鍋爐節(jié)能檢測(cè)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(cè)研究院洛陽(yáng)分院，河南 洛陽(yáng) 471000）

紅外熱成像技術(shù)以紅外輻射的原理完成檢測(cè)對(duì)象表面溫度場(chǎng)情況的測(cè)量，能夠清楚地掌握檢測(cè)對(duì)象熱狀態(tài)情況。鍋爐本身耗能很高，是社會(huì)能源消耗的大戶，降低鍋爐能耗對(duì)于社會(huì)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(cè)中紅外熱成像這項(xiàng)技術(shù)的作用與價(jià)值非常突出。

1 技術(shù)原理

在物體溫度超過(guò)絕對(duì)零度時(shí)，物體就會(huì)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(cè)物體紅外輻射量的過(guò)程中，將表面溫度轉(zhuǎn)化成直觀熱像。這種測(cè)量方法有著精度高、界面直觀、測(cè)溫范圍廣、靈敏度高、測(cè)溫速度快的特點(diǎn)。

這種技術(shù)包括主動(dòng)式與被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式指的是人為向被測(cè)材料、物體注入熱量，之后應(yīng)用熱像儀掃描與檢測(cè)。被動(dòng)式指的就是利用被測(cè)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(cè)器與電子部分構(gòu)成。光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)y(cè)量目標(biāo)紅外輻射集中到探測(cè)器，之后接受測(cè)試目標(biāo)信號(hào)，并放大與處理紅外信號(hào)送入電子部分顯示。

2 影響檢測(cè)效果的要素

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

2.1 被測(cè)物體發(fā)射率

這里所說(shuō)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(cè)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(cè)物體的表面存在不同的性質(zhì)，那么最終發(fā)射率就會(huì)出現(xiàn)很大的差距。

在對(duì)物體應(yīng)用紅外熱成像進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如果無(wú)法準(zhǔn)確設(shè)置發(fā)射率，就會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差。此外，金屬材料發(fā)射率會(huì)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(lái)說(shuō)，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(jì)、涂抹法、噴漆法、絕緣膠帶法、查表法等方式。

2.2 背景輻射

測(cè)量物體紅外輻射溫度的時(shí)候，除了物體本身有著紅外輻射以外，同時(shí)還要考慮物體對(duì)環(huán)境、太陽(yáng)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(duì)陽(yáng)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(cè)試參數(shù)減少這些因素對(duì)測(cè)量的影響。室內(nèi)測(cè)試的過(guò)程中，會(huì)受到物體反射光的影響導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果發(fā)生變化，影響測(cè)量的精準(zhǔn)性。測(cè)量中應(yīng)做到準(zhǔn)確對(duì)焦，防止非待測(cè)物體第一時(shí)間進(jìn)入測(cè)試地點(diǎn)。在測(cè)量工作中，要先設(shè)置屏蔽物阻擋非待測(cè)物體，減少外界因素對(duì)正在測(cè)試物體的參數(shù)影響。在室外測(cè)量時(shí)，應(yīng)盡量選擇晚上或是多云的天氣，減少日光對(duì)測(cè)量的影響。一般來(lái)說(shuō)，物體發(fā)射率越大輻射反射影響就越大。所以在測(cè)量中需要用高發(fā)射率涂料。

2.3 大氣

大氣在物體輻射過(guò)程中有著折射、散射、吸收等物理效果，其對(duì)物體輻射強(qiáng)度的影響非常突出，會(huì)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(huì)吸收紅外線。在測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)盡量避免煙塵與水蒸汽等因素對(duì)測(cè)量造成影響。另外，被測(cè)物體反射率、發(fā)射率以及背景輻射也是測(cè)量需要考慮的因素。在測(cè)量中，環(huán)境溫度、空氣塵埃、測(cè)量距離都會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。在測(cè)量過(guò)程中，需要將上述項(xiàng)目數(shù)值輸入熱像儀，使用熱像儀設(shè)備完成計(jì)算修正，保障測(cè)量準(zhǔn)確性。

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

3.1 檢測(cè)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(diǎn)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(lái)說(shuō)，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(yàn)。

3.2 檢測(cè)表面散熱損失

鍋爐運(yùn)行時(shí)，管道、聯(lián)箱、鍋筒、爐墻等外壁溫度都會(huì)遠(yuǎn)超于周圍溫度。對(duì)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(shuō)爐墻有可能已經(jīng)發(fā)生了損害問(wèn)題。這些問(wèn)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(jì)算法、查表法、熱流計(jì)法。當(dāng)然，以上三種方式有的存在過(guò)程繁瑣、數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題，有的存在準(zhǔn)確性差、數(shù)據(jù)適應(yīng)性差的問(wèn)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(jì)法能夠真實(shí)地得到散熱損失測(cè)定有效方式，紅外熱成像從某種角度來(lái)說(shuō)實(shí)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(wèn)題。這種技術(shù)需要與計(jì)算機(jī)技術(shù)配合使用。在配合后有效減少熱損失測(cè)量任務(wù)量，保障散熱損失量得到準(zhǔn)確、快速測(cè)定。在提高測(cè)試真實(shí)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(gè)區(qū)域，之后單獨(dú)劃分管道、人孔等裸露區(qū)域，并測(cè)量出每個(gè)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(cè)量的準(zhǔn)確性，是一種十分高效的測(cè)溫方法。在測(cè)量中需要先行確認(rèn)每個(gè)區(qū)域的平均溫度，用這種方法提高平均溫度測(cè)試準(zhǔn)確性。之后用表面溫度法展開(kāi)熱流密度的測(cè)試，能夠得知最終的鍋爐在應(yīng)用過(guò)程中的散熱損失量。這種測(cè)試技術(shù)需要軟件技術(shù)的支持以及非接觸測(cè)量技術(shù)的統(tǒng)計(jì)功能，是進(jìn)一步提高測(cè)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(cè)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(duì)應(yīng)的是鍋爐爐膛熱工缺陷檢測(cè)。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(shuō)，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(yùn)行中會(huì)積累大量灰塵，這些灰塵會(huì)影響鍋爐的傳熱效果，并且鍋爐灰塵也會(huì)影響鍋爐檢查效率，在檢測(cè)過(guò)程中這些爐灰會(huì)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(shí)際破損情況。應(yīng)用紅外熱成像儀的時(shí)候，能夠在沒(méi)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(yàn)人員提供著精準(zhǔn)的檢測(cè)條件。

4 結(jié)語(yǔ)

紅外熱成像是一種有著非接觸測(cè)溫，全面、快速、直觀的技術(shù)特點(diǎn)，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(cè)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(cè)量距離、大氣衰減、背景輻射、被測(cè)物體發(fā)射率等，都是需要考慮的要素。在測(cè)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(cè)量結(jié)果。鍋爐設(shè)備的節(jié)能檢測(cè)需要應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)，該技術(shù)對(duì)于熱工缺陷檢查以及外表散熱的測(cè)定來(lái)說(shuō)有很好的檢測(cè)效果。