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(wù)有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

礦山生產(chǎn)作業(yè)是保障能源安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確保礦山生產(chǎn)作業(yè)安全且高效，既是完成能源開采工作任務(wù)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(chǎn)作業(yè)屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，在生產(chǎn)作業(yè)中存在風(fēng)險隱患，為有效降低各類安全生產(chǎn)事故的發(fā)生概率，需要對礦山生產(chǎn)作業(yè)的各個環(huán)節(jié)、流程、管理等做進一步的優(yōu)化和改善，提升礦山生產(chǎn)作業(yè)效率的同時，最大限度實現(xiàn)降低安全生產(chǎn)事故發(fā)生的可能性。礦山生產(chǎn)作業(yè)長期處于井下，是相對密閉且氧氣稀薄的工作環(huán)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(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生直接的影響，對礦山生產(chǎn)作業(yè)的效率和安全有著十分關(guān)鍵的影響。為保證氣體輸送效果，需要應(yīng)用礦用空氣壓縮機，該設(shè)備產(chǎn)生壓縮空氣，用來給噴漿機、井上下操車設(shè)備、鍛釬機等氣動設(shè)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(chǎn)作業(yè)環(huán)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(guī)定操作等，使壓縮氣體輸送至井下的過程埋下了一些風(fēng)險隱患，因此，及時發(fā)現(xiàn)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(chǎn)作業(yè)中需要使用大量的壓縮氣體來保證氣動設(shè)備的正常運行。通常會組建礦用壓風(fēng)系統(tǒng)，來實現(xiàn)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(fēng)包中，風(fēng)包的主要作用是提高風(fēng)壓、緩解壓縮氣體的波動狀態(tài)、將壓縮氣體內(nèi)部的水蒸氣去除等。經(jīng)過風(fēng)包的處理后，再輸送給井下的氣動設(shè)備，為氣動設(shè)備的運行提供保障，礦用風(fēng)壓系統(tǒng)模型如圖1所示。

在礦用風(fēng)壓系統(tǒng)運行中，壓縮氣體經(jīng)由管路輸送的過程，會出現(xiàn)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(xiàn)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(dǎo)致管路連接處出現(xiàn)開裂，并發(fā)生氣體泄漏，在管路連接處泄漏的氣體會呈現(xiàn)小孔形狀。其次，管路的腐蝕處出現(xiàn)泄漏。輸送壓縮氣體的管路，會受到壓縮氣體的影響產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)致管路部分位置變薄變得脆弱，當(dāng)難以承受壓縮氣體的高溫高壓狀態(tài)時，就會發(fā)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(xiàn)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(xiàn)損耗，導(dǎo)致連接處的密封狀態(tài)出現(xiàn)不同程度的腐蝕情況，導(dǎo)致壓縮氣體在管路與閥門的連接處出現(xiàn)散發(fā)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(tài)監(jiān)控、氣體泄漏檢測技術(shù)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(chǔ)。就現(xiàn)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(zhǔn)度不夠

當(dāng)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(nèi)部因壓縮氣體的高速流動、管內(nèi)氣體壓力較高，在氣體泄漏前期傳感器無法精準(zhǔn)定位泄漏位置。

2.2 識別環(huán)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(nèi)部進行識別，會受到設(shè)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(shù)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(xué)系統(tǒng)以及相關(guān)核心芯片及處理技術(shù)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(xiàn)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(huán)境的氣溫變化來實現(xiàn)對氣體泄漏形狀特征的間接識別。因此，應(yīng)對氣體泄漏的成像做進一步的分割和特征提煉，才能準(zhǔn)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(gòu)建識別系統(tǒng)

為提高礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏識別的準(zhǔn)確性和工作效率，應(yīng)構(gòu)建礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏識別系統(tǒng)（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(shè)備系統(tǒng)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(shè)一部利用線路連接進行運行工作的紅外熱成像儀器，并結(jié)合紅外成像圖像技術(shù)一并使用。將紅外熱成像儀器連入礦用空氣壓縮機房內(nèi)部的光線交流機之中，將紅外的視頻數(shù)據(jù)信號經(jīng)由礦山光線環(huán)網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)線，傳輸?shù)竭h程的監(jiān)控中心，并傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的紅外識別系統(tǒng)當(dāng)中［3］。利用計算機技術(shù)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(shù)，實現(xiàn)紅外監(jiān)控錄像與氣體泄漏識別成果在監(jiān)控中心顯示器出現(xiàn)的目的，從而全面達成對礦山生產(chǎn)作業(yè)礦用空氣壓縮機管路氣體泄漏高效識別與管理的目標(biāo)。

3.2 明確識別流程

在礦用空氣壓縮機管路出現(xiàn)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(dǎo)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(fā)生氣體泄漏位置的溫度，紅外熱成像儀器在接收到管路產(chǎn)生的紅外輻射后，可實現(xiàn)對管路氣體泄漏位置的精準(zhǔn)識別，并經(jīng)由處理和分析后，可形成有效的光學(xué)圖像影像，以及管路氣體泄漏位置的溫度情況，利用持續(xù)的光學(xué)圖像影響監(jiān)控，從而實現(xiàn)對管路溫度變化的實時監(jiān)控［4］。但是，受制于紅外熱成像儀器本身的設(shè)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(zhǔn)確性和有效性產(chǎn)生一定的影響。所以，需要對收集的紅外圖像實施必要的預(yù)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(zhǔn)確性和有效性，提高解決處理氣體泄漏工作的效率和質(zhì)量，促進礦用空氣壓縮機管路實現(xiàn)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(dǎo)熱模型，來實現(xiàn)對管路氣體泄漏位置的有效識別，提升識別的準(zhǔn)確性［6］。溫度上升表示出現(xiàn)了熱量傳遞，傳熱的方式主要有熱傳導(dǎo)、對流和輻射三種，因壓縮氣體具有高溫高壓的特性，在發(fā)生泄漏情況時，會與周圍自然空氣產(chǎn)生較大的接觸和摩擦，并產(chǎn)生熱量交換發(fā)生熱傳導(dǎo)的強制對流；當(dāng)高速運動的壓縮氣體與管路發(fā)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(xiàn)變化的原因，如圖3所示。

壓縮氣體在管路內(nèi)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(dǎo)致管路泄漏位置的溫度出現(xiàn)變化，同時會向周圍管路實施熱傳導(dǎo)的熱量傳遞，是一種處于非穩(wěn)態(tài)狀況下的熱量傳遞現(xiàn)象?？傻脤?dǎo)熱公式如式（1）。

式中：Q為單位體積內(nèi)熱量源頭產(chǎn)生的熱量，W/m3；λ為導(dǎo)熱的系數(shù)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(dǎo)率或比熱容、管路氣體泄漏位置的規(guī)格尺寸、熱傳導(dǎo)的開始溫度、邊界數(shù)據(jù)信息等相關(guān)數(shù)據(jù)時，就可得出有效特解。利用管路氣體泄漏導(dǎo)熱模型公式得出特解后，可準(zhǔn)確定位發(fā)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(shù)處理方法。根據(jù)管路氣體泄漏導(dǎo)熱模型確定出現(xiàn)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(yīng)的處理來提高紅外成像圖像的清晰度?；谝酝慕翟敕椒?，從頻域濾波法中受到啟發(fā)，提出小波閾值去噪方法，這個方法與傅里葉變換的本質(zhì)有相似之處，但更加簡單方便，小波變化可實現(xiàn)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(shù)是來自紅外成像儀器外界的電磁波干擾，以及成像設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部的原件噪聲［8］?？傻霉剑?）。

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(jié)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(jié)合管路氣體泄漏導(dǎo)熱模型對泄漏位置實現(xiàn)準(zhǔn)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(jīng)過后續(xù)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(chǎn)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(chǎn)實現(xiàn)安全高效的發(fā)展。