新型清洁气体式主动抑爆装置研制及抑爆性能研究

周温 ¹，荣佳 ²，雷武 ¹

（1.山西新思备科技股份有限公司，晋中市，030699

2.中北大学，太原市，030051;）

摘要：为了保障瓦斯等易燃易爆气体输送及发电管道的安全性，提高主动抑爆装置抑爆效能，结合 ZYBG 矿用管道主动喷粉抑爆装置，研制一款以清洁型灭火剂 FM200 为抑爆介质的自动抑爆装置，通过分析现有主动抑爆技术中常用的三种抑爆介质（干粉、细水雾、二氧化碳）与 FM200 的灭火特性，对比其在抑爆后对输送管道的影响，并通过抑爆性能试验，试验证明该抑爆装置能够在 5ms 内快速捕捉火焰信息，并在 30ms 内迅速喷洒抑爆介质，在抑爆器后 3m 外无爆炸火焰信息。

关键词：主动抑爆；FM200；清洁气体；抑爆试验；传感器

中图分类号：            文献标识码：             网络出版时间：

The automatic suppression device development and explosion suppression performance study of gas transmission pipeline

ZHOU Wen¹，RONG Jia²,LEI Wu¹

(1.Shanxi xinsibei science and technology co. ltd.,Jinzhong 030699, China；

2. North University of China, Taiyuan 030051, China；)

Abstract: In order to guarantee the safety of gas pipeline transportation, improve automatic suppression device effectiveness, combined with the ZYBG mining pipeline active explosion suppression device, develop a explosion suppression device used heptafluoropropane as clean explosion medium, through the analysis of fire characteristics between existing active suppression of three explosion medium (dry powder , water mist ,carbon dioxide) and heptafluoropropane, compare the effects of gas in the pipeline after explosion suppression, Through the explosion suppression tests proved that the explosion suppression device can capture the flame information within 5ms, and sprinkle the explosion medium within 30ms, no explosion flame information was found 3m outside the explosion suppressor.

Keywords: active suppression; heptafluoropropane; clean gas; explosion suppression test; sensor

0 引言

近年来，国家先后******了一系列加强煤矿瓦斯（煤层气）防治工作的政策措施，全国煤矿瓦斯抽采利用量大幅度上升，瓦斯事故起数和死亡人数大幅度下降^[1]。但随着煤矿开采强度增大、采掘深度增加，瓦斯防治难度越来越大，同时，瓦斯防治责任不落实、措施不到位等问题在一些地方和企业仍然比较突出。我国煤矿瓦斯爆炸事故频发，纵观我国煤矿历年事故统计资料，呈现出的一个重要特点是一次死亡人数在3人以上的重特大瓦斯事故占有相当大的比重^[2]。瓦斯爆炸事故的发生不能一概归咎于管理、操作不当，也存在一些技术难点。对此国家专门******制定《煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计规范》等标准，规定在所有新建、在建以及使用中的煤矿低浓度瓦斯管道输送安全保障系统设计时，遵循“阻火泄爆、抑爆阻爆、多级防护”的方针，在煤矿低浓度瓦斯管道输送系统中靠近可能的点火源（发电机组、地面排空管、自燃和易自燃煤层采空区抽瓦斯管入口等）附近管道上，应安设安全保障设施，确保管道输送安全^[3]。

其中存在于现有煤矿瓦斯管道抑爆领域的主动抑爆装置，主要是通过对燃烧或爆炸信息的探测，自动喷出灭火剂将燃烧或爆炸传播过程中的火焰扑灭，抑制燃烧或爆炸火焰的传播^[4-5]，所采用的灭火介质为ABC干粉及超细干粉，而对于新型清洁型灭火剂未有相关的技术研究及实验数据，为此，结合 ZYBG矿用管道主动抑爆装置，研制以清洁式灭火剂 FM200 为抑爆介质的主动抑爆装置，并对其抑爆性能及效果进行试验分析及验证，以寻找最有效，最安全的煤矿瓦斯灾害防治的根本途径。

1 现有应用于瓦斯主动抑爆技术中的灭火剂

1.1干粉灭火剂

干粉灭火剂是由具有灭火效能的无机盐和添加剂经干燥、粉碎、混合而成的微细粉末，一般分为 BC干粉和ABC干粉。主要通过在加压气体作用下喷出粉雾，与火焰接触时发生的物理、化学作用灭火，其灭火机理一是化学抑制作用，通过干粉中的无机盐挥发性分解物，与燃烧过程中产生的自由基或活性基团发生化学反应，使燃烧的链反应中断而灭火；二是窒息作用，通过干粉粉末落在可燃物表面，在高温作用下发生化学反应形成一层玻璃状覆盖层，从而隔绝可燃物与氧气^[6]。另外还有部分稀释氧和冷却作用。以干粉为灭火剂的ZYBG矿用管道主动抑爆装置可在 6m 范围内熄灭瓦斯输送管道内爆炸火焰，但干粉会造成管道污染，清洗困难，对于瓦斯发电系统易造成发电设备损坏。

1.2 细水雾混合灭火剂

细水雾灭火系统是以水为介质，采用特殊喷头在特定的工作压力下喷洒细水雾进行灭火或控火的一种固定式灭火系统^[7]。细水雾雾滴直径小，比表面积大，火场火焰及高温将其迅速汽化，细水雾在汽化过程中吸收大量热量，降低火场温度，并降低氧气含量，达到迅速灭火的功效。运用在瓦斯管道抑爆装置：因其具有导电性以及环境温度要求，在户外瓦斯管路安装不适宜。

1.3 二氧化碳灭火剂

二氧化碳灭火剂属于气体灭火剂，在常温常压条件下，二氧化碳的物态为气相，它的临界温度是31.1℃，临界压力7.4MPa（绝压），固、液、气三 相共存点温度为-56.6℃，该点的压力为 0.52MPa（绝压），在这个压力下，固相不复存在，故在三相点与临界点之间，存于密封容器中的二氧化碳是液、气两相共存的，其压力随着温度的升高而增加。

二氧化碳的灭火原理是在高压或低温下被液化，喷放时气体体积急剧膨胀，稀释被保护空间降低可燃物周围或防护空间内的氧浓度，产生窒息作用而灭火另外，二氧化碳从储存容器中喷出时，会由液体迅速汽化成气体，而从周围吸引部分热量，起到冷却的作用。优点有：灭火时不污染环境，对保护区不产生腐蚀和破坏作用，可扑救ABC类火灾，在高浓度下还可扑救固态深位火灾。弊端：在实际应中灭火浓度需达到 34%-75%，通常采用高压液化储存的高压系统和低温储存的低压系统。高压储存，需要的瓶组数目多，占地面积大，对储存环境温度要求较严格。低压系统需要外设制冷设备，造价高，对运输管道也要求严格。同时随着国内环保意识的提升，二氧化碳气体形成的温室效益，都不同程度地对人类的生存环境造成损害。

运用在瓦斯管道抑爆装置：因其具有低温高压等要求，如果应用于瓦斯管路，在灭火抑爆过程中，干冰升华，成千上万倍的膨胀会对传输管路造成严重的破坏，使管路冷脆而断裂，同时气体膨胀过程中容易产生静电。这些已经在上海大众汽车厂和上海宝山钢铁厂应用中得到验证，因此在瓦斯管路安装不适宜。

2 新型清洁式灭火剂FM200的特性

FM-200气体灭火药剂，化学名称是FM200，化学分子式为 CF3CHFCF3，是符合美国消防协会（NFPA）制定NFPA-200规范要求的洁净气体灭火药剂,它的特点是"不导电的、挥发性的或气态的灭火剂，在使用过程中不留残余物"。同时，FM-200 洁净气体灭火剂对环境无害，在自然中的存留期短，灭火效率高并无毒适用于有工作人员常驻的保护区。

FM-200气体灭火药剂的灭火原理

当 FM-200 灭火气体应用于全淹没式的系统环境时，它能够结合物理的和化学的反应过程迅速，有效地消除热能，阻止火灾的发生，FM200 的物理特性表现在其分子汽化阶段能迅速冷却火焰温度；并且在化学反应过程中释放游离基，能最终阻止燃烧的连锁反应。

FM200（HFC-227ea）是目前国际上认可的环保型灭火剂，常压下为无色无味气体,在一定的压强下呈液态储存,具有良好的热稳定性和化学稳定性。

FM200 抑爆主要原理：一是它以液态的形式喷射到保护区内，能在极短时间内快速汽化，吸收大量热量，使保护区及火焰周围温度急剧下降，起到保护区冷却的作用；二是FM200分子为大分子，在灭火时其分子的一部分键会断裂，吸收热量；三是窒息作用，液态FM200汽化后会迅速膨胀，降低保护区内氧气浓度。

FM200气体灭火剂具有以下主要特点^[9]:①扑救范围广、效率高，能有效扑救 A、B、C 各类火灾, 且不会发生再燃；②低毒，无污染，正常情况下对人体不会产生不良影响；③FM200 不导电，不含水性物质,不会损坏电器设备、磁带、资料等；④环境污染轻,FM200灭火剂在灭火后没有固相、液相残留物,对臭氧层的损耗潜能值(ODP)为零；⑤储存空间小、管网工作压力低，非常适合瓦斯、煤层气、天然气等管网防爆、抑爆、灭火。

FM-200洁净气体主动抑爆装置的性能特点

1.灭火速度快、效率高、主动性强

FM-200洁净气体主动抑爆装置通常在20毫秒内能完全扑灭明火抑制爆炸，FM-200洁净气体灭火药剂相对被保护区的设计灭火浓度低，仅为 9%， FM-200 洁净灭火药剂可液态形式存储并能迅速净化为洁净灭火气体，灭火的主动性强。

2.洁净

FM-200 洁净气体主动抑爆装置十分适合保护电器、磁介质、文件档案或价值高的珍品及设备，并对被保护的物品无损害，灭火后不留任何残留物，完全不中断保护区内的日常工作。

3.安全

FM-200 洁净灭火气体是国际公认的对人体无害的灭火药剂，无毒并且不会引起呼吸系统问题。

FM-200洁净气体主动抑爆装置释放压力小、无毒，很适用于工作人员常驻的保护区。

4.环保

FM-200 洁净灭火气体不是国际环保组织列入停止使用计划的气体，不会损害大气臭氧层，在大气中的存留期仅为31~42年。

5.经济

FM-200 洁净气体主动抑爆装置因为符合目前的环保法规，所以在日后不用更换而重复投资。

FM-200 洁净气体主动抑爆装置体积小，气瓶数量少，因此可以节省气瓶空间。

6.成熟

FM-200 洁净气体是采用美国杜邦化工公司的技术合成制造的，在全世界消防行业已有上万例的成功应用，已经过逾十年的实践考验。国际上有配套的设计和工程规范。

3 FM200主动抑爆装置的组成

     FM200 主动抑爆装置根据 ZYBG 矿用管道主动抑爆装置改进而成，其传感器、控制器、电源与ZYBG 矿用管道抑爆装置一致，而后研制以FM200为灭火介质的ZYQG-Y矿用本安型管道抑爆器。FM200抑爆装置抑爆原理及组成图如图1所示。KDY127/10B矿用隔爆兼本安型直流电源通过对输入的 127V 交流电转换成5路直流电源，分别给GHZ5矿用本安型火焰传感器、ZYBG-K矿用本安型控制器供电。当GHZ5 矿用本安型火焰传感器探测到爆炸信号后，将快速将信号反馈给ZYBG-K矿用隔爆兼本安型控制器，同时Y-100/60压力（真空）表显示储压气瓶中的压力在正常范围值中，控制器经过对反馈信息的处理，导通 ZYQG-Y 矿用本安型管道抑爆器的快开机构使抑爆器快速启动，喷撒出FM200灭火介质,将燃烧或爆炸传播过程中的火焰扑灭，抑制燃烧或爆炸火焰传播。

图1 ZYQG矿用管道抑爆装置设计原理图

4 FM200抑爆装置主要技术指标及抑爆器设计

4.1. GHZ5矿用本质安全型火焰传感器 

a)触发条件符合表1的要求；

表1 传感器触发条件

b) 响应时间：≤5ms。

4.2.ZYBG-K矿用隔爆兼本安型控制器   响应时间：≤15ms；

4.3.KDY127/10B矿用隔爆兼本安型直流电源

a)交流额定输入电压：127VAC 50Hz、允许偏差±5%；

b)本安输出路数：5路；

c)输出电压标称值: 10.0V；

d)额定输出电流: 800mA；

e)备用电源工作时间及转换时间；工作时间：≥2h

4.4.ZYQG-Y矿用本安型管道抑爆器设计 

ZYQG-Y 矿用管道抑爆装置采用高速喷射抑爆器，具有反应速度快、滞后时间短、抑爆效率高等特点，由超高速启动阀门和高压抑爆剂储罐组成，抑爆剂为2㎏FM200，2kg惰性气体，充压气体为氮气。快开阀门最小触发电压5V，高压抑爆剂储罐采用无缝钢瓶，设计符合GB5099-1994 钢制无缝气瓶的规定，并配备Y-100/60压力（真空）表，可实时观察其气压值，并具备气瓶内气压值的检测功能及气压值不正常情况下的报警功能。并按照《瓦斯管道输送自动喷粉抑爆装置通用技术条件》进行抑爆器喷撒滞后时间、持续时间及喷撒效率测试试验^[10]，

实验数据如表2所示。

表2 抑爆器喷撒试验实验数据

试验结果表明：ZYQG-Y矿用本安型管道抑爆器喷撒滞后时间小于10ms，持续时间大于900ms，喷撒效率可达到100%，完全符合相应标准。

5 抑爆试验

5.1 试验条件

抑爆性能试验在模拟试验管道内进行，管道长 60米，内径500mm，可承受2MPa试验压力。试验时用厚0.12～1.14 mm的聚氯乙烯塑料薄膜封闭管道，在整个管道充满体积分数为 8.0％～10.0％的甲烷与空气混合气体，采用 3 只8＃工业电雷管用引火药头作为点火源。

抑爆性能试验系统见图 2，起爆点位于距封闭端4.5m管道中心处，对装的2只GHZ5型火焰传感器安装在距点火源5m，抑爆器安装在距点火源25m，抑爆器后部每隔3m安装1个测试用火焰传感器，共安装3个；点爆甲烷与空气混合物，用火焰传感器测试爆炸火焰到达位置。

1—点火源   2、3—ZYBG矿用管道抑爆装置传感器  4—抑爆器 

5—1号测试用火焰传感器  6—2号测试用火焰传感器  

7—3号测试用火焰传感器

图2 抑爆性能试验示意图

5.2 试验结果

按照试验条件进行了6次抑爆性能试验，其试验结果如表3所示。

表3 抑爆性能试验结果

由表3可知，在6次抑爆性能试验中，模拟管道内均发生瓦斯爆炸，FM200抑爆装置亦全被触发，在抑爆器后端距离3米、6米、9米处的1号、2号、3 号测试用火焰传感器均未检测到火焰信号，证明 FM200 抑爆装置能够十分有效的抑制管道瓦斯爆炸所产生火焰的传播，可在3m的距离内熄灭火焰，阻止了瓦斯爆炸的进一步传播。

6 结论

煤矿瓦斯事故给国家和人民生命财产造成的损失是巨大的，瓦斯爆炸事故的防治是煤矿安全工作的一个系统工程，除了加强安全管理和安全监督，还要依靠完善可靠的安全装备、合理可行的技术手段和采取有效的措施。山西新思备科技股份有限公司所设计研发的FM200自动抑爆装置能够有效地抑制管道中气体爆炸的传播，阻止火焰进一步蔓延，防止气体爆炸继续发展，并且抑爆后不会留有固态或液态残留物，对瓦斯排空管道及发电机组没有任何影响，在抑爆效果及清洁性上要优于其它种类抑爆装置。参考文献

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[10]   瓦斯管道输送自动喷粉抑爆装置通用技术条件[S] .AQ 1079-2009, 2010.

作者简介：周温 男，（1982-）河北保定人，工程师，硕士，毕业于太原理工大学，现任山西新思备科技股份有限公司总经理，主要从事瓦斯、煤层气、天然气、火炸药等抑爆、阻爆、泄爆、隔爆等相关技术及装备的研究。通讯地址：山西晋中榆次工业园区电话：0354-2666915

E-mail：wenzhou@xinsibei.com 

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