王玉石　齊剛　馬中山　帕爾哈提

摘 要：稠油熱采過(guò)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(wèn)題，也是提高企業(yè)效益的有效途徑。如何準(zhǔn)確測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況下注汽管道的散熱損失是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的首要前提。結(jié)合現(xiàn)有管道熱損失測(cè)量方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬油田現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管道，采用紅外熱像儀設(shè)置不同發(fā)射率及測(cè)量距離測(cè)量所模擬的管道外表面溫度，對(duì)紅外熱像儀使用過(guò)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(hào)：TG174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 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(gè)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(jì)算稠油熱采注汽管道的熱損失，對(duì)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(cè)量方法有熱流密度法[1]、表面溫度計(jì)法[2]、焓降法[3]三種。近年來(lái)發(fā)展迅速的紅外熱成像法是基于表面溫度法的一種測(cè)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(chǎng)快速識(shí)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(cè)溫的原理是通過(guò)接收被測(cè)物體表面的輻射量來(lái)確定被測(cè)物體的溫度。利用紅外熱成像技術(shù)，精確地測(cè)量稠油熱采注汽管道外表面溫度，進(jìn)而準(zhǔn)確地計(jì)算管道熱損失是油田節(jié)能工作的一項(xiàng)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(cè)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(guò)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(píng)價(jià)方法[10]。高建蘋等針對(duì)蘭州石化公司蒸汽管線投用時(shí)間長(zhǎng)、保溫效果差，造成熱損失較大的問(wèn)題對(duì)管道散熱損失進(jìn)行多次測(cè)試、對(duì)比分析，從而確定了需整治的管線，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗[11]。楊麗等介紹了紅外熱像檢測(cè)技術(shù)和管道保溫散熱損失計(jì)算方法，并對(duì)測(cè)算過(guò)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(cè)量注汽管道熱損失時(shí)的系統(tǒng)理論方法介紹和使用過(guò)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(duì)注汽管道熱損失的測(cè)量給出較為全面的介紹，并對(duì)影響測(cè)量精度的因素進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)際管道向周圍環(huán)境散熱滿足熱力學(xué)對(duì)流和輻射兩種方式，測(cè)量出管道外表面溫度、環(huán)境溫度以及風(fēng)速等，按照對(duì)流和輻射換熱公式可計(jì)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(jì)算[13]：

（2）

露天布置的保溫管線，可按照式（3）計(jì)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(shí)際測(cè)量水平分析知，散熱損失的測(cè)量精度主要受到管道表面溫度及管道表面發(fā)射率測(cè)量的準(zhǔn)確度。

在實(shí)際測(cè)量中，熱像儀會(huì)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(gè)波段工作，探測(cè)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(hào)。熱像儀測(cè)溫的通用基本公式為[14]：

（4）

式中： —電壓信號(hào)；

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(cè)物體表面溫度；

—反射環(huán)境溫度；

—大氣溫度。

對(duì)式（4）進(jìn)一步變化可得下式[15]：

（5）

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

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

2 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度600 mm。在管道外表面上下左右四個(gè)位置安置標(biāo)定好的熱電偶，同時(shí)用另外的熱電偶測(cè)量環(huán)境溫度。如圖1所示為管道截面熱電偶測(cè)點(diǎn)布置圖。本次實(shí)驗(yàn)采用的紅外熱像儀型號(hào)為ThermaCAMTMP30。實(shí)驗(yàn)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(cè)量管道表面溫度

①連接實(shí)驗(yàn)裝置，將測(cè)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(cè)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(gè)水平面；

③設(shè)置紅外熱像儀發(fā)射率并對(duì)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(shí)測(cè)量管道表面溫度。

2.2 參考發(fā)射率下不同距離測(cè)量管道表面溫度

①連接實(shí)驗(yàn)裝置，將測(cè)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(cè)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(gè)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(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

如表1所示為距離1.5 m時(shí)紅外熱像儀設(shè)置不同的發(fā)射率時(shí)測(cè)得的管道表面溫度與管道表面四個(gè)熱電偶測(cè)得的管道表面溫度平均值的對(duì)比。由表1數(shù)據(jù)知，紅外熱像儀設(shè)置的發(fā)射率對(duì)測(cè)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(shí)，測(cè)得的管道溫度與熱電偶測(cè)得的管道溫度比較接近，誤差較小。圖3為實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)，紅外熱像儀設(shè)置不同距離時(shí)測(cè)得的管道表面溫度值與管道表面四個(gè)熱電偶測(cè)得的管道表面溫度平均值的對(duì)比。其中，第一行所示為熱電偶測(cè)得的溫度平均值。由表2數(shù)據(jù)知，距離對(duì)測(cè)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(shí)，大氣透射率減小的同時(shí)熱像儀的瞬時(shí)視場(chǎng)角的視場(chǎng)面積隨之增大，管道相對(duì)于瞬時(shí)視場(chǎng)面積的倍數(shù)在減小。當(dāng)管道不能充滿熱像儀視場(chǎng)時(shí)，輸出信號(hào)降低，導(dǎo)致測(cè)量誤差。當(dāng)然，測(cè)量距離也不能太近，測(cè)量需符合被測(cè)管道能夠充滿視場(chǎng)。

4 結(jié) 論

基于紅外熱成像原理的管道熱損失計(jì)算方法在實(shí)際測(cè)溫過(guò)程中能夠方便計(jì)算高空及角落位置的管道表面溫度，從而計(jì)算局部管道熱損失。同時(shí)，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(shí)地對(duì)其進(jìn)行更換，能夠避免更大的熱損失。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬油田現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管道，采用紅外熱像儀設(shè)置不同發(fā)射率及測(cè)量距離測(cè)量所模擬的管道外表面溫度，對(duì)紅外熱像儀使用過(guò)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(huì)對(duì)測(cè)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(shí)，測(cè)得的管道溫度與熱電偶測(cè)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(shí)測(cè)量誤差相應(yīng)變大。

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

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