页岩气开发地面工程:预防和应急处置着火爆炸事故

1.爆炸条件和爆炸极限

发生着火爆炸的充要条件为：烃类气体和空气在容积一定的密闭空间内形成均匀混合物；混合比例处在一定范围内；遭遇明火或混合物达到一定的高温。

页岩气与空气混合物发生着火爆炸的页岩气最低体积百分率和最高体积百分率分别称为天然气的爆炸下极限和爆炸上极限，两者统称为爆炸极限。可燃气体体积百分率在爆炸上限和爆炸下限之间的变化范围称为可燃气体的爆炸范围。爆炸上下限越宽，爆炸范围就越宽，该气体的可着火爆炸性就越强；反之，可燃气体的着火爆炸性越弱。

实验室中测定了天然气中各种可燃气体的爆炸极限，爆炸极限值与可燃气体和空气混合物所处的状态（压力、温度）、实验空间的几何尺寸和火源的点火能量有关。天然气中烃类组分、H2、CO等可燃气体在温度为293 K、绝对压力为101.325 kPa（1 atm）条件下爆炸极限实测值如表10—4所示。

表10—4　可燃气体爆炸极限　单位：%

可燃气体混合物的组分构成和各组分的爆炸极限已知时，也可以用下面公式近似估算爆炸极限：

式中　L——可燃气体混合物的爆炸极限，%；

　　　Vi——可燃气体混合物中i组分的体积组成，%；

　　　Li——可燃气体混合物中i组分的爆炸极限，%。

2.着火爆炸最高温度和最高爆炸压力

1）着火爆炸生成物温度的影响因素和爆炸生成物瞬时最高温度的计算方法

影响爆炸生成物温度的主要因素主要有三个：可燃气体的发热值，空气混合比例和混合物的初始温度。当发热值越高，可燃气体与空气的混合比例向化学当量燃烧所需求的比例越趋近，混合物在爆炸前的初始温度越高时，爆炸产物的温度越高，反之爆炸生成的温度越低。

爆炸产物瞬时最高温度与燃烧产物的温度计算原理和方法相同，计算公式如下：

式中　tmax——爆炸产物的瞬时最高温度，K；

　　　t0——可燃气体与空气混合物的初始温度，K；

　　　Q——单位质量页岩气的低发热值，kJ/kmol；

　　　mi——单位质量页岩气着火爆炸后，爆炸产物中i组分的摩尔分数，kmol/kmol；

　　　Cvi——爆炸生成物中i组分的比定容热容，kJ/（kmol·K）。(www.xing528.com)

着火爆炸事故发生时，页岩气与空气混合物的混合比例是未知的，难以准确预计爆炸产物的组分和温度，因此只能假定混合物比例与化学当量燃烧所需求的比例一致，这会使爆炸产物的温度理论计算值比实际值偏高，但不会对评估着火爆炸的危害程度有太大影响。

2）着火爆炸可能达到的最高瞬时压力

着火爆炸中的燃烧反应是在几何容积不变的情况下完成的，瞬时最高爆炸压力，可按下式计算：

式中　pmax——着火爆炸瞬间可能达到的最高爆炸压力，MPa（绝对压力）；

　　　tmax——着火爆炸时爆炸生成物可能达到的最高温度，K；

　　　p1——可燃气体与空气混合物的压力，MPa（绝对压力）；

　　　m1——可燃气体与空气混合物的总物质的量，kmol；

　　　m2——爆炸生成物总物质的量，kmol；

　　　t1——可燃气体与空气混合物的温度，K；

　　　Z——爆炸生成物的压缩系数。

3.着火爆炸事故的预防

（1）监视和控制密闭工作空间的可燃气体含量、断绝防爆区火源

不在密闭工作空间设置可能出现的严重泄漏的设备，各种管路和设备连接尽可能采用无泄漏的固定连接（如焊接连接），并将它布置在存在页岩气泄漏生产区的上风向，以降低页岩气进入密闭工作空间的可能性。对可能出现的页岩气泄漏的密闭工作空间进行足够的强制通风并设置天然气浓度作监测和报警的装置，确保空间中的天然气体积百分率低于其爆炸下极限值。在按防火规范划定的防爆区内杜绝一切可能导致着火爆炸事故的火源、所使用的电器必须是防爆的。

（2）防止空气进入管道和设备，不使管道和设备内出现明火源

当集输管道和设备在正压下工作时，它们能自动阻止外界空气进入。但在投入运行前和停工后气体相互置换过程中，会给两者的混合提供条件。当管道和设备内气体混合物满足着火爆炸的条件时，会发生着火爆炸，导致管道和设备破坏，并危害操作人员或周边居民人身安全。

（3）着火爆炸事故的紧急处置

① 抢救在事故中受伤的人员。着火爆炸产生的强大的冲击波、热辐射会使密闭工作空间内的人受到灼伤，而且爆炸碎片的撞击作用都可以使人受到机械性伤害。需要对现场重伤人员实行紧急救治，为进一步救治创造条件。

② 截断通向事故点的气源，防止衍生事故发生（如燃烧事故）。管道和设备发生着火爆炸时一般都会受到破坏，密闭空间中的着火爆炸也可能使其中的管道和设备受到破坏，造成页岩气外泄，及时截断气源是阻止后续其他事故的发生的根本性措施。