一、正確測(cè)量與控制煙氣中含氧量的重要性
在火力發(fā)電、石油、化工、鋼鐵工業(yè)、玻璃制造、冶金、輕工等領(lǐng)域中，通過對(duì)鍋爐、煉焦?fàn)t、煅燒爐、玻璃陶瓷燒結(jié)窯、水泥窯、均熱爐、滲碳熱處理爐、退火爐等爐窯煙氣含氧量的準(zhǔn)確測(cè)量與控制，可節(jié)約能源、減少環(huán)境污染和延長爐窯壽命。氧量偏高時(shí)，高溫下氧易與燃料中的硫和空氣中的氮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成對(duì)換熱設(shè)備和環(huán)境具有不良影響的SOx和NOx;氧量偏低時(shí)燃料燃燒不充分，降低了燃燒的經(jīng)濟(jì)性。因此需對(duì)煙氣中的氧進(jìn)行準(zhǔn)確可靠地測(cè)量與控制，保證氧量在合理的范圍。
鍋爐運(yùn)行中氧量的自動(dòng)控制是為zui大限度地實(shí)現(xiàn)燃燒*化，合理調(diào)整風(fēng)煤比。其中，實(shí)現(xiàn)排煙氧量可靠、準(zhǔn)確地在線測(cè)量是實(shí)現(xiàn)這一過程的必要前提。目前煙氣中氧量測(cè)量方法有多種，用于在線實(shí)時(shí)測(cè)量時(shí)多為氧化鋯氧量測(cè)量系統(tǒng)。現(xiàn)針對(duì)由氧化鋯組成的氧量測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行分析。
二、氧量測(cè)量偏差對(duì)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響
排煙氧量測(cè)量的正確性對(duì)鍋爐機(jī)組的效率和輔機(jī)能耗具有較大影響。對(duì)于目前的氧量測(cè)量技術(shù)水平，氧量在線檢測(cè)使用的氧化鋯氧量計(jì)的基本誤差:±2%～±3%FS（滿量程）;重復(fù)性:±1%FS;穩(wěn)定性:±1%～2%FS/月;響應(yīng)時(shí)間（達(dá)到90%）小于5s;測(cè)量系統(tǒng)不確定度約為4%。從現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定結(jié)果看[1]，單點(diǎn)取樣測(cè)量時(shí)由于取樣引起的誤差約為1%～2%O2，綜合測(cè)量誤差按2%O2計(jì)算，由于氧量測(cè)量不準(zhǔn)確將對(duì)機(jī)組產(chǎn)生下列影響（以460t/h鍋爐為例）:（1）送風(fēng)量增加81221m3/h;（2）引風(fēng)量增加89537m3//h（漏風(fēng)率按10%計(jì)）;（3）排煙溫度升高5℃;鍋爐效率降低約1。
三、氧量測(cè)量系統(tǒng)的不確定度
氧量測(cè)量系統(tǒng)由取樣系統(tǒng)、氧量傳感器和二次儀表（或變送器）等組成。在線實(shí)時(shí)測(cè)量中影響氧量檢測(cè)結(jié)果可靠性的因素較多，除傳感器和二次儀表自身的精度外，測(cè)量結(jié)果的可靠性很大程度上取決于取樣系統(tǒng)的合理性，現(xiàn)作如下分析。
3.1測(cè)量中的基本誤差
在測(cè)量系統(tǒng)自身的檢測(cè)與評(píng)定中，系統(tǒng)所表現(xiàn)出來的誤差就是基本誤差。該誤差由傳感器和二次儀表自身的誤差造成，取決于各自的制造方法和制造工藝，與微電子技術(shù)和傳感器生產(chǎn)工藝的發(fā)展水平密切相關(guān)。從使用過程看，測(cè)量系統(tǒng)一般均能達(dá)到規(guī)定的誤差范圍。
3.2測(cè)量中的附加誤差
3.2.1重復(fù)性和穩(wěn)定性誤差
對(duì)氧量測(cè)量影響的諸多原因中，傳感器探頭所處氛圍的溫度場(chǎng)的穩(wěn)定性、探頭表面被污染及內(nèi)部中毒程度等是引起測(cè)量結(jié)果重復(fù)性和穩(wěn)定性誤差的直接原因，同時(shí)也會(huì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的另一重要指標(biāo)——響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生負(fù)面影響。重復(fù)性和穩(wěn)定性誤差是構(gòu)成附加測(cè)量誤差的一部分。
3.2.2探頭兩側(cè)的氣體氛圍
從目前探頭安裝和取樣方法看，鋯管兩側(cè)氣體處于非流動(dòng)狀態(tài)。圖1所示為氧化鋯探頭實(shí)際測(cè)量中的安裝方法。
在測(cè)量過程中，參比氣體中的氧分子不斷地通過鋯管壁擴(kuò)散到樣氣中，在鋯管兩側(cè)，從參比氣體到鋯管表面和從樣氣到鋯管表面都要產(chǎn)生氧量濃度梯度，即兩側(cè)的氧量場(chǎng)不均勻。由于兩側(cè)氣體基本上處于非明顯流動(dòng)狀態(tài)，傳質(zhì)過程主要靠擴(kuò)散作用實(shí)現(xiàn)，這就在鋯管兩側(cè)形成相對(duì)穩(wěn)定的氧量場(chǎng)，對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量極為不利。由于新鮮樣氣不能及時(shí)到達(dá)鋯管表面，造成測(cè)量結(jié)果與樣氣中實(shí)際含氧量值一定的偏差，這也是構(gòu)成附加測(cè)量誤差的一部分。
氧化鋯測(cè)量原理可用下式表述:
式中，E為氧濃差電勢(shì)，mV;R為理想氣體常數(shù)，8.314kJ/（K.kg）;n為參加反應(yīng)的電子數(shù)，4;T為鋯管溫度，K;P0為參比氣體中氧分壓（或體積分?jǐn)?shù)），Pa（或%）;P為被測(cè)煙氣中氧分壓（或體積分?jǐn)?shù)），Pa（或%）；F為法拉第常數(shù)，95600C/mol。
鋯管溫度恒定時(shí)，探頭的輸出電勢(shì)與兩側(cè)的濃度有關(guān)。若鋯管兩側(cè)表面的氣體與所對(duì)應(yīng)的樣氣或參比氣中的含氧量不符，就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。
鋯管兩側(cè)的氣體流速小，氣體不能及時(shí)更新，使兩側(cè)氣體氧濃度趨于一致，氧濃差電勢(shì)減小，產(chǎn)生測(cè)量誤差。這是鋯管兩側(cè)氣體要保持一定流速的主要原因。在許多應(yīng)用實(shí)例中，氧量測(cè)量系統(tǒng)的失效在很大程度上都與此有關(guān)，而并非鋯管或二次儀表出了問題。
3.2.3取樣點(diǎn)的局限性
測(cè)量結(jié)果應(yīng)能實(shí)時(shí)正確地反映運(yùn)行中煙氣的含氧量，這是對(duì)氧量測(cè)量系統(tǒng)zui基本的要求。要做到這一點(diǎn)，必須首先保證取樣系統(tǒng)的可靠性和合理性，即從取樣點(diǎn)取出的被測(cè)樣氣要有代表性，能實(shí)時(shí)正確地反映整個(gè)煙道中的煙氣組份。一般大型發(fā)電機(jī)組鍋爐單側(cè)煙道截面積約為lOm2（2OOMW機(jī)組），測(cè)量中多采用單點(diǎn)測(cè)量方法，即在每側(cè)煙道上安裝1套氧量測(cè)量系統(tǒng)。從局部取樣進(jìn)行測(cè)量很難保證樣氣具有很好的代表性，也難以保證測(cè)量結(jié)果的可靠性。由于取樣代表性失準(zhǔn)也要造成測(cè)量的附加誤差，其大小與運(yùn)行方式、負(fù)荷大小等很多因素有關(guān)，其值也不固定[1]。
綜上所述，測(cè)量的不確定度或可靠性誤差指測(cè)量結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行煙氣中氧含量的差，它由測(cè)量系統(tǒng)的基本誤差和附加誤差組成，綜合反映出測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行水平，是測(cè)量系統(tǒng)zui重要的考核指標(biāo)。
四、GBl0184標(biāo)準(zhǔn)對(duì)取樣的要求
國家標(biāo)準(zhǔn)《GBl0184—88電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》中對(duì)鍋爐煙氣的取樣作了如下規(guī)定:原則上要做到等速取樣，保證樣氣具有良好的代表性和分析結(jié)果的可靠性。
圖2為規(guī)定的測(cè)點(diǎn)分布方法，將煙道按其截面尺寸分割為多個(gè)等小矩形，在虛線的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行取樣測(cè)量。若按此方法布置測(cè)量取樣點(diǎn)，從目前的取樣系統(tǒng)和探頭安裝方式看基本上是不可能實(shí)現(xiàn)的，它需要多支氧化鋯探頭共同組成一個(gè)龐大的測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)造價(jià)高，運(yùn)行不可靠，也難以實(shí)現(xiàn)，GBl0184標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此也作了補(bǔ)充說明，允許通過代表點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量。即先在整個(gè)煙道截面上對(duì)代表點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，給出一個(gè)修正值。應(yīng)當(dāng)看到，代表點(diǎn)法有其局限性，當(dāng)運(yùn)行工況、運(yùn)行操作人員、運(yùn)行方式和燃料發(fā)生變化時(shí)，修正值本身也在變化，不存在一個(gè)恒定不變的修正值。因此代表點(diǎn)法難以達(dá)到GBl0184標(biāo)準(zhǔn)中的要求。
五、一種新型的取樣方法
根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套新型的煙氣取樣系統(tǒng)，并已申請(qǐng)了國家保護(hù)。
5.1采樣系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)由取樣管、集氣箱、過濾器、泵和聯(lián)接管路等組成，如圖3所示。取樣管的數(shù)量根據(jù)所測(cè)煙道的寬度確定，待測(cè)煙氣經(jīng)取樣管在集氣箱中混合后至過濾器，去除其中的塵粒和有害氣體后經(jīng)泵排出系統(tǒng)。氧傳感器置于過濾器中。
5.2系統(tǒng)特點(diǎn)
?。?）可實(shí)現(xiàn)全煙道內(nèi)取樣。取樣點(diǎn)布置可與GBl0184標(biāo)準(zhǔn)的要求相一致，做到等速取樣。取樣更具代表性，增加了測(cè)量結(jié)果的可靠性。（2）集氣箱一方面可實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣初級(jí)過濾的作用;另一方面，通過專門的計(jì)算和設(shè)計(jì)可起到均勻取樣的目的。（3）煙氣經(jīng)過濾后可增強(qiáng)對(duì)傳感器的保護(hù)作用，延長其使用壽命，保證氧量計(jì)測(cè)量的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性。（4）采用泵使樣氣強(qiáng)制流動(dòng)，保證了測(cè)量結(jié)果的可靠性。
六、新方法對(duì)測(cè)量響應(yīng)時(shí)間的影響
氧化鋯的安裝和取樣方法也有采用抽氣式的應(yīng)用例子，使用中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間大大增加，并出現(xiàn)系統(tǒng)失效的情況，于是就懷疑到這種測(cè)量系統(tǒng)的可行性，而實(shí)際情況卻并非如此，多數(shù)情況是由于抽氣回路安裝和使用不正確、不合理或設(shè)計(jì)不合理等因素造成樣氣不能流通所致。
目前氧量計(jì)生產(chǎn)廠商給出響應(yīng)時(shí)間（達(dá)到90%響應(yīng)）一般均小于5s，這僅是在試驗(yàn)室測(cè)定的結(jié)果，實(shí)際數(shù)值都遠(yuǎn)大于5s。采用抽氣式取樣方法，只要保證一定的樣氣流速，則可實(shí)現(xiàn)5s內(nèi)達(dá)到90%響應(yīng)，這是實(shí)現(xiàn)氧量自動(dòng)控制的基礎(chǔ)。所以抽氣式取樣方法不僅不是使響應(yīng)時(shí)間延遲的原因，而是達(dá)到規(guī)定響應(yīng)時(shí)間的zui可靠保證。
七、結(jié)語
測(cè)量結(jié)果與運(yùn)行中實(shí)時(shí)測(cè)量值的誤差代表了一個(gè)氧量測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)劣，只追求測(cè)量儀器的試驗(yàn)室精度（靜態(tài)測(cè)量精度），忽視實(shí)時(shí)在線測(cè)量的精度（動(dòng)態(tài)精度）是非常片面的。只有動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果的不確定度控制在某一范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果才是有效的，才能作為一項(xiàng)控制指標(biāo)參與相關(guān)系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)，鍋爐機(jī)組也才能真正實(shí)現(xiàn)氧量的自動(dòng)控制。因采樣而引起的測(cè)量誤差在測(cè)量的不確定度中占很大比重，甚至起決定作用。而一般情況下對(duì)取樣系統(tǒng)安裝考慮較少，由此而引起的誤差也容易被忽視。許多被廢棄的氧量計(jì)拿回試驗(yàn)室校驗(yàn)時(shí)仍能正常工作，問題往往出在取樣部分設(shè)計(jì)不合理，因此必須對(duì)煙氣取樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝引起足夠重視。
