礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏識別方法研究

程海鵬

（河南安科院安全科技服務有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

礦山生產作業是保障能源安全的關鍵環節，確保礦山生產作業安全且高效，既是完成能源開采工作任務的重要保證，也是礦山工人身體健康和生命安全的重要保障。礦山生產作業屬于勞動密集型產業，在生產作業中存在風險隱患，為有效降低各類安全生產事故的發生概率，需要對礦山生產作業的各個環節、流程、管理等做進一步的優化和改善，提升礦山生產作業效率的同時，最大限度實現降低安全生產事故發生的可能性。礦山生產作業長期處于井下，是相對密閉且氧氣稀薄的工作環境，在這樣的情況下，氣體輸送的效果在很大程度上會對井下礦山生產作業產生直接的影響，對礦山生產作業的效率和安全有著十分關鍵的影響。為保證氣體輸送效果，需要應用礦用空氣壓縮機，該設備產生壓縮空氣，用來給噴漿機、井上下操車設備、鍛釬機等氣動設備提供動力支持［1］。礦用空氣壓縮機輸出的氣體具備富氧性，能為礦山工人提供氧氣充足的生產作業環境。礦用空氣壓縮機在進行氣體壓縮時，會有一部分的壓縮氣體被浪費和損失，造成浪費和損失的原因有管路損壞、人為因素、壓縮流程未按規定操作等，使壓縮氣體輸送至井下的過程埋下了一些風險隱患，因此，及時發現氣體泄漏顯得尤為重要。

1 礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏原因分析

礦山的生產作業中需要使用大量的壓縮氣體來保證氣動設備的正常運行。通常會組建礦用壓風系統，來實現壓縮氣體的有效輸送，利用礦用空氣壓縮機，對空氣進行壓縮，通過管路將壓縮氣體輸送到風包中，風包的主要作用是提高風壓、緩解壓縮氣體的波動狀態、將壓縮氣體內部的水蒸氣去除等。經過風包的處理后，再輸送給井下的氣動設備，為氣動設備的運行提供保障，礦用風壓系統模型如圖1所示。

在礦用風壓系統運行中，壓縮氣體經由管路輸送的過程，會出現氣體泄漏的情況，影響氣體輸送的實際效果，造成了壓縮氣體的部分損失。造成管路氣體泄漏的原因主要有以下幾方面。首先，管路之間的連接處出現泄漏。通常情況下管路連接處是整個管路中較為薄弱的位置，壓縮氣體在離開空氣壓縮機后會帶有較高溫度和較高氣壓，極易導致管路連接處出現開裂，并發生氣體泄漏，在管路連接處泄漏的氣體會呈現小孔形狀。其次，管路的腐蝕處出現泄漏。輸送壓縮氣體的管路，會受到壓縮氣體的影響產生腐蝕，導致管路部分位置變薄變得脆弱，當難以承受壓縮氣體的高溫高壓狀態時，就會發生氣體泄漏，氣體泄漏的形狀與管路連接處一致。最后，管路和閥門之間的連接處出現泄漏。管路與閥門的連接處也會受到壓縮氣體高溫高壓的影響，在長期的壓縮氣體輸送過程中，造成連接處出現損耗，導致連接處的密封狀態出現不同程度的腐蝕情況，導致壓縮氣體在管路與閥門的連接處出現散發性的泄漏。

2 礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏識別問題分析

對于礦用空氣壓縮機的運行狀態監控、氣體泄漏檢測技術等方面，已有較好的研究成果，為礦用空氣壓縮機的研究奠定了良好的基礎。就現階段來說，對于礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏的識別方法研究還較少，需要進一步深入研究。管路氣體泄漏識別方面還存在以下問題。

2.1 識別方法精準度不夠

當前主要利用壓力傳感器、振動傳感器一類的接觸式傳感器進行識別，但管路內部因壓縮氣體的高速流動、管內氣體壓力較高，在氣體泄漏前期傳感器無法精準定位泄漏位置。

2.2 識別環境干擾度較大

若利用部分非接觸式的識別方法，如聲音、超聲波等，在礦用空氣壓縮機的機房內部進行識別，會受到設備噪聲的干擾，氣體泄漏識別的有效性難以保證。

2.3 識別技術存在不足

利用紅外熱像儀進行氣體泄漏識別，會受到紅外光學系統以及相關核心芯片及處理技術的影響，造成形成的紅外圖像噪聲較大，對比度不夠［2］。

另外，紅外波段有大氣窗口存在，紅外熱像儀實現直接對氣體泄漏形狀特征的有效識別有較大難度，只能通過管路泄漏氣體周圍環境的氣溫變化來實現對氣體泄漏形狀特征的間接識別。因此，應對氣體泄漏的成像做進一步的分割和特征提煉，才能準確定位管路氣體泄漏位置，識別工作煩瑣且難度較大。

3 礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏識別工作

3.1 構建識別系統

為提高礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏識別的準確性和工作效率，應構建礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏識別系統（如圖2所示），為開展高效化的管路氣體泄漏識別提供必要的設備系統支持和保障。

在礦用空氣壓縮機的壓縮氣體輸送管路與閥門的兩端，分開布設一部利用線路連接進行運行工作的紅外熱成像儀器，并結合紅外成像圖像技術一并使用。將紅外熱成像儀器連入礦用空氣壓縮機房內部的光線交流機之中，將紅外的視頻數據信號經由礦山光線環網的工業網線，傳輸到遠程的監控中心，并傳輸到監控中心的紅外識別系統當中［3］。利用計算機技術對收集的紅外成像進行必要的降噪處理，對降噪處理完成的紅外成像圖像，進行分割和特征提煉，進一步明晰氣體泄漏的形狀特征，之后利用礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏的故障識別技術，實現紅外監控錄像與氣體泄漏識別成果在監控中心顯示器出現的目的，從而全面達成對礦山生產作業礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏高效識別與管理的目標。

3.2 明確識別流程

在礦用空氣壓縮機管路出現氣體泄漏的情況時，由于壓縮氣體本身具有高溫高壓的特性，會導致氣體泄漏的位置或有明顯的溫度變化，管路氣體泄漏位置的溫度會明顯高于未發生氣體泄漏位置的溫度，紅外熱成像儀器在接收到管路產生的紅外輻射后，可實現對管路氣體泄漏位置的精準識別，并經由處理和分析后，可形成有效的光學圖像影像，以及管路氣體泄漏位置的溫度情況，利用持續的光學圖像影響監控，從而實現對管路溫度變化的實時監控［4］。但是，受制于紅外熱成像儀器本身的設備缺點，所形成的紅外圖像有較為明顯的噪點噪聲，這一部分的噪點噪聲會對礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏識別的準確性和有效性產生一定的影響。所以，需要對收集的紅外圖像實施必要的預先處理，降低紅外圖像的噪點噪聲，提升紅外圖像的清晰度，從而進一步提升礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏識別的準確性和有效性，提高解決處理氣體泄漏工作的效率和質量，促進礦用空氣壓縮機管路實現輸送壓縮氣體的高效化［5］。

3.3 選用識別方法

3.3.1 管路氣體泄漏溫度識別方法。礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏位置的溫度會明顯高于周圍正常管路的溫度，基于這一特點，可利用管路氣體泄漏導熱模型，來實現對管路氣體泄漏位置的有效識別，提升識別的準確性［6］。溫度上升表示出現了熱量傳遞，傳熱的方式主要有熱傳導、對流和輻射三種，因壓縮氣體具有高溫高壓的特性，在發生泄漏情況時，會與周圍自然空氣產生較大的接觸和摩擦，并產生熱量交換發生熱傳導的強制對流；當高速運動的壓縮氣體與管路發生接觸時，同樣形成了強制對流的情況，這也是管路氣體泄漏位置溫度出現變化的原因，如圖3所示。

壓縮氣體在管路內部高速流動時，遇到泄漏位置會有一部分壓縮氣體從泄漏位置流出，導致管路泄漏位置的溫度出現變化，同時會向周圍管路實施熱傳導的熱量傳遞，是一種處于非穩態狀況下的熱量傳遞現象。可得導熱公式如式（1）。

式中：Q為單位體積內熱量源頭產生的熱量，W/m3；λ為導熱的系數值域，W/( m·K)；T為物體的溫度，K。由式（1）可知，在已知管路材料熱導率或比熱容、管路氣體泄漏位置的規格尺寸、熱傳導的開始溫度、邊界數據信息等相關數據時，就可得出有效特解。利用管路氣體泄漏導熱模型公式得出特解后，可準確定位發生管路氣體泄漏的位置，并進行下一步操作［7］。

3.3.2 管路氣體泄漏紅外成像技術處理方法。根據管路氣體泄漏導熱模型確定出現氣體泄漏位置，利用紅外成像儀器對氣體泄漏位置進行紅外成像操作，成像后的圖像存在較大的噪點噪聲，對比度也不高，需要進行相應的處理來提高紅外成像圖像的清晰度。基于以往的降噪方法，從頻域濾波法中受到啟發，提出小波閾值去噪方法，這個方法與傅里葉變換的本質有相似之處，但更加簡單方便，小波變化可實現對不同處理信號需求的有效去噪。紅外成像圖像的噪點噪聲多數是來自紅外成像儀器外界的電磁波干擾，以及成像設備系統內部的原件噪聲［8］。可得公式（2）。

式中：Xij為不含有噪聲的圖像；Yij為含有噪聲的圖像；δ為乘性噪聲；Np為加性噪聲。紅外成像圖像需要將其中的乘性噪聲與加性噪聲全部去除，才能獲取不含噪聲的清晰紅外成像圖像。

4 結語

綜上所述，礦用空氣壓縮機管理氣體泄漏的有效識別，是保證壓縮氣體有效輸送至井下的重要條件。在識別管路氣體泄漏位置時，可結合管路氣體泄漏導熱模型對泄漏位置實現準確定位，再利用紅外成像儀器對泄漏位置拍攝紅外成像圖像，但通常都需要經過后續處理，來提升紅外成像的清晰度，進一步提高處理管路氣體泄漏問題的工作效率，確保管路氣體泄漏不會造成更大的安全生產事故。加強對礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏識別的工作管理，促進礦山生產實現安全高效的發展。