紅外熱成像技術(shù)在有機(jī)熱載體爐及傳熱系統(tǒng)清洗中的應(yīng)用

周 英 戴恩賢 寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院吳震東 溫州市特種設(shè)備檢測(cè)中心

紅外熱成像技術(shù)在有機(jī)熱載體爐及傳熱系統(tǒng)清洗中的應(yīng)用

周 英 戴恩賢 寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院吳震東 溫州市特種設(shè)備檢測(cè)中心

我國(guó)最近頒布的《特種設(shè)備安全法》第四十四條明確規(guī)定：鍋爐清洗應(yīng)當(dāng)按照安全技術(shù)規(guī)范的要求進(jìn)行，并接受特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的監(jiān)督檢驗(yàn)。目前，有關(guān)鍋爐清洗的安全技術(shù)規(guī)范TSG G5003—2008《鍋爐化學(xué)清洗規(guī)則》和DL/T 794—2012《火力發(fā)電廠鍋爐化學(xué)清洗導(dǎo)則》僅適用于以水為介質(zhì)的鍋爐化學(xué)清洗。有機(jī)熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)由于其介質(zhì)及結(jié)垢和清洗特點(diǎn)與以水為介質(zhì)的鍋爐有很大的不同[1]，現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范對(duì)其并不適用。另一方面，有機(jī)熱載體鍋爐通常沒(méi)有檢查孔，而且檢驗(yàn)時(shí)一般難以將鍋爐系統(tǒng)內(nèi)的有機(jī)熱載體排放出來(lái)，無(wú)法通過(guò)常規(guī)檢驗(yàn)方法，對(duì)鍋爐內(nèi)表面的結(jié)焦、積炭、油污粘附等狀況進(jìn)行檢驗(yàn)。因此，判定有機(jī)熱載體鍋爐是否需要清洗，以及對(duì)清洗效果的檢查確認(rèn)需要探索新的檢測(cè)方法。為此寧波特檢院聯(lián)合溫州特檢中心等開(kāi)展了省局科研項(xiàng)目“有機(jī)熱載體鍋爐清洗檢驗(yàn)評(píng)定與安全節(jié)能研究”，針對(duì)油垢導(dǎo)熱系數(shù)低，結(jié)生油垢后會(huì)顯著阻礙傳熱，使得受污區(qū)域的熱交換管外表面溫度明顯降低，且形成的溫度分布區(qū)域隨油污程度不同而有較明顯差異的特點(diǎn)，采用紅外熱成像技術(shù)在有機(jī)熱載體爐及傳熱系統(tǒng)熱循環(huán)狀態(tài)下，對(duì)換熱器表面溫度進(jìn)行掃描，分析研究換熱器外表面溫度分布狀況與管內(nèi)受污程度的關(guān)系，用于判斷有機(jī)熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)是否需要清洗，以及清洗時(shí)對(duì)清洗效果的檢測(cè)。應(yīng)用結(jié)果表明，這是一種較為簡(jiǎn)便且相對(duì)可靠的檢測(cè)方法。

1 紅外熱成像技術(shù)概述

1.1 紅外熱成像原理

紅外熱成像儀是通過(guò)非接觸性探測(cè)物體發(fā)射的紅外能量(熱量)，并根據(jù)能量與溫度的相應(yīng)關(guān)系對(duì)溫度值進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而生成熱像圖和溫度值的一種檢測(cè)儀器。根據(jù)斯蒂芬—波爾茲曼定律即黑體發(fā)射的輻射能與其絕對(duì)溫度的4次方成正比關(guān)系，即：

Eb=σ?ε?T4(1)

式中：Eb——黑體單位面積的總輻射能，W/m2；

σ——斯蒂芬-波滋曼常數(shù)5.7×10-8，W/ (m2?K4)；

ε——比輻射率，即物體表面輻射能量與黑體輻射能量之比值，黑體ε=1；

T——物體表面的絕對(duì)溫度，K。

由此式可知：物體熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關(guān)，若已知物體的固有發(fā)射率，通過(guò)紅外探測(cè)器或傳感器探測(cè)物體輻射能量后，就能計(jì)算出該物體表面溫度。而且由于其輻射能量與絕對(duì)溫度成4次方成正比關(guān)系，微量的溫度變化即可引起明顯的輻射能變化，因而紅外探測(cè)溫度的靈敏度較高。

紅外熱成像儀就是根據(jù)這一原理，利用特殊的紅外探測(cè)器接受物體表面的輻射能，通過(guò)儀器配置的分析軟件，根據(jù)輻射能量與溫度的關(guān)系自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換，并將拍攝視野內(nèi)物體表面的溫度值以不同顏色顯示出來(lái)，從而反映出被測(cè)物體表面的溫度場(chǎng)，并在顯示屏上形成直觀的熱像圖。通常屏幕上會(huì)直接給出顏色與溫度的對(duì)應(yīng)標(biāo)度，在圖像中以不同的顏色分別對(duì)應(yīng)溫度的高低，一般人為地將溫度高的以暖色顯示，溫度低的以冷色顯示。

1.2 紅外熱成像特點(diǎn)

1）由于紅外熱成像技術(shù)是通過(guò)探測(cè)紅外輻射能來(lái)測(cè)得傳熱系統(tǒng)的溫度分布場(chǎng)，所以紅外熱成像技術(shù)具有非接觸被測(cè)物體，在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下測(cè)量的特點(diǎn)。

2）紅外熱成像儀靈敏度高，能探測(cè)到小于0.1℃的溫差。

3）可實(shí)現(xiàn)大面積快速掃描成像，具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、測(cè)溫范圍廣等。

4）利用計(jì)算機(jī)技術(shù)根據(jù)對(duì)紅外熱圖像有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，可以迅速判斷傳熱系統(tǒng)外表面溫度分布的狀況。

1.3 紅外熱成像儀對(duì)熱交換器的檢測(cè)

利用紅外熱成像儀通過(guò)非接觸式的測(cè)量方法，檢測(cè)運(yùn)行或清洗中有機(jī)熱載體系統(tǒng)的熱交換器表面溫度。根據(jù)溫度分布的均勻性，判斷熱交換管內(nèi)是否存在油垢或污堵，具有方便、直觀、快捷的優(yōu)點(diǎn)。寧波特檢院采用的紅外熱成像儀型號(hào)為ER-3010 TH7700SP70042，主要參數(shù)見(jiàn)表1，其中比輻射率需根據(jù)被測(cè)設(shè)備的材質(zhì)及表面狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般對(duì)于鋼管制作的熱交換器，若表面不太光滑并呈深色的，取0.95；若表面較為光滑或光亮的，宜相應(yīng)調(diào)小比輻射率。檢測(cè)時(shí)，將紅外探測(cè)鏡頭對(duì)準(zhǔn)換熱器的換熱面進(jìn)行掃描探測(cè)，儀器可自動(dòng)存貯數(shù)據(jù)，同時(shí)在顯示屏上形成相應(yīng)的熱像圖，并可通過(guò)電腦軟件將能量換算為絕對(duì)溫度或攝氏溫度，直觀地反映出換熱器表面的溫度分布情況。

表1 紅外熱像儀參數(shù)

1.4 紅外熱成像儀檢測(cè)的影響因素

有機(jī)熱載體鍋爐傳熱系統(tǒng)一般工作溫度為150℃～350℃，對(duì)其溫度的測(cè)量應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）紅外熱像儀有大氣條件的修正模型，可將大氣溫度、相對(duì)濕度、測(cè)量距離等補(bǔ)償參數(shù)輸入，進(jìn)行修正并選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)溫范圍以及溫度控制精度。如果溫度控制精度太低，圖像上對(duì)溫度差異表現(xiàn)不明顯，容易造成疏漏。

3）對(duì)換熱器表面的積灰應(yīng)進(jìn)行清理，積灰會(huì)對(duì)溫度的測(cè)量造成影響。清灰時(shí)易產(chǎn)生灰塵，需要待空氣中的灰塵減少后進(jìn)行溫度測(cè)量，以防灰塵對(duì)紅外成像儀的鏡頭造成污染。

2 對(duì)有機(jī)載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)清洗條件的判斷

2.1 清洗條件的判斷

有機(jī)熱載體質(zhì)量指標(biāo)中，殘?zhí)渴窃u(píng)判油品結(jié)焦、積炭?jī)A向的指標(biāo)，因此當(dāng)有機(jī)熱載體殘?zhí)砍瑯?biāo)后，通常被認(rèn)為需要換油并進(jìn)行化學(xué)清洗。但在科研項(xiàng)目研究中，利用禁煤區(qū)燃煤鍋爐淘汰之際，對(duì)殘?zhí)砍瑯?biāo)的有機(jī)熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)進(jìn)行割管檢查，發(fā)現(xiàn)殘?zhí)砍瑯?biāo)的有機(jī)熱載體并非都會(huì)發(fā)生結(jié)焦、積炭。實(shí)際上殘?zhí)砍瑯?biāo)只是誘發(fā)油垢的因素之一，受熱管內(nèi)是否受污和結(jié)生油垢還與油品黏度、流動(dòng)速度、工作溫度等諸多因素有關(guān)。有的有機(jī)熱載體殘?zhí)恐笜?biāo)已嚴(yán)重超標(biāo)，但黏度小、流動(dòng)速度快，系統(tǒng)內(nèi)并未結(jié)生油垢；有的只是在流動(dòng)速度相對(duì)較慢的區(qū)域產(chǎn)生油垢；有的有機(jī)熱載體殘?zhí)砍瑯?biāo)不久，系統(tǒng)中就已結(jié)生較嚴(yán)重的油垢。因此，有機(jī)熱載體殘?zhí)砍瑯?biāo)后，需要進(jìn)一步確認(rèn)鍋爐及系統(tǒng)是否需要清洗，否則由于有機(jī)熱載體鍋爐及系統(tǒng)清洗費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)，有的清洗因殘留液不易排干凈，容易污染新加入油品或造成脫水困難[1]。如果尚未達(dá)到需清洗的程度就盲目清洗，不僅造成經(jīng)濟(jì)上的損失，而且影響生產(chǎn)。另一方面，有的使用單位直到傳熱效率明顯降低、燃料消耗顯著增大后才進(jìn)行清洗，但此時(shí)熱交換系統(tǒng)往往已重度結(jié)焦，有的積炭嚴(yán)重已很難清除。因此，需要采用更為可行的檢驗(yàn)手段對(duì)是否需要清洗做出準(zhǔn)確的判斷。

2.2 判斷清洗條件的應(yīng)用

由于常規(guī)檢驗(yàn)難以確定有機(jī)熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)內(nèi)油垢結(jié)生程度。另外，通過(guò)對(duì)多臺(tái)拆遷的有機(jī)熱載體鍋爐和傳熱系統(tǒng)全面割管檢查，發(fā)現(xiàn)殘?zhí)砍瑯?biāo)的有機(jī)熱載體往往更容易在熱交換器的管路內(nèi)粘附油污和結(jié)焦，且油垢分布很不均勻，相對(duì)來(lái)說(shuō)鍋爐爐管結(jié)焦程度要少些，即如果換熱器管路干凈或者只是輕微結(jié)焦，則鍋爐爐管通常很少結(jié)焦。為此筆者采用紅外熱成像儀，在有機(jī)熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)熱交換器管路外表面的溫度分布進(jìn)行掃描測(cè)量，通過(guò)分析換熱器表面區(qū)域內(nèi)各管子間的溫度分布是否均勻，判斷管內(nèi)是否結(jié)焦積炭，確定鍋爐及傳熱系統(tǒng)是否需要進(jìn)行化學(xué)清洗。

圖1為印染行業(yè)常用定型烘干機(jī)熱交換器(烘箱)的有機(jī)熱載體傳熱管路示意圖，鍋爐出口的高溫有機(jī)熱載體由母管進(jìn)入集箱1分配到各換熱管，再匯集到集箱2，然后通過(guò)回油母管返回鍋爐。換熱器管路內(nèi)無(wú)油垢時(shí)，各管路的表面溫度分布基本均勻，即使有溫度差異，也具有一定規(guī)律。例如靠近出口端的溫度會(huì)比入口端略有降低。測(cè)定時(shí)由于保溫門打開(kāi)，受外界常溫

空氣影響，外側(cè)熱交換管路的表面溫度會(huì)有所降低(見(jiàn)圖2)。如果熱交換管路內(nèi)存在油污粘附或結(jié)焦、積炭等油垢物質(zhì)，則熱交換器管路外表面溫度會(huì)比入口溫度明顯降低，且油垢附著區(qū)域的換熱管表面溫度往往要比清潔管子的表面溫度明顯降低，而且油垢程度越嚴(yán)重，溫度場(chǎng)分布差異越明顯。如圖3為紅外熱成像儀掃描的某印染公司一臺(tái)烘干機(jī)的其中一個(gè)烘箱溫度場(chǎng)分布圖。該公司所用有機(jī)熱載體殘?zhí)繛?.6%(＞1.5%為不合格)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)鍋爐出口油溫240℃～245℃，烘箱入口管壁外表面溫度210℃，出口管壁外表面溫度178℃，各熱交換管的表面溫度分布明顯不均勻，差異較大，而且比出入口管壁溫度低不少，說(shuō)明交換器管內(nèi)結(jié)生的油垢已明顯影響熱交換效率，需要清洗。由此，根據(jù)紅外熱成像儀對(duì)溫度場(chǎng)分布的檢測(cè)結(jié)果以及溫度均勻性差異程度，分析管內(nèi)油垢結(jié)生程度，可較為準(zhǔn)確地判斷是否需要清洗。

為適應(yīng)當(dāng)下文旅融合發(fā)展的需要，強(qiáng)化濟(jì)南大學(xué)文化產(chǎn)業(yè)的學(xué)科建設(shè)，強(qiáng)化旅游和文化創(chuàng)意的理論和實(shí)踐研究，為全省文化和旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供服務(wù)和決策參考，促進(jìn)濟(jì)南大學(xué)與文旅企業(yè)的校企合作，11月23日，濟(jì)南大學(xué)旅游文化創(chuàng)意研究院正式成立。

圖1 某熱交換器傳熱管路示意圖

圖2 介質(zhì)殘?zhí)课闯瑯?biāo)的換熱器表面溫度分布場(chǎng)

圖3 存在油垢的換熱器表面溫度分布場(chǎng)

3 檢驗(yàn)清洗效果方面的應(yīng)用

3.1 有機(jī)熱載體鍋爐清洗效果的評(píng)判難點(diǎn)

確認(rèn)有機(jī)熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)的清洗效果是鍋爐化學(xué)清洗監(jiān)督檢驗(yàn)的重要內(nèi)容之一。清洗效果不好，不僅達(dá)不到清潔管壁，確保鍋爐安全、節(jié)能運(yùn)行的目的，而且殘留的油污、油渣還易污染更新后的有機(jī)熱載體，有的甚至起催化劣化作用，加速油品劣化，縮短油品使用壽命。由于有機(jī)熱載體鍋爐及系統(tǒng)沒(méi)有檢查孔，無(wú)法直觀地觀察清洗效果。因此一般只能待鍋爐及傳熱系統(tǒng)重新注入有機(jī)熱載體并投入運(yùn)行后，再通過(guò)檢測(cè)油品的變化情況或根據(jù)燃料消耗是否減少、排煙溫度是否降低等評(píng)判清洗效果[1]。但這些方法都只是事后的檢測(cè)手段，如果清洗效果不好，為時(shí)已晚，無(wú)法挽回可能造成的損失。因此，需要探索一種可以在清洗結(jié)束時(shí)即可判斷清洗效果的檢測(cè)方法。

3.2 判斷清洗效果的應(yīng)用

由于有機(jī)熱載體鍋爐及系統(tǒng)清洗時(shí)清洗液往往需加熱，一般為80℃～95℃，因此可利用紅外熱成像技術(shù)在清洗過(guò)程中檢測(cè)，通過(guò)溫度分布均勻性分析，確定清洗重點(diǎn)，并通過(guò)溫度分布的改善情況，判斷清洗效果。其方法是：

1）清洗初期，當(dāng)清洗液溫度達(dá)到80℃以上后，在維持鍋爐出口溫度基本不變情況下，對(duì)每個(gè)熱交換器進(jìn)行紅外熱成像掃描，保存溫度場(chǎng)分布圖。其中若有溫度分布特別不均勻或表面溫度特低的部位，說(shuō)明該區(qū)域油污或油垢較嚴(yán)重，需要加強(qiáng)清洗。

2）清洗后期，當(dāng)清洗達(dá)到預(yù)定時(shí)間，清洗液狀態(tài)不再變化后，在維持鍋爐出口溫度相同情況下，再次在清洗初期的檢測(cè)部位進(jìn)行紅外成像掃描，分析溫度分布及改善情況。如果換熱器管壁的表面溫度有所上升，且分布基本均勻，說(shuō)明基本清洗干凈，可結(jié)束清洗；如果溫度分布未得到改善，說(shuō)明未清洗干凈，需要分析原因（例如是否清洗劑清洗能力差、清洗時(shí)間不夠，或是結(jié)生的油垢已成為難以清除的碳垢），并采取針對(duì)性措施，提高清洗效果。必要時(shí)，清洗結(jié)束后進(jìn)行割管檢查，消除管內(nèi)污堵等安全隱患。

圖4和圖5為某印染公司有機(jī)熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)清洗時(shí)，烘干機(jī)中一烘箱在清洗初期和即將結(jié)束時(shí)的紅外掃描溫度場(chǎng)分布圖，從圖4可以看出，換熱器管外壁溫度分布不均勻；圖5顯示傳熱溫度得到改善，且分布基本均勻，表明已基本清洗干凈。

圖4 清洗初期換熱器表面溫度場(chǎng)分布圖

圖5 清洗后期換熱器表面溫度場(chǎng)分布

該鍋爐清洗后，更換了新的有機(jī)熱載體，重新投入運(yùn)行10天后，對(duì)其中的有機(jī)熱載體進(jìn)行了檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)變化很小，且烘箱溫度能很快達(dá)到生產(chǎn)工藝要求，換熱效率明顯提高，燃料消耗也大幅下降，說(shuō)明清洗效果達(dá)到理想要求，同時(shí)也驗(yàn)證了利用紅外熱成像儀檢驗(yàn)和評(píng)判清洗效果的可行性。

4 紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用注意點(diǎn)和局限性

4.1 檢測(cè)注意點(diǎn)

利用紅外熱成像儀掃描熱交換器換熱管表面溫度，通過(guò)溫度場(chǎng)分布的均勻性可較為直觀地反映出換熱管內(nèi)壁是否受污。但需注意的是，管子外表面狀況也會(huì)影響測(cè)定結(jié)果，有的熱交換器換熱管表面有斑駁的油漆、局部油污、程度不等的積灰或毛絮粘附等，都會(huì)影響掃描溫度的均勻性，檢測(cè)時(shí)應(yīng)將外表面的受污雜物清理干凈，或者記錄其部位，以便分析判斷時(shí)避免與管內(nèi)油垢的影響相混淆。例如，印染行業(yè)的烘干機(jī)箱體內(nèi)常會(huì)積蓄較多的毛絮，檢測(cè)時(shí)應(yīng)將積有毛絮的擋板抽出，并將粘附在換熱管鰭片上的一些毛絮清掃干凈，否則會(huì)影響對(duì)清洗條件和清洗效果的判斷。

4.2 應(yīng)用局限性

雖然實(shí)驗(yàn)證明紅外熱成像儀對(duì)于清洗條件的判斷和清洗效果檢驗(yàn)的可行性，但目前尚有其局限性。一是對(duì)于要求恒溫或控溫精確的生產(chǎn)工藝，由于檢測(cè)時(shí)需打開(kāi)熱交換器保溫門，有可能會(huì)因溫度波動(dòng)而影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此不能在正常生產(chǎn)的運(yùn)行條件下通過(guò)紅外熱成像儀檢測(cè)來(lái)判斷管內(nèi)油垢情況。不過(guò)清洗時(shí)，由于控溫要求不高，仍可通過(guò)清洗前后的檢測(cè)比對(duì)來(lái)判斷清洗效果。二是有的熱交換器（例如一些化工裝置）完全封閉于保溫層內(nèi)，熱循環(huán)狀態(tài)時(shí)無(wú)法打開(kāi)檢測(cè)，因此不適用紅外熱成像技術(shù)。三是目前紅外熱成像儀價(jià)格昂貴，除了進(jìn)行鍋爐能效測(cè)試的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)普遍配置外，清洗單位和鍋爐使用單位極少有配置，但可通過(guò)使用紅外測(cè)溫儀來(lái)替代。紅外測(cè)溫儀價(jià)格低，一般單位都有配備，雖然不能象紅外熱成像儀那樣直觀地顯示溫度場(chǎng)分布和自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)人工對(duì)熱交換管逐根逐點(diǎn)掃測(cè)和手動(dòng)記錄溫度，根據(jù)測(cè)得的溫度均勻性大致判斷管內(nèi)油垢情況和清洗效果。

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)紅外熱成像技術(shù)在有機(jī)熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)的檢測(cè)應(yīng)用研究，以及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)多家使用單位的換熱器進(jìn)行表面溫度分布的掃描檢測(cè)和比較分析，驗(yàn)證了利用紅外熱成像技術(shù)確定有機(jī)熱載體鍋爐清洗條件和清洗效果的可行性，得出利用紅外熱成像技術(shù)測(cè)得的溫度分布與管子內(nèi)部是否結(jié)生油垢等現(xiàn)象存在一定的聯(lián)系，可以作為確定有機(jī)熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)清洗時(shí)機(jī)的一種輔助手段以及評(píng)判化學(xué)清洗效果的一種檢驗(yàn)方法。隨著紅外熱成像技術(shù)的不斷完善，測(cè)量精度的逐步提高，圖像計(jì)算機(jī)處理水平的提高，紅外熱成像技術(shù)在有機(jī)熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)清洗中將具有更廣泛的應(yīng)用前景。

［此論文是浙江省質(zhì)監(jiān)局科研項(xiàng)目（計(jì)劃編號(hào)201 20316）成果。］

1 周英,等.有機(jī)熱載體鍋爐清洗特點(diǎn)及清洗質(zhì)量的檢驗(yàn).中國(guó)特種設(shè)備安全,2013(5)：28－31

2013－09－27）