摘 要: 為了保障低濃度瓦斯輸送過程中的安全, 利用直徑 700 mm、長 96 m 的管道模擬低濃度瓦斯輸送管道, 進行了全管道瓦斯爆炸傳播及抑爆試驗。瓦斯爆炸傳播試驗表明: 瓦斯爆炸壓力由爆炸源起至 50 m 區間有減小的趨勢, 50 m后明顯增大, 封膜前段壓力大幅上升; 火焰速度隨距離增大逐漸增大, 過 50 m后火焰速度明顯增加。抑爆試驗采用的抑爆裝置由火焰傳感器、抑爆器、控制器組成, 噴灑滯后時間不大于 15 m s, 抑爆試驗表明: 抑爆裝置能在距爆炸源 25 m處有效撲滅爆炸火焰, 能防止后部瓦斯參與爆炸, 并使后部壓力逐漸減小。

關鍵詞: 管道瓦斯爆炸; 抑爆裝置; 抑爆試驗

低濃度瓦斯是指在礦井瓦斯抽采中體積分數低于 30%的瓦斯, 我國現有煤礦瓦斯抽采中, 低濃度瓦斯抽采占 70% 以上[1 -2 ], 低濃度瓦斯發電技術已在我國應用[ 3 -6 ]。相當一部分瓦斯體積分數低于瓦斯爆炸上限 16% 的瓦斯在輸送利用和排放過程中存在嚴重的安全隱患。煤礦瓦斯抽放系統輸送低濃度瓦斯時, 瓦斯濃度處于爆炸限內或附近, 由于抽放系統或管路系統原因, 可能有金屬或其他碎屑混入, 輸送過程中與管壁摩擦產生火花, 一旦遇到火花, 就會引起爆炸[7 ]。低濃度瓦斯的安全利用是面臨的新課題, 現在將抽放瓦斯與細水霧混合, 在輸送管路上設置濕式水位自控阻火器和金屬波紋帶瓦斯管道專用阻火器, 防止低濃度瓦斯輸送過程中的瓦斯爆炸[ 8 ]。但這種方式既增加了瓦斯輸送阻力和能耗, 在瓦斯井下抽放端應用也很困難。本文運用的抑爆裝置能夠克服這些缺陷, 用于防止輸送管道內的低濃度瓦斯爆炸的發生和發展,保障低濃度瓦斯抽放利用過程中的安全。

1 管道瓦斯爆炸傳播試驗

1) 試驗裝置。試驗裝置 ?700 mm、長 93 m、承壓 310M Pa的鋼制管道。充入管道的瓦斯由真空泵、連接管與試驗管道構成循環系統并進行攪拌,形成濃度均勻的瓦斯 -空氣爆炸混合物 (圖 1)。

1) 10為壓力傳感器測點; 10) 20為火焰傳感器測點圖 1 試驗裝置及測試系統采用 PXI - 50612動態信號綜合測試系統, 該系統可采集 32路數據信號, 最高采樣率為每通道每秒采集 50 M S 的數據。采用固態壓阻壓力傳感器, 在測試過程中通過自制前置放大器接入動態測試分析系統。火焰傳感器所測波形為矩形波, 火焰到達該點時間以波形跳變時間為準。2) 試驗條件。在管道出口用 2層封膜封密管道, 充入瓦斯 (體積分數依次為 910% , 1010% ,715%, 912% ), 用水環式真空泵攪拌均勻。在距試驗管道端頭 413 m處有 3只點火源點爆。No1 1) No1 4瓦斯體積分數依次為 910% , 101 0% , 715% , 91 2%圖 2 ?700 mm 管道瓦斯爆炸各測點壓力峰值和火焰速度曲線3) 爆炸壓力及火焰速度曲線如圖 2所示。從圖 2a可以看出, 瓦斯爆炸壓力由爆炸源起至 50 m區間有減小趨勢, 50 m 后明顯增大, 封膜前段壓力劇升, 最大壓力峰值出現在出口附近。最大壓力峰值出現在出口的原因是: 封閉管道的 2層塑料膜限制baozha沖擊波傳播, 使壓力峰值急速上升。從圖 2b可以看出, 火焰速度隨距離增加逐漸增大, 過 50 m 后火焰速度明顯增加。靠近出口處的火焰速度最大。火焰速度由 25 m 處的 100 m /s左右上升至 75 m處的 1 000 m /s以上。

No1 1) No1 4瓦斯體積分數依次為 910% , 101 0% , 715% , 91 2%圖 2 ?700 mm 管道瓦斯爆炸

各測點壓力峰值和火焰速度曲線

2 抑爆裝置

[ 9 ] 抑爆裝置由火焰傳感器、抑爆器、控制器組 成, 如圖 3所示。通過火焰傳感器接收燃燒與爆炸 火焰信號, 輸入控制器, 控制器觸發抑爆器, 抑爆 器將滅火劑噴射到火焰陣面上, 撲滅火焰, 阻止爆 炸傳播, 工作原理如圖 4所示。

1) 火焰傳感器。靜態電流小于 2 mA; 靈敏度I級, 可探測 5 m遠 1 cd的火焰; 監視范圍為 120b圓錐夾角; 信號輸出為有火時高電平 ( \ 419 VDC), 無火時低電平 ( [ 011 V DC ); 工作電壓為5~ 27 V DC。2) 控制器。電源為 N i -MH9Ah 112V DC @ 6節充電電源; 信號輸入大于 2 mA; 信號輸出為015~ 115 A, 712 V DC本安; 輸入 2路信號, 輸出3路信號, 連續工作時間大于 6個月; 有電源指示、電源欠壓顯示、抑爆器通斷檢測顯示功能。3) 抑爆器。觸發電流不小于 014 A, 觸發電壓不小于 310 V; 噴粉效率不小于 80%, 燃氣發生器承壓不小于 1010 M Pa, 噴灑滯后時間不大于 15m s, 噴灑完成時間不大于 150 m s, 外型尺寸 ?245mm @ 600 mm。

3 瓦斯爆炸抑爆試驗

3.1 抑爆裝置在管道的安裝位置

管道瓦斯爆炸的傳播規律表明, 燃燒爆炸從點火源開始傳播, 火焰傳播速度隨爆炸源距離增加而增大, 初期增加較緩, 50 m 后, 火焰傳播速度增加很快, 為了有效抑爆, 抑爆裝置應盡可能安裝在爆炸源附近, 不能距爆炸源太遠。從抑爆裝置接收到燃燒或爆炸信號到抑爆器噴出干粉需要 20 ms的時間。考慮現場實際, 抑爆裝置應安裝在距爆炸源50 m范圍內。在爆炸源后 55 m 的范圍內, 火焰傳播速度最快可達到 570 m /s左右, 按此最快速度計算, 20 ms火焰可以傳播的距離約 12 m。試驗中火焰傳感器與抑爆器的安裝位置相距 19 m, 火焰傳感器靠近點火源, 抑爆器在管道中的安裝位置及測試如圖 5所示。

a) 點火源; b) 抑爆裝置火焰傳感器; c) 抑爆裝置控制器;d) 抑爆裝置抑爆器; e) 測試用火焰傳感器

圖 5 抑爆裝置的安裝位置及測試

3.2 試驗條件

全管道充體積分數為 810% ~ 1010% 的 CH4與空氣混合爆炸氣體。測試火焰傳感器布置: 從距點火源 913 m始, 布置 5組火焰傳感器, 每組 2個,彼此相距 3 m, 組與組之間距離不等。壓力傳感器器布置: 從點火源處開始, 在管道上均勻布置 10個壓力傳感器。點火源為 3只 8號工業電leiguan用引火工品。在管道末端, 用厚度為 0112 ~ 0114 mm的聚氯乙烯塑料薄膜封閉管道, 構成甲烷爆炸性封閉氣體, 點火源安裝在距管道初始端 415 m 左右處。探測火焰傳感器安裝在距點火源 610 m處, 抑爆器安裝在距點火源 2510 m處, 點爆 CH4與空氣的混合物, 用火焰傳感器測試爆炸火焰到達位置。抑爆裝置實物如圖 6所示。

圖 6 抑爆裝置實物

3.3 試驗數據

瓦斯爆炸抑爆試驗火焰測試數據見表 1, 壓力測試數據見表 2。

注: α為瓦斯濃度。

3.4 試驗結果分析

抑爆器安裝在距點火源 2510 m 處, 從抑爆裝置的試驗數據可以看出, 爆炸火焰還需要傳播一定距離, 才能被抑爆器撲滅, 抑爆器噴出的干粉滅火劑會被壓力沖擊波帶走一定距離。混合氣體瓦斯體積分數越接近爆炸濃度 910% , 這種距離越長, 但不超過 610 m (即爆炸火焰在抑爆器后 610m 范圍內熄滅 ), 在抑爆器之后, 沖擊波壓力也大幅減小, 并衰減下去, 抑爆效果較好。

4 結 論

在 ?700 mm 管道內的瓦斯爆炸傳播過程中,壓力峰值和火焰速度變化具有一定的規律性。瓦斯爆炸壓力由爆炸源起至 50 m 有減小的趨勢, 50 m后明顯增大, 封膜前段壓力劇升。火焰速度隨距離增加逐漸增大, 過 50 m 后火焰速度明顯增加, 在靠近出口處, 火焰速度最大。