摘　要：低溫煤層氣爆炸極限測試裝置的研制是液化過程燃爆危險性研究的技術難點與關鍵問題，對煤層氣液化裝置的安全生產有重要意義。針對液化工藝中的低溫工況，設計在低溫工況下煤層氣的爆炸極限測試裝置，進行主要設備選型并制定試驗方案，為下一步試驗的順利開展奠定了基礎。

關鍵詞：煤層氣液化  低溫工況  爆炸極限  低溫煤層氣

Design of Test Device for Explosive Limits of Coal-bed Methane at Low Temperature

Abstract：The development of test device of explosive limits of coal-bed methane at low temperature is a technical difficulty and a key problem in research on explosion hazards in liquefaction process．It has imporrant significance for safety production of liquefaction equipment of coal-bed methane．A test device for explosive limits of coal-bed methane is designed based on low temperature condition in liquefaction process．The type selection of main equipment is performed，and the testing program is established to lay the foundation of successful completion of next testing．

Key words：coal-bed methane liquefaction；low temperature condition；explosive limit；coal-bed methane at low temperature

1　概述

煤層氣加壓凈化后，輸入低溫液化系統，可以實現煤層氣中甲烷的液化分離，對擴展煤層氣的有效利用和提高經濟價值具有重要意義。煤層氣中主要含有體積分數30％～70％的甲烷，此外還含有惰性氣體及氧氣等氣體，在液化過程中氣體組成發生變化，遇到殘余重烴液滴及粉塵碰撞產生的零星火花或外界熱源影響時，可能發生燃燒爆炸。結合丙烷預冷的混合制冷劑液化工藝和氮膨脹液化工藝^[1-2]，分析液化流程中各節點參數的模擬結果，得出液化過程中煤層氣低溫工況下危險性較高的是分餾階段(溫度為-l60～-l70℃、壓力為0.1～0.3MPa)。在分餾過程中，降溫后的煤層氣經過節流，壓力降低，甲烷液化，分離出氧氣、氮氣，該階段屬于低溫低壓的工況范圍。由于分餾塔頂部氣相甲烷含量較少，可能會處于爆炸極限范圍內，有可能導致液化工藝中燃爆事故的發生。

評價煤層氣燃爆危險特性的技術參數主要是爆炸極限，可通過估算和試驗獲得。目前研究的理論預測方法有基團貢獻法、神經網絡法、化學平衡估算法、F-number分析法及其改進方法、Le Chatelier計算法及其修正方法、絕熱火焰溫度預測法^[3]。現有模型種類較多，但精確度大多不理想。目前用于高壓條件下氣體爆炸極限測試的試驗裝置有金屬長圓柱測試裝置和球形玻璃燒瓶測試裝置^[3]。國外多采用球形玻璃燒瓶測試裝置，爆炸初始壓力高達3MPa^[4-5]。國內一般采用金屬長圓柱測試裝置，爆炸初始壓力多在1MPa以內，雖然已有廠家進行了球形玻璃燒瓶測試裝置的研發，正在應用的是HWP21-10S爆炸極限測試儀，它只能測試可燃氣體初始壓力為0.1MPa，初始溫度為-5～200℃的爆炸極限。

為研究低溫工況下煤層氣的爆炸特性，本文設計了低溫工況下爆炸極限測試裝置，對主要設備進行選型并制定試驗方案，為完善整個液化過程不同階段的煤層氣燃爆特性參數數據做了良好鋪墊。

2　測試裝置設計

2．1　設計思路

由于液化工藝的溫度較低，要求氣體爆炸極限測定裝置能在低溫下工作。目前低溫工況下的氣體爆炸極限測定方法在國內外鮮有研究，幾乎沒有可參考的數據，因此增加了試驗臺的搭建難度。

本設計通過配氣系統模擬煤層氣在低溫容器中的爆炸現象，并利用溫控系統調節低溫容器內的溫度。溫控系統工作前，樣氣組分全部為氣態；溫控系統工作后，由于低溫的出現，導致樣氣中部分甲烷開始液化，待甲烷處于氣液平衡狀態后開始低溫爆炸極限測定試驗。

結合煤層氣液化工藝，液化過程的低溫工況有兩個階段，一是降溫階段(溫度為0～-l70℃、壓力為5～5.3MPa) ^[2]，二是分餾階段。降溫階段煤層氣通過制冷流程進行液化，該階段壓力基本不變，溫度逐漸降低，甲烷逐漸達到液化溫度，屬于低溫高壓。分餾階段屬于低溫低壓。為了實現兩個階段的試驗測量，本試驗裝置中的管道系統及其附屬設備按最高工作壓力為5.3MPa設計，低溫爆炸容器的抗爆壓力按150MPa設計。

低溫工況下煤層氣爆炸極限的測試裝置流程按功能分為吹掃流程及引爆試驗流程。吹掃流程：在進行試驗之前必須對管道進行吹掃，即打開氮氣氣瓶出口閥門，用氮氣吹掃整個回路，由放散管集中排放。引爆試驗流程：關閉氮氣氣瓶出口閥門，啟動真空泵將低溫爆炸容器抽至-0.02MPa；關閉真空泵，依次打開氮氣、氧氣、甲烷氣瓶，按比例充入到低溫爆炸容器內；待各組分充分混合均勻后利用超低溫試驗箱降溫，進行引爆試驗。低溫工況下煤層氣爆炸極限測試裝置流程見圖l。

   根據測試裝置流程圖，其裝置主要由低溫爆炸容器、配氣系統、溫控系統、點火系統、檢測系統等幾部分構成。

2．2．1  低溫爆炸容器

低溫爆炸容器是試驗裝置的核心部分，其設計方法對試驗結果有直接影響。根據文獻[3]，初始壓力為高壓時大多采用球形爆炸容器，其規格有5L、8L、12L和20L。本試驗中的低溫爆炸容器采用內徑為22.2cm，容積為5L，材質為9％Ni鋼的球形爆炸容器。低溫爆炸容器的抗爆壓力為l50MPa，溫度變化范圍為-170～50℃。為保證低溫爆炸容器的安全性，容器上安裝有安全閥，防止爆炸壓力過高造成危險。除安全閥外還裝有壓力表、溫度傳感器、壓力傳感器、點火裝置等。

2．2．2配氣系統

試驗主要研究低溫工況下含空氣煤層氣的爆炸特性。試驗樣氣成分為甲烷和空氣，空氣用氧氣和氮氣配制，體積比為21：79。初始樣氣由體積分數為l0％的甲烷，體積分數為90％的空氣組成。試驗過程中逐步改變甲烷的體積分數得到爆炸極限。

配氣系統包括：甲烷、氧氣和氮氣鋼瓶(容積為40L，工作壓力為5.3MPa，工作溫度為20℃)、自動切換裝置(當氣瓶壓力不滿足試驗要求時自動切換至新的氣瓶)、真空泵(功率為130W)及精密數字真空表。

具體步驟如下：

①氮氣吹掃后，用真空泵將低溫爆炸容器抽真空；打開氮氣氣瓶出口閥，向低溫爆炸容器內充至所設定的壓力，再充入氧氣至設定壓力，最后充入甲烷到試驗爆炸初始壓力。

②靜置一段時間使氣體充分混合，混合氣配制完畢待用。

2．2．3溫控系統

進行低溫試驗時，爆炸初始溫度低至-170℃，為滿足溫度要求，降溫系統采用超低溫試驗箱，液氮冷卻，溫度由智能儀表自動控制。降溫系統主要設備參數見表1。

2．2．4點火系統

根據文獻[6]，高壓常溫試驗時采用螺旋鎢絲熔斷點火，點火能為10J，放電時間為0.04s。由于溫度壓力的降低點火能增大，在低溫低壓時，需要較大的點火能，因此，選用測試裝置點火能為10～20J。

2．2．5檢測系統

①溫度傳感器

試驗裝置內煤層氣樣氣的溫度采集對試驗數據準確度十分重要，低溫試驗裝置采用HNll0型線性超低溫溫度傳感器，測量范圍為-200～50℃。

②壓力傳感器

a．爆炸壓力傳感器

煤層氣爆炸壓力的測量精度將對試驗結果產生很大影響，本設計需選用量程較廣且靈敏度高的壓力傳感器。文獻[6—7]中多采用KISTLER 601H或6038型通用壓力傳感器，但上述傳感器的靈敏度與專門的爆炸壓力傳感器相比靈敏度較差。因此，采用KISTLER6203型爆炸壓力傳感器，量程為0～500MPa。

b．初始壓力傳感器

試驗初始壓力的測量精度對試驗結果的分析具有很大影響，煤層氣樣氣壓力范圍為0～5.3Mpa。通過調研^[4，7]，采用MPM388型壓阻式壓力傳感器，其量程為0～7MPa。

3　試驗方案

對于同一氣源，采用不同的測試方法得到的爆炸極限不同。

3.1　爆炸判定標準

對于低溫密閉容器，通常根據壓力變化來判定爆炸的發生。根據美國材料試驗協會頒布的AST-ME 918-83《溫度和壓力升高時化學藥品易燃極限的測定》標準，密閉容器中爆炸極限的測定采用爆炸超壓(爆炸時的壓力與爆炸初始壓力之差)與爆炸初始壓力的比值大于7％作為爆炸發生的判定標準。德國標準化學協會頒布的EN l839《氣體和蒸氣爆炸極限的測定》規定，在排除點火器引起壓力增加的基礎上爆炸超壓與爆炸初始壓力的比值大于5％即判定爆炸發生。文獻[5]和[7]分別采用爆炸超壓與爆炸初始壓力之比大于1％、2％為判定標準。De Smedt等^[8]。通過對ASTME 918-83標準進行分析，指出7％的判斷標準太高，而采用壓力增加2％又太過靈敏。因此，本試驗參照EN l839標準的判定方法，以爆炸超壓與爆炸初始壓力之比大于5％作為爆炸判定標準。

本文根據EN l839標準，采用逐步逼近法以無法點燃的分界點作為爆炸極限。對每組樣氣在同一溫度壓力工況下進行3次重復試驗，發生l次引爆則視為爆炸。

4　結論

為研究液化工藝中低溫工況下燃爆的主要特性參數，本文設計了這套煤層氣的爆炸極限測試裝置，為下一步試驗的順利開展奠定了基礎，對有效解決煤層氣液化過程燃爆危險性研究的技術難點與關鍵問題做了良好的鋪墊。

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本文作者：劉  楊  李自力  唐建峰  王傳磊

作者單位：中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院