摘要：论述了氧量测量在电厂燃烧控制中的作用，通过测量烟气中氧气含量的方法来了解过剩空气系数，以判断燃烧状况，控制进入炉膛的空气量，从而维持最佳风煤比，达到优化燃烧的目的。介绍了氧量分析仪探头结构类型，工作原理，安装及使用方法。直插式氧化锆测氧仪具有结构简单，响应时间短，测量范围宽等优点，因此在电站锅炉中得到了广泛的应用。
关键词：过剩空气系数；燃烧控制；氧化锆
Abstract：The effect of oxygen measure on boiler burning control is discussed.Overplus air coefficient is understood by measureing oxygen of flue gas，so that estimate burning condition，control the air of entering furnace and maintain the optimal proportion of air and coal to optimize the burning.Oxygen analyzer probe type、principle、installation and use is introduced.Zirconia oxygen analyzer of direct insert which has the merit of simple structure、shortcut response time and broad measuring bound is widely applied in boiler of power plants.
Kye words：overplus air coefficient；burning control；zirconia oxygen
0引言
在提高火电厂经济性的手段中，重要的一条就是锅炉的经济运行，即提高锅炉燃烧效率。随着电网调峰任务加重，电厂的锅炉机组负荷变化频繁，为能达到锅炉安全、经济运行的目的，运行人员必须对燃烧器出口风速和风率、炉膛风量等项目进行适当调整，通过改变烟气中的氧量来优化锅炉燃烧工况。
1氧量在火电厂燃烧控制中的作用
在火力发电厂锅炉燃烧控制中，维持锅炉经济燃烧，一般是通过控制过剩空气系数μ（μ =锅炉燃烧时加入的实际空气量/锅炉燃烧所需的理论空气量）在一定的范围内实现的。μ太大时排烟热损失增大，μ太小时未完全燃烧损失增大，而且增加了污染气体的排放。因此，维持炉内过剩空气系数稳定，是关系燃烧经济性的一个重要指标。维持炉内过剩空气系数稳定，一般通过保证一定的风煤比例来实现，锅炉烟气含氧量作为锅炉送风调节系统中的重要参数直接反映锅炉燃烧过程的风煤比。因此，氧量控制是提高锅炉热效率、降低企业生产成本、提高经济运行的重要途径，锅炉最佳燃烧参数如图所示。
2氧量分析仪
2.1 热磁式氧分析仪
热磁式氧分析仪是利用烟气组分中氧气的磁化率特别高这一物理特性来测定烟气中含氧量。氧气为顺磁性气体（气体能被磁场所吸引的称为顺磁性气体），在不均匀磁场中受到吸引而流向磁场较强处。在该处设有加热丝，使此处氧的温度升高而磁化率下降，因而磁场吸引力减小，受后面磁化率较高的未被加热的氧气分子推挤而排出磁场，由此造成"热磁对流"或"磁风"现象。在一定的气样压力、温度和流量下，通过测量磁风大小就可测得气样中氧气含量。由于热敏元件（铂丝）既作为不平衡电桥的两个桥臂电阻，又作为加热电阻丝，在磁风的作用下出现温度梯度，即进气侧桥臂的温度低于出气侧桥臂的温度。不平衡电桥将随着气样中氧气含量的不同，输出相应的电压值。
热磁式氧分析仪虽然具有结构简单、便于制造和调整等优点，但由于其反应速度慢、测量误差大、容易发生测量环室堵塞和热敏元件腐蚀严重等缺点，已逐渐被氧化锆氧分析仪所取代。
2.2 氧化锆传感器式氧分析仪
目前火力发电机组大多采用氧化锆氧量计测量锅炉排烟氧量。氧化锆氧量分析仪由氧化锆探头和氧量变送器两部分组成。氧化锆氧量分析仪的核心部件是氧化锆固体电解质氧浓差电池。氧化锆电池安装在探头顶端，它由一根氧化锆管和涂制在管底内外壁的铂电极组成。氧化锆管是由氧化钇或氧化钙稳定的氧化锆材组成的，由于它的主方晶格中含有氧离子空穴，因此在高温下它是良好的氧离子导体，由于氧化锆管的这一特性，在一定高温下，当氧化锆电池两边的氧含量不同时，它便是一个典型的氧浓度差电池，在该电池中，空气是参比气，它和烟气分别流径内外电极，在实际探头中，空气流径外电极，烟气流径内电极。当烟气氧含量P 小于空气氧含量P （20.6 %O2）时，空气中的氧分子从外电极上夺取4 个电子形成2 个氧离子，发生为下电极反应：O （P ）+ 4e——2O
氧离子在氧化锆管中迅速迁移到烟气边，在内电极上发生相反的电极反应：2O ——2 O （P ）+ 4eˉ
由于氧浓差导致氧离子从空气边迁移到烟气边，而产生的电势又导致氧离子从烟气边反向迁移到空气边，当这两种迁移到平衡后，便在两电极间产生一个与氧浓度有关的探头信号E，该信号符合能斯特方程：
E = RTln（P0/ P）/ 4F
式中 R ———气体常数，1.987；
T ———绝对温度，273 + t（实际工作温度）；
F ———法拉第常数，96500；
P ———参比气体的氧体积分数，约等于21 %；
P ———待测气体的氧体积分数；
E ———氧浓差电势，V。
由式可知，若T 被控制在某一定值（一般为700～800 ℃），并选定一种已知氧体积分数的气体（如空气）作为电介质阴极侧的气体，即P 为已知的参比气体时，则测得氧浓差电势E，即可得知待测气体的氧体积分数P 。
3氧化锆的类型
根据氧化锆探头的结构形式和安装方式的不同，我们可把氧化锆分析仪分为直插式、抽吸式。目前大量使用的是直插式氧化锆分析仪。
直插式氧化锆探头式检测器，主要用于烟道气分析，它主要分为以下几种类型：
①中、低温直插式氧化锆探头
这种探头适用于烟气温度0~650℃（最佳烟气温度350~550℃）的场合，探头中自带加热炉，主要用于火电厂锅炉、6~20t/h工业炉等，这是目前使用量最大的一种探头。
②带导流管的直插式氧化锆探头
这也是一种中低温直插式氧化锆探头，但探头较短（400~600mm），带有一根长的导流管，先用导流管将烟气引导到炉壁附近，再用探头进行测量。这主要用于大型、炉壁比较厚的加热炉。燃煤炉宜选带过滤器的直插式探头，不宜选导流式探头，其原因是容易形成灰堵，而燃油炉，这两种都可以用。
③高温直插式氧化锆探头
这种探头本身不带加热炉，靠高温烟气加热，适用于700~900℃的烟气测量，主要用于电厂、石化厂等高温烟气分析环境。
直插式氧化锆分析仪的突出特点是：结构简单、维护方便、反应速度快和测量范围广，它省去了取样和样品处理的环节，从而省去了许多麻烦，因而广泛应用于各种锅炉和工业炉窑中。
抽吸式氧化锆氧分析仪的氧化锆探头安装在烟道壁或炉壁以外，将烟气抽出后再进行分析，它主要用于两种场合：
①烟气温度为700~1400℃的场合
例如：钢铁厂的有些加热炉烟气温度高达900~1400℃，这种场合就不能采用直插式探头进行测量，而应将高温烟气从炉内引出，散热后温度降低，再流过恒温的氧化锆探头就可以获得满意的结果。
目前国内电厂的蒸汽锅炉和工业锅炉大部分是燃煤炉，烟尘量大，采用这种类型的分析仪时，容易样管堵塞，需要及时清理，维护量较大。这种分析仪适合于燃油炉和烟尘量较小的燃煤炉。
②用于燃气炉
直插式氧化锆分析仪可用于燃煤炉、燃油炉，但不适合于燃气炉。这是因为采用天然气等气体燃料的炉子，烟道气中往往含有少量的可燃性气体，如H2、CO、CO2、CH4等。氧化锆的探头温度在750℃左右，在高温条件下，由于铂电极的催化作用，烟气中的氧会和这些气体成分发生氧化反应而耗氧，使测得的氧含量偏低。当燃烧不正常，烟气中的可燃气体含量较高时，与高温氧化锆探头接触甚至可能发生起火、爆炸的危险。
抽吸式氧化锆氧分析仪的缺点：①反应时间慢；②结构复杂，容易影响检测精度；③在被检测气体杂质较多时，采样管容易堵塞；④多孔铂电极容易受到气体中的硫、砷等的腐蚀以及细小粉尘的堵塞而失效；
4合理选择安装位置
由于锅炉烟道中烟气工况十分复杂，如果氧化锆探头安装点选择不合理，将会出现氧量失真、响应迟缓现象，同时还会严重缩短氧化锆探头的使用寿命。因此正确选择探头安装点，对于提高测量准确性和延长探头使用寿命有着重要意义。在较高的温度段对氧化锆探头各部件的氧化腐蚀比较严重，对氧化锆探头的使用寿命有明显的影响；而温度过低时，凝结的水气与烟气中的SO2及SO3形成亚硫酸、硫酸，对氧化锆元件危害极大，因此，氧化锆探头的检测点应尽量选在（100～600）℃之间。
a要求安装点的烟气流通好，以保证有较快的响应时间。切忌安装在炉内侧、死角、涡流和缩口处。安装在内侧和死角处易造成慢响应迟缓现象；安装在涡流处会导致氧量波动大，代表性差；安装在缩口处烟速过大，虽然响应迅速，但易造成灰堵故障和冲刷故障。
b要求便于操作，没有障碍物影响插入氧化锆探头的操作。
c要求安装点上游5米内无人孔及明显漏点，以防氧量失真。在停炉时，安装点应不受水冲刷操作的影响，不易被人为因素破坏。
d测点位置应在锅炉密封性好、不漏风的部位，应避开人孔门等位置，因为人孔门容易出现关不严、漏风等现象，导致氧量指示偏大。
e探头应稍向下倾斜，以防止烟气对流和冷凝水进入锆头。
在锅炉中，氧量计一般在空预器前后各安装一支。对于300MW 机组，单侧烟道的截面面积一般都超过10m ，空预器前只安装一支氧量计，存在着较大的采样误差。为克服采样误差，提高测量精度，部分电厂在烟道上安装两支或多支氧化锆氧量计，取其平均值指导锅炉调节燃烧。空预器后安装一支氧量计，用于检测机组的漏风情况，从而计算机组效率。
5结论
烟气中的氧量过高或过低，都严重影响锅炉安全经济运行，为了提高机组燃烧效率以及锅炉运行可靠性，必须对烟气进行氧量分析。氧量分析仪作为发电厂锅炉燃烧的监测仪表，在指导燃烧方面起着重要作用。同时，为了提高烟气中含氧量的测量准确度，必须对测量系统进行定期维护，经常检查在线氧量的变化情况，发现显示异常要及时处理。
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论文作者:郝振华1,张博2
论文发表刊物:《电力设备》2016年第24期
论文发表时间:2017/1/20
标签：氧化锆论文; 烟气论文; 锅炉论文; 分析仪论文; 氧量论文; 气体论文; 测量论文; 《电力设备》2016年第24期论文;