王玉石，孫銘尉，葛永廣，葛蘇鞍，吳國(guó)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(shí)驗(yàn)

王玉石1，孫銘尉2，葛永廣1，葛蘇鞍1，吳國(guó)忠3，李宏佳3

（1. 中國(guó)石油新疆油田分公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2. 中國(guó)石油新疆油田分公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000； 3. 東北石油大學(xué)，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(lǐng)的物理量，是一項(xiàng)很重要的熱物性參數(shù)。利用紅外熱像儀測(cè)溫原理的通用基本公式推導(dǎo)出發(fā)射率的數(shù)學(xué)模型，得出兩種管線外表面發(fā)射率的測(cè)量方法，對(duì)兩種方法進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)研究了有人工太陽輻射和沒有人工太陽輻射對(duì)管線外表面發(fā)射率測(cè)量的影響。結(jié)果表明人工太陽輻射對(duì)發(fā)射率的影響較大，兩種計(jì)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(dá)34%，能源消耗總量達(dá)到了262萬t標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確管線外表面發(fā)射率對(duì)得出散熱損失量至關(guān)重要［2-5］。

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，需要將被檢測(cè)物體的發(fā)射率作為一個(gè)參數(shù)輸入測(cè)量?jī)x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(cè)量受現(xiàn)場(chǎng)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(shí)際問題，

目前發(fā)射率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(cè)物體的發(fā)射率,熱交換系統(tǒng)由被測(cè)物體與其周圍相關(guān)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(dǎo)，再測(cè)出物體相關(guān)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(gè)探測(cè)器分別測(cè)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(duì)被測(cè)量物體表面溫度控制精確，對(duì)周圍環(huán)境的要求比較高，然而許多設(shè)備，難以精確的控制被測(cè)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(jì)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(shí)驗(yàn)研究。

1 發(fā)射率推導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)方法

紅外熱像儀的工作原理是將熱成像物鏡吸收目標(biāo)物體的輻射能量分布的熱成像圖反映到探測(cè)器中，紅外熱像儀探測(cè)的熱像圖與目標(biāo)物體表面的熱溫度場(chǎng)相吻合，熱像圖中分布不同顏色表示目標(biāo)物體表面的不同溫度[11]。紅外熱像儀有如下優(yōu)點(diǎn)：其一，熱像儀可以在一定距離下測(cè)量目標(biāo)物體，避免了操作環(huán)境帶來的影響，同時(shí)有益于實(shí)驗(yàn)人員快速測(cè)量。其二，熱像儀測(cè)量時(shí)響應(yīng)速度很快并且靈敏度較高[12]。紅外熱像儀測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性主要由目標(biāo)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(zhǔn)確性高低很大程度上影響目標(biāo)物體的真實(shí)溫度， 發(fā)射率的準(zhǔn)確性尤為重要。熱像儀測(cè)量目標(biāo)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(cè)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(cè)物體的輻射亮度：

目標(biāo)物體的有效輻射亮度由2個(gè)部分組成，分別為目標(biāo)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(cè)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(cè)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(cè)器在某一范圍波段上吸收輻射能，并將吸收的輻射能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。探測(cè)器接收輻射對(duì)應(yīng)的輻射功率為：

與輻射功率相應(yīng)的信號(hào)電壓為：

根據(jù)普朗克輻射定律，將公式（4）進(jìn)行變換推導(dǎo)可獲得公式（5）：

將公式（5）進(jìn)行變型得：

（6）

公式（6）為被測(cè)物體表面真實(shí)溫度的計(jì)算公式，由公式可以得出，熱像儀測(cè)量目標(biāo)物體的真實(shí)溫度受其發(fā)射率影響較大。物體表面真實(shí)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(jì)算得出真實(shí)溫度值越大。 由計(jì)算灰體表面真實(shí)溫度的計(jì)算公式（6）可得：

公式(7)中發(fā)射率與熱像儀測(cè)量的溫度、物體的真實(shí)溫度、環(huán)境溫度、大氣溫度、大氣透射率有關(guān)。當(dāng)室內(nèi)或近物體表面測(cè)量時(shí)，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(cè)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(shè)為1，對(duì) 進(jìn)行一次測(cè)量。將公式(5)進(jìn)行變換可得公式（8）：

將公式（8）經(jīng)過變換為公式（9），即為計(jì)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(shí)，=9.255 4，在8~13μm時(shí)，=3.988 9；可通過設(shè)置熱像儀環(huán)境參數(shù)得到；為熱像儀測(cè)量目標(biāo)物體溫度；為熱電偶測(cè)量目標(biāo)物體點(diǎn)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(shè)置不同的值，針對(duì)被測(cè)物體某一目標(biāo)點(diǎn)，分別測(cè)量不同發(fā)射率對(duì)應(yīng)的溫度值。將（7）進(jìn)行變換可得：

（11）

2 測(cè)量發(fā)射率實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備包括：型號(hào)為Therma-CAM S65紅外熱像儀、T型熱電偶、直徑為20 cm長(zhǎng)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(shí)物裝置圖如圖2所示。

圖2 獲取發(fā)射率的實(shí)物裝置圖

實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作及操作步驟：

1）準(zhǔn)備工作

①將溫度控制器與鍍鋅鐵皮進(jìn)行連接，設(shè)置溫度控制器溫度對(duì)被測(cè)目標(biāo)物體加熱。標(biāo)定好的熱電偶安置在鍍鋅鐵皮外表面某目標(biāo)點(diǎn)處，留有一根熱電偶測(cè)量環(huán)境溫度。

②打開人工太陽輻射器對(duì)準(zhǔn)鍍鋅鐵皮外表面, 對(duì)太陽輻射器進(jìn)行預(yù)熱20~30 min。

③把紅外熱像儀固定一臺(tái)支架上，打開紅外熱像儀，對(duì)準(zhǔn)鍍鋅鐵皮外表面，對(duì)熱像儀進(jìn)行調(diào)焦，以便看到最佳清晰的熱像圖。根據(jù)測(cè)量要求，調(diào)整熱像儀與鍍鋅鐵皮外表面目標(biāo)點(diǎn)之間的角度和距離。

2）操作步驟

①利用方法一進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)

無人工太陽輻射時(shí)，設(shè)置紅外熱像儀的發(fā)射率為1，用紅外熱像儀對(duì)鍍鋅鐵皮外表面目標(biāo)點(diǎn)（熱電偶測(cè)量點(diǎn)）進(jìn)行一次測(cè)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(jìn)行的實(shí)驗(yàn)

無人工太陽輻射時(shí)，對(duì)紅外熱像儀的發(fā)射率設(shè)置不同的值，分別為0.2、0.4、0.6、0.8，對(duì)準(zhǔn)鍍鋅鐵皮外表面目標(biāo)點(diǎn)，同樣讀出相應(yīng)的熱像儀溫度值，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

③有人工太陽輻射時(shí)，打開太陽輻射器，預(yù)熱20~30 min后，測(cè)量步驟同①、②。

3 結(jié)果分析

方法一：熱像儀的發(fā)射率設(shè)置為1時(shí)，得出的熱象圖如圖3、圖4和管線外表面發(fā)射率測(cè)量結(jié)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(shè)置為1時(shí)，被測(cè)鍍鋅鐵皮外表面的目標(biāo)點(diǎn)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(shè)置為1時(shí)的同一目標(biāo)點(diǎn)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(cè)量結(jié)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(shí)，計(jì)算發(fā)射率的誤差值為12.5%，有人工太陽輻射時(shí)，計(jì)算發(fā)射率的誤差值為37.5%，有人工太陽輻射時(shí)，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(shè)置為0.2、0.4、0.6、0.8時(shí)，得出的熱象圖如圖5、圖6和管線外表面發(fā)射率測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 管線外表面發(fā)射率測(cè)量結(jié)果

如圖5和圖6所示，隨著紅外熱像儀設(shè)置的發(fā)射率增加，熱像儀測(cè)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(shí)，計(jì)算發(fā)射率的誤差為8.3%，有人工太陽輻射時(shí)，計(jì)算發(fā)射率的誤差為25%。方法二結(jié)果表明，有人工太陽輻射時(shí)，計(jì)算發(fā)射率的誤差值偏大。

4 結(jié)論

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

（1）方法一中應(yīng)用的方法簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的參數(shù)較少，然而對(duì)測(cè)量物理量值的精度需求較高，因此該方法會(huì)帶來較大的誤差值。由計(jì)算結(jié)果可知，有人工太陽輻射時(shí)，計(jì)算得出發(fā)射率相對(duì)誤差值超過35%。

（2）方法二中測(cè)量參數(shù)多于方法一，對(duì)參數(shù)測(cè)量的精確度要求不高，此方法設(shè)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(jì)算得出發(fā)射率相對(duì)誤差值可知，此方法計(jì)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(shí)熱象圖部分區(qū)域溫度波動(dòng)范圍大，用熱像儀測(cè)量被測(cè)物體目標(biāo)點(diǎn)溫度時(shí)帶來了系統(tǒng)誤差。因此無人工太陽輻射時(shí)計(jì)算得出管線外表面發(fā)射率準(zhǔn)確性高于有人工太陽輻射時(shí)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(cè)試技術(shù)方面的工作。