紅外熱成像技術在球罐液位監測中的應用

閆容菊，閆恒

（中國石油天然氣股份有限公司遼河石化分公司，遼寧 盤錦 124000）

1 液化氣球罐區簡介

煉化企業中球罐主要儲存的介質為催化、焦化等裝置的丙丁烷混合組分液化烴，儲罐設計壓力通常在1.5～2.5 MPa 之間，控制溫度為環境溫度。一般情況下球罐區肩負著接收上游裝置產品，并為下游裝置提供原料、組分以及進行液化氣產品的儲存、外運等多種任務，收付油作業頻繁。其中，儲罐液位監測是生產運行管控的一個重要參數，一方面保證儲罐正常運行的計量計算，另一方也要保證儲罐在安全液位下運行，所以儲罐液位的檢測是關系到產品質量、節能管理及安全生產的重要問題。目前球形壓力儲罐的液位監測手段主要有伺服液位計、雷達液位計、鋼帶液位計、磁翻板液位計、機械式的高低開關等，均在儲罐密閉狀態下運行。

2 儲罐液位計出現異常及其解決方法

目前，石油化工企業逐漸依賴自動化儀器與設備對油罐液位進行監控，通常情況下，液化氣球罐區每個儲罐都會安裝兩種液位計對其液位進行檢測，自動化設備在長期運行的情況下會出現如下三種異常情況：

（1）儲罐液位計測量失真；

（2）兩種液位計測量結果有偏差；

（3）兩臺液位計均失靈。

在常壓儲罐中出現以上幾種情況可以采用人工檢尺的方法進行核算，但在壓力儲罐的儲存、計量中，則不可采用人工檢尺的方法進行測量，很難得到油罐內真實的精確液位。因此，為了解決這種異常情況下的生產運行，本文提出三種不同的測量方法，分別是利用高低位開關、連通器原理現場翻版液位計和紅外熱成像技術來對液位進行測算。

2.1 利用高低位報警指示儀監測液位

在實際生產應用中，普遍存在同一罐區不同儲罐儲存相同油品或性質相似油品的情況，當一儲罐進行清罐作業或因設備腐蝕穿孔、老化等問題無法正常作業時，即可倒油至存儲油品相同或性質相近儲罐中。

將某企業未知液位球罐中的油品倒油至同罐區內另一儲存介質相同或相似油品且液位精確的儲罐中。由于球罐結構的特殊性，油品體積不與油品高度成正比，進而相同體積油品倒入不同液位油罐中增長油品高度亦不同，所以可利用罐區自動化高低位報警系統的低位報警開關輔助測算。首先計量倒油前收入油罐的初始液位H1并計算其體積Va，在倒油過程中當低液位報警開關因液位達到低位臨界值報警時停止倒油，計量收入油罐倒油后液位H2和體積Vb及支出油罐低位報警液位值H3和相對應體積VC，便可以下式計算出原儲罐液位體積V，即可得原儲罐液位H。

這種方法雖然直觀方便，但是由于高低位報警開關只檢測某一點的液位，所以不能過于依賴低位報警開關的連續性，并且，在罐區中，將儲罐液位降低到低液位報警值不符合罐區安全生產要求，所以此種方法并不十分精確。

圖1 某球罐液位示意圖

2.2 利用聯通器原理監測液位

同樣選擇罐區內與未知液位儲罐儲存介質相同或相似的儲罐，記錄其液位H4并計算出體積Vd，將兩儲罐相連通。由于兩種儲罐的液位、壓力不同，高位油罐會向低液位罐內壓油，直到兩個儲罐內液位、壓力相同時，兩儲罐液位不會再改變。待穩定數分鐘后，記錄聯通儲罐倒油后液位H5和Ve，可以下式計算出原儲罐的體積V與液位H。

圖2 某球罐液位示意圖

此種方法雖然可行，但是壓油與穩定時間較長，所以不適用于緊急情況下的液位計量。

2.3 紅外熱成像簡介

2.3.1 紅外成像原理

液化氣球罐在任何溫度下都會發射或吸收電磁熱輻射，其輻射的大小與儲罐的形狀、罐壁板厚度、所用防腐材料、儲存介質化學與物理學結構（如表面氧化度、粗糙度等）特征有關外，還與輻射波長、環境溫度、介質溫度有關。紅外熱成像儀就是利用物體的這種輻射性能來測量物體表面溫度場的。根據斯蒂芬-波爾茲曼定律：

式中：σ—為斯蒂芬-波爾茲曼常數；

ε—為待測物體表面發射率系數；

T—為待測物體表面的溫度；

W—為物體表面總輻射強度。

因此，球罐儲存液位的高低和溫度的差異決定輻射波長的發射系數，球形儲罐發射出的輻射被熱成像儀接收,便可測定物體表面的溫度場分布。

2.3.2 紅外成像儀結構

紅外熱像儀利用紅外探測器、光學成像物鏡和光機掃描系統接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形，并反映到紅外探測器的光敏元件上【1】。在光學系統和紅外探測器之間，有一個光機掃描機構對被測物體的紅外熱像進行掃描，并聚焦在分光探測器上,由探測器將紅外輻射能轉換成電信號，經放大處理、轉換成標準視頻信號并通過電視屏或監測器顯示紅外熱像圖。為了更準確地測量液化氣球罐的真實液位，通常需要利用不同溫度下的同一觀測角度來檢測罐內液位變化情況，結合儀器的實用功能，如色彩與亮度、對比度的調節來檢測液位的準確性。

2.3.3 利用紅外熱成像技術監測液位

紅外熱成像技術能直接觀察到人眼在可見光范圍內無法觀測到的物體表面溫度分布狀況，從而把人們的視覺范圍從可見光擴展到紅外線波段。由于其具有無損、非接觸、無須耦合、快速實時等特點而得到迅速發展，已廣泛用于航空航天、機械、醫療、石化、電力等領域[1]。

圖3 某球罐紅外熱成像圖

由于儲罐內氣體和液體的熱輻射不同，在罐體內會出現溫差，因此，可以采用紅外熱成像儀檢測儲罐的液位線。本文應用鑫泰HT-201 手機熱成像儀進行檢測，由于其攜帶方便，隨照隨顯的特性，可以用其在罐區外圍的安全距離外進行拍攝，但是由于紅外線成像儀并不能明確檢測出某油罐具體液位，故可以在罐體上標定液位，以確定其具體液位并算出其儲量。并且在罐體原有兩種液位計液位不同時，可以用此種方法判斷哪種液位計體現的液位更為準確，以達到液位精準測量的目的。

圖4 某球罐圖

3 結 論

根據以上三種方法，雖然均可以應用于壓力罐區的液位核定，但紅外成像技術以方便、快捷、操作簡單、核算精準等優點，表現更為突出，并且還可根據油水兩相溫度差檢測罐底含水量。紅外熱成像儀的測量是一種簡單快速的非接觸式測量，大大減輕了人力物力的資源消耗。但也有一些情況下并不適用于紅外成像，如環境介質與容器溫度一致，惡劣環境雨雪天氣等。

可對該設備進行應用推廣，對于企業中的球罐、反應容器等壓力設備，均可配備便攜式或固定式的紅外監測設備，即可用于故障時的應急監測也可用于日常的核算校對等，希望通過本文章能夠推進紅外熱成像技術在球罐區等壓力容器上的應用。

沈陽工業大學科研成果介紹 高濃難降解有機廢水預處理集成裝備

適用范圍：制藥、農藥、顏料、焦化等行業高濃度難降解有機廢水。

參照標準：一般厭氧生化處理技術進水要求。

技術優勢：設備集合電催化氧化、兩級微電解、混凝工藝優勢，適宜于多種行業高濃度難降解有機廢水處理，處理效率高；集裝箱式集成化設計，便于運輸、移動；設備中不同容器水力停留時間可調節，適應水質水量變化。

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