电力生产中常用气体的性质与安全使用

2012-03-29李兴

电力安全技术 2012年3期

李兴

(天津市电力科学研究院，天津 300384)

在电力生产的发电、供电过程中，为保证设备的安全经济运行，需要使用多种气体，主要有：乙炔、液化气、氮气、氢气、氧气、氯气、氨气、二氧化碳、六氟化硫等。这些气体性质差异大，使用量不一，用途不同，使用范围亦不同，安全性更是千差万别。使用单位往往重在使用，而缺乏对其性质和安全性等方面的深入了解，从而在使用、保管、存放的过程中存在一定的安全风险。不管哪一环节出现问题，轻则影响电力生产的正常进行，重则引发设备人身事故，后果不堪设想。正确使用这些气体，对保障电力生产的安全经济和国民经济的稳定发展具有重要意义。

1 电力生产常用气体按用途分类

(1)焊接类。这类气体包括乙炔、氧气、液化气。乙炔和氧气按一定比例混合后用于金属的切割和焊接，在发电厂使用较多。乙炔主要用电石(碳化钙)制取，氧气从市场购入。也有采用石油液化气作为焊接用气的。

(2)冷却类。这类气体包括氢气和氮气。氢气用于发电机的冷却；氮气用于过渡置换氢气，也常用于热力设备的停用保护和电气设备灭火。

(3)杀灭微生物类。这类气体主要有氯气，用作循环冷却水处理中的杀生剂。

(4)调整水质类。这类气体包括氧气和氨气(氨水)。氧气用于给水加氧处理，防止给水系统腐蚀；氨气、氨水主要用于锅炉给水调整pH值,保证给水除氧的需要以及用于脱硫脱硝,去除二氧化硫和氮氧化物。

(5)电气开关设备用的气体。这类气体主要有六氟化硫气体，作为绝缘介质用于电气开关设备的灭弧。

(6)灭火用的气体。这类气体主要有二氧化碳，用于电气设备灭火。

2 各种气体的基本性质

2.1 氮气(N2)

氮气是无色、无臭、无味的稳定性气体。因为氮气具有3键(N≡N)，键能极大，化学性能不活泼，在常温下几乎不与任何物质发生反应，只有在高温时才能与少数金属或非金属元素化合。氮气自1772年被发现后，被广泛地应用在工业、食品、医疗等领域。氮气密度比空气小，是一种不助燃、不可燃的气体，熔点为-209.9 ℃，沸点为-195.8 ℃。

2.2 氧气(O2)

氧气是无色、无味的气体，不易溶于水。在标准状况下，氧气的密度是1.429 g/L，比空气的略大。在标准大气压下，-183 ℃时变为淡蓝色液体，-218 ℃时变成雪花状的淡蓝色固体。

氧气是一种化学性质比较活泼的气体，在常温下一般不与其他物质发生燃烧反应，在加热条件下能与许多物质发生反应，放出热量。

2.3 液化气(PLG)

PLG的气态密度是空气的1.5～2倍，易在大气中自然扩散，并向低洼区流动，积聚在不通风的低洼地。PLG主要是由丙烷(属G3)和丁烷(属G4)组成的碳氢化合物。当G3：G4=1:1时，在15 ℃下液态LPG的密度为0.545 kg/L；气态LPG在标准状态下的密度为2.175 kg/m3。液态LPG具有很强的膨胀性，体积膨胀系数约为水的16倍。所以，国家规定LPG储罐、火车槽车、汽车槽车、气瓶的充装量必须小于85 %，严禁超装。

2.4 氨气(NH3)

氨气是一种无色气体,有刺激性恶臭味，比空气轻，极易溶于水，易液化，分子量为17.03，与空气混合的爆炸极限为16 %～25 %(最易引燃浓度为17 %)。氨在20 ℃水中的溶解度为34 %，在25 ℃时,在无水乙醇中溶解度为10 %,在甲醇中溶解度为16 %,溶于氯仿、乙醚,它是许多元素和化合物的良好溶剂。其水溶液呈碱性，0.1 mol/L的水溶液pH值为11.1。液态氨将侵蚀某些塑料制品、橡胶和涂层。氨气遇热、明火时因难以点燃而危险性较低，但氨和空气混合物达到上述爆炸极限时遇明火会燃烧和爆炸,如有油类或其它可燃性物质存在,则危险性更高。氨气与硫酸或其它强无机酸反应放热,混合物可达到沸腾。

2.5 氢气(H2)

氢气是无色并且密度比空气小的气体(在各种气体中，氢气的密度最小。标准状况下1 L氢气的质量是0.089 9 g，比空气轻得多),难溶于水。另外，在101 kPa，-252.87 ℃时，氢气可转变成无色液体；在-259.1 ℃时变成雪状固体。氢气的爆炸极限为4 %～74.2 % 即氢气的可能爆炸范围是相当大的，使用时要特别慎重小心。

2.6 乙炔(C2H2)

乙炔在常温常压下为具有麻醉性的无色可燃气体。纯乙炔没有气味，但是在有杂质时有讨厌的大蒜气味,比空气轻，能与空气形成爆炸性混合物，极易燃烧和爆炸。微溶于水，在25 ℃和标准大气压下，在水中的溶解度为0.94 cm3/cm3。乙炔易溶于酒精、丙酮、苯、乙醚等，在15 ℃和标准大气压下，一个容积的丙酮可溶解25个容积的乙炔，而在15 ℃和12个大气压下，可溶解300个容积的乙炔。乙炔能与汞、银、铜等化合生成爆炸性化合物，能与氟、氯发生爆炸性反应。在高压下乙炔很不稳定，火花、热力、磨擦均能引起乙炔的爆炸性分解而产生氢和碳，必须把乙炔溶解在丙酮中才能使它在高压下稳定。一般在乙炔的发生器和使用管道中,乙炔的压力均保持在1个标准大气压(表压)以下。

2.7 氯气(Cl2)

氯气为黄绿色气体,有窒息性气味。对空气的相对密度为1.47(0 ℃，369.77 kPa时)，熔点为-101 ℃，沸点为-34.5 ℃。氯气溶于水和易溶于碱液，遇水生成次氯酸和盐酸,次氯酸再分解为盐酸新生态氯、氧和氯酸。氯气与一氧化碳在高热条件下可生成光气。氯气不燃，但可助燃，在日光下与易燃气体混合时会发生燃烧爆炸。人吸入氯气的最小致死浓度为5×10-4/5 min。

2.8 六氟化硫(SF6)

纯净的SF6气体是一种无色、无臭、基本无毒、不可燃的卤素化合物，其气态密度在标准状态下为6.16 g/cm3，在液态20 ℃时为1 400 g/cm3。为便于运输和贮存，SF6气体通常以液态形式存于钢瓶中。SF6气体的化学性质非常稳定，在空气中不燃烧，不助燃，与水、强碱、氨、盐酸、硫酸等不发生反应。在低于150 ℃时，SF6气体呈化学惰性，极少熔于水，微熔于醇。对电气设备中常用的金属及其他有机材料不发生化学作用。然而，在大功率电弧、火花放电和电晕放电作用下，SF6气体能分解和游离出多种产物，主要是SF4和SF2，以及少量的S2，F2，S，F等。

2.9 二氧化碳(CO2)

二氧化碳是一种密度较大的无色气体，不支持燃烧，加压和冷却时变成液体或固体(干冰)。二氧化碳溶于水，溶有二氧化碳的水能溶解石灰岩(碳酸钙)。二氧化碳通入石灰水中能生成白色碳酸钙沉淀。在植物光合作用下跟水反应生成糖、淀粉和氧气。

3 气体的安全使用要点

3.1 氮气

在电力生产中，氮气主要用于热力设备保护和电气设备灭火。通过将氮气注入着火区域，使火区中的氮气体积浓度达到35 %～50 %，将火区中的氧含量体积浓度降低至14 %～10 %，实现火区空气的惰化，从而达到灭火的目的。

氮气以高压的形式存储在气体钢瓶里，氮气具有窒息性，用于灭火时必须考虑人的健康和安全问题。除遵守一般钢瓶使用安全事项外，使用液态氮时应防止冻伤的发生。在用于热力设备保护时，气体纯度要求达到99.5 %，最小不低于98 %。

3.2 氧气

(1)使用的氧气瓶必须是国家定点厂家生产的，新瓶必须有合格证和锅炉压力容器安全监察部门出具的检验证书。

(2)氧气瓶必须按规定定期检验，超期的气瓶严禁充装。

(3)氧气瓶禁止与油脂接触，操作者不能穿油污过多的工作服，不能用沾有油脂的手、手套和工具接触氧气瓶及其附件。

(4)氧气瓶应远离易燃易爆物品，远离明火与热源，其使用安全距离应在10 m以上，与乙炔瓶的距离应不少于3 m，并不能同室存放。

(5)冬季使用氧气瓶，如遇瓶阀或减压器冻结，可用开水或蒸气解冻，禁止明火烘烤。

(6)氧气瓶内的氧气不应用尽，要求保留0.1 MPa以上的余压以防其他气体倒流进入瓶内。

(7)与电焊工同在一处作业时，为防止气瓶带电，应在瓶底加绝缘垫；与气瓶接触的管道设备应设接地装置，防止因产生静电而引起火灾和爆炸。在同一场地进行焊接作业时，氧气瓶要保证绝缘，气瓶不可导电。

(8)安装减压器前，应先开启瓶阀吹掉瓶嘴处污物，开启瓶阀动作要轻缓，人要站在侧后面。

(9)夏季露天作业和运输时，氧气瓶要遮阳防曝晒，避免气体膨胀造成超压。

(10)应随时检查氧气瓶的状态，注意防震。

3.3 液化气

液化气用于焊接时应注意以下几方面。

(1)钢瓶角阀与减压阀的对接必须严密、到位，减压阀上的密封橡胶必须完好。

(2)选用优质减压阀，减压阀出口压力在出厂时即按国家标准调好，一般不得自行调节。

(3)选用优质液化气专用胶管连接钢瓶减压阀，严禁使用氧气胶管。胶管两端必须用管卡固定，若胶管老化应及时更换。

(4)经常用肥皂水等检查钢瓶、胶管等接头部位，查看有无泄漏。如发现泄漏，应及时检修。

(5)钢瓶应按规定定期进行检验，使用时要轻拿轻放，禁止摔、砸、碰，严禁在烈日下曝晒、明火加热，不得倒置使用。

(6)液化气钢瓶残液不得随意乱倒，以免引起事故。

(7)当发现液化气泄漏时，要迅速关闭钢瓶角阀，打开门窗进行通风换气。切记此时不要开关任何电器(因开关电器所产生的微小电火花容易引燃、引爆液化气)及使用现场电话。待液化气散去，其浓度降至安全范围(低于2 %)后，采取有效措施，查明泄漏原因并进行处理。

3.4 氨气

3.4.1 注意事项

（1）加强生产过程的密闭化和自动化，防止跑、冒、滴、漏。

（2）加强通排风，进入高浓度氨气环境的人员必须佩戴防毒面具。

（3）使用、运输和贮存时应注意安全，防止容器破裂和冒气。

（4）现场安装氨气监测仪，及时报警。

3.4.2 氨气中毒常见特征

短期内吸入大量氨气后可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、痰中带血丝、胸闷、呼吸困难,伴有头晕、头痛、恶心、呕吐、乏力等症状。误服氨水可致消化道灼伤,口腔、胸、腹部疼痛,呕血、虚脱症状,可能发生食道、胃穿孔。眼接触液氨或高浓度氨气可引起灼伤,严重者可发生角膜穿孔。皮肤接触液氨可致灼伤。

3.4.3 急救处理

吸入者应迅速脱离现场，至空气新鲜处，呼吸停止时应做人工呼吸；眼污染后应立即用流动清水或凉开水冲洗至少10 min；皮肤污染时应立即脱去污染的衣着，用流动清水冲洗至少30 min。

3.5 氢气

氢气可燃易爆，并且着火能低、扩散速度快，也是窒息性气体，所以在使用时，除应严格遵守氢气安全使用的规定外（《氢气使用安全技术规程》GB 4962-85)，主要应防止氢气集聚形成爆炸混合气和防止氢气着火、回火等事故的发生。

(1)为防止使用场所内氢气的积聚，应采取良好的通风措施和即时的氢气泄漏报警系统，保证室内空气中氢气最高含量不超过1 %(体积比)。室内换气每小时不得少于3次，局部通风换气每小时不得少于7次。动火作业时必须测试空气中的氢气含量，最高不超过0.4 %，必须办理动火工作票。

(2)氢气供应系统的设备、管路及其附件、阀门的选型、选材和施工验收、维护管理都应做到准确、严格，使氢气供应系统始终处于完好状态，不得有泄漏现象发生。

(3)应按规定检查使用氢气场所的电气装置(包括防静电接地)的防爆措施、装置接线(缆)的完好性，及时发现缺陷，及时正确处理。

(4)应按规定检测氢气纯度，使用场所内的氢气浓度，及时发现超标或不合格，及时查明原因，及时处理，直至停止供氢进行检查。

(5)应按规定检查氢气供应系统的阻火器阻火性能是否完好，确保氢气使用过程的安全性。

(6)氢气瓶与盛有易燃、易爆物质及氧化性气体的容器和气瓶的间距不应小于8 m；与明火或普通电气设备的间距不应小于10 m；与空调、空压机和通风设备等吸风口的间距不应小于20 m；与其他可燃性气体贮存地点的间距不应小于20 m。

(7)禁止敲击、碰撞气瓶；气瓶不得靠近热源；夏季应防止曝晒。

(8)必须使用专用的氢气减压阀。开启气瓶时，操作者应站在阀口的侧后方，动作要轻缓。

（9）阀门或减压阀泄漏时，不得继续使用；阀门损坏时，严禁在瓶内有压力的情况下更换阀门。

（10）瓶内气体严禁用尽，应保留0.2～0.3 MPa以上的余压，并对氢气纯度进行抽检。

3.6 氯气

气瓶应储存于阴凉、干燥、通风良好的不燃性结构的库房，最好专库专储。远离热源和火源，防止日光直射，与可燃物、有机物或其他易氧化物质隔离，特别须注意与乙炔、氨、氢气、烃类、乙醚、松节油、金属粉末等隔离。搬运时要戴好钢瓶的安全帽及防震橡胶圈，避免滚动和撞击，防止容器受损。平时用肥皂水检查阀门是否漏气，库房内是否有氯气。我国对氯气的车间空气卫生标准要求：MAC(最高容许浓度)为 1 mg/m3。

若发现漏气应立即关闭漏气阀门，如无法修复，应将漏气钢瓶搬出仓库，在空旷地方浸入石灰乳中以防止中毒事故。对残余废气用排风机排送至水洗塔或与塔相连的通风橱内。处理时必须穿戴防毒面具和手套。

3.7 乙炔

(1)乙炔本身无毒，但在高浓度时会使人窒息。乙炔与氧的混合物有麻醉效应。人吸入乙炔气后会出现晕眩、头痛、恶心、面色青紫、中枢神经系统受刺激、昏迷、虚脱等症状，严重者可导致窒息死亡。工作场所的最高容许浓度为1/1000。

(2)乙炔通常是溶解在丙酮等溶剂及多孔物中，装入钢瓶内。钢瓶应存放在阴凉通风干燥之处，库温不宜超过30 ℃，最好要在室外单独隔离存放。要远离火种、热源，避免阳光直射，要与氧气、压缩空气、氧化剂、氟氯溴、铜银汞、铜盐、汞盐、银盐、过氧化有机物、炸药、毒物、放射性材料等隔离。设备管道应接地，要严格密封，可用表面活性液检漏。

(3)乙炔很不稳定，在加压时能自行分解发出大量热，或在催化物质(与铜反应生成爆炸性化合物乙炔铜)存在的情况下有爆炸危险，与空气混合有很宽的爆炸范围。把乙炔气加压溶解在丙酮中，再浸入多孔性物质中则比较安全，但这种安全性与乙炔的纯度有密切的关系，乙炔气的纯度要大于98.0 %，不允许含有2 %以上的助燃性气体，不允许含有硫化氢和磷化氢。

(4)乙炔为非腐蚀性气体，不会与常用金属材料发生反应，但要避免使用含铜66 %以上的黄铜、含铜银的焊接材料和含汞的压力表。

(5)发生火灾时可用雾状水、二氧化碳灭火。漏气时，用强制通风使其浓度低于爆炸浓度。泄漏之容器可转移至空旷处，让其在大气中缓慢漏出，或者用管子导入燃烧炉中，或在凹地处小心点火焚烧之。

3.8 六氟化硫

3.8.1 SF6回收利用存在的问题

作为SF6气体使用量很大的电力部门，其SF6气体回收装置的使用和管理并不理想。

(1)35 kV以下变电站几乎没有SF6气体回收装置，有的地区是几个变电站共用1套，而且多为简易的抽真空、充气装置。究其原因，一是由于SF6气体回收装置的价格昂贵，每台需15万～30万元人民币，而从国外进口则价格更高；二是除电器制造行业外，该装置的利用率很低，一般只在设备安装或检修时使用，闲置时间长。

(2)SF6气体的回收处理差，废气几乎都是一放了之，或只经过简单的过滤、吸附即排放到大气中。

(3)SF6气体的回收工艺均是对电气设备进行抽真空，将设备内的SF6气体回收至压力为-133 Pa的气腔内，同时将废气压缩到储气罐中。储气罐的容量最大为500 kg。而这些回收的“废气”一般都用于电气设备中的零部件检漏，很少有送回生产厂家对其进行再生处理的。

(4)管理制度不到位。对SF6气体的使用、管理没有建立完整的规章制度。

(5)涉及SF6的检修工作场所均没有健全的通风设施和监控设备。

(6)对长期接触或短期接触SF6气体的人员在劳动保护方面欠考虑,且没有纳入安全生产的管理程序。

3.8.2 防护措施

SF6气体分解产生的有毒气体和粉末对人及动物上呼吸道有强烈的刺激和腐蚀作用，并对环境造成污染和破坏，会产生“温室效应”，应采取有效措施加以控制。

3.8.2.1 规定SF6气体及其毒性分解物的允许含量

对空气中SF6气体及其毒性分解产物的允许含量各国均作了相应规定。我国在GB/T8905-1996《六氟化硫电气设备中气体管理和检验导则》中等效采用了IEC480-1974《电气设备中六氟化硫气体导则》和IEC376-1971《新六氟化硫气体的规范和验收》，并明确规定，操作间空气中的SF6气体浓度极限值为不大于1/1000(6 g/m3)或空气中的氧含量应大于18 %；短期接触空气中的SF6气体的允许浓度不大于1.25/1000(7.5 g/m3)。

3.8.2.2 减少和控制SF6气体中的水分含量

对充以SF6气体作为绝缘或灭弧的电气设备，为减少和控制其内部的水分含量，在产品装配前，除要将零部件放在相应的烘干间内进行烘干处理外，同时还要求在其内部装设吸附剂。常用的吸附剂有活性氧化铝和分子筛2种，由于它们的吸附性不同，可将2种吸附剂混合使用。吸附剂应放置在气流通道或容器的上方，用量为SF6气体总重量的10 %左右。正确使用吸附剂不但可吸收SF6气体中的水分及SF6气体分解物，减少SF6气体中的水分含量及分解物的产生与排放，还能提高电气设备的绝缘性能和开断性能。

3.8.2.3 加强SF6气体及分解物的回收和处理

在对SF6气体及分解物进行回收或中和处理时，要严格按如下步骤进行：

(1)打开设备前，必须先回收气体，并抽真空；

(2)对设备内部进行彻底通风；

(3)工作人员应带防毒面具和橡皮手套；

(4)将金属氟化物粉尘集中起来，装入塑料袋并深埋。对电气设备内的吸附剂和回收装置吸附罐中的吸附剂，可按下列方法进行处理。

① 按20 ml/g的比例将吸附剂放入当量浓度为1 mol/L的氢氧化钠溶液中，搅拌浸泡24 h，将吸附剂内部可溶于水和可水解、碱解的SF6气体分解物转移到氢氧化钠溶液中。

② 对浸泡过吸附剂的氢氧化钠溶液要用当量浓度为0.1 mol/L的硫酸进行中和，当溶液呈中性时方可排放。

③ 对排放后剩余的吸附剂及固体物质经水洗后可作为普通垃圾处理或深埋掉。

3.8.2.4 提高产品设计水平，降低泄漏率

在产品设计上采用新技术、新工艺，提高制造水平，降低泄漏率，应尽量减少SF6气体的使用量。在保证产品电气性能的前提下，尽量降低充气压力。

3.9 二氧化碳

二氧化碳灭火剂具有一百多年的历史，价格低廉，获取、制备容易，它主要依据窒息作用和部分冷却作用灭火。二氧化碳具有较高的密度，约为空气的1.5倍。在常压下，液态的二氧化碳会立即汽化，一般1 kg的液态二氧化碳可产生约0.5 m3的气体，因而，灭火时二氧化碳气体可以排除空气而包围在燃烧物体的表面或分布于较密闭的空间中，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。

二氧化碳灭火器主要用于扑救贵重设备、档案资料、仪器仪表、600 V以下电气设备及油类的初起火灾。在使用时，应首先将灭火器提到起火地点，放下灭火器，拔出保险销，一只手握住喇叭筒根部的手柄，另一只手紧握启闭阀的压把。对没有喷射软管的二氧化碳灭火器，应把喇叭筒往上扳70 °～90 °。使用时，不能直接用手抓住喇叭筒外壁或金属连接管，防止手被冻伤。室外使用应选择上风方向喷射；在室内窄小空间使用时，灭火后操作者应迅速离开，以防窒息。二氧化碳从储存容器中喷出时，会由液体迅速汽化成气体，而从周围吸收部分热量，起到冷却的作用。