黃克海

（1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

礦用水封阻火泄爆裝置主要用于保障低體積分數(shù)瓦斯輸送的安全性。受前期國內安標檢驗管道最大管徑為DN500 mm 的限值，以及AQ 1076—2009《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設計規(guī)范》中5.1.9 條規(guī)定內燃機瓦斯發(fā)電用管道“安全保障設施安設段管道公稱內徑不大于500 mm”的限值[1]，目前取得煤礦安全標志證書的水封阻火泄爆裝置最大管徑為DN500 mm。隨著煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)能力的增大，對大管徑的瓦斯輸送管路只能采用分支管道分流降速、多裝置并列運行的方式[2-3]，這種方式存在投資大、占地大、管理和維護工作量大等缺點。

目前，中煤科工集團重慶研究院清水溪DN1 000 mm 試驗管道已基本建成，即將通過驗收投入使用。另外，GB 40881—2021《煤礦低濃度瓦斯管道輸送安全保障系統(tǒng)設計規(guī)范》已上升為國家標準，將于2022 年5 月1 日實施，該標準5.1.9 條已經取消了內燃機瓦斯發(fā)電用管道安全保障設施安設段管道公稱內徑不大于500 mm 的限值[4]。綜合，設計了適用于DN1 000 mm 管徑的ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置。

1 ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置結構

水封阻火泄爆裝置是3 種不同阻火原理低體積分數(shù)瓦斯輸送安全保障裝置中的1 種，它以水為阻火介質，依靠裝置進氣口一定高度的水封進行阻火。一旦瓦斯輸送管道發(fā)生燃燒爆炸，火焰?zhèn)鞯桨踩鈺r，因水的作用，阻止了火焰蔓延到安全水封的另一側；同時水封阻火泄爆裝置安裝了爆破片，因燃燒爆炸使管道壓力升高超過爆破片泄爆壓力時爆破片自動破裂，達到壓力釋放，保障瓦斯管道及設備安全[5]。從水封阻火泄爆裝置的工作原理可知，其主要作用是阻火、泄爆。

適用于DN500 mm 及以下管道并取得煤礦安全標志證書的水封阻火泄爆裝置都是立式結構，采用雙筒形式，雙筒分別為水封筒和泄爆筒[6]。雙筒立式水封阻火泄爆裝置結構示意圖如圖1。

圖1 雙筒立式水封阻火泄爆裝置Fig.1 Double cylinder vertical water sealing fire resistance and explosion venting device

ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置采用立式結構存在以下問題：

1）立式水封阻火泄爆裝置筒體直徑為輸送管道公稱通徑的2 倍以上[7]。對于ZGZS1000 型水封阻火泄爆裝置采用立式雙筒結構，單個筒體在直徑和高度上都會很大。2 個筒體直接焊接在一起裝置外形尺寸和質量會更大，從而造成運輸困難。

2）為了解決運輸問題，可以將2 個筒體做成分體式，中間采用法蘭連接。運輸時將其拆開，到達安裝現(xiàn)場后再進行組裝。因2 個筒體尺寸及質量都比較大，現(xiàn)場安裝難度高，連接不好還容易出現(xiàn)瓦斯泄漏，帶來嚴重的安全隱患。

3）DN1 000 mm 瓦斯管道輸送的瓦斯氣量大，立式結構水封阻火泄爆裝置運行時液面波動大，帶水嚴重，水封穩(wěn)定性差[8]。

經過以上分析，ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置擬采用臥式結構。臥式結構的水封阻火泄爆裝置克服了立式結構尺寸大、運輸及安裝困難等問題，并且臥式結構具有很好的水封穩(wěn)定性[9]。臥式結構水封阻火泄爆裝置如圖2。

圖2 臥式結構水封阻火泄爆裝置Fig.2 Horizontal water sealing fire resistance and explosion venting device

2 ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置設計

2.1 ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置筒體直徑

2.1.1 筒體直徑試算

大流量瓦斯氣體通過水封會攜帶液態(tài)水，為了保障瓦斯氣體中的液態(tài)水不被瓦斯氣體帶出裝置，設計筒體直徑時遵循重力沉降原理，在瓦斯氣體從筒體流出前分離出液態(tài)水[10]。筒體直徑計算按照式（1）采用試算的方法。首先假定1 個筒體直徑Dw，當式（1）試算的筒體直徑Dsw≤Dw時，Dw即為筒體直徑[11]。

式中：aw為筒體內水面高度與筒體直徑比值；bw為筒體徑向液態(tài)水截面積與筒體徑向總截面積的比值；qv為管道瓦斯氣體流量，Nm2/h；T 為操作條件下氣體溫度，K；p 為操作條件下氣體壓力，kPa；φ 為筒體長度與直徑的比值，當一端進氣，另一端出氣時宜取2.5～3；Uc為水滴沉降速度，m/s。

為保障筒體內水封的穩(wěn)定性，以及利于瓦斯氣體后續(xù)發(fā)電或其他利用方式，裝置應將瓦斯氣中直徑大于或等于600 μm 的水滴分離出來。因此，以600 μm 水滴為對象，由式（2）計算水滴沉降速度Uc。

式中：μ 為瓦斯氣體黏度，mPa·s。

2.1.2 筒體計算直徑校核

式（1）試算得到的筒體直徑僅考慮了水滴重力沉降分離，未考慮氣體高速流動攜帶走液態(tài)水情況，為此在確定筒體直徑時需要考慮限制筒體內氣體流速，即筒體內瓦斯氣體安全臨界速度Vc，以防止流速大帶走液態(tài)水。式（4）以筒體內瓦斯氣體安全臨界速度Vc進行筒體直徑核算。

式中：q 為操作條件下入口瓦斯氣體流量，m3/s；Vc為體內瓦斯氣體安全臨界速度，m/s；ql為筒體內最大水封時存儲的水量，m3。

2.1.3 ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置筒體直徑計算

ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置筒體直徑計算時相關參數(shù)及要求如下：

1）每個煤礦抽采系統(tǒng)及水封阻火泄爆裝置使用場所不同，要求裝置能在溫度為5～50 ℃，壓力為0～30 kPa 的范圍內正常運行。

2）管道瓦斯經濟流速為5～12 m/s[12]，在計算ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置直徑時考慮煤礦現(xiàn)場實際運行流速偏大及一定可靠系數(shù)，取管道流速為20 m/s。

3）裝置采用一端進氣、一端出氣方式，為了減小裝置的整體尺寸，筒體長度與直徑的比值取2.5。

4）抽采瓦斯氣體是以甲烷為主的烷烴和一定量空氣的混合物，為簡化計算，計算筒體直徑時以空氣密度代入計算式。

5）計算水封阻火泄爆裝置內水面高度與筒體直徑比值及水封阻火泄爆裝置筒體徑向液態(tài)水截面積與筒體徑向總截面積的比值時，應滿足筒體瓦斯氣體流通徑向截面積是入口瓦斯管道截面積3 倍。

溫度、壓力不同時氣體和液體的基本狀態(tài)參數(shù)不一樣，計算ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置筒體直徑時應按不同工況分別計算。經過試算，假定水封阻火泄爆裝置筒體直徑Dw為2.2 m 時，不同工況下筒體直徑計算值Dsw見表1。

表1 不同工況下筒體直徑計算值Table 1 Calculated values of cylinder diameter under different working conditions

從表1 中可以看出，假定筒體直徑為2.2 m 時，計算值均小于假定值，則取筒體直徑為2.2 m。

筒體直徑確定后還需要用式（2）進行核算。式（2）核算前先確定筒體內瓦斯氣體安全臨界速度。為確保裝置內水封穩(wěn)定，裝置內氣液2 相流動應限定在分層流動機構區(qū)間，并以此確定瓦斯氣體安全臨界速度條件。根據mandhane 水平管道流動機構相圖，采用mandhane 相圖的最小液相折算速度0.003 m/s 作為水基本不流動的邊界條件，水和空氣分層流動機構臨界氣體折算速度為10.97 m/s[13]。考慮有關誤差，水封阻火泄爆裝置筒體內氣體安全臨界速度取分層流動機構臨界氣體折算速度（10.97 m/s）的0.9 倍，即9.873 m/s[14]。由于mandhane 水平管道流動機構相圖是在環(huán)境條件下（常壓，20 ℃）空氣和水2 種介質試驗得到的，因此，臨界氣體折算速度需根據水封阻火泄爆裝置工況條件應用式（5）進行修正。

式中：ρa為常壓20 ℃空氣密度，kg/m3；μa為常壓20 ℃空氣黏度，mPa·s；ρw為常壓20 ℃水密度，kg/m3；σ 為操作條件下水的表面張力，N/m；σw為常壓20 ℃水的表面張力，N/m。

查閱資料獲得不同工況下各參數(shù)，將不同工況參數(shù)分別代入式（5）得到最小臨界氣體折算速度為9.07 m/s，最小臨界氣體折算速度（9.07 m/s）及其他參數(shù)代入式（2）可知：

2.2 ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置筒體長度

筒體長度方向由兩端的封頭和中間的直筒段組成。直筒長度從經濟上考慮取其直徑的2.5～3 倍。封頭采用橢圓型封頭，封頭以內徑為基準，類型代號為EHA[15-16]，EHA 型橢圓封頭斷面圖如圖3。

圖3 EHA 型橢圓封頭斷面圖Fig.3 Section of EHA elliptical head

式中：D 為筒體內徑，m；h 為封頭直邊長度，m；H 為封頭內高度，m。

ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置直徑為2.2 m，直筒長度取直徑的2.5 倍，則直筒長度為5.5 m。封頭公稱直徑為2.2 m，直邊長度取0.04 m，封頭內高度由式（6）計算為0.59 m。ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置長度方向尺寸為：①直筒長度：5.5 m；②封頭長度：0.59 m；③總長度：6.68 m。

2.3 ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置筒體強度及厚度

管道內瓦斯發(fā)生爆炸時壓力峰值從爆炸點開始下降，傳播一端距離后出現(xiàn)拐點，壓力峰值開始上升[17-18]。為了控制筒體內爆炸壓力，同時減小爆炸影響范圍，裝置應盡可能靠近燃燒爆炸起點安裝，且安裝位置距燃燒爆炸起點最大距離小于30 m。為了保護瓦斯管道和水封阻火泄爆裝置，在筒體上設計了泄爆部件，泄爆壓力為90～120 kPa。結合水封阻火泄爆裝置安裝位置、爆炸壓力及泄爆壓力，水封阻火泄爆裝置筒體設計壓力要求≥1.0 MPa。

依據筒體設計壓力，由式（7）、式（8）計算臥式水封阻火泄爆裝置筒體厚度[19]。

2.4 ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置控制系統(tǒng)

ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置擬配置的控制系統(tǒng)如圖4。

圖4 水封阻火泄爆裝置控制系統(tǒng)Fig.4 Control system of water sealing fire resistance and explosion venting device

水封阻火泄爆裝置應具有水位自動控制功能。當筒體內水位高于高位設定值時，能夠自動排水；當筒體內水位低于低位設定值時，能夠自動補水，使水封阻火泄爆裝置水封高度始終保持在有效阻火范圍內。水位控制系統(tǒng)還應具有數(shù)據通訊功能，通過通訊實現(xiàn)水封阻火泄爆裝置的遠程監(jiān)控。

ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置控制系統(tǒng)設計3組水位傳感器、1 個補水電動閥、1 個排水電動閥和1 臺水位控制器。3 組水位傳感器設計實現(xiàn)水位監(jiān)測冗余，保障水位監(jiān)測準確性；控制器具有通訊功能，采用MODBUS 協(xié)議和遠程監(jiān)控中心實現(xiàn)數(shù)據交互。

3 結 語

DN1 000 mm 管徑煤礦瓦斯抽放管道瓦斯氣體流量大，立式水封阻火泄爆裝置運行過程中液面波動大，帶水嚴重，為此ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置設計了臥式結構。基于重力沉降原理和瓦斯氣體安全臨界速度開展了ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置筒體直徑和長度設計。經計算，筒體直徑取2.2 m，筒體總長度為6.68 m。依據瓦斯管道燃燒爆炸特性、水封阻火泄爆裝置安裝位置及泄爆件泄爆壓力，確定ZGZS1000 水封阻火泄爆裝置筒體設計壓力為1.0 MPa，經計算筒體厚度取10 mm。設計了3 組水位傳感器、1 個補水電動閥、1 個排水電動閥和1 臺具有數(shù)據通訊功能的水位控制器，實現(xiàn)了ZGZS1000水封阻火泄爆裝置水位自動控制和遠程監(jiān)控功能。