一种低浓度瓦斯气输送过程中配气装置的研制

庞晓波

（宁波鲍斯能源装备股份有限公司，浙江 宁波 315500）

一种低浓度瓦斯气输送过程中配气装置的研制

庞晓波

（宁波鲍斯能源装备股份有限公司，浙江 宁波 315500）

国瓦斯气储量丰富，高浓度瓦斯气的利用技术已经比较成熟，在工业和民用方面也得到了广泛利用；但由于低浓度瓦斯气跨越了瓦斯气的爆炸界限，在输送过程中存在安全隐患，因此利用率不高。针对这种情况，论文中进行了分析与研究，设计了一种装置，并通过一系列的安全措施，使高浓度的天然气与低浓度的瓦斯气进行混合，使混合后气体中甲烷的浓度超过瓦斯气的爆炸界限，确保瓦斯气输送的安全，对低浓度瓦斯气的抽采利用具有重要意义。

低浓度瓦斯气；甲烷浓度；输送；调节阀；配气

根据国家《煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》中的定义，煤矿低浓度瓦斯气是指甲烷体积浓度大于或等于 3%且小于 30%的煤矿瓦斯。自国家“十一五”规划中关于“大型油气田及煤层气开发”的政策颁布以来，我国瓦斯气的利用技术突飞猛进，取得了辉煌的成绩；在2010年1月21日，国家安监局颁布了《关于修改〈煤矿安全规程〉部分条款的决定》，其中根据国家安监局已发布的低浓度瓦斯安全利用的相关标准，将原《煤矿安全规程》中关于“利用瓦斯气，其甲烷浓度不得低于30%”的规定修改为“抽采的瓦斯甲烷浓度低于30%时，不得直接作为燃气燃烧；用于内燃机发电或作为其他用途时，瓦斯的利用、输送必须按有关标准的规定，并制定安全技术措施”；该规定取消了对低浓度瓦斯气利用的限制，低浓度瓦斯气的利用将成为瓦斯气利用的重点。众所周知，在常温常压下，瓦斯气爆炸界限为5%～16%，对于浓度3%～30%之间的低浓度瓦斯气，跨越了瓦斯气的爆炸界限，因而低浓度瓦斯气在利用过程中，存在着极大的安全隐患；而输送系统是瓦斯气利用过程中极其重要工艺环节，它的配置是否合理，运行是否安全、可靠，直接关系到设备机组的是否能够正常运行，又影响到瓦斯抽采系统的安全，对低浓度瓦斯气的利用起着关键性的作用；因而，研究低浓度瓦斯气在输送过程中的安全保障技术，有利于促进低浓度瓦斯利用产业的迅速发展，提升国家节能减排的技术水平。

1 配气装置理论分析

根据研究表明，瓦斯爆炸有3个必要条件：①瓦斯浓度达到一定范围：5%～6%至14%～16%时，混合气体有爆炸性；②存在高温火源，一般认为是650°～750°；③有足够的氧气，混合气体中氧气的浓度不低于12%。三者缺一不可。

瓦斯气的单位浓度对瓦斯气的爆炸起着极其重要的作用；在正常的大气环境中，瓦斯只在一定的浓度范围内爆炸，这个浓度范围称瓦斯的爆炸界限，其最低浓度界限称为爆炸下限，其最高浓度界限称为爆炸上限，瓦斯在空气中的爆炸下限为5%～6%，上限为14%～16%。当瓦斯浓度低于5%时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层，当瓦斯浓度为9.5%时，其爆炸威力最大，此时，氧和瓦斯完全反应；瓦斯浓度在16%以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。因此，在正常的大气环境中，瓦斯气的爆炸界限被认为是5%～16%。

由上述可知，改变瓦斯气体中的甲烷浓度，使其超出爆炸界限，则可以大大降低瓦斯爆炸发生的可能性。

本文针对目前这种现状，构思了一种低浓度瓦斯气输送过程中的配气装置，利用高浓度的瓦斯气对低浓度瓦斯气进行混合，从而提升低浓度瓦斯气的浓度，避开瓦斯气的爆炸界限，达到安全用气的目的。

2 实验及结果

为了验证构思是否可行，建立了一套实验装置，并对实验结果进行分析。

2.1 装置说明

该实验装置主要包括低浓度瓦斯气源 1，原料气阻火装置2，单向阀3，泄压装置4，调节阀5，高浓度天然气气源6，混合气阻火装置7，甲烷浓度检测仪 8，天然气阻火装置 9，控制系统 10，瓦斯气管路 11，天然气管路 12；混合气管路 13，用气装置14，如图1所示。

瓦斯气管路11连接至煤矿低浓度瓦斯气源1，天然气管路12连接至高浓度天然气气源6；煤矿瓦斯气和天然气汇合至一处，然后从混合气输出管路13排出至用气装置14；天然气气源6的甲烷浓度比煤矿瓦斯气源1高，且天然气管路12中的压力比瓦斯气管路11中的压力高。

图1 实验装置示意图

瓦斯气管路11上依次设置原料气阻火装置2、单向阀3。因为天然气管路的压力高于瓦斯气管路，所以在瓦斯气管路上设置单向阀3防止气体倒灌至低浓度瓦斯气源。

天然气管路12上依次设置调节阀5、天然气阻火装置9。调节阀5与控制系统10相连接。

混合气输出管路13上设置混合气阻火装置7和甲烷浓度检测仪 8。甲烷浓度检测仪 8与控制系统10相连接，甲烷浓度检测仪8将检测到的甲烷浓度传送给控制系统10，控制系统再将该检测值与设定值进行比较后向调节阀 5发出调节阀门开度的指令。通过控制系统自动控制有效地保证混合气输出管路中甲烷浓度的稳定性，并且设定值高于瓦斯气爆炸界限的甲烷浓度，保证瓦斯气安全输送。

在混气过程中由于混气不均匀或者其他原因会发生爆炸的可能，因此在瓦斯气管路11、天然气管路12和混合气输出管路13上都设置阻火装置，能有效防止火焰的蔓延且使损失局限在上述三个阻火装置之间的范围内。为了尽快释放爆炸时的能量，在原料气阻火装置 2、天然气阻火装置 9和混合气阻火装置 7之间管道上设置泄压装置 4。该泄压装置4可以是爆破片，也可以是泄压阀。

2.2 试验过程及测试数据

实验中低浓度瓦斯气源1的压力为3kPa，甲烷浓度为15%；高浓度天然气气源6的压力为10kPa，甲烷浓度为99%；混合气的目标浓度为30%；首先对管路进行氮气置换，确保管路中没有空气，以此避免有氧气混入原料气中；然后在控制系统10中，将气动调节阀的控制模式改为手动模式，给定开度为 0，此时气动调节阀处于关闭状态；然后使低浓度瓦斯气源1中的气体缓慢进入瓦斯气管路11，当甲烷浓度检测仪8显示的甲烷浓度与低浓度瓦斯气浓度一致时，在控制系统10中由低到高给定调节阀开度指令，此时气动调节阀将会根据接受指令而打开，混合气管路中的甲烷浓度达将逐步达到30%，然后在控制系统 10中将调节的控制模式改为自动模式，此时，气动调节阀将会以30%的目标值进行自动调节；最后起动用气装置14；在混合气输出管路13的不同点上进行甲烷浓度检测，检测结果如图2所示。

图2 混合气输出管路各点甲烷浓度检测

2.3 测试结果

在实验过程中，对混合气管路中的甲烷浓度进行了多次检测，图2中列举了4组具有代表意义的数据；从图2中可以看出，在混合气管路的前段短距离内，具体是指前 4m内，混合气中的甲烷浓度有轻微的波动现象，表明此时的混合气体尚未混合均匀，但此时的浓度已经超过甲烷的爆炸界限，从理论上不存在爆炸的可能；在混合气管路的中段及后段部分，甲烷浓度达到设定值，并且稳定，表明此时混合气体混合均匀，达到预期目标。

3 结论

在低浓度瓦斯气的输送过程中，配气装置通过控制系统，依据甲烷浓度检测仪提供的数据以及设定的目标值，对调节阀进行控制，实现了高浓度天然气和低浓度瓦斯气在输出管路中的均匀混合，使输出的混合气中甲烷浓度保持稳定且使该浓度高于瓦斯气爆炸界限，大大提升了瓦斯气输送过程中的安全性。并且管路上设置了阻火装置和泄压装置，确保了该装置运行的安全性；该装置在山西某低浓度瓦斯气液化项目中得到了初步应用，取得了理想的效果。

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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

庞晓波（1982-），男，浙江省奉化市人，本科，工程师，主要从事低浓度瓦斯气液化技术装备的研究设计工作。