Трубчатая печь используется в нефтеперегонке для нагрева углеводородного сырья. От целостности труб и стабильности их нагрева зависит производительность и безопасность нефтепереработки. Здесь может помочь термографический мониторинг, однако задача его организации достаточно сложна: между трубами и матрицей тепловизора находится пламя, нестабильность поведения которого вносит искажения в тепловизионное изображение. Эти искажения возможно свести к минимуму путём подбора специальных фильтров.
Поскольку температура сырья в трубчатой печи превышает 400°C, локальный перегрев труб может существенно снизить срок службы всей системы. Так, превышение температуры нагрева на 50° за 5 лет способно разрушить трубу, рассчитанную на 25-летнюю эксплуатацию. При этом, чтобы обеспечить максимальную производительность, общую температуру процесса снижать недопустимо. Традиционно используемые термопары обеспечивают лишь точечные измерения, поэтому для получения адекватной картины распределения тепла по печи единственным средством остаётся тепловизор.
Термопары, установленные в трубчатой печи, не позволяют зафиксировать температуру более нагретых участков труб, находящихся в непосредственной близости от них.
Локальный перегрев труб возникает вследствие двух нежелательных явлений — окисления внешней поверхности труб и закоксовывания внутри. Первое может привести к нарушению целостности трубы, второе — к снижению пропускной способности печи. Оба типа зон перегрева «ловятся» тепловизором, и при наличии чёткого изображения специалист легко определит характер проблемы. Вопрос лишь в том, чтобы обеспечить качественную «картинку» в условиях повышенной температуры и нестабильной газовой среды в зоне измерений. Нагретые продукты горения вносят искажения, размывающие термографическое изображение настолько, что идентифицировать причину перегрева становится невозможным.
«Хлопья» на поверхности труб выглядят как перегретые участки — однако это не свидетельствует о реальном перегреве, поскольку речь идёт лишь о тонком слое окислов.
А это уже реальный перегрев: «светящиеся» участки труб закоксованы, их проходное сечение снижено, и поток нефтепродуктов не успевает отводить тепло.
Чтобы минимизировать влияние пламени на чёткость отображения тепловой картины, применяются различные фильтры. Так, тепловизор с микроболометрической матрицей на базе антимонида индия (InSb) может работать с фильтром, пропускающим ИК-лучи длиной волны 3,9 мкм. В этом диапазоне волн пламя практически не излучает инфракрасных лучей, и картина распределения тепла по поверхности труб получается достаточно чёткой и достоверной. При этом матрица и фильтр располагаются в охлаждаемой части камеры, температура которой поддерживается ниже 70°К. Именно при такой температуре удаётся снизить уровень шума и избавиться от перегрева фильтра, который возникает из-за поглощения им ИК-лучей. На пути лучей также может быть установлен и фильтр нейтральной плотности, позволяющий снизить интенсивность потока лучей в широком диапазоне длин волн. Однако в этом случае может возникать эффект «тумана», вызванный попаданием на матрицу рассеянных ИК-лучей.
Изображение имитатора абсолютно чёрного тела, снятое на тепловизионную камеру с фильтром нейтральной плотности (слева) и с апертурным фильтром-диафрагмой (справа). Обратите внимание на эффект «тумана», искажающий левую картинку.
Интересным решением, позволяющим свести к минимуму «туман», стало применение вместо фильтра нейтральной плотности апертурного фильтра-диафрагмы. Физически такой фильтр представляет собой алюминиевую пластину с калиброванным отверстием, через которое проходит лишь малая часть потока лучей. Пластина с обеих сторон покрыта материалом, поглощающим ИК-лучи. Рассеянное излучение практически полностью отфильтровывается, и вдобавок наличие узкой диафрагмы существенно повышает глубину резкости изображения — это, в свою очередь, обеспечивает чёткую видимость более обширного участка печи. Важно отметить, что и апертурный фильтр, и тепловизионная камера в этом случае должны быть защищены тепловым экраном и дополнительным защитным окном, не пропускающим лучи с нежелательной длиной волны. Экспериментальным путём установлено, что погрешность измерений температуры с применением фильтра-диафрагмы падает примерно вдвое.
Изображения внутренностей трубчатой печи, полученные тепловизором через инспекционное окно. В отличие от левой картинки, снятой с фильтром нейтральной плотности, правая, снятая с апертурным фильтром, имеет бОльшую глубину резкости — особенно это заметно по левому краю изображений.
Подобные решения позволяют эффективно применять тепловизоры для мониторинга и оперативной диагностики состояния трубчатых печей, что, в свою очередь, способствует снижению рисков и поддержанию на плановом уровне производительности нефтеперерабатывающих предприятий.
