火電廠氧化鋯氧量計應用及維護保養

殷翔

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102）

火電廠氧化鋯氧量計應用及維護保養

殷翔

（江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102）

在電力生產過程中，為了提高鍋爐燃燒效率同時減少對環境的污染，就要控制過剩空氣系數，氧量就是運行調節的重要依據。在鍋爐煙道內安裝氧化鋯探頭，以及配套設備（組成氧化鋯氧量計），通過使用氧化鋯氧量計就能讓運行人員檢測最佳空氣系數與燃料比，實現經濟燃燒，從而達到燃燒與經濟效益最佳的狀態，實現經濟效益的最大化。

氧化鋯；直插式氧量計；安裝；維護

煤在鍋爐爐膛中燃燒需要配備適量的風量。風量大小直接關乎到鍋爐的燃燒效率和經濟效益，如果風量過大，爐膛的熱量會被過量的煙氣間接損失掉；風量過小，爐膛燃燒會變得不穩定，煤不能在其中充分的燃燒而從煙囪排出形成黑煙，嚴重時引起爐膛爆炸。通常過剩空氣系數可以表示風量大小，并靠測量爐膛出口煙氣含氧量獲得，控制煙氣含氧量就能保證鍋爐燃燒風量的要求，氧化鋯氧量計就是專門測量燃燒過程中煙氣的含氧濃度的裝置。

1 工作原理

氧化鋯材料是一種在高溫上燒結成的穩定氧化體電解質。在（1200℉/650℃）以上的高溫條件下，它是氧離子的良好導體，一般做成管狀，成為鋯管。如果在氧化鋯管的內外涂制鉑電極，用電爐對氧化鋯管加熱，使其內外壁接觸氧分壓不同的氣體，氧化鋯就成為一個氧濃度差電池，在兩個鉑電極上將發生如下反應：

參比側：O2+4e→2O–2

測量側：2O-2→2O2+4e

即空氣中一個氧分子奪取電極上四個電子而變成兩個氧離子。其在氧濃差電勢的作用下，通過氧化鋯管遷移到低氧側電極上，電極四個電子復原為氧分子，當電池處于平均狀態時，電極之間電勢值E恒定不變。

當兩邊的電極鍍層接觸到的氣體(在同樣標準壓力下)有不同的氧濃度，根據氧含量比例，鋯管會產生一個電壓。如果其中一種氣體的氧含量是已知的(參比氣常常是空氣～20.9%)，另一種氧含量直接被鋯頭的電壓反映出來。

最終，氧化鋯測量原理可用公式表述：

式中，E——氧濃差電勢，mV；R——氧的氣體常數，R=8.314J/(mol·K)；n——兩電極產生電勢差時，一個氧分子輸送的電子數，4；T——溫度，K；P0——標定氣體中氧分壓(Pa)或體積分數(%)，P——被標定煙氣中氧分壓(Pa)或體積分數(%)，F——法拉第常數。

圖1 氧化鋯頭操作原理

因為在鋯管處于恒溫工作狀態時，探頭輸出電勢只與參比側和測量側的氧濃度有關。所以，通過測量氧探頭的輸出電動勢E和被測氣體的絕對溫度，比較計算得出被測氣體的氧含量。

氧化鋯氧探頭根據安裝及檢測方式的不同可劃為兩大類：直插式氧探頭與采樣檢測式氧探頭。直插式氧探頭的工作方式是將氧化鋯通過套管直接插入高溫被測煙氣中，來測量煙氣中的含氧量，而采樣檢測式氧探頭的工作方式是通過導引管，使被測煙氣導入氧化鋯檢測室，進而氧化鋯通過加熱器被加熱到工作溫度；筆者所用的是AMETE直插式氧化鋯氧量計。

2 氧化鋯氧量計現場安裝注意事項

安裝是否合理關乎到氧化鋯氧量計在現場能否可靠運行，安裝細節不到位會造成很多使用問題。以AMETEK直插式氧化鋯氧量計為例，其可以在現場很容易更換所有部件，外管套留在煙道中，鋯頭、加熱組件安裝在內管中并可以方便取出。還有許多注意事項，根據現場安裝經驗和廠家意見，提出以下幾點建議。

（1）安裝位置選在沒有強烈振動的地方，且周圍無強電磁場，電源和信號線纜必須分開鋪設，控制器下面應有至少150mm（6″）的距離（如圖2所示），使電纜可以連到控制器上，連接傳感器和控制器的最大長度不超過300m或1000英尺。

圖2 安裝高度

（2）安裝或取出傳感器要留有足夠的距離。最小的距離是從法蘭或者支架算起，整個傳感器長度再加上25mm，搬運時小心，不要跌落傳感器。傳感器里有易碎的陶瓷元件，很容易損壞。當用高壓水管來清潔煙道時，要把傳感器取出，因為可能引起鋯管破裂。選擇一個合適的容易到達的位置，可以把傳感器插入煙氣主流中。煙氣溫度必須在20℃/68℉～600℃/1112℉之間。

（3）一次元件避免安裝在阻礙煙氣流動，有障礙物或彎曲的地方，或者阻礙傳感器插入或者取出的地方，如果煙氣流量很大，對著煙氣流動的方向安裝一塊擋板，同時要檢查傳感器法蘭及監測點有無泄漏。

（4）為了防止采樣誤差，涂料或含有揮發性氣體的污染物附著在采樣管道的連接處，儀器標定時使用的標氣一定要含有氧氣，零氣不用使用純氮氣或任何其他的無氧氣體。

3 氧化鋯氧量計常見故障及處理

氧化鋯氧量計使用一段時間后經常會出現數值不準或報錯現象，按照情況可以分為以下幾類。

（1）氧電勢故障。首先要檢查控制器與標定器之間電纜接線有無松動或接觸不良，若正常再查看后者信號端子有被腐蝕或者松動現象。若在其正常工作溫度區間，可以將“CELL”信號從其標定器拆下，用萬用表測量氧電池信號線電阻，阻值不高于1000歐姆為正常。切斷電源，待標定器冷卻1h后，可以將內管組件從外套管中取出，從外觀檢查是否有磕碰或損壞情況，如無法判定是否正常，建議重新更換或聯系廠家。

圖3 傳感器背部接線圖

（2）溫度故障。若現場控制器液晶屏幕出現溫度低報警信號，建議先檢查信號線是否接正確（如圖3所示），然后檢查有無松動或無被腐蝕。然后檢查保險絲是否燒斷、檢查加熱器阻值是否正常，用萬用表測量熱電偶信號線（紅黃）阻值，查看絕緣是否良好，正常情況下用萬用表測量到的電阻應小于5Ω。如果可以正常加溫但始終無法加熱到額定溫度，判斷是否功率不夠，然后再檢查相關線路絕緣是否良好。若溫度顯示偏高的話也還是先測量其毫伏信號，并計算出實際溫度。若顯示溫度比實際溫度偏高，則可能是溫度補償回路故障，建議重新更換補償導線然后再行檢查。

（3）氧含量顯示值故障。若氧含量顯示值與工藝值有較大出入，先檢查機柜卡件模擬量輸入信號是否正常，可以用信號發生器測量，若正常的話則應考慮現場情況，可以爐墻外套管及法蘭之間密封是否良好，傳感器標定氣進口堵頭是否蓋上并密封，有時氧含量波動是由于密封不良的原因。

4 結束語

氧化鋯氧量計作為一種控制爐膛風量的重要設備，其關系到鍋爐燃燒過程的控制及鍋爐燃燒的熱效率，其測量結果是否準確是建立在合理、規范的安裝基礎之上，但是，氧化鋯氧化計長時間運行時，由于其所在現場環境惡劣，其鋯管也會在長時間使用運行中出現氧化現象，測量精度無法保證，因此，運行人員要及時對氧化鋯氧化計進行周期檢校，以提高其測量準確性。

[1]王志祥，黃偉. 熱工保護與順序控制（第二版）中國電力出版社，2009.1.

[2]樂嘉謙. 儀表工手冊.化學工業出版社，2000.5.

[3]商玉萍.氧量計的應用與故障分析，2013.

[4]陳玉霞. 氧化鋯氧分析儀及其應用.石油化工及其自動化2008.

TH83

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1671-0711（2016）12（上）-0032-03