紅外熱像技術(shù)在石化熱設(shè)備熱損檢測上的應(yīng)用

1、2009年 11月 Infrared Technology Nov. 2009 668 紅外應(yīng)用紅外熱像技術(shù)在石化熱設(shè)備熱損檢測上的應(yīng)用金光熙,徐 丹,潘鳳紅,劉婷婷(吉林化工學(xué)院理學(xué)院,吉林 吉林 132022摘要 :針對石化熱設(shè)備因保溫不佳而造成能源浪費(fèi)的現(xiàn)象,提出了利用紅外熱像技術(shù)測量熱設(shè)備的熱能損耗來評價(jià)熱設(shè)備保溫效果的方法。對于圓筒型熱設(shè)備,導(dǎo)出了熱設(shè)備中將圓筒壁傳熱近似視為平 壁傳熱的條件,即只有在襯里厚度與圓筒直徑的比值遠(yuǎn)小于 1時,可以將圓筒壁傳熱視為平壁傳熱, 在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論了環(huán)境溫度對設(shè)備表面溫度的影響。鑒于有些學(xué)者計(jì)算熱設(shè)備總的熱損耗時, 僅限于用某一次測量的熱損耗

2、來推算整年的熱損,考慮到這種方法欠妥,提出了按照一年的 4個季度 分別求出每個季度的熱損耗然后以此求和來計(jì)算年均熱能損耗的方法, 并以熱設(shè)備的實(shí)測結(jié)果來驗(yàn)證 其實(shí)用性。關(guān)鍵詞 :熱設(shè)備;熱損耗;診斷;紅外熱像;保溫效果中圖分類號 :TN219 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-8891(200911-0668-04Application of Infrared Thermographic Techniquein Detecting the Thermal Loss of Petrochemical Thermal EquipmentJIN Guang-xi, XU Dan, PAN Feng

3、-hong, LIU Ting-ting(School of Science; Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin Jilin 132022, China Abstract :Due to poor insulation, thermal equipments for the petrochemical industry waste a lot of energy. Infrared thermographic technique is proposed in this paper to appraise the heat loss of

4、 thermal equipment. It is derived that only the thickness of the lining is much smaller than the diameter of cylindrical thermal equipment, the cylinder wall heat transfer can be regarded as the heat transfer through plane wall. The influence of environmental temperature on the surface temperature o

5、f the equipment is further discussed. In view of these facts that some scholars had calculated the heat loss of thermal equipment throughout the year only based on the one measurement result. Taking its defects into account, the thermal loss should be calculated with the years four quarters in this

6、paper, and the result is verified with the actual measurement. Key words:thermal equipment; thermal loss; diagnosis ; infrared thermography; effect of heat preservation引言石化企業(yè)中有眾多的熱設(shè)備,如裂解反應(yīng)爐、加熱反應(yīng)爐、氣化反應(yīng)爐等,為防止過量的熱損耗都裝有保溫層。 保溫效果的好壞不但影響到企業(yè)實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益,而且關(guān)系到設(shè)備能否正常運(yùn)行。評價(jià)和改善 熱設(shè)備的保溫效果, 必須先對其熱損耗進(jìn)行科學(xué)的診 斷與評估,才能進(jìn)行有效的保

7、溫改造。傳統(tǒng)的測量技 術(shù),如熱流計(jì)法、表面溫度法和溫差法等只能粗略地 測試和估算熱設(shè)備的保溫效果,不僅費(fèi)工、費(fèi)時,勞 動強(qiáng)度大,且誤差大、效率低。利用紅外熱像儀測溫則具有速度快、靈敏度高、測溫范圍廣、非接觸等優(yōu) 點(diǎn), 因此用紅外熱像診斷技術(shù)來診斷熱設(shè)備的熱損耗 并對其保溫效果做出科學(xué)評價(jià), 對改進(jìn)熱設(shè)備的保溫 效果和提高熱效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 現(xiàn)有的文獻(xiàn) 都集中在長距離熱管線的保溫評估上 1-7, 而對熱反應(yīng)器等熱設(shè)備熱損耗的診斷與保溫評估方法并不多。 本 文首先闡述利用紅外熱像診斷技術(shù)測量熱設(shè)備熱能 損耗的方法, 然后用中石油某廠的圓筒型熱反應(yīng)設(shè)備 紅外檢測實(shí)例, 導(dǎo)出了熱設(shè)備中將圓筒壁

8、傳熱近似視2009年 11月 金光熙等:紅外熱像技術(shù)在石化熱設(shè)備熱損檢測上的應(yīng)用 Nov. 2009669為平壁傳熱的條件。 鑒于有些學(xué)者在計(jì)算熱設(shè)備總的 熱損耗時, 只限于以某一次測量的熱損耗為基礎(chǔ)來推 算整個年熱損,考慮到這種方法的不足之處,本文提 出了按照一年的 4個季度分別求出每個季度的熱損并 以此求和來計(jì)算年均熱能損耗的方法, 使其結(jié)果更具 有實(shí)用性。1 熱損耗的紅外熱像診斷技術(shù)用紅外熱像技術(shù)診斷熱設(shè)備的熱損耗, 能夠準(zhǔn)確 獲取設(shè)備表面的二維溫度場分布,容易發(fā)現(xiàn)熱損區(qū), 可以直觀地顯示不同程度的熱損耗區(qū)域形狀、 面積和 表面溫度值,經(jīng)過后續(xù)圖像處理,可以讀取不同發(fā)熱 區(qū)的最高溫度、

9、最低溫度及局部發(fā)熱熱損區(qū)的平均溫 度,以便于進(jìn)行熱損耗的精確計(jì)算,結(jié)合工程實(shí)際便 可以分析熱損原因, 此方法尤其適用于大范圍的熱損 檢查,還可以對施工、改造和保溫材料選擇進(jìn)行量的 評價(jià)。1.1 紅外熱像檢測與圖像和數(shù)據(jù)處理方法依據(jù)熱像儀的可觀察范圍, 利用輔助的檢測儀器 把熱設(shè)備表面劃分為若干個區(qū)域, 然后利用紅外熱像 儀逐區(qū)進(jìn)行成像測量, 而對紅外熱像儀難以測量的部 位,則使用紅外測溫儀進(jìn)行補(bǔ)充測量。把檢測中記錄 下來的各區(qū)域熱圖像處理后,求出各區(qū)域的相應(yīng)面 積、平均溫度。 1.2 熱損耗計(jì)算一般熱設(shè)備表面的熱損耗包括兩部分:輻射熱損 耗和對流熱損耗。在熱損嚴(yán)重且溫度比較高的區(qū)域, 輻射熱損

10、耗大于對流熱損耗;而在保溫較好、外表面 溫度較低的區(qū)域,對流熱損耗大于輻射熱損耗。根據(jù)輻射散熱理論,在溫度為 T 的物體表面,當(dāng) 其表面溫度高出環(huán)境溫度 d T 時,輻射熱損耗的熱流 密度為 8:d q r =4i T 3d T (1 式中:i 為表面發(fā)射率; 為 Stefan-Boltzmann 常數(shù)。當(dāng)設(shè)備第 i 個測試區(qū)的表面溫度為 t s i 時,設(shè)備表 面輻射散熱的熱流密度可由 (1積分得到,即: (44r s a 273273i i i q t t =+ (2 式中:t a 為環(huán)境溫度; i 為第 i 個測試區(qū)的表面發(fā)射率。而熱設(shè)備表面的第 i 個測試區(qū)對流散熱的熱流密 度為 q

11、c i =a c (t s i -t a , 其中 a c 為對流換熱系數(shù) (由相應(yīng) 手冊查取 。根據(jù)整個熱設(shè)備各區(qū)域紅外成像測試的 結(jié)果,可以得到總的對流散熱損失。整個熱設(shè)備的表 面總熱損耗為總輻射散熱損失與總對流散熱損失之 和。 上述計(jì)算方法都是利用各測試區(qū)域紅外熱像圖給出的平均區(qū)域表面溫度 t s i 計(jì)算的。 顯然, 區(qū)域劃分的 越小計(jì)算結(jié)果越精確。1.3 熱設(shè)備熱漏診斷與保溫效果評價(jià)方案對 熱 設(shè) 備 熱 損 診 斷 的 判 別 與 評 價(jià) , 應(yīng) 按 照 GB4272-929的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行,具體的判別和評價(jià)方 法如下:1 當(dāng)根據(jù) 1.1節(jié)分析計(jì)算出的熱力設(shè)備整體平均 熱損耗超過國家

12、標(biāo)準(zhǔn)(或設(shè)備特定的標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)判定 為整體保溫不合格, 并應(yīng)給出總的熱漏年均能耗及超 標(biāo)部分年均能耗(一般折合成標(biāo)準(zhǔn)煤或標(biāo)準(zhǔn)油 ;2 計(jì)算出某些局部區(qū)域熱損耗超過國家標(biāo)準(zhǔn) (或 設(shè)備特定標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)判定這些保溫區(qū)域不合格,并應(yīng) 給出不合格區(qū)域的位置、區(qū)域面積和超標(biāo)程度;3結(jié)合工程實(shí)際找出超標(biāo)原因,并提出設(shè)備保 溫或保溫材料的改造建議。2 應(yīng)用實(shí)例對熱設(shè)備進(jìn)行保溫評估時需要知道熱設(shè)備的表 面溫度,就圓筒型熱設(shè)備而言,用熱傳導(dǎo)方程計(jì)算設(shè) 備表面的溫度比較麻煩, 但如果襯里厚度與圓筒壁直 徑之比滿足一定條件時, 可以將圓筒壁傳熱近似視為 平壁傳熱。根據(jù)傅立葉定律,圓筒壁熱傳導(dǎo)方程可表 示為 10:1u 11

13、2(ln /n i i i il t t Q D D +=(i =1, 2, , n (3式中:Q 為單位時間傳遞的熱流量; t 1為爐內(nèi)壁溫度; t u 為爐外壁溫度; D i 、 D i +1為第 i 層圓筒壁的內(nèi)、外 直徑; i 為第 i 層圓筒壁材料的熱導(dǎo)率; l 為圓筒壁長 度;角標(biāo) i 表示襯里層次數(shù), n 為襯里層數(shù)。對于圓筒壁引入 D i +1=D i +2i , i 為襯里厚度, 則:D i +1/D i =1+2i /D i (4 當(dāng) |x |<1時, ln(1+x =x -x 2/2+x 3/3- + (-1 n -1x n /n +,在圓筒壁傳熱中,如果襯里厚度與

14、 圓筒壁直徑比值 i /D i 1,可以將圓通壁傳熱公式按 泰勒級數(shù)展開,這里, x 2i /D i ,可得:2 /2(2 21ln( ln(21i i ii i i i i D D D D D +=+ (5當(dāng)襯里厚度與圓筒壁直徑比值遠(yuǎn)小于 1,可以忽略高次項(xiàng),可得:ii i i D D D 2ln(1+ (62009年 11月 Infrared Technology Nov. 2009670 則:1u1ii i it tQA =(7式中:A i =D i l 為傳熱面積。如設(shè)備的外表面換熱系數(shù)為 0,則熱流密度可以寫為如下形式:1a101ii it tq=+(8式中:t a 為環(huán)境溫度,那么

15、熱設(shè)備各層襯壁面溫度 t i可以按如下的公式計(jì)算:t i =t i -1-q i /i (9圖 1為中石油某廠圓筒型熱反應(yīng)器的紅外熱像圖,其中測試環(huán)境溫度為-10。該設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)如下:設(shè)備襯里采用單層礬士水泥,襯里厚度 i =120mm ,設(shè)備直徑為 10000mm , 工作溫度為 760。 在環(huán)境溫度為 20時,由公式 (9可以計(jì)算出設(shè)備外壁的正常溫度為 77.84;而環(huán)境溫度為-10時,外壁的正常溫度為 40。 顯然, 熱設(shè)備的表面溫度受環(huán)境溫度的影響較大,不能在計(jì)算熱設(shè)備總的熱損耗時,僅限于用某一次(或某一季節(jié)測量的熱損耗來推算整年的熱損耗。 為更好地說明年均熱損耗對企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失,

16、 本文按一年的 4個季度分別求出每個季度的 熱損耗,并以此求和來計(jì)算年均熱能損耗。廠區(qū)所在 地吉林市各季度平均溫度如表 1所示; 依據(jù)廠方提供 的相關(guān)設(shè)備的特定標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行四個季度的熱損耗計(jì) 算,其結(jié)果如表 2所示。顯然,季節(jié)不同,設(shè)備熱損 是有差異的。對于季節(jié)溫度差異較大的地區(qū),按照一 年的四個季度分別求出每個季度的熱損并以此求和 來計(jì)算年均熱能損耗的方法,所得結(jié)果更具可靠性。 檢修時發(fā)現(xiàn)設(shè)備表面溫度超標(biāo)的原因?yàn)閮?nèi)部介質(zhì)沖 刷襯里使其減薄和變徑處保溫接縫破損嚴(yán)重。表 1 吉林市各季度平均溫度Table 1 The average temperature of each quarter in J

17、ilin 季節(jié) 冬季 春季 夏季 秋季3結(jié)論本文提出的利用紅外熱像技術(shù)測量熱設(shè)備的熱 能損耗,評價(jià)熱設(shè)備保溫效果的方法具有可行性。對 于我國四季溫差顯著的北方地區(qū), 按季節(jié)計(jì)算熱設(shè)備 的熱損更具有客觀性和適用性。圖 1 圓筒型熱反應(yīng)器 Fig.1 Cylindrical thermal reactor表 2 四個季度熱損情況 Table 2 The thermal loss of the four quarters季節(jié) 平均表面溫度 / 環(huán)境溫度 / 平均熱流 /(W/m2 散熱損失 /kW 超標(biāo)熱損量 kJ冬季(90d 110.2 -15.3 1629.560 97.773 69496911

18、3.6春季(92d 124.6 5.6 1632.97281.648593366791.68 夏季(92d 145.7 21.0 1863.773111.826 822115609.344 秋季(91d 125.4 5.3 1639.25981.962589388698.080 年超標(biāo)熱損量 2699840212.704(kJ/ 92.27 t (標(biāo)準(zhǔn)煤2009年 11月 金光熙等:紅外熱像技術(shù)在石化熱設(shè)備熱損檢測上的應(yīng)用 Nov. 2009671參考文獻(xiàn) :1 金光熙 , 楊瑩 , 徐丹 , 等 . 紅外熱像技術(shù)診斷化肥廠氣化爐熱故障 J.紅外技術(shù) , 2008, 30(10: 599-601.2 李曉剛 , 傅冬梅 . 統(tǒng)計(jì)分析方法在紅外熱像保溫評估中的應(yīng)用 J. 激光與紅外 , 2001, 31(5: 280-283.3 付冬梅 , 李曉剛 , 王稚生 , 等 . 長距離管線的紅外熱像檢測與在線保溫評估 J. 激光與紅外 , 2001, 31(2: 110-113.4 潘曉葦 . 紅外熱像診斷技術(shù)在設(shè)備襯里保溫評價(jià)中的應(yīng)用 J. 無損檢測 , 2006, 28(7: 344-372.5 李春成 , 謝禹鈞 , 李世武 , 等 . 工業(yè)管道保溫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及節(jié)能分析