基于熱面成像的煤儲(chǔ)存與傳輸智慧消防技術(shù)研究

李四清 姚俊

摘要：鋼鐵企業(yè)預(yù)防煤炭自燃和煤輸送系統(tǒng)皮帶火災(zāi)事故對(duì)煤場(chǎng)的安全管理意義重大，目前多數(shù)煤場(chǎng)采用感溫電纜技術(shù)，由于覆蓋煤炭監(jiān)測(cè)面區(qū)域有限，僅僅檢測(cè)煤堆邊部區(qū)域的溫度，同時(shí)煤輸送皮帶機(jī)系統(tǒng)也缺乏相應(yīng)的火災(zāi)預(yù)防裝置。本文通過(guò)熱面成像感溫監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)物體表面溫度實(shí)時(shí)探測(cè)、紅外熱成像和圖像顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸和預(yù)警，及時(shí)進(jìn)行早期發(fā)現(xiàn)和滅火控制，從而滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤堆自燃及預(yù)防火災(zāi)的消防安全智慧管理需求。

關(guān)鍵詞：消防;智慧;熱面成像;煤

一? 煤場(chǎng)管理

煤炭資源在料場(chǎng)儲(chǔ)存與輸送過(guò)程中，會(huì)發(fā)生發(fā)熱自燃或摩擦發(fā)熱燃燒現(xiàn)象，尤其是無(wú)煙煤，煤堆自燃造成煤場(chǎng)火災(zāi)的問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)困擾著很多相關(guān)企業(yè)。當(dāng)煤暴露在空氣中時(shí)，受氧氣的外熱化，形成表面氧化物，并在一定程度上氧化煤，導(dǎo)致各種氣體的排放（其中最突出的是CO2、H2S和CO），大量的煤炭庫(kù)存，尤其是長(zhǎng)期儲(chǔ)存的煤炭，可能會(huì)形成熱點(diǎn)，甚至?xí)?dǎo)致自燃。煤堆自燃過(guò)程取決于煤位、溫度、氣流速率、煤堆孔隙度、煤灰和水分含量、濕度以及煤顆粒大小等諸多因素。煤礦自燃起火原因，一般是因?yàn)槊旱亩逊e導(dǎo)致低溫氧化發(fā)熱，放熱后由于內(nèi)部干燥使得溫度急劇上升而自燃起火，由于煤堆多是從煤的內(nèi)部（距表層1～1.5m）開(kāi)始自燃，一旦發(fā)生火災(zāi)，很難實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取有效的滅火措施。

輸煤皮帶機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)站火災(zāi) 原料區(qū)域料場(chǎng)煤堆發(fā)熱自燃

為了確保煤的質(zhì)量，加強(qiáng)料場(chǎng)煤堆的管理，預(yù)防處理煤堆的發(fā)熱自燃，消除發(fā)熱煤在輸送過(guò)程中以及進(jìn)入用戶配料槽后存在的安全隱患，企業(yè)會(huì)制定安全防護(hù)措施，來(lái)確保生產(chǎn)穩(wěn)定安全，比較常用的措施有以下三種：

（一）人工測(cè)溫

采用測(cè)溫棒對(duì)煤堆進(jìn)行測(cè)溫，僅僅監(jiān)測(cè)煤堆的一個(gè)點(diǎn)的溫度，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和大面積測(cè)溫的效果。

（二）感溫電纜測(cè)溫

采用感溫電纜測(cè)溫技術(shù)測(cè)溫，感溫電纜在煤堆覆蓋有限，僅僅檢測(cè)煤堆邊部區(qū)域的溫度，不能全方位自動(dòng)監(jiān)測(cè)煤堆溫度。

（三）人工觀察判斷

煤輸送皮帶機(jī)系統(tǒng)也缺乏相應(yīng)的火災(zāi)預(yù)防裝置，通過(guò)人員巡檢、點(diǎn)檢的方式來(lái)判斷煤的溫度，存在較大的火災(zāi)安全風(fēng)險(xiǎn)。

所以，如何及時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警煤堆溫度異常情況，及時(shí)翻堆、澆水降溫、控制煤堆溫度、預(yù)防煤的燃燒，并通過(guò)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)與分析，以智能判斷的方式實(shí)施主動(dòng)滅火，成為煤場(chǎng)管理工作的關(guān)鍵問(wèn)題。

二? 熱面成像感溫監(jiān)測(cè)報(bào)警與自動(dòng)滅火系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)組成

如圖2所示，熱面成像感溫監(jiān)測(cè)報(bào)警與自動(dòng)滅火系統(tǒng)主要由圖像溫度采集模塊、自動(dòng)對(duì)焦自主滅火高射炮水系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警控制柜和顯示主機(jī)組成，其中，圖像溫度采集模塊包括熱面成像探測(cè)器和可見(jiàn)光攝像機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)煤堆探測(cè)區(qū)域內(nèi)溫度和視頻信息的實(shí)時(shí)采集、處理與報(bào)警信號(hào)輸出;自動(dòng)對(duì)焦自主滅火高射炮水系統(tǒng)主要由水炮和水系統(tǒng)組成，用于實(shí)現(xiàn)煤堆早期火災(zāi)的自主滅火;現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警控制柜和顯示主機(jī)，主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、顯示、分析與控制，將輸入火災(zāi)信號(hào)通過(guò)聲光方式進(jìn)行報(bào)警，并啟動(dòng)水系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)水炮，通過(guò)自動(dòng)對(duì)焦的方式鎖定自燃區(qū)域，實(shí)施早期自主滅火。

（二）熱面成像技術(shù)

在自然界中，任何物體只要處于絕對(duì)零度（-273 ℃）之上，就會(huì)向外發(fā)射紅外電磁波，并形成紅外輻射場(chǎng)，紅外熱面成像技術(shù)是根據(jù)紅外輻射的基本原理，利用紅外探測(cè)器讀取被測(cè)物體表面紅外輻射率分布，通過(guò)普朗克定律將輻射率換算成溫度數(shù)值，其輻射通量密度為：

公式中ε—被測(cè)物體輻射單元表面的輻射率，通常取決于被測(cè)物體表面性質(zhì)，取值范圍 0<ε<1，煤的被測(cè)表面輻射單元輻射率范圍為0.8～0.98;——斯蒂芬·玻爾茲曼常數(shù)， T ——輻射單元的表面溫度，K。

從公式（1）可見(jiàn)，對(duì)于同一物體，溫度越高，表面輻射能量就越大，輻射能量場(chǎng)強(qiáng)度就越強(qiáng)。煤堆在向外輻射紅外線的同時(shí)，煤的自燃信息也會(huì)以能量場(chǎng)的形式換算出來(lái)，將溫度數(shù)值轉(zhuǎn)換成圖像，并以不同顏色顯示被測(cè)物體表面輻射單元的溫度分布，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過(guò)顯示器顯示出紅外熱圖像。

（三）煤層的熱量增長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型

圖3顯示了不同煤類別的煤堆隨著堆放時(shí)間的不同，導(dǎo)致不同的熱失效時(shí)間，通過(guò)煤層的熱量增長(zhǎng)模式，紅外熱面成像設(shè)備探測(cè)出煤堆表面熱量分布的圖像，以及通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示的來(lái)自監(jiān)視和計(jì)算系統(tǒng)的詳細(xì)信息，這些信息可以繪制出熱失效發(fā)生的位置、發(fā)生速度。通過(guò)煤層的熱量增長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合紅外熱面成像技術(shù)，可以盡快地發(fā)現(xiàn)煤堆內(nèi)部的溫度變化，通過(guò)實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)曲線，發(fā)現(xiàn)極早期火災(zāi)，聯(lián)動(dòng)自動(dòng)對(duì)焦自主滅火高射炮水系統(tǒng)實(shí)時(shí)早期滅火。

三? 結(jié)語(yǔ)

煤堆紅外熱成像在線監(jiān)控防火預(yù)警及自動(dòng)滅火系統(tǒng)，充分利用紅外熱像儀非接觸式測(cè)溫和空間測(cè)溫的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤堆各個(gè)位置的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控，預(yù)防火情的發(fā)生。煤堆在線監(jiān)控防火預(yù)警系統(tǒng)，將紅外熱像監(jiān)控技術(shù)與人工智能的專家診斷系統(tǒng)相結(jié)合，通過(guò)巡檢對(duì)煤堆倉(cāng)儲(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集紅外熱圖，從而準(zhǔn)確地分析煤堆溫度狀況，得到煤堆表面溫度變化趨勢(shì)，實(shí)時(shí)獲取煤堆狀態(tài)的熱信息。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，精確定位報(bào)警點(diǎn)，并和降溫噴水等設(shè)備裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，大大減少人力巡視，通過(guò)智慧消防技術(shù)提高了生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度。

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