紅外技術(shù)在節(jié)能減排檢測中的使用

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節(jié)能監(jiān)測是節(jié)能主管部門在依法實(shí)施節(jié)能監(jiān)督過程中，委托節(jié)能監(jiān)測機(jī)構(gòu)，依據(jù)國家有關(guān)法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對能源利用狀況進(jìn)行監(jiān)督、檢測以及對浪費(fèi)能源的行為提出處理意見等活動的總稱。節(jié)能監(jiān)測工作的一個重要內(nèi)容是對用能設(shè)備的能源利用狀況進(jìn)行測試。中國海洋石油總公司節(jié)能減排監(jiān)測中心自成立開始，就利用熱像儀對石化企業(yè)和海上油田、氣田的用能設(shè)備，尤其是鍋爐、加熱爐、熱力管道、空調(diào)機(jī)組、供配電設(shè)備等，開展了測試工作，并積累了一些經(jīng)驗，本文主要就紅外熱像技術(shù)在節(jié)能監(jiān)測中的應(yīng)用作初步探討。

1紅外熱像技術(shù)的原理

任何溫度高于絕對零度的物體，由于自身分子運(yùn)動而向環(huán)境輻射紅外線。紅外線和可見光同屬于電磁波，可見光的波長在0.38-0.78微米之間，紅外線的波長在0.78-1000微米之間。紅外線波段可以進(jìn)一步劃分為：近紅外波段（0.75-2.5微米）、中紅外波段（2.5-25微米）、遠(yuǎn)紅外波段（25-1000微米）。物體紅外輻射的能量大小和波長分布與其表面溫度密切相關(guān)，因此測量物體紅外輻射的能量，就能準(zhǔn)確測量物體表面溫度和表面的溫度場分布情況。紅外熱像技術(shù)在定性和定量測溫方面具有諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來已逐步應(yīng)用于節(jié)能監(jiān)測、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測的領(lǐng)域。但由于紅外熱像儀器價格昂貴，導(dǎo)致其應(yīng)用還不很普遍。

2紅外成像測溫的幾個特點(diǎn)

紅外成像技術(shù)具有以下幾個特點(diǎn)：

2.1測溫響應(yīng)時間短傳統(tǒng)的測溫儀器如熱電偶等響應(yīng)時間為秒級，而紅外成像測溫響應(yīng)時間為毫秒級，近似實(shí)時反映溫度的變化；因此可用熱像儀快速、全面掃描被測物壁面，捕捉快速移動的目標(biāo)，或準(zhǔn)確把握溫度場快速變化的情況。

2.2非接觸測量紅外成像測試?yán)眉t外輻射測量熱設(shè)備的溫度場，不接觸熱設(shè)備壁面，不會破壞其溫度場，因而可獲取更為精確的熱損失數(shù)據(jù)；另外，紅外成像技術(shù)還可以測試不易攀爬的物體，處于對人體有害場所的物體，使操作者遠(yuǎn)離危險。

2.3測量結(jié)果形象直觀熱像儀可以將被測設(shè)備的溫度場以彩色圖像的方式實(shí)時、形象的反映出來，并利用等溫線、溫差、線溫分布圖等工具進(jìn)行分析，準(zhǔn)確把握溫度場的分布情況。

2.4測溫范圍寬單臺儀器即可完成-40℃至2000℃之間溫度的測試，并且測溫精度可達(dá)±1℃。

2.5大氣、煙霧或火焰等可吸收近紅外線但是3-5微米和8-14微米的紅外線可以透射。因此在無光、煙幕或火焰等場所，也可利用紅外成像技術(shù)進(jìn)行測試。例如運(yùn)行狀態(tài)時鍋爐或加熱爐的爐管檢測。熱像儀可以做定性分析，也可以做較精確的定量分析。

3紅外成像測試的幾個重要影響因素

3.1輻射率根據(jù)史蒂芬—波爾茲曼定律，物體向外輻射能量的大小，取決于物體表面的溫度和輻射率。因此正確的獲取物體的輻射率，是測取物體準(zhǔn)確溫度的關(guān)鍵因素之一。在實(shí)際操作中，部分操作人員直接根據(jù)物體表面材質(zhì)，查輻射率表后直接輸入儀器，這種做法在定性分析如檢測保溫?fù)p壞部位時，部分場合影響不大；但是在定量測取溫度時，就會有較大偏差。例如，鍋爐、加熱爐或熱力管道保溫外壁為鍍鋅板時，隨其氧化程度、表面附著污垢情況不同，輻射率偏差較大，這種情況下測得的溫度與實(shí)際偏差可達(dá)幾十?dāng)z氏度。如圖1所示熱力管道，左側(cè)為輻射率取值為0.96（氧化層較厚），溫度值為95.4℃；右側(cè)輻射率取值為0.04（表面光亮），溫度為154.9。

3.2反射表象溫度表象溫度是紅外熱像儀測得的未經(jīng)任何修正的讀數(shù)，包含了所有的入射輻射。反射表象溫度是指所有通過被測物體反射后進(jìn)入熱像儀形成的表象溫度。對于高輻射率的物體，表象溫度接近于被測物的真實(shí)溫度；而低輻射率的物體，表象溫度會接近于與周圍環(huán)境的的表象溫度。因此對于輻射率較低，但其反射的對象的溫度較高時，該溫度的正確設(shè)置尤其重要。例如被測物為外壁光滑的非氧化金屬板材（典型的完全不透明但輻射率較高材料，輻射率最低可至0.05；而氧化層較厚的金屬材料，輻射率可高至0.95），周圍有溫度明顯高于被測物的物體；此時熱像儀測得的輻射能既包括被測物的輻射能，也包含了被測物反射的高溫物體發(fā)射的輻射能。這種情況下，如未對反射表象溫度進(jìn)行修正，測得的溫度值將出現(xiàn)較大的偏差，甚至導(dǎo)致完全錯誤、乃至荒謬的評價結(jié)果。

3.3其他影響因素除輻射率和反射表象溫度對測量結(jié)果有重大影響外，距離、環(huán)境的相對濕度、大氣溫度等因素也影響著測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，上述項目的數(shù)值也應(yīng)該經(jīng)其他儀器測定后，輸入熱像儀，由熱像儀根據(jù)測試原理計算修正。

4紅外成像在節(jié)能監(jiān)測中的典型應(yīng)用

4.1加熱爐、鍋爐節(jié)能監(jiān)測傳統(tǒng)的加熱爐、鍋爐熱損失檢測方法是利用點(diǎn)溫計或熱流計進(jìn)行測試：方法一：在爐體外壁選取部分部位，利用測溫儀表（如FLUKE54II數(shù)字測溫儀），使其測溫探頭接觸需測部位，測得溫度值，再做計算得出散熱量。方法二：在爐體外壁選取部分部位，利用熱流計測量，將其探頭貼合需測設(shè)備的表面，直接讀取熱流量，再計算該區(qū)域的散熱量。上述兩種方法均需與被測物直接接觸，操作人員距被測物1米以內(nèi)，對測量準(zhǔn)確性有以下幾個不利影響：直接接觸測量，破壞了被測物的溫度場；測試人員與被測物距離較小，影響被測物的流場，影響其對流換熱強(qiáng)度，因而計算壁面平均溫度和熱損失時誤差較大。另外，點(diǎn)溫計和熱流計均屬點(diǎn)式檢測，對于某些大型設(shè)備，可能漏檢高溫點(diǎn)，對某些位置較高難以接觸部位難以檢測。紅外成像儀測量是一定距離內(nèi)的非接觸式測量，可完全避免上述不利影響。利用熱像儀可快速掃描整個爐體，并將圖像存儲于機(jī)身存儲卡內(nèi)，再利用專業(yè)軟件進(jìn)行分析。這樣既可得到爐體的溫度場分布情況，為計算散熱損失提供數(shù)據(jù)支持；又可以直觀的發(fā)現(xiàn)保溫缺陷部位，避免漏檢情況(圖2為某石化公司的大型加熱爐對流室的熱成像圖，保溫缺陷部位明顯)。另外，某些特殊型號的熱像儀還可以透過火焰和煙氣，在不停爐的情況下檢測加熱爐內(nèi)爐管是否結(jié)垢或由于磨損變薄，為加熱爐的節(jié)能、高效和安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。總之，熱像儀應(yīng)用于加熱爐監(jiān)測，無論故障診斷、檢修，還是技術(shù)改造，均可提供嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)支持。

4.2管道節(jié)能監(jiān)測企業(yè)輸送蒸汽、原料或產(chǎn)品的熱物流管道，通常利用保溫材料包裹，以減少有效熱量向環(huán)境的散失。隨著運(yùn)行時間增長，管道保溫層一些部位隨之老化、失效。而上述管道多為架空敷設(shè)，常規(guī)巡查方法操作不便；對距離較長的管道保溫失效部位難以及時發(fā)現(xiàn)。而利用熱像儀，就可以快速檢測整條管道，避免遺漏。另外，如果管道結(jié)垢或由于磨損管道變薄，由于結(jié)垢或變薄部分導(dǎo)熱系數(shù)會顯著減小或增大，熱像儀也可檢測出這種差異，及時預(yù)警，避免能源的浪費(fèi)、事故的發(fā)生。

5總結(jié)

工業(yè)企業(yè)中許多關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行在較高的溫度范圍，其運(yùn)行狀態(tài)的是否優(yōu)良以及經(jīng)濟(jì)性均和保溫性能直接相關(guān)。保溫失效將增加設(shè)備的散熱損失、增加能源消耗、推高產(chǎn)品成本，甚至造成設(shè)備的損壞乃至整個生產(chǎn)線停車，裝置的啟停造成能源的極大浪費(fèi)。因此保證裝置長周期運(yùn)行也是節(jié)能降耗的重要舉措。紅外成像技術(shù)應(yīng)用于節(jié)能監(jiān)測工作中，可以全面、準(zhǔn)確、高效的對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能評價，特別是使得對大型設(shè)備保溫狀況全面評價成為可能。紅外成像技術(shù)還可以及時預(yù)警設(shè)備故障，為工業(yè)設(shè)備的安全、節(jié)能高效、長周期運(yùn)行提供了技術(shù)保障。