趙翔宇，李洪波，李自力，崔 淦，付 陽

(1.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；2.山東省油氣儲運安全省級重點實驗室，山東 青島 266580；3.青島市環(huán)海油氣儲運技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266580；4.中國航空油料有限責(zé)任公司山東分公司，山東 濟(jì)南 250107)

煤層氣(coal-bed methane，CBM)又稱煤層瓦斯，主要成分是甲烷，歸類于非常規(guī)天然氣[1-2]，是優(yōu)質(zhì)的化工和能源原料。在對煤層氣中甲烷進(jìn)行低溫液化分離的過程中，氣體中甲烷濃度有可能穿過爆炸極限，在此過程中甲烷有可能發(fā)生爆炸，這對分離提純系統(tǒng)非常危險。煤層氣液化過程中危險性較高的是低溫分餾階段，該過程中，降溫后的煤層氣經(jīng)過節(jié)流、壓力降低、甲烷液化等過程，分離出氧氣、氮氣，該階段屬于“低溫低壓”的工況范圍。分餾塔頂部氣相甲烷含量較少，可能會處于爆炸極限范圍內(nèi)，若遇到零星火花或外界熱源，有可能引發(fā)燃燒爆炸。為了評估爆炸危險程度，保證安全生產(chǎn)和優(yōu)化工藝操作過程，有必要討論可燃性氣體在工作環(huán)境下(主要是溫度和壓力)的爆炸特性[3]。

最小點火能這一概念是由Lewis等[4]，主要是針對氣體電火花點火而言。Eckhoff[5]組建了電火花發(fā)生器，測量得到丙烷-空氣混合氣的最小點火能為0.48 mJ；Sacks等[6]論證了閃電可以引起礦井下瓦斯氣體的點火；Han等[7]通過數(shù)值方法進(jìn)行了研究，得到當(dāng)量比、電極間距和電極半徑對甲烷-空氣混合氣體最小點火能、熄滅距離和點火延遲期產(chǎn)生的影響；Kelley等[8]通過實驗得到了不同當(dāng)量比和不同壓力下，火花點火的球形火焰持續(xù)傳播的最小點火半徑。譚迎新等[9]根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[10]測得幾種可燃?xì)怏w(液體蒸氣)的最小點火能數(shù)據(jù)。當(dāng)前通用的標(biāo)準(zhǔn)包括美國試驗與材料協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)[11]、美國汽車工程師學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)[12]、法國國家標(biāo)準(zhǔn)[13]、以及國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)[14]等。

本文中，通過實驗與計算相結(jié)合的方法，利用甲烷最小點火能測試裝置，對特定工況下的甲烷最小點火能進(jìn)行測定，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1 測試裝置及測試步驟

1.1 實驗裝置

最小點火能測試裝置示意圖如圖1所示。爆炸容器高度為300 mm，內(nèi)徑為100 mm，壁厚為25 mm，能承壓45 MPa。爆炸容器放置于制冷箱內(nèi)腔中，并帶有自動控溫系統(tǒng)。可燃?xì)怏w的初始溫度由位于容器中心的快速響應(yīng)熱電偶測試得到，熱電偶測溫范圍為-185～370 ℃，響應(yīng)時間為20 μs，耐受壓力34 MPa，瞬間耐高溫1 800 ℃。

可燃?xì)怏w初始壓力通過精密壓力計進(jìn)行測試，壓力計的精度等級為0.02。采用電火花放電，由位于容器中心的兩個不銹鋼電極放出。爆炸壓力通過電荷型壓電傳感器(Dytran 2300C5)測試得到，傳感器的采樣頻率為500 kHz，傳感器與電荷放大器配合使用。

爆炸溫度由快速響應(yīng)熱電偶測試得到，熱電偶測溫范圍為-40～1768 ℃，瞬間耐高溫2100 ℃，耐高壓34 MPa，響應(yīng)時間20 μs。本文中，參考標(biāo)準(zhǔn)BS-EN-1839-2003[11]，當(dāng)爆炸壓力增加了初始壓力的5%即認(rèn)為發(fā)生了爆炸。

在傳統(tǒng)的最小點火能測試中，采用的點火能量E計算公式為：

E=CU2/2

(1)

式中：E為最小點火能，C為儲能電容，U為放電電壓。

由于電路阻抗和雜散電容的影響，由式(1)得到的結(jié)果往往偏大。本文中，裝置點火電路如圖2所示。放電過程中，電流探針和電壓探頭分別測量通過電極的電流i(t)和兩側(cè)的電壓u(t)，結(jié)果由示波器記錄。典型的電流和電壓-時間曲線如圖3所示。精確的火花能量計算公式為：

(2)

1.2 測試步驟

爆炸容器先用氮氣進(jìn)行吹掃，然后真空泵抽真空。實驗氣體通過分壓法配置，通氣的次序為甲烷-空氣。在點火前，通過取樣閥取少量混合氣體，利用氣象色譜儀準(zhǔn)確測試其濃度作為混合氣體濃度。打開制冷裝置，使爆炸容器內(nèi)的氣體進(jìn)行降溫至目標(biāo)溫度。然后關(guān)閉制冷系統(tǒng)，觸發(fā)火花發(fā)生器。先選擇一個足以擊穿電極的電壓和電容。然后逐漸減小電容值直到連續(xù)25次放電實驗不能點燃?xì)怏w為止。此時的點火能量為該條件下的最小點火能Em，通過式(2)計算得到。在實驗中，連續(xù)兩次放電應(yīng)保證15～20 s的間隔，以使上次的電能充分耗散。

實驗完成后，在下一次實驗之前，先用3倍體積的氮氣吹掃容器，然后用真空泵抽真空。為了保證實驗的可重復(fù)性，每種工況做3組平行實驗[12]。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 敏感條件的確定

在所有實驗條件的組合中，使得點火能量達(dá)到最小的實驗條件為敏感條件。本實驗中，應(yīng)考慮的敏感條件為電極間隙和當(dāng)量比。通過實驗，得到電極間隙和當(dāng)量比對儲存最小點火能Em的影響分別如圖4～5所示。從圖4可以看出，存在一個最佳的電極間隙(1 mm)使得點火能量達(dá)到最小。從圖5可以看出，當(dāng)量比為1時點火能達(dá)到最小。因此，本文中，所有的實驗測試是在電極間隙為1 mm，當(dāng)量比為1的條件下進(jìn)行的。

2.2 實驗裝置的驗證

圖6是實驗時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的混合氣體成功點燃時的壓力-時間曲線， 從圖6可以看出，點火后混合氣體壓力短時間內(nèi)迅速上升，壓力變化大于初始壓力的5%，故認(rèn)定混合氣體被成功點燃。

表1給出了本文得到的甲烷的最小點火能與其他研究人員的結(jié)果對比?？梢钥闯觯琇ewis等[4]得到的結(jié)果最小。但Eckhoff等[5]的研究結(jié)果表明Lewis等[4]提出的值過于保守。Kondo等[13]提出的結(jié)果也偏小，這是因為該結(jié)果是他們通過計算得到的，而并非實驗。本文實驗結(jié)果與Yuasa[14]等人得出的實驗結(jié)果相近。在誤差允許范圍內(nèi)，本文結(jié)果與文獻(xiàn)[14]的差距不大，因此，本實驗中的實驗裝置是有效的。

表1 本研究結(jié)果與其他研究結(jié)果對比Table 1 Comparison of this research result with other research results

2.3 最小點火能測試結(jié)果

最小點火能Em的測試結(jié)果如表2和圖7所示。表2提供了最小點火能的測試值和標(biāo)準(zhǔn)偏差(不確定度)，圖7顯示了通過式(1)計算的結(jié)果和通過式(2)積分的結(jié)果。由圖7可知，本文中，實際火花的能量是儲能的10%～20%。

表2 最小點火能測試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 2 MIE test results and standard deviation

2.4 壓力對最小點火能的影響

圖8所示為初始壓力p對最小點火能的影響。數(shù)據(jù)點是平均值而誤差棒是標(biāo)準(zhǔn)偏差。從圖8可以看出，隨著初始壓力的增加，最小點火能減小。當(dāng)初始壓力小于0.3 MPa時，最小點火能隨著壓力增加大大減小。而當(dāng)初始壓力大于0.3 MPa時，最小點火能隨著初始壓力增加而緩慢下降。

最小點火能Em(mJ)隨1/p2(MPa-2)的變化關(guān)系如圖9所示。采用線性回歸的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得：

(3)

式(3)的決定系數(shù)R2≥0.999。式(3)表明，在某一初始溫度下，最小點火能與1/p2呈高度線性相關(guān)。

2.5 溫度對最小點火能的影響

圖10為溫度(T)對最小點火能的影響。隨著溫度的增加，最小點火能減?。旱蛪合?如0.1 MPa)隨溫度的升高最小點火能大大減??；壓力大于0.1 MPa時，隨著溫度的升高最小點火能緩慢減小。

圖11給出了最小點火能Em(mJ)和1/T(K-1)的關(guān)系。對圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，可得：

(4)

式(4)表明，最小點火能與1/T呈近似線性相關(guān)。

2.6 依據(jù)實驗結(jié)果的擬合公式

通過實驗數(shù)據(jù)擬合，可得最小點火能的計算公式：

Em=(0.032 17+0.062 13/p2)(-0.011 5+27.648 3/T)

(5)

式中：Em的單位為mJ，p的單位為MPa，T的單位為K，校正決定系數(shù)R2=0.999。依據(jù)公式(5)對最小點火能進(jìn)行計算，得出實驗結(jié)果與計算結(jié)果的差值要小于實驗的標(biāo)準(zhǔn)偏差(不確定度)。因此，擬合得到的公式能夠很好地預(yù)測一定工況范圍內(nèi)壓力和溫度升高情形下的最小點火能的值。

3 結(jié) 論

本文利用自行構(gòu)建的實驗裝置成功測試了-90～0 ℃、0.1～0.5 MPa工況下甲烷的最小點火能，得到以下主要結(jié)論。(1)在上述工況范圍內(nèi)，使甲烷-空氣混合氣體點火能達(dá)到最小的敏感電極間隙為1.0 mm，敏感濃度為化學(xué)計量濃度(當(dāng)量比為1)。(2)在上述工況范圍內(nèi)，甲烷最小點火能隨初始壓力的升高而減小，且低壓(小于等于0.3 MPa)時甲烷最小點火能隨初始壓力的增高減小較快，高壓(大于0.3 MPa)時減小較慢；另外，甲烷最小點火能與壓力平方的倒數(shù)呈近似線性關(guān)系。(3)在上述工況范圍內(nèi)，甲烷最小點火能隨初始溫度的升高而減小。且低壓(小于等于0.1 MPa)時甲烷最小點火能隨初始溫度的增高減小較快，高壓(大于0.1 MPa)時減小較慢；另外，甲烷最小點火能與溫度的倒數(shù)呈近似線性關(guān)系。(4)在上述工況范圍內(nèi)， 擬合了甲烷最小點火能關(guān)于溫度和壓力的表達(dá)式，該式能較好地預(yù)測混合氣體初始溫度、初始壓力變化時甲烷的最小點火能。

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