整熱像儀與鍍鋅鐵皮外表面目標點之間的角度和距離。

2）操作步驟

①利用方法一進行的實驗

無人工太陽輻射時，設置紅外熱像儀的發(fā)射率為1，用紅外熱像儀對鍍鋅鐵皮外表面目標點（熱電偶測量點）進行一次測量。記錄數(shù)據(jù)采集儀中熱電偶溫度值和熱像儀中溫度值。

②利用方法二進行的實驗

無人工太陽輻射時，對紅外熱像儀的發(fā)射率設置不同的值，分別為0.2、0.4、0.6、0.8，對準鍍鋅鐵皮外表面目標點，同樣讀出相應的熱像儀溫度值，記錄相關數(shù)據(jù)。

③有人工太陽輻射時，打開太陽輻射器，預熱20~30 min后，測量步驟同①、②。

3 結果分析

方法一：熱像儀的發(fā)射率設置為1時，得出的熱象圖如圖3、圖4和管線外表面發(fā)射率測量結果如表1所示。

圖3 無人工太陽輻射熱像圖

圖4 有人工太陽輻射熱像圖

如圖3所示，熱像儀發(fā)射率值設置為1時，被測鍍鋅鐵皮外表面的目標點溫度為18.2 ℃，外表面溫度分布均勻。由圖4可知，熱像儀發(fā)射率值設置為1時的同一目標點的溫度為20.1 ℃，由圖中的顏色分布可知，熱象圖中溫度分布不均勻，部分區(qū)域有明顯差別。

表1 方法一中,管線外表面發(fā)射率測量結果

由資料獲得，鍍鋅鐵皮參考發(fā)射率值為0.24。如表1所示，無人工太陽輻射時，計算發(fā)射率的誤差值為12.5%，有人工太陽輻射時，計算發(fā)射率的誤差值為37.5%，有人工太陽輻射時，得出鍍鋅鐵皮外表面發(fā)射率的誤差值偏大。

方法二：熱像儀發(fā)射率設置為0.2、0.4、0.6、0.8時，得出的熱象圖如圖5、圖6和管線外表面發(fā)射率測量結果如表2所示。

表2 管線外表面發(fā)射率測量結果

如圖5和圖6所示，隨著紅外熱像儀設置的發(fā)射率增加，熱像儀測量鍍鋅鐵皮外表面溫度值隨之減小，圖5中鍍鋅鐵皮外表面溫度分布均勻，由圖6顏色分布可知，熱象圖中溫度分布不均勻。

如表2所示，與參考發(fā)射率相比，無人工太陽輻射時，計算發(fā)射率的誤差為8.3%，有人工太陽輻射時，計算發(fā)射率的誤差為25%。方法二結果表明，有人工太陽輻射時，計算發(fā)射率的誤差值偏大。

4 結論

本文從紅外熱成像理論基本公式入手，推導出管線外表面發(fā)射率的計算公式，獲取兩種管線外表面發(fā)射率的測量方法，通過管線外表面發(fā)射率測量實驗，研究了有人工太陽輻射和沒有人工太陽輻射對管線外表面發(fā)射率測量的影響，可以得出以下結論：

（1）方法一中應用的方法簡單，實驗中測量的參數(shù)較少，然而對測量物理量值的精度需求較高，因此該方法會帶來較大的誤差值。由計算結果可知，有人工太陽輻射時，計算得出發(fā)射率相對誤差值超過35%。

（2）方法二中測量參數(shù)多于方法一，對參數(shù)測量的精確度要求不高，此方法設置了不同發(fā)射率值，這樣可以消除系統(tǒng)誤差。由方法二計算得出發(fā)射率相對誤差值可知，此方法計算得出管線外表面發(fā)射率精確性高于方法一。

（3）有人工太陽輻射時熱象圖部分區(qū)域溫度波動范圍大，用熱像儀測量被測物體目標點溫度時帶來了系統(tǒng)誤差。因此無人工太陽輻射時計算得出管線外表面發(fā)射率準確性高于有人工太陽輻射時的情況。

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Acquisition Method and Experiment of Outer Surface Emissivity of Thermal Insulation Pipeline for Heavy Oil Thermal Recovery

1,2,1,1,3,3

(1. Experiment and Detection Research Institute, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay Xinjiang 834000,China; 2. Fengcheng Oilfield Operation District, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay Xinjiang 834000,China;3. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318,China)

The surface emissivity of heavy oil thermal recovery insulation pipeline is a physical variable for characterizing the radiation ability, it is a very important parameter in thermal and physical properties. In this paper, based on infrared thermal imaging measuring temperature principle, general mathematical model of emissivity was derived. Two kinds of methods for measuring pipeline outer surface emissivity were obtained, and the two methods were tested and verified by the indoor experiment. The effect of artificial solar radiation and no artificial solar radiation on the surface emissivity of the pipeline was studied by experiments. The results show that the solar radiation has a great influence on the emissivity. By two kinds of calculation methods of emissivity, the pipeline surface emissivity errors are 37.5% and 25%,respectively .

Heat preservation pipeline;Emissivity;Infrared thermal image;Artificial solar radiation

TG174

A

1671-0460（2017）08-1675-04

2016-12-08

王玉石（1985-），男，黑龍江省肇東人，工程師，碩士，主要從事油田節(jié)能研究和熱物理量測試技術方面的工作。