鍋爐節(jié)能檢測中紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用研究

劉紅征

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院洛陽分院，河南 洛陽 471000）

紅外熱成像技術(shù)以紅外輻射的原理完成檢測對象表面溫度場情況的測量，能夠清楚地掌握檢測對象熱狀態(tài)情況。鍋爐本身耗能很高，是社會能源消耗的大戶，降低鍋爐能耗對于社會的可持續(xù)發(fā)展有著很突出的積極意義，是節(jié)能工作的重心。鍋爐節(jié)能檢測中紅外熱成像這項技術(shù)的作用與價值非常突出。

1 技術(shù)原理

在物體溫度超過絕對零度時，物體就會將熱能以輻射能的形式發(fā)散出去。紅外輻射強(qiáng)度應(yīng)用斯蒂芬波爾茲曼定律表示。紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用了紅外熱輻射的原理，在檢測物體紅外輻射量的過程中，將表面溫度轉(zhuǎn)化成直觀熱像。這種測量方法有著精度高、界面直觀、測溫范圍廣、靈敏度高、測溫速度快的特點。

這種技術(shù)包括主動式與被動式兩種。主動式指的是人為向被測材料、物體注入熱量，之后應(yīng)用熱像儀掃描與檢測。被動式指的就是利用被測材料、物體自身熱輻射得到熱成像圖。該技術(shù)的核心就是熱成像，所用設(shè)備為紅外熱成像儀。這種設(shè)備由光學(xué)探測器與電子部分構(gòu)成。光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)y量目標(biāo)紅外輻射集中到探測器，之后接受測試目標(biāo)信號，并放大與處理紅外信號送入電子部分顯示。

2 影響檢測效果的要素

紅外熱成像技術(shù)通過測量輻射熱情況判斷物體表面溫度，所以其測量精度會受到很多因素的影響，其中就包括測量物體表面熱發(fā)射率、來自測量背景的熱輻射、大氣因素、測量距離與空氣塵埃等。

2.1 被測物體發(fā)射率

這里所說的發(fā)射率指的是物體表面的輻射能量和相同溫度黑體輻射能量比率，這是一種能夠描述物體黑體輻射能力的物理量，其大小與物體本身的顏色、溫度、表面粗糙度、形狀、材料有直接的關(guān)系。物體發(fā)射率作為影響紅外檢測精度最重要的參數(shù)，是需要以嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度處理的。如果被測物體的表面存在不同的性質(zhì)，那么最終發(fā)射率就會出現(xiàn)很大的差距。

在對物體應(yīng)用紅外熱成像進(jìn)行檢測時，如果無法準(zhǔn)確設(shè)置發(fā)射率，就會出現(xiàn)測量誤差。此外，金屬材料發(fā)射率會受到包括自身表面形狀、表面顏色、表面光潔度、材料類型的影響。每種材料都有著不同的發(fā)射率。舉例來說，銅比鋁的發(fā)射率就高出很多。表面粗糙的物體要比表面光潔的物體有著更高的發(fā)射率。深色物體比淺色物體發(fā)射率高。發(fā)射率的確定方法包括接觸溫度計、涂抹法、噴漆法、絕緣膠帶法、查表法等方式。

2.2 背景輻射

測量物體紅外輻射溫度的時候，除了物體本身有著紅外輻射以外，同時還要考慮物體對環(huán)境、太陽的反射情況，當(dāng)然設(shè)備與其周圍的輻射也是需要考慮的要素。面對陽光直射、室外輻射、空間散射與折射的環(huán)境，工作人員需要先行調(diào)整測試參數(shù)減少這些因素對測量的影響。室內(nèi)測試的過程中，會受到物體反射光的影響導(dǎo)致測量結(jié)果發(fā)生變化，影響測量的精準(zhǔn)性。測量中應(yīng)做到準(zhǔn)確對焦，防止非待測物體第一時間進(jìn)入測試地點。在測量工作中，要先設(shè)置屏蔽物阻擋非待測物體，減少外界因素對正在測試物體的參數(shù)影響。在室外測量時，應(yīng)盡量選擇晚上或是多云的天氣，減少日光對測量的影響。一般來說，物體發(fā)射率越大輻射反射影響就越大。所以在測量中需要用高發(fā)射率涂料。

2.3 大氣

大氣在物體輻射過程中有著折射、散射、吸收等物理效果，其對物體輻射強(qiáng)度的影響非常突出，會逐漸衰減輻射質(zhì)量。大氣中的很多物質(zhì)包括一氧化二氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽等都會吸收紅外線。在測量過程中，應(yīng)盡量避免煙塵與水蒸汽等因素對測量造成影響。另外，被測物體反射率、發(fā)射率以及背景輻射也是測量需要考慮的因素。在測量中，環(huán)境溫度、空氣塵埃、測量距離都會影響測量的準(zhǔn)確性。在測量過程中，需要將上述項目數(shù)值輸入熱像儀，使用熱像儀設(shè)備完成計算修正，保障測量準(zhǔn)確性。

3 鍋爐節(jié)能監(jiān)測中紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用

3.1 檢測表面熱工缺陷

流通煙道與爐膛的外壁就是鍋爐爐墻。爐墻是保障鍋爐內(nèi)部能夠保持高溫狀態(tài)，減少內(nèi)部溫度向外界散熱效率的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，能夠使煙氣按照預(yù)期規(guī)劃的方向流通。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點可以將爐墻分為輕型與重型兩種。絕大多數(shù)大中型鍋爐都是用重型爐墻，這種爐墻共有內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，其中外層為紅磚，內(nèi)層為耐火磚。兩層磚之間保留200mm間隔，使用珍珠巖顆粒、礦渣棉板填充。而小型鍋爐大多應(yīng)用輕型爐墻，這種爐墻由保溫材料與輕質(zhì)耐火磚組成。蒸汽管道、聯(lián)箱、鍋筒外面都有保溫材料的包裹。

應(yīng)用紅外熱成像儀能夠全面、直觀、清晰地了解鍋爐外表保溫層破損情況。一般來說，保溫層破損部位都有明顯的溫度異常，能夠幫助人們了解破損具體部位，完成破損部位修復(fù)。在修復(fù)后應(yīng)用紅外熱成像儀復(fù)驗。

3.2 檢測表面散熱損失

鍋爐運行時，管道、聯(lián)箱、鍋筒、爐墻等外壁溫度都會遠(yuǎn)超于周圍溫度。對流、輻射所流失的熱量被稱為散熱損失。假設(shè)鍋爐外表溫度越高，而周圍溫度越低，則意味著散熱損失越大。該現(xiàn)象表明耐火材料本身質(zhì)量不好，甚至可以說爐墻有可能已經(jīng)發(fā)生了損害問題。這些問題是散熱損失、鍋爐熱效率低下的根本原因。當(dāng)前工業(yè)鍋爐散熱損失所用的是GB/T10180-2003中的計算法、查表法、熱流計法。當(dāng)然，以上三種方式有的存在過程繁瑣、數(shù)據(jù)量大的問題，有的存在準(zhǔn)確性差、數(shù)據(jù)適應(yīng)性差的問題，很難保障散熱損失量的準(zhǔn)確獲取。在眾多方法中，熱流計法能夠真實地得到散熱損失測定有效方式，紅外熱成像從某種角度來說實際上就是該方法的替代品，能夠彌補(bǔ)這種方法本身的不足與問題。這種技術(shù)需要與計算機(jī)技術(shù)配合使用。在配合后有效減少熱損失測量任務(wù)量，保障散熱損失量得到準(zhǔn)確、快速測定。在提高測試真實性、準(zhǔn)確性中體現(xiàn)出了巨大的意義，是值得信賴的技術(shù)。紅外熱成像技術(shù)能夠有效、清楚地得知鍋爐表面熱損失。方法為先將鍋爐與部件分為多個區(qū)域，之后單獨劃分管道、人孔等裸露區(qū)域，并測量出每個區(qū)域的具體面積，使用紅外熱成像儀標(biāo)定，分別采集這些區(qū)域的圖像。該方法能夠充分保障測量的準(zhǔn)確性，是一種十分高效的測溫方法。在測量中需要先行確認(rèn)每個區(qū)域的平均溫度，用這種方法提高平均溫度測試準(zhǔn)確性。之后用表面溫度法展開熱流密度的測試，能夠得知最終的鍋爐在應(yīng)用過程中的散熱損失量。這種測試技術(shù)需要軟件技術(shù)的支持以及非接觸測量技術(shù)的統(tǒng)計功能，是進(jìn)一步提高測試效率的方法。如今這種方式憑借著出眾的效果與能力在很多地區(qū)都已經(jīng)得到了普及。

3.3 檢測爐內(nèi)熱工缺陷

應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)診斷鍋爐內(nèi)部對應(yīng)的是鍋爐爐膛熱工缺陷檢測。爐膛是爐墻包圍的供燃料燃燒的立體空間。在鍋爐中爐膛的作用為確保燃料能夠充分燃燒，防止?fàn)t膛煙氣溫度降低影響到鍋爐正常工作。也就是說，爐膛需要有充足空間與足夠大的受熱面積，這是保障鍋爐工作效率的關(guān)鍵。

鍋爐運行中會積累大量灰塵，這些灰塵會影響鍋爐的傳熱效果，并且鍋爐灰塵也會影響鍋爐檢查效率，在檢測過程中這些爐灰會影響爐膛水冷壁熱工缺陷的觀察效果以及鍋爐保溫材料的實際破損情況。應(yīng)用紅外熱成像儀的時候，能夠在沒有清灰前就發(fā)現(xiàn)水冷壁管缺陷部位以及保溫壁是否受損。其為檢驗人員提供著精準(zhǔn)的檢測條件。

4 結(jié)語

紅外熱成像是一種有著非接觸測溫，全面、快速、直觀的技術(shù)特點，應(yīng)用于鍋爐節(jié)能診斷與熱工缺陷檢查，發(fā)揮著巨大的作用。憑借著優(yōu)秀出眾的能力，紅外熱成像技術(shù)的測量精度非常高，但需要強(qiáng)調(diào)的是，其精度也很容易受到外界因素影響，諸如環(huán)境溫度、空氣塵埃、測量距離、大氣衰減、背景輻射、被測物體發(fā)射率等，都是需要考慮的要素。在測量中需要做好相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，以免上述因素影響到最終的測量結(jié)果。鍋爐設(shè)備的節(jié)能檢測需要應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)，該技術(shù)對于熱工缺陷檢查以及外表散熱的測定來說有很好的檢測效果。