基于热面成像的煤储存与传输智慧消防技术研究

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。

图1 煤堆自燃

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。

图2 热面成像感温监测报警与自动灭火系统

（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；

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。

图3 煤堆热失效时间

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。

文章来源：《智慧健康》 网址: http://www.zhjkzz.cn/qikandaodu/2021/0305/1136.html