文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123280
基于红外测温的储罐多相界面
传热反问题识别方法
石宏臣,张晓怀,孙丰瑞,杨立,范春利
(海军工程大学动力工程学院,湖北武汉 430033)
(Tel:**********, Email:shihongchenbobo@)
摘要:利用红外热像仪测量储罐多相界面是一种比较理想的测量方法。通过建立储罐的传热模型,利用有限体积法对筒体外表面的温度分布进行了数值模拟,并提出了基于筒体外表面温度分布对筒内多相界面进行定量识别的传热反问题识别方法,同时分析了初始假设、测量误差和表面最大温差对多相界面识别精度的影响。计算结果表明:在工程允许的测量误差范围内,利用红外测温反演估计储罐多相界面及罐内流体温度具有很高的识别精度。
关键词:传热反问题;多相界面;Levenberg-Marquardt法;红外热像仪;储罐
0 前言
刚从油田开采出来的原油包含了大量的水、泥沙和天然气等杂质,为了分离出水、气体和泥沙,原油通常输送到沉降脱水罐中高温(50~80 ℃)存储48小时以上进行分离,通过加热、沉淀,水/泥沙、水/油、气/油等界面就会在储油罐中形成。快速准确的检测出油水界面是确定出水量、出油量的关键,同时这个参数也为了解油井产量、油井寿命等提供可靠的依据。储罐多相界面的测量方法就其感应界面高度的方式而言可以分为两大类:一类是接触式的,主要包括差压式、电容式、磁致伸缩式等;一类是非接触式的,主要包括超声波式、雷达式、红外成像等[1-2]。文献[3-4]中根据油水介电常数不同的原理,采用分段式电容传感器,检测油水界面;文献[5]中引入了计算机视觉检测和图像处理技术,用CCD摄像头采集油水界面图像信息,再经过数字图像处理技术检测油水界面。红外成像测量技术是一种新型检测方法,具有非接触、无损、快速实时、适合大面积检测等优点,已广泛应用于机械、石化、电力等领域。文献[6]中利用红外热像仪拍摄储罐外表面红外图像,然后对红外图像进行灰度变换,拼接,滤波等数字图像处理技术,得到油水界面高度;文献[7]中通过分析红外图像,判断温度梯度,进而检测出积液高度。已知的测量油水界面的方法中,接触式仪表与被测液体接触,结构复杂,易受到腐蚀,维护困难;雷达/超声波式界面检测仪可克服上述缺点,但储罐内压力、温度及湿度等都会影响超声波传播速度,从而引起测量误差;利用红外热像仪测量油水界面是一种比较理想的测量方法,但目前已有的方法主要集中在对红外图像本身的数字处理上,测量精度也不是很高,对筒内温度也不能很好的识别。
为了准确地识别出储罐多相界面,提高储罐多相界面的识别精度以及准确估计储罐内流体温度,本文通过建立储罐的传热模型,利用有限体积法,对筒体外表面的温度分布进行数值模拟,并提出基于筒体外表面温度分布对筒体内多相界面和温度进行定量识别的传热反问题方法,同时分析初始假设、测量误差和表面最大温差对筒体内多相界面和温度识别精度的影响。
1 数理模型
储罐的三维模型如图1所示,在这里储罐简化为圆筒结构,其内径、外径和高度分别为r1、r2和Lz。表面z=0和z=Lz为绝热.;r=r1面与流体进行对流换热,r=r2面为自然对流换热。多相界面中水位在z=Lm1处,油位在z=Lm2处,上部为气体,下部为液体,
r=r2面为检测表面