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(shù)難點(diǎn)與關(guān)鍵問題，對煤層氣液化裝置的安全生產(chǎn)有重要意義。針對液化工藝中的低溫工況，設(shè)計在低溫工況下煤層氣的爆炸極限測試裝置，進(jìn)行主要設(shè)備選型并制定試驗(yàn)方案，為下一步試驗(yàn)的順利開展奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)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(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)煤層氣中甲烷的液化分離，對擴(kuò)展煤層氣的有效利用和提高經(jīng)濟(jì)價值具有重要意義。煤層氣中主要含有體積分?jǐn)?shù)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(fā)生變化，遇到殘余重?zé)N液滴及粉塵碰撞產(chǎn)生的零星火花或外界熱源影響時，可能發(fā)生燃燒爆炸。結(jié)合丙烷預(yù)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(jié)點(diǎn)參數(shù)的模擬結(jié)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(jīng)過節(jié)流，壓力降低，甲烷液化，分離出氧氣、氮?dú)?，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(nèi)，有可能導(dǎo)致液化工藝中燃爆事故的發(fā)生。

評價煤層氣燃爆危險特性的技術(shù)參數(shù)主要是爆炸極限，可通過估算和試驗(yàn)獲得。目前研究的理論預(yù)測方法有基團(tuán)貢獻(xiàn)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、化學(xué)平衡估算法、F-number分析法及其改進(jìn)方法、Le Chatelier計算法及其修正方法、絕熱火焰溫度預(yù)測法^[3]?，F(xiàn)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(yàn)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(dá)3MPa^[4-5]。國內(nèi)一般采用金屬長圓柱測試裝置，爆炸初始壓力多在1MPa以內(nèi)，雖然已有廠家進(jìn)行了球形玻璃燒瓶測試裝置的研發(fā)，正在應(yīng)用的是HWP21-10S爆炸極限測試儀，它只能測試可燃?xì)怏w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(shè)計了低溫工況下爆炸極限測試裝置，對主要設(shè)備進(jìn)行選型并制定試驗(yàn)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(shù)數(shù)據(jù)做了良好鋪墊。

2　測試裝置設(shè)計

2．1　設(shè)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(nèi)外鮮有研究，幾乎沒有可參考的數(shù)據(jù)，因此增加了試驗(yàn)臺的搭建難度。

本設(shè)計通過配氣系統(tǒng)模擬煤層氣在低溫容器中的爆炸現(xiàn)象，并利用溫控系統(tǒng)調(diào)節(jié)低溫容器內(nèi)的溫度。溫控系統(tǒng)工作前，樣氣組分全部為氣態(tài)；溫控系統(tǒng)工作后，由于低溫的出現(xiàn)，導(dǎo)致樣氣中部分甲烷開始液化，待甲烷處于氣液平衡狀態(tài)后開始低溫爆炸極限測定試驗(yàn)。

結(jié)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(jìn)行液化，該階段壓力基本不變，溫度逐漸降低，甲烷逐漸達(dá)到液化溫度，屬于低溫高壓。分餾階段屬于低溫低壓。為了實(shí)現(xiàn)兩個階段的試驗(yàn)測量，本試驗(yàn)裝置中的管道系統(tǒng)及其附屬設(shè)備按最高工作壓力為5.3MPa設(shè)計，低溫爆炸容器的抗爆壓力按150MPa設(shè)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(yàn)流程。吹掃流程：在進(jìn)行試驗(yàn)之前必須對管道進(jìn)行吹掃，即打開氮?dú)鈿馄砍隹陂y門，用氮?dú)獯祾哒麄€回路，由放散管集中排放。引爆試驗(yàn)流程：關(guān)閉氮?dú)鈿馄砍隹陂y門，啟動真空泵將低溫爆炸容器抽至-0.02MPa；關(guān)閉真空泵，依次打開氮?dú)?、氧氣、甲烷氣瓶，按比例充入到低溫爆炸容器?nèi)；待各組分充分混合均勻后利用超低溫試驗(yàn)箱降溫，進(jìn)行引爆試驗(yàn)。低溫工況下煤層氣爆炸極限測試裝置流程見圖l。

   根據(jù)測試裝置流程圖，其裝置主要由低溫爆炸容器、配氣系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成。

2．2．1  低溫爆炸容器

低溫爆炸容器是試驗(yàn)裝置的核心部分，其設(shè)計方法對試驗(yàn)結(jié)果有直接影響。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，初始壓力為高壓時大多采用球形爆炸容器，其規(guī)格有5L、8L、12L和20L。本試驗(yàn)中的低溫爆炸容器采用內(nèi)徑為22.2cm，容積為5L，材質(zhì)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(diǎn)火裝置等。

2．2．2配氣系統(tǒng)

試驗(yàn)主要研究低溫工況下含空氣煤層氣的爆炸特性。試驗(yàn)樣氣成分為甲烷和空氣，空氣用氧氣和氮?dú)馀渲?，體積比為21：79。初始樣氣由體積分?jǐn)?shù)為l0％的甲烷，體積分?jǐn)?shù)為90％的空氣組成。試驗(yàn)過程中逐步改變甲烷的體積分?jǐn)?shù)得到爆炸極限。

配氣系統(tǒng)包括：甲烷、氧氣和氮?dú)怃撈?span lang="EN-US">(容積為40L，工作壓力為5.3MPa，工作溫度為20℃)、自動切換裝置(當(dāng)氣瓶壓力不滿足試驗(yàn)要求時自動切換至新的氣瓶)、真空泵(功率為130W)及精密數(shù)字真空表。

具體步驟如下：

①氮?dú)獯祾吆?，用真空泵將低溫爆炸容器抽真空；打開氮?dú)鈿馄砍隹陂y，向低溫爆炸容器內(nèi)充至所設(shè)定的壓力，再充入氧氣至設(shè)定壓力，最后充入甲烷到試驗(yàn)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(tǒng)

進(jìn)行低溫試驗(yàn)時，爆炸初始溫度低至-170℃，為滿足溫度要求，降溫系統(tǒng)采用超低溫試驗(yàn)箱，液氮冷卻，溫度由智能儀表自動控制。降溫系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)見表1。

2．2．4點(diǎn)火系統(tǒng)

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

2．2．5檢測系統(tǒng)

①溫度傳感器

試驗(yàn)裝置內(nèi)煤層氣樣氣的溫度采集對試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度十分重要，低溫試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果產(chǎn)生很大影響，本設(shè)計需選用量程較廣且靈敏度高的壓力傳感器。文獻(xiàn)[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(yàn)初始壓力的測量精度對試驗(yàn)結(jié)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(diào)研^[4，7]，采用MPM388型壓阻式壓力傳感器，其量程為0～7MPa。

3　試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)

對于低溫密閉容器，通常根據(jù)壓力變化來判定爆炸的發(fā)生。根據(jù)美國材料試驗(yàn)協(xié)會頒布的AST-ME 918-83《溫度和壓力升高時化學(xué)藥品易燃極限的測定》標(biāo)準(zhǔn)，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(fā)生的判定標(biāo)準(zhǔn)。德國標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)協(xié)會頒布的EN l839《氣體和蒸氣爆炸極限的測定》規(guī)定，在排除點(diǎn)火器引起壓力增加的基礎(chǔ)上爆炸超壓與爆炸初始壓力的比值大于5％即判定爆炸發(fā)生。文獻(xiàn)[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(biāo)準(zhǔn)。De Smedt等^[8]。通過對ASTME 918-83標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，指出7％的判斷標(biāo)準(zhǔn)太高，而采用壓力增加2％又太過靈敏。因此，本試驗(yàn)參照EN l839標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。

本文根據(jù)EN l839標(biāo)準(zhǔn)，采用逐步逼近法以無法點(diǎn)燃的分界點(diǎn)作為爆炸極限。對每組樣氣在同一溫度壓力工況下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，發(fā)生l次引爆則視為爆炸。

4　結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)：

[1]李士富，王日燕，王勇．山西沁水煤層氣液化HYSYS軟件計算模型[J]．天然氣與石油，2010，28(4)：22-25．

[2]王文軍，杜建梅，蔣建志，等．煤層氣氮膨脹制冷液化工藝參數(shù)優(yōu)化計算[J]．煤氣與熱力，2010，30(3)：B09-Bl2．

[3]李振明，公茂瓊，吳劍峰，等．可燃制冷工質(zhì)的爆炸極限研究綜述[J]．低溫工程，2008，16(1)：1-6．

[4]NORMAN F，VAN DEN SCHOOR F，VERPLAETSEN F．Auto-ignition and upper explosion limit of rich propane-air mixtures at elevated pressures[J]．Journal of Hazardous Materials，2006(2)：666-671．

[5]VAN DEN SCHOOR F，VERPLAETSEN F．The upperexplosion limit of lower alkenes and alkenes in air at elevated pressures and temperatures[J]．Journal of Hazardous Materials，2006(A128)：1-9．

[6]VANDERSTRAETEN B，TUERLINCKX D，BERGHMANS J，et al．Experimental study of the pressure and temperature dependence on the upper flammability limit of methane／air mixtures[J]．Journal of Hazflrdous Materials，1997(3)：237-246。

[7]GOETHALS M，VANDERSTRAETEN B，BERGHMANS J．et al．Experimental study of the flammability limit of toluene／air mixtures at elevated pressure and temperature[J]．Journal ofHazardous Materials，1999(3)：93-104．

[8]DE SMEDT G，DE CORTE F，NOTEL’E R，et al．Comparison of two standard test methods for determining explosion limits of gases at atmospheric conditions[J]．Journal of Hazardous Materials，1999(3)：105-113．

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(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院