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        關(guān)于易燃封閉料場極早期可視化火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的研究

        2022-05-30 10:48:04李杭
        消防界 2022年13期
        關(guān)鍵詞:人工智能

        李杭

        摘要:筆者通過對封閉煤炭倉庫、煤棚環(huán)境的實(shí)地考察,根據(jù)行業(yè)指標(biāo)的要求,對國內(nèi)外多個相關(guān)案例進(jìn)行閱讀和分析。研究開發(fā)了一套基于紅外熱成像技術(shù)的封閉式儲煤筒倉安全智能監(jiān)控系統(tǒng),可對熱源、煙霧、明火進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與預(yù)警。文章總結(jié)了封閉料場安全智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究背景及意義,闡述了與現(xiàn)有解決方案中相關(guān)問題的研究現(xiàn)狀,比較了現(xiàn)代無人化、智能化早期安全監(jiān)測系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)封閉煤場安全監(jiān)測方法的優(yōu)勢,詳細(xì)介紹了基于紅外熱成像技術(shù)和AI圖像算法技術(shù)的三像早期成像在線式監(jiān)控防火方面的預(yù)警解決方案。

        關(guān)鍵詞:煤棚;封閉煤場;熱煙火;人工智能

        隨著我國煤炭生產(chǎn)能力的不斷提高,相關(guān)部門在環(huán)境保護(hù)方面的要求也日益嚴(yán)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(shè)施的趨勢。封閉式的儲煤場所相對于露天煤場有很多優(yōu)勢,但由于煤炭具有自燃的特點(diǎn),加上密閉的煤炭倉庫具有不通風(fēng)、容易發(fā)熱的特點(diǎn),在這樣的環(huán)境下,極易引起煤堆自燃。此外,因作業(yè)環(huán)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?;谝陨弦蛩氐目剂浚诿禾總}庫進(jìn)行大改造的時候,研發(fā)可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng),同時價(jià)格低廉的封閉型煤炭儲藏設(shè)施智能型安全監(jiān)測系統(tǒng),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(fā)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(yīng)特別注意存儲環(huán)境的安全。例如:煤炭露天堆放的時候,由于所處環(huán)境的影響,在空氣中不僅會風(fēng)化,降低煤炭質(zhì)量,而且會與空氣中的氧氣混合,經(jīng)常出現(xiàn)煤堆內(nèi)部溫度過高,從而引發(fā)自燃,造成事故。一方面浪費(fèi)了資源,提高了生產(chǎn)成本,還對環(huán)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(fā)生自燃,就會威脅到企業(yè)的安全生產(chǎn),對于任何行業(yè)來說,安全永遠(yuǎn)是放在第一位的,一旦發(fā)生安全事故,后果將不堪設(shè)想。

        為了響應(yīng)國家號召,國內(nèi)各大電廠在進(jìn)行安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)評估的過程中,最重視的就是煤炭儲存場所的安全防護(hù)問題和解決方案,解決問題就要從問題的源頭出發(fā),方能達(dá)到標(biāo)本兼治的效果。調(diào)查顯示,煤炭裸露在空氣中,會發(fā)生氧化反應(yīng)。氧化反應(yīng)會放出大量的熱,該過程在煤堆內(nèi)部雖然緩慢,但煤堆內(nèi)部的局部溫度變化比較隱蔽,不容易被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)溫度越來越高達(dá)到煤炭的著火點(diǎn),加上封閉式煤場存在通風(fēng)性差的特點(diǎn),便會導(dǎo)致煤炭發(fā)生自燃。由于此時煤堆內(nèi)部已經(jīng)十分干燥,一旦發(fā)生火災(zāi)很難簡單滅火(因?yàn)榭臻g內(nèi)也充滿了粒子粉塵),所以加強(qiáng)預(yù)防是儲煤場火災(zāi)防控最有效的措施之一。

        (二)研究意義

        在很多產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)、加工過程中,煤炭都是最經(jīng)濟(jì)、最主要的能源。從煤炭的開采、運(yùn)輸?shù)絻Υ?,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?xì)怏w,比如乙炔、乙烯、甲烷、一氧化碳等,這些氣體會隨著煤炭進(jìn)入到封閉儲煤場中。由于現(xiàn)在各大電廠大多采用封閉式煤場進(jìn)行煤炭的儲存,儲存場所封閉,通風(fēng)條件差,溫度高,內(nèi)部含有大量的粉塵顆粒,如果煤炭發(fā)生自燃,則容易引發(fā)煤場爆炸,所以存在很大的安全隱患。在用輸煤皮帶機(jī)輸送煤炭的過程中,如果皮帶機(jī)發(fā)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(chǎn)生高溫,引起煤炭自燃并且損壞皮帶機(jī)皮帶。

        與此同時,煤炭的揮發(fā)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(nèi)工作人員的身體健康帶來了極大危害,增加了職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn)。更為嚴(yán)重的是,一旦發(fā)生自燃起火,也會造成較大的人員傷亡。

        普通大型儲煤設(shè)施的建設(shè)費(fèi)用通常金額巨大,對之進(jìn)行改造,費(fèi)用也非常昂貴。數(shù)百噸的煤炭和內(nèi)部儲藏設(shè)備一旦因煤炭自燃引發(fā)火災(zāi),就會引發(fā)連鎖反應(yīng),造成無法估量的損失。因此,企業(yè)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(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的要求。所以,在此背景下,研究開發(fā)一套封閉料場可視化防火監(jiān)控系統(tǒng)很有必要。此套系統(tǒng)基于紅外熱成像技術(shù)、AI人工智能技術(shù),結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行分析,可以對前端所采集的數(shù)據(jù)、圖片進(jìn)行智能識別,實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控區(qū)域的實(shí)時監(jiān)測,當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和報(bào)警,極大地降低了煤炭自燃、皮帶機(jī)皮帶著火等風(fēng)險(xiǎn),對實(shí)現(xiàn)企業(yè)的安全生產(chǎn)、降低事故發(fā)生概率具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

        (三)煤炭監(jiān)控技術(shù)的概況和國內(nèi)外研究現(xiàn)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(wěn)定的有機(jī)物,在空氣中容易發(fā)生氧化反應(yīng),在此過程中,化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行緩慢并且不易被發(fā)現(xiàn),煤體表面逐漸升溫,事故發(fā)生處于潛伏期。發(fā)展到煤炭自燃的自熱期階段,煤體溫度升高加快,煤堆內(nèi)部也逐漸干燥。由于在潛伏期煤炭的氧化反應(yīng)逐漸加快,煤炭溫度逐漸升高,當(dāng)溫度達(dá)到著火點(diǎn)則進(jìn)入燃燒期。煤炭一旦發(fā)生自燃,則極易引發(fā)煤倉爆炸,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此對煤倉的實(shí)時安全監(jiān)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(jù)人工經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)來進(jìn)行,正如上述所言,煤炭自燃過程具有潛伏期和隱蔽性,現(xiàn)場很難進(jìn)行有效的指導(dǎo)。近年來,各國不斷研究可靠的煤炭自燃機(jī)制,試圖開發(fā)煤炭自燃預(yù)報(bào)方法和火源探測技術(shù)。煤炭自燃的預(yù)測預(yù)報(bào)和火源探測技術(shù)是通過分析煤自燃過程中的溫度、標(biāo)志性氣體濃度等參數(shù)的變化趨勢,防止不必要事故的發(fā)生。通過對這些參數(shù)的監(jiān)測,盡早發(fā)現(xiàn)煤炭自燃的征兆,判斷煤炭自燃進(jìn)行的階段,及時給出應(yīng)對的方法。要做好煤炭自燃的預(yù)測和火源探測,就必須要確認(rèn)煤炭自燃的火源位置或者隱患點(diǎn)位置,并獲取火源或隱患點(diǎn)標(biāo)志性參數(shù)的數(shù)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(jiān)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(yù)測出自燃隱患點(diǎn)和發(fā)火點(diǎn)。

        2.有害、可燃?xì)怏w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(yù)測自燃狀態(tài)的指標(biāo),一般以一氧化碳、乙烯、乙炔等為標(biāo)志氣體。在一定質(zhì)量的煤炭中,表面氣體與溫度之間存在一定的關(guān)系。目前,這種預(yù)測技術(shù)比較成熟,已經(jīng)在煤炭工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

        二、極早期可視化火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的功能和應(yīng)用分析

        極早期可視化火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的前端裝置為全體304不銹鋼材質(zhì)且能自行旋轉(zhuǎn)水平360°和垂直180°掃描,內(nèi)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(jiān)測預(yù)警裝置可自行對監(jiān)控范圍進(jìn)行360°水平巡檢,由系統(tǒng)對溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控分析后,確定高溫點(diǎn)報(bào)警,報(bào)警信號傳給現(xiàn)場控制箱與控制主機(jī),可啟動高溫點(diǎn)降溫處置,待溫度恢復(fù)正常數(shù)值后,報(bào)警聲停止,系統(tǒng)恢復(fù)到正常實(shí)時監(jiān)控狀態(tài)。

        2.遠(yuǎn)程控制方式

        可在主機(jī)控制熱成像雷達(dá)預(yù)警裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動作,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與區(qū)域性人工復(fù)檢。

        極早期可視化火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)可在控制主機(jī)上遠(yuǎn)程根據(jù)可燃物屬性設(shè)置報(bào)警溫度值。利用系統(tǒng)控制主機(jī)提供的接口和通信協(xié)議,可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警裝置信號的聯(lián)動控制功能。同時,現(xiàn)場具有控制電源與緊急手動報(bào)警按鈕,可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場控制。

        高分辨率紅外熱像自動監(jiān)控可對區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全覆蓋、全天候熱像溫度監(jiān)控鎖定,尤其是高溫區(qū)域。再通過感溫成像,系統(tǒng)智能地分析當(dāng)前狀態(tài),超過預(yù)設(shè)溫度值(即溫度異常區(qū)域圖像變紅),進(jìn)行聲光報(bào)警且聯(lián)動啟動消防設(shè)備,對區(qū)域進(jìn)行噴淋滅火,同時輸出報(bào)警信號,報(bào)警記錄與圖像同步存儲系統(tǒng),方便事后查閱。

        為了減少誤報(bào),火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)還集成了屏蔽功能,如對監(jiān)控現(xiàn)場的照明燈等常用發(fā)熱設(shè)備進(jìn)行屏蔽。同時,也有豐富的圖像溫度報(bào)警模式:溫度閾值報(bào)警算法、溫升速率報(bào)警算法、多級別報(bào)警設(shè)定、報(bào)警區(qū)域的靈敏度設(shè)定等,以減少誤報(bào)的可能。

        (二)熱像技術(shù)參數(shù)

        (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(yīng)時間<4ms。

        (5)圖像頻率60Hz,圖像標(biāo)準(zhǔn)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

        (6)焦距調(diào)節(jié)方式:電動對焦或者無熱化鏡頭。

        (7)測溫范圍-10至300℃(可擴(kuò)至2000℃)。

        (8)溫度數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)紅外視頻圖像和可見光圖像顯示,可實(shí)行遠(yuǎn)程操控。

        (9)最大探測預(yù)警保護(hù)距離100m。

        (三)核心技術(shù)

        新的系統(tǒng)中雙波段紅外明火和煙霧識別可見光圖像火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)是在圖像識別型火災(zāi)探測器內(nèi)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(jìn)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(jié)構(gòu)、紋理等多模態(tài)特征,結(jié)合自適應(yīng)背景學(xué)習(xí)算法分析煙火報(bào)警信號,將報(bào)警信號通過RS485通信方式或繼電器輸出的方式傳輸?shù)饺裨缙诔上窕馂?zāi)預(yù)警裝置主機(jī)進(jìn)行煙火報(bào)警,探測視頻主機(jī)通過輸入輸出模塊與報(bào)警控制主機(jī)聯(lián)機(jī),形成火災(zāi)探測報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備以下功能:

        1.高溫、明火監(jiān)測

        可對巡檢區(qū)域的煤炭溫度、明火進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,可以根據(jù)情況設(shè)定報(bào)警溫度,一旦超出設(shè)定閾值,則啟動報(bào)警。通過AI可見光相機(jī)對明火、高溫區(qū)域進(jìn)行圈定,同時把數(shù)據(jù)上傳至主機(jī)。

        2.煙霧監(jiān)測

        可對多種煙霧進(jìn)行可視化識別,采用先進(jìn)的煙霧運(yùn)動模式分析算法及可視化報(bào)警驗(yàn)證,避免誤報(bào)、漏報(bào)的發(fā)生。

        3.實(shí)時可視化監(jiān)控

        通過高清可見光相機(jī),可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時的可視化監(jiān)控,現(xiàn)場情況一目了然。

        4.設(shè)備管理

        系統(tǒng)支持對設(shè)備進(jìn)行搜索、設(shè)置、添加和刪除等操作。

        5.聯(lián)動報(bào)警滅火功能

        監(jiān)測到異常后,系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動報(bào)警,其中有聲音、開關(guān)量輸出(驅(qū)動警燈警鈴等)、通過CAN總線實(shí)現(xiàn)和火災(zāi)報(bào)警控制的聯(lián)動,實(shí)現(xiàn)聯(lián)動啟動自動滅火系統(tǒng)的目的。

        6.歷史記錄存儲及查詢功能

        各種報(bào)警及操作信息均有詳細(xì)記錄,并提供完備的數(shù)據(jù)查詢功能。

        三、結(jié)語

        為了在封閉料場發(fā)生火災(zāi)的極早期階段,為操作管理人員和應(yīng)急部門提供準(zhǔn)確的火災(zāi)可視化信息,文章研究開發(fā)的基于紅外熱成像技術(shù)的封閉式儲煤筒倉安全智能監(jiān)控系統(tǒng),滿足火災(zāi)自動報(bào)警功能,并通過全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)極早期可視化火災(zāi)探測系統(tǒng)能在10s內(nèi)快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并發(fā)出報(bào)警;(2)封閉料場內(nèi)環(huán)境亮度對探測系統(tǒng)的響應(yīng)時間和火源點(diǎn)定位誤差影響不大;(3)在封閉料場內(nèi),當(dāng)探測距離≤100m時,環(huán)境對設(shè)備的精度影響不大,定位誤差可控制在±1m以內(nèi);當(dāng)探測距離>100m時,料場內(nèi)環(huán)境風(fēng)速對火災(zāi)定位精度存在一定影響,定位誤差可能會>1m,仍需后續(xù)的優(yōu)化改進(jìn)。

        參考文獻(xiàn):

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