煤層氣安全輸送完整性評估

綠蘿怪

1 煤層氣安全性煤層氣根據(jù)開發(fā)形式不同，可分為地面開發(fā)煤層氣（Coal Bed Methane，簡稱CBM）、煤礦井下抽放煤層氣（Coal Mine Methane，簡稱CMM，又稱抽放瓦斯）、報(bào)廢礦井煤層氣（Abandoned Mine Methane，簡稱AMM）。地面開發(fā)煤層氣是在常規(guī)天然氣開采技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)煤層的巖石力學(xué)特性、煤層氣的生成儲(chǔ)存特點(diǎn)及產(chǎn)出規(guī)律而發(fā)展起來的新技術(shù)，主要用于未開采的原始煤田，其特點(diǎn)是甲烷含量高，一般可達(dá)95%以上，規(guī)模大，產(chǎn)量穩(wěn)定，經(jīng)處理后可直接進(jìn)入天然氣管道。井下抽放煤層氣主要是為煤礦安全生產(chǎn)的需要，在煤炭采前、采中、采后從煤體及圍巖中抽取煤層氣，其特點(diǎn)是甲烷含量低，一般在30%-60%之間。報(bào)廢礦井煤層氣是礦井因資源枯竭或無營利能力而關(guān)閉的煤礦，井下殘存有煤炭，導(dǎo)致相當(dāng)多的煤層氣釋放出來，對煤田周圍的人員構(gòu)成危險(xiǎn)。
煤層氣本身沒有毒性，但空氣中含量較多時(shí)，能使空氣中的氧含量降低，從而使人窒息，甚至死亡。高瓦斯礦井由于煤層氣含量高，一經(jīng)開采，瓦斯就從煤體中脫吸附逸出到巷道、工作面和采空區(qū)。這些瓦斯大部分被通過巷道、工作面的風(fēng)流帶走，局部風(fēng)流不暢通的地帶會(huì)發(fā)生瓦斯積聚。因此一旦超過一定的氧濃度時(shí)且煤層氣中可燃?xì)怏w的濃度位于其爆炸極限范圍之內(nèi)，遇到電火花或者任何火星，就有可能引起這些局部地帶瓦斯燃燒或爆炸。
1.1 煤層氣爆炸極限及安全性理論可燃?xì)怏w在一定條件下可能發(fā)生爆炸。爆炸極限是重要的危險(xiǎn)性參數(shù)，是政策制定、危險(xiǎn)性評估以及貨物的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、生產(chǎn)、銷售、使用方法確定的依據(jù)之一，也是評定可燃?xì)怏w火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)的主要指標(biāo)之一，有著廣泛的用途。
爆炸是一個(gè)涉及可燃性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生非常迅速并且反應(yīng)期間釋放出大量的能量。可燃?xì)怏w或蒸汽與空氣組成的混合物，并不是在任何混合比例下都可以燃燒或爆炸的，而且混合的比例不同，燃燒的速度也不同。由實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)混合物中可燃?xì)怏w含量接近于化學(xué)計(jì)算量時(shí)（即理論上完全燃燒時(shí)該物質(zhì)的含量），燃燒最快或最劇烈。若含量減少或增加，火焰蔓延速度則降低，當(dāng)濃度低于或高于某一極限值，火焰便不再蔓延。
可燃?xì)怏w或蒸汽與空氣組成的混合物能使火焰蔓延的最低濃度，稱為該氣體或蒸汽的爆炸下限Low Explosion- Level (LEL)；同樣，能使火焰蔓延的最高濃度稱為爆炸上限Upper Explosion- Level(UEL)�？扇�?xì)怏w濃度在爆炸下限以下時(shí)，混合氣體中含有過量空氣，由于空氣的冷卻作用，阻止了火焰的蔓延，不會(huì)發(fā)生爆炸；可燃?xì)怏w濃度在爆炸上限以上時(shí)，含有過量的可燃性物質(zhì)，空氣非常不足（主要是氧不足），火焰也不能蔓延，因此也不能發(fā)生爆炸。但是此時(shí)若補(bǔ)充空氣，同樣有爆炸的危險(xiǎn)。
根據(jù)燃?xì)獗�炸極限的定義，可以推理得到燃?xì)獍踩�性定律，即燃�(xì)庵锌扇冀M分的濃度應(yīng)高于燃?xì)鉄o空氣基的爆炸上限，或者燃?xì)庵锌扇冀M分的濃度應(yīng)低于燃?xì)鉄o空氣基的爆炸下限，兩者必居其一。
爆炸極限一般可用可燃性氣體或蒸汽在混合物中的體積分?jǐn)?shù)來表示，有時(shí)也用單位體積氣體中可燃物的含量來表示(g/ m3或mg/l)。
爆炸極限值可以根據(jù)具體的物質(zhì)用實(shí)驗(yàn)的方法來確定。研究結(jié)果表明，爆炸極限不是一個(gè)固定值，它受多種因素影響，工業(yè)生產(chǎn)中很難確定可燃、可爆氣體的安全濃度范圍。但如掌握了外界條件變化對爆炸極限的影響規(guī)律和計(jì)算方法，則根據(jù)實(shí)際所測的氣體濃度并經(jīng)計(jì)算得到的爆炸極限對工業(yè)生產(chǎn)仍有一定的指導(dǎo)意義。
1.2 爆炸條件論述可燃?xì)怏w燃燒和爆炸的很多文獻(xiàn)都提到燃燒和爆炸的三要素，即：
(1) 可燃性氣體處于一定的濃度范圍。
僅僅當(dāng)可燃性氣體或蒸汽與空氣混合在一定的濃度范圍內(nèi)，它們才具有爆炸性。存在太少的可燃性物質(zhì)，低于爆炸下限，則混合物太稀薄；存在太多的可燃性物質(zhì)，高于爆炸上限，則混合物濃度太高。爆炸上限和爆炸下限之間的濃度區(qū)域是爆炸范圍，在該濃度范圍內(nèi)混合物才具有爆炸性，即存在爆炸危險(xiǎn)。
(2) 最低濃度以上的氧氣需求。
對于爆炸，空氣中正常的氧氣的量被認(rèn)為是充足的，甚至在含氧量減小時(shí)，可燃性氣體仍然具有爆炸性。當(dāng)氧氣的量比空氣中的氧氣含量更高時(shí)，會(huì)發(fā)生更劇烈的爆炸。
(3) 具有最小溫度、能量、持續(xù)時(shí)間的點(diǎn)火源。
如果爆炸性環(huán)境遇到有效點(diǎn)燃源，它會(huì)產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)。在工業(yè)實(shí)踐中存在多種引燃源。例如：熱表面，火災(zāi)、無保護(hù)的火焰和熾熱材料，機(jī)械性火花和弧光，電氣性火花，靜電放電火花等。
不是每一種引燃源都包含有可點(diǎn)燃所有種類爆炸性混合物的足夠的能量。如果一種引燃源能夠向爆炸性環(huán)境提供足夠的能量，可導(dǎo)致引起燃燒反應(yīng)自身持續(xù)傳播，則這一引燃源是有效的，即會(huì)發(fā)生爆炸。


根據(jù)現(xiàn)有的爆炸極限研究理論與研究成果，可以較容易得到常溫常壓下煤層氣的爆炸極限范圍及臨界氧含量，這里所說的常壓是指壓力為101325Pa，本報(bào)告中除標(biāo)準(zhǔn)大氣壓用的是絕對壓力以外，其余所提到的工程設(shè)計(jì)壓力，包括圖、表中的所有壓力都是相對壓力；常溫是一個(gè)溫度范圍（293.15±5K），除明確給出溫度值外，常溫均指這一個(gè)溫度范圍。當(dāng)溫度或壓力超過常溫或常壓時(shí)，就要根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)难芯糠椒ù_定爆炸極限范圍。本課題的研究要求對XXX工程的煤層氣脫氧、加壓、液化工藝是否安全進(jìn)行研究，為此我們采用如下的研究方案：以甲烷在常溫常壓下的爆炸極限為基礎(chǔ)，利用含氧、惰性氣體修正公式及多組分燃?xì)獗�炸極限的計(jì)算公式，并分別對壓力或溫度參數(shù)各自進(jìn)行爆炸極限修正計(jì)算，或者對溫度、壓力進(jìn)行綜合的爆炸極限修正計(jì)算，這樣就可以滿足XXX煤層氣脫氧、加壓、液化工藝的爆炸極限及臨界氧含量研究。針對貴方提出的3個(gè)問題：1、脫氧后，混合氣體加壓到5MPa，氣體溫度升高，此時(shí)有無可能發(fā)生爆炸；2、脫氧氣體加壓后進(jìn)行深冷液化，由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵�隨著轉(zhuǎn)化進(jìn)行，甲烷濃度逐漸變小，是否會(huì)進(jìn)入爆炸極限區(qū)域；3、產(chǎn)品氣在液化后儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)的液態(tài)甲烷會(huì)有小部分揮發(fā)氣化，是否會(huì)進(jìn)入爆炸極限區(qū)。進(jìn)行了分析，上述3個(gè)問題可以歸結(jié)為7個(gè)分問題的研究：①單組分可燃?xì)怏w爆炸極限研究；②含氧可燃?xì)怏w爆炸極限研究；③含氧及惰性氣體的混合氣體爆炸極限研究（條件允許應(yīng)通過一定數(shù)量的試驗(yàn)進(jìn)行修正或進(jìn)行商業(yè)軟件的模擬驗(yàn)證）；④一定壓力、溫度條件下的爆炸極限研究（條件允許應(yīng)通過一定數(shù)量的試驗(yàn)進(jìn)行修正或進(jìn)行商業(yè)軟件的模擬驗(yàn)證）；⑤爆炸極限安全評估；⑥臨界氧含量研究；⑦工程安全條件下的氧含量確定。研究的技術(shù)路線見框圖。



根據(jù)現(xiàn)有的爆炸極限研究理論與研究成果，可以較容易得到常溫常壓下煤層氣的爆炸極限范圍及臨界氧含量，這里所說的常壓是指壓力為101325Pa，本報(bào)告中除標(biāo)準(zhǔn)大氣壓用的是絕對壓力以外，其余所提到的工程設(shè)計(jì)壓力，包括圖、表中的所有壓力都是相對壓力；常溫是一個(gè)溫度范圍（293.15±5K），除明確給出溫度值外，常溫均指這一個(gè)溫度范圍。當(dāng)溫度或壓力超過常溫或常壓時(shí)，就要根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)难芯糠椒ù_定爆炸極限范圍。本課題的研究要求對XXX工程的煤層氣脫氧、加壓、液化工藝是否安全進(jìn)行研究，為此我們采用如下的研究方案：以甲烷在常溫常壓下的爆炸極限為基礎(chǔ)，利用含氧、惰性氣體修正公式及多組分燃?xì)獗�炸極限的計(jì)算公式，并分別對壓力或溫度參數(shù)各自進(jìn)行爆炸極限修正計(jì)算，或者對溫度、壓力進(jìn)行綜合的爆炸極限修正計(jì)算，這樣就可以滿足XXX煤層氣脫氧、加壓、液化工藝的爆炸極限及臨界氧含量研究。針對貴方提出的3個(gè)問題：1、脫氧后，混合氣體加壓到5MPa，氣體溫度升高，此時(shí)有無可能發(fā)生爆炸；2、脫氧氣體加壓后進(jìn)行深冷液化，由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合�，隨著轉(zhuǎn)化進(jìn)行，甲烷濃度逐漸變小，是否會(huì)進(jìn)入爆炸極限區(qū)域；3、產(chǎn)品氣在液化后儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)的液態(tài)甲烷會(huì)有小部分揮發(fā)氣化，是否會(huì)進(jìn)入爆炸極限區(qū)。進(jìn)行了分析，上述3個(gè)問題可以歸結(jié)為7個(gè)分問題的研究：①單組分可燃?xì)怏w爆炸極限研究；②含氧可燃?xì)怏w爆炸極限研究；③含氧及惰性氣體的混合氣體爆炸極限研究（條件允許應(yīng)通過一定數(shù)量的試驗(yàn)進(jìn)行修正或進(jìn)行商業(yè)軟件的模擬驗(yàn)證）；④一定壓力、溫度條件下的爆炸極限研究（條件允許應(yīng)通過一定數(shù)量的試驗(yàn)進(jìn)行修正或進(jìn)行商業(yè)軟件的模擬驗(yàn)證）；⑤爆炸極限安全評估；⑥臨界氧含量研究；⑦工程安全條件下的氧含量確定。研究的技術(shù)路線見框圖。

爆炸三角圖是判斷可燃?xì)怏w混合物爆炸極限及最小氧含量的一種有效方法，圖4為甲烷、氧氣、氮?dú)獾谋�炸三角圖，其中甲烷的臨界氧濃度約為12%，比化學(xué)反應(yīng)式計(jì)算的最小氧含量要高，與實(shí)驗(yàn)值相同。三角圖表示爆炸范圍是非常方便的，圖中L1，L2，臨界氧濃度和U1，U2圍成的近似三角區(qū)為可燃性氣體的爆炸范圍。L2，U2為可燃性氣體在氧氣中的爆炸下限和爆炸上限，L1，U1為可燃性氣體在空氣中的爆炸下限和爆炸上限，通過爆炸范圍與頂點(diǎn)C的直線為空氣線，空氣線在O—N的交點(diǎn)處氧氣濃度為20.95%。圖中，連接頂點(diǎn)為C與N的一邊是氧濃度為零的線。平行這條邊的直線，表示氧濃度為一定值的混合物，與該邊平行而與爆炸三角區(qū)項(xiàng)點(diǎn)相切的那條線，是要求的含氧量安全限值.

確定煤層氣爆炸極限（上限和下限）的范圍以及煤層氣臨界氧含量可以采用實(shí)驗(yàn)的研究方法，也可以采用理論計(jì)算的方法。實(shí)驗(yàn)研究方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠得到確定實(shí)驗(yàn)條件下的爆炸極限及臨界氧含量，缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果受到許多因素，包括實(shí)驗(yàn)條件的影響，所得到的數(shù)據(jù)需經(jīng)過定性、定量的分析，甚至修正才能決定是否被采用。當(dāng)計(jì)算公式中的參數(shù)已知時(shí)，采用較為成熟的理論計(jì)算方法研究爆炸極限和氧含量更為簡捷可靠。我們在前面詳細(xì)介紹了各種爆炸極限的理論計(jì)算方法和理論計(jì)算公式，因此對XX煤層氣工程項(xiàng)目中煤層氣的爆炸極限及氧含量研究決定在補(bǔ)充少量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上（如果能夠通過歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)完成模型修正，則可省去試驗(yàn)部分）修正理論計(jì)算模型的研究方法。

Alex Song 宋漢成
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