不同泄爆位置对甲烷/空气爆炸特性的影响

2023-11-29宋双林田富超赵珍珍

煤矿安全 2023年11期

宋双林，刘磊，田富超，葛欢，赵珍珍

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122）

我国煤层气储量十分丰富，探测发现在埋深2 000 m 以上的煤层气储量就有3.68×1013m3，其中可采资源量占比约为30%[1]。煤层气开采一般采用负压抽采技术，氧气易从管器件连接处、环境腐蚀漏气处等部位进入管道内，导致输送管道内煤层气的浓度处于可燃范围，具有爆炸危险。采取行之有效的阻爆抑爆措施，一直是众多学者的研究重点，为此许多学者开展了多孔材料[2-3]、粉体[4-5]、惰气[6-7]、水雾[8-9]等对可燃气体的抑爆研究，并取得一定的效果。在实际应用中，一些阻爆抑爆技术存在一定的缺陷[10]，如多孔材料会增加输送管道内的阻力，从而提高输送成本。输送管道上设置薄弱泄爆区域或泄压阀，是保证可燃气体输送安全的重要措施之一。

在泄爆参数对可燃气体爆炸特性影响方面，学者们开展了大量的研究并取得许多重要成果。ZHANG 等[11]在方形管道内研究了端口泄爆面积对可燃气体爆炸特性的影响，发现泄爆面积的大小能够影响甲烷爆炸动力学特征和超压峰值分布规律；SUN 等[12]在方形实验容器中研究发现，小泄爆面积下的可燃气体爆炸能够产生2 个压力峰值，大泄爆面积下的可燃气体爆炸仅能够产生1 个压力峰值；KUZNETSOV 等[13]在体积为1 m3的正方形实验容器中研究了不同泄爆面积对爆炸特性的影响，发现超压峰值取决于泄爆面积和可燃气体浓度；XING 等[14]研究了泄爆区域对甲烷/空气混合气体爆炸特性的影响，发现流体动力不稳定性、热扩散不稳定性和R-T 不稳定性促进了火焰前锋的细胞结构和振荡，内部压力的增加促进了火焰前锋的不稳定；ALEXIOU 等[15]发现在泄压口距离点火端较近时泄爆效果最好，在泄压口位于管道中部时泄爆效果最差；师峥[16]通过数值模拟的方法对比泄爆口分别位于点火端端面、管道中部和远离点火端端面时的泄爆效果，发现当泄爆口设置在点火端端面时，管道内超压峰值最大，泄爆效果最差。陈鹏等[17]在80 mm×80 mm×500 mm 管道内研究泄压口直径为40 mm 泄爆位置对可燃气体爆炸特性影响，发现当泄压口距离点火端较近时，泄压后管道内压力值最低，泄爆效果最好。任少峰等[18]发现当泄压口比（泄压口面积与管道截面积的比值）大于30%时，爆炸压力与火焰速度峰值几乎不受泄压口比率的影响。

从以上研究可以看出，学者们主要着重研究了泄压面积、大泄压口比的泄压位置对可燃气体爆炸特性的影响，而在小泄压口比的泄压位置对可燃气体爆炸特性影响方面的研究相对较小。因此，利用自建的瓦斯爆炸实验平台，开展不同位置下小泄压口比的泄爆口对甲烷/空气爆炸特性影响研究，为可燃气体爆炸减灾装备的设计提供理论依据。

1 实验装置及步骤

可燃气体爆炸实验平台是由实验管道、配气系统、点火系统、数据采集系统和同步控制器组成，实验系统示意图如图1。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

实验管道尺寸为100 mm×100 mm×1 000 mm，采用透明有机玻璃制成，耐受压力为2 000 kPa。配气装置是由2 台质量流量控制器构成，从而配制9.5%体积分数甲烷预混气体，在实验过程中，为了使9.5%体积分数甲烷气体充满整个管道，通入4 倍的甲烷/空气预混气体。点火装置输出电压为400 kV，点火能量约为0.2 J。数据采集系统是由高频压力传感器、数据采集卡和高速摄像机构成。高频压力传感器选用MD-G305 系列，响应频率为500 kHz，量程为0～2.5×105Pa；数据采集卡采用USB-1208FS 型，最大采集频率为50 kS/s；高速摄像机采用NAC GX-3 型，图像采集频率为2 000 Hz。同步控制装置能够实现对点火系统、数据采集卡和高速摄像机的阶段控制，从而确定图像数据和压力数据的起始时刻。

实验设置的泄爆口直径为10 mm，一共设置5 种实验工况，分别为工况1～工况5，与点火源的距离分别为0、250、500、750、1 000 mm。工况1 和工况5 分别设置实验管道的端面区域，工况2、工况3 和工况4 分别设置在管道侧壁区域。

打开实验管道的进气和排气阀门，将甲烷和空气气体的流量分别设置为0.76 L/min 和7.24 L/min，充气时间为5 min 以上，以此保证混合气体能够布满整个实验管道内。待充气完毕后，关闭进气和排气阀门，并打开所实验工况处的阀门，非实验泄爆口位置处的阀门处于关闭状态。实验准备完毕后，启动同步控制装置，实验管道内预混气体的点火，并完成压力数据和图像数据采集；同时导出该实验工况的数据，准备重复实验及其他工况的实验。

2 实验结果

2.1 不同泄爆位置对火焰传播速度的影响

通过对比不同时刻火焰边界位置的变化，得到单位时间管道内火焰边界的移动距离即为火焰在该时刻的平均传播速度，采用此方法所得的平均火焰传播速度是由可燃气体燃烧速度和热膨胀驱动燃烧锋面速度2 部分组成，火焰传播速度的计算公式为：

式中：v为预混气体传播速度，m/s；ti+1、ti分别为第i+1、i时刻，s；Li+1、Li分别为第i+1、i时刻火焰边界的位置，m。

不同工况下火焰传播速度随管道位置的变化规律如图2。从图2 可以看出，在火焰传播前期速度迅速增加，在达到峰值后的火焰传播速度迅速下降，之后火焰在管道内传播以低于10 m/s 的速度震荡传播至管道末端。

图2 不同工况下火焰传播速度随管道位置的变化规律Fig.2 Variation of flame propagation velocity with pipe position under different working conditions

预混气体在管道内传播的初期阶段，可观察到火焰以“半球形”和“指形”火焰结构传播，此阶段火焰燃烧面积处于增加阶段，燃烧膨胀驱动力增加，导致火焰传播速度迅速增加。在火焰传播速度增加至一定数值后，受燃烧面积的减小、管道壁面散热增加，热膨胀对火焰驱动减弱，导致火焰传播速度出现降低。之后由于反射波与燃烧膨胀波此消彼长的作用，火焰速度以震荡的效果传播至管道末端。

在泄爆口分别位于距离点火源为500、750 mm 时，传播火焰速度在泄爆口区域出现突增的波动现象，而其他工况的速度曲线在对应的泄爆口区域未出现明显波动。火焰在接近泄爆口位置时，外泄未燃气体的流动作用致使火焰传播速度出现突增。火焰传播至泄爆口后，已燃气体也会通过泄爆口流出管道外部，热膨胀的压力波对燃烧锋面的推动力减弱，从而出现传播速度降低的现象。距离点火源250 mm 泄爆口的工况2，泄爆口对火焰传播速度的加速及减速与在该区域无泄爆口情况下火焰传播速度的增减效果重叠，在该情况下未显出泄爆口对火焰传播速度波动的现象。工况1 和工况5 所对应的泄爆位置位于管道端点，能够持续影响整个火焰传播过程，因此火焰传播速度在对应位置区域未出现明显波动现象。

爆燃峰值速度随实验工况的变化规律如图3，工况1 至工况5 的峰值平均速度分别为14.71、16.52、17.78、18.56、20.25 m/s。可以看出，随着泄爆口与点火源距离的增加，峰值速度呈现逐渐增加的变化规律。预混气体在管道内的传播速度受可燃气体的燃烧效率、热膨胀强度、反射波强度等因素的影响，研究发现可燃气体在泄爆环境能够降低可燃自由基的碰撞概率[19]，从而降低燃烧效率。泄爆口在点火源附近时，热膨胀对燃烧锋面的驱动减弱，泄爆口在火焰传播后端时，反射波对传播火焰的阻碍降低。因此，随着泄爆口与点火源距离的增加，传播火焰峰值速度呈现逐渐增加的变化规律。

图3 爆燃峰值速度随实验工况的变化规律Fig.3 Variation of deflagration peak velocity with experimental conditions

工况3 下火焰速度随管道位置的变化规律如图4。受管道“壁面效应”燃烧面积的减小及爆炸反射波对锋面阻碍的作用，火焰锋面速度开始下降，直至火焰锋面出现“平面形”火焰结构，速度曲线出现第1 次低值。爆炸反射波作用主要沿管道轴线方向并向管道壁面的两侧方向延伸，在火焰锋面形成“平面形”火焰结构后，反射波对轴线管道火焰的阻碍大于对管道壁面区域的阻碍，壁面区域的锋面火焰传播超过轴线中心区域的火焰传播。

图4 工况3 下火焰速度随管道位置的变化规律Fig.4 Variation law of flame velocity with pipe position under working condition 3

在反射波作用于管道壁面区域时，壁面区域火焰速度出现降低。在超压作用下，部分未燃气体从泄爆口流出，泄爆口区域形成流场，燃烧火焰在靠近该流场时，在未燃气体的带动下，出现脱离主火焰的加速火焰。同样受到泄爆口区域未燃气体排泄，脱离主火焰的加速火焰几乎停滞，等待主火焰，从而出现火焰传播速度急速下降。在热膨胀作用下，主火焰通过泄爆口区域，火焰速度增加。在通过泄爆口之后，火焰传播速度在压力的作用下出现规律性的震荡，直至传播至管道末端。

2.2 不同泄爆位置对爆炸压力的影响

不同工况下爆炸压力随时间变化曲线如图5。

图5 不同工况下爆炸压力随时间变化曲线Fig.5 Variation curves of explosion pressure with time under different working conditions

从图5 可以看出，随着时间的增加，有限空间内甲烷/空气混合气体爆炸压力整体呈现先增加后减小的变化规律，除实验工况4 下的甲烷/空气爆炸压力曲线出现双峰特征外，其它实验工况的爆炸压力曲线仅出现1 个明显的压力峰值。同时，所有实验工况下的甲烷/空气爆炸压力曲线在25～50 ms 区间范围出现明显的拐点。

工况3 下爆炸火焰结构随时间变化规律如图6，不同工况下爆炸压力增速随时间变化规律如图7。

图6 工况3 下爆炸火焰结构随时间变化规律Fig.6 Variation law of explosion flame structure with time under working condition 3

图7 不同工况下爆炸压力增速随时间变化规律Fig.7 Variation law of explosion pressure growth rate with time under different working conditions

如图6，爆炸火焰在管道内传播分别经历“半球形”（10 ms）、“指形”（20 ms 和30 ms）、“平面形”（38 ms）和“郁金香形”的4 种典型火焰结构。在爆炸初期，火焰锋面以“半球形”和“指形”火焰结构传播，燃烧火焰锋面不断增加，爆炸压力不断增加。受管道壁面和反射波的限制，火焰结构由“指形”向“平面形”转变，火焰燃烧面积减小，壁面散失速率增大，爆炸压力增速减弱，但爆炸压力的加速度仍为正值，即在时间-压力曲线出现拐点，此阶段爆炸压力增率曲线变化较为平滑。

除工况4 外，其他工况火焰结构再由“平面形”火焰转变为“郁金香形”火焰结构时，火焰的燃烧开始面积增加，爆燃压力增加的同时也会引起反射波压力的增加，传播火焰在反射波阻碍及爆燃膨胀波的双重作用下，燃烧火焰中的自由基间距在双重压力波的作用下反复疏密，造成压力増率出现震荡变化，如图7 的震荡变化阶段。在火焰传播至末端达到最大爆炸压力后，受未燃物质的减小，爆炸压力开始下降。

不同实验工况下火焰通过泄爆口火焰结构变化如图8。

图8 不同实验工况下火焰通过泄爆口火焰结构变化Fig.8 Changes of flame structure of flame passing through vent under different experimental conditions

由图8 可以看出：火焰锋面在通过工况2 处的泄爆口时，火焰结构处于由“指形”结构向“平面形”结构转变的阶段，火焰锋面结构并未出现明显变形，在形成“平面形”火焰结构之后，在泄爆口泄压气流的影响下，后部火焰向泄爆口区域流动；火焰在通过工况3 和工况4 处的泄爆口之前，“郁金香形”火焰结构已形成，在通过泄爆口时，泄爆口区域的“郁金香形”火焰出现变形塌陷，“郁金香形”火焰尾部向泄爆口区域移动。同时，爆炸火焰传播至工况2、工况3 和工况4 的泄爆口时的时间分别为28、57、114 ms，对应的压力分别为52.49、88.75、146.18 kPa。爆炸火焰在通过工况4 处的泄爆口时压力最大，燃烧火焰厚度相比工况2 和工况3 较大，造成大量的处于燃烧阶段的自由基物质从泄爆口流出，减弱燃烧效率，从而造成压力下降。预混火焰通过工况4 处的泄爆口之后，泄爆口流出的大多为已燃气体，对燃烧效率的影响减小，从而使压力再次增加，造成工况4 下的爆炸压力曲线出现双峰结构。

峰值压力及平均升压速率随工况的变化规律如图9。甲烷/空气预混气体在工况1 至工况5 下的最大压力峰值分别为183.27、193.31、205.59、159.91、225.56 kPa，甲烷/空气预混气体在工况5条件下产生的爆炸峰值压力最大，在工况4 条件下产生的爆炸峰值压力最小。

图9 峰值压力及平均升压速率随工况的变化规律Fig.9 Variation of peak pressure and average boost rate with working conditions

由图9 可以看出，除工况4 外，最大爆炸压力随着泄爆口与点火源距离的增加而增加，泄爆口位于工况4 时，爆炸压力曲线出现双峰是导致最大峰值压力小于其他位置的主要原因。泄爆口对爆炸超压释放能力存在极值，在爆炸压力超过这一极值时，泄爆口对爆炸超压的泄压能力达到最大。在泄爆口与点火源距离较近时，泄爆口对预混气体爆炸初期压力的释放作用较强，从而影响爆燃压力的积聚，导致最大峰值压力减小。

爆炸危险性指数Kst是与爆炸反应动力学有关参数，用于表征可燃物的爆炸危险，其计算公式[20]如下：

式中：Kst为爆炸危险指数，(Pa·m)/s；p为压力，Pa；t为时间，s；V为实验容器体积，m3。

式(2)表明，在实验容积一定时，爆炸危险性指数与最大峰值的升压速率正相关。从图9 可以看出，最大峰值升压速率随泄爆口位置与点火源之间距离的增加而增加，因此在输送管道上的泄爆口应设置在易产生点火源的区域，泄爆口在点火源区域时可燃气体爆炸危险性指数最低。