排煙含氧量測量中的不確定度分析
點擊次數(shù)：3067 更新時間：2011-08-08
一、正確測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，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)，生成對換熱設(shè)備和環(huán)境具有不良影響的SOx和NOx;氧量偏低時燃料燃燒不充分，降低了燃燒的經(jīng)濟(jì)性。因此需對煙氣中的氧進(jìn)行準(zhǔn)確可靠地測量與控制，保證氧量在合理的范圍。
鍋爐運行中氧量的自動控制是為zui大限度地實現(xiàn)燃燒*化，合理調(diào)整風(fēng)煤比。其中，實現(xiàn)排煙氧量可靠、準(zhǔn)確地在線測量是實現(xiàn)這一過程的必要前提。目前煙氣中氧量測量方法有多種，用于在線實時測量時多為氧化鋯氧量測量系統(tǒng)?，F(xiàn)針對由氧化鋯組成的氧量測量系統(tǒng)進(jìn)行分析。
二、氧量測量偏差對運行經(jīng)濟(jì)性的影響
排煙氧量測量的正確性對鍋爐機(jī)組的效率和輔機(jī)能耗具有較大影響。對于目前的氧量測量技術(shù)水平，氧量在線檢測使用的氧化鋯氧量計的基本誤差:±2%～±3%FS（滿量程）;重復(fù)性:±1%FS;穩(wěn)定性:±1%～2%FS/月;響應(yīng)時間（達(dá)到90%）小于5s;測量系統(tǒng)不確定度約為4%。從現(xiàn)場標(biāo)定結(jié)果看[1]，單點取樣測量時由于取樣引起的誤差約為1%～2%O2，綜合測量誤差按2%O2計算，由于氧量測量不準(zhǔn)確將對機(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）;（3）排煙溫度升高5℃;鍋爐效率降低約1。
三、氧量測量系統(tǒng)的不確定度
氧量測量系統(tǒng)由取樣系統(tǒng)、氧量傳感器和二次儀表（或變送器）等組成。在線實時測量中影響氧量檢測結(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測量中的基本誤差
在測量系統(tǒng)自身的檢測與評定中，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，測量系統(tǒng)一般均能達(dá)到規(guī)定的誤差范圍。
3.2測量中的附加誤差
3.2.1重復(fù)性和穩(wěn)定性誤差
對氧量測量影響的諸多原因中，傳感器探頭所處氛圍的溫度場的穩(wěn)定性、探頭表面被污染及內(nèi)部中毒程度等是引起測量結(jié)果重復(fù)性和穩(wěn)定性誤差的直接原因，同時也會對測量系統(tǒng)的另一重要指標(biāo)——響應(yīng)時間產(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)氣體處于非流動狀態(tài)。圖1所示為氧化鋯探頭實際測量中的安裝方法。
在測量過程中，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)的氧量場不均勻。由于兩側(cè)氣體基本上處于非明顯流動狀態(tài)，傳質(zhì)過程主要靠擴(kuò)散作用實現(xiàn)，這就在鋯管兩側(cè)形成相對穩(wěn)定的氧量場，對實時測量極為不利。由于新鮮樣氣不能及時到達(dá)鋯管表面，造成測量結(jié)果與樣氣中實際含氧量值一定的偏差，這也是構(gòu)成附加測量誤差的一部分。
氧化鋯測量原理可用下式表述:
式中，E為氧濃差電勢，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，探頭的輸出電勢與兩側(cè)的濃度有關(guān)。若鋯管兩側(cè)表面的氣體與所對應(yīng)的樣氣或參比氣中的含氧量不符，就會產(chǎn)生測量誤差。
鋯管兩側(cè)的氣體流速小，氣體不能及時更新，使兩側(cè)氣體氧濃度趨于一致，氧濃差電勢減小，產(chǎn)生測量誤差。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)用實例中，氧量測量系統(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取樣點的局限性
測量結(jié)果應(yīng)能實時正確地反映運行中煙氣的含氧量，這是對氧量測量系統(tǒng)zui基本的要求。要做到這一點，必須首先保證取樣系統(tǒng)的可靠性和合理性，即從取樣點取出的被測樣氣要有代表性，能實時正確地反映整個煙道中的煙氣組份。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），測量中多采用單點測量方法，即在每側(cè)煙道上安裝1套氧量測量系統(tǒng)。從局部取樣進(jìn)行測量很難保證樣氣具有很好的代表性，也難以保證測量結(jié)果的可靠性。由于取樣代表性失準(zhǔn)也要造成測量的附加誤差，其大小與運行方式、負(fù)荷大小等很多因素有關(guān)，其值也不固定[1]。
綜上所述，測量的不確定度或可靠性誤差指測量結(jié)果與實際運行煙氣中氧含量的差，它由測量系統(tǒng)的基本誤差和附加誤差組成，綜合反映出測量系統(tǒng)的設(shè)計、運行水平，是測量系統(tǒng)zui重要的考核指標(biāo)。
四、GBl0184標(biāo)準(zhǔn)對取樣的要求
國家標(biāo)準(zhǔn)《GBl0184—88電站鍋爐性能試驗規(guī)程》中對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)定的測點分布方法，將煙道按其截面尺寸分割為多個等小矩形，在虛線的每個節(jié)點上進(jìn)行取樣測量。若按此方法布置測量取樣點，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現(xiàn)的，它需要多支氧化鋯探頭共同組成一個龐大的測量系統(tǒng)，系統(tǒng)造價高，運行不可靠，也難以實現(xiàn)，GBl0184標(biāo)準(zhǔn)對此也作了補充說明，允許通過代表點法進(jìn)行測量。即先在整個煙道截面上對代表點進(jìn)行標(biāo)定，給出一個修正值。應(yīng)當(dāng)看到，代表點法有其局限性，當(dāng)運行工況、運行操作人員、運行方式和燃料發(fā)生變化時，修正值本身也在變化，不存在一個恒定不變的修正值。因此代表點法難以達(dá)到GBl0184標(biāo)準(zhǔn)中的要求。
五、一種新型的取樣方法
根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗，設(shè)計了一套新型的煙氣取樣系統(tǒng)，并已申請了國家保護(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)所測煙道的寬度確定，待測煙氣經(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
（1）可實現(xiàn)全煙道內(nèi)取樣。取樣點布置可與GBl0184標(biāo)準(zhǔn)的要求相一致，做到等速取樣。取樣更具代表性，增加了測量結(jié)果的可靠性。（2）集氣箱一方面可實現(xiàn)對煙氣初級過濾的作用;另一方面，通過專門的計算和設(shè)計可起到均勻取樣的目的。（3）煙氣經(jīng)過濾后可增強(qiáng)對傳感器的保護(hù)作用，延長其使用壽命，保證氧量計測量的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性。（4）采用泵使樣氣強(qiáng)制流動，保證了測量結(jié)果的可靠性。
六、新方法對測量響應(yīng)時間的影響
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量系統(tǒng)的可行性，而實際情況卻并非如此，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)計不合理等因素造成樣氣不能流通所致。
目前氧量計生產(chǎn)廠商給出響應(yīng)時間（達(dá)到90%響應(yīng)）一般均小于5s，這僅是在試驗室測定的結(jié)果，實際數(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，則可實現(xiàn)5s內(nèi)達(dá)到90%響應(yīng)，這是實現(xiàn)氧量自動控制的基礎(chǔ)。所以抽氣式取樣方法不僅不是使響應(yīng)時間延遲的原因，而是達(dá)到規(guī)定響應(yīng)時間的zui可靠保證。
七、結(jié)語
測量結(jié)果與運行中實時測量值的誤差代表了一個氧量測量系統(tǒng)的優(yōu)劣，只追求測量儀器的試驗室精度（靜態(tài)測量精度），忽視實時在線測量的精度（動態(tài)精度）是非常片面的。只有動態(tài)測量結(jié)果的不確定度控制在某一范圍內(nèi)，測量結(jié)果才是有效的，才能作為一項控制指標(biāo)參與相關(guān)系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)，鍋爐機(jī)組也才能真正實現(xiàn)氧量的自動控制。因采樣而引起的測量誤差在測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拿回試驗室校驗時仍能正常工作，問題往往出在取樣部分設(shè)計不合理，因此必須對煙氣取樣系統(tǒng)的設(shè)計和安裝引起足夠重視。
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，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)，生成對換熱設(shè)備和環(huán)境具有不良影響的SOx和NOx;氧量偏低時燃料燃燒不充分，降低了燃燒的經(jīng)濟(jì)性。因此需對煙氣中的氧進(jìn)行準(zhǔn)確可靠地測量與控制，保證氧量在合理的范圍。
鍋爐運行中氧量的自動控制是為zui大限度地實現(xiàn)燃燒*化，合理調(diào)整風(fēng)煤比。其中，實現(xiàn)排煙氧量可靠、準(zhǔn)確地在線測量是實現(xiàn)這一過程的必要前提。目前煙氣中氧量測量方法有多種，用于在線實時測量時多為氧化鋯氧量測量系統(tǒng)?，F(xiàn)針對由氧化鋯組成的氧量測量系統(tǒng)進(jìn)行分析。
二、氧量測量偏差對運行經(jīng)濟(jì)性的影響
排煙氧量測量的正確性對鍋爐機(jī)組的效率和輔機(jī)能耗具有較大影響。對于目前的氧量測量技術(shù)水平，氧量在線檢測使用的氧化鋯氧量計的基本誤差:±2%～±3%FS（滿量程）;重復(fù)性:±1%FS;穩(wěn)定性:±1%～2%FS/月;響應(yīng)時間（達(dá)到90%）小于5s;測量系統(tǒng)不確定度約為4%。從現(xiàn)場標(biāo)定結(jié)果看[1]，單點取樣測量時由于取樣引起的誤差約為1%～2%O2，綜合測量誤差按2%O2計算，由于氧量測量不準(zhǔn)確將對機(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）;（3）排煙溫度升高5℃;鍋爐效率降低約1。
三、氧量測量系統(tǒng)的不確定度
氧量測量系統(tǒng)由取樣系統(tǒng)、氧量傳感器和二次儀表（或變送器）等組成。在線實時測量中影響氧量檢測結(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測量中的基本誤差
在測量系統(tǒng)自身的檢測與評定中，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，測量系統(tǒng)一般均能達(dá)到規(guī)定的誤差范圍。
3.2測量中的附加誤差
3.2.1重復(fù)性和穩(wěn)定性誤差
對氧量測量影響的諸多原因中，傳感器探頭所處氛圍的溫度場的穩(wěn)定性、探頭表面被污染及內(nèi)部中毒程度等是引起測量結(jié)果重復(fù)性和穩(wěn)定性誤差的直接原因，同時也會對測量系統(tǒng)的另一重要指標(biāo)——響應(yīng)時間產(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)氣體處于非流動狀態(tài)。圖1所示為氧化鋯探頭實際測量中的安裝方法。
在測量過程中，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)的氧量場不均勻。由于兩側(cè)氣體基本上處于非明顯流動狀態(tài)，傳質(zhì)過程主要靠擴(kuò)散作用實現(xiàn)，這就在鋯管兩側(cè)形成相對穩(wěn)定的氧量場，對實時測量極為不利。由于新鮮樣氣不能及時到達(dá)鋯管表面，造成測量結(jié)果與樣氣中實際含氧量值一定的偏差，這也是構(gòu)成附加測量誤差的一部分。
氧化鋯測量原理可用下式表述:
式中，E為氧濃差電勢，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，探頭的輸出電勢與兩側(cè)的濃度有關(guān)。若鋯管兩側(cè)表面的氣體與所對應(yīng)的樣氣或參比氣中的含氧量不符，就會產(chǎn)生測量誤差。
鋯管兩側(cè)的氣體流速小，氣體不能及時更新，使兩側(cè)氣體氧濃度趨于一致，氧濃差電勢減小，產(chǎn)生測量誤差。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)用實例中，氧量測量系統(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取樣點的局限性
測量結(jié)果應(yīng)能實時正確地反映運行中煙氣的含氧量，這是對氧量測量系統(tǒng)zui基本的要求。要做到這一點，必須首先保證取樣系統(tǒng)的可靠性和合理性，即從取樣點取出的被測樣氣要有代表性，能實時正確地反映整個煙道中的煙氣組份。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），測量中多采用單點測量方法，即在每側(cè)煙道上安裝1套氧量測量系統(tǒng)。從局部取樣進(jìn)行測量很難保證樣氣具有很好的代表性，也難以保證測量結(jié)果的可靠性。由于取樣代表性失準(zhǔn)也要造成測量的附加誤差，其大小與運行方式、負(fù)荷大小等很多因素有關(guān)，其值也不固定[1]。
綜上所述，測量的不確定度或可靠性誤差指測量結(jié)果與實際運行煙氣中氧含量的差，它由測量系統(tǒng)的基本誤差和附加誤差組成，綜合反映出測量系統(tǒng)的設(shè)計、運行水平，是測量系統(tǒng)zui重要的考核指標(biāo)。
四、GBl0184標(biāo)準(zhǔn)對取樣的要求
國家標(biāo)準(zhǔn)《GBl0184—88電站鍋爐性能試驗規(guī)程》中對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)定的測點分布方法，將煙道按其截面尺寸分割為多個等小矩形，在虛線的每個節(jié)點上進(jìn)行取樣測量。若按此方法布置測量取樣點，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現(xiàn)的，它需要多支氧化鋯探頭共同組成一個龐大的測量系統(tǒng)，系統(tǒng)造價高，運行不可靠，也難以實現(xiàn)，GBl0184標(biāo)準(zhǔn)對此也作了補充說明，允許通過代表點法進(jìn)行測量。即先在整個煙道截面上對代表點進(jìn)行標(biāo)定，給出一個修正值。應(yīng)當(dāng)看到，代表點法有其局限性，當(dāng)運行工況、運行操作人員、運行方式和燃料發(fā)生變化時，修正值本身也在變化，不存在一個恒定不變的修正值。因此代表點法難以達(dá)到GBl0184標(biāo)準(zhǔn)中的要求。
五、一種新型的取樣方法
根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗，設(shè)計了一套新型的煙氣取樣系統(tǒng)，并已申請了國家保護(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)所測煙道的寬度確定，待測煙氣經(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
（1）可實現(xiàn)全煙道內(nèi)取樣。取樣點布置可與GBl0184標(biāo)準(zhǔn)的要求相一致，做到等速取樣。取樣更具代表性，增加了測量結(jié)果的可靠性。（2）集氣箱一方面可實現(xiàn)對煙氣初級過濾的作用;另一方面，通過專門的計算和設(shè)計可起到均勻取樣的目的。（3）煙氣經(jīng)過濾后可增強(qiáng)對傳感器的保護(hù)作用，延長其使用壽命，保證氧量計測量的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性。（4）采用泵使樣氣強(qiáng)制流動，保證了測量結(jié)果的可靠性。
六、新方法對測量響應(yīng)時間的影響
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量系統(tǒng)的可行性，而實際情況卻并非如此，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)計不合理等因素造成樣氣不能流通所致。
目前氧量計生產(chǎn)廠商給出響應(yīng)時間（達(dá)到90%響應(yīng)）一般均小于5s，這僅是在試驗室測定的結(jié)果，實際數(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，則可實現(xiàn)5s內(nèi)達(dá)到90%響應(yīng)，這是實現(xiàn)氧量自動控制的基礎(chǔ)。所以抽氣式取樣方法不僅不是使響應(yīng)時間延遲的原因，而是達(dá)到規(guī)定響應(yīng)時間的zui可靠保證。
七、結(jié)語
測量結(jié)果與運行中實時測量值的誤差代表了一個氧量測量系統(tǒng)的優(yōu)劣，只追求測量儀器的試驗室精度（靜態(tài)測量精度），忽視實時在線測量的精度（動態(tài)精度）是非常片面的。只有動態(tài)測量結(jié)果的不確定度控制在某一范圍內(nèi)，測量結(jié)果才是有效的，才能作為一項控制指標(biāo)參與相關(guān)系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)，鍋爐機(jī)組也才能真正實現(xiàn)氧量的自動控制。因采樣而引起的測量誤差在測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拿回試驗室校驗時仍能正常工作，問題往往出在取樣部分設(shè)計不合理，因此必須對煙氣取樣系統(tǒng)的設(shè)計和安裝引起足夠重視。
