红外技术在节能减排检测中的使用

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节能监测是节能主管部门在依法实施节能监督过程中，委托节能监测机构，依据国家有关法规和技术标准，对能源利用状况进行监督、检测以及对浪费能源的行为提出处理意见等活动的总称。节能监测工作的一个重要内容是对用能设备的能源利用状况进行测试。中国海洋石油总公司节能减排监测中心自成立开始，就利用热像仪对石化企业和海上油田、气田的用能设备，尤其是锅炉、加热炉、热力管道、空调机组、供配电设备等，开展了测试工作，并积累了一些经验，本文主要就红外热像技术在节能监测中的应用作初步探讨。

1红外热像技术的原理

任何温度高于绝对零度的物体，由于自身分子运动而向环境辐射红外线。红外线和可见光同属于电磁波，可见光的波长在0.38-0.78微米之间，红外线的波长在0.78-1000微米之间。红外线波段可以进一步划分为：近红外波段（0.75-2.5微米）、中红外波段（2.5-25微米）、远红外波段（25-1000微米）。物体红外辐射的能量大小和波长分布与其表面温度密切相关，因此测量物体红外辐射的能量，就能准确测量物体表面温度和表面的温度场分布情况。红外热像技术在定性和定量测温方面具有诸多优点，近年来已逐步应用于节能监测、设备运行状态检测的领域。但由于红外热像仪器价格昂贵，导致其应用还不很普遍。

2红外成像测温的几个特点

红外成像技术具有以下几个特点：

2.1测温响应时间短传统的测温仪器如热电偶等响应时间为秒级，而红外成像测温响应时间为毫秒级，近似实时反映温度的变化；因此可用热像仪快速、全面扫描被测物壁面，捕捉快速移动的目标，或准确把握温度场快速变化的情况。

2.2非接触测量红外成像测试利用红外辐射测量热设备的温度场，不接触热设备壁面，不会破坏其温度场，因而可获取更为精确的热损失数据；另外，红外成像技术还可以测试不易攀爬的物体，处于对人体有害场所的物体，使操作者远离危险。

2.3测量结果形象直观热像仪可以将被测设备的温度场以彩色图像的方式实时、形象的反映出来，并利用等温线、温差、线温分布图等工具进行分析，准确把握温度场的分布情况。

2.4测温范围宽单台仪器即可完成-40℃至2000℃之间温度的测试，并且测温精度可达±1℃。

2.5大气、烟雾或火焰等可吸收近红外线但是3-5微米和8-14微米的红外线可以透射。因此在无光、烟幕或火焰等场所，也可利用红外成像技术进行测试。例如运行状态时锅炉或加热炉的炉管检测。热像仪可以做定性分析，也可以做较精确的定量分析。

3红外成像测试的几个重要影响因素

3.1辐射率根据史蒂芬—波尔兹曼定律，物体向外辐射能量的大小，取决于物体表面的温度和辐射率。因此正确的获取物体的辐射率，是测取物体准确温度的关键因素之一。在实际操作中，部分操作人员直接根据物体表面材质，查辐射率表后直接输入仪器，这种做法在定性分析如检测保温损坏部位时，部分场合影响不大；但是在定量测取温度时，就会有较大偏差。例如，锅炉、加热炉或热力管道保温外壁为镀锌板时，随其氧化程度、表面附着污垢情况不同，辐射率偏差较大，这种情况下测得的温度与实际偏差可达几十摄氏度。如图1所示热力管道，左侧为辐射率取值为0.96（氧化层较厚），温度值为95.4℃；右侧辐射率取值为0.04（表面光亮），温度为154.9。

3.2反射表象温度表象温度是红外热像仪测得的未经任何修正的读数，包含了所有的入射辐射。反射表象温度是指所有通过被测物体反射后进入热像仪形成的表象温度。对于高辐射率的物体，表象温度接近于被测物的真实温度；而低辐射率的物体，表象温度会接近于与周围环境的的表象温度。因此对于辐射率较低，但其反射的对象的温度较高时，该温度的正确设置尤其重要。例如被测物为外壁光滑的非氧化金属板材（典型的完全不透明但辐射率较高材料，辐射率最低可至0.05；而氧化层较厚的金属材料，辐射率可高至0.95），周围有温度明显高于被测物的物体；此时热像仪测得的辐射能既包括被测物的辐射能，也包含了被测物反射的高温物体发射的辐射能。这种情况下，如未对反射表象温度进行修正，测得的温度值将出现较大的偏差，甚至导致完全错误、乃至荒谬的评价结果。

3.3其他影响因素除辐射率和反射表象温度对测量结果有重大影响外，距离、环境的相对湿度、大气温度等因素也影响着测量结果的准确度，上述项目的数值也应该经其他仪器测定后，输入热像仪，由热像仪根据测试原理计算修正。

4红外成像在节能监测中的典型应用

4.1加热炉、锅炉节能监测传统的加热炉、锅炉热损失检测方法是利用点温计或热流计进行测试：方法一：在炉体外壁选取部分部位，利用测温仪表（如FLUKE54II数字测温仪），使其测温探头接触需测部位，测得温度值，再做计算得出散热量。方法二：在炉体外壁选取部分部位，利用热流计测量，将其探头贴合需测设备的表面，直接读取热流量，再计算该区域的散热量。上述两种方法均需与被测物直接接触，操作人员距被测物1米以内，对测量准确性有以下几个不利影响：直接接触测量，破坏了被测物的温度场；测试人员与被测物距离较小，影响被测物的流场，影响其对流换热强度，因而计算壁面平均温度和热损失时误差较大。另外，点温计和热流计均属点式检测，对于某些大型设备，可能漏检高温点，对某些位置较高难以接触部位难以检测。红外成像仪测量是一定距离内的非接触式测量，可完全避免上述不利影响。利用热像仪可快速扫描整个炉体，并将图像存储于机身存储卡内，再利用专业软件进行分析。这样既可得到炉体的温度场分布情况，为计算散热损失提供数据支持；又可以直观的发现保温缺陷部位，避免漏检情况(图2为某石化公司的大型加热炉对流室的热成像图，保温缺陷部位明显)。另外，某些特殊型号的热像仪还可以透过火焰和烟气，在不停炉的情况下检测加热炉内炉管是否结垢或由于磨损变薄，为加热炉的节能、高效和安全运行提供科学依据。总之，热像仪应用于加热炉监测，无论故障诊断、检修，还是技术改造，均可提供严谨的数据支持。

4.2管道节能监测企业输送蒸汽、原料或产品的热物流管道，通常利用保温材料包裹，以减少有效热量向环境的散失。随着运行时间增长，管道保温层一些部位随之老化、失效。而上述管道多为架空敷设，常规巡查方法操作不便；对距离较长的管道保温失效部位难以及时发现。而利用热像仪，就可以快速检测整条管道，避免遗漏。另外，如果管道结垢或由于磨损管道变薄，由于结垢或变薄部分导热系数会显著减小或增大，热像仪也可检测出这种差异，及时预警，避免能源的浪费、事故的发生。

5总结

工业企业中许多关键设备运行在较高的温度范围，其运行状态的是否优良以及经济性均和保温性能直接相关。保温失效将增加设备的散热损失、增加能源消耗、推高产品成本，甚至造成设备的损坏乃至整个生产线停车，装置的启停造成能源的极大浪费。因此保证装置长周期运行也是节能降耗的重要举措。红外成像技术应用于节能监测工作中，可以全面、准确、高效的对相关设备进行节能评价，特别是使得对大型设备保温状况全面评价成为可能。红外成像技术还可以及时预警设备故障，为工业设备的安全、节能高效、长周期运行提供了技术保障。