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(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，在生產(chǎn)作業(yè)中存在風(fēng)險(xiǎn)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(duì)礦山生產(chǎn)作業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)、流程、管理等做進(jìn)一步的優(yōu)化和改善，提升礦山生產(chǎn)作業(yè)效率的同時(shí)，最大限度實(shí)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(zhǎng)期處于井下，是相對(duì)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(huì)對(duì)井下礦山生產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生直接的影響，對(duì)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(jī)，該設(shè)備產(chǎn)生壓縮空氣，用來給噴漿機(jī)、井上下操車設(shè)備、鍛釬機(jī)等氣動(dòng)設(shè)備提供動(dòng)力支持［1］。礦用空氣壓縮機(jī)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(jī)在進(jìn)行氣體壓縮時(shí)，會(huì)有一部分的壓縮氣體被浪費(fèi)和損失，造成浪費(fèi)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(xiǎn)隱患，因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣體泄漏顯得尤為重要。

1 礦用空氣壓縮機(jī)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(dòng)設(shè)備的正常運(yùn)行。通常會(huì)組建礦用壓風(fēng)系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)壓縮氣體的有效輸送，利用礦用空氣壓縮機(jī)，對(duì)空氣進(jìn)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(dòng)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(dòng)設(shè)備，為氣動(dòng)設(shè)備的運(yùn)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(yùn)行中，壓縮氣體經(jīng)由管路輸送的過程，會(huì)出現(xiàn)氣體泄漏的情況，影響氣體輸送的實(shí)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(gè)管路中較為薄弱的位置，壓縮氣體在離開空氣壓縮機(jī)后會(huì)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(huì)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(huì)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(shí)，就會(huì)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(huì)受到壓縮氣體高溫高壓的影響，在長(zhǎng)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(jī)管路氣體泄漏識(shí)別問題分析

對(duì)于礦用空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、氣體泄漏檢測(cè)技術(shù)等方面，已有較好的研究成果，為礦用空氣壓縮機(jī)的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。就現(xiàn)階段來說，對(duì)于礦用空氣壓縮機(jī)管路氣體泄漏的識(shí)別方法研究還較少，需要進(jìn)一步深入研究。管路氣體泄漏識(shí)別方面還存在以下問題。

2.1 識(shí)別方法精準(zhǔn)度不夠

當(dāng)前主要利用壓力傳感器、振動(dòng)傳感器一類的接觸式傳感器進(jìn)行識(shí)別，但管路內(nèi)部因壓縮氣體的高速流動(dòng)、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(shí)別環(huán)境干擾度較大

若利用部分非接觸式的識(shí)別方法，如聲音、超聲波等，在礦用空氣壓縮機(jī)的機(jī)房?jī)?nèi)部進(jìn)行識(shí)別，會(huì)受到設(shè)備噪聲的干擾，氣體泄漏識(shí)別的有效性難以保證。

2.3 識(shí)別技術(shù)存在不足

利用紅外熱像儀進(jìn)行氣體泄漏識(shí)別，會(huì)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(duì)比度不夠［2］。

另外，紅外波段有大氣窗口存在，紅外熱像儀實(shí)現(xiàn)直接對(duì)氣體泄漏形狀特征的有效識(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)氣體泄漏形狀特征的間接識(shí)別。因此，應(yīng)對(duì)氣體泄漏的成像做進(jìn)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(shí)別工作煩瑣且難度較大。

3 礦用空氣壓縮機(jī)管路氣體泄漏識(shí)別工作

3.1 構(gòu)建識(shí)別系統(tǒng)

為提高礦用空氣壓縮機(jī)管路氣體泄漏識(shí)別的準(zhǔn)確性和工作效率，應(yīng)構(gòu)建礦用空氣壓縮機(jī)管路氣體泄漏識(shí)別系統(tǒng)（如圖2所示），為開展高效化的管路氣體泄漏識(shí)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(jī)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(jìn)行運(yùn)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(jī)房?jī)?nèi)部的光線交流機(jī)之中，將紅外的視頻數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)由礦山光線環(huán)網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)線，傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的監(jiān)控中心，并傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的紅外識(shí)別系統(tǒng)當(dāng)中［3］。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)收集的紅外成像進(jìn)行必要的降噪處理，對(duì)降噪處理完成的紅外成像圖像，進(jìn)行分割和特征提煉，進(jìn)一步明晰氣體泄漏的形狀特征，之后利用礦用空氣壓縮機(jī)管路氣體泄漏的故障識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)紅外監(jiān)控錄像與氣體泄漏識(shí)別成果在監(jiān)控中心顯示器出現(xiàn)的目的，從而全面達(dá)成對(duì)礦山生產(chǎn)作業(yè)礦用空氣壓縮機(jī)管路氣體泄漏高效識(shí)別與管理的目標(biāo)。

3.2 明確識(shí)別流程

在礦用空氣壓縮機(jī)管路出現(xiàn)氣體泄漏的情況時(shí)，由于壓縮氣體本身具有高溫高壓的特性，會(huì)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(huì)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(shí)現(xiàn)對(duì)管路氣體泄漏位置的精準(zhǔn)識(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)管路溫度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控［4］。但是，受制于紅外熱成像儀器本身的設(shè)備缺點(diǎn)，所形成的紅外圖像有較為明顯的噪點(diǎn)噪聲，這一部分的噪點(diǎn)噪聲會(huì)對(duì)礦用空氣壓縮機(jī)管路氣體泄漏識(shí)別的準(zhǔn)確性和有效性產(chǎn)生一定的影響。所以，需要對(duì)收集的紅外圖像實(shí)施必要的預(yù)先處理，降低紅外圖像的噪點(diǎn)噪聲，提升紅外圖像的清晰度，從而進(jìn)一步提升礦用空氣壓縮機(jī)管路氣體泄漏識(shí)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(jìn)礦用空氣壓縮機(jī)管路實(shí)現(xiàn)輸送壓縮氣體的高效化［5］。

3.3 選用識(shí)別方法

3.3.1 管路氣體泄漏溫度識(shí)別方法。礦用空氣壓縮機(jī)管路氣體泄漏位置的溫度會(huì)明顯高于周圍正常管路的溫度，基于這一特點(diǎn)，可利用管路氣體泄漏導(dǎo)熱模型，來實(shí)現(xiàn)對(duì)管路氣體泄漏位置的有效識(shí)別，提升識(shí)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(duì)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(shí)，會(huì)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(qiáng)制對(duì)流；當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的壓縮氣體與管路發(fā)生接觸時(shí)，同樣形成了強(qiáng)制對(duì)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(dòng)時(shí)，遇到泄漏位置會(huì)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(shí)會(huì)向周圍管路實(shí)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(shí)，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(jìn)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(duì)氣體泄漏位置進(jìn)行紅外成像操作，成像后的圖像存在較大的噪點(diǎn)噪聲，對(duì)比度也不高，需要進(jìn)行相應(yīng)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?yàn)V波法中受到啟發(fā)，提出小波閾值去噪方法，這個(gè)方法與傅里葉變換的本質(zhì)有相似之處，但更加簡(jiǎn)單方便，小波變化可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同處理信號(hào)需求的有效去噪。紅外成像圖像的噪點(diǎn)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(jī)管理氣體泄漏的有效識(shí)別，是保證壓縮氣體有效輸送至井下的重要條件。在識(shí)別管路氣體泄漏位置時(shí)，可結(jié)合管路氣體泄漏導(dǎo)熱模型對(duì)泄漏位置實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，再利用紅外成像儀器對(duì)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(jìn)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(huì)造成更大的安全生產(chǎn)事故。加強(qiáng)對(duì)礦用空氣壓縮機(jī)管路氣體泄漏識(shí)別的工作管理，促進(jìn)礦山生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)安全高效的發(fā)展。