基于表面紅外熱像的運(yùn)行中脫硫塔壁厚定量檢測研究

劉宏林，韓玉軍，史 勇，孔松濤，王 堃

基于表面紅外熱像的運(yùn)行中脫硫塔壁厚定量檢測研究

劉宏林1，韓玉軍2，史 勇3，孔松濤3，王 堃3

（1. 中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450000；2. 東方希望重慶水泥有限公司，重慶 408200；3. 重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

本文采用共軛梯度方法，根據(jù)脫硫塔表面的紅外熱像對(duì)運(yùn)行中的脫硫塔壁厚進(jìn)行了檢測。由于脫硫塔內(nèi)部檢測環(huán)境惡劣，壁厚檢測所需要的脫硫塔內(nèi)壁面熱流亦采用共軛梯度法反演得到。首先通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本方法的可行性。然后，依據(jù)紅外熱像進(jìn)行反演，發(fā)現(xiàn)脫硫塔存在筒體腐蝕，防腐涂層脫落和減薄等問題。利用后續(xù)的停機(jī)檢修，對(duì)問題區(qū)域進(jìn)行了復(fù)核，亦證實(shí)了以上部位的異常，表明了本文所提出的基于表面紅外熱像的脫硫塔壁厚定量檢測方法的有效性和準(zhǔn)確性。

紅外熱像；脫硫塔；壁厚；定量檢測

0 引言

濕法煙氣脫硫利用石灰石漿液吸收煙氣中的SO2，具有高效率和高可靠性等優(yōu)勢，已成為當(dāng)前火電廠和化工廠脫硫的主力技術(shù)[1]。但是火電廠運(yùn)行過程中，由于煤燃燒和SO2氧化，特別是在選擇性催化還原脫銷系統(tǒng)中催化劑作用下，SO2會(huì)更有利于氧化成生成SO3，造成煙氣中SO3濃度顯著增加[2-3]。煙氣進(jìn)入脫硫塔系統(tǒng)后，溫度迅速冷卻至酸露點(diǎn)以下，形成細(xì)小SO3酸霧，而單脫硫塔的SO3脫除效率僅為30%～40%[4]。

煙氣中的SO3、SO2，HF及其它酸性物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致塔體金屬發(fā)生化學(xué)腐蝕，脫硫塔內(nèi)還存在電化學(xué)腐蝕、磨蝕、結(jié)晶腐蝕、垢下腐蝕和氯離子腐蝕[5]。在以上多種方式的共同作用下，受到內(nèi)涂玻璃鱗片、聚烯烴共聚物、改性聚脲或納米復(fù)合涂料等物質(zhì)防護(hù)的脫硫塔仍可能發(fā)生腐蝕。

目前，對(duì)脫硫塔的檢測主要有外觀損傷、鋼材厚度、力學(xué)性能、焊縫缺陷檢測和構(gòu)件變形等項(xiàng)目[6]。以上檢測項(xiàng)目能夠有效對(duì)停機(jī)后的脫硫塔健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)測。但是，對(duì)運(yùn)行中的脫硫塔腐蝕狀態(tài)進(jìn)行有效檢測未見文獻(xiàn)報(bào)道。結(jié)合脫硫塔運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文提出了采用傳熱學(xué)反演的方法根據(jù)表面紅外熱像進(jìn)行運(yùn)行中脫硫塔壁厚定量檢測，并以某廠的煙氣脫硫塔為對(duì)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 脫硫塔傳熱模型

研究對(duì)象為圖1所示的脫硫塔，其內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，無法布置有效的溫度測量裝置；脫硫過程是一個(gè)包含了傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過程，難以準(zhǔn)確地用數(shù)學(xué)語言描述。為了建立脫硫塔的傳熱模型，本文進(jìn)行以下簡化：

1）脫硫塔為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁面熱流沿周向分布均勻；

2）脫硫塔內(nèi)部有玻璃鱗片防腐涂層，涂層質(zhì)地均勻且熱物性參數(shù)為各向同性；

3）煙氣和石灰漿液對(duì)脫硫塔的傳熱，可等效為對(duì)脫硫塔內(nèi)壁施加有沿軸向分布的加熱熱流；

4）忽略脫硫塔內(nèi)部噴嘴和支撐結(jié)構(gòu)對(duì)脫硫塔壁面溫度分布的影響；

5）忽略脫硫塔內(nèi)壁和防腐涂層的接觸熱阻；

6）忽略脫硫塔的軸向?qū)幔?/p>

7）脫硫塔的溫度場為穩(wěn)態(tài)。

圖1 某廠工作中的脫硫塔

脫硫塔漿液區(qū)是腐蝕的重災(zāi)區(qū)，本文以漿液區(qū)段為研究對(duì)象，簡化后的脫硫塔漿液區(qū)如圖2所示，具體幾何參數(shù)及熱物性參數(shù)見表1。脫硫塔內(nèi)壁1存在軸向分布熱流，外表面2與環(huán)境存在對(duì)流換熱，且2面上的溫度可以直接測量，其他表面3絕熱。記＝(,,)為空間坐標(biāo)向量，脫硫塔溫度場的控制方程為：

邊界條件為：

式中：()為內(nèi)壁沿軸向的熱流密度分布；為表面2的對(duì)流換熱系數(shù)；f為環(huán)境溫度；為表面的外法線方向。

表1 脫硫塔幾何參數(shù)及熱物性參數(shù)

若已知脫硫塔的幾何結(jié)構(gòu)和熱邊界條件，利用有限元法（finite element method, FEM）求解公式(1)～(4)，可以確定脫硫塔的溫度場()，作為壁厚檢測的基礎(chǔ)。

2 基于反問題的脫硫塔壁厚檢測

運(yùn)行中脫硫塔壁厚是影響脫硫塔表面溫度分布的關(guān)鍵因素之一，如果脫硫塔壁面腐蝕減薄，則傳熱熱阻減小，在腐蝕部位對(duì)應(yīng)的塔外表面形成局部高溫區(qū)域，如圖1(b)所示。因此，可通過求解導(dǎo)熱反問題根據(jù)脫硫塔表面紅外熱像進(jìn)行脫硫塔壁厚檢測。

2.1 壁厚檢測方案

在如圖2所示的脫硫塔表面熱像圖中，選取高溫區(qū)域的個(gè)溫度測點(diǎn)，依據(jù)此測量信息Tmea（＝1, 2, …,）采用共軛梯度方法（conjugate gradient method，CGM）求解多變量穩(wěn)態(tài)傳熱反問題[7-8]，進(jìn)行壁厚的反演；由于脫硫塔為薄壁結(jié)構(gòu)，熱擴(kuò)散效應(yīng)較弱，則外表面高溫區(qū)域可看作與內(nèi)壁腐蝕區(qū)域接近。為了便于問題討論，在本文中，內(nèi)壁腐蝕區(qū)域用圓柱近似。

然而，壁厚反演過程中正問題的計(jì)算需要已知脫硫塔內(nèi)壁熱邊界條件如熱流()。而內(nèi)壁熱流()難以直接測量。如果直接同時(shí)反演壁厚和內(nèi)壁熱流()，可能因?yàn)闇y量信息不能夠同時(shí)對(duì)壁厚和熱流具有較大的靈敏度，造成檢測系統(tǒng)的病態(tài)程度加劇。

因此，檢測方案包括了兩步：先進(jìn)行內(nèi)壁熱流定量識(shí)別，再定量識(shí)別壁厚。內(nèi)壁熱流可采用CGM反演得到：在脫硫塔外表面高溫區(qū)域附近同等高度的溫度正常區(qū)域沿周向選取個(gè)測點(diǎn)，以該測點(diǎn)的溫度信息Tmea（＝1, 2, …,）反演該位置處的脫硫塔內(nèi)壁熱流；內(nèi)壁熱流沿高度方向變化，但是周向分布均勻，以第一步反演得到的內(nèi)壁熱流作為壁厚反演中正問題的已知熱邊界條件，以高溫區(qū)域的溫度測量信息作為壁厚反演的依據(jù)，提高了測量信息對(duì)壁厚的靈敏度，有利于削弱壁厚檢測問題的病態(tài)程度。

2.2 共軛梯度算法

利用共軛梯度算法求解壁厚反問題，通過迭代優(yōu)化使得目標(biāo)函數(shù)()足夠小或者達(dá)到最大迭代步max，對(duì)應(yīng)的壁厚即為所求。目標(biāo)函數(shù)()可表示為：

式中：Tmea為在脫硫塔紅外熱像圖上提取的第個(gè)溫度測量值；d為第次迭代得到的壁厚的猜測值；Tcal(d)是根據(jù)d進(jìn)行正問題計(jì)算得到的第個(gè)測量位置處的溫度計(jì)算值。為在紅外熱像圖上提取的溫度測量值的數(shù)目。停機(jī)標(biāo)準(zhǔn)可由下式表示：

＝2(6)

式中：為測量誤差的標(biāo)準(zhǔn)差。

CGM沿著已知點(diǎn)處的梯度所構(gòu)造出的共軛方向迭代搜索目標(biāo)函數(shù)的極小點(diǎn)，迭代過程中對(duì)壁厚猜測值的修正可表示為：

d＋1＝d－(7)

式中：為搜索步長；為搜索方向。

搜索步長表示為：

搜索方向可由下式表示：

式中：?(d)為目標(biāo)函數(shù)的梯度；為共軛系數(shù)，可根據(jù)式(10)計(jì)算：

利用CGM根據(jù)紅外熱像圖中正常區(qū)域溫度反演該位置處的脫硫塔內(nèi)壁熱流，其過程可參考公式(6)～(10)，在此就不一一贅述。

2.3 迭代求解流程

應(yīng)用CGM根據(jù)脫硫塔紅外熱像圖反演壁厚的計(jì)算步驟如下：

1）根據(jù)紅外熱像圖，對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行辨識(shí)；

2）反演異常區(qū)域脫硫塔內(nèi)壁熱流；

3）給出壁厚初始猜測值0；

4）通過求解公式(1)～(4)，得到測點(diǎn)處的計(jì)算溫度Tmea（＝1, 2, …,），并代入公式(5)：

如果滿足上述條件，d即為所求，停止迭代；否則繼續(xù)；

5）按公式(8)～(10)對(duì)CGM里的參數(shù)進(jìn)行更新；

6）根據(jù)公式(7)更新壁厚的猜測值，并返回步驟4）。

3 脫硫塔檢測結(jié)果及分析

選取環(huán)境溫度f＝20℃，對(duì)流換熱系數(shù)＝10W/(m2×K)。異常區(qū)域溫度測點(diǎn)數(shù)量＝3；正常區(qū)域溫度＝2?？紤]到實(shí)際測量過程中，溫度測量誤差是無法消除的，通過現(xiàn)場標(biāo)定，測量誤差＝0.055℃，＝0.01。

1）數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證檢測系統(tǒng)的有效性和精確性，本文先進(jìn)行脫硫塔內(nèi)部缺陷檢測的數(shù)值實(shí)驗(yàn)。在數(shù)值實(shí)驗(yàn)中，脫硫塔的熱邊界條件、幾何參數(shù)和熱物性參數(shù)均與實(shí)際過程相同，假設(shè)真實(shí)壁厚e＝16mm。

數(shù)值實(shí)驗(yàn)中設(shè)置不同大小的測量誤差，以考察測量誤差對(duì)缺陷檢測結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同測量誤差時(shí)的檢測結(jié)果

從表2可以看出，隨著測量誤差的增大，壁厚檢測結(jié)果的精確性下降。如＝0.2℃時(shí)，相對(duì)誤差為7.13%，在工程上可以接受。

2）依據(jù)現(xiàn)場紅外熱像反演

①高溫區(qū)域1

如圖3所示，高溫區(qū)域1的最高溫度為48.2℃，區(qū)域的最大溫差為1.4℃。利用基于導(dǎo)熱反問題的脫硫塔壁厚檢測方法，對(duì)高溫區(qū)域1的壁厚進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為＝14.6mm，即該區(qū)域玻璃鱗片厚度為0.6mm?？紤]到計(jì)算誤差，可判定為防腐涂層已磨損殆盡或脫落，若不處理，塔壁金屬將受到快速腐蝕。在檢測后30天左右，脫硫塔停機(jī)檢修，發(fā)現(xiàn)高溫區(qū)域1的防腐涂層已脫落，證實(shí)了本方法的正確性。

圖3 高溫區(qū)域1對(duì)應(yīng)的紅外熱像圖

②高溫區(qū)域2

如圖4所示，高溫區(qū)域2的最高溫度為48.3℃，區(qū)域的最大溫差為1.2℃。對(duì)高溫區(qū)域2的壁厚進(jìn)行反演：＝15.8mm，即該區(qū)域防腐涂層厚度為1.8mm，可判定為防腐涂層已減薄。

圖4 高溫區(qū)域2對(duì)應(yīng)的紅外熱像圖

③高溫區(qū)域3

如圖5所示，高溫區(qū)域3的最高溫度為48.1℃，區(qū)域的最大溫差為3.7℃。對(duì)高溫區(qū)域3的壁厚進(jìn)行反演：＝6.5mm。表明該區(qū)域脫硫塔金屬塔壁已發(fā)生腐蝕，減薄了7.5mm，應(yīng)盡快排查、檢修。

4 結(jié)論

本文采用導(dǎo)熱反問題的方法，根據(jù)紅外熱像圖對(duì)運(yùn)行中的脫硫塔壁厚進(jìn)行了檢測。其中，脫硫塔壁厚和脫硫塔內(nèi)壁面熱流的反演均采用共軛梯度法。首先通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本方法的可行性。然后，依據(jù)紅外熱像進(jìn)行反演，發(fā)現(xiàn)脫硫塔筒體腐蝕1處，防腐涂層脫落1處，防腐涂層減薄1處。在后續(xù)的停機(jī)檢修時(shí)對(duì)上述部進(jìn)行了復(fù)核，均驗(yàn)證了上述檢測結(jié)果，表明了基于表面紅外熱像的脫硫塔壁厚定量檢測方法的有效性和準(zhǔn)確性。

圖5 高溫區(qū)域3對(duì)應(yīng)的紅外熱像圖

防腐涂層厚度的不一致，脫硫塔內(nèi)介質(zhì)分布的不均勻，紅外熱像儀精度以及環(huán)境等因素，可能會(huì)給壁厚檢測結(jié)果引入誤差，造成識(shí)別精度下降。如何提高壁厚檢測精度，仍是下一步研究的方向。

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Wall Thickness Quantitative Detection of Desulfurization Tower in Operation Based on Surface Infrared Thermal Image

LIU Honglin1，HAN Yujun2，SHI Yong3，KONG Songtao3，WANG Kun3

(1.,450000,;2.,408200,;3.,401331,)

In this study, the wall thickness of the desulfurization tower during operation was measured using the conjugate gradient method according to the infrared thermogram of the tower surface. Because of the harsh detection environment inside the desulfurization tower, the inner-wall heat flow, which was needed for wall thickness detection, was also obtained by inversion of the conjugate gradient method. First, the feasibility of the proposed method was verified using numerical experiments. Subsequently, based on the infrared thermal image inversion, it was found that the desulfurization tower had some problems, such as the corrosion of the cylinder, the falling off of the anticorrosive coating, and the thinning. In the subsequent downtime maintenance, the problem area was rechecked, and the anomalies mentioned above were confirmed, which indicated the effectiveness and accuracy of the quantitative detection method for the wall thickness of the desulfurization tower based on the surface infrared thermal image proposed in this study.

infrared thermal image, desulfurization tower, wall thickness, quantitative detection

TB21

A

1001-8891(2021)11-1135-05

2021-04-08；

2021-10-05.

劉宏林（1981-），男，高級(jí)工程師，主要從事核電站，火電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研究工作。E-mail：airo0424@163.com。

王堃（1980-），男，副教授，主要研究方向?yàn)榱黧w傳熱及傳熱學(xué)反問題。E-mail：3938630@qq.com。