關于易燃封閉料場極早期可視化火災預警系統的研究

李杭

摘要：筆者通過對封閉煤炭倉庫、煤棚環境的實地考察，根據行業指標的要求，對國內外多個相關案例進行閱讀和分析。研究開發了一套基于紅外熱成像技術的封閉式儲煤筒倉安全智能監控系統，可對熱源、煙霧、明火進行實時監測與預警。文章總結了封閉料場安全智能監控系統的研究背景及意義，闡述了與現有解決方案中相關問題的研究現狀，比較了現代無人化、智能化早期安全監測系統相比于傳統封閉煤場安全監測方法的優勢，詳細介紹了基于紅外熱成像技術和AI圖像算法技術的三像早期成像在線式監控防火方面的預警解決方案。

關鍵詞：煤棚;封閉煤場;熱煙火;人工智能

隨著我國煤炭生產能力的不斷提高，相關部門在環境保護方面的要求也日益嚴格，因此，對煤炭儲藏方式的升級改造也勢在必行，露天煤場將面臨升級為封閉性煤炭儲藏設施的趨勢。封閉式的儲煤場所相對于露天煤場有很多優勢，但由于煤炭具有自燃的特點，加上密閉的煤炭倉庫具有不通風、容易發熱的特點，在這樣的環境下，極易引起煤堆自燃。此外，因作業環境封閉、煤塵大，煤倉里的工作人員的安全問題也需要高度重視。基于以上因素的考量，在煤炭倉庫進行大改造的時候，研發可靠性高、適應性強、抗干擾能力強，同時價格低廉的封閉型煤炭儲藏設施智能型安全監測系統，便是市場的硬性需求。

一、解決方案提出的背景和意義

（一）研究背景

火力發電廠或者垃圾電廠的主要燃料是煤炭，因煤炭自身易燃易爆（分解的甲烷）的特性，應特別注意存儲環境的安全。例如：煤炭露天堆放的時候，由于所處環境的影響，在空氣中不僅會風化，降低煤炭質量，而且會與空氣中的氧氣混合，經常出現煤堆內部溫度過高，從而引發自燃，造成事故。一方面浪費了資源，提高了生產成本，還對環境造成了很大污染。另一方面，也是最重要的方面之一，堆放的煤炭一旦發生自燃，就會威脅到企業的安全生產，對于任何行業來說，安全永遠是放在第一位的，一旦發生安全事故，后果將不堪設想。

為了響應國家號召，國內各大電廠在進行安全生產標準評估的過程中，最重視的就是煤炭儲存場所的安全防護問題和解決方案，解決問題就要從問題的源頭出發，方能達到標本兼治的效果。調查顯示，煤炭裸露在空氣中，會發生氧化反應。氧化反應會放出大量的熱，該過程在煤堆內部雖然緩慢，但煤堆內部的局部溫度變化比較隱蔽，不容易被發現。當溫度越來越高達到煤炭的著火點，加上封閉式煤場存在通風性差的特點，便會導致煤炭發生自燃。由于此時煤堆內部已經十分干燥，一旦發生火災很難簡單滅火（因為空間內也充滿了粒子粉塵），所以加強預防是儲煤場火災防控最有效的措施之一。

（二）研究意義

在很多產業的生產、加工過程中，煤炭都是最經濟、最主要的能源。從煤炭的開采、運輸到儲存，再到最終的燃燒利用，整個過程安全是重中之重！煤炭從煤礦中被開采的時候，會附帶很多有害、可燃氣體，比如乙炔、乙烯、甲烷、一氧化碳等，這些氣體會隨著煤炭進入到封閉儲煤場中。由于現在各大電廠大多采用封閉式煤場進行煤炭的儲存，儲存場所封閉，通風條件差，溫度高，內部含有大量的粉塵顆粒，如果煤炭發生自燃，則容易引發煤場爆炸，所以存在很大的安全隱患。在用輸煤皮帶機輸送煤炭的過程中，如果皮帶機發生積料、堆料等情況，且沒有及時處理，煤炭和皮帶的長時間摩擦也會產生高溫，引起煤炭自燃并且損壞皮帶機皮帶。

與此同時，煤炭的揮發性使得有毒有害氣體和空氣中飄浮的粉塵不能及時去除，給在煤倉內工作人員的身體健康帶來了極大危害，增加了職業病風險。更為嚴重的是，一旦發生自燃起火，也會造成較大的人員傷亡。

普通大型儲煤設施的建設費用通常金額巨大，對之進行改造，費用也非常昂貴。數百噸的煤炭和內部儲藏設備一旦因煤炭自燃引發火災，就會引發連鎖反應，造成無法估量的損失。因此，企業在改造密閉煤炭倉庫之前，必須解決好這些安全問題，同時滿足消防、安全生產和環境保護的要求。所以，在此背景下，研究開發一套封閉料場可視化防火監控系統很有必要。此套系統基于紅外熱成像技術、AI人工智能技術，結合大數據平臺進行分析，可以對前端所采集的數據、圖片進行智能識別，實現對監控區域的實時監測，當設備出現異常時進行數據上傳和報警，極大地降低了煤炭自燃、皮帶機皮帶著火等風險，對實現企業的安全生產、降低事故發生概率具有極大的現實意義。

（三）煤炭監控技術的概況和國內外研究現狀

煤炭的自燃過程包括潛伏期、自熱期和燃燒期三個階段。在煤炭自燃的潛伏期階段，煤炭從煤礦裝卸出來后，煤體表面存在不穩定的有機物，在空氣中容易發生氧化反應，在此過程中，化學反應進行緩慢并且不易被發現，煤體表面逐漸升溫，事故發生處于潛伏期。發展到煤炭自燃的自熱期階段，煤體溫度升高加快，煤堆內部也逐漸干燥。由于在潛伏期煤炭的氧化反應逐漸加快，煤炭溫度逐漸升高，當溫度達到著火點則進入燃燒期。煤炭一旦發生自燃，則極易引發煤倉爆炸，造成巨大的經濟損失。因此對煤倉的實時安全監測，必須引起高度的重視。

對于封閉煤倉的煤炭溫度探測方法，最初大部分電廠是根據人工經驗和現場統計來進行，正如上述所言，煤炭自燃過程具有潛伏期和隱蔽性，現場很難進行有效的指導。近年來，各國不斷研究可靠的煤炭自燃機制，試圖開發煤炭自燃預報方法和火源探測技術。煤炭自燃的預測預報和火源探測技術是通過分析煤自燃過程中的溫度、標志性氣體濃度等參數的變化趨勢，防止不必要事故的發生。通過對這些參數的監測，盡早發現煤炭自燃的征兆，判斷煤炭自燃進行的階段，及時給出應對的方法。要做好煤炭自燃的預測和火源探測，就必須要確認煤炭自燃的火源位置或者隱患點位置，并獲取火源或隱患點標志性參數的數值。目前，各國主要采用以下兩種方法解決這兩個問題：

1.溫度探測法

溫度探測法是目前大部分電廠和煤倉采用的方式之一，通過監測煤堆中的溫度變化，就可以判斷出煤炭自燃的過程和范圍，從而預測出自燃隱患點和發火點。

2.有害、可燃氣體分析法

氣體分析方法主要以煤炭自熱過程中氣體濃度的變化作為預測自燃狀態的指標，一般以一氧化碳、乙烯、乙炔等為標志氣體。在一定質量的煤炭中，表面氣體與溫度之間存在一定的關系。目前，這種預測技術比較成熟，已經在煤炭工業中得到廣泛應用。

二、極早期可視化火災預警系統的功能和應用分析

極早期可視化火災預警系統的前端裝置為全體304不銹鋼材質且能自行旋轉水平360°和垂直180°掃描，內置熱像儀探測器、雙波段紅外明火識別可見光圖像火焰探測功能、紅外線火焰光譜探測功能、可見光煙霧識別成像探測功能。

（一）控制方式

1.自動控制方式

熱成像監測預警裝置可自行對監控范圍進行360°水平巡檢，由系統對溫度進行實時監控分析后，確定高溫點報警，報警信號傳給現場控制箱與控制主機，可啟動高溫點降溫處置，待溫度恢復正常數值后，報警聲停止，系統恢復到正常實時監控狀態。

2.遠程控制方式

可在主機控制熱成像雷達預警裝置進行旋轉動作，實現遠程控制與區域性人工復檢。

極早期可視化火災預警系統可在控制主機上遠程根據可燃物屬性設置報警溫度值。利用系統控制主機提供的接口和通信協議，可實現監測預警裝置信號的聯動控制功能。同時，現場具有控制電源與緊急手動報警按鈕，可根據實際情況進行現場控制。

高分辨率紅外熱像自動監控可對區域實現全覆蓋、全天候熱像溫度監控鎖定，尤其是高溫區域。再通過感溫成像，系統智能地分析當前狀態，超過預設溫度值（即溫度異常區域圖像變紅），進行聲光報警且聯動啟動消防設備，對區域進行噴淋滅火，同時輸出報警信號，報警記錄與圖像同步存儲系統，方便事后查閱。

為了減少誤報，火災預警系統還集成了屏蔽功能，如對監控現場的照明燈等常用發熱設備進行屏蔽。同時，也有豐富的圖像溫度報警模式：溫度閾值報警算法、溫升速率報警算法、多級別報警設定、報警區域的靈敏度設定等，以減少誤報的可能。

（二）熱像技術參數

（1）視場角：25°×19°。

（2）溫度分辨率：0.5～30℃的分辨率384×288。

（3）工作波長：7.5～13μm。

（4）熱響應時間<4ms。

（5）圖像頻率60Hz，圖像標準傳輸網絡。

（6）焦距調節方式：電動對焦或者無熱化鏡頭。

（7）測溫范圍-10至300℃（可擴至2000℃）。

（8）溫度數據實現紅外視頻圖像和可見光圖像顯示，可實行遠程操控。

（9）最大探測預警保護距離100m。

（三）核心技術

新的系統中雙波段紅外明火和煙霧識別可見光圖像火災探測報警系統是在圖像識別型火災探測器內置彩色和近紅外CCD攝像頭和高速圖像處理板，以及紅外線光譜探頭接收火焰中紅外光進行輸出微電流信號，通過高速圖像處理板分析兩路CCD攝像頭圖像中煙火的頻譜、結構、紋理等多模態特征，結合自適應背景學習算法分析煙火報警信號，將報警信號通過RS485通信方式或繼電器輸出的方式傳輸到三像早期成像火災預警裝置主機進行煙火報警，探測視頻主機通過輸入輸出模塊與報警控制主機聯機，形成火災探測報警系統。該系統具備以下功能：

1.高溫、明火監測

可對巡檢區域的煤炭溫度、明火進行實時監測，可以根據情況設定報警溫度，一旦超出設定閾值，則啟動報警。通過AI可見光相機對明火、高溫區域進行圈定，同時把數據上傳至主機。

2.煙霧監測

可對多種煙霧進行可視化識別，采用先進的煙霧運動模式分析算法及可視化報警驗證，避免誤報、漏報的發生。

3.實時可視化監控

通過高清可見光相機，可以實現實時的可視化監控，現場情況一目了然。

4.設備管理

系統支持對設備進行搜索、設置、添加和刪除等操作。

5.聯動報警滅火功能

監測到異常后，系統可實現聯動報警，其中有聲音、開關量輸出（驅動警燈警鈴等）、通過CAN總線實現和火災報警控制的聯動，實現聯動啟動自動滅火系統的目的。

6.歷史記錄存儲及查詢功能

各種報警及操作信息均有詳細記錄，并提供完備的數據查詢功能。

三、結語

為了在封閉料場發生火災的極早期階段，為操作管理人員和應急部門提供準確的火災可視化信息，文章研究開發的基于紅外熱成像技術的封閉式儲煤筒倉安全智能監控系統，滿足火災自動報警功能，并通過全尺寸試驗驗證，試驗結果表明：（1）極早期可視化火災探測系統能在10s內快速準確地發現火災并發出報警;（2）封閉料場內環境亮度對探測系統的響應時間和火源點定位誤差影響不大;（3）在封閉料場內，當探測距離≤100m時，環境對設備的精度影響不大，定位誤差可控制在±1m以內;當探測距離>100m時，料場內環境風速對火災定位精度存在一定影響，定位誤差可能會>1m，仍需后續的優化改進。

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