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開發形式不同，可分為地面開發煤層氣（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）、報廢礦井煤層氣（Abandoned Mine Methane，簡稱AMM）。地面開發煤層氣是在常規天然氣開采技術的基礎上，根據煤層的巖石力學特性、煤層氣的生成儲存特點及產出規律而發展起來的新技術，主要用于未開采的原始煤田，其特點是甲烷含量高，一般可達95%以上，規模大，產量穩定，經處理后可直接進入天然氣管道。井下抽放煤層氣主要是為煤礦安全生產的需要，在煤炭采前、采中、采后從煤體及圍巖中抽取煤層氣，其特點是甲烷含量低，一般在30%-60%之間。報廢礦井煤層氣是礦井因資源枯竭或無營利能力而關閉的煤礦，井下殘存有煤炭，導致相當多的煤層氣釋放出來，對煤田周圍的人員構成危險。
煤層氣本身沒有毒性，但空氣中含量較多時，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，一經開采，瓦斯就從煤體中脫吸附逸出到巷道、工作面和采空區。這些瓦斯大部分被通過巷道、工作面的風流帶走，局部風流不暢通的地帶會發生瓦斯積聚。因此一旦超過一定的氧濃度時且煤層氣中可燃氣體的濃度位于其爆炸極限范圍之內，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氣體在一定條件下可能發生爆炸。爆炸極限是重要的危險性參數，是政策制定、危險性評估以及貨物的儲存、運輸、生產、銷售、使用方法確定的依據之一，也是評定可燃氣體火災爆炸危險的主要指標之一，有著廣泛的用途。
爆炸是一個涉及可燃性物質的化學反應，發生非常迅速并且反應期間釋放出大量的能量。可燃氣體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。由實驗得知，當混合物中可燃氣體含量接近于化學計算量時（即理論上完全燃燒時該物質的含量），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，當濃度低于或高于某一極限值，火焰便不再蔓延。
可燃氣體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)。可燃氣體濃度在爆炸下限以下時，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，不會發生爆炸；可燃氣體濃度在爆炸上限以上時，含有過量的可燃性物質，空氣非常不足（主要是氧不足），火焰也不能蔓延，因此也不能發生爆炸。但是此時若補充空氣，同樣有爆炸的危險。
根據燃氣爆炸極限的定義，可以推理得到燃氣安全性定律，即燃氣中可燃組分的濃度應高于燃氣無空氣基的爆炸上限，或者燃氣中可燃組分的濃度應低于燃氣無空氣基的爆炸下限，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數來表示，有時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具體的物質用實驗的方法來確定。研究結果表明，爆炸極限不是一個固定值，它受多種因素影響，工業生產中很難確定可燃、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律和計算方法，則根據實際所測的氣體濃度并經計算得到的爆炸極限對工業生產仍有一定的指導意義。
1.2 爆炸條件論述可燃氣體燃燒和爆炸的很多文獻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。
僅僅當可燃性氣體或蒸汽與空氣混合在一定的濃度范圍內，它們才具有爆炸性。存在太少的可燃性物質，低于爆炸下限，則混合物太稀薄；存在太多的可燃性物質，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域是爆炸范圍，在該濃度范圍內混合物才具有爆炸性，即存在爆炸危險。
(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為是充足的，甚至在含氧量減小時，可燃性氣體仍然具有爆炸性。當氧氣的量比空氣中的氧氣含量更高時，會發生更劇烈的爆炸。
(3) 具有最小溫度、能量、持續時間的點火源。
如果爆炸性環境遇到有效點燃源，它會產生爆炸危險。在工業實踐中存在多種引燃源。例如：熱表面，火災、無保護的火焰和熾熱材料，機械性火花和弧光，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境提供足夠的能量，可導致引起燃燒反應自身持續傳播，則這一引燃源是有效的，即會發生爆炸。


根據現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，本報告中除標準大氣壓用的是絕對壓力以外，其余所提到的工程設計壓力，包括圖、表中的所有壓力都是相對壓力；常溫是一個溫度范圍（293.15±5K），除明確給出溫度值外，常溫均指這一個溫度范圍。當溫度或壓力超過常溫或常壓時，就要根據具體情況選擇適當的研究方法確定爆炸極限范圍。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，利用含氧、惰性氣體修正公式及多組分燃氣爆炸極限的計算公式，并分別對壓力或溫度參數各自進行爆炸極限修正計算，或者對溫度、壓力進行綜合的爆炸極限修正計算，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個問題：1、脫氧后，混合氣體加壓到5MPa，氣體溫度升高，此時有無可能發生爆炸；2、脫氧氣體加壓后進行深冷液化，由氣相轉變為液相，隨著轉化進行，甲烷濃度逐漸變小，是否會進入爆炸極限區域；3、產品氣在液化后儲存在儲罐時，儲罐內的液態甲烷會有小部分揮發氣化，是否會進入爆炸極限區。進行了分析，上述3個問題可以歸結為7個分問題的研究：①單組分可燃氣體爆炸極限研究；②含氧可燃氣體爆炸極限研究；③含氧及惰性氣體的混合氣體爆炸極限研究（條件允許應通過一定數量的試驗進行修正或進行商業軟件的模擬驗證）；④一定壓力、溫度條件下的爆炸極限研究（條件允許應通過一定數量的試驗進行修正或進行商業軟件的模擬驗證）；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。研究的技術路線見框圖。



根據現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，本報告中除標準大氣壓用的是絕對壓力以外，其余所提到的工程設計壓力，包括圖、表中的所有壓力都是相對壓力；常溫是一個溫度范圍（293.15±5K），除明確給出溫度值外，常溫均指這一個溫度范圍。當溫度或壓力超過常溫或常壓時，就要根據具體情況選擇適當的研究方法確定爆炸極限范圍。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，利用含氧、惰性氣體修正公式及多組分燃氣爆炸極限的計算公式，并分別對壓力或溫度參數各自進行爆炸極限修正計算，或者對溫度、壓力進行綜合的爆炸極限修正計算，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個問題：1、脫氧后，混合氣體加壓到5MPa，氣體溫度升高，此時有無可能發生爆炸；2、脫氧氣體加壓后進行深冷液化，由氣相轉變為液相，隨著轉化進行，甲烷濃度逐漸變小，是否會進入爆炸極限區域；3、產品氣在液化后儲存在儲罐時，儲罐內的液態甲烷會有小部分揮發氣化，是否會進入爆炸極限區。進行了分析，上述3個問題可以歸結為7個分問題的研究：①單組分可燃氣體爆炸極限研究；②含氧可燃氣體爆炸極限研究；③含氧及惰性氣體的混合氣體爆炸極限研究（條件允許應通過一定數量的試驗進行修正或進行商業軟件的模擬驗證）；④一定壓力、溫度條件下的爆炸極限研究（條件允許應通過一定數量的試驗進行修正或進行商業軟件的模擬驗證）；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。研究的技術路線見框圖。

爆炸三角圖是判斷可燃氣體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、氮氣的爆炸三角圖，其中甲烷的臨界氧濃度約為12%，比化學反應式計算的最小氧含量要高，與實驗值相同。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C的直線為空氣線，空氣線在O—N的交點處氧氣濃度為20.95%。圖中，連接頂點為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項點相切的那條線，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驗的研究方法，也可以采用理論計算的方法。實驗研究方法的優點是能夠得到確定實驗條件下的爆炸極限及臨界氧含量，缺點是實驗結果受到許多因素，包括實驗條件的影響，所得到的數據需經過定性、定量的分析，甚至修正才能決定是否被采用。當計算公式中的參數已知時，采用較為成熟的理論計算方法研究爆炸極限和氧含量更為簡捷可靠。我們在前面詳細介紹了各種爆炸極限的理論計算方法和理論計算公式，因此對XX煤層氣工程項目中煤層氣的爆炸極限及氧含量研究決定在補充少量試驗的基礎上（如果能夠通過歷史試驗數據完成模型修正，則可省去試驗部分）修正理論計算模型的研究方法。

Alex Song 宋漢成
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