基于热面成像的煤储存与传输智慧消防技术研究

李四清 姚俊

摘要：鋼铁企业预防煤炭自燃和煤输送系统皮带火灾事故对煤场的安全管理意义重大，目前多数煤场采用感温电缆技术，由于覆盖煤炭监测面区域有限，仅仅检测煤堆边部区域的温度，同时煤输送皮带机系统也缺乏相应的火灾预防装置。本文通过热面成像感温监测报警系统物体表面温度实时探测、红外热成像和图像显示技术，实现监测数据的远距离无线网络传输和预警，及时进行早期发现和灭火控制，从而满足现场实时监测煤堆自燃及预防火灾的消防安全智慧管理需求。

关键词：消防;智慧;热面成像;煤

一  煤场管理

煤炭资源在料场储存与输送过程中，会发生发热自燃或摩擦发热燃烧现象，尤其是无烟煤，煤堆自燃造成煤场火灾的问题长期以来困扰着很多相关企业。当煤暴露在空气中时，受氧气的外热化，形成表面氧化物，并在一定程度上氧化煤，导致各种气体的排放（其中最突出的是CO2、H2S和CO），大量的煤炭库存，尤其是长期储存的煤炭，可能会形成热点，甚至会导致自燃。煤堆自燃过程取决于煤位、温度、气流速率、煤堆孔隙度、煤灰和水分含量、湿度以及煤颗粒大小等诸多因素。煤矿自燃起火原因，一般是因为煤的堆积导致低温氧化发热，放热后由于内部干燥使得温度急剧上升而自燃起火，由于煤堆多是从煤的内部（距表层1～1.5m）开始自燃，一旦发生火灾，很难实时发现并采取有效的灭火措施。

输煤皮带机转运站火灾 原料区域料场煤堆发热自燃

为了确保煤的质量，加强料场煤堆的管理，预防处理煤堆的发热自燃，消除发热煤在输送过程中以及进入用户配料槽后存在的安全隐患，企业会制定安全防护措施，来确保生产稳定安全，比较常用的措施有以下三种：

（一）人工测温

采用测温棒对煤堆进行测温，仅仅监测煤堆的一个点的温度，不能实现实时监测和大面积测温的效果。

（二）感温电缆测温

采用感温电缆测温技术测温，感温电缆在煤堆覆盖有限，仅仅检测煤堆边部区域的温度，不能全方位自动监测煤堆温度。

（三）人工观察判断

煤输送皮带机系统也缺乏相应的火灾预防装置，通过人员巡检、点检的方式来判断煤的温度，存在较大的火灾安全风险。

所以，如何及时监测、预警煤堆温度异常情况，及时翻堆、浇水降温、控制煤堆温度、预防煤的燃烧，并通过数据的采集、传输、存储与分析，以智能判断的方式实施主动灭火，成为煤场管理工作的关键问题。

二  热面成像感温监测报警与自动灭火系统

（一）系统组成

如图2所示，热面成像感温监测报警与自动灭火系统主要由图像温度采集模块、自动对焦自主灭火高射炮水系统、现场声光报警控制柜和显示主机组成，其中，图像温度采集模块包括热面成像探测器和可见光摄像机，用于实现煤堆探测区域内温度和视频信息的实时采集、处理与报警信号输出;自动对焦自主灭火高射炮水系统主要由水炮和水系统组成，用于实现煤堆早期火灾的自主灭火;现场声光报警控制柜和显示主机，主要用于实现数据信息的存储、显示、分析与控制，将输入火灾信号通过声光方式进行报警，并启动水系统联动水炮，通过自动对焦的方式锁定自燃区域，实施早期自主灭火。

（二）热面成像技术

在自然界中，任何物体只要处于绝对零度（-273 ℃）之上，就会向外发射红外电磁波，并形成红外辐射场，红外热面成像技术是根据红外辐射的基本原理，利用红外探测器读取被测物体表面红外辐射率分布，通过普朗克定律将辐射率换算成温度数值，其辐射通量密度为：

公式中ε—被测物体辐射单元表面的辐射率，通常取决于被测物体表面性质，取值范围 0<ε<1，煤的被测表面辐射单元辐射率范围为0.8～0.98;——斯蒂芬·玻尔兹曼常数， T ——辐射单元的表面温度，K。

从公式（1）可见，对于同一物体，温度越高，表面辐射能量就越大，辐射能量场强度就越强。煤堆在向外辐射红外线的同时，煤的自燃信息也会以能量场的形式换算出来，将温度数值转换成图像，并以不同颜色显示被测物体表面辐射单元的温度分布，转换成标准视频信号通过显示器显示出红外热图像。

（三）煤层的热量增长数学模型

图3显示了不同煤类别的煤堆随着堆放时间的不同，导致不同的热失效时间，通过煤层的热量增长模式，红外热面成像设备探测出煤堆表面热量分布的图像，以及通过计算机显示的来自监视和计算系统的详细信息，这些信息可以绘制出热失效发生的位置、发生速度。通过煤层的热量增长数学模型，结合红外热面成像技术，可以尽快地发现煤堆内部的温度变化，通过实时的温度数据曲线，发现极早期火灾，联动自动对焦自主灭火高射炮水系统实时早期灭火。

三  结语

煤堆红外热成像在线监控防火预警及自动灭火系统，充分利用红外热像仪非接触式测温和空间测温的特点，能够实现对煤堆各个位置的实时温度监控，预防火情的发生。煤堆在线监控防火预警系统，将红外热像监控技术与人工智能的专家诊断系统相结合，通过巡检对煤堆仓储的现场实时采集红外热图，从而准确地分析煤堆温度状况，得到煤堆表面温度变化趋势，实时获取煤堆状态的热信息。当达到预设温度阈值时，系统自动报警，精确定位报警点，并和降温喷水等设备装置实现联动，大大减少人力巡视，通过智慧消防技术提高了生产效率和自动化程度。

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