摘　要：低温煤层气爆炸极限测试装置的研制是液化过程燃爆危险性研究的技术难点与关键问题，对煤层气液化装置的安全生产有重要意义。针对液化工艺中的低温工况，设计在低温工况下煤层气的爆炸极限测试装置，进行主要设备选型并制定试验方案，为下一步试验的顺利开展奠定了基础。

关键词：煤层气液化  低温工况  爆炸极限  低温煤层气

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

煤层气加压净化后，输入低温液化系统，可以实现煤层气中甲烷的液化分离，对扩展煤层气的有效利用和提高经济价值具有重要意义。煤层气中主要含有体积分数30％～70％的甲烷，此外还含有惰性气体及氧气等气体，在液化过程中气体组成发生变化，遇到残余重烃液滴及粉尘碰撞产生的零星火花或外界热源影响时，可能发生燃烧爆炸。结合丙烷预冷的混合制冷剂液化工艺和氮膨胀液化工艺^[1-2]，分析液化流程中各节点参数的模拟结果，得出液化过程中煤层气低温工况下危险性较高的是分馏阶段(温度为-l60～-l70℃、压力为0.1～0.3MPa)。在分馏过程中，降温后的煤层气经过节流，压力降低，甲烷液化，分离出氧气、氮气，该阶段属于低温低压的工况范围。由于分馏塔顶部气相甲烷含量较少，可能会处于爆炸极限范围内，有可能导致液化工艺中燃爆事故的发生。

评价煤层气燃爆危险特性的技术参数主要是爆炸极限，可通过估算和试验获得。目前研究的理论预测方法有基团贡献法、神经网络法、化学平衡估算法、F-number分析法及其改进方法、Le Chatelier计算法及其修正方法、绝热火焰温度预测法^[3]。现有模型种类较多，但精确度大多不理想。目前用于高压条件下气体爆炸极限测试的试验装置有金属长圆柱测试装置和球形玻璃烧瓶测试装置^[3]。国外多采用球形玻璃烧瓶测试装置，爆炸初始压力高达3MPa^[4-5]。国内一般采用金属长圆柱测试装置，爆炸初始压力多在1MPa以内，虽然已有厂家进行了球形玻璃烧瓶测试装置的研发，正在应用的是HWP21-10S爆炸极限测试仪，它只能测试可燃气体初始压力为0.1MPa，初始温度为-5～200℃的爆炸极限。

为研究低温工况下煤层气的爆炸特性，本文设计了低温工况下爆炸极限测试装置，对主要设备进行选型并制定试验方案，为完善整个液化过程不同阶段的煤层气燃爆特性参数数据做了良好铺垫。

2　测试装置设计

2．1　设计思路

由于液化工艺的温度较低，要求气体爆炸极限测定装置能在低温下工作。目前低温工况下的气体爆炸极限测定方法在国内外鲜有研究，几乎没有可参考的数据，因此增加了试验台的搭建难度。

本设计通过配气系统模拟煤层气在低温容器中的爆炸现象，并利用温控系统调节低温容器内的温度。温控系统工作前，样气组分全部为气态；温控系统工作后，由于低温的出现，导致样气中部分甲烷开始液化，待甲烷处于气液平衡状态后开始低温爆炸极限测定试验。

结合煤层气液化工艺，液化过程的低温工况有两个阶段，一是降温阶段(温度为0～-l70℃、压力为5～5.3MPa) ^[2]，二是分馏阶段。降温阶段煤层气通过制冷流程进行液化，该阶段压力基本不变，温度逐渐降低，甲烷逐渐达到液化温度，属于低温高压。分馏阶段属于低温低压。为了实现两个阶段的试验测量，本试验装置中的管道系统及其附属设备按最高工作压力为5.3MPa设计，低温爆炸容器的抗爆压力按150MPa设计。

低温工况下煤层气爆炸极限的测试装置流程按功能分为吹扫流程及引爆试验流程。吹扫流程：在进行试验之前必须对管道进行吹扫，即打开氮气气瓶出口阀门，用氮气吹扫整个回路，由放散管集中排放。引爆试验流程：关闭氮气气瓶出口阀门，启动真空泵将低温爆炸容器抽至-0.02MPa；关闭真空泵，依次打开氮气、氧气、甲烷气瓶，按比例充入到低温爆炸容器内；待各组分充分混合均匀后利用超低温试验箱降温，进行引爆试验。低温工况下煤层气爆炸极限测试装置流程见图l。

   根据测试装置流程图，其装置主要由低温爆炸容器、配气系统、温控系统、点火系统、检测系统等几部分构成。

2．2．1  低温爆炸容器

低温爆炸容器是试验装置的核心部分，其设计方法对试验结果有直接影响。根据文献[3]，初始压力为高压时大多采用球形爆炸容器，其规格有5L、8L、12L和20L。本试验中的低温爆炸容器采用内径为22.2cm，容积为5L，材质为9％Ni钢的球形爆炸容器。低温爆炸容器的抗爆压力为l50MPa，温度变化范围为-170～50℃。为保证低温爆炸容器的安全性，容器上安装有安全阀，防止爆炸压力过高造成危险。除安全阀外还装有压力表、温度传感器、压力传感器、点火装置等。

2．2．2配气系统

试验主要研究低温工况下含空气煤层气的爆炸特性。试验样气成分为甲烷和空气，空气用氧气和氮气配制，体积比为21：79。初始样气由体积分数为l0％的甲烷，体积分数为90％的空气组成。试验过程中逐步改变甲烷的体积分数得到爆炸极限。

配气系统包括：甲烷、氧气和氮气钢瓶(容积为40L，工作压力为5.3MPa，工作温度为20℃)、自动切换装置(当气瓶压力不满足试验要求时自动切换至新的气瓶)、真空泵(功率为130W)及精密数字真空表。

具体步骤如下：

①氮气吹扫后，用真空泵将低温爆炸容器抽真空；打开氮气气瓶出口阀，向低温爆炸容器内充至所设定的压力，再充入氧气至设定压力，最后充入甲烷到试验爆炸初始压力。

②静置一段时间使气体充分混合，混合气配制完毕待用。

2．2．3温控系统

进行低温试验时，爆炸初始温度低至-170℃，为满足温度要求，降温系统采用超低温试验箱，液氮冷却，温度由智能仪表自动控制。降温系统主要设备参数见表1。

2．2．4点火系统

根据文献[6]，高压常温试验时采用螺旋钨丝熔断点火，点火能为10J，放电时间为0.04s。由于温度压力的降低点火能增大，在低温低压时，需要较大的点火能，因此，选用测试装置点火能为10～20J。

2．2．5检测系统

①温度传感器

试验装置内煤层气样气的温度采集对试验数据准确度十分重要，低温试验装置采用HNll0型线性超低温温度传感器，测量范围为-200～50℃。

②压力传感器

a．爆炸压力传感器

煤层气爆炸压力的测量精度将对试验结果产生很大影响，本设计需选用量程较广且灵敏度高的压力传感器。文献[6—7]中多采用KISTLER 601H或6038型通用压力传感器，但上述传感器的灵敏度与专门的爆炸压力传感器相比灵敏度较差。因此，采用KISTLER6203型爆炸压力传感器，量程为0～500MPa。

b．初始压力传感器

试验初始压力的测量精度对试验结果的分析具有很大影响，煤层气样气压力范围为0～5.3Mpa。通过调研^[4，7]，采用MPM388型压阻式压力传感器，其量程为0～7MPa。

3　试验方案

对于同一气源，采用不同的测试方法得到的爆炸极限不同。

3.1　爆炸判定标准

对于低温密闭容器，通常根据压力变化来判定爆炸的发生。根据美国材料试验协会颁布的AST-ME 918-83《温度和压力升高时化学药品易燃极限的测定》标准，密闭容器中爆炸极限的测定采用爆炸超压(爆炸时的压力与爆炸初始压力之差)与爆炸初始压力的比值大于7％作为爆炸发生的判定标准。德国标准化学协会颁布的EN l839《气体和蒸气爆炸极限的测定》规定，在排除点火器引起压力增加的基础上爆炸超压与爆炸初始压力的比值大于5％即判定爆炸发生。文献[5]和[7]分别采用爆炸超压与爆炸初始压力之比大于1％、2％为判定标准。De Smedt等^[8]。通过对ASTME 918-83标准进行分析，指出7％的判断标准太高，而采用压力增加2％又太过灵敏。因此，本试验参照EN l839标准的判定方法，以爆炸超压与爆炸初始压力之比大于5％作为爆炸判定标准。

本文根据EN l839标准，采用逐步逼近法以无法点燃的分界点作为爆炸极限。对每组样气在同一温度压力工况下进行3次重复试验，发生l次引爆则视为爆炸。

4　结论

为研究液化工艺中低温工况下燃爆的主要特性参数，本文设计了这套煤层气的爆炸极限测试装置，为下一步试验的顺利开展奠定了基础，对有效解决煤层气液化过程燃爆危险性研究的技术难点与关键问题做了良好的铺垫。

参考文献：

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本文作者：刘  杨  李自力  唐建峰  王传磊

作者单位：中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院