氧化锆氧量分析仪

2013-09-04吕楠

机械工程与自动化 2013年5期

吕楠

（1．国电太原第一热电厂，山西太原 030021；2．太原理工大学控制工程系，山西太原 030024）

0 引言

在火力发电厂中，有效而及时地控制燃料的完全燃烧，提高锅炉的燃烧效率，减少锅炉排泄烟气所造成的空气污染已成为亟待解决的问题。分析燃烧系统成分，对于保证热力生产过程的安全性和经济性有着重要的意义。本文将对氧化锆氧含量分析仪的测量过程做一简单介绍。

1 氧化锆氧含量分析仪工作原理

氧化锆氧量分析仪主要用于测量燃烧过程中烟气的含氧浓度（同样也适用于非燃烧气体氧浓度测量），其检测传感器的工作原理就是浓差电池原理，它将被测气体中的含氧量转换成电压，在传感器内温度恒定的电化学电池（氧浓差电池，也称锆头）产生一个毫伏电势，该电势直接反映出被测气体中的氧含量值，从而可以判断出燃料是否得到充分利用，被测气体是否对大气造成污染。

氧传感器的关键部件是氧化锆，氧化锆材料是一种氧化锆固体电解质（它是在纯氧化锆中掺入杂质，在高温下烧结成的稳定氧化锆）。氧化锆固体电解质材料的内外两侧用烧结的方法涂有多孔铂电极，在一定高温下，当氧化锆的锆管两边气体氧含量不同时，氧化锆管便成为了一个氧浓差电池（氧浓差电池位于传感器的顶端，在此电池中，空气为参比气，空气与烟气分别位于内、外电极），在空气侧（参比侧）电极上和低氧侧（被测侧）电极上将分别发生如下反应：

即空气中一个氧分子夺取电极上4个电子而变为

其中：R为气体常数；F为法拉第常数；T为绝对温度，K；P0为参比气体的氧含量（空气中氧的体积分数为20．6%）；P为被测气体的氧含量。

如果把氧化锆管加热到大于600℃的稳定温度，则在锆管两侧分别流过被测气体与参比气体，此时所产生的电势与锆管的工作环境温度与两侧氧浓度有固定关系。若知道参比气体浓度，便可依据锆管两侧氧电势与锆管工作温度算出被测气体氧含量。

2 氧化锆氧量分析仪的组成

氧化锆氧量分析仪是由安装在烟气道内的氧化锆检测器（探头）、氧化锆转换器（二次仪表）和变压器3部分组成。

图1为氧化锆检测器结构示意图，为直插式结构，氧传感器安装在检测器头部。检测器由陶瓷过滤器、氧化锆管元件、加热器、测温热电偶及壳体等主要部件组成。整个装置采用全封闭型结构，氧化锆管元件置于加热器内，由它产生氧浓差电势信号；陶瓷过滤器的主要作用是过滤烟气中的灰尘，防止污染电极；加热器由加热丝、炉管、保护套管等组成；热电偶用来检测电极元件部分的温度，与加热器温控电路配合实现氧化锆元件的恒温控制。

氧化锆转换器主要由氧量输入及转换单元、盘显两个氧离子，氧离子在氧浓差电势驱动之下通过氧化锆管迁移到低氧侧电极上，留给电极4个电子而复原为氧分子，这两种迁移达到平衡后，两极间电势值E恒定不变。这个氧电势值E（mV）符合“能斯特”方程：示及控制单元、检测器炉温控制单元、氧量对应电流输出单元等组成，它采用微处理器控制，使仪表系统的稳定性、可靠性及安全性都大为提高，运算程序采用模糊控制算法的恒温（750℃）控制、浮温计算的方式，配合计算机数字调校功能，保证了仪表准确、可靠地运行。

变压器用于检测器内部电炉供电，一般接次级抽头80V位置，通过转换器内部控制电路变成可控电源后送加热电炉，次级抽头位置可组成60V、70V、80 V、90V、100V、110V电源，以保证锆管工作端温度能控制在750℃，冗余功率越少越好，即全功率加于电炉，最高温升不超过850℃。

图1 氧化锆检测器结构示意图

3 氧化锆探头的安装及检修

3．1 氧化锆探头的安装

氧化锆探头在安装投运中需要注意的问题如下：

（1）采样气体温度和压力均在标准规格之内，且炉体密封好，检测器尽量向烟气下游装以降低检测气体温度。

（2）测头处应避免高辐射热和高辐射热蒸汽的影响。

（3）应避免强烈振动以免振裂锆头取样管路，且提供充足的维护空间。

（4）周围环境温度在标准范围之内（多为600℃～800℃）。

（5）避免灰尘及腐蚀气体。

3．2 氧化锆头检测器检查

3．2．1 检测器冷态检查

打开检测器接线盒，用万用表欧姆档测量，氧电池端子之间为开路状态，阻值超量程，热电偶端子之间阻值只有几欧姆为正常，电炉丝端子之间阻值约80Ω为正常，注意测量电炉丝阻值只能在断电状态下进行，热电偶补偿端子之间采用目检。

3．2．2 热态检查

检查接线无误后，通电，升温过程中前面板显示温度，当温度升到600℃时，若仪表处于测量状态，程序将自动转换到氧含量显示状态，其数值应在空气氧含量20．6%（体积分数）附近，若使用前仪表处于维护状态，则可以操作面板所有按键。

3．2．3 定性检查

（1）实测的热电偶mV值加上室温对应的mV值，查对照表对应的温度值应是750℃±2℃（一般热电势约为30mV）。

（2）用万用表欧姆档测量氧电势内阻，正反方向（即测量表笔调换）各测量一次，取其平均值，新探头电池内阻一般小于100Ω，旧探头检修后应控制在800Ω以内。

采用上述方法测量电池内阻时，仪表应与自控系统脱开，因万用表是有源的，有信号叠加于氧电势上，将干扰被测氧量。

3．3 转换器检查

（1）通电前检查连线是否有误。

（2）加热炉（HTR）丝连线与检测器外壳之间电阻应≥2MΩ。

（3）检查氧电势信号正极与热电偶信号任一端是否有短路之处。

（4）启动接通转换器电源开关，应确认电源端是否为220VAC，变压器所接的次级抽头端是否为80 VAC，接通电源后显示温度值。

4 氧化锆校验

校验设备有标气瓶和mV发生器。校验项目及方法如下：

（1）校温度零点：先用导线将热电偶输入端短路，在CJ端接温度传感器，观察显示应为室温，否则调整电位器RW2直到与室内温度一致。

（2）校温度量程：按“测量维护”键进入维护状态，再按温度键显示温度，在热电偶端子上接一电位差计，用电位差计给出30mV应显示750℃，如不是则按“选择”键两次，然后按“写入”键，显示“0．000”，再按“给定”键输入密码，最后按“写入”即可。

（3）校氧电势：在维护状态下，按“氧电势”键，并在氧电势输入端用电位差计给出50mV的信号，则前面板应显示50．00。如不是，则按“给定”键两次，确认后按“写入”键显示“0．000”，再按“给定”键输入密码，最后按“写入”键即可，用“空气校准”键校氧电势零点。

（4）氧含量在线校准操作：氧化锆传感器在制作过程中，由于受材料的纯度和制作工艺的影响会存在数值不等的零点电势，为保证测量精度，转换器可对检测器进行在线校准操作，修正零点电势和曲线斜率。具体操作如下：在完成仪表调校前几步（校温度零点、温度量程、氧电势）后，检查氧化锆传感器与转换器接线无误后接通电源，显示器显示“□□□□”，稍后显示温度值，直到温度上升到600℃，则自动转到正常测量阶段，开始显示被测气体的氧含量，然后把仪表置入维护状态进行调校。

空气校准（即修正零点电势）：首先将检测器“标准气入口”打开，通入空气，然后按下“空气校准”键，显示器显示20．6，即空气中氧含量。按“写入”键，显示“0．000”，再按“给定”键输入密码，最后按“写入”键即可。

斜率修正：将检测器“标准气入口”打开，通入氧含量为0．5%～2．5%（体积分数）的标准气体，待显示值稳定后（约5s），如果显示值为输入标准气体标称值，则不需修正斜率参数，如果超差较大，就要进行斜率校正。先按“给定”键，使显示值增到所通标气瓶标识的氧含量值0．5%～2．5%（体积分数），然后按“写入”键，显示“0．000”再按“给定”键输入密码，最后按“写入”键即可。

正常工作或校准操作完毕后，应将仪器检测器的“标准气入口”用螺钉拧紧密封好，不得有空气从此口泄漏进去。

（5）输出电流信号的调校：在输出端子上接一数字万用表，监视输出电流的大小，用RW3电位器调节零点电流，用RW4调电流输出的量程，反复调校直到测量值与实际值相比小于基本误差为合格。

为避免误操作，本仪表设置了写入操作密码，即对校准好的数据，每次按“写入”键后将等待用户输入密码9．000，用“给定”键加相应的密码值，再按一次“写入”键则才正式将该校准数据存入。