Beste Filterpraktiken Für Die Genaue Messung Von Befeuerten Ofenrohren

Die Wärmebildgebung ist ein ideales Werkzeug für die berührungslose Inspektion von Rohren in einem in Betrieb befindlichen Ölraffinerieofen, wobei die Temperaturmessung durch Flammen hindurch eine Herausforderung darstellt. Glücklicherweise verbessern neue Filtertechniken die Genauigkeit solcher Messungen.

Die Inspektion der Rohre innerhalb eines in Betrieb befindlichen Ölraffinerieofens ist entscheidend für die Maximierung von Sicherheit, Effizienz und Lebensdauer. Doch die Durchführung von Infrarot-(IR)-Bildgebung und Temperaturmessungen durch die heißen Gase eines laufenden Ofens ist eine Herausforderung. Die Lösung ist eine optische Gasbildkamera, die mit einem speziellen Filter ausgestattet ist und es den Inspektoren ermöglicht, genaue Messungen im Inneren aktiver Öfen vorzunehmen.

In der petrochemischen Industrie wird Rohöl bei der Verarbeitung zu anderen Produkten mit Hilfe von Öfen auf Temperaturen über 400 °C erhitzt. Dies geschieht typischerweise, indem es durch Rohre in Öfen gepumpt wird, wo Brenner die Rohre und damit das Öl darin erhitzen. Eine gute Kontrolle der Oberflächentemperatur entlang der Rohre ist von entscheidender Bedeutung. Wenn Teile davon nur 50 °C zu heiß sind, können Röhren, die für eine Lebensdauer von 20 bis 25 Jahren ausgelegt sind, schon nach fünf Jahren ausfallen. Andererseits kann der Betrieb eines zu kühlen Ofens die Effizienz des Systems erheblich verringern, was zu einem geringeren Durchsatz führt.

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BLICK IN EINEN OFEN

Deshalb ist es wichtig zu sehen, was hinter dem heißen Gas passiert, und die Temperatur der Rohre zu messen. Eine Möglichkeit zum Messen ist die Verwendung eines Thermoelements, eines am Rohr befestigten Temperaturfühlers. Obwohl sie nützliche Informationen liefern, können Thermoelemente nur die Temperatur der Stelle messen, an der sie angebracht sind. Sie müssen darauf vertrauen, dass die Temperatur um das Thermoelement herum konstant ist, da das Thermoelement keine Wärmespitzen in der Nähe erkennt (siehe Abb. 1).

Abb. 1. Thermoelemente an Rohren können nahe gelegene heißere Bereiche, die in diesem Bild heller erscheinen, nicht erkennen, da sie nur die eigene lokale Punkttemperatur messen.

Eine Ofenkamera kann einen größeren Rohrbereich betrachten und die Wärme innerhalb des Bildgebungsbereichs messen. Wenn es Temperaturschwankungen von einem Teil des Rohrs zum anderen gibt, kann die Kamera dies erkennen.

Die Brenner, die einen Ofen beheizen, erzeugen Dämpfe und Gase, die von den meisten IR-Kameras nicht klar erfasst werden können. Spezielle Wärmebildkameras mit Spektralfiltern können jedoch hindurchsehen und die Temperaturschwankungen an den dahinterliegenden Rohren messen.

INNEN UND AUSSEN

Was könnte der Grund für solche Abweichungen sein? Zwei Prozesse können die reibungslose Wärmeübertragung von den Flammen des Brenners durch das Rohr zum Öl im Inneren beeinträchtigen. Einer davon ist die sogenannte Skalierung, bei der sich durch übermäßige Hitze eine Oxidschicht auf der Außenfläche des Rohrs bildet. Diese Oxidschichten können einen unterschiedlichen Emissionsgrad aufweisen, dünn oder dick sein, Wärme absorbieren und eine schlechte Leitfähigkeit besitzen, wodurch die Wärmeübertragung in die Rohre eingeschränkt wird. Diese Bereiche erscheinen im IR-Bild heißer, obwohl sie in Wirklichkeit den Prozess zu kühl halten, indem sie den Durchgang eines Teils der Wärme in das Rohr blockieren (siehe Abb. 2).

Abb. 2. Die externe Skalierung der Rohre führt zu einem fleckigen Erscheinungsbild, sowohl im infraroten als auch im sichtbaren Licht. Bereiche mit definierten Rändern, die auf dem Wärmebild heiß erscheinen, sind in Wirklichkeit nicht überhitzt.

Während die Skalierung eine scheinbare Überhitzung verursacht, führt ein anderes Problem – das Verkoken – zu einer tatsächlichen Überhitzung. Die Verkokung wird durch eine lokal begrenzte Temperaturerhöhung verursacht, durch die das Rohöl in Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegt werden kann. Während der Wasserstoff dem Ölfluss folgt, kann der Kohlenstoff an der Innenfläche der Rohre haften bleiben und sich an bestimmten Stellen ablagern. Die Ablagerungen behindern den Ölfluss, der normalerweise einen Teil der Wärme aus dem Rohr abführt, und führen dazu, dass der betreffende Rohrabschnitt zu heiß wird.

Angenommen, Sie untersuchen einen Rohrabschnitt mit einer allgemeinen Temperatur von 400 °C. Möglicherweise gibt es irgendwo auf dem Rohr vor den Brennern einen kleinen Bereich mit einer erhöhten Temperatur von 450 °C; gewöhnlich ist es die Seite vor den Brennern, da sie der Hitze am direktesten ausgesetzt ist, so dass sowohl Skalierung als auch Verkokung eher dort auftreten. Auf einem Wärmebild weist dieser heißere Bereich eine deutlich andere Farbe auf als das umgebende Rohr. Aber wie erkennt man, ob es sich bei einer solchen Überhitzung um Skalierung oder Verkokung handelt?

DEN UNTERSCHIED ERKENNEN

Da es sich bei Verkokung und Skalierung um zwei unterschiedliche Probleme handelt – das eine führt zu scheinbarer Überhitzung, das andere zu echter Überhitzung –, ist es wichtig, beide voneinander unterscheiden zu können. Die Skalierung wird typischerweise durch einen starken thermischen Gradienten und häufig durch ein lückenhaftes Erscheinungsbild angezeigt, das sowohl im sichtbaren Licht als auch im IR-Bild zu sehen ist. Wenn das sichtbare Muster mit dem IR-Muster übereinstimmt, liegt das Problem wahrscheinlich in der Skalierung. Die Verkokung zeigt im IR-Bild typischerweise einen gleichmäßigeren thermischen Gradienten – oft als „geisterhaftes Glühen“ bezeichnet –, der mit keinem sichtbaren Merkmal auf der Rohroberfläche übereinstimmt (siehe Abb. 3). Um den Unterschied zu erkennen und die Temperaturabweichungen zu quantifizieren, ist ein Bild von guter Qualität erforderlich. Um ein derartiges Bild zu erhalten, verwenden IR-Kameras Filter, mit denen die Hitze der Dämpfe und Gase aus dem Bild entfernt werden kann, so dass man im Wesentlichen durch den Ofen auf die Rohre sieht. Ohne entsprechende Filterung kann das Bild trüb erscheinen. Die Trübung kann die Genauigkeit der Temperaturmessung erheblich beeinträchtigen und es schwierig machen, überhitzte Bereiche zu erkennen, die auf Verkokung oder Skalierung zurückzuführen sind.

Abb. 3. Bereiche der Rohre, die von interner Verkokung betroffen sind, zeigen weiche Ränder und ein „geisterhaftes Glühen“ im Wärmebild, was auf tatsächlich heißere Rohrbereiche hinweist, die möglicherweise überhitzen.

Eine Wärmebildkamera könnte einen InSb-Detektor mit einem Filter aufweisen, der nur Strahlung mit einer Wellenlänge von 3,9 μm durchlässt. Bei dieser Wellenlänge geben Dämpfe und Gase im Ofen nur wenig oder gar keine Strahlung ab, so dass sie praktisch unsichtbar sind und der Großteil der vom Detektor erfassten Photonen von anderen Objekten hinter den Dämpfen stammt. Sowohl der Detektor als auch der Filter befinden sich in dem Teil der Kamera, der auf unter 70 Kelvin gekühlt wird, um Rauschen und Selbsterhitzung des Filters zu vermeiden, die sich negativ auf das Bild und die Genauigkeit auswirken würden

Diese Kameras können auch mit einem Neutralfilter außerhalb des gekühlten Bereichs ausgestattet sein, der einen bestimmten Prozentsatz der Strahlung in einem breiten Wellenlängenbereich entfernt, um eine Übersättigung des Detektors bei hohen Temperaturschwankungen zu verhindern. Bei diesem Aufbau kann es jedoch zu Problemen mit einem unerwünschten Phänomen kommen, dem sogenannten Streulicht, d. h. überschüssiger Strahlung, die ihren Weg zum Detektor findet.

VERLOREN GEHEN

Streulicht stellt bei vielen Arten von Wärmemessungen kein großes Problem dar, vor allem dann nicht, wenn das zu messende Objekt wärmer ist als die Umgebung. Aber bei Öfen ist die Umgebung in der Regel viel heißer als die Rohre selbst, was zu Problemen führen kann. Streulicht entsteht, wenn IR-Photonen von verschiedenen Oberflächen reflektiert werden und sich auf unerwünschten Wegen bewegen. Es kann aus dem Sichtfeld der Kamera kommen oder von heißen Objekten außerhalb des Sichtfelds, z. B. einem Brenner. Das Streulicht kann innerhalb der Kamera hin und her springen, bis es den Detektor erreicht, wodurch ein Trübungseffekt entsteht, der die Bildqualität mindert und die Genauigkeit der Temperaturmessungen beeinträchtigt (siehe Abb. 4).

Abb. 4. Ein warmer Schwarzkörper, der mit einem Neutraldichtefilter abgebildet wird (oben), zeigt ein trübes Aussehen aufgrund von Streulicht. Das gleiche Objekt durch eine Blende betrachtet (unten) ist viel schärfer. Hinweis: Die Trübung im oberen Bild wurde vergrößert, um den Unterschied visuell zu veranschaulichen.

EIN NEUER ANSATZ

Um das Problem des Streulichts zu lösen, können Neutraldichtefilter durch eine Blende ersetzt werden. Die Blende ist eine Aluminiumplatte mit einem kleinen Loch und blockiert einen großen Teil der Strahlung, genau wie ein Neutraldichtefilter. Die Platte ist beidseitig mit IR-Schwarz beschichtet, einer Beschichtung, die IR-Strahlung absorbiert. Streulicht, das auf die Außenseite der Blende trifft, wird absorbiert, so dass es nicht weiter in die Kamera eindringen kann. Ein weiterer Vorteil der Blende ist, dass sie die Schärfentiefe der Kamera erhöht, so dass mehr Teile der Rohre gleichzeitig scharf abgebildet werden können. Auf diese Weise kann ein Thermograf einen größeren Bereich von Rohren gleichzeitig untersuchen (siehe Abb. 5).

Abb. 5. Diese Bilder wurden durch dasselbe Ansichtsfenster aufgenommen, eines mit einer Blende (unten) und eines mit einem Neutraldichtefilter (oben). Die Seitenwand des Ansichtsfensters, entlang der rechten Seite jedes Bildes, ist mit der Blende schärfer. (Bildnachweis: Mikael Cronholm)

Natürlich würde eine Hitze von mehreren hundert Grad Celsius aus einem Ofen ausreichen, um nicht nur die IR-Schwarzbeschichtung, sondern auch die Kamera selbst zu schmelzen. Die Kamera sollte daher immer mit einem Wärmeschutzschild und einem zusätzlichen Frontschutzfenster betrieben werden, das unerwünschte Wellenlängen unterdrückt.

DIE GRENZEN DER MESSUNG

Bei einem kürzlich durchgeführten Test wurde eine Kamera durch die Inspektionsöffnung eines Ofens auf einen Schwarzkörperstrahler mit bekannter Temperatur und bekanntem Emissionsgrad auf der anderen Seite des Ofens gerichtet. Durch die Verwendung einer beschichteten Blende wird der Messfehler um die Hälfte reduziert, da Streulicht wirksam unterdrückt wird. Auch andere Faktoren wirken sich auf die Genauigkeit der Messung aus; am besten funktioniert sie, wenn die Brenner mit sauberem Erdgas betrieben werden, denn Schwankungen in den Öfen oder Verunreinigungen im Brennstoff können die von den Dämpfen ausgestrahlten Wellenlängen verändern und so Fehler verursachen.

Eine weitere Einschränkung ergibt sich durch die Inspektionsöffnung, die im Wesentlichen ein Guckloch in der Seite des Ofens ist. Die Wände der Öfen sind etwa einen halben Meter dick, um die Hitze zu halten, während die Öffnungen eher klein sind. Wird die Kamera direkt auf die Öffnung gerichtet,ergibt sich nur eine Geradeausansicht, wodurch der abzubildende Bereicheingeschränkt wird. Die Benutzer können einen Objektiv-Extender einsetzen, ein schlankes Gerät, das weiter in das Guckloch passt und herumgeschwenkt werden kann, um mehr von den Rohren zu sehen, wodurch sich die Chance erhöht, Probleme zu finden.

EIN NÜTZLICHES INSTRUMENT

Wärmebildkameras sind ein wichtiges Instrument zur Messung der Rohrtemperaturen in Öfen, die für die Ölraffination und die petrochemische Verarbeitung verwendet werden, da sie detailliertere Messungen als Thermoelemente liefern. Obwohl es schwierig sein kann, durch Gase in einem Ofen zu schauen, ist es wichtig, dies präzise zu tun, da Rohrtemperaturen, die nur 50 Grad Celsius zu hoch sind, die Lebensdauer der Rohre erheblich reduzieren können.

Die Wahl des richtigen Filteraufbaus kann sich auf die Genauigkeit der Messung auswirken und dem Benutzer helfen, zwischen externer Skalierung und interner Verkokung zu unterscheiden. Die Verwendung eines Neutraldichtefilters mindert die Übersättigung des Detektors, beseitigt aber nicht das Streulicht, das in den Detektor eindringen und ein trübes, weniger brauchbares Bild erzeugen kann. Eine neue Technik setzt stattdessen auf eine Blende, ein kleines Loch in einer mit IR-Schwarz beschichteten Aluminiumplatte, das Streulicht absorbiert, bevor es den Detektor erreichen kann.

Durch die Wahl des richtigen Filteraufbaus und die Berücksichtigung anderer Faktoren, die sich auf die Genauigkeit auswirken können, wie die Reinheit des Brenngases und die Effizienz des Brenners, können Ofeninspektoren beurteilen, wie gut der Prozess funktioniert, und Probleme erkennen, bevor sie zusätzliche Kosten verursachen.