紅外熱成像技術(shù)在球罐液位監(jiān)測中的應用

閆容菊，閆恒

（中國石油天然氣股份有限公司遼河石化分公司，遼寧 盤錦 124000）

1 液化氣球罐區(qū)簡介

煉化企業(yè)中球罐主要儲存的介質(zhì)為催化、焦化等裝置的丙丁烷混合組分液化烴，儲罐設計壓力通常在1.5～2.5 MPa 之間，控制溫度為環(huán)境溫度。一般情況下球罐區(qū)肩負著接收上游裝置產(chǎn)品，并為下游裝置提供原料、組分以及進行液化氣產(chǎn)品的儲存、外運等多種任務，收付油作業(yè)頻繁。其中，儲罐液位監(jiān)測是生產(chǎn)運行管控的一個重要參數(shù)，一方面保證儲罐正常運行的計量計算，另一方也要保證儲罐在安全液位下運行，所以儲罐液位的檢測是關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能管理及安全生產(chǎn)的重要問題。目前球形壓力儲罐的液位監(jiān)測手段主要有伺服液位計、雷達液位計、鋼帶液位計、磁翻板液位計、機械式的高低開關(guān)等，均在儲罐密閉狀態(tài)下運行。

2 儲罐液位計出現(xiàn)異常及其解決方法

目前，石油化工企業(yè)逐漸依賴自動化儀器與設備對油罐液位進行監(jiān)控，通常情況下，液化氣球罐區(qū)每個儲罐都會安裝兩種液位計對其液位進行檢測，自動化設備在長期運行的情況下會出現(xiàn)如下三種異常情況：

（1）儲罐液位計測量失真；

（2）兩種液位計測量結(jié)果有偏差；

（3）兩臺液位計均失靈。

在常壓儲罐中出現(xiàn)以上幾種情況可以采用人工檢尺的方法進行核算，但在壓力儲罐的儲存、計量中，則不可采用人工檢尺的方法進行測量，很難得到油罐內(nèi)真實的精確液位。因此，為了解決這種異常情況下的生產(chǎn)運行，本文提出三種不同的測量方法，分別是利用高低位開關(guān)、連通器原理現(xiàn)場翻版液位計和紅外熱成像技術(shù)來對液位進行測算。

2.1 利用高低位報警指示儀監(jiān)測液位

在實際生產(chǎn)應用中，普遍存在同一罐區(qū)不同儲罐儲存相同油品或性質(zhì)相似油品的情況，當一儲罐進行清罐作業(yè)或因設備腐蝕穿孔、老化等問題無法正常作業(yè)時，即可倒油至存儲油品相同或性質(zhì)相近儲罐中。

將某企業(yè)未知液位球罐中的油品倒油至同罐區(qū)內(nèi)另一儲存介質(zhì)相同或相似油品且液位精確的儲罐中。由于球罐結(jié)構(gòu)的特殊性，油品體積不與油品高度成正比，進而相同體積油品倒入不同液位油罐中增長油品高度亦不同，所以可利用罐區(qū)自動化高低位報警系統(tǒng)的低位報警開關(guān)輔助測算。首先計量倒油前收入油罐的初始液位H1并計算其體積Va，在倒油過程中當?shù)鸵何粓缶_關(guān)因液位達到低位臨界值報警時停止倒油，計量收入油罐倒油后液位H2和體積Vb及支出油罐低位報警液位值H3和相對應體積VC，便可以下式計算出原儲罐液位體積V，即可得原儲罐液位H。

這種方法雖然直觀方便，但是由于高低位報警開關(guān)只檢測某一點的液位，所以不能過于依賴低位報警開關(guān)的連續(xù)性，并且，在罐區(qū)中，將儲罐液位降低到低液位報警值不符合罐區(qū)安全生產(chǎn)要求，所以此種方法并不十分精確。

圖1 某球罐液位示意圖

2.2 利用聯(lián)通器原理監(jiān)測液位

同樣選擇罐區(qū)內(nèi)與未知液位儲罐儲存介質(zhì)相同或相似的儲罐，記錄其液位H4并計算出體積Vd，將兩儲罐相連通。由于兩種儲罐的液位、壓力不同，高位油罐會向低液位罐內(nèi)壓油，直到兩個儲罐內(nèi)液位、壓力相同時，兩儲罐液位不會再改變。待穩(wěn)定數(shù)分鐘后，記錄聯(lián)通儲罐倒油后液位H5和Ve，可以下式計算出原儲罐的體積V與液位H。

圖2 某球罐液位示意圖

此種方法雖然可行，但是壓油與穩(wěn)定時間較長，所以不適用于緊急情況下的液位計量。

2.3 紅外熱成像簡介

2.3.1 紅外成像原理

液化氣球罐在任何溫度下都會發(fā)射或吸收電磁熱輻射，其輻射的大小與儲罐的形狀、罐壁板厚度、所用防腐材料、儲存介質(zhì)化學與物理學結(jié)構(gòu)（如表面氧化度、粗糙度等）特征有關(guān)外，還與輻射波長、環(huán)境溫度、介質(zhì)溫度有關(guān)。紅外熱成像儀就是利用物體的這種輻射性能來測量物體表面溫度場的。根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律：

式中：σ—為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；

ε—為待測物體表面發(fā)射率系數(shù)；

T—為待測物體表面的溫度；

W—為物體表面總輻射強度。

因此，球罐儲存液位的高低和溫度的差異決定輻射波長的發(fā)射系數(shù)，球形儲罐發(fā)射出的輻射被熱成像儀接收,便可測定物體表面的溫度場分布。

2.3.2 紅外成像儀結(jié)構(gòu)

紅外熱像儀利用紅外探測器、光學成像物鏡和光機掃描系統(tǒng)接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形，并反映到紅外探測器的光敏元件上【1】。在光學系統(tǒng)和紅外探測器之間，有一個光機掃描機構(gòu)對被測物體的紅外熱像進行掃描，并聚焦在分光探測器上,由探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換成標準視頻信號并通過電視屏或監(jiān)測器顯示紅外熱像圖。為了更準確地測量液化氣球罐的真實液位，通常需要利用不同溫度下的同一觀測角度來檢測罐內(nèi)液位變化情況，結(jié)合儀器的實用功能，如色彩與亮度、對比度的調(diào)節(jié)來檢測液位的準確性。

2.3.3 利用紅外熱成像技術(shù)監(jiān)測液位

紅外熱成像技術(shù)能直接觀察到人眼在可見光范圍內(nèi)無法觀測到的物體表面溫度分布狀況，從而把人們的視覺范圍從可見光擴展到紅外線波段。由于其具有無損、非接觸、無須耦合、快速實時等特點而得到迅速發(fā)展，已廣泛用于航空航天、機械、醫(yī)療、石化、電力等領(lǐng)域[1]。

圖3 某球罐紅外熱成像圖

由于儲罐內(nèi)氣體和液體的熱輻射不同，在罐體內(nèi)會出現(xiàn)溫差，因此，可以采用紅外熱成像儀檢測儲罐的液位線。本文應用鑫泰HT-201 手機熱成像儀進行檢測，由于其攜帶方便，隨照隨顯的特性，可以用其在罐區(qū)外圍的安全距離外進行拍攝，但是由于紅外線成像儀并不能明確檢測出某油罐具體液位，故可以在罐體上標定液位，以確定其具體液位并算出其儲量。并且在罐體原有兩種液位計液位不同時，可以用此種方法判斷哪種液位計體現(xiàn)的液位更為準確，以達到液位精準測量的目的。

圖4 某球罐圖

3 結(jié) 論

根據(jù)以上三種方法，雖然均可以應用于壓力罐區(qū)的液位核定，但紅外成像技術(shù)以方便、快捷、操作簡單、核算精準等優(yōu)點，表現(xiàn)更為突出，并且還可根據(jù)油水兩相溫度差檢測罐底含水量。紅外熱成像儀的測量是一種簡單快速的非接觸式測量，大大減輕了人力物力的資源消耗。但也有一些情況下并不適用于紅外成像，如環(huán)境介質(zhì)與容器溫度一致，惡劣環(huán)境雨雪天氣等。

可對該設備進行應用推廣，對于企業(yè)中的球罐、反應容器等壓力設備，均可配備便攜式或固定式的紅外監(jiān)測設備，即可用于故障時的應急監(jiān)測也可用于日常的核算校對等，希望通過本文章能夠推進紅外熱成像技術(shù)在球罐區(qū)等壓力容器上的應用。

沈陽工業(yè)大學科研成果介紹 高濃難降解有機廢水預處理集成裝備

適用范圍：制藥、農(nóng)藥、顏料、焦化等行業(yè)高濃度難降解有機廢水。

參照標準：一般厭氧生化處理技術(shù)進水要求。

技術(shù)優(yōu)勢：設備集合電催化氧化、兩級微電解、混凝工藝優(yōu)勢，適宜于多種行業(yè)高濃度難降解有機廢水處理，處理效率高；集裝箱式集成化設計，便于運輸、移動；設備中不同容器水力停留時間可調(diào)節(jié)，適應水質(zhì)水量變化。

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