基于熱面成像的煤儲存與傳輸智慧消防技術研究

李四清 姚俊

摘要：鋼鐵企業預防煤炭自燃和煤輸送系統皮帶火災事故對煤場的安全管理意義重大，目前多數煤場采用感溫電纜技術，由于覆蓋煤炭監測面區域有限，僅僅檢測煤堆邊部區域的溫度，同時煤輸送皮帶機系統也缺乏相應的火災預防裝置。本文通過熱面成像感溫監測報警系統物體表面溫度實時探測、紅外熱成像和圖像顯示技術，實現監測數據的遠距離無線網絡傳輸和預警，及時進行早期發現和滅火控制，從而滿足現場實時監測煤堆自燃及預防火災的消防安全智慧管理需求。

關鍵詞：消防;智慧;熱面成像;煤

一? 煤場管理

煤炭資源在料場儲存與輸送過程中，會發生發熱自燃或摩擦發熱燃燒現象，尤其是無煙煤，煤堆自燃造成煤場火災的問題長期以來困擾著很多相關企業。當煤暴露在空氣中時，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），大量的煤炭庫存，尤其是長期儲存的煤炭，可能會形成熱點，甚至會導致自燃。煤堆自燃過程取決于煤位、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，一般是因為煤的堆積導致低溫氧化發熱，放熱后由于內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部（距表層1～1.5m）開始自燃，一旦發生火災，很難實時發現并采取有效的滅火措施。

輸煤皮帶機轉運站火災 原料區域料場煤堆發熱自燃

為了確保煤的質量，加強料場煤堆的管理，預防處理煤堆的發熱自燃，消除發熱煤在輸送過程中以及進入用戶配料槽后存在的安全隱患，企業會制定安全防護措施，來確保生產穩定安全，比較常用的措施有以下三種：

（一）人工測溫

采用測溫棒對煤堆進行測溫，僅僅監測煤堆的一個點的溫度，不能實現實時監測和大面積測溫的效果。

（二）感溫電纜測溫

采用感溫電纜測溫技術測溫，感溫電纜在煤堆覆蓋有限，僅僅檢測煤堆邊部區域的溫度，不能全方位自動監測煤堆溫度。

（三）人工觀察判斷

煤輸送皮帶機系統也缺乏相應的火災預防裝置，通過人員巡檢、點檢的方式來判斷煤的溫度，存在較大的火災安全風險。

所以，如何及時監測、預警煤堆溫度異常情況，及時翻堆、澆水降溫、控制煤堆溫度、預防煤的燃燒，并通過數據的采集、傳輸、存儲與分析，以智能判斷的方式實施主動滅火，成為煤場管理工作的關鍵問題。

二? 熱面成像感溫監測報警與自動滅火系統

（一）系統組成

如圖2所示，熱面成像感溫監測報警與自動滅火系統主要由圖像溫度采集模塊、自動對焦自主滅火高射炮水系統、現場聲光報警控制柜和顯示主機組成，其中，圖像溫度采集模塊包括熱面成像探測器和可見光攝像機，用于實現煤堆探測區域內溫度和視頻信息的實時采集、處理與報警信號輸出;自動對焦自主滅火高射炮水系統主要由水炮和水系統組成，用于實現煤堆早期火災的自主滅火;現場聲光報警控制柜和顯示主機，主要用于實現數據信息的存儲、顯示、分析與控制，將輸入火災信號通過聲光方式進行報警，并啟動水系統聯動水炮，通過自動對焦的方式鎖定自燃區域，實施早期自主滅火。

（二）熱面成像技術

在自然界中，任何物體只要處于絕對零度（-273 ℃）之上，就會向外發射紅外電磁波，并形成紅外輻射場，紅外熱面成像技術是根據紅外輻射的基本原理，利用紅外探測器讀取被測物體表面紅外輻射率分布，通過普朗克定律將輻射率換算成溫度數值，其輻射通量密度為：

公式中ε—被測物體輻射單元表面的輻射率，通常取決于被測物體表面性質，取值范圍 0<ε<1，煤的被測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， T ——輻射單元的表面溫度，K。

從公式（1）可見，對于同一物體，溫度越高，表面輻射能量就越大，輻射能量場強度就越強。煤堆在向外輻射紅外線的同時，煤的自燃信息也會以能量場的形式換算出來，將溫度數值轉換成圖像，并以不同顏色顯示被測物體表面輻射單元的溫度分布，轉換成標準視頻信號通過顯示器顯示出紅外熱圖像。

（三）煤層的熱量增長數學模型

圖3顯示了不同煤類別的煤堆隨著堆放時間的不同，導致不同的熱失效時間，通過煤層的熱量增長模式，紅外熱面成像設備探測出煤堆表面熱量分布的圖像，以及通過計算機顯示的來自監視和計算系統的詳細信息，這些信息可以繪制出熱失效發生的位置、發生速度。通過煤層的熱量增長數學模型，結合紅外熱面成像技術，可以盡快地發現煤堆內部的溫度變化，通過實時的溫度數據曲線，發現極早期火災，聯動自動對焦自主滅火高射炮水系統實時早期滅火。

三? 結語

煤堆紅外熱成像在線監控防火預警及自動滅火系統，充分利用紅外熱像儀非接觸式測溫和空間測溫的特點，能夠實現對煤堆各個位置的實時溫度監控，預防火情的發生。煤堆在線監控防火預警系統，將紅外熱像監控技術與人工智能的專家診斷系統相結合，通過巡檢對煤堆倉儲的現場實時采集紅外熱圖，從而準確地分析煤堆溫度狀況，得到煤堆表面溫度變化趨勢，實時獲取煤堆狀態的熱信息。當達到預設溫度閾值時，系統自動報警，精確定位報警點，并和降溫噴水等設備裝置實現聯動，大大減少人力巡視，通過智慧消防技術提高了生產效率和自動化程度。

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