关于易燃封闭料场极早期可视化火灾预警系统的研究

摘要：笔者通过对封闭煤炭仓库、煤棚环境的实地考察，根据行业指标的要求，对国内外多个相关案例进行阅读和分析。研究开发了一套基于红外热成像技术的封闭式储煤筒仓安全智能监控系统，可对热源、烟雾、明火进行实时监测与预警。文章總结了封闭料场安全智能监控系统的研究背景及意义，阐述了与现有解决方案中相关问题的研究现状，比较了现代无人化、智能化早期安全监测系统相比于传统封闭煤场安全监测方法的优势，详细介绍了基于红外热成像技术和AI图像算法技术的三像早期成像在线式监控防火方面的预警解决方案。关键词：煤棚;封闭煤场;热烟火;人工智能随着我国煤炭生产能力的不断提高，相关部门在环境保护方面的要求也日益严格，因此，对煤炭储藏方式的升级改造也势在必行，露天煤场将面临升级为封闭性煤炭储藏设施的趋势。封闭式的储煤场所相对于露天煤场有很多优势，但由于煤炭具有自燃的特点，加上密闭的煤炭仓库具有不通风、容易发热的特点，在这样的环境下，极易引起煤堆自燃。此外，因作业环境封闭、煤尘大，煤仓里的工作人员的安全问题也需要高度重视。基于以上因素的考量，在煤炭仓库进行大改造的时候，研发可靠性高、适应性强、抗干扰能力强，同时价格低廉的封闭型煤炭储藏设施智能型安全监测系统，便是市场的硬性需求。一、解决方案提出的背景和意义（一）研究背景火力发电厂或者垃圾电厂的主要燃料是煤炭，因煤炭自身易燃易爆（分解的甲烷）的特性，应特别注意存储环境的安全。例如：煤炭露天堆放的时候，由于所处环境的影响，在空气中不仅会风化，降低煤炭质量，而且会与空气中的氧气混合，经常出现煤堆内部温度过高，从而引发自燃，造成事故。一方面浪费了资源，提高了生产成本，还对环境造成了很大污染。另一方面，也是最重要的方面之一，堆放的煤炭一旦发生自燃，就会威胁到企业的安全生产，对于任何行业来说，安全永远是放在第一位的，一旦发生安全事故，后果将不堪设想。为了响应国家号召，国内各大电厂在进行安全生产标准评估的过程中，最重视的就是煤炭储存场所的安全防护问题和解决方案，解决问题就要从问题的源头出发，方能达到标本兼治的效果。调查显示，煤炭裸露在空气中，会发生氧化反应。氧化反应会放出大量的热，该过程在煤堆内部虽然缓慢，但煤堆内部的局部温度变化比较隐蔽，不容易被发现。当温度越来越高达到煤炭的着火点，加上封闭式煤场存在通风性差的特点，便会导致煤炭发生自燃。由于此时煤堆内部已经十分干燥，一旦发生火灾很难简单灭火（因为空间内也充满了粒子粉尘），所以加强预防是储煤场火灾防控最有效的措施之一。（二）研究意义在很多产业的生产、加工过程中，煤炭都是最经济、最主要的能源。从煤炭的开采、运输到储存，再到最终的燃烧利用，整个过程安全是重中之重！煤炭从煤矿中被开采的时候，会附带很多有害、可燃气体，比如乙炔、乙烯、甲烷、一氧化碳等，这些气体会随着煤炭进入到封闭储煤场中。由于现在各大电厂大多采用封闭式煤场进行煤炭的储存，储存场所封闭，通风条件差，温度高，内部含有大量的粉尘颗粒，如果煤炭发生自燃，则容易引发煤场爆炸，所以存在很大的安全隐患。在用输煤皮带机输送煤炭的过程中，如果皮带机发生积料、堆料等情况，且没有及时处理，煤炭和皮带的长时间摩擦也会产生高温，引起煤炭自燃并且损坏皮带机皮带。与此同时，煤炭的挥发性使得有毒有害气体和空气中飘浮的粉尘不能及时去除，给在煤仓内工作人员的身体健康带来了极大危害，增加了职业病风险。更为严重的是，一旦发生自燃起火，也会造成较大的人员伤亡。普通大型储煤设施的建设费用通常金额巨大，对之进行改造，费用也非常昂贵。数百吨的煤炭和内部储藏设备一旦因煤炭自燃引发火灾，就会引发连锁反应，造成无法估量的损失。因此，企业在改造密闭煤炭仓库之前，必须解决好这些安全问题，同时满足消防、安全生产和环境保护的要求。所以，在此背景下，研究开发一套封闭料场可视化防火监控系统很有必要。此套系统基于红外热成像技术、AI人工智能技术，结合大数据平台进行分析，可以对前端所采集的数据、图片进行智能识别，实现对监控区域的实时监测，当设备出现异常时进行数据上传和报警，极大地降低了煤炭自燃、皮带机皮带着火等风险，对实现企业的安全生产、降低事故发生概率具有极大的现实意义。（三）煤炭监控技术的概况和国内外研究现状煤炭的自燃过程包括潜伏期、自热期和燃烧期三个阶段。在煤炭自燃的潜伏期阶段，煤炭从煤矿装卸出来后，煤体表面存在不稳定的有机物，在空气中容易发生氧化反应，在此过程中，化学反应进行缓慢并且不易被发现，煤体表面逐渐升温，事故发生处于潜伏期。发展到煤炭自燃的自热期阶段，煤体温度升高加快，煤堆内部也逐渐干燥。由于在潜伏期煤炭的氧化反应逐渐加快，煤炭温度逐渐升高，当温度达到着火点则进入燃烧期。煤炭一旦发生自燃，则极易引发煤仓爆炸，造成巨大的经济损失。因此对煤仓的实时安全监测，必须引起高度的重视。对于封闭煤仓的煤炭温度探测方法，最初大部分电厂是根据人工经验和现场统计来进行，正如上述所言，煤炭自燃过程具有潜伏期和隐蔽性，现场很难进行有效的指导。近年来，各国不断研究可靠的煤炭自燃机制，试图开发煤炭自燃预报方法和火源探测技术。煤炭自燃的预测预报和火源探测技术是通过分析煤自燃过程中的温度、标志性气体浓度等参数的变化趋势，防止不必要事故的发生。通过对这些参数的监测，尽早发现煤炭自燃的征兆，判断煤炭自燃进行的阶段，及时给出应对的方法。要做好煤炭自燃的预测和火源探测，就必须要确认煤炭自燃的火源位置或者隐患点位置，并获取火源或隐患点标志性参数的数值。目前，各国主要采用以下两种方法解决这两个问题：1.温度探测法温度探测法是目前大部分电厂和煤仓采用的方式之一，通过监测煤堆中的温度变化，就可以判断出煤炭自燃的过程和范围，从而预测出自燃隐患点和发火点。2.有害、可燃气体分析法气体分析方法主要以煤炭自热过程中气体浓度的变化作为预测自燃状态的指标，一般以一氧化碳、乙烯、乙炔等为标志气体。在一定质量的煤炭中，表面气体与温度之间存在一定的关系。目前，这种预测技术比较成熟，已经在煤炭工业中得到广泛应用。二、极早期可视化火灾预警系统的功能和应用分析极早期可视化火灾预警系统的前端装置为全体304不锈钢材质且能自行旋转水平360°和垂直180°扫描，内置热像仪探测器、双波段红外明火识别可见光图像火焰探测功能、红外线火焰光谱探测功能、可见光烟雾识别成像探测功能。（一）控制方式1.自动控制方式热成像监测预警装置可自行对监控范围进行360°水平巡检，由系统对温度进行实时监控分析后，确定高温点报警，报警信号传给现场控制箱与控制主机，可启动高温点降温处置，待温度恢复正常数值后，报警声停止，系统恢复到正常实时监控状态。2.远程控制方式可在主机控制热成像雷达预警装置进行旋转动作，实现远程控制与区域性人工复检。极早期可视化火灾预警系统可在控制主机上远程根据可燃物属性设置报警温度值。利用系统控制主机提供的接口和通信协议，可实现监测预警装置信号的联动控制功能。同时，现场具有控制电源与紧急手动报警按钮，可根据实际情况进行现场控制。高分辨率红外热像自动监控可对区域实现全覆盖、全天候热像温度监控锁定，尤其是高温区域。再通过感温成像，系统智能地分析当前状态，超过预设温度值（即温度异常区域图像变红），进行声光报警且联动启动消防设备，对区域进行喷淋灭火，同时输出报警信号，报警记录与图像同步存储系统，方便事后查阅。为了减少误报，火灾预警系统还集成了屏蔽功能，如对监控现场的照明灯等常用发热设备进行屏蔽。同时，也有丰富的图像温度报警模式：温度阈值报警算法、温升速率报警算法、多级别报警设定、报警区域的灵敏度设定等，以减少误报的可能。（二）热像技术参数（1）视场角：25°×19°。（2）温度分辨率：0.5～30℃的分辨率384×288。（3）工作波长：7.5～13μm。（4）热响应时间<4ms。（5）图像频率60Hz，图像标准傳输网络。（6）焦距调节方式：电动对焦或者无热化镜头。（7）测温范围-10至300℃（可扩至2000℃）。（8）温度数据实现红外视频图像和可见光图像显示，可实行远程操控。（9）最大探测预警保护距离100m。（三）核心技术新的系统中双波段红外明火和烟雾识别可见光图像火灾探测报警系统是在图像识别型火灾探测器内置彩色和近红外CCD摄像头和高速图像处理板，以及红外线光谱探头接收火焰中红外光进行输出微电流信号，通过高速图像处理板分析两路CCD摄像头图像中烟火的频谱、结构、纹理等多模态特征，结合自适应背景学习算法分析烟火报警信号，将报警信号通过RS485通信方式或继电器输出的方式传输到三像早期成像火灾预警装置主机进行烟火报警，探测视频主机通过输入输出模块与报警控制主机联机，形成火灾探测报警系统。该系统具备以下功能：1.高温、明火监测可对巡检区域的煤炭温度、明火进行实时监测，可以根据情况设定报警温度，一旦超出设定阈值，则启动报警。通过AI可见光相机对明火、高温区域进行圈定，同时把数据上传至主机。2.烟雾监测可对多种烟雾进行可视化识别，采用先进的烟雾运动模式分析算法及可视化报警验证，避免误报、漏报的发生。3.实时可视化监控通过高清可见光相机，可以实现实时的可视化监控，现场情况一目了然。4.设备管理系统支持对设备进行搜索、设置、添加和删除等操作。5.联动报警灭火功能监测到异常后，系统可实现联动报警，其中有声音、开关量输出（驱动警灯警铃等）、通过CAN总线实现和火灾报警控制的联动，实现联动启动自动灭火系统的目的。6.历史记录存储及查询功能各种报警及操作信息均有详细记录，并提供完备的数据查询功能。三、结语为了在封闭料场发生火灾的极早期阶段，为操作管理人员和应急部门提供准确的火灾可视化信息，文章研究开发的基于红外热成像技术的封闭式储煤筒仓安