煤层气安全输送完整性评估
1 煤层气安全性煤层气根据开发形式不同，可分为地面开发煤层气（Coal Bed Methane，简称CBM）、煤矿井下抽放煤层气（Coal Mine Methane，简称CMM，又称抽放瓦斯）、报废矿井煤层气（Abandoned Mine Methane，简称AMM）。地面开发煤层气是在常规天然气开采技术的基础上，根据煤层的岩石力学特性、煤层气的生成储存特点及产出规律而发展起来的新技术，主要用于未开采的原始煤田，其特点是甲烷含量高，一般可达95%以上，规模大，产量稳定，经处理后可直接进入天然气管道。井下抽放煤层气主要是为煤矿安全生产的需要，在煤炭采前、采中、采后从煤体及围岩中抽取煤层气，其特点是甲烷含量低，一般在30%-60%之间。报废矿井煤层气是矿井因资源枯竭或无营利能力而关闭的煤矿，井下残存有煤炭，导致相当多的煤层气释放出来，对煤田周围的人员构成危险。煤层气本身没有毒性，但空气中含量较多时，能使空气中的氧含量降低，从而使人窒息，甚至死亡。高瓦斯矿井由于煤层气含量高，一经开采，瓦斯就从煤体中脱吸附逸出到巷道、工作面和采空区。这些瓦斯大部分被通过巷道、工作面的风流带走，局部风流不畅通的地带会发生瓦斯积聚。因此一旦超过一定的氧浓度时且煤层气中可燃气体的浓度位于其爆炸极限范围之内，遇到电火花或者任何火星，就有可能引起这些局部地带瓦斯燃烧或爆炸。
1.1 煤层气爆炸极限及安全性理论可燃气体在一定条件下可能发生爆炸。爆炸极限是重要的危险性参数，是政策制定、危险性评估以及货物的储存、运输、生产、销售、使用方法确定的依据之一，也是评定可燃气体火灾爆炸危险的主要指标之一，有着广泛的用途。
爆炸是一个涉及可燃性物质的化学反应，发生非常迅速并且反应期间释放出大量的能量。可燃气体或蒸汽与空气组成的混合物，并不是在任何混合比例下都可以燃烧或爆炸的，而且混合的比例不同，燃烧的速度也不同。由实验得知，当混合物中可燃气体含量接近于化学计算量时（即理论上完全燃烧时该物质的含量），燃烧最快或最剧烈。若含量减少或增加，火焰蔓延速度则降低，当浓度低于或高于某一极限值，火焰便不再蔓延。
可燃气体或蒸汽与空气组成的混合物能使火焰蔓延的最低浓度，称为该气体或蒸汽的爆炸下限Low Explosion- Level (LEL)；同样，能使火焰蔓延的最高浓度称为爆炸上限Upper Explosion- Level(UEL)。可燃气体浓度在爆炸下限以下时，混合气体中含有过量空气，由于空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延，不会发生爆炸；可燃气体浓度在爆炸上限以上时，含有过量的可燃性物质，空气非常不足（主要是氧不足），火焰也不能蔓延，因此也不能发生爆炸。但是此时若补充空气，同样有爆炸的危险。
根据燃气爆炸极限的定义，可以推理得到燃气安全性定律，即燃气中可燃组分的浓度应高于燃气无空气基的爆炸上限，或者燃气中可燃组分的浓度应低于燃气无空气基的爆炸下限，两者必居其一。
爆炸极限一般可用可燃性气体或蒸汽在混合物中的体积分数来表示，有时也用单位体积气体中可燃物的含量来表示(g/ m3或mg/l)。
爆炸极限值可以根据具体的物质用实验的方法来确定。研究结果表明，爆炸极限不是一个固定值，它受多种因素影响，工业生产中很难确定可燃、可爆气体的安全浓度范围。但如掌握了外界条件变化对爆炸极限的影响规律和计算方法，则根据实际所测的气体浓度并经计算得到的爆炸极限对工业生产仍有一定的指导意义。
1.2 爆炸条件论述可燃气体燃烧和爆炸的很多文献都提到燃烧和爆炸的三要素，即：
(1) 可燃性气体处于一定的浓度范围。
仅仅当可燃性气体或蒸汽与空气混合在一定的浓度范围内，它们才具有爆炸性。存在太少的可燃性物质，低于爆炸下限，则混合物太稀薄；存在太多的可燃性物质，高于爆炸上限，则混合物浓度太高。爆炸上限和爆炸下限之间的浓度区域是爆炸范围，在该浓度范围内混合物才具有爆炸性，即存在爆炸危险。
(2) 最低浓度以上的氧气需求。
对于爆炸，空气中正常的氧气的量被认为是充足的，甚至在含氧量减小时，可燃性气体仍然具有爆炸性。当氧气的量比空气中的氧气含量更高时，会发生更剧烈的爆炸。
(3) 具有最小温度、能量、持续时间的点火源。
如果爆炸性环境遇到有效点燃源，它会产生爆炸危险。在工业实践中存在多种引燃源。例如：热表面，火灾、无保护的火焰和炽热材料，机械性火花和弧光，电气性火花，静电放电火花等。
不是每一种引燃源都包含有可点燃所有种类爆炸性混合物的足够的能量。如果一种引燃源能够向爆炸性环境提供足够的能量，可导致引起燃烧反应自身持续传播，则这一引燃源是有效的，即会发生爆炸。
根据现有的爆炸极限研究理论与研究成果，可以较容易得到常温常压下煤层气的爆炸极限范围及临界氧含量，这里所说的常压是指压力为101325Pa，本报告中除标准大气压用的是绝对压力以外，其余所提到的工程设计压力，包括图、表中的所有压力都是相对压力；常温是一个温度范围（293.15±5K），除明确给出温度值外，常温均指这一个温度范围。当温度或压力超过常温或常压时，就要根据具体情况选择适当的研究方法确定爆炸极限范围。本课题的研究要求对XXX工程的煤层气脱氧、加压、液化工艺是否安全进行研究，为此我们采用如下的研究方案：以甲烷在常温常压下的爆炸极限为基础，利用含氧、惰性气体修正公式及多组分燃气爆炸极限的计算公式，并分别对压力或温度参数各自进行爆炸极限修正计算，或者对温度、压力进行综合的爆炸极限修正计算，这样就可以满足XXX煤层气脱氧、加压、液化工艺的爆炸极限及临界氧含量研究。针对贵方提出的3个问题：1、脱氧后，混合气体加压到5MPa，气体温度升高，此时有无可能发生爆炸；2、脱氧气体加压后进行深冷液化，由气相转变为液相，随着转化进行，甲烷浓度逐渐变小，是否会进入爆炸极限区域；3、产品气在液化后储存在储罐时，储罐内的液态甲烷会有小部分挥发气化，是否会进入爆炸极限区。进行了分析，上述3个问题可以归结为7个分问题的研究：①单组分可燃气体爆炸极限研究；②含氧可燃气体爆炸极限研究；③含氧及惰性气体的混合气体爆炸极限研究（条件允许应通过一定数量的试验进行修正或进行商业软件的模拟验证）；④一定压力、温度条件下的爆炸极限研究（条件允许应通过一定数量的试验进行修正或进行商业软件的模拟验证）；⑤爆炸极限安全评估；⑥临界氧含量研究；⑦工程安全条件下的氧含量确定。研究的技术路线见框图。
根据现有的爆炸极限研究理论与研究成果，可以较容易得到常温常压下煤层气的爆炸极限范围及临界氧含量，这里所说的常压是指压力为101325Pa，本报告中除标准大气压用的是绝对压力以外，其余所提到的工程设计压力，包括图、表中的所有压力都是相对压力；常温是一个温度范围（293.15±5K），除明确给出温度值外，常温均指这一个温度范围。当温度或压力超过常温或常压时，就要根据具体情况选择适当的研究方法确定爆炸极限范围。本课题的研究要求对XXX工程的煤层气脱氧、加压、液化工艺是否安全进行研究，为此我们采用如下的研究方案：以甲烷在常温常压下的爆炸极限为基础，利用含氧、惰性气体修正公式及多组分燃气爆炸极限的计算公式，并分别对压力或温度参数各自进行爆炸极限修正计算，或者对温度、压力进行综合的爆炸极限修正计算，这样就可以满足XXX煤层气脱氧、加压、液化工艺的爆炸极限及临界氧含量研究。针对贵方提出的3个问题：1、脱氧后，混合气体加压到5MPa，气体温度升高，此时有无可能发生爆炸；2、脱氧气体加压后进行深冷液化，由气相转变为液相，随着转化进行，甲烷浓度逐渐变小，是否会进入爆炸极限区域；3、产品气在液化后储存在储罐时，储罐内的液态甲烷会有小部分挥发气化，是否会进入爆炸极限区。进行了分析，上述3个问题可以归结为7个分问题的研究：①单组分可燃气体爆炸极限研究；②含氧可燃气体爆炸极限研究；③含氧及惰性气体的混合气体爆炸极限研究（条件允许应通过一定数量的试验进行修正或进行商业软件的模拟验证）；④一定压力、温度条件下的爆炸极限研究（条件允许应通过一定数量的试验进行修正或进行商业软件的模拟验证）；⑤爆炸极限安全评估；⑥临界氧含量研究；⑦工程安全条件下的氧含量确定。研究的技术路线见框图。
爆炸三角图是判断可燃气体混合物爆炸极限及最小氧含量的一种有效方法，图4为甲烷、氧气、氮气的爆炸三角图，其中甲烷的临界氧浓度约为12%，比化学反应式计算的最小氧含量要高，与实验值相同。三角图表示爆炸范围是非常方便的，图中L1，L2，临界氧浓度和U1，U2围成的近似三角区为可燃性气体的爆炸范围。L2，U2为可燃性气体在氧气中的爆炸下限和爆炸上限，L1，U1为可燃性气体在空气中的爆炸下限和爆炸上限，通过爆炸范围与顶点C的直线为空气线，空气线在O—N的交点处氧气浓度为20.95%。图中，连接顶点为C与N的一边是氧浓度为零的线。平行这条边的直线，表示氧浓度为一定值的混合物，与该边平行而与爆炸三角区项点相切的那条线，是要求的含氧量安全限值.
确定煤层气爆炸极限（上限和下限）的范围以及煤层气临界氧含量可以采用实验的研究方法，也可以采用理论计算的方法。实验研究方法的优点是能够得到确定实验条件下的爆炸极限及临界氧含量，缺点是实验结果受到许多因素，包括实验条件的影响，所得到的数据需经过定性、定量的分析，甚至修正才能决定是否被采用。当计算公式中的参数已知时，采用较为成熟的理论计算方法研究爆炸极限和氧含量更为简捷可靠。我们在前面详细介绍了各种爆炸极限的理论计算方法和理论计算公式，因此对XX煤层气工程项目中煤层气的爆炸极限及氧含量研究决定在补充少量试验的基础上（如果能够通过历史试验数据完成模型修正，则可省去试验部分）修正理论计算模型的研究方法。
Alex Song 宋汉成
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