摘要：煤层气是把“双刃剑”，作为煤层的一种伴生资源，是一种清洁的能源。它不仅环境性能好，而且热效率高。但是煤层气在利用中又存在着许多难以解决的问题，例如煤层气要像天然气一样利用高压长输管道输送至城镇使用，这就要解决煤层气可燃气体浓度含量低引起的爆炸安全性问题。本文针对在煤层气高压输送中遇到的问题进行了理论研究，并以某煤层气高压输送工程为例，对煤层气加压输送的可行性进行了分析并提出了相应的解决措施。

关键词：煤层气；爆炸极限；高压输送；输气管道

(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)
Abstract:Coal-bedgas,atwo-bladesword,asanaccompaniedresourcesaswellasacleanenergy,hasacapacityofnon-pollutionandanefficiencyofheat-Radiation.However,therearestilllotsofproblemswhicharehardtoresolve,existingincoal-bedgas.Forexample,coal-bedgasneedstobetransportedtotownsbylonggastransmissionpipelineprocessedbyhighpressure,intheprocessofwhichsafetyshouldbesecuredbysolvingtheexplosiveaccidentwhichmaycausedbylow-rateflammablegasinthecoal-bedgas.Thefollowingtextaimstotheproblemswemaycomeacrossintheprocessoftransmissionbyhighpressure,andaroundtheseproblems,hereisatheoreticalresearch.takeatransmissionbyhighpressureasaexample,towardsthis,Irefertoatheoreticalanalysisandthenarespectivelymeasurement.
KeyWords:coal-bedgas;explosivelimit;transmissionbyhighpressure;gastransmissionpipeline

0引言

目前煤层气的开发和利用得到国家的特别重视。国务院总理温家宝在2006年1月9日的全国科学技术大会上的讲话中指出，要认真实施《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，开创我国科技发展的新局面。其中大型油气田和煤层气开发就是《规划纲要》中确定的16个重大专项之一。

我国煤层气抽放包括井下抽放和地面抽放两种。井下抽放系统回收的煤层气含甲烷约30～50，而地面井回收的煤层气甲烷浓度超过90。井下抽放系统回收的煤层气经加压或提纯后可利用或并入天然气管道系统，供给远方城镇用户。但由于煤层气提纯成本较高，因此一般只将地面井回收的煤层气注入天然气管道系统。^[1][2]

井下抽放系统回收的煤层气，虽然甲烷浓度低，但一般离用户较近，因此，这部分中、低浓度煤层气通常采用较低的压力，通过当地的煤层气管网供给用户使用。

另一方面，随着煤层气生产基地的建设，煤层气产量将迅速增加，这种中、低浓度煤层气在当地需求过剩的情况下要考虑长距离输送给缺少气源的城镇使用，在未来的一段时期利用长输管线将煤层气远距离输送将可能得到大力发展。煤层气高压输送安全性问题是十分重要的研究内容。

1高压输送煤层气的难点和应解决的技术问题

目前我国煤层气远距离输送工程应用实例中，一般压力不是很高，距离也较短，如：抚顺矿务局至沈阳市的煤层气输气管道，设计压力0.8MPa，运行压力0.35MPa，煤层气中甲烷含量大于50；调兵山市至铁岭市的煤层气输气管道都已建成并安全运行；正在筹建中的沁水煤田至晋城市区的煤层气输气管道压缩机排气压力最大为0.4MPa。煤层气的爆炸极限范围所限制了它的输气压力。^[3][4][5][6]

在采用压力管道输送煤层气时，由于有大量的O2存在以及煤层气加压的同时伴有温度的升高，因此有可能存在煤层气在爆炸极限范围内运行的情况。为保证煤层气加压过程的安全运行，有必要对煤层气加压过程的爆炸极限进行深入的研究，这对于煤层气输送工程的安全性和经济性有着十分重要的意义。

某煤层气高压输送工程中煤层气经压缩机压缩后压力变为1.4MPa，温度为120℃(压缩机出口)。本文对该工程煤层气瓦斯爆炸极限(上限和下限)的范围以及压力、温度等对煤层气爆炸极限的影响进行探讨。

2输送工况下煤层气爆炸极限分析

2.1常温常压下的爆炸极限

本工程煤层气组分为42甲烷，58空气的混合气。根据文献[7]的计算方法，经计算得到常温常压下煤层气的爆炸上限为15，爆炸下限为5。由计算结果可知，常温常压下该煤层气远离爆炸极限。

2.2压力对爆炸极限的影响































从图1可以看出，压力对爆炸极限有很大的影响，压力增大，爆炸极限范围变大。这是因为系统压力增高，其分子间距更为接近，碰撞几率增高，因此使燃烧的最初反应和反应的进行更为容易。压力降低，则爆炸极限范围缩小。
煤层气的爆炸上限随压力变化较大，常温，压力为1.4MPa时，煤层气的爆炸上限为：38.52；但下限变化不明显。






































2.4综合温度压力对煤层气爆炸极限的影响
对于爆炸上限，采用如下综合公式进行修正[7]：


































由此可以看出，综合考虑压力和温度对爆炸极限的影响，随着压力和温度的升高，爆炸极限范围扩大。当压力为1.4MPa，温度为120℃时，煤层气爆炸上限最大为42.27。故最危险工况为压力为1.4MPa，温度为120℃时的情况。

2.5其它因素对煤层气爆炸极限的影响^[8][9]

除上述主要影响因素之外，燃气的种类及化学性质，惰性气体及杂质，燃气与空气混合的均匀程度，点火源的形式、能量和点火位置，容器的几何形状和尺寸，燃气的湿度都对煤层气的爆炸极限有一定的影响，但相对影响较小，故本文对此不再加以详细叙述。

3煤层气输送工艺的安全性分析

3.1煤层气输送工艺下爆炸极限的动态变化

根据该工程所提供的工艺流程，可根据煤层气输送过程中的各处工况，对爆炸极限进行动态分析。




















如图5所示：首站来气压力0.3MPa，温度为5℃，则其爆炸极限范围为5.06～27.02；到达首站，经压缩机增压后，压力达到1.4MPa，温度变为120℃，相应的，其爆炸极限范围为4.60～42.27；经空冷器冷却后，温度变为60℃，则爆炸极限范围为4.84～40.39；之后，煤层气被输送至各个分输站及末站，供气压力为0.4MPa，温度取5℃，则爆炸极限范围为5.06～28.99。

由此可以看出，当压力为1.4MPa，温度为120℃时，爆炸极限范围最大。故进行安全性评估时，只需考虑此工况下的爆炸极限。

3.2输送工艺安全性判定

根据燃气混合安全性定律，如果燃气中可燃组分的浓度高于燃气无空气基的爆炸上限(或低于爆炸下限)，则燃气是安全的。但不能直接用理论计算得到的爆炸极限与燃气的可燃组分体积分数进行对比以确定是否在安全范围内，应考虑一定的安全系数，根据文献[10]取1.2倍的安全系数，以此来确定该煤层气是否安全。压力P=1.4MPa，温度t=120℃时，爆炸上限Upt=42.27，爆炸下限Lpt=4.60，取1.2倍的安全系数后爆炸上限变为50.72，大于该工程所给煤层气中可燃气体成分的百分数，即该煤层气在其爆炸极限范围内，所以该输送工艺系统是不可行的。

根据上述安全定律我们可以得到整个输送工艺下煤层气的爆炸极限及其是否出于安全状况。














4降低爆炸极限的措施

通过对影响爆炸极限范围的因素进行分析研究，压力、温度及惰性气体含量对煤层气爆炸极限范围影响较大，因此，要使煤层气达到安全要求，可以从以下几点考虑：

4.1降低煤层气的压力、温度

通过压力对煤层气爆炸极限范围的影响情况可知：压力降低，爆炸极限范围减小；温度降低，爆炸极限范围亦减小。所以降低该工程首站起点压力，即降低压缩机出口压力可以使煤层气处于爆炸极限安全范围之内。但为了保证输送工艺要求，一般不建议采取降低压力的方法来降低爆炸上限。

4.2煤层气提纯

煤层气中甲烷含量过低，而且不稳定是煤层气热值低、存在安全隐患的原因。采用煤层气提纯技术可以有效的解决上述问题，并提高煤层气的利用率。煤层气提纯技术是指将N₂或空气与甲烷分离，使煤层气中甲烷含量相对提高，从而可以提高煤层气的热值及远距离输送的价值。煤层气提纯技术主要包括低温分离、变压吸附分离和膜分离3种。

将N2或空气与甲烷分离的低温工艺，设备投资大，而且只有分离的流量较大时(每天几百万立方米)才具有商业价值，而矿区煤层气产量有限时，低温分离工艺就不适合。膜分离技术简单，非常适用于小型气体分离站，但迄今为止，仅仅处于研究开发阶段。变压吸附工艺目前是煤层气提纯的首选技术，它可将N₂、O₂与甲烷分离，处理能力可达5.7～28.3万m³/d。另外，变压吸附具有工艺简单、设备紧凑、操作费用低和适用性强的特点，根据中科院山西煤化所提供的资料，采用成熟的变压吸附技术可以使煤层气中甲烷含量达到90～95。

4.3煤层气掺混

在对本工程的考察中，该矿区同时具有井下抽放和地面抽放两种抽放系统，井下抽放系统回收的煤层气含甲烷约42，而地面井回收的煤层气甲烷浓度约为92。况且地面抽放的产量为井下抽放的6倍之多，这样我们就可以从地面抽放回收的煤层气中拿出一部分和该工程所输送的低甲烷浓度煤层气进行掺混，使之处于安全输送范围。






















如图6所示，当所掺混高甲烷含量煤层气的比例大于0.2时，在安全系数取1.2的情况下该工程输送工艺是安全的。对于本工程采用此种方案是降低煤层气爆炸极限范围的首选措施。

5结语

目前我们国家对煤层气作为城市燃气气源的应用在许多方面还缺少认识，特别是煤层气的高压、远距离输送有可能成为一种趋势或者必要，那么煤层气爆炸极限范围、爆炸极限安全系数以及相关的技术规范等问题都是值得进一步研究的课题。在我国煤层气作为城市燃气气源的应用还刚刚起步，没有相关的设计规范以资利用，特别是煤层气中空气含量较大，高压输送时爆炸危险性增大，在选择确定煤层气管道输送的设计技术参数时，都应首先确认该煤层气是否是安全的。相信随着能源与环保意识的增强，煤层气利用工程会越来越多，煤层气安全输送技术的研究会越来越深入。

参考文献
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注：本课题为国家自然科学基金资助项目50376014

(本文作者：宋汉成，焦文玲，李娟娟哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨