（电子科学与技术专业论文）储煤基地煤垛高温监测系统设计.pdf

h i g h - t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g no fc o a lp i l e i nc o a ls t o r a g eb a s e at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y j i y u a n y u a n ( e l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) t h e s is u p r o f e s s qx uwenhllesls5 u p e r w s o r ：1 j r o t e s s o r e n h a i j u n e2 0 1l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写 成博硕士学位论文：篮堪基地堪丝直迢笪捌丕缠遮盐：。除论文中已经注明引用的 内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成 果。本声明的法律责任由本人承担。 ：l 学位论文作者签名：窒圉困 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论 文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学 技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密 的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“4 ) 论文作者签名：手圉日 导师签名：撕主嵫 日期：2 a 年7 月日 中文摘要 摘要 在大型储煤基地中，由于煤垛存放时间长、通风不畅等原因，煤垛自燃的情况时 有发生，所以对储煤基地的煤垛进行温度监测具有十分重要的意义。到目前为止，煤 垛测温方法有很多。传统的监测方法是采用接触式温度传感器对煤垛进行温度的测 量，这种测量的特点是测温面积小，并且测温工作需要人工进行，测温工作的开展受 到人为限制较多，而且可能会对煤垛造成一定的影响；而在大型储煤基地，煤垛体积 大、煤垛数量多，传统的测量方法已经无法有效地满足大型储煤基地的应用需求。红 外热像仪测温技术是近年来温度监测领域的热点，它以其测温面较宽、便于查找高温 区等优势成为了目前温度监测领域的高新技术。 为了方便的实现煤垛测温工作，使煤场工作人员了解储煤基地煤垛的温度变化情 况，本文设计了一套煤垛温度监测系统。系统采用红外热像仪、云台和数据传输设备 等搭建而成，系统设计考虑了测温区域、图像帧频、传输延时等必要的性能指标，将 这些指标体现到了系统的设计理念中，使系统满足大型储煤基地中煤垛的测温需求。 综上，系统很好的满足了煤垛温度监测工作的需求，但是应用热像仪进行测温， 也存在一定的不足，这里主要是指，由于红外热像仪测温属于非接触式测温，被测煤 垛和红外热像仪之间存在一定的测量距离，所以其测温精度易受到测量距离内大气辐 射传输的影响；此外，根据红外热像仪的测温原理可知，其测温精度还取决于煤垛的 发射率数值等。为了使红外热像仪输出的测温精度符合用户的需求，本文研究了影响 红外热像仪测温精度的因素，论述了温度校正模型等。 关键词：煤垛测温；红外热像仪；大气环境；温度校正 英文摘要 a b s t r a c t i nal a r g eb a s eo fc o a ls t o r a g e ，t h ec a s eo f s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no f c o a lp i l e so f t e n h a v eo c c u r r e db e c a u s eo f l o n gt i m es t o r a g e ，p o o rv e n t i l a t i o na n do t h e rr e a s o n s s o t e m p e r a t u r em o n i t o r i n go f c o a lp i l e si so f g r e a ts i g n i f i c a n c e s of a r , t h e r ea r em a n yw a y so f c o a lp i l e st e m p e r a t u r em o n i t o r i n g t r a d i t i o n a lm e t h o d si st ou s et h ec o n t a c t t e m p e r a t u r e s e n s o r st om e a s u r et h ec o a lp i l et e m p e r a t u r e , w h i c ht e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta r e ai ss m a l l ， a n dw o r ki sn e e dt ob e m a n u a l l yc a r d e do u t b e s i d e s ，b e c a u s eo f i ti sd e p e n d e do np e o p l e s w o r k ，c o a lp i l ew o u l dh a v eb e e na f f e c t e d i nl a r g ec o a lb a s e s ，t h e yh a v el a r g ev o l u m eo fc o a l p i l e s ，a n dh e a v yq u a n t i t yo f c o a lp i l e s ，s ot h et r a d i t i o n a lm e a s u r c m e n tm e t h o d sh a v e b e e n u n a b l et oe f f e c t i v e l ym e e tw i t ht h el a r g e - s c a l ec o a ls t o r a g ea p p l i c a t i o n s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i n f r a r e dt e m p e r a t u r em o n i t o r i n gt e c h n o l o g ye m e r g e s ， t h et e c h n o l o g yi sah o tf i e l do ft e m p e r a t u r em o n i t o r i n gi nr e c e n ty e a r s w i t hi t sw i d e t e m p e r a t u r ea r e aa n dc o n v e n i e n c et of i n dh i g ht e m p e r a t u r ea r e a ，i th a sb e c o m et h ef i e l do f t e m p e r a t u r em o n i t o r i n go fc u r r e n th i 【g h t e c h t of a c i l i t a t et h ew o r ko ft h er e a l i z a t i o no fc o a lp i l et e m p e r a t u r em o n i t o r i n g , a n dt ol e t t h ec o a ls t o r a g eb a s es t a f f k n o wt h ec o a lp i l e st e m p e r a t u r ec h a n g e s ，t h i sp a p e rd e s i g n e dac o a l p i l et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e m s y s t e mc o n s i s t so f t h e r m a li r n a g e r , p a n t i l th e a d ，a n d d a t at r a n s m i s s i o ne q u i p m e n ta n do t h e rd e v i c e t h es y s t e md e s i g nt a k e si ti n t oa c c o u n tt h a tt h e t e m p e r a t u r er e g i o n ，t h ei m a g ef r a m er a t e ，t r a n s m i s s i o nd e l a ya n do t h e rn e c e s s a r yp e r f o r m a n c e i n d i c a t o r sw i l lr e f l e c tt h e s ei n d i c a t o r st ot h es y s t e md e s i g nc o n c e p t ，t h es y s t e mt om e e tt h e l a r g e - s c a l ec o a lb a s e si nt h ec o a lp i l es t o r a g et e m p e r a t u r em e a s _ l 】r e m e n tn e e d s i ns u m m a r y , t h es y s t e mw e l lp o s i t i o n e dt om e e tt h ec o a lp i l et e m p e r a t u r e m o n i t o r i n g r e q u i r e m e n t s ，b u tt h e r ea r ea l s os o m es h o r t c o m i n g sw i t ht h e r m a li m a g e r t h i sm a i n l yr e f e r s t ot h em e a s u r e m e n td i s t a n c eb e t w e e nt h et h e r m a li m a g e ra n dc o a lp i l e s ，a st h e r m a li m a g e ri s a san o n - c o n t a c tt e m p e r a t u r ei n s t r u m e n t s ot h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya r e v u l n e r a b l et ot r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，t h ei m p a c to fa t m o s p h e r i cr a d i a t i v et r a n s f e r a c c o r d i n g t ot h et h e o r yo ft h e r m a li m a g e rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，t h et e m p e r a t u r ea c c u r a c ya l s o d e p e n d so nt h ev a l u eo fc o a le m i s s i v i t ya n ds oo n t om a k et h eo u t p u to ft h ea c c u r a c yo f t h e r m a li m a g e rt e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e mm e e tw i t hc l i e n tn e e d s ，w es t u d yt h ef a c t o r s t h a ta f f e c tt h ea c c u r a c yo ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，t e m p e r a t u r ec o r r e c t i o nm o d e l sa r e d i s c u s s e d ，s ot h a tt h es y s t e mh a sb e t t e rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta c c u r a c y k e yw o r d s ：c o a lp h et e m p e r a t u r e ，t h e r m a li m a g e r ，a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t ， t e m p e r a t u r ec o r r e c t i o n 目录 。 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义。l 1 2 国内外发展现状：1 1 3 本文的研究内容3 第2 章系统设计方案概述5 2 1 系统要求5 2 2 总体方案。5 2 3 硬件方案7 2 4 软件方案8 第3 章各项支撑技术原理1 0 3 1 监测单元的二维转台设计。1 0 3 1 1 转台类型选择1 0 3 1 2 设计方法与技术说明1 0 3 2 监测单元的安置方法设计1 3 3 2 1 安置方法选择。1 4 3 2 1 设计方法与技术说明1 5 3 3 监测单元的传输方式设计2 0 3 3 1 传输方式选择2 0 3 3 2 设计方法与技术说明2 l 3 4 监测单元红外热像仪定标2 2 3 4 1 定标技术应用2 2 3 4 2 设计方法与技术说明2 2 第4 章各项关键技术原理2 4 4 1 温度校正关键技术研究2 4 4 1 1 温度校正应用2 4 4 1 2 设计方法与技术说明2 5 4 2 发射率校正关键技术研究。3 2 4 2 1 发射率校正应用3 2 4 2 2 设计方法与技术说明3 3 目录 4 3 内热源计算关键技术研究3 5 4 3 1 内热源计算应用3 5 4 3 2 设计方法与技术说明3 5 4 4 试验验证关键技术研究。3 9 结论4 3 参考文献。4 5 至l 谢4 9 储煤基地煤垛高温监测系统设计 第1 章绪论 本章首先叙述了储煤基地煤垛高温监测系统的研究背景及意义，然后分析了国内 外测温技术的发展现状，最后提出了本文的主要研究内容。 1 1 研究背景及意义 粮食、石油、煤炭等是保证人民生活、社会发展正常进行的基础保障能源，是国 家能够保持高效、稳定发展的关键。目前，我国在粮食和石油储备方面做得比较好， 而在煤炭方面做得还不够。对此，政府积极建立煤炭应急储备基地，保证储煤基地具 有充分的储量，以便在大型自然灾害发生时作为国家煤炭能源供应的有力保障f l 】。 近年来，某央企负责运营几个国家性质的大型储煤基地。储煤基地的煤垛由于堆 放时间、存储环境等因素，其内部温度会升高；而其煤质又属于i 类自燃煤，即煤炭 变质程度低、着火点低、易于自燃，所以煤的自燃问题已成为影响其煤炭质量、堆储 管理和销售市场扩大的一个十分重要和亟待解决的问题【2 1 。 目前，某央企对于煤的自燃问题常采用喷洒干冰法、注入氮气法、插管冷却等这 类隔绝空气、降低煤垛温度的方法来防止或制止自燃，但这些方法都无法使煤场管理 部门随时掌握整个储煤基地煤垛的状态。所以，迫切需要研究储煤基地煤垛高温监测 系统，对煤垛进行监测，以及时采取有效措施，有效地减少煤炭的损失。因此，探索 新型、有效、智能的煤垛高温监测方法、准确找出高温煤垛的位置是预防煤炭自燃研 究领域中非常重要的课题，这也是现代化的储煤基地管理所不可缺少的重要组成部 分。 1 2 国内外发展现状 目前国内外关于储煤基地的煤垛高温监测的方法有很多，有利用磁进行温度探测 的方法，有采用非接触式红外测温计获取温度的方法，有根据特定气体进行探测的方 法，有采用接触式钻棒进行温度测量的方法，也有采用红外热像仪测量温度的方法。 ( 1 ) 磁探测法 第1 章绪论 磁探测方法是指测量煤矿上层所覆盖的岩石的磁性强度，岩石的磁性强度与煤层 的温度紧密相关。当煤矿温度升高时，岩石的磁性会相应增强。我国西北各省、俄罗 斯、乌克兰曾采用此法测量煤田自燃火区范卧3 1 。 该方法适用于煤垛已经发生自燃的情况，并且适用于煤矿开采区的情况；而不能 监测未发生自燃但具有潜在可能性的煤垛高温区。 ( 2 ) 指标气体探测法 该方法是基于煤垛发生自燃情况下，煤区空气中所含气体的成分来判断煤垛的温 度情况。由于煤垛高温自燃时会产生各种特定的气体，气体具有一定的浓度，煤垛温 度不同，气体呈现的性状便会相应的发生改变。所以，根据测量得到的气体分布情 况，可以判断煤区的高温范围。 该方法通常用来监测已经发生自燃的煤垛高温区，且此法对于露天煤垛而言，由 于露天环境可能存在自然界的风、雨、雾等情况，其监测效果会相应的受到影响。 ( 3 ) 钻棒测温法 钻棒测温法是一种接触式测温法，由于钻棒的长度有限，其所能探测到煤垛内部 的深度有限，所以该法通常用于高温区煤垛位置较浅的情况。波兰、俄罗斯曾应用此 法测量煤区高温自燃区的范剧4 】。 该方法具有测量准确、结果可靠的特点，但同时也存在着测量范围小、安装维护 工作量大、探头引线易损坏的情况。 ( 4 ) 红外测温仪法 红j b 澳j 温仪法是一种非接触式测温方法，它利用红外技术，无需与煤垛进行物理 接触即可获得高温区的温度信息。美国采用“米开莱铂 型红外测温仪测量煤炭高温 区温度，前苏联已经实施并应用“卡瓦思替”型的红外辐射测温仪来得到煤区情况睁j ， 国内兖州、开滦、徐州等煤区采用红外测温仪进行测型6 1 。 红外测温法具有非接触测量的特点，无需对煤垛本身进行操作，避免了可能存在 的潜在危险；同时，红外测温法存在着只能测量点温的缺陷，不利于操作者获得整个 煤垛的温度状态，布设应急措施。 ( 5 ) 红外热像仪测温法 储煤基地煤垛高温监测系统设计 红外热像仪测温法是非接触式测量法，该方法是采用红外热像仪的面阵探测器获 得煤垛的特征情况，经处理后输出煤垛红外图像。美、俄、英、德等国已成功地利用 红外热像仪技术对储煤基地的煤垛进行监测。美国已采用“普诺贝艾”型红外热像 仪，对区域情况进行测量；英国已将“6 4 9 型红外热像仪和改良型“m e l 1 0 4 5 ”型 红外热像仪应用到煤区监测领域川。 红外热像仪测温法具有非接触测量的特点，它以其面阵成像的优势弥补了诸多测 温方法测温面小的缺陷，有利于操作者获得整个煤垛的温度情况；此外，由于红外热 像仪是根据物体的热辐射成像，所以即使在夜晚，红外热像仪依然可以工作，使用户 可以了解被测物体的温度情况，大大延长了系统的有效工作时间【8 】。 综合看来，红外热像仪以其测温面较宽，便于查找高温区的优势，成为目前测温 领域的高新技术设备，也是煤垛高温自燃区探测领域的发展方向【9 】。本文采用红外热像 仪测温技术，结合储煤基地实际情况，进行煤垛高温监测系统的设计。 1 3 本文的研究内容 本文基于红外热像仪测温技术，依据储煤基地的实际情况与应用需求，依次讨论 了系统总体方案、硬件方案、软件方案，进而分析了实现系统方案所需要的相关技 术，并对这几项技术的重要性和实现方法进行论述。最终形成一套适用于储煤基地实 际应用需求，并且具有技术可实现性的煤垛高温监测系统。 本文的主要研究内容包括以下几项内容： ( 1 ) 研制合理的二维控制转台，作为红外热像仪的载体，使其能够依次测量各煤 垛； ( 2 ) 设计红外热像仪的安置方法，使其具有合理的覆盖面； ( 3 ) 设计数据传输系统，综合考虑组网和数据管理系统等因素； ( 4 ) 研究影响红外热像仪测温精度的大气环境因素，设计定标和相关校正方法； ( 5 ) 研究内热源计算模型，依据测量得到的煤垛表面温度，判断煤垛内部高温区。 本文分4 个章节进行相关研究内容的论述： 第1 章绪论 第1 章为绪论，介绍了储煤基地煤垛高温在线监测系统的设计背景和研究意义， 阐述了当前国内外在煤垛高温监测领域的发展现状以及本文的研究内容等。 第2 章为系统设计方案概述，介绍了整个系统的设计功能需求和性能指标，并且 给出了系统的总体设计方案、硬件软件方案以及技术实现流程，并分析了实现本系统 所需应用的相关技术。 第3 章为各项支撑技术原理及可行性分析，讨论了监测单元的二维转台设计、安 防方法设计、传输方式设计以及红外热像仪定标这四项支撑技术的实现方法和可行 性。 第4 章为各项关键技术原理及可行性分析，论述了温度校正、发射率校正、内热 源计算和试验验证这四项关键技术的实现方法与可行性。 储煤基地煤垛高温监测系统设计 第2 章系统设计方案概述 2 1 系统要求 本文所设计的煤垛高温监测系统，适用于大型储煤基地煤垛高温监测、分析判断 及报警的要求。具体需要满足以下几项功能与指标： ( 1 ) 系统能够避免大气环境的干扰，准确测出煤垛温度； ( 2 ) 系统能够分析煤垛高温区温度变化趋势，判断应急处理的优先级； ( 3 ) 对达到相应的表面温度设置阈值的煤垛建立预处理报警机制； ( 4 ) 主要指标要求： 红外波段：8 1 2um ； 输出图像分辨率：3 2 0 x 2 5 6 ； 输出帧频：l f p s ；( 综合考虑控制转台速度和处理速度) 最小可分辨温差：郢1 ： 精度：士2 或读数的2 左右； 系统数据传输延时： 8 0 k m 时，q - - 1 6 ；中等能见度，即当6 k m _ v 8 0 k m 时，q - - 1 3 ，这是最常 见的数值；如果大气能见度很差，即当v 6 k m 时，可取q = o 5 8 5 v 1 3 。 因雨雪衰减导致的透过率【5 刀： 毛= ( 4 6 ) t r n i n 和呻可由下式计算获得： 2e x p ( - z , 加s ) ( 4 7 ) 2e x p ( - u 。o s ) ( 4 8 ) 式中s 表示红外热像仪到煤垛的距离。对于雨、雪的衰减系数和枷通常采 用波长为1 0 6 1 m a 的经验公式。 = o 6 6 以嘣 ( 4 9 ) - - - 6 5 f 7 ( 4 1 0 ) 式中j r 是降雨强度，j s 是降雪强度，单位m m h 。降雨强度和降雪强度均可由煤 垛当地的气象条件中获得数据。如小雨的降雨强度的数值为2 5 m m h 。 将同一条件下p c m o d w i n 计算输出结果作为参考，通过仿真计算验证大气透过 率模型的正确性。计算目标位置在海拔高度2 0 米处，红外探测器所在的位置和目标位 置的距离是2 0 0 米，视向天顶角是1 8 0 。，将利用雾天情况大气透过率模型进行比较， 二者输入的条件相同，输出的结果如图4 5 所示： 第4 章各项关键技术原理 5 褥 翅 魍 4 大气透过率比较 8 599 51 01 0 51 11 1 51 2 波长p m 图4 4 大气透过率计算结果比对 f i g 4 4c o n t r a s to fa t m o s p h e r i ct r a n s m i u a n c e 图中红色线为p c m o d w i n 计算值，蓝色线为模型计算值，从计算结果看到二者吻 合较好，验证了大气透过率模型的正确性。 大气程辐射 大气程辐射是指从煤垛到红外热像仪的大气路径上，由于大气的自身辐射和散射 作用而使这段路径上传输的辐射强度增强。该部分的能量来源于以下三个部分：在 大气辐射传输路径上自身的热辐射用k 表示；太阳辐射通量经过单次散射和多次 散射到红外热像仪视场范围内而造成的入瞳处辐射亮度的增加，用l 鲳表示；煤垛周 围地物的自身辐射经过多次散射到热像仪视场内造成辐射亮度的增加，用k 表示。 在本方案中，1 1 p 模型为【5 8 】： 2k + 乞+ ( 4 “) 上式中： 厶舰_ ( 1 一国) 瓦丽丽2 h c 丽z ( 4 1 2 ) |专 储煤基地煤垛高温监测系统设计 乓= 蝎燮坐掣高篙趔他 乓2 哩坐糕署幽上1 + 2 ( 1 - c x l - & ) s ( 4 1 4 ) 其中，h 表示普朗克常数，其值为h = 6 6 2 6 x 1 0 3 4 j s ，c 表示光速，k 是波尔兹曼常 数，值为k 芦1 3 8 0 6 x 1 0 2 3 j k - 1 ，t 表示该段大气路径路径大气的平均温度。表示在 同时存在散射和吸收的介质中的单次散射反照率，等于总的散射光学厚度和总的消光 光学厚度之比由下式确定： 缈：世 汐 ( 4 1 5 ) e o 为大气上界太阳辐射照度，i l = c o s e ，0 为太阳天顶角，o 为大气程辐射总的光学 厚度，e s 为周围背景的自身辐射照度，利用普朗克函数就可求得。为煤垛周围背景 的平均反射率。和p 叶1 分别为太阳天顶角o 和( 1 8 0 。) 时的散射相函数，包含了分子散 射和气溶胶散射的相函数。 1 9 = 芝+ 壤+ 既 ( 4 1 6 ) 上式中，o 璐为分子散射光学厚度，o a 为气溶胶光学厚度，o m 为分子吸收光学厚 度。对于纯瑞利大气，g - - - 0 5 0 塔，但随着气溶胶光学厚度的增加，对于中高度混浊情况 下，t u r n e r 和s p e n c e r 将描述为： 。一o 5 殴+ 0 9 5 , 9 , s = 譬一 壤+ 见 ( 4 1 7 ) 以大气程辐射模型为例，将同一条件下p c m o d w i n 计算输出结果作为参考，通 过仿真计算验证模型的正确性。计算目标位置在海拔高度2 0 米处，红外探测器所在的 位置和目标位置的距离是2 0 0 米，视向天项角是1 8 0 。，将利用雾天情况大气程辐射模 型和进行比较，二者输入的条件相同，输出的结果如图4 5 所示，从计算结果看到二者 吻合较好，验证了大气程辐射模型的正确性。 第4 章各项关键技术原理 e 寻 z 崆 c ： e 童 型 谋 害 薜 黜 f 4 0 5 ： 大气程辐射比较 99 51 01 0 51 11 1 51 2 波长，岬 图4 5 大气程辐射计算结果比较 f i g 4 5c o n t r a s to fa t m o s p h e r i cr a d i a n c e 图中红色线为p c m o d w i n 计算值，蓝色线为模型计算值，从计算结果看到二者吻 合较好，验证了大气程辐射模型的正确性。 4 2 发射率校正关键技术研究 4 2 1 发射率校正应用 发射率，也叫比辐射率，是指该物体在指定温度t 时的辐射量与同温黑体的相应 辐射量的比值，通常用表示。对于黑体，e = l ；对于一般物体，s l 。发射率与物体 本身的性质、表面情况、温度、辐射波长和方向均有关系。对于不同的物体，物体的 发射率是不相同的，这是物体本身的一种属性。对于相同的物体，表面情况不同，物 体的发射率也不一样【5 9 1 。 发射率关键技术是研究由于发射率校正不准引起的红外热像仪测温误差，分析发 射率的方向、光谱、温度等特性，对发射率进行合理的校正，从而提高系统检测精 度，增强监测系统预警的正确性。 ；。 矿 影弘；肿ji寸f醇”。 3 z l 储煤基地煤垛高温监测系统设计 4 2 2 设计方法与技术说明 本方案关于煤的发射率校正考虑以下几方面： ( 1 ) 发射率的温度特性 煤的发射率随温度的变化而变化，由于煤的温度范围较宽，发射率随温度的变化 不可忽略，所以本方案采用两种方式进行处理：一方面根据已有发射率数据库查找煤 的发射率随温度变化的不同数值，另一方面采用发射率测量仪器测量得到煤的发射率 随温度变化情况。 ( 2 ) 煤的发射率的光谱特性 煤的发射率的光谱特性示意图如下图所示，黑体发射率为占= l ，实际物体发射率 s 1o 煤 8 1 2 | lm 图4 6 发射率的光谱特性 f i g 4 6e m i s s i v i t ys p e c t r a lp r o p e r t y 在本方案中，采用的红外热像仪波段为8 1 2 1 上i n ，由于它获取的信息为波段内积分 值而非光谱信息，所以本方案考虑采用煤在8 1 2 w n 波段内发射率的平均值。 ( 3 ) 发射率的方向特性 目标物体的发射率根据给定方向的发射或半球向的平均发射，可以有不同的值， 如下图所示。 第4 章各项关键技术原理 图4 7 发射率的方向特性 f i g 4 7e m i s s i v i t yd i r e c t i o n a lp r o p e r t y 储煤基地煤垛高温监测系统设计 对使用上述发射率数据校正得到的煤垛表面温度进行校验，使发射率的方向特性数据 趋于准确。 煤垛发射率校正技术能够实现以下功能： ( 1 ) 监测系统能够准确测出煤垛的表面温度，并对每一垛的高温点温度变化趋势做 出分析判断，给出该垛在所有堆场应处理的优先等级； ( 2 ) 对达到相应的表面温度设置阈值的煤垛建立预处理报警机制。 4 3 内热源计算关键技术研究 4 3 1 内热源计算应用 内热源计算是指根据煤垛表面温度、煤垛的属性参数等，建立相关的参数计算模 型，通过模型解算，得到煤垛内部高温区域的位置和温度信息。内热源计算是项目的 一项重要的工作，通过内热源计算可以预测煤垛内部的危险区域，对这些危险区域加 以重点监测，可以大大降低煤场自燃事故的发生可能性。 4 3 2 设计方法与技术说明 本文通过研究基于煤垛表面温度分布以及相关的环境因素，来计算获得煤垛内热 源分布情况的方法，采用合理的内热源计算模型，实现对煤垛内热源的正确估算，为 高温监测系统对于危险情况的预警提供准确的数据。本方案将采用以下模型计算煤垛 内热源分布情况，如下图所示： 第4 章各项关键技术原理 煤 垛 内 漏 风 流 场 数 学 模 型 煤 垛 内 氧 浓 度 场 数 学 模 型 煤 垛 内 温 度 场 数 学 模 型 计算区域网格划分 初 始 条 件 煤 的 放 氧 强 度 风 流 速 度 数值计算条件 计算处理 l竺兰兰竺兰坌!- j 图4 9 内热源计算示意图 f i g 4 9s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eh e a tc a l c u l a t i o n ( 1 ) 煤垛内漏风流场建模 由于煤垛的煤质并未完全压实，而是呈现松散态，所以煤体内部存在一定的间 隙。这些内部间隙通常存在两方面的特点：一是其时间与空间的分布不均匀；二是间 隙内空气存在低速的流动现象，通常称这种低速流动气体分布场为，煤体内部漏风流 场。煤体内的漏风流场分布情况，对于计算内热源温度分布有着重要的决定作用，所 以首先要计算漏风流场分布模型。由质量守恒定律，可知煤体内漏风流场建模如下式 所示： 堕+ 望+ 堡：o( 4 1 8 ) 出 砂 比 其中，磊，耍，磊是指水平轴x 、竖直轴y 以及垂直轴z 各自对应的方向上的漏风 强度。 ( 2 ) 煤垛内氧浓度场建模 氧气是自燃现象发生的助燃剂，所以煤垛内氧气的含量及其分布情况，直接决定 着煤垛内是否会发生自燃，进而决定着这一片区域是否是可能存在的高温危险区。在 储煤基地煤垛高温监测系统设计 煤垛内部，氧气的运动主要是依赖于煤垛内低压流动空气的渗透和分子的扩散进行 的。根据这一特性，结合介质传质理论，可知煤垛内氧气分布特性遵循以下的质量守 恒方程： 坐型+ 坐d + 坐型+ 丝+ 盟+ 丝+ 型：， 缸 砂 玉 苏 砂 昆o r 7 ( 4 1 9 ) 其中，上式各个参量分别是指： u v ，w 分别指x , y , z 方向上的漏风流速度，单位为c m $ ； r 指时间，单位为s ； - 氧气流率，单位为m 。c ( s 册2 ) ： c ：，为氧气浓度，单位为m o ，c m 3 ； 乞为j 组份的产生率，单位为加。( s 硎3 ) 。 ( 3 ) 煤体内温度场建模 由传热学理论可知，煤垛内部的热量以不同的方式和途径进行传递，其传递方式 与煤垛内部的物质属性紧密相关。根据煤垛内部不同的成分可以将传热过程分为以下 几种情况： 煤垛内固体颗粒的热传导； 煤垛内固体颗粒间摩擦生成的热量； 煤垛内固体颗粒之间的辐射换热； 煤垛内空隙中气体的热传导； 煤垛内空隙中气体与固体颗粒之间的对流换热。 综上，煤垛内积攒的热量等于煤垛内部固体颗粒的摩擦生热、固体颗粒的热传 导、气体的热传导、固体颗粒的辐射传热以及固气之间的对流换热之和。由这种能量 守恒定律可以得出数学公式，从而解算煤垛内部温度场分布情况。能量守恒方程如下 式所示： 第4 章各项关键技术原理 肛乞等吲咖4 ( 窘+ 等+ 窘) _ 成巳障鼍+ 或等+ 磊鼍) 。4 2 。， 其中，瓦为初始时刻煤垛的温度，瓦为煤垛表面温度，r 为风流温度。解算上式 需要已知相应的初始条件和边界条件。初始条件为r i r = 0 2r o ；边界条件为r l = 乙和 一以面d tk = 口( 瓦一引。 计算式( 4 2 0 ) 是一项非常繁琐的工作，因为涉及到诸多影响参量，实际上该式的 解算是可以简化的。由文献表明【删，煤垛内固体颗粒之间的辐射换热效应较小，其影 响通常认为忽略不计；由于煤垛内煤质固体颗粒的尺寸较小，给煤垛内空隙中空气带 来的阻力影响甚微，由此而造成的对流换热很小，通常忽略不计；在正常压力下，煤 垛内固体颗粒之间的摩擦热阻较小，可以忽略不计。综上，一般情况下，煤垛内部的 热量传递主要是考虑固体颗粒的热传导和气体的热传导式( 4 2 0 ) 的计算便可得到了简 化。 ( 4 ) 数值计算条件 根据上面提出的煤体内的漏风流场数学模型、氧浓度场数学模型和温度场数学模 型联立进行求解即可求得煤垛相应处的温度场分布情况，但根据上述模型求解需满足 下面几点条件： 煤体以实际条件下的原始温度为初始条件，进行模拟计算； 计算过程中，煤的放热强度、耗氧速率等均取实验测定值； 风流温度已知，且为常数，氧的质量分数为2 1 。 ( 5 ) 计算区域网格划分 前文提出的数学模型在三维上面的求解都是基于垛体的每一个微元而言，在实际 应用上面数学模型求解时需要将煤垛划以有限元分析方法划分为一定数量的网格，对 于每一个网格应用上面的数学模型进行离散求解。因此需要根据实际煤体分布情况、 储煤基地煤垛高温监测系统设计 区域大小、计算精度要求和网格考核结果，将计算区域划分为一定结点数的均分网 格。通过有限元分析法对每个网格进行求解，得到随时间或空间变化的温度场分布。 通过该技术的研究，可以使本系统能够根据红外热像仪测量分析得到的煤垛表面 温度分布情况，对每一垛煤的高温点温度变化趋势做出分析判断，给出该垛在所有煤 堆中处理的优先级等功能。 4 4 试验验证关键技术研究 验模需要充分利用各种信息来源，对试验结果进行分析、比较和综合，以检验热 像仪测温校正算法是否正确、结果是否可信。由于现场试验成本较高，本项目以模拟 试验为主，即搭建小型煤垛模拟大型煤垛基地的效果进行模拟试验验证；以现场测量 为辅，验证测温模型的正确性。本项目主要对温度校正模型中可剥离出来的部分进行 验证，并且对整体模型进行验证，估算系统整体模型误差【6 i 】。需要在本方案中设计验 证的模型如下图所示。 图4 1 0 验模方案组成框图 f i g 4 10d i a g r a mo fm o d e lt e s t i n gp r o g r a m 第4 章各项关键技术原理 注：灰色框图是指测温相关模型验证设计，蓝色框图是需要进行不同天气环境影响验证的相关 模型。 由上图可知，需要验证的模型有温度校正模型、煤垛反射辐射模型、大气程辐射 模型、大气透过率模型这四种模型。 ( 1 ) 各模型的验证方法为： 测温校正模型的验证方法 测温校正模型的验证可以结合采用热像仪和表面温度计，在储煤基地现场和模拟 平台对煤垛进行图像拍摄以及表面点温测量；然后，通过测温校正模型将图像校正为 煤垛表面温度图像，其正确性可以利用表面温度计测得的表面点温进行验证。 煤垛反射辐射模型的验证方法 主要采用p c m o d w i n 软件进行验证，依据该软件的数据对煤垛反射辐射模型进行 校正，最终得出模型误差；此外，在模拟煤垛平台采用标准反射板、红外热像仪以及 辅助仪器获得试验数据，与煤垛反射辐射模型进行比较得出参考误差。 大气程辐射模型的验证方法 主要采用p c m o d w i n 软件的数据对大气程辐射模型进行验证，得出模型误差；同 时，在模拟煤垛平台采用黑体面源、红外热像仪以及辅助仪器获得试验数据，与大气 程辐射模型比较，从而得到参考误差。 大气透过率模型的验证方法 以p c m o d w i n 软件验证为主，依据该软件的数据对大气透过率模型进行验证，计 算出模型的误差值；此外，在模拟煤垛平台采用黑体面源，结合红外热像仪以及辅助 仪器进行测量，获得试验数据，与大气透过率模型比较得出参考误差。 ( 2 ) 测温校正模型试验验证 本方案需要开展一些试验，获取相关试验数据，为定标、测温校正以及模型的验 证提供数据支撑。开展试验的场地包括两处，一处是某央企储煤基地，另一处是计划 在海事大学海头搭建的模拟煤垛平台。由于测量成本、设备、时间、人力等原因，本 储煤基地煤垛高温监测系统设计 方案以模拟煤垛平台开展的模拟试验为主，以储煤基地开展的现场测量试验为辅。根 据以上要求，本试验需要搭建的系统测量平台包括以下仪器组成： + 图4 1 l 试验系统组成框图 f i g 4 11c o m p o n e n td i a g r a mo fm o d e lt e s t i n gs y s t e m 本方案需要开展的试验包括定标试验、红外热像仪空间分布效应测量试验、煤垛 表面温度测量试验、煤垛发射率测量试验、大气透过率测量试验、大气程辐射测量试 验等。 定标试验用于确定热像仪入瞳处辐射与输出图像灰度值之间的关系，在室内采用 黑体面源对热像仪进行定标。 红外热像仪空间分布效应测量试验用于测量热像仪的空间分布效应，在室内采用 热像仪拍摄黑体面源和刀口靶，依据拍摄得到的红外图像进行数据提取。 煤垛表面温度测量试验用于验证测温校正算法的正确性，采用表面温度计对现场 煤垛或大连海事大学海头模拟煤垛进行测量。 第4 章各项关键技术原理 煤垛发射率测量试验用于测量煤垛发射率，对文献中的煤垛发射率数值进行校 正。 大气透过率和程辐射测量试验用于验证测温校正算法中大气透过率和程辐射模 型，通常在煤垛场地中，采用黑体、热像仪以及一些辅助仪器进行