ZGZS1000 水封阻火泄爆装置设计

黄克海

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

矿用水封阻火泄爆装置主要用于保障低体积分数瓦斯输送的安全性。受前期国内安标检验管道最大管径为DN500 mm 的限值，以及AQ 1076—2009《煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》中5.1.9 条规定内燃机瓦斯发电用管道“安全保障设施安设段管道公称内径不大于500 mm”的限值[1]，目前取得煤矿安全标志证书的水封阻火泄爆装置最大管径为DN500 mm。随着煤矿瓦斯抽采系统能力的增大，对大管径的瓦斯输送管路只能采用分支管道分流降速、多装置并列运行的方式[2-3]，这种方式存在投资大、占地大、管理和维护工作量大等缺点。

目前，中煤科工集团重庆研究院清水溪DN1 000 mm 试验管道已基本建成，即将通过验收投入使用。另外，GB 40881—2021《煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》已上升为国家标准，将于2022 年5 月1 日实施，该标准5.1.9 条已经取消了内燃机瓦斯发电用管道安全保障设施安设段管道公称内径不大于500 mm 的限值[4]。综合，设计了适用于DN1 000 mm 管径的ZGZS1000 水封阻火泄爆装置。

1 ZGZS1000 水封阻火泄爆装置结构

水封阻火泄爆装置是3 种不同阻火原理低体积分数瓦斯输送安全保障装置中的1 种，它以水为阻火介质，依靠装置进气口一定高度的水封进行阻火。一旦瓦斯输送管道发生燃烧爆炸，火焰传到安全水封时，因水的作用，阻止了火焰蔓延到安全水封的另一侧；同时水封阻火泄爆装置安装了爆破片，因燃烧爆炸使管道压力升高超过爆破片泄爆压力时爆破片自动破裂，达到压力释放，保障瓦斯管道及设备安全[5]。从水封阻火泄爆装置的工作原理可知，其主要作用是阻火、泄爆。

适用于DN500 mm 及以下管道并取得煤矿安全标志证书的水封阻火泄爆装置都是立式结构，采用双筒形式，双筒分别为水封筒和泄爆筒[6]。双筒立式水封阻火泄爆装置结构示意图如图1。

图1 双筒立式水封阻火泄爆装置Fig.1 Double cylinder vertical water sealing fire resistance and explosion venting device

ZGZS1000 水封阻火泄爆装置采用立式结构存在以下问题：

1）立式水封阻火泄爆装置筒体直径为输送管道公称通径的2 倍以上[7]。对于ZGZS1000 型水封阻火泄爆装置采用立式双筒结构，单个筒体在直径和高度上都会很大。2 个筒体直接焊接在一起装置外形尺寸和质量会更大，从而造成运输困难。

2）为了解决运输问题，可以将2 个筒体做成分体式，中间采用法兰连接。运输时将其拆开，到达安装现场后再进行组装。因2 个筒体尺寸及质量都比较大，现场安装难度高，连接不好还容易出现瓦斯泄漏，带来严重的安全隐患。

3）DN1 000 mm 瓦斯管道输送的瓦斯气量大，立式结构水封阻火泄爆装置运行时液面波动大，带水严重，水封稳定性差[8]。

经过以上分析，ZGZS1000 水封阻火泄爆装置拟采用卧式结构。卧式结构的水封阻火泄爆装置克服了立式结构尺寸大、运输及安装困难等问题，并且卧式结构具有很好的水封稳定性[9]。卧式结构水封阻火泄爆装置如图2。

图2 卧式结构水封阻火泄爆装置Fig.2 Horizontal water sealing fire resistance and explosion venting device

2 ZGZS1000 水封阻火泄爆装置设计

2.1 ZGZS1000 水封阻火泄爆装置筒体直径

2.1.1 筒体直径试算

大流量瓦斯气体通过水封会携带液态水，为了保障瓦斯气体中的液态水不被瓦斯气体带出装置，设计筒体直径时遵循重力沉降原理，在瓦斯气体从筒体流出前分离出液态水[10]。筒体直径计算按照式（1）采用试算的方法。首先假定1 个筒体直径Dw，当式（1）试算的筒体直径Dsw≤Dw时，Dw即为筒体直径[11]。

式中：aw为筒体内水面高度与筒体直径比值；bw为筒体径向液态水截面积与筒体径向总截面积的比值；qv为管道瓦斯气体流量，Nm2/h；T 为操作条件下气体温度，K；p 为操作条件下气体压力，kPa；φ 为筒体长度与直径的比值，当一端进气，另一端出气时宜取2.5～3；Uc为水滴沉降速度，m/s。

为保障筒体内水封的稳定性，以及利于瓦斯气体后续发电或其他利用方式，装置应将瓦斯气中直径大于或等于600 μm 的水滴分离出来。因此，以600 μm 水滴为对象，由式（2）计算水滴沉降速度Uc。

式中：μ 为瓦斯气体黏度，mPa·s。

2.1.2 筒体计算直径校核

式（1）试算得到的筒体直径仅考虑了水滴重力沉降分离，未考虑气体高速流动携带走液态水情况，为此在确定筒体直径时需要考虑限制筒体内气体流速，即筒体内瓦斯气体安全临界速度Vc，以防止流速大带走液态水。式（4）以筒体内瓦斯气体安全临界速度Vc进行筒体直径核算。

式中：q 为操作条件下入口瓦斯气体流量，m3/s；Vc为体内瓦斯气体安全临界速度，m/s；ql为筒体内最大水封时存储的水量，m3。

2.1.3 ZGZS1000 水封阻火泄爆装置筒体直径计算

ZGZS1000 水封阻火泄爆装置筒体直径计算时相关参数及要求如下：

1）每个煤矿抽采系统及水封阻火泄爆装置使用场所不同，要求装置能在温度为5～50 ℃，压力为0～30 kPa 的范围内正常运行。

2）管道瓦斯经济流速为5～12 m/s[12]，在计算ZGZS1000 水封阻火泄爆装置直径时考虑煤矿现场实际运行流速偏大及一定可靠系数，取管道流速为20 m/s。

3）装置采用一端进气、一端出气方式，为了减小装置的整体尺寸，筒体长度与直径的比值取2.5。

4）抽采瓦斯气体是以甲烷为主的烷烃和一定量空气的混合物，为简化计算，计算筒体直径时以空气密度代入计算式。

5）计算水封阻火泄爆装置内水面高度与筒体直径比值及水封阻火泄爆装置筒体径向液态水截面积与筒体径向总截面积的比值时，应满足筒体瓦斯气体流通径向截面积是入口瓦斯管道截面积3 倍。

温度、压力不同时气体和液体的基本状态参数不一样，计算ZGZS1000 水封阻火泄爆装置筒体直径时应按不同工况分别计算。经过试算，假定水封阻火泄爆装置筒体直径Dw为2.2 m 时，不同工况下筒体直径计算值Dsw见表1。

表1 不同工况下筒体直径计算值Table 1 Calculated values of cylinder diameter under different working conditions

从表1 中可以看出，假定筒体直径为2.2 m 时，计算值均小于假定值，则取筒体直径为2.2 m。

筒体直径确定后还需要用式（2）进行核算。式（2）核算前先确定筒体内瓦斯气体安全临界速度。为确保装置内水封稳定，装置内气液2 相流动应限定在分层流动机构区间，并以此确定瓦斯气体安全临界速度条件。根据mandhane 水平管道流动机构相图，采用mandhane 相图的最小液相折算速度0.003 m/s 作为水基本不流动的边界条件，水和空气分层流动机构临界气体折算速度为10.97 m/s[13]。考虑有关误差，水封阻火泄爆装置筒体内气体安全临界速度取分层流动机构临界气体折算速度（10.97 m/s）的0.9 倍，即9.873 m/s[14]。由于mandhane 水平管道流动机构相图是在环境条件下（常压，20 ℃）空气和水2 种介质试验得到的，因此，临界气体折算速度需根据水封阻火泄爆装置工况条件应用式（5）进行修正。

式中：ρa为常压20 ℃空气密度，kg/m3；μa为常压20 ℃空气黏度，mPa·s；ρw为常压20 ℃水密度，kg/m3；σ 为操作条件下水的表面张力，N/m；σw为常压20 ℃水的表面张力，N/m。

查阅资料获得不同工况下各参数，将不同工况参数分别代入式（5）得到最小临界气体折算速度为9.07 m/s，最小临界气体折算速度（9.07 m/s）及其他参数代入式（2）可知：

2.2 ZGZS1000 水封阻火泄爆装置筒体长度

筒体长度方向由两端的封头和中间的直筒段组成。直筒长度从经济上考虑取其直径的2.5～3 倍。封头采用椭圆型封头，封头以内径为基准，类型代号为EHA[15-16]，EHA 型椭圆封头断面图如图3。

图3 EHA 型椭圆封头断面图Fig.3 Section of EHA elliptical head

式中：D 为筒体内径，m；h 为封头直边长度，m；H 为封头内高度，m。

ZGZS1000 水封阻火泄爆装置直径为2.2 m，直筒长度取直径的2.5 倍，则直筒长度为5.5 m。封头公称直径为2.2 m，直边长度取0.04 m，封头内高度由式（6）计算为0.59 m。ZGZS1000 水封阻火泄爆装置长度方向尺寸为：①直筒长度：5.5 m；②封头长度：0.59 m；③总长度：6.68 m。

2.3 ZGZS1000 水封阻火泄爆装置筒体强度及厚度

管道内瓦斯发生爆炸时压力峰值从爆炸点开始下降，传播一端距离后出现拐点，压力峰值开始上升[17-18]。为了控制筒体内爆炸压力，同时减小爆炸影响范围，装置应尽可能靠近燃烧爆炸起点安装，且安装位置距燃烧爆炸起点最大距离小于30 m。为了保护瓦斯管道和水封阻火泄爆装置，在筒体上设计了泄爆部件，泄爆压力为90～120 kPa。结合水封阻火泄爆装置安装位置、爆炸压力及泄爆压力，水封阻火泄爆装置筒体设计压力要求≥1.0 MPa。

依据筒体设计压力，由式（7）、式（8）计算卧式水封阻火泄爆装置筒体厚度[19]。

2.4 ZGZS1000 水封阻火泄爆装置控制系统

ZGZS1000 水封阻火泄爆装置拟配置的控制系统如图4。

图4 水封阻火泄爆装置控制系统Fig.4 Control system of water sealing fire resistance and explosion venting device

水封阻火泄爆装置应具有水位自动控制功能。当筒体内水位高于高位设定值时，能够自动排水；当筒体内水位低于低位设定值时，能够自动补水，使水封阻火泄爆装置水封高度始终保持在有效阻火范围内。水位控制系统还应具有数据通讯功能，通过通讯实现水封阻火泄爆装置的远程监控。

ZGZS1000 水封阻火泄爆装置控制系统设计3组水位传感器、1 个补水电动阀、1 个排水电动阀和1 台水位控制器。3 组水位传感器设计实现水位监测冗余，保障水位监测准确性；控制器具有通讯功能，采用MODBUS 协议和远程监控中心实现数据交互。

3 结 语

DN1 000 mm 管径煤矿瓦斯抽放管道瓦斯气体流量大，立式水封阻火泄爆装置运行过程中液面波动大，带水严重，为此ZGZS1000 水封阻火泄爆装置设计了卧式结构。基于重力沉降原理和瓦斯气体安全临界速度开展了ZGZS1000 水封阻火泄爆装置筒体直径和长度设计。经计算，筒体直径取2.2 m，筒体总长度为6.68 m。依据瓦斯管道燃烧爆炸特性、水封阻火泄爆装置安装位置及泄爆件泄爆压力，确定ZGZS1000 水封阻火泄爆装置筒体设计压力为1.0 MPa，经计算筒体厚度取10 mm。设计了3 组水位传感器、1 个补水电动阀、1 个排水电动阀和1 台具有数据通讯功能的水位控制器，实现了ZGZS1000水封阻火泄爆装置水位自动控制和远程监控功能。