紅外熱像儀測量管道散熱損失方法及誤差分析

王玉石　齊剛　馬中山　帕爾哈提

摘 要：稠油熱采過程中，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能亟待解決的問題，也是提高企業效益的有效途徑。如何準確測量現場實際運行工況下注汽管道的散熱損失是實現節能降耗的首要前提。結合現有管道熱損失測量方法，通過實驗室模擬油田現場運行管道，采用紅外熱像儀設置不同發射率及測量距離測量所模擬的管道外表面溫度，對紅外熱像儀使用過程中造成的誤差影響因素進行了分析。

關 鍵 詞：紅外熱成像；保溫管道；熱損失；誤差分析

中圖分類號：TG174 文獻標識碼：A 文章編號： 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的重要設備，其熱損失占到整個注汽系統的10%以上，稠油熱采注汽管道的節能空間較大，新疆油田公司現有注汽管道800 km。科學準確的計算稠油熱采注汽管道的熱損失，對于優化保溫方案，降低生產耗能，減少運行成本，具有重要意義。

目前設備或管道表面的熱損失測量方法有熱流密度法[1]、表面溫度計法[2]、焓降法[3]三種。近年來發展迅速的紅外熱成像法是基于表面溫度法的一種測量方法，具有耐高溫，響應快、易操作、效率高、適應性強、異常溫度場快速識別等優點。因此，紅外熱成像技術得到了廣泛應用[4-8]。

紅外熱像儀測溫的原理是通過接收被測物體表面的輻射量來確定被測物體的溫度。利用紅外熱成像技術，精確地測量稠油熱采注汽管道外表面溫度，進而準確地計算管道熱損失是油田節能工作的一項緊迫課題。到目前為止，已有很多學者提出了注汽管道表面溫度的測量方法，進而確定管道熱損失。張才根等研究了由表面溫度轉化為熱損失的處理方法，估算了節能潛力[9]。王富聚通過管網模擬技術建立管網數學模型，提出了基于模擬技術的蒸汽管線散熱損失分析評價方法[10]。高建蘋等針對蘭州石化公司蒸汽管線投用時間長、保溫效果差，造成熱損失較大的問題對管道散熱損失進行多次測試、對比分析，從而確定了需整治的管線，實現了節能降耗[11]。楊麗等介紹了紅外熱像檢測技術和管道保溫散熱損失計算方法，并對測算過程中的誤差進行了分析[12]。

目前，關于紅外熱像原理在測量注汽管道熱損失時的系統理論方法介紹和使用過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，對注汽管道熱損失的測量給出較為全面的介紹，并對影響測量精度的因素進行了分析。

1 實驗原理

實際管道向周圍環境散熱滿足熱力學對流和輻射兩種方式，測量出管道外表面溫度、環境溫度以及風速等，按照對流和輻射換熱公式可計算出管道散熱損失q。

（1）

式中： —表面換熱系數，W/（m2·K）；

—管道表面溫度， K；

—環境溫度， K；

—管道表面發射率；

—斯蒂芬-玻爾茲曼常數， W/（m2·K4）。

表面換熱系數 可按下式計算[13]：

（2）

露天布置的保溫管線，可按照式（3）計算表面換熱系數：

（3）

式中：W —風速，m/s。

根據式（1）并結合實際測量水平分析知，散熱損失的測量精度主要受到管道表面溫度及管道表面發射率測量的準確度。

在實際測量中，熱像儀會接受到目標的自身輻射、環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兩個波段工作，探測器在工作波段上積分入射的輻射能，把入射的輻射能轉化為與能量成正比的電信號。熱像儀測溫的通用基本公式為[14]：

（4）

式中： —電壓信號；

K —常數；

—大氣透射率；

—大氣發射率，

=1- ；

—物體表面發射率；

—物體表面吸收率；

—被測物體表面溫度；

—反射環境溫度；

—大氣溫度。

對式（4）進一步變化可得下式[15]：

（5）

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

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

2 實驗方法

本次實驗裝置采用鍍鋅鐵皮制成的其內充滿熱水的模擬管道內徑300 mm，長度600 mm。在管道外表面上下左右四個位置安置標定好的熱電偶，同時用另外的熱電偶測量環境溫度。如圖1所示為管道截面熱電偶測點布置圖。本次實驗采用的紅外熱像儀型號為ThermaCAMTMP30。實驗裝置圖如圖2所示。

2.1 固定距離下設置不同發射率測量管道表面溫度

①連接實驗裝置，將測量管道表面溫度的熱電偶與模擬管道良好連接；

②利用激光測距儀調節管道側表面與紅外熱像儀的距離為1.5 m并且使其處于同一個水平面；

③設置紅外熱像儀發射率并對其進行焦距調節使熱圖像清晰，在發射率分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0時測量管道表面溫度。

2.2 參考發射率下不同距離測量管道表面溫度

①連接實驗裝置，將測量管道表面溫度的熱電偶與模擬管道良好連接；

②設置紅外熱像儀發射率為參考發射率0.23；

③利用激光測距儀調節管道側表面與紅外熱像儀的距離分別為0.5、1.0、1.5、2.0 m并使其處于同一個水平面；

④改變管道表面溫度進行重復上述距離設定值進行測量。

3 實驗結果及分析

如表1所示為距離1.5 m時紅外熱像儀設置不同的發射率時測得的管道表面溫度與管道表面四個熱電偶測得的管道表面溫度平均值的對比。由表1數據知，紅外熱像儀設置的發射率對測溫影響造成的誤差還是比較大的。當紅外熱像儀設置的發射率接近參考發射率時，測得的管道溫度與熱電偶測得的管道溫度比較接近，誤差較小。圖3為實驗過程中從熱像儀采集的熱像圖。如表2所示為發射率設置為參考發射率0.23時，紅外熱像儀設置不同距離時測得的管道表面溫度值與管道表面四個熱電偶測得的管道表面溫度平均值的對比。其中，第一行所示為熱電偶測得的溫度平均值。由表2數據知，距離對測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，大氣透射率減小的同時熱像儀的瞬時視場角的視場面積隨之增大，管道相對于瞬時視場面積的倍數在減小。當管道不能充滿熱像儀視場時，輸出信號降低，導致測量誤差。當然，測量距離也不能太近，測量需符合被測管道能夠充滿視場。

4 結 論

基于紅外熱成像原理的管道熱損失計算方法在實際測溫過程中能夠方便計算高空及角落位置的管道表面溫度，從而計算局部管道熱損失。同時，該方法也能夠方便快捷地發現管道有缺損部位及散熱嚴重的部位，進而及時地對其進行更換，能夠避免更大的熱損失。

本文通過實驗室模擬油田現場運行管道，采用紅外熱像儀設置不同發射率及測量距離測量所模擬的管道外表面溫度，對紅外熱像儀使用過程中造成的誤差影響因素進行了分析，最終得出以下結論：

（1）紅外熱像儀設置不同的發射率會對測溫造成誤差。當紅外熱像儀設置的發射率接近參考發射率時，測得的管道溫度與熱電偶測得的管道溫度比較接近，誤差較小；當紅外熱像儀設置的發射率偏離參考發射率較大時測量誤差相應變大。

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

參考文獻：

[1]成偉，胡足. 蒸汽管線熱損失的測試及分析[J]. 甘肅科技， 2010，26（10）：63-64.

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[3]程宗頤. 熱網管道熱損失現場測試方法探討[J]. 能源研究與利用，1995（5）：11-12.

[4] 方修睦，王楊洋，王中華. 建筑外圍護結構表面熱工缺陷紅外檢測方法研究[J]. 施工技術，2006，35（4）：54-56.