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

紅外熱成像技術(shù)在有機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)備檢驗研究院吳震東 溫州市特種設(shè)備檢測中心

我國最近頒布的《特種設(shè)備安全法》第四十四條明確規(guī)定：鍋爐清洗應(yīng)當按照安全技術(shù)規(guī)范的要求進行，并接受特種設(shè)備檢驗機構(gòu)的監(jiān)督檢驗。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)范對其并不適用。另一方面，有機熱載體鍋爐通常沒有檢查孔，而且檢驗時一般難以將鍋爐系統(tǒng)內(nèi)的有機熱載體排放出來，無法通過常規(guī)檢驗方法，對鍋爐內(nèi)表面的結(jié)焦、積炭、油污粘附等狀況進行檢驗。因此，判定有機熱載體鍋爐是否需要清洗，以及對清洗效果的檢查確認需要探索新的檢測方法。為此寧波特檢院聯(lián)合溫州特檢中心等開展了省局科研項目“有機熱載體鍋爐清洗檢驗評定與安全節(jié)能研究”，針對油垢導(dǎo)熱系數(shù)低，結(jié)生油垢后會顯著阻礙傳熱，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，采用紅外熱成像技術(shù)在有機熱載體爐及傳熱系統(tǒng)熱循環(huán)狀態(tài)下，對換熱器表面溫度進行掃描，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，用于判斷有機熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)是否需要清洗，以及清洗時對清洗效果的檢測。應(yīng)用結(jié)果表明，這是一種較為簡便且相對可靠的檢測方法。

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非接觸性探測物體發(fā)射的紅外能量(熱量)，并根據(jù)能量與溫度的相應(yīng)關(guān)系對溫度值進行計算，進而生成熱像圖和溫度值的一種檢測儀器。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，通過紅外探測器或傳感器探測物體輻射能量后，就能計算出該物體表面溫度。而且由于其輻射能量與絕對溫度成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器接受物體表面的輻射能，通過儀器配置的分析軟件，根據(jù)輻射能量與溫度的關(guān)系自動進行計算轉(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，從而反映出被測物體表面的溫度場，并在顯示屏上形成直觀的熱像圖。通常屏幕上會直接給出顏色與溫度的對應(yīng)標度，在圖像中以不同的顏色分別對應(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

1）由于紅外熱成像技術(shù)是通過探測紅外輻射能來測得傳熱系統(tǒng)的溫度分布場，所以紅外熱成像技術(shù)具有非接觸被測物體，在設(shè)備運行狀態(tài)下測量的特點。

2）紅外熱成像儀靈敏度高，能探測到小于0.1℃的溫差。

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

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

1.3 紅外熱成像儀對熱交換器的檢測

利用紅外熱成像儀通過非接觸式的測量方法，檢測運行或清洗中有機熱載體系統(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。寧波特檢院采用的紅外熱成像儀型號為ER-3010 TH7700SP70042，主要參數(shù)見表1，其中比輻射率需根據(jù)被測設(shè)備的材質(zhì)及表面狀況進行調(diào)節(jié)，一般對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。檢測時，將紅外探測鏡頭對準換熱器的換熱面進行掃描探測，儀器可自動存貯數(shù)據(jù)，同時在顯示屏上形成相應(yīng)的熱像圖，并可通過電腦軟件將能量換算為絕對溫度或攝氏溫度，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 紅外熱成像儀檢測的影響因素

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

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

3）對換熱器表面的積灰應(yīng)進行清理，積灰會對溫度的測量造成影響。清灰時易產(chǎn)生灰塵，需要待空氣中的灰塵減少后進行溫度測量，以防灰塵對紅外成像儀的鏡頭造成污染。

2 對有機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

有機熱載體質(zhì)量指標中，殘?zhí)渴窃u判油品結(jié)焦、積炭傾向的指標，因此當有機熱載體殘?zhí)砍瑯撕?，通常被認為需要換油并進行化學(xué)清洗。但在科研項目研究中，利用禁煤區(qū)燃煤鍋爐淘汰之際，對殘?zhí)砍瑯说挠袡C熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)進行割管檢查，發(fā)現(xiàn)殘?zhí)砍瑯说挠袡C熱載體并非都會發(fā)生結(jié)焦、積炭。實際上殘?zhí)砍瑯酥皇钦T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、流動速度、工作溫度等諸多因素有關(guān)。有的有機熱載體殘?zhí)恐笜艘褔乐爻瑯耍ざ刃?、流動速度快，系統(tǒng)內(nèi)并未結(jié)生油垢；有的只是在流動速度相對較慢的區(qū)域產(chǎn)生油垢；有的有機熱載體殘?zhí)砍瑯瞬痪?，系統(tǒng)中就已結(jié)生較嚴重的油垢。因此，有機熱載體殘?zhí)砍瑯撕螅枰M一步確認鍋爐及系統(tǒng)是否需要清洗，否則由于有機熱載體鍋爐及系統(tǒng)清洗費用高、時間長，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]。如果尚未達到需清洗的程度就盲目清洗，不僅造成經(jīng)濟上的損失，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行清洗，但此時熱交換系統(tǒng)往往已重度結(jié)焦，有的積炭嚴重已很難清除。因此，需要采用更為可行的檢驗手段對是否需要清洗做出準確的判斷。

2.2 判斷清洗條件的應(yīng)用

由于常規(guī)檢驗難以確定有機熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)內(nèi)油垢結(jié)生程度。另外，通過對多臺拆遷的有機熱載體鍋爐和傳熱系統(tǒng)全面割管檢查，發(fā)現(xiàn)殘?zhí)砍瑯说挠袡C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，相對來說鍋爐爐管結(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，在有機熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)運行狀態(tài)下，對熱交換器管路外表面的溫度分布進行掃描測量，通過分析換熱器表面區(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)是否需要進行化學(xué)清洗。

圖1為印染行業(yè)常用定型烘干機熱交換器(烘箱)的有機熱載體傳熱管路示意圖，鍋爐出口的高溫有機熱載體由母管進入集箱1分配到各換熱管，再匯集到集箱2，然后通過回油母管返回鍋爐。換熱器管路內(nèi)無油垢時，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比入口端略有降低。測定時由于保溫門打開，受外界常溫

空氣影響，外側(cè)熱交換管路的表面溫度會有所降低(見圖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，而且油垢程度越嚴重，溫度場分布差異越明顯。如圖3為紅外熱成像儀掃描的某印染公司一臺烘干機的其中一個烘箱溫度場分布圖。該公司所用有機熱載體殘?zhí)繛?.6%(＞1.5%為不合格)，現(xiàn)場檢測鍋爐出口油溫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)紅外熱成像儀對溫度場分布的檢測結(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，可較為準確地判斷是否需要清洗。

為適應(yīng)當下文旅融合發(fā)展的需要，強化濟南大學(xué)文化產(chǎn)業(yè)的學(xué)科建設(shè)，強化旅游和文化創(chuàng)意的理論和實踐研究，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，促進濟南大學(xué)與文旅企業(yè)的校企合作，11月23日，濟南大學(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)课闯瑯说膿Q熱器表面溫度分布場

圖3 存在油垢的換熱器表面溫度分布場

3 檢驗清洗效果方面的應(yīng)用

3.1 有機熱載體鍋爐清洗效果的評判難點

確認有機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)督檢驗的重要內(nèi)容之一。清洗效果不好，不僅達不到清潔管壁，確保鍋爐安全、節(jié)能運行的目的，而且殘留的油污、油渣還易污染更新后的有機熱載體，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。由于有機熱載體鍋爐及系統(tǒng)沒有檢查孔，無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)重新注入有機熱載體并投入運行后，再通過檢測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判清洗效果[1]。但這些方法都只是事后的檢測手段，如果清洗效果不好，為時已晚，無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)束時即可判斷清洗效果的檢測方法。

3.2 判斷清洗效果的應(yīng)用

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

1）清洗初期，當清洗液溫度達到80℃以上后，在維持鍋爐出口溫度基本不變情況下，對每個熱交換器進行紅外熱成像掃描，保存溫度場分布圖。其中若有溫度分布特別不均勻或表面溫度特低的部位，說明該區(qū)域油污或油垢較嚴重，需要加強清洗。

2）清洗后期，當清洗達到預(yù)定時間，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部位進行紅外成像掃描，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），并采取針對性措施，提高清洗效果。必要時，清洗結(jié)束后進行割管檢查，消除管內(nèi)污堵等安全隱患。

圖4和圖5為某印染公司有機熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)清洗時，烘干機中一烘箱在清洗初期和即將結(jié)束時的紅外掃描溫度場分布圖，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分布圖

圖5 清洗后期換熱器表面溫度場分布

該鍋爐清洗后，更換了新的有機熱載體，重新投入運行10天后，對其中的有機熱載體進行了檢測，各項指標變化很小，且烘箱溫度能很快達到生產(chǎn)工藝要求，換熱效率明顯提高，燃料消耗也大幅下降，說明清洗效果達到理想要求，同時也驗證了利用紅外熱成像儀檢驗和評判清洗效果的可行性。

4 紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用注意點和局限性

4.1 檢測注意點

利用紅外熱成像儀掃描熱交換器換熱管表面溫度，通過溫度場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影響測定結(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，都會影響掃描溫度的均勻性，檢測時應(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)的烘干機箱體內(nèi)常會積蓄較多的毛絮，檢測時應(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，否則會影響對清洗條件和清洗效果的判斷。

4.2 應(yīng)用局限性

雖然實驗證明紅外熱成像儀對于清洗條件的判斷和清洗效果檢驗的可行性，但目前尚有其局限性。一是對于要求恒溫或控溫精確的生產(chǎn)工藝，由于檢測時需打開熱交換器保溫門，有可能會因溫度波動而影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此不能在正常生產(chǎn)的運行條件下通過紅外熱成像儀檢測來判斷管內(nèi)油垢情況。不過清洗時，由于控溫要求不高，仍可通過清洗前后的檢測比對來判斷清洗效果。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)時無法打開檢測，因此不適用紅外熱成像技術(shù)。三是目前紅外熱成像儀價格昂貴，除了進行鍋爐能效測試的檢驗機構(gòu)普遍配置外，清洗單位和鍋爐使用單位極少有配置，但可通過使用紅外測溫儀來替代。紅外測溫儀價格低，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分布和自動存儲數(shù)據(jù)，通過人工對熱交換管逐根逐點掃測和手動記錄溫度，根據(jù)測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)

通過對紅外熱成像技術(shù)在有機熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)的檢測應(yīng)用研究，以及現(xiàn)場對多家使用單位的換熱器進行表面溫度分布的掃描檢測和比較分析，驗證了利用紅外熱成像技術(shù)確定有機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，可以作為確定有機熱載體鍋爐及傳熱系統(tǒng)清洗時機的一種輔助手段以及評判化學(xué)清洗效果的一種檢驗方法。隨著紅外熱成像技術(shù)的不斷完善，測量精度的逐步提高，圖像計算機處理水平的提高，紅外熱成像技術(shù)在有機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)局科研項目（計劃編號201 20316）成果。］

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

2013－09－27）