火电厂氧化锆氧量计应用及维护保养

殷翔

（江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211102）

火电厂氧化锆氧量计应用及维护保养

殷翔

（江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211102）

在电力生产过程中，为了提高锅炉燃烧效率同时减少对环境的污染，就要控制过剩空气系数，氧量就是运行调节的重要依据。在锅炉烟道内安装氧化锆探头，以及配套设备（组成氧化锆氧量计），通过使用氧化锆氧量计就能让运行人员检测最佳空气系数与燃料比，实现经济燃烧，从而达到燃烧与经济效益最佳的状态，实现经济效益的最大化。

氧化锆；直插式氧量计；安装；维护

煤在锅炉炉膛中燃烧需要配备适量的风量。风量大小直接关乎到锅炉的燃烧效率和经济效益，如果风量过大，炉膛的热量会被过量的烟气间接损失掉；风量过小，炉膛燃烧会变得不稳定，煤不能在其中充分的燃烧而从烟囱排出形成黑烟，严重时引起炉膛爆炸。通常过剩空气系数可以表示风量大小，并靠测量炉膛出口烟气含氧量获得，控制烟气含氧量就能保证锅炉燃烧风量的要求，氧化锆氧量计就是专门测量燃烧过程中烟气的含氧浓度的装置。

1 工作原理

氧化锆材料是一种在高温上烧结成的稳定氧化体电解质。在（1200℉/650℃）以上的高温条件下，它是氧离子的良好导体，一般做成管状，成为锆管。如果在氧化锆管的内外涂制铂电极，用电炉对氧化锆管加热，使其内外壁接触氧分压不同的气体，氧化锆就成为一个氧浓度差电池，在两个铂电极上将发生如下反应：

参比侧：O2+4e→2O–2

测量侧：2O-2→2O2+4e

即空气中一个氧分子夺取电极上四个电子而变成两个氧离子。其在氧浓差电势的作用下，通过氧化锆管迁移到低氧侧电极上，电极四个电子复原为氧分子，当电池处于平均状态时，电极之间电势值E恒定不变。

当两边的电极镀层接触到的气体(在同样标准压力下)有不同的氧浓度，根据氧含量比例，锆管会产生一个电压。如果其中一种气体的氧含量是已知的(参比气常常是空气～20.9%)，另一种氧含量直接被锆头的电压反映出来。

最终，氧化锆测量原理可用公式表述：

式中，E——氧浓差电势，mV；R——氧的气体常数，R=8.314J/(mol·K)；n——两电极产生电势差时，一个氧分子输送的电子数，4；T——温度，K；P0——标定气体中氧分压(Pa)或体积分数(%)，P——被标定烟气中氧分压(Pa)或体积分数(%)，F——法拉第常数。

图1 氧化锆头操作原理

因为在锆管处于恒温工作状态时，探头输出电势只与参比侧和测量侧的氧浓度有关。所以，通过测量氧探头的输出电动势E和被测气体的绝对温度，比较计算得出被测气体的氧含量。

氧化锆氧探头根据安装及检测方式的不同可划为两大类：直插式氧探头与采样检测式氧探头。直插式氧探头的工作方式是将氧化锆通过套管直接插入高温被测烟气中，来测量烟气中的含氧量，而采样检测式氧探头的工作方式是通过导引管，使被测烟气导入氧化锆检测室，进而氧化锆通过加热器被加热到工作温度；笔者所用的是AMETE直插式氧化锆氧量计。

2 氧化锆氧量计现场安装注意事项

安装是否合理关乎到氧化锆氧量计在现场能否可靠运行，安装细节不到位会造成很多使用问题。以AMETEK直插式氧化锆氧量计为例，其可以在现场很容易更换所有部件，外管套留在烟道中，锆头、加热组件安装在内管中并可以方便取出。还有许多注意事项，根据现场安装经验和厂家意见，提出以下几点建议。

（1）安装位置选在没有强烈振动的地方，且周围无强电磁场，电源和信号线缆必须分开铺设，控制器下面应有至少150mm（6″）的距离（如图2所示），使电缆可以连到控制器上，连接传感器和控制器的最大长度不超过300m或1000英尺。

图2 安装高度

（2）安装或取出传感器要留有足够的距离。最小的距离是从法兰或者支架算起，整个传感器长度再加上25mm，搬运时小心，不要跌落传感器。传感器里有易碎的陶瓷元件，很容易损坏。当用高压水管来清洁烟道时，要把传感器取出，因为可能引起锆管破裂。选择一个合适的容易到达的位置，可以把传感器插入烟气主流中。烟气温度必须在20℃/68℉～600℃/1112℉之间。

（3）一次元件避免安装在阻碍烟气流动，有障碍物或弯曲的地方，或者阻碍传感器插入或者取出的地方，如果烟气流量很大，对着烟气流动的方向安装一块挡板，同时要检查传感器法兰及监测点有无泄漏。

（4）为了防止采样误差，涂料或含有挥发性气体的污染物附着在采样管道的连接处，仪器标定时使用的标气一定要含有氧气，零气不用使用纯氮气或任何其他的无氧气体。

3 氧化锆氧量计常见故障及处理

氧化锆氧量计使用一段时间后经常会出现数值不准或报错现象，按照情况可以分为以下几类。

（1）氧电势故障。首先要检查控制器与标定器之间电缆接线有无松动或接触不良，若正常再查看后者信号端子有被腐蚀或者松动现象。若在其正常工作温度区间，可以将“CELL”信号从其标定器拆下，用万用表测量氧电池信号线电阻，阻值不高于1000欧姆为正常。切断电源，待标定器冷却1h后，可以将内管组件从外套管中取出，从外观检查是否有磕碰或损坏情况，如无法判定是否正常，建议重新更换或联系厂家。

图3 传感器背部接线图

（2）温度故障。若现场控制器液晶屏幕出现温度低报警信号，建议先检查信号线是否接正确（如图3所示），然后检查有无松动或无被腐蚀。然后检查保险丝是否烧断、检查加热器阻值是否正常，用万用表测量热电偶信号线（红黄）阻值，查看绝缘是否良好，正常情况下用万用表测量到的电阻应小于5Ω。如果可以正常加温但始终无法加热到额定温度，判断是否功率不够，然后再检查相关线路绝缘是否良好。若温度显示偏高的话也还是先测量其毫伏信号，并计算出实际温度。若显示温度比实际温度偏高，则可能是温度补偿回路故障，建议重新更换补偿导线然后再行检查。

（3）氧含量显示值故障。若氧含量显示值与工艺值有较大出入，先检查机柜卡件模拟量输入信号是否正常，可以用信号发生器测量，若正常的话则应考虑现场情况，可以炉墙外套管及法兰之间密封是否良好，传感器标定气进口堵头是否盖上并密封，有时氧含量波动是由于密封不良的原因。

4 结束语

氧化锆氧量计作为一种控制炉膛风量的重要设备，其关系到锅炉燃烧过程的控制及锅炉燃烧的热效率，其测量结果是否准确是建立在合理、规范的安装基础之上，但是，氧化锆氧化计长时间运行时，由于其所在现场环境恶劣，其锆管也会在长时间使用运行中出现氧化现象，测量精度无法保证，因此，运行人员要及时对氧化锆氧化计进行周期检校，以提高其测量准确性。

[1]王志祥，黄伟. 热工保护与顺序控制（第二版）中国电力出版社，2009.1.

[2]乐嘉谦. 仪表工手册.化学工业出版社，2000.5.

[3]商玉萍.氧量计的应用与故障分析，2013.

[4]陈玉霞. 氧化锆氧分析仪及其应用.石油化工及其自动化2008.

TH83

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1671-0711（2016）12（上）-0032-03