摘 要: 为了保障低浓度瓦斯输送过程中的安全, 利用直径 700 mm、长 96 m 的管道模拟低浓度瓦斯输送管道, 进行了全管道瓦斯爆炸传播及抑爆试验。瓦斯爆炸传播试验表明: 瓦斯爆炸压力由爆炸源起至 50 m 区间有减小的趋势, 50 m后明显增大, 封膜前段压力大幅上升; 火焰速度随距离增大逐渐增大, 过 50 m后火焰速度明显增加。抑爆试验采用的抑爆装置由火焰传感器、抑爆器、控制器组成, 喷洒滞后时间不大于 15 m s, 抑爆试验表明: 抑爆装置能在距爆炸源 25 m处有效扑灭爆炸火焰, 能防止后部瓦斯参与爆炸, 并使后部压力逐渐减小。
关键词: 管道瓦斯爆炸; 抑爆装置; 抑爆试验
低浓度瓦斯是指在矿井瓦斯抽采中体积分数低于 30%的瓦斯, 我国现有煤矿瓦斯抽采中, 低浓度瓦斯抽采占 70% 以上[1 -2 ], 低浓度瓦斯发电技术已在我国应用[ 3 -6 ]。相当一部分瓦斯体积分数低于瓦斯爆炸上限 16% 的瓦斯在输送利用和排放过程中存在严重的安全隐患。煤矿瓦斯抽放系统输送低浓度瓦斯时, 瓦斯浓度处于爆炸限内或附近, 由于抽放系统或管路系统原因, 可能有金属或其他碎屑混入, 输送过程中与管壁摩擦产生火花, 一旦遇到火花, 就会引起爆炸[7 ]。低浓度瓦斯的安全利用是面临的新课题, 现在将抽放瓦斯与细水雾混合, 在输送管路上设置湿式水位自控阻火器和金属波纹带瓦斯管道专用阻火器, 防止低浓度瓦斯输送过程中的瓦斯爆炸[ 8 ]。但这种方式既增加了瓦斯输送阻力和能耗, 在瓦斯井下抽放端应用也很困难。本文运用的抑爆装置能够克服这些缺陷, 用于防止输送管道内的低浓度瓦斯爆炸的发生和发展,保障低浓度瓦斯抽放利用过程中的安全。
1 管道瓦斯爆炸传播试验
1) 试验装置。试验装置 «700 mm、长 93 m、承压 310M Pa的钢制管道。充入管道的瓦斯由真空泵、连接管与试验管道构成循环系统并进行搅拌,形成浓度均匀的瓦斯 -空气爆炸混合物 (图 1)。
1) 10为压力传感器测点; 10) 20为火焰传感器测点图 1 试验装置及测试系统采用 PXI - 50612动态信号综合测试系统, 该系统可采集 32路数据信号, 最高采样率为每通道每秒采集 50 M S 的数据。采用固态压阻压力传感器, 在测试过程中通过自制前置放大器接入动态测试分析系统。火焰传感器所测波形为矩形波, 火焰到达该点时间以波形跳变时间为准。2) 试验条件。在管道出口用 2层封膜封密管道, 充入瓦斯 (体积分数依次为 910% , 1010% ,715%, 912% ), 用水环式真空泵搅拌均匀。在距试验管道端头 413 m处有 3只点火源点爆。No1 1) No1 4瓦斯体积分数依次为 910% , 101 0% , 715% , 91 2%图 2 «700 mm 管道瓦斯爆炸各测点压力峰值和火焰速度曲线3) 爆炸压力及火焰速度曲线如图 2所示。从图 2a可以看出, 瓦斯爆炸压力由爆炸源起至 50 m区间有减小趋势, 50 m 后明显增大, 封膜前段压力剧升, 最大压力峰值出现在出口附近。最大压力峰值出现在出口的原因是: 封闭管道的 2层塑料膜限制baozha冲击波传播, 使压力峰值急速上升。从图 2b可以看出, 火焰速度随距离增加逐渐增大, 过 50 m 后火焰速度明显增加。靠近出口处的火焰速度最大。火焰速度由 25 m 处的 100 m /s左右上升至 75 m处的 1 000 m /s以上。
No1 1) No1 4瓦斯体积分数依次为 910% , 101 0% , 715% , 91 2%图 2 «700 mm 管道瓦斯爆炸
各测点压力峰值和火焰速度曲线
2 抑爆装置
[ 9 ] 抑爆装置由火焰传感器、抑爆器、控制器组 成, 如图 3所示。通过火焰传感器接收燃烧与爆炸 火焰信号, 输入控制器, 控制器触发抑爆器, 抑爆 器将灭火剂喷射到火焰阵面上, 扑灭火焰, 阻止爆 炸传播, 工作原理如图 4所示。
1) 火焰传感器。静态电流小于 2 mA; 灵敏度I级, 可探测 5 m远 1 cd的火焰; 监视范围为 120b圆锥夹角; 信号输出为有火时高电平 ( \ 419 VDC), 无火时低电平 ( [ 011 V DC ); 工作电压为5~ 27 V DC。2) 控制器。电源为 N i -MH9Ah 112V DC @ 6节充电电源; 信号输入大于 2 mA; 信号输出为015~ 115 A, 712 V DC本安; 输入 2路信号, 输出3路信号, 连续工作时间大于 6个月; 有电源指示、电源欠压显示、抑爆器通断检测显示功能。3) 抑爆器。触发电流不小于 014 A, 触发电压不小于 310 V; 喷粉效率不小于 80%, 燃气发生器承压不小于 1010 M Pa, 喷洒滞后时间不大于 15m s, 喷洒完成时间不大于 150 m s, 外型尺寸 «245mm @ 600 mm。
3 瓦斯爆炸抑爆试验
3.1 抑爆装置在管道的安装位置
管道瓦斯爆炸的传播规律表明, 燃烧爆炸从点火源开始传播, 火焰传播速度随爆炸源距离增加而增大, 初期增加较缓, 50 m 后, 火焰传播速度增加很快, 为了有效抑爆, 抑爆装置应尽可能安装在爆炸源附近, 不能距爆炸源太远。从抑爆装置接收到燃烧或爆炸信号到抑爆器喷出干粉需要 20 ms的时间。考虑现场实际, 抑爆装置应安装在距爆炸源50 m范围内。在爆炸源后 55 m 的范围内, 火焰传播速度最快可达到 570 m /s左右, 按此最快速度计算, 20 ms火焰可以传播的距离约 12 m。试验中火焰传感器与抑爆器的安装位置相距 19 m, 火焰传感器靠近点火源, 抑爆器在管道中的安装位置及测试如图 5所示。
a) 点火源; b) 抑爆装置火焰传感器; c) 抑爆装置控制器;d) 抑爆装置抑爆器; e) 测试用火焰传感器
图 5 抑爆装置的安装位置及测试
3.2 试验条件
全管道充体积分数为 810% ~ 1010% 的 CH4与空气混合爆炸气体。测试火焰传感器布置: 从距点火源 913 m始, 布置 5组火焰传感器, 每组 2个,彼此相距 3 m, 组与组之间距离不等。压力传感器器布置: 从点火源处开始, 在管道上均匀布置 10个压力传感器。点火源为 3只 8号工业电leiguan用引火工品。在管道末端, 用厚度为 0112 ~ 0114 mm的聚氯乙烯塑料薄膜封闭管道, 构成甲烷爆炸性封闭气体, 点火源安装在距管道初始端 415 m 左右处。探测火焰传感器安装在距点火源 610 m处, 抑爆器安装在距点火源 2510 m处, 点爆 CH4与空气的混合物, 用火焰传感器测试爆炸火焰到达位置。抑爆装置实物如图 6所示。
图 6 抑爆装置实物
3.3 试验数据
瓦斯爆炸抑爆试验火焰测试数据见表 1, 压力测试数据见表 2。
注: α为瓦斯浓度。
3.4 试验结果分析
抑爆器安装在距点火源 2510 m 处, 从抑爆装置的试验数据可以看出, 爆炸火焰还需要传播一定距离, 才能被抑爆器扑灭, 抑爆器喷出的干粉灭火剂会被压力冲击波带走一定距离。混合气体瓦斯体积分数越接近爆炸浓度 910% , 这种距离越长, 但不超过 610 m (即爆炸火焰在抑爆器后 610m 范围内熄灭 ), 在抑爆器之后, 冲击波压力也大幅减小, 并衰减下去, 抑爆效果较好。
4 结 论
在 «700 mm 管道内的瓦斯爆炸传播过程中,压力峰值和火焰速度变化具有一定的规律性。瓦斯爆炸压力由爆炸源起至 50 m 有减小的趋势, 50 m后明显增大, 封膜前段压力剧升。火焰速度随距离增加逐渐增大, 过 50 m 后火焰速度明显增加, 在靠近出口处, 火焰速度最大。