紅外成像技術在港口煤堆自燃檢測中的應用

朱向東，沈 閱，谷美娜

（1.秦皇島港股份有限公司，河北 秦皇島 066002；2.秦皇島燕大燕軟信息系統(tǒng)有限公司，河北 秦皇島 066004）

引 言

我國煤炭資源儲量豐富，是世界第一大原煤生產國。全球能源資源的分布情況決定了我國是典型的富煤、貧油、少氣的國家，這也就使得我國成為了世界上最大的煤炭消費大國，煤炭在我國一次能源消費中占比70%左右[1,2]。同時，隨著煤炭國內消費總量及外貿出口量的增加，煤炭的港口吞吐量及鐵路運輸能力也逐步增加。在港口建設方面，我國許多沿海港口諸如秦皇島港，天津港等，通過改擴建或新建煤碼頭的方式來提高煤炭吞吐能力[3,4]。然而，作為煤的中轉或運輸基地，在煤的轉運過程中必然會產生大量的煤粉塵，或含塵污水等。此外，更為嚴重的是煤堆長期存放于煤碼頭會產生極大的自燃隱患，煤堆自燃不僅會導致原煤浪費，造成巨額經濟損失，其產生的煙氣會影響周圍大氣質量，進而影響人們戶外活動，威脅身體健康。因此，煤堆自燃是長期影響煤碼頭及用煤企業(yè)的重大安全問題，本文是針對紅外成像技術在煤堆自燃檢測中的應用展開研究，以達到預防及控制煤堆自燃的目的。

傳統(tǒng)煤堆自燃檢測方法主要集中在感溫型、感煙型、感光型或氣體測量型傳感器，但都有其自身局限性[5-8]。諸如，感溫型傳感器對煤堆中的陰燃火不敏感而發(fā)生漏報或延報，在環(huán)境溫度較高時（炎熱天氣）又會產生誤報等問題；感煙型傳感器在空曠環(huán)境下靈敏度低，很難達到報警閾值，以致不能實時準確采集煙霧信息，因而不適于大型散雜貨煤堆場中的檢測；感光型傳感器只能探測特定波段的輻射光，應用范圍窄，且易受強光、高功率光源等干擾；氣體測量型傳感器是通過檢測煤堆燃燒產生的特定氣體濃度進行判斷，在空曠場所下其檢測靈敏度低。因此，傳統(tǒng)單一型探測器已不適于煤堆自燃檢測，其難以實現(xiàn)實時、準確的檢測及預防煤堆自燃的目的。近年來，伴隨智能化、信息化的推進，基于互聯(lián)網技術與數字圖像處理技術的視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用愈加廣泛[9]。本文利用紅外熱像儀探測煤堆場表面溫度分布來達到實時監(jiān)測，預防煤堆自燃的目的。

紅外熱成像技術有其獨特的優(yōu)勢，如可用于夜間及惡劣環(huán)境下的檢測，可以有效發(fā)現(xiàn)陰燃火及準確判定火災地點，實現(xiàn)預防火災的目的[10]。本文詳細分析了煤堆自燃原因，闡述了紅外成像技術原理，最后在理論基礎上實現(xiàn)了紅外成像技術在煤堆自燃檢測中的應用。

1 理論分析

1.1 煤堆自燃因素分析

煤堆自燃機理的研究始于 17世紀，自此國內外許多學者開始利用不同方法建立煤堆自燃的理論模型，這主要包括利用煤分子的結構模型研究煤自燃原理，利用煤活化能，采用熱分析技術，從煤相學角度等展開煤自燃機理研究，此外還有通過煤的氧化反應和表面反應熱進行煤自燃研究[11-13]。

在眾多學者的研究中普遍認為煤的自燃現(xiàn)象是煤、氧復合作用的結果，空氣中煤的氧化表現(xiàn)為兩種形式，即氧氣在煤表面上的物理吸附和化學吸附。煤與氧的物理吸附會釋放一定量的物理吸附熱，其大致與氣體凝聚熱相當；煤與空氣中的氧分子發(fā)生化學作用形成化學吸附，其會產生化學反應熱量，且要高于物理吸附熱[14]。在煤堆表層以下1.5～3 m左右，由于煤的氧化速率產生的熱量不能及時向外界環(huán)境釋放，會形成熱量積聚，使得煤體溫度升高，當溫度達到煤著火點溫度時就會引起煤的自燃。因此，煤的自燃位置通常位于煤堆內部，而非煤堆表面或煤堆底部，即煤堆自燃由內開始逐漸向外擴散。

煤堆自燃不僅與外界環(huán)境有關，還與煤自身屬性有關。煤堆自燃常與以下幾個條件相關：

1）煤本身的自燃傾向性，主要與煤質中的水分、灰分、硫化度、孔隙粒度等相關；

2）外界環(huán)境中的氧含量，氧氣通過煤塊間隙進入煤堆內部，可使煤塊與氧氣充分接觸而發(fā)生氧化反應；

3）因煤的氧化過程需要一段時間，煤堆的長時間存放極易增大煤堆自燃隱患，當堆放時間大于自燃發(fā)火期時煤堆就會產生自燃。圖1以事故樹的形式詳細闡明了影響煤堆自燃的各因素間的邏輯關系[15]。

圖1 煤堆自燃事故樹分析

1.2 紅外成像理論分析

19世紀初，英國天文學家Herschel在研究太陽七色光譜熱效應時發(fā)現(xiàn)在黑暗環(huán)境下，利用“紅光外側的光線”（紅外光譜）可以探測到人眼看不到的物體的“熱線”，但在紅光到紫光的單色光熱效應實驗中未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，隨著研究深入科學家將這種現(xiàn)象稱之為紅外光譜的熱效應，這種“熱線”稱為紅外線[16,17]。在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都會輻射紅外線，在微觀上是由于物體內部分子或原子的無規(guī)則熱運動不斷輻射熱紅外能量的結果，利用紅外探測器就可以捕捉到紅外輻射源，通過電子系統(tǒng)轉換為電信號由顯示設備即可得到物體表面的熱像分布圖。通常，紅外熱成像的檢測主要是基于以下基本原理：

1）普朗克定律：熱輻射最基本的定律，描述了絕對黑體輻射出射度與光波長及溫度的函數關系，如公式（1）所示：

式中：c為光速，3×108m/s；h為普朗克常數，6.626×10-34Js；k為玻爾茲曼常數，1.3806×10-23J/k；T為黑體絕對溫度，單位K；λ為波長，單位μm。

2）基爾霍夫定律：通常一個物體本身會釋放輻射能（發(fā)射本領），也會吸收其周圍物體釋放的輻射能（吸收本領），基爾霍夫定律描述了一個物體其發(fā)射本領與吸收本領的比值與溫度及波長的關系，如公式（2）所示：

式中：Fλ,T為物體輻射出射度；Aλ,T為物體的吸收率；E(λ,T)為溫度T下的輻射出射度。

3）斯蒂芬-波爾茲曼定律：表述了物體的輻射強度與溫度的關系，如公式（3）所示：

式中：ξ為輻射系數[18]（表1、表2所示）；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數，5.6696×10-8W/(m2k4)；T為物體的絕對溫度；ET為溫度T的所有波段總輻射強度。

表1 不同物體的輻射系數

表2 不同粒徑煤的輻射系數

紅外檢測的基本理論是利用物體輻射能與表面溫度的關系，通過對物體輻射能的探測間接反應物體的表面溫度。伴隨著紅外技術的日趨成熟及成像設備制造工藝的愈加精準，紅外成像技術應用領域也越來越廣泛，將紅外成像設備用于煤堆自燃檢測中已成為一種潮流，可以實時顯示煤堆表面溫度分布，確定煤堆自燃點位置，實現(xiàn)預防煤堆自燃的目的。

2 煤堆自燃點的識別

紅外成像技術與網絡技術的結合打破了環(huán)境及距離的限制，實現(xiàn)了遠距離傳輸和實時監(jiān)控，真正實現(xiàn)了遠程信息資源共享，同時，通過后期的軟件分析可以準確識別煤堆發(fā)熱點，預防煤堆自燃，保障了企業(yè)財產及員工生命安全。港口煤堆自燃監(jiān)控系統(tǒng)如圖2。

圖2 港口煤堆自燃監(jiān)控系統(tǒng)

港口煤堆自燃監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端監(jiān)控系統(tǒng)（紅外熱成像儀、云臺），傳輸控制系統(tǒng)（傳輸控制箱、網絡交換機）及監(jiān)控中心管理系統(tǒng)（查詢終端、控制終端、分析終端）組成，其中紅外熱成像儀及云臺等設備安裝在港口煤堆現(xiàn)場兩側，利用高20 m左右的高桿燈作為安裝架，最大化地實現(xiàn)有效面積的監(jiān)控；服務器及各監(jiān)控終端設備安裝于監(jiān)控大廳內，控制系統(tǒng)利用無線傳輸網絡獲取紅外熱成像儀返回的各預置位的煤堆表面的溫度信息，并控制云臺進行自動巡航，當發(fā)現(xiàn)煤堆溫度異常則發(fā)出警報，并通知現(xiàn)場人員進行相關處理。此外，監(jiān)控中心可以對返回的視頻信號進行分析、計算及存儲以備查閱及事后處理。該監(jiān)控系統(tǒng)由 c/c++語言結合OpenCV庫函數編程實現(xiàn)，利用紅外熱成像儀獲取的煤炭碼頭處的原始信息圖及系統(tǒng)處理后的二值化圖形，如圖3所示。通過對紅外熱像儀返回的視頻信息進行灰度及二值化處理，可準確判定煤堆自燃點位置。當煤堆場表面溫度高于一定閾值時，則發(fā)出警報，表明該區(qū)域疑似煤堆自燃，如圖3(b)中二值化圖形所示為疑似煤堆發(fā)熱自燃區(qū)域，進而提醒現(xiàn)場工作人員執(zhí)行相應干擾措施。現(xiàn)場應用表明紅外熱成像儀是一種有效、適宜的檢測方式，可用于大型散雜貨煤堆場中的監(jiān)控，其易安裝、易維護，監(jiān)測范圍廣，檢測速度快，準確度高，可以提前發(fā)現(xiàn)煤堆自熱、自燃現(xiàn)象。

圖3 煤碼頭處的紅外熱成像圖及二值化圖

3 結 語

本文指出了傳統(tǒng)煤堆自燃檢測方法不能實現(xiàn)煤堆自燃的早期檢測，其通常是在火勢發(fā)展后進行預警，導致火災延報，無法避免重大財產損失。因此，傳統(tǒng)型火災探測器已不適用復雜環(huán)境下的火災檢測。近年來，新技術與傳統(tǒng)型探測技術的復合已成為新的發(fā)展趨勢，如智能復合型探測器，紅外熱成像探測器等。

紅外熱成像技術在港口煤堆檢測中的應用展示出了它的優(yōu)越性，操作簡單，易維護，可實現(xiàn)全天候監(jiān)控，能直觀顯示煤堆場表面溫度信息，能發(fā)現(xiàn)煤堆自熱點，從而預防煤堆自燃，實現(xiàn)了安全生產。

伴隨信息化、網絡化的發(fā)展，紅外成像技術在智能化港口的應用將越來越普遍。此外，紅外成像技術與光學技術、計算機成像技術的結合在工程領域、生物醫(yī)學領域、軍事、民用等領域中的應用將越來越廣泛。