红外热像仪测量管道散热损失方法及误差分析

王玉石　齐刚　马中山　帕尔哈提

摘 要：稠油热采过程中，散热损失占注汽管道输送总能耗的比重较大。保温管线减少散热损失是油田节能亟待解决的问题，也是提高企业效益的有效途径。如何准确测量现场实际运行工况下注汽管道的散热损失是实现节能降耗的首要前提。结合现有管道热损失测量方法，通过实验室模拟油田现场运行管道，采用红外热像仪设置不同发射率及测量距离测量所模拟的管道外表面温度，对红外热像仪使用过程中造成的误差影响因素进行了分析。

关 键 词：红外热成像；保温管道；热损失；误差分析

中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号： 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为输汽系统的重要设备，其热损失占到整个注汽系统的10%以上，稠油热采注汽管道的节能空间较大，新疆油田公司现有注汽管道800 km。科学准确的计算稠油热采注汽管道的热损失，对于优化保温方案，降低生产耗能，减少运行成本，具有重要意义。

目前设备或管道表面的热损失测量方法有热流密度法[1]、表面温度计法[2]、焓降法[3]三种。近年来发展迅速的红外热成像法是基于表面温度法的一种测量方法，具有耐高温，响应快、易操作、效率高、适应性强、异常温度场快速识别等优点。因此，红外热成像技术得到了广泛应用[4-8]。

红外热像仪测温的原理是通过接收被测物体表面的辐射量来确定被测物体的温度。利用红外热成像技术，精确地测量稠油热采注汽管道外表面温度，进而准确地计算管道热损失是油田节能工作的一项紧迫课题。到目前为止，已有很多学者提出了注汽管道表面温度的测量方法，进而确定管道热损失。张才根等研究了由表面温度转化为热损失的处理方法，估算了节能潜力[9]。王富聚通过管网模拟技术建立管网数学模型，提出了基于模拟技术的蒸汽管线散热损失分析评价方法[10]。高建苹等针对兰州石化公司蒸汽管线投用时间长、保温效果差，造成热损失较大的问题对管道散热损失进行多次测试、对比分析，从而确定了需整治的管线，实现了节能降耗[11]。杨丽等介绍了红外热像检测技术和管道保温散热损失计算方法，并对测算过程中的误差进行了分析[12]。

目前，关于红外热像原理在测量注汽管道热损失时的系统理论方法介绍和使用过程中误差影响因素的分析还不完善。本文正是基于红外热成像原理，对注汽管道热损失的测量给出较为全面的介绍，并对影响测量精度的因素进行了分析。

1 实验原理

实际管道向周围环境散热满足热力学对流和辐射两种方式，测量出管道外表面温度、环境温度以及风速等，按照对流和辐射换热公式可计算出管道散热损失q。

（1）

式中： —表面换热系数，W/（m2·K）；

—管道表面温度， K；

—环境温度， K；

—管道表面发射率；

—斯蒂芬-玻尔兹曼常数， W/（m2·K4）。

表面换热系数 可按下式计算[13]：

（2）

露天布置的保温管线，可按照式（3）计算表面换热系数：

（3）

式中：W —风速，m/s。

根据式（1）并结合实际测量水平分析知，散热损失的测量精度主要受到管道表面温度及管道表面发射率测量的准确度。

在实际测量中，热像仪会接受到目标的自身辐射、环境反射辐射和大气辐射三部分有效辐射。热像仪通常在2～5 μm或8～13 μm两个波段工作，探测器在工作波段上积分入射的辐射能，把入射的辐射能转化为与能量成正比的电信号。热像仪测温的通用基本公式为[14]：

（4）

式中： —电压信号；

K —常数；

—大气透射率；

—大气发射率，

=1- ；

—物体表面发射率；

—物体表面吸收率；

—被测物体表面温度；

—反射环境温度；

—大气温度。

对式（4）进一步变化可得下式[15]：

（5）

式（5）为计算灰体表面真实温度的计算公式，当近距离测量或室内测量时， =1， 为热像仪测量的物体表面温度。当使用不同波段的热像仪时，n值的取值不同。2～5 μm波段时，n=9.2554；8～13 μm波段时，n=3.988 9。

由式（5）知，热像仪测量的物体表面温度 也会影响到物体表面真实温度的测量值。因而在使用红外热像仪测温时还需要减小这部分误差。红外辐射会受到大气的吸收和散射作用而衰减，因此测量距离是一个重要的影响因素[16]。

2 实验方法

本次实验装置采用镀锌铁皮制成的其内充满热水的模拟管道内径300 mm，长度600 mm。在管道外表面上下左右四个位置安置标定好的热电偶，同时用另外的热电偶测量环境温度。如图1所示为管道截面热电偶测点布置图。本次实验采用的红外热像仪型号为ThermaCAMTMP30。实验装置图如图2所示。

2.1 固定距离下设置不同发射率测量管道表面温度

①连接实验装置，将测量管道表面温度的热电偶与模拟管道良好连接；

②利用激光测距仪调节管道侧表面与红外热像仪的距离为1.5 m并且使其处于同一个水平面；

③设置红外热像仪发射率并对其进行焦距调节使热图像清晰，在发射率分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0时测量管道表面温度。

2.2 参考发射率下不同距离测量管道表面温度

①连接实验装置，将测量管道表面温度的热电偶与模拟管道良好连接；

②设置红外热像仪发射率为参考发射率0.23；

③利用激光测距仪调节管道侧表面与红外热像仪的距离分别为0.5、1.0、1.5、2.0 m并使其处于同一个水平面；

④改变管道表面温度进行重复上述距离设定值进行测量。

3 实验结果及分析

如表1所示为距离1.5 m时红外热像仪设置不同的发射率时测得的管道表面温度与管道表面四个热电偶测得的管道表面温度平均值的对比。由表1数据知，红外热像仪设置的发射率对测温影响造成的误差还是比较大的。当红外热像仪设置的发射率接近參考发射率时，测得的管道温度与热电偶测得的管道温度比较接近，误差较小。图3为实验过程中从热像仪采集的热像图。如表2所示为发射率设置为参考发射率0.23时，红外热像仪设置不同距离时测得的管道表面温度值与管道表面四个热电偶测得的管道表面温度平均值的对比。其中，第一行所示为热电偶测得的温度平均值。由表2数据知，距离对测温影响造成的误差还是比较大的。随着距离的增大，误差也在增大。原因是距离增大时，大气透射率减小的同时热像仪的瞬时视场角的视场面积随之增大，管道相对于瞬时视场面积的倍数在减小。当管道不能充满热像仪视场时，输出信号降低，导致测量误差。当然，测量距离也不能太近，测量需符合被测管道能够充满视场。

4 结 论

基于红外热成像原理的管道热损失计算方法在实际测温过程中能够方便计算高空及角落位置的管道表面温度，从而计算局部管道热损失。同时，该方法也能够方便快捷地发现管道有缺损部位及散热严重的部位，进而及时地对其进行更换，能够避免更大的热损失。

本文通过实验室模拟油田现场运行管道，采用红外热像仪设置不同发射率及测量距离测量所模拟的管道外表面温度，对红外热像仪使用过程中造成的误差影响因素进行了分析，最终得出以下结论：

（1）红外热像仪设置不同的发射率会对测温造成误差。当红外热像仪设置的发射率接近参考发射率时，测得的管道温度与热电偶测得的管道温度比较接近，误差较小；当红外热像仪设置的发射率偏离参考发射率较大时测量误差相应变大。

（2）红外热像仪在参考发射率附近测量管道表面温度时会受到测量距离的影响。随着距离的增大，误差也在增大；测量距离太小时，被测管道不能充满视场，也会造成误差。

参考文献：

[1]成伟，胡足. 蒸汽管线热损失的测试及分析[J]. 甘肃科技， 2010，26（10）：63-64.

[2]张恩泽，刘建中，谢世英.热网管道保温技术与优化设计[J]. 吉林化工学院学报，1994，11（1）：59-64.

[3]程宗颐. 热网管道热损失现场测试方法探讨[J]. 能源研究与利用，1995（5）：11-12.

[4] 方修睦，王杨洋，王中华. 建筑外围护结构表面热工缺陷红外检测方法研究[J]. 施工技术，2006，35（4）：54-56.