紅外成像技術(shù)在港口煤堆自燃檢測中的應(yīng)用

朱向東，沈 閱，谷美娜

（1.秦皇島港股份有限公司，河北 秦皇島 066002；2.秦皇島燕大燕軟信息系統(tǒng)有限公司，河北 秦皇島 066004）

引 言

我國煤炭資源儲(chǔ)量豐富，是世界第一大原煤生產(chǎn)國。全球能源資源的分布情況決定了我國是典型的富煤、貧油、少氣的國家，這也就使得我國成為了世界上最大的煤炭消費(fèi)大國，煤炭在我國一次能源消費(fèi)中占比70%左右[1,2]。同時(shí)，隨著煤炭國內(nèi)消費(fèi)總量及外貿(mào)出口量的增加，煤炭的港口吞吐量及鐵路運(yùn)輸能力也逐步增加。在港口建設(shè)方面，我國許多沿海港口諸如秦皇島港，天津港等，通過改擴(kuò)建或新建煤碼頭的方式來提高煤炭吞吐能力[3,4]。然而，作為煤的中轉(zhuǎn)或運(yùn)輸基地，在煤的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中必然會(huì)產(chǎn)生大量的煤粉塵，或含塵污水等。此外，更為嚴(yán)重的是煤堆長期存放于煤碼頭會(huì)產(chǎn)生極大的自燃隱患，煤堆自燃不僅會(huì)導(dǎo)致原煤浪費(fèi)，造成巨額經(jīng)濟(jì)損失，其產(chǎn)生的煙氣會(huì)影響周圍大氣質(zhì)量，進(jìn)而影響人們戶外活動(dòng)，威脅身體健康。因此，煤堆自燃是長期影響煤碼頭及用煤企業(yè)的重大安全問題，本文是針對(duì)紅外成像技術(shù)在煤堆自燃檢測中的應(yīng)用展開研究，以達(dá)到預(yù)防及控制煤堆自燃的目的。

傳統(tǒng)煤堆自燃檢測方法主要集中在感溫型、感煙型、感光型或氣體測量型傳感器，但都有其自身局限性[5-8]。諸如，感溫型傳感器對(duì)煤堆中的陰燃火不敏感而發(fā)生漏報(bào)或延報(bào)，在環(huán)境溫度較高時(shí)（炎熱天氣）又會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)等問題；感煙型傳感器在空曠環(huán)境下靈敏度低，很難達(dá)到報(bào)警閾值，以致不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集煙霧信息，因而不適于大型散雜貨煤堆場中的檢測；感光型傳感器只能探測特定波段的輻射光，應(yīng)用范圍窄，且易受強(qiáng)光、高功率光源等干擾；氣體測量型傳感器是通過檢測煤堆燃燒產(chǎn)生的特定氣體濃度進(jìn)行判斷，在空曠場所下其檢測靈敏度低。因此，傳統(tǒng)單一型探測器已不適于煤堆自燃檢測，其難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測及預(yù)防煤堆自燃的目的。近年來，伴隨智能化、信息化的推進(jìn)，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用愈加廣泛[9]。本文利用紅外熱像儀探測煤堆場表面溫度分布來達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測，預(yù)防煤堆自燃的目的。

紅外熱成像技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢，如可用于夜間及惡劣環(huán)境下的檢測，可以有效發(fā)現(xiàn)陰燃火及準(zhǔn)確判定火災(zāi)地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)防火災(zāi)的目的[10]。本文詳細(xì)分析了煤堆自燃原因，闡述了紅外成像技術(shù)原理，最后在理論基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了紅外成像技術(shù)在煤堆自燃檢測中的應(yīng)用。

1 理論分析

1.1 煤堆自燃因素分析

煤堆自燃機(jī)理的研究始于 17世紀(jì)，自此國內(nèi)外許多學(xué)者開始利用不同方法建立煤堆自燃的理論模型，這主要包括利用煤分子的結(jié)構(gòu)模型研究煤自燃原理，利用煤活化能，采用熱分析技術(shù)，從煤相學(xué)角度等展開煤自燃機(jī)理研究，此外還有通過煤的氧化反應(yīng)和表面反應(yīng)熱進(jìn)行煤自燃研究[11-13]。

在眾多學(xué)者的研究中普遍認(rèn)為煤的自燃現(xiàn)象是煤、氧復(fù)合作用的結(jié)果，空氣中煤的氧化表現(xiàn)為兩種形式，即氧氣在煤表面上的物理吸附和化學(xué)吸附。煤與氧的物理吸附會(huì)釋放一定量的物理吸附熱，其大致與氣體凝聚熱相當(dāng)；煤與空氣中的氧分子發(fā)生化學(xué)作用形成化學(xué)吸附，其會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)熱量，且要高于物理吸附熱[14]。在煤堆表層以下1.5～3 m左右，由于煤的氧化速率產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)向外界環(huán)境釋放，會(huì)形成熱量積聚，使得煤體溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到煤著火點(diǎn)溫度時(shí)就會(huì)引起煤的自燃。因此，煤的自燃位置通常位于煤堆內(nèi)部，而非煤堆表面或煤堆底部，即煤堆自燃由內(nèi)開始逐漸向外擴(kuò)散。

煤堆自燃不僅與外界環(huán)境有關(guān)，還與煤自身屬性有關(guān)。煤堆自燃常與以下幾個(gè)條件相關(guān)：

1）煤本身的自燃傾向性，主要與煤質(zhì)中的水分、灰分、硫化度、孔隙粒度等相關(guān)；

2）外界環(huán)境中的氧含量，氧氣通過煤塊間隙進(jìn)入煤堆內(nèi)部，可使煤塊與氧氣充分接觸而發(fā)生氧化反應(yīng)；

3）因煤的氧化過程需要一段時(shí)間，煤堆的長時(shí)間存放極易增大煤堆自燃隱患，當(dāng)堆放時(shí)間大于自燃發(fā)火期時(shí)煤堆就會(huì)產(chǎn)生自燃。圖1以事故樹的形式詳細(xì)闡明了影響煤堆自燃的各因素間的邏輯關(guān)系[15]。

圖1 煤堆自燃事故樹分析

1.2 紅外成像理論分析

19世紀(jì)初，英國天文學(xué)家Herschel在研究太陽七色光譜熱效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)在黑暗環(huán)境下，利用“紅光外側(cè)的光線”（紅外光譜）可以探測到人眼看不到的物體的“熱線”，但在紅光到紫光的單色光熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，隨著研究深入科學(xué)家將這種現(xiàn)象稱之為紅外光譜的熱效應(yīng)，這種“熱線”稱為紅外線[16,17]。在自然界中，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)輻射紅外線，在微觀上是由于物體內(nèi)部分子或原子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)不斷輻射熱紅外能量的結(jié)果，利用紅外探測器就可以捕捉到紅外輻射源，通過電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)由顯示設(shè)備即可得到物體表面的熱像分布圖。通常，紅外熱成像的檢測主要是基于以下基本原理：

1）普朗克定律：熱輻射最基本的定律，描述了絕對(duì)黑體輻射出射度與光波長及溫度的函數(shù)關(guān)系，如公式（1）所示：

式中：c為光速，3×108m/s；h為普朗克常數(shù)，6.626×10-34Js；k為玻爾茲曼常數(shù)，1.3806×10-23J/k；T為黑體絕對(duì)溫度，單位K；λ為波長，單位μm。

2）基爾霍夫定律：通常一個(gè)物體本身會(huì)釋放輻射能（發(fā)射本領(lǐng)），也會(huì)吸收其周圍物體釋放的輻射能（吸收本領(lǐng)），基爾霍夫定律描述了一個(gè)物體其發(fā)射本領(lǐng)與吸收本領(lǐng)的比值與溫度及波長的關(guān)系，如公式（2）所示：

式中：Fλ,T為物體輻射出射度；Aλ,T為物體的吸收率；E(λ,T)為溫度T下的輻射出射度。

3）斯蒂芬-波爾茲曼定律：表述了物體的輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系，如公式（3）所示：

式中：ξ為輻射系數(shù)[18]（表1、表2所示）；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，5.6696×10-8W/(m2k4)；T為物體的絕對(duì)溫度；ET為溫度T的所有波段總輻射強(qiáng)度。

表1 不同物體的輻射系數(shù)

表2 不同粒徑煤的輻射系數(shù)

紅外檢測的基本理論是利用物體輻射能與表面溫度的關(guān)系，通過對(duì)物體輻射能的探測間接反應(yīng)物體的表面溫度。伴隨著紅外技術(shù)的日趨成熟及成像設(shè)備制造工藝的愈加精準(zhǔn)，紅外成像技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，將紅外成像設(shè)備用于煤堆自燃檢測中已成為一種潮流，可以實(shí)時(shí)顯示煤堆表面溫度分布，確定煤堆自燃點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)預(yù)防煤堆自燃的目的。

2 煤堆自燃點(diǎn)的識(shí)別

紅外成像技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合打破了環(huán)境及距離的限制，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)控，真正實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程信息資源共享，同時(shí)，通過后期的軟件分析可以準(zhǔn)確識(shí)別煤堆發(fā)熱點(diǎn)，預(yù)防煤堆自燃，保障了企業(yè)財(cái)產(chǎn)及員工生命安全。港口煤堆自燃監(jiān)控系統(tǒng)如圖2。

圖2 港口煤堆自燃監(jiān)控系統(tǒng)

港口煤堆自燃監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端監(jiān)控系統(tǒng)（紅外熱成像儀、云臺(tái)），傳輸控制系統(tǒng)（傳輸控制箱、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)）及監(jiān)控中心管理系統(tǒng)（查詢終端、控制終端、分析終端）組成，其中紅外熱成像儀及云臺(tái)等設(shè)備安裝在港口煤堆現(xiàn)場兩側(cè)，利用高20 m左右的高桿燈作為安裝架，最大化地實(shí)現(xiàn)有效面積的監(jiān)控；服務(wù)器及各監(jiān)控終端設(shè)備安裝于監(jiān)控大廳內(nèi)，控制系統(tǒng)利用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)獲取紅外熱成像儀返回的各預(yù)置位的煤堆表面的溫度信息，并控制云臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)巡航，當(dāng)發(fā)現(xiàn)煤堆溫度異常則發(fā)出警報(bào)，并通知現(xiàn)場人員進(jìn)行相關(guān)處理。此外，監(jiān)控中心可以對(duì)返回的視頻信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算及存儲(chǔ)以備查閱及事后處理。該監(jiān)控系統(tǒng)由 c/c++語言結(jié)合OpenCV庫函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)，利用紅外熱成像儀獲取的煤炭碼頭處的原始信息圖及系統(tǒng)處理后的二值化圖形，如圖3所示。通過對(duì)紅外熱像儀返回的視頻信息進(jìn)行灰度及二值化處理，可準(zhǔn)確判定煤堆自燃點(diǎn)位置。當(dāng)煤堆場表面溫度高于一定閾值時(shí)，則發(fā)出警報(bào)，表明該區(qū)域疑似煤堆自燃，如圖3(b)中二值化圖形所示為疑似煤堆發(fā)熱自燃區(qū)域，進(jìn)而提醒現(xiàn)場工作人員執(zhí)行相應(yīng)干擾措施?，F(xiàn)場應(yīng)用表明紅外熱成像儀是一種有效、適宜的檢測方式，可用于大型散雜貨煤堆場中的監(jiān)控，其易安裝、易維護(hù)，監(jiān)測范圍廣，檢測速度快，準(zhǔn)確度高，可以提前發(fā)現(xiàn)煤堆自熱、自燃現(xiàn)象。

圖3 煤碼頭處的紅外熱成像圖及二值化圖

3 結(jié) 語

本文指出了傳統(tǒng)煤堆自燃檢測方法不能實(shí)現(xiàn)煤堆自燃的早期檢測，其通常是在火勢發(fā)展后進(jìn)行預(yù)警，導(dǎo)致火災(zāi)延報(bào)，無法避免重大財(cái)產(chǎn)損失。因此，傳統(tǒng)型火災(zāi)探測器已不適用復(fù)雜環(huán)境下的火災(zāi)檢測。近年來，新技術(shù)與傳統(tǒng)型探測技術(shù)的復(fù)合已成為新的發(fā)展趨勢，如智能復(fù)合型探測器，紅外熱成像探測器等。

紅外熱成像技術(shù)在港口煤堆檢測中的應(yīng)用展示出了它的優(yōu)越性，操作簡單，易維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)控，能直觀顯示煤堆場表面溫度信息，能發(fā)現(xiàn)煤堆自熱點(diǎn)，從而預(yù)防煤堆自燃，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

伴隨信息化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，紅外成像技術(shù)在智能化港口的應(yīng)用將越來越普遍。此外，紅外成像技術(shù)與光學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)成像技術(shù)的結(jié)合在工程領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、軍事、民用等領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣泛。