超臨界鍋爐機組氧化鋯探頭原理及安裝調試

摘要：本文主要介紹氧化鋯探頭的設備及測量原理，并對探頭的安裝的選型、現場安裝、現場調試及其注意事項進行了總結。

關鍵詞：氧化鋯探頭；原理；安裝；調試

一.氧化鋯探頭的工作原理

氧化鋯氧量傳感器是利用氧化鋯陶瓷敏感元件測量大型超臨界鍋爐爐膛尾部煙氣中的氧含量。它是目前大量使用的鍋爐含氧量測量設備，結構簡單響應迅速、測量準確等優點。

氧化鋯探頭是利用穩定的二氧化鋯陶瓷在650℃以上的環境中產生的氧離子導電特性而設計的，在一定的溫度條件下，如果在二氧化鋯塊狀陶瓷兩側的氣體中分別存在著不同的氧濃度時，二氧化鋯陶瓷內部發生氧離子的遷移，通過二氧化鋯兩側的引出電極，可測到穩定的毫伏級信號，我們稱之為氧電勢。傳感器裝置由金屬外殼、測量電池、加熱器、熱電偶、過濾元件以及電纜接線端子等組成。測量電池本體分為3層：鉑（電極）─氧化鋯（電解質）─鉑（電極）。鉑電極是多孔性的。煙道氣體通過過濾器或校驗氣體通過傳導管進入測量電池被測氣體一側，而另一側為參比空氣（含氧20.60%）。

兩種含氧濃度不同的氣體作用在測量電池，便產生一個以對數為規律的電勢（兩側的氧濃度差愈大 電勢信號愈大）。毫伏信號經氧分析儀轉換成0—10mA或4-20mA標準電流。此電流由氧分析儀接線端子輸出。工程實際應用中，將氧化鋯的一側通入已知氧濃度的氣體，我們稱之為參比氣，如空氣、標準氣體等，另一側則是被測氣體，就是我們要檢測的爐膛煙氣。氧化鋯探頭輸出的信號就是氧電勢信號。

二.氧化鋯氧化鋯探頭的安裝

安裝的質量是保證氧化鋯探頭可靠運行的關鍵，具體安裝位置應滿足如下要求：（1）選擇的測點位置要能準確反映爐膛煙氣，以保證傳感器輸出信號的真實性，盡量避開回風、死角等區域；（2）測點不可太靠噴燃器區域，該區域爐膛煙氣劇烈反應，傳感器檢測值會劇烈波動；（3）避免安裝在可能碰撞的位置，以免碰撞損壞探頭，保證傳感器的安全。

探頭的安裝應采用水平方式，探頭前端略向下傾斜。按照工藝要求，進行初步固定，連接外部接線和管路。最終的安裝固定需要在調試時，系統通電加熱探頭以后，旋轉采樣管方向，使用萬用表觀察輸出電勢的波動情況來確定最終固定位置。傳感器安裝所用接頭必須采用廠家專供法蘭接頭，以確保密封，避免處法蘭接頭處漏氣影響測量精度或造成信號波動。

氧探頭的標氣口一般檢測的時候封閉，只是在標定氣體的時候使用；吹掃氣口連接氣泵或者壓縮空氣管路，吹掃口進氣一般用一個電磁閥等閥門控制，一定周期開啟一次，通入氣體吹掃采樣管，探頭正常檢測時閥門關閉，不能有其他氣體進入采樣管。在此特別說明一點，使用廠方的壓縮空氣吹掃探頭必須保證壓縮空氣中不含有水份，即對所采用的壓縮空氣必須進行氣水分離處理。

氧化鋯探頭的信號電纜應當采用屏蔽電纜，降低干擾的影響，由于電纜進線空間、接線盒比較緊湊，加熱電源電纜最好選用單獨一根電纜；也可以與信號電纜采用同一根多芯電纜，但必須采用屏蔽電纜。

三.氧化鋯探頭的使用和維護

高溫煙氣型氧化鋯探頭測量電池的工作溫度一般高于650℃，為了保持工作溫度恒定，用一支K型熱電偶測量電池的工作溫度，經氧分析儀內的溫度控制器調節加熱器的加熱電壓。所以氧化鋯探頭需要自帶加熱裝置，才能保證溫度不低于700℃，從而得到恒定的電位信號。只有在氧化鋯探頭達到工作溫度是，其輸出信號才能真實反映氣體的氧含量，冷態下輸出的是隨機信號，不代表任何意義。

新裝的氧化鋯探頭必須進行校正，不進行此項工作氧分析儀檢測的氧濃度可能會與實際濃度產生偏差，從而影響生產。

氧化鋯探頭直接測量輸出的是被測煙氣的濃度與標準空氣差電勢數值，我們稱為氧電勢，該電勢數值在零點（即空氣測量）時不同的探頭起始輸出電勢就存在偏差，而輸出電勢經過模型轉換輸出氧濃度時也可能存在誤差，因此在氧分析儀中對探頭信號進行標定修正就是很必要的工作，否則顯示氧濃度與實際被測煙氣的氧濃度就會存在較大偏差。具體的修正一般通過標準氣體標定進行，方法是將計量核定確認的標準氣體通過標氣口通入探頭，測量此時輸出氧電勢及儀表顯示氧濃度，儀表顯示氧濃度應該與標準氣體濃度相同，存在偏差則修正儀表線性參數；計量標準要求最少使用三種不同濃度的標準氣體進行標定。

由于氧化鋯探頭是長期在線檢測測量的器件，大型鍋爐燃燒過程中產生的粉塵會堵塞導氣采樣管道，造成測量的煙氣數值失真甚至無法測量煙氣，使用過程中必須定期對采樣管中的積塵進行吹掃，吹掃時間及方法要嚴格按照廠家要求進行。吹掃視還應該注意一下問題：由于在吹掃的過程中，氧化鋯探頭的氧電勢會下降，最低有可能會降到1mv左右，這時檢測的氧電勢不代表爐內的煙氣；在分析氧化鋯探頭的好壞時應將其視為一個單獨部件，在檢測氧化鋯探頭的氧電勢時應把與氧化鋯探頭連接的所有導線斷開，通過檢測氧電勢，與正常使用時的數值相比較進行判斷；吹掃空氣的流量要保證能夠去除積灰，吹掃過程中可注意氧化鋯探頭的氧電勢輸出值，如果氧電勢值始終沒有下降，表明空氣流量太小，積塵沒有清理，應予以調節或者檢查吹掃管道，可能吹掃管道已經堵死；吹掃口的通道是與爐內直接相通的，每次在吹掃完畢后，應關閉閥門堵死吹掃孔，防止因爐內負壓空氣進入，影響氧化鋯探頭的檢測。