矿用空气压缩机管路气体泄漏识别方法研究

程海鹏

（河南安科院安全科技服务有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

矿山生产作业是保障能源安全的关键环节，确保矿山生产作业安全且高效，既是完成能源开采工作任务的重要保证，也是矿山工人身体健康和生命安全的重要保障。矿山生产作业属于劳动密集型产业，在生产作业中存在风险隐患，为有效降低各类安全生产事故的发生概率，需要对矿山生产作业的各个环节、流程、管理等做进一步的优化和改善，提升矿山生产作业效率的同时，最大限度实现降低安全生产事故发生的可能性。矿山生产作业长期处于井下，是相对密闭且氧气稀薄的工作环境，在这样的情况下，气体输送的效果在很大程度上会对井下矿山生产作业产生直接的影响，对矿山生产作业的效率和安全有着十分关键的影响。为保证气体输送效果，需要应用矿用空气压缩机，该设备产生压缩空气，用来给喷浆机、井上下操车设备、锻钎机等气动设备提供动力支持［1］。矿用空气压缩机输出的气体具备富氧性，能为矿山工人提供氧气充足的生产作业环境。矿用空气压缩机在进行气体压缩时，会有一部分的压缩气体被浪费和损失，造成浪费和损失的原因有管路损坏、人为因素、压缩流程未按规定操作等，使压缩气体输送至井下的过程埋下了一些风险隐患，因此，及时发现气体泄漏显得尤为重要。

1 矿用空气压缩机管路气体泄漏原因分析

矿山的生产作业中需要使用大量的压缩气体来保证气动设备的正常运行。通常会组建矿用压风系统，来实现压缩气体的有效输送，利用矿用空气压缩机，对空气进行压缩，通过管路将压缩气体输送到风包中，风包的主要作用是提高风压、缓解压缩气体的波动状态、将压缩气体内部的水蒸气去除等。经过风包的处理后，再输送给井下的气动设备，为气动设备的运行提供保障，矿用风压系统模型如图1所示。

在矿用风压系统运行中，压缩气体经由管路输送的过程，会出现气体泄漏的情况，影响气体输送的实际效果，造成了压缩气体的部分损失。造成管路气体泄漏的原因主要有以下几方面。首先，管路之间的连接处出现泄漏。通常情况下管路连接处是整个管路中较为薄弱的位置，压缩气体在离开空气压缩机后会带有较高温度和较高气压，极易导致管路连接处出现开裂，并发生气体泄漏，在管路连接处泄漏的气体会呈现小孔形状。其次，管路的腐蚀处出现泄漏。输送压缩气体的管路，会受到压缩气体的影响产生腐蚀，导致管路部分位置变薄变得脆弱，当难以承受压缩气体的高温高压状态时，就会发生气体泄漏，气体泄漏的形状与管路连接处一致。最后，管路和阀门之间的连接处出现泄漏。管路与阀门的连接处也会受到压缩气体高温高压的影响，在长期的压缩气体输送过程中，造成连接处出现损耗，导致连接处的密封状态出现不同程度的腐蚀情况，导致压缩气体在管路与阀门的连接处出现散发性的泄漏。

2 矿用空气压缩机管路气体泄漏识别问题分析

对于矿用空气压缩机的运行状态监控、气体泄漏检测技术等方面，已有较好的研究成果，为矿用空气压缩机的研究奠定了良好的基础。就现阶段来说，对于矿用空气压缩机管路气体泄漏的识别方法研究还较少，需要进一步深入研究。管路气体泄漏识别方面还存在以下问题。

2.1 识别方法精准度不够

当前主要利用压力传感器、振动传感器一类的接触式传感器进行识别，但管路内部因压缩气体的高速流动、管内气体压力较高，在气体泄漏前期传感器无法精准定位泄漏位置。

2.2 识别环境干扰度较大

若利用部分非接触式的识别方法，如声音、超声波等，在矿用空气压缩机的机房内部进行识别，会受到设备噪声的干扰，气体泄漏识别的有效性难以保证。

2.3 识别技术存在不足

利用红外热像仪进行气体泄漏识别，会受到红外光学系统以及相关核心芯片及处理技术的影响，造成形成的红外图像噪声较大，对比度不够［2］。

另外，红外波段有大气窗口存在，红外热像仪实现直接对气体泄漏形状特征的有效识别有较大难度，只能通过管路泄漏气体周围环境的气温变化来实现对气体泄漏形状特征的间接识别。因此，应对气体泄漏的成像做进一步的分割和特征提炼，才能准确定位管路气体泄漏位置，识别工作烦琐且难度较大。

3 矿用空气压缩机管路气体泄漏识别工作

3.1 构建识别系统

为提高矿用空气压缩机管路气体泄漏识别的准确性和工作效率，应构建矿用空气压缩机管路气体泄漏识别系统（如图2所示），为开展高效化的管路气体泄漏识别提供必要的设备系统支持和保障。

在矿用空气压缩机的压缩气体输送管路与阀门的两端，分开布设一部利用线路连接进行运行工作的红外热成像仪器，并结合红外成像图像技术一并使用。将红外热成像仪器连入矿用空气压缩机房内部的光线交流机之中，将红外的视频数据信号经由矿山光线环网的工业网线，传输到远程的监控中心，并传输到监控中心的红外识别系统当中［3］。利用计算机技术对收集的红外成像进行必要的降噪处理，对降噪处理完成的红外成像图像，进行分割和特征提炼，进一步明晰气体泄漏的形状特征，之后利用矿用空气压缩机管路气体泄漏的故障识别技术，实现红外监控录像与气体泄漏识别成果在监控中心显示器出现的目的，从而全面达成对矿山生产作业矿用空气压缩机管路气体泄漏高效识别与管理的目标。

3.2 明确识别流程

在矿用空气压缩机管路出现气体泄漏的情况时，由于压缩气体本身具有高温高压的特性，会导致气体泄漏的位置或有明显的温度变化，管路气体泄漏位置的温度会明显高于未发生气体泄漏位置的温度，红外热成像仪器在接收到管路产生的红外辐射后，可实现对管路气体泄漏位置的精准识别，并经由处理和分析后，可形成有效的光学图像影像，以及管路气体泄漏位置的温度情况，利用持续的光学图像影响监控，从而实现对管路温度变化的实时监控［4］。但是，受制于红外热成像仪器本身的设备缺点，所形成的红外图像有较为明显的噪点噪声，这一部分的噪点噪声会对矿用空气压缩机管路气体泄漏识别的准确性和有效性产生一定的影响。所以，需要对收集的红外图像实施必要的预先处理，降低红外图像的噪点噪声，提升红外图像的清晰度，从而进一步提升矿用空气压缩机管路气体泄漏识别的准确性和有效性，提高解决处理气体泄漏工作的效率和质量，促进矿用空气压缩机管路实现输送压缩气体的高效化［5］。

3.3 选用识别方法

3.3.1 管路气体泄漏温度识别方法。矿用空气压缩机管路气体泄漏位置的温度会明显高于周围正常管路的温度，基于这一特点，可利用管路气体泄漏导热模型，来实现对管路气体泄漏位置的有效识别，提升识别的准确性［6］。温度上升表示出现了热量传递，传热的方式主要有热传导、对流和辐射三种，因压缩气体具有高温高压的特性，在发生泄漏情况时，会与周围自然空气产生较大的接触和摩擦，并产生热量交换发生热传导的强制对流；当高速运动的压缩气体与管路发生接触时，同样形成了强制对流的情况，这也是管路气体泄漏位置温度出现变化的原因，如图3所示。

压缩气体在管路内部高速流动时，遇到泄漏位置会有一部分压缩气体从泄漏位置流出，导致管路泄漏位置的温度出现变化，同时会向周围管路实施热传导的热量传递，是一种处于非稳态状况下的热量传递现象。可得导热公式如式（1）。

式中：Q为单位体积内热量源头产生的热量，W/m3；λ为导热的系数值域，W/( m·K)；T为物体的温度，K。由式（1）可知，在已知管路材料热导率或比热容、管路气体泄漏位置的规格尺寸、热传导的开始温度、边界数据信息等相关数据时，就可得出有效特解。利用管路气体泄漏导热模型公式得出特解后，可准确定位发生管路气体泄漏的位置，并进行下一步操作［7］。

3.3.2 管路气体泄漏红外成像技术处理方法。根据管路气体泄漏导热模型确定出现气体泄漏位置，利用红外成像仪器对气体泄漏位置进行红外成像操作，成像后的图像存在较大的噪点噪声，对比度也不高，需要进行相应的处理来提高红外成像图像的清晰度。基于以往的降噪方法，从频域滤波法中受到启发，提出小波阈值去噪方法，这个方法与傅里叶变换的本质有相似之处，但更加简单方便，小波变化可实现对不同处理信号需求的有效去噪。红外成像图像的噪点噪声多数是来自红外成像仪器外界的电磁波干扰，以及成像设备系统内部的原件噪声［8］。可得公式（2）。

式中：Xij为不含有噪声的图像；Yij为含有噪声的图像；δ为乘性噪声；Np为加性噪声。红外成像图像需要将其中的乘性噪声与加性噪声全部去除，才能获取不含噪声的清晰红外成像图像。

4 结语

综上所述，矿用空气压缩机管理气体泄漏的有效识别，是保证压缩气体有效输送至井下的重要条件。在识别管路气体泄漏位置时，可结合管路气体泄漏导热模型对泄漏位置实现准确定位，再利用红外成像仪器对泄漏位置拍摄红外成像图像，但通常都需要经过后续处理，来提升红外成像的清晰度，进一步提高处理管路气体泄漏问题的工作效率，确保管路气体泄漏不会造成更大的安全生产事故。加强对矿用空气压缩机管路气体泄漏识别的工作管理，促进矿山生产实现安全高效的发展。