龐曉波

（寧波鮑斯能源裝備股份有限公司，浙江 寧波 315500）

一種低濃度瓦斯氣輸送過程中配氣裝置的研制

龐曉波

（寧波鮑斯能源裝備股份有限公司，浙江 寧波 315500）

國瓦斯氣儲(chǔ)量豐富，高濃度瓦斯氣的利用技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在工業(yè)和民用方面也得到了廣泛利用；但由于低濃度瓦斯氣跨越了瓦斯氣的爆炸界限，在輸送過程中存在安全隱患，因此利用率不高。針對(duì)這種情況，論文中進(jìn)行了分析與研究，設(shè)計(jì)了一種裝置，并通過一系列的安全措施，使高濃度的天然氣與低濃度的瓦斯氣進(jìn)行混合，使混合后氣體中甲烷的濃度超過瓦斯氣的爆炸界限，確保瓦斯氣輸送的安全，對(duì)低濃度瓦斯氣的抽采利用具有重要意義。

低濃度瓦斯氣；甲烷濃度；輸送；調(diào)節(jié)閥；配氣

根據(jù)國家《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的定義，煤礦低濃度瓦斯氣是指甲烷體積濃度大于或等于 3%且小于 30%的煤礦瓦斯。自國家“十一五”規(guī)劃中關(guān)于“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”的政策頒布以來，我國瓦斯氣的利用技術(shù)突飛猛進(jìn)，取得了輝煌的成績；在2010年1月21日，國家安監(jiān)局頒布了《關(guān)于修改〈煤礦安全規(guī)程〉部分條款的決定》，其中根據(jù)國家安監(jiān)局已發(fā)布的低濃度瓦斯安全利用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將原《煤礦安全規(guī)程》中關(guān)于“利用瓦斯氣，其甲烷濃度不得低于30%”的規(guī)定修改為“抽采的瓦斯甲烷濃度低于30%時(shí)，不得直接作為燃?xì)馊紵挥糜趦?nèi)燃機(jī)發(fā)電或作為其他用途時(shí)，瓦斯的利用、輸送必須按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并制定安全技術(shù)措施”；該規(guī)定取消了對(duì)低濃度瓦斯氣利用的限制，低濃度瓦斯氣的利用將成為瓦斯氣利用的重點(diǎn)。眾所周知，在常溫常壓下，瓦斯氣爆炸界限為5%～16%，對(duì)于濃度3%～30%之間的低濃度瓦斯氣，跨越了瓦斯氣的爆炸界限，因而低濃度瓦斯氣在利用過程中，存在著極大的安全隱患；而輸送系統(tǒng)是瓦斯氣利用過程中極其重要工藝環(huán)節(jié)，它的配置是否合理，運(yùn)行是否安全、可靠，直接關(guān)系到設(shè)備機(jī)組的是否能夠正常運(yùn)行，又影響到瓦斯抽采系統(tǒng)的安全，對(duì)低濃度瓦斯氣的利用起著關(guān)鍵性的作用；因而，研究低濃度瓦斯氣在輸送過程中的安全保障技術(shù)，有利于促進(jìn)低濃度瓦斯利用產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，提升國家節(jié)能減排的技術(shù)水平。

1 配氣裝置理論分析

根據(jù)研究表明，瓦斯爆炸有3個(gè)必要條件：①瓦斯?jié)舛冗_(dá)到一定范圍：5%～6%至14%～16%時(shí)，混合氣體有爆炸性；②存在高溫火源，一般認(rèn)為是650°～750°；③有足夠的氧氣，混合氣體中氧氣的濃度不低于12%。三者缺一不可。

瓦斯氣的單位濃度對(duì)瓦斯氣的爆炸起著極其重要的作用；在正常的大氣環(huán)境中，瓦斯只在一定的濃度范圍內(nèi)爆炸，這個(gè)濃度范圍稱瓦斯的爆炸界限，其最低濃度界限稱為爆炸下限，其最高濃度界限稱為爆炸上限，瓦斯在空氣中的爆炸下限為5%～6%，上限為14%～16%。當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀?%時(shí)，遇火不爆炸，但能在火焰外圍形成燃燒層，當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，其爆炸威力最大，此時(shí)，氧和瓦斯完全反應(yīng)；瓦斯?jié)舛仍?6%以上時(shí)，失去其爆炸性，但在空氣中遇火仍會(huì)燃燒。因此，在正常的大氣環(huán)境中，瓦斯氣的爆炸界限被認(rèn)為是5%～16%。

由上述可知，改變瓦斯氣體中的甲烷濃度，使其超出爆炸界限，則可以大大降低瓦斯爆炸發(fā)生的可能性。

本文針對(duì)目前這種現(xiàn)狀，構(gòu)思了一種低濃度瓦斯氣輸送過程中的配氣裝置，利用高濃度的瓦斯氣對(duì)低濃度瓦斯氣進(jìn)行混合，從而提升低濃度瓦斯氣的濃度，避開瓦斯氣的爆炸界限，達(dá)到安全用氣的目的。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證構(gòu)思是否可行，建立了一套實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 裝置說明

該實(shí)驗(yàn)裝置主要包括低濃度瓦斯氣源 1，原料氣阻火裝置2，單向閥3，泄壓裝置4，調(diào)節(jié)閥5，高濃度天然氣氣源6，混合氣阻火裝置7，甲烷濃度檢測(cè)儀 8，天然氣阻火裝置 9，控制系統(tǒng) 10，瓦斯氣管路 11，天然氣管路 12；混合氣管路 13，用氣裝置14，如圖1所示。

瓦斯氣管路11連接至煤礦低濃度瓦斯氣源1，天然氣管路12連接至高濃度天然氣氣源6；煤礦瓦斯氣和天然氣匯合至一處，然后從混合氣輸出管路13排出至用氣裝置14；天然氣氣源6的甲烷濃度比煤礦瓦斯氣源1高，且天然氣管路12中的壓力比瓦斯氣管路11中的壓力高。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

瓦斯氣管路11上依次設(shè)置原料氣阻火裝置2、單向閥3。因?yàn)樘烊粴夤苈返膲毫Ω哂谕咚箽夤苈罚栽谕咚箽夤苈飞显O(shè)置單向閥3防止氣體倒灌至低濃度瓦斯氣源。

天然氣管路12上依次設(shè)置調(diào)節(jié)閥5、天然氣阻火裝置9。調(diào)節(jié)閥5與控制系統(tǒng)10相連接。

混合氣輸出管路13上設(shè)置混合氣阻火裝置7和甲烷濃度檢測(cè)儀 8。甲烷濃度檢測(cè)儀 8與控制系統(tǒng)10相連接，甲烷濃度檢測(cè)儀8將檢測(cè)到的甲烷濃度傳送給控制系統(tǒng)10，控制系統(tǒng)再將該檢測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行比較后向調(diào)節(jié)閥 5發(fā)出調(diào)節(jié)閥門開度的指令。通過控制系統(tǒng)自動(dòng)控制有效地保證混合氣輸出管路中甲烷濃度的穩(wěn)定性，并且設(shè)定值高于瓦斯氣爆炸界限的甲烷濃度，保證瓦斯氣安全輸送。

在混氣過程中由于混氣不均勻或者其他原因會(huì)發(fā)生爆炸的可能，因此在瓦斯氣管路11、天然氣管路12和混合氣輸出管路13上都設(shè)置阻火裝置，能有效防止火焰的蔓延且使損失局限在上述三個(gè)阻火裝置之間的范圍內(nèi)。為了盡快釋放爆炸時(shí)的能量，在原料氣阻火裝置 2、天然氣阻火裝置 9和混合氣阻火裝置 7之間管道上設(shè)置泄壓裝置 4。該泄壓裝置4可以是爆破片，也可以是泄壓閥。

2.2 試驗(yàn)過程及測(cè)試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)中低濃度瓦斯氣源1的壓力為3kPa，甲烷濃度為15%；高濃度天然氣氣源6的壓力為10kPa，甲烷濃度為99%；混合氣的目標(biāo)濃度為30%；首先對(duì)管路進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，確保管路中沒有空氣，以此避免有氧氣混入原料氣中；然后在控制系統(tǒng)10中，將氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制模式改為手動(dòng)模式，給定開度為 0，此時(shí)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉狀態(tài)；然后使低濃度瓦斯氣源1中的氣體緩慢進(jìn)入瓦斯氣管路11，當(dāng)甲烷濃度檢測(cè)儀8顯示的甲烷濃度與低濃度瓦斯氣濃度一致時(shí)，在控制系統(tǒng)10中由低到高給定調(diào)節(jié)閥開度指令，此時(shí)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥將會(huì)根據(jù)接受指令而打開，混合氣管路中的甲烷濃度達(dá)將逐步達(dá)到30%，然后在控制系統(tǒng) 10中將調(diào)節(jié)的控制模式改為自動(dòng)模式，此時(shí)，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥將會(huì)以30%的目標(biāo)值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)；最后起動(dòng)用氣裝置14；在混合氣輸出管路13的不同點(diǎn)上進(jìn)行甲烷濃度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 混合氣輸出管路各點(diǎn)甲烷濃度檢測(cè)

2.3 測(cè)試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)混合氣管路中的甲烷濃度進(jìn)行了多次檢測(cè)，圖2中列舉了4組具有代表意義的數(shù)據(jù)；從圖2中可以看出，在混合氣管路的前段短距離內(nèi)，具體是指前 4m內(nèi)，混合氣中的甲烷濃度有輕微的波動(dòng)現(xiàn)象，表明此時(shí)的混合氣體尚未混合均勻，但此時(shí)的濃度已經(jīng)超過甲烷的爆炸界限，從理論上不存在爆炸的可能；在混合氣管路的中段及后段部分，甲烷濃度達(dá)到設(shè)定值，并且穩(wěn)定，表明此時(shí)混合氣體混合均勻，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié)論

在低濃度瓦斯氣的輸送過程中，配氣裝置通過控制系統(tǒng)，依據(jù)甲烷濃度檢測(cè)儀提供的數(shù)據(jù)以及設(shè)定的目標(biāo)值，對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了高濃度天然氣和低濃度瓦斯氣在輸出管路中的均勻混合，使輸出的混合氣中甲烷濃度保持穩(wěn)定且使該濃度高于瓦斯氣爆炸界限，大大提升了瓦斯氣輸送過程中的安全性。并且管路上設(shè)置了阻火裝置和泄壓裝置，確保了該裝置運(yùn)行的安全性；該裝置在山西某低濃度瓦斯氣液化項(xiàng)目中得到了初步應(yīng)用，取得了理想的效果。

[1]唐紹鋼, 陳紹新, 李超.一種利用靜態(tài)混合器摻混煤礦瓦斯氣的裝置: 中國, 200920095944.6[P].2010-01-06.

[2]康建東.煤礦低濃度瓦斯輸送安全保障技術(shù)[J].煤礦安全, 2009(S1): 66-69.

[3]永場.勝利油田超低濃度瓦斯利用技術(shù)取得突破[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督, 2010(5): 21.

[4]楊娟.低濃度瓦斯管道輸送安全監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表, 2011(3): 128-131.

[5]劉君.煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障技術(shù)[J].山西煤炭, 2011(5): 65-66.

[6]煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院, 呂智明.低濃度瓦斯的輸送及利用[N].山西科技報(bào), 2010-12-21(15).

[7]徐黎明.全省首家低濃度瓦斯發(fā)電站建成投產(chǎn)[N].江西日?qǐng)?bào), 2010-10-14(C01).

[8]毛明明, 劉永啟, 高振強(qiáng), 等.煤礦瓦斯旋流混合器定工況下混合均勻性研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2013(4): 343-348.

The Development of Low Concentration Gas Distribution Device in the Transportation Process

Pang Xiaobo
(Ningbo Baosi Energy Equipment Co., Ltd, Ningbo, Zhejiang 315500)

Gas reserves is rich in our country, The technology have comparatively matured about high concentrations gas by used, widely used in industrial and civil also; But the low concentration gas crossing gas explosion limits, There is a safety hazard in the transportation, so the utilization rate is not high; In view of this situation.It has carried on the analysis and research In the thesis, One device is designed, and through a series of security measures, let the mixed about high concentration and low concentration of gas, let the mixed gas concentration overstep the gas explosion limits, ensure the safety of gas transportation, it will be of great importance in gas extraction and using.

low concentration gas; concentration of methane; transportation; adjusting valve; gas distribution

龐曉波（1982-），男，浙江省奉化市人，本科，工程師，主要從事低濃度瓦斯氣液化技術(shù)裝備的研究設(shè)計(jì)工作。