紅外熱成像技術(shù)在球罐液位監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

閆容菊，閆恒

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司遼河石化分公司，遼寧 盤(pán)錦 124000）

1 液化氣球罐區(qū)簡(jiǎn)介

煉化企業(yè)中球罐主要儲(chǔ)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(chǔ)罐設(shè)計(jì)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(fù)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(jìn)行液化氣產(chǎn)品的儲(chǔ)存、外運(yùn)等多種任務(wù)，收付油作業(yè)頻繁。其中，儲(chǔ)罐液位監(jiān)測(cè)是生產(chǎn)運(yùn)行管控的一個(gè)重要參數(shù)，一方面保證儲(chǔ)罐正常運(yùn)行的計(jì)量計(jì)算，另一方也要保證儲(chǔ)罐在安全液位下運(yùn)行，所以?xún)?chǔ)罐液位的檢測(cè)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(wèn)題。目前球形壓力儲(chǔ)罐的液位監(jiān)測(cè)手段主要有伺服液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、鋼帶液位計(jì)、磁翻板液位計(jì)、機(jī)械式的高低開(kāi)關(guān)等，均在儲(chǔ)罐密閉狀態(tài)下運(yùn)行。

2 儲(chǔ)罐液位計(jì)出現(xiàn)異常及其解決方法

目前，石油化工企業(yè)逐漸依賴(lài)自動(dòng)化儀器與設(shè)備對(duì)油罐液位進(jìn)行監(jiān)控，通常情況下，液化氣球罐區(qū)每個(gè)儲(chǔ)罐都會(huì)安裝兩種液位計(jì)對(duì)其液位進(jìn)行檢測(cè)，自動(dòng)化設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行的情況下會(huì)出現(xiàn)如下三種異常情況：

（1）儲(chǔ)罐液位計(jì)測(cè)量失真；

（2）兩種液位計(jì)測(cè)量結(jié)果有偏差；

（3）兩臺(tái)液位計(jì)均失靈。

在常壓儲(chǔ)罐中出現(xiàn)以上幾種情況可以采用人工檢尺的方法進(jìn)行核算，但在壓力儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存、計(jì)量中，則不可采用人工檢尺的方法進(jìn)行測(cè)量，很難得到油罐內(nèi)真實(shí)的精確液位。因此，為了解決這種異常情況下的生產(chǎn)運(yùn)行，本文提出三種不同的測(cè)量方法，分別是利用高低位開(kāi)關(guān)、連通器原理現(xiàn)場(chǎng)翻版液位計(jì)和紅外熱成像技術(shù)來(lái)對(duì)液位進(jìn)行測(cè)算。

2.1 利用高低位報(bào)警指示儀監(jiān)測(cè)液位

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，普遍存在同一罐區(qū)不同儲(chǔ)罐儲(chǔ)存相同油品或性質(zhì)相似油品的情況，當(dāng)一儲(chǔ)罐進(jìn)行清罐作業(yè)或因設(shè)備腐蝕穿孔、老化等問(wèn)題無(wú)法正常作業(yè)時(shí)，即可倒油至存儲(chǔ)油品相同或性質(zhì)相近儲(chǔ)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(chǔ)存介質(zhì)相同或相似油品且液位精確的儲(chǔ)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(jìn)而相同體積油品倒入不同液位油罐中增長(zhǎng)油品高度亦不同，所以可利用罐區(qū)自動(dòng)化高低位報(bào)警系統(tǒng)的低位報(bào)警開(kāi)關(guān)輔助測(cè)算。首先計(jì)量倒油前收入油罐的初始液位H1并計(jì)算其體積Va，在倒油過(guò)程中當(dāng)?shù)鸵何粓?bào)警開(kāi)關(guān)因液位達(dá)到低位臨界值報(bào)警時(shí)停止倒油，計(jì)量收入油罐倒油后液位H2和體積Vb及支出油罐低位報(bào)警液位值H3和相對(duì)應(yīng)體積VC，便可以下式計(jì)算出原儲(chǔ)罐液位體積V，即可得原儲(chǔ)罐液位H。

這種方法雖然直觀方便，但是由于高低位報(bào)警開(kāi)關(guān)只檢測(cè)某一點(diǎn)的液位，所以不能過(guò)于依賴(lài)低位報(bào)警開(kāi)關(guān)的連續(xù)性，并且，在罐區(qū)中，將儲(chǔ)罐液位降低到低液位報(bào)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(cè)液位

同樣選擇罐區(qū)內(nèi)與未知液位儲(chǔ)罐儲(chǔ)存介質(zhì)相同或相似的儲(chǔ)罐，記錄其液位H4并計(jì)算出體積Vd，將兩儲(chǔ)罐相連通。由于兩種儲(chǔ)罐的液位、壓力不同，高位油罐會(huì)向低液位罐內(nèi)壓油，直到兩個(gè)儲(chǔ)罐內(nèi)液位、壓力相同時(shí)，兩儲(chǔ)罐液位不會(huì)再改變。待穩(wěn)定數(shù)分鐘后，記錄聯(lián)通儲(chǔ)罐倒油后液位H5和Ve，可以下式計(jì)算出原儲(chǔ)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(shí)間較長(zhǎng)，所以不適用于緊急情況下的液位計(jì)量。

2.3 紅外熱成像簡(jiǎn)介

2.3.1 紅外成像原理

液化氣球罐在任何溫度下都會(huì)發(fā)射或吸收電磁熱輻射，其輻射的大小與儲(chǔ)罐的形狀、罐壁板厚度、所用防腐材料、儲(chǔ)存介質(zhì)化學(xué)與物理學(xué)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(zhǎng)、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(lái)測(cè)量物體表面溫度場(chǎng)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(cè)物體表面發(fā)射率系數(shù)；

T—為待測(cè)物體表面的溫度；

W—為物體表面總輻射強(qiáng)度。

因此，球罐儲(chǔ)存液位的高低和溫度的差異決定輻射波長(zhǎng)的發(fā)射系數(shù)，球形儲(chǔ)罐發(fā)射出的輻射被熱成像儀接收,便可測(cè)定物體表面的溫度場(chǎng)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(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形，并反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上【1】。在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間，有一個(gè)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)對(duì)被測(cè)物體的紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在分光探測(cè)器上,由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)并通過(guò)電視屏或監(jiān)測(cè)器顯示紅外熱像圖。為了更準(zhǔn)確地測(cè)量液化氣球罐的真實(shí)液位，通常需要利用不同溫度下的同一觀測(cè)角度來(lái)檢測(cè)罐內(nèi)液位變化情況，結(jié)合儀器的實(shí)用功能，如色彩與亮度、對(duì)比度的調(diào)節(jié)來(lái)檢測(cè)液位的準(zhǔn)確性。

2.3.3 利用紅外熱成像技術(shù)監(jiān)測(cè)液位

紅外熱成像技術(shù)能直接觀察到人眼在可見(jiàn)光范圍內(nèi)無(wú)法觀測(cè)到的物體表面溫度分布狀況，從而把人們的視覺(jué)范圍從可見(jiàn)光擴(kuò)展到紅外線波段。由于其具有無(wú)損、非接觸、無(wú)須耦合、快速實(shí)時(shí)等特點(diǎn)而得到迅速發(fā)展，已廣泛用于航空航天、機(jī)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(chǔ)罐內(nèi)氣體和液體的熱輻射不同，在罐體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)溫差，因此，可以采用紅外熱成像儀檢測(cè)儲(chǔ)罐的液位線。本文應(yīng)用鑫泰HT-201 手機(jī)熱成像儀進(jìn)行檢測(cè)，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(jìn)行拍攝，但是由于紅外線成像儀并不能明確檢測(cè)出某油罐具體液位，故可以在罐體上標(biāo)定液位，以確定其具體液位并算出其儲(chǔ)量。并且在罐體原有兩種液位計(jì)液位不同時(shí)，可以用此種方法判斷哪種液位計(jì)體現(xiàn)的液位更為準(zhǔn)確，以達(dá)到液位精準(zhǔn)測(cè)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(yīng)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(jiǎn)單、核算精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)更為突出，并且還可根據(jù)油水兩相溫度差檢測(cè)罐底含水量。紅外熱成像儀的測(cè)量是一種簡(jiǎn)單快速的非接觸式測(cè)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(duì)該設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用推廣，對(duì)于企業(yè)中的球罐、反應(yīng)容器等壓力設(shè)備，均可配備便攜式或固定式的紅外監(jiān)測(cè)設(shè)備，即可用于故障時(shí)的應(yīng)急監(jiān)測(cè)也可用于日常的核算校對(duì)等，希望通過(guò)本文章能夠推進(jìn)紅外熱成像技術(shù)在球罐區(qū)等壓力容器上的應(yīng)用。

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)科研成果介紹 高濃難降解有機(jī)廢水預(yù)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(jī)廢水。

參照標(biāo)準(zhǔn)：一般厭氧生化處理技術(shù)進(jìn)水要求。

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

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