稠油热采保温管线外表面发射率获取方法及实验

王玉石，孙铭尉，葛永广，葛苏鞍，吴国忠，李宏佳



稠油热采保温管线外表面发射率获取方法及实验

王玉石1，孙铭尉2，葛永广1，葛苏鞍1，吴国忠3，李宏佳3

（1. 中国石油新疆油田分公司实验检测研究院，新疆 克拉玛依 834000；2. 中国石油新疆油田分公司风城油田作业区，新疆 克拉玛依 834000； 3. 东北石油大学，黑龙江 大庆 163318）

稠油热采保温管线外表面发射率是表征辐射本领的物理量，是一项很重要的热物性参数。利用红外热像仪测温原理的通用基本公式推导出发射率的数学模型，得出两种管线外表面发射率的测量方法，对两种方法进行了室内实验验证。通过实验研究了有人工太阳辐射和没有人工太阳辐射对管线外表面发射率测量的影响。结果表明人工太阳辐射对发射率的影响较大，两种计算发射率方法中,得出管线外表面发射率误差值分别为37.5%和25%。

保温管线；发射率；红外热像仪；人工太阳辐射

2010年以来，新疆油田稠油产量约占原油总产量高达34%，能源消耗总量达到了262万t标准煤［1］，而稠油热采管线的散热损失约占总能耗10%，因此管线的保温状况被越来越多的企业重视。管线外表面的散热损失的大小受发射率的影响较大，所以获取准确管线外表面发射率对得出散热损失量至关重要［2-5］。

实际现场中，需要将被检测物体的发射率作为一个参数输入测量仪器中，发射率的数据可以从资料中获取。由于发射率测量受现场很多因素的影响，需要找到合适获取发射率的方法来解决实际问题，

目前发射率的测量实验方法有能量法、量热法等［6-8］，王宗伟［9］提出通过确定的热交换状态来求出被测物体的发射率,热交换系统由被测物体与其周围相关物体与环境共同组成，热交换系统的传热方程可由传热理论推导，再测出物体相关位置温度值即可确定系统热交换状态。Su Xiao-gang等人[10]提出在相同温度下用同一个探测器分别测量黑体及物体的辐射功率，物体的发射率值即为二者之比。以上提出的方法有部分缺陷，如需要对被测量物体表面温度控制精确，对周围环境的要求比较高，然而许多设备，难以精确的控制被测物体表面的温度。

本文从红外热像仪接收物体表面有效辐射着手，获取两种计算发射率的方法，开展了太阳辐射环境下的管线外表面发射率实验研究。

1 发射率推导及实验方法

红外热像仪的工作原理是将热成像物镜吸收目标物体的辐射能量分布的热成像图反映到探测器中，红外热像仪探测的热像图与目标物体表面的热温度场相吻合，热像图中分布不同颜色表示目标物体表面的不同温度[11]。红外热像仪有如下优点：其一，热像仪可以在一定距离下测量目标物体，避免了操作环境带来的影响，同时有益于实验人员快速测量。其二，热像仪测量时响应速度很快并且灵敏度较高[12]。红外热像仪测量温度的准确性主要由目标物体表面发射率、大气透射率、环境温度、大气温度等物理量[13,14]决定的。这些物理量得出的准确性高低很大程度上影响目标物体的真实温度， 发射率的准确性尤为重要。热像仪测量目标物体接收到的辐射由大气辐射、环境的反射辐射、管线外表面自身辐射三部分组成。 红外热像仪探测的辐射如图1所示。图1中1为管线外表面自身辐射、2为环境的反射辐射、3为大气辐射。

图1 热像仪接受有效辐射示意图

被测物体的辐射亮度：

目标物体的有效辐射亮度由2个部分组成，分别为目标物体外表面及反射环境的光谱辐射亮度。 其中:为物体表面发射率；为被测物体表面温度；为表面吸收率；为环境温度；为表面反射率。

被测物体与热像仪之间的辐射照度为：

红外热像仪工作的波段有2~5μm和8~13μm，探测器在某一范围波段上吸收辐射能，并将吸收的辐射能转化为相应的电信号。探测器接收辐射对应的辐射功率为：

与辐射功率相应的信号电压为：

根据普朗克辐射定律，将公式（4）进行变换推导可获得公式（5）：

将公式（5）进行变型得：

（6）

公式（6）为被测物体表面真实温度的计算公式，由公式可以得出，热像仪测量目标物体的真实温度受其发射率影响较大。物体表面真实温度随着发射率的改变而变化，即物体表面发射率越小，计算得出真实温度值越大。 由计算灰体表面真实温度的计算公式（6）可得：

公式(7)中发射率与热像仪测量的温度、物体的真实温度、环境温度、大气温度、大气透射率有关。当室内或近物体表面测量时，大气透射率的值取为1。环境温度与大气温度近似相等。

热像仪测量物体温度的方法不同，决定了发射率的获取方法的差异，两种方法分别为：

方法一：将红外热像仪的发射率值设为1，对 进行一次测量。将公式(5)进行变换可得公式（8）：

将公式（8）经过变换为公式（9），即为计算发射率的公式：

（9）

使用不同波段热像仪，的取值不同，在2~5μm时，=9.255 4，在8~13μm时，=3.988 9；可通过设置热像仪环境参数得到；为热像仪测量目标物体温度；为热电偶测量目标物体点的温度值；取值为1，大气温度与反射环境温度也近似相等即。

方法二：将红外热像仪的发射率设置不同的值，针对被测物体某一目标点，分别测量不同发射率对应的温度值。将（7）进行变换可得：

（11）

2 测量发射率实验

本实验使用的设备包括：型号为Therma-CAM S65红外热像仪、T型热电偶、直径为20 cm长度为60 cm镀锌铁皮、温度控制器、人工太阳辐射器。环境参数包括：室内环境温度为13 ℃，湿度为30%。获取发射率实物装置图如图2所示。

图2 获取发射率的实物装置图

实验前的准备工作及操作步骤：

1）准备工作

①将温度控制器与镀锌铁皮进行连接，设置温度控制器温度对被测目标物体加热。标定好的热电偶安置在镀锌铁皮外表面某目标点处，留有一根热电偶测量环境温度。

②打开人工太阳辐射器对准镀锌铁皮外表面, 对太阳辐射器进行预热20~30 min。

③把红外热像仪固定一台支架上，打开红外热像仪，对准镀锌铁皮外表面，对热像仪进行调焦，以便看到最佳清晰的热像图。根据测量要求，调整热像仪与镀锌铁皮外表面目标点之间的角度和距离。

2）操作步骤

①利用方法一进行的实验

无人工太阳辐射时，设置红外热像仪的发射率为1，用红外热像仪对镀锌铁皮外表面目标点（热电偶测量点）进行一次测量。记录数据采集仪中热电偶温度值和热像仪中温度值。

②利用方法二进行的实验

无人工太阳辐射时，对红外热像仪的发射率设置不同的值，分别为0.2、0.4、0.6、0.8，对准镀锌铁皮外表面目标点，同样读出相应的热像仪温度值，记录相关数据。

③有人工太阳辐射时，打开太阳辐射器，预热20~30 min后，测量步骤同①、②。

3 结果分析

方法一：热像仪的发射率设置为1时，得出的热象图如图3、图4和管线外表面发射率测量结果如表1所示。

图3 无人工太阳辐射热像图

图4 有人工太阳辐射热像图

如图3所示，热像仪发射率值设置为1时，被测镀锌铁皮外表面的目标点温度为18.2 ℃，外表面温度分布均匀。由图4可知，热像仪发射率值设置为1时的同一目标点的温度为20.1 ℃，由图中的颜色分布可知，热象图中温度分布不均匀，部分区域有明显差别。

表1 方法一中,管线外表面发射率测量结果

由资料获得，镀锌铁皮参考发射率值为0.24。如表1所示，无人工太阳辐射时，计算发射率的误差值为12.5%，有人工太阳辐射时，计算发射率的误差值为37.5%，有人工太阳辐射时，得出镀锌铁皮外表面发射率的误差值偏大。

方法二：热像仪发射率设置为0.2、0.4、0.6、0.8时，得出的热象图如图5、图6和管线外表面发射率测量结果如表2所示。

表2 管线外表面发射率测量结果

如图5和图6所示，随着红外热像仪设置的发射率增加，热像仪测量镀锌铁皮外表面温度值随之减小，图5中镀锌铁皮外表面温度分布均匀，由图6颜色分布可知，热象图中温度分布不均匀。

如表2所示，与参考发射率相比，无人工太阳辐射时，计算发射率的误差为8.3%，有人工太阳辐射时，计算发射率的误差为25%。方法二结果表明，有人工太阳辐射时，计算发射率的误差值偏大。

4 结论

本文从红外热成像理论基本公式入手，推导出管线外表面发射率的计算公式，获取两种管线外表面发射率的测量方法，通过管线外表面发射率测量实验，研究了有人工太阳辐射和没有人工太阳辐射对管线外表面发射率测量的影响，可以得出以下结论：

（1）方法一中应用的方法简单，实验中测量的参数较少，然而对测量物理量值的精度需求较高，因此该方法会带来较大的误差值。由计算结果可知，有人工太阳辐射时，计算得出发射率相对误差值超过35%。

（2）方法二中测量参数多于方法一，对参数测量的精确度要求不高，此方法设置了不同发射率值，这样可以消除系统误差。由方法二计算得出发射率相对误差值可知，此方法计算得出管线外表面发射率精确性高于方法一。

（3）有人工太阳辐射时热象图部分区域温度波动范围大，用热像仪测量被测物体目标点温度时带来了系统误差。因此无人工太阳辐射时计算得出管线外表面发射率准确性高于有人工太阳辐射时的情况。

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Acquisition Method and Experiment of Outer Surface Emissivity of Thermal Insulation Pipeline for Heavy Oil Thermal Recovery

1,2,1,1,3,3

(1. Experiment and Detection Research Institute, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay Xinjiang 834000,China; 2. Fengcheng Oilfield Operation District, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay Xinjiang 834000,China;3. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318,China)

The surface emissivity of heavy oil thermal recovery insulation pipeline is a physical variable for characterizing the radiation ability, it is a very important parameter in thermal and physical properties. In this paper, based on infrared thermal imaging measuring temperature principle, general mathematical model of emissivity was derived. Two kinds of methods for measuring pipeline outer surface emissivity were obtained, and the two methods were tested and verified by the indoor experiment. The effect of artificial solar radiation and no artificial solar radiation on the surface emissivity of the pipeline was studied by experiments. The results show that the solar radiation has a great influence on the emissivity. By two kinds of calculation methods of emissivity, the pipeline surface emissivity errors are 37.5% and 25%,respectively .

Heat preservation pipeline;Emissivity;Infrared thermal image;Artificial solar radiation

TG174

A

1671-0460（2017）08-1675-04

2016-12-08

王玉石（1985-），男，黑龙江省肇东人，工程师，硕士，主要从事油田节能研究和热物理量测试技术方面的工作。