Анализаторы кислорода и горючих компонентов

Что такое анализатор кислорода и горючих компонентов?

Самый прямой показатель эффективности горения — кислород, оставшийся в дымовых газах. Если воздуха подается больше необходимого, этот воздух нагревается и уходит в дымовую трубу, а топливо расходуется впустую; при уменьшении подачи воздуха КПД растет, но начиная с определенного момента топливо уже не сгорает полностью и в дымовых газах появляются несгоревшие горючие компоненты — прежде всего монооксид углерода. Эти компоненты означают и потерю энергии, и проблему безопасности, поскольку могут накапливаться в топке и газоходах.

Контролируя обе величины одновременно, анализатор кислорода и горючих компонентов позволяет уверенно найти оптимальный избыток воздуха. Кислород измеряется циркониевой ячейкой (на основе диоксида циркония), горючие компоненты — каталитическим сенсором, а результат выражается в эквиваленте CO (COe). Анализатор, измеряющий только кислород, сам по себе не покажет, почему воздуха для горения стало недостаточно и не началось ли на горелке неполное сгорание; этот пробел закрывает сигнал по горючим компонентам.

Описанный на этой странице анализатор состоит из зонда, устанавливаемого на фланец в стенке дымовой трубы или газохода, обогреваемого корпуса сенсоров и электронного блока, который монтируется на корпусе или выносится. Существуют исполнения для общепромышленных зон и, с взрывонепроницаемыми корпусами, для взрывоопасных зон. Если достаточно измерять только кислород и предпочтительно измерение непосредственно на конце зонда, в качестве отдельного решения можно рассмотреть кислородомеры in-situ для дымовых газов.

Принцип измерения O2 и горючих компонентов

Анализатор формирует непрерывный поток пробы дымовых газов и последовательно пропускает его через два разных сенсора. Измерительная цепь включает следующие этапы:

1.      Отбор пробы через зонд: Эжектор, работающий на чистом сухом приборном воздухе, непрерывно отбирает пробу дымовых газов через зонд и пробоотборную трубку, введенные в дымовую трубу. Опциональный фильтр на конце зонда задерживает твердые частицы; после измерения газ возвращается в трубу по выпускной трубке.

2.      Обогреваемый корпус сенсоров: Проба поступает в корпус сенсоров, расположенный снаружи дымовой трубы; нагреватели поддерживают в нем постоянную рабочую температуру. Нагрев создает условия для ионной проводимости циркониевой ячейки и предотвращает конденсацию влаги из пробы.

3.      Измерение кислорода циркониевой ячейкой: Когда содержание кислорода со стороны пробы ниже, чем со стороны эталонного воздуха, между электродами циркониевой ячейки возникает разность потенциалов. Это напряжение изменяется пропорционально логарифму отношения концентраций кислорода и пересчитывается электронным блоком в проценты O2.

4.      Измерение горючих компонентов каталитическим сенсором: В сенсоре горючих компонентов CO и другие горючие вещества окисляются на поверхности активного каталитического элемента; теплота реакции создает разность температур между активным и сравнительным элементами. Эта разность пропорциональна количеству горючих компонентов и выражается в эквиваленте CO (COe). Воздух разбавления, добавляемый к пробе, обеспечивает достаточно кислорода для окисления даже в восстановительной среде, когда кислорода в дымовых газах нет.

5.      Обработка сигналов и выходы: Электронный блок обрабатывает сигналы обоих сенсоров и формирует два независимых изолированных выхода 4–20 мА — по кислороду и по горючим компонентам. Выход по кислороду несет цифровой сигнал HART; в качестве альтернативы можно выбрать FOUNDATION Fieldbus. Реле с сухими контактами и опциональный модуль сигнализации сообщают в систему управления о низком содержании кислорода и высоком содержании горючих компонентов.

6.      Калибровка: Поверочные газы с низким и высоким содержанием кислорода и поверочный газ с CO для канала горючих компонентов подаются к сенсорам по линии калибровки. В исполнениях с электромагнитными клапанами автоматической калибровки эта процедура выполняется без участия оператора.

Совместная оценка кислорода «нетто» и горючих компонентов

Горячие платиновые электроды циркониевой ячейки действуют как катализатор: если в пробе есть горючие компоненты, часть из них реагирует с кислородом на поверхности ячейки. Поэтому циркониевая ячейка показывает кислород «нетто» — остаток после вычета кислорода, израсходованного на окисление горючих компонентов. Сенсор горючих компонентов, в свою очередь, отдельно показывает несгоревшее топливо в той же пробе.

При совместной оценке двух сигналов состояние горения становится однозначным: если кислорода достаточно, а COe низкий, горение находится в безопасной зоне; если при снижении кислорода COe резко растет, горелка приближается к границе неполного сгорания. Цель регулирования горения — работать при минимальном избытке воздуха непосредственно перед началом роста COe.

Защита тракта пробы: фильтр на зонде и обратная продувка

Для запыленных дымовых газов на конце зонда можно установить фильтр из нержавеющей стали, фильтр из нержавеющей стали с увеличенной площадью поверхности или фильтр из жаропрочного сплава. Чтобы отсрочить засорение фильтра, опциональная система обратной продувки периодически подает сжатый приборный воздух в обратном направлении и очищает тракт пробы.

В этой схеме с отбором пробы измерительные сенсоры находятся не внутри дымовой трубы, а в обогреваемом корпусе снаружи. Такая компоновка позволяет двум разным сенсорам измерять одну и ту же пробу при контролируемой температуре, а в высокотемпературных трубах — выбирать материал зонда независимо от сенсоров.

Ключевые особенности

·         Два измерения — один прибор: Циркониевая ячейка кислорода и каталитический сенсор горючих компонентов размещены в одном обогреваемом корпусе, поэтому не нужны отдельные анализаторы, линии пробы и точки монтажа.

·         Зонды для высоких температур: Зонд из нержавеющей стали 316 рассчитан на температуру дымовых газов до 704 °C, зонд из сплава 600 — до 1000 °C, керамический зонд — до 1427 °C.

·         Циркониевая ячейка, устойчивая к отравлению: Каталитические платинированные гранулы продлевают срок службы ячейки в дымовых газах, содержащих серу и другие отравляющие соединения. Для задач с высокой сернистой нагрузкой предусмотрена кислородная ячейка для высокосернистых газов.

·         Надежное измерение COe в восстановительной среде: Сенсор горючих компонентов с большой активной поверхностью в сочетании с воздухом разбавления дает корректные показания даже в восстановительной среде, где кислород уже израсходован.

·         Диапазоны, настраиваемые на месте: Диапазон по кислороду настраивается на месте от 0–1 % до 0–40 %, по горючим компонентам — от 0–1000 ppm до 0–5 % через HART или местный интерфейс оператора.

·         Быстрый отклик системы: Отклик системы на тестовый газ: T90 10 секунд по кислороду и T90 25 секунд по горючим компонентам, что усиливает обратную связь для регулирования горения при изменениях нагрузки.

·         Опция автоматической калибровки: Исполнения с электромагнитными клапанами автокалибровки поочередно подают поверочные газы и выполняют калибровку без оператора; поддерживается и полуавтоматическая калибровка.

·         Встроенная или выносная электроника: Электронный блок может располагаться на корпусе сенсоров или выноситься с кабелем длиной от 6 до 46 м. Кабель выносного монтажа выдерживает температуру до 200 °C.

·         Местный интерфейс оператора: Опциональный местный интерфейс оператора дает на месте доступ к данным пусконаладки, обслуживания и диагностики без дополнительных инструментов; дисплей поворачивается с шагом 90°.

·         Общепромышленное и взрывозащищенное исполнения: Компактные корпуса, монтируемые непосредственно на процессе, выпускаются для общепромышленных зон и во взрывонепроницаемом исполнении для взрывоопасных зон.

Технические характеристики

В таблице собраны измерительные, технологические и электрические характеристики анализатора с двумя сенсорами. Статические метрологические характеристики действительны при постоянных рабочих условиях; окончательные значения фиксируются для проекта после определения конфигурации зонда, ячейки и электроники.

Верхний температурный предел керамического зонда указывается как 1426 °C или 1427 °C; при проектировании рекомендуется ориентироваться на меньшее значение. Температурные пределы зонда определяются материалом зонда, а не условиями процесса.

Основные преимущества

·         Эффективное горение на безопасной границе: Совместное использование сигналов кислорода и COe помогает снизить избыток воздуха до минимального уровня, при котором горючие компоненты еще не образуются, и тем самым сократить расход топлива.

·         Раннее обнаружение неполного сгорания: Сигнализация по высокому содержанию горючих компонентов уже на ранней стадии показывает по дымовым газам такие ситуации, как неисправность горелки, проблема с воздушной заслонкой или нарушение соотношения топливо/воздух.

·         Одна точка монтажа, простая установка: Поскольку оба сенсора находятся в одном корпусе, на дымовой трубе достаточно одного фланца, одной кабельной трассы и одной инфраструктуры калибровки.

·         Длительный ресурс сенсоров на сложном топливе: Каталитические защитные гранулы и опция ячейки для высокосернистых газов помогают реже заменять ячейки на объектах, сжигающих сернистое топливо.

·         Меньший объем обслуживания: Автоматическая калибровка, обратная продувка и местный интерфейс оператора позволяют выполнять регламентное обслуживание без дополнительного оборудования и продолжительных выездов на место.

·         Диагностика из операторной: Варианты с HART и FOUNDATION Fieldbus позволяют контролировать диагностические и рабочие данные из операторной и планировать выходы на объект.

·         Стабильный сигнал на площадках с помехами: Конструкция отвечает требованиям для промышленной электромагнитной обстановки по электромагнитным и радиочастотным помехам; при использовании экранированной витой пары выходные сигналы не подвержены их влиянию.

Области применения

Анализаторы кислорода и горючих компонентов применимы в процессах, где топливо сжигается с воздухом, а дымовые газы отводятся через дымовую трубу или газоход. Решающие факторы при выборе — температура дымовых газов, содержание серы в топливе и классификация зоны в месте монтажа.

Промышленные котлы и производство пара

Совместный контроль кислорода и COe в дымовой трубе котла позволяет согласовывать подачу воздуха на горение с фактической потребностью. Если состав топливного газа, подаваемого на горелку, меняется, эти данные можно дополнить промышленными газовыми хроматографами.

Технологические печи и подогреватели

В печах с высокой тепловой нагрузкой работа с низким избытком воздуха дает значительную экономию топлива; измерение горючих компонентов помогает безопасно удерживать эту границу.

Высокотемпературные дымовые трубы и газоходы

Зонд из сплава 600 позволяет отбирать пробу дымовых газов с температурой до 1000 °C, а керамический — до 1427 °C, поэтому измерения можно проводить вблизи топки или в горячих участках газохода до утилизации тепла.

Объекты, сжигающие сернистое топливо

На объектах, сжигающих жидкое или газообразное топливо с содержанием серы, кислородная ячейка для высокосернистых газов и каталитические защитные гранулы помогают сохранить ресурс сенсора.

Топочные установки во взрывоопасных зонах

На топочных установках, расположенных в зонах с возможной взрывоопасной средой, применяется взрывозащищенное исполнение. Обнаружение утечек газа вокруг установки при этом следует выполнять независимо от измерений в процессе — с помощью инфракрасных детекторов газа.

Как выбрать анализатор кислорода и горючих компонентов

Правильная конфигурация — это цепочка взаимосвязанных решений: от материала зонда до типа ячейки и инфраструктуры приборного воздуха. Ответы на следующие вопросы до этапа коммерческого предложения помогают с первого раза выбрать верную конфигурацию:

Дымовые газы и условия процесса

·         Максимальная и рабочая температура дымовых газов, определяющая материал зонда

·         Вид топлива и содержание серы; нужна стандартная ячейка или ячейка для высокосернистых газов

·         Запыленность дымовых газов; потребность в фильтре на зонде и обратной продувке

·         Ожидаемые диапазоны по кислороду и горючим компонентам; вероятность восстановительной среды

·         Давление в дымовой трубе или газоходе (максимальное давление процесса — 8 дюймов вод. ст.)

Монтаж и механическая компоновка

·         Тип стенки дымовой трубы — металлическая или кирпичная — и соответствующая монтажная плита

·         Требуемая глубина погружения и длина зонда; свободное пространство для извлечения зонда (от 864 мм для зонда длиной 457 мм до 3150 мм для зонда длиной 2,7 м)

·         Предпочтение фланцев ANSI или DIN; будут ли использоваться существующие монтажные плиты

·         Около 228 мм свободного пространства для снятия крышки и доступа при обслуживании

·         Температура окружающей среды в месте монтажа; подогрев приборного воздуха и теплоизоляция корпуса в холодном климате

Приборный воздух и инфраструктура калибровки

·         Чистый сухой приборный воздух, редуцированный до 2,4 бар изб., для эталонного, эжекторного воздуха и воздуха разбавления

·         Подача воздуха давлением не менее 4,1 бар изб. при использовании обратной продувки

·         Обеспечение поверочными газами: низкое/высокое содержание O2 и газ с CO

·         Отдельно поставляемые или смонтированные на панели ротаметры поверочного и эталонного газа и комплект регуляторов

Электроника, связь и сигнализация

·         Встроенная или выносная электроника; длина кабеля при выносном монтаже

·         Предпочтительный протокол: HART или FOUNDATION Fieldbus

·         Потребность в местном интерфейсе оператора и клапанах автоматической калибровки

·         Способ передачи сигнализации по низкому O2 и высоким горючим компонентам в систему управления

·         Классификация взрывоопасной зоны в месте монтажа

При выборе материала зонда измерение температуры дымовых газов промышленными датчиками температуры и передача сигнала в систему управления через преобразователи температуры помогают определить реальную максимальную температуру при разных нагрузках.

Протоколы связи и стандарты защиты

Ниже кратко приведены протоколы связи, степени защиты и стандарты присоединения, поддерживаемые анализатором.

Для взрывоопасных зон предусмотрено взрывозащищенное исполнение. Вид взрывозащиты и область действия сертификатов оцениваются по проекту вместе с классификацией зоны установки.

Решения TLY Enerji для анализа горения

TLY Enerji рассматривает измерение кислорода и горючих компонентов там, где сходятся эффективность и безопасность горения. Наши инженеры оценивают вид топлива, конструкцию горелки, температурный профиль дымовых газов и доступность точки монтажа и на этой основе определяют материал зонда, тип ячейки и потребность в фильтре и обратной продувке.

Мы оказываем техническую поддержку на всех этапах проекта: планирование инфраструктуры приборного воздуха и поверочных газов, подключение сигнализации и выходных сигналов к системе регулирования горения, настройка цифровой связи на стороне ПЛК или РСУ, пусконаладка и составление программы периодического обслуживания. В сложных условиях — при сернистом топливе, высокой температуре или во взрывоопасной зоне — правильно выбранная конфигурация служит основой того, чтобы точка измерения много лет давала надежные данные. Частью этого подхода является и повторная оценка существующей точки измерения после изменений процесса, например перехода на другое топливо или реконструкции горелок.

Часто задаваемые вопросы

Для чего нужен анализатор кислорода и горючих компонентов?

Такой анализатор одновременно измеряет остаточный кислород и несгоревшие горючие компоненты в дымовых газах. Значение кислорода показывает, насколько велик избыток воздуха для горения, а значение горючих компонентов — полностью ли сгорает топливо. Используя оба показания вместе, котлы и печи можно эксплуатировать без лишнего расхода воздуха и топлива и без перехода в режим неполного сгорания.

Зачем измерять в дымовых газах не только кислород, но и горючие компоненты?

Кислород сам по себе показывает, с каким избытком воздуха идет горение, однако при нарушении смесеобразования на горелке несгоревшее топливо может появляться даже при наличии кислорода. Измерение горючих компонентов показывает это напрямую. Благодаря этому избыток воздуха можно безопасно снижать, а при росте горючих компонентов формировать сигнализацию — и держать под контролем как потери энергии, так и риск накопления несгоревшего газа.

Что означает COe (эквивалент CO)?

Каталитический сенсор горючих компонентов измеряет теплоту, выделяющуюся при окислении монооксида углерода, водорода и других горючих веществ на каталитической поверхности, и не различает, какой именно компонент дал сигнал. Поскольку сенсор калибруется поверочным газом, содержащим CO, результат выражается как суммарное действие горючих компонентов в пересчете на CO — эквивалент CO (COe).

Что значит, что циркониевый сенсор измеряет кислород «нетто»?

Горячие платиновые электроды циркониевой ячейки обладают каталитическим действием. Если в пробе есть горючие компоненты, часть из них реагирует с кислородом на поверхности ячейки, и этот кислород в измерение не попадает. Поэтому измеренное значение — кислород «нетто», оставшийся после вычета кислорода, израсходованного горючими компонентами. Отдельное измерение той же пробы сенсором горючих компонентов упрощает интерпретацию этого эффекта.

Какой материал зонда выбрать?

Выбор определяется максимальной температурой дымовых газов в точке монтажа. Зонд из нержавеющей стали 316 применяется до 704 °C, зонд из сплава 600 — до 1000 °C, керамический зонд — до 1427 °C. Металлические зонды выпускаются длиной от 457 мм до 2,7 м, керамические — 457 мм и 0,91 м. Длину зонда следует выбирать по глубине погружения, при которой зонд достигает точки с представительным составом газа.

Как сохранить ресурс сенсора при сернистом топливе?

Каталитические платинированные гранулы на циркониевой ячейке ослабляют воздействие серы и других отравляющих соединений еще до того, как они достигнут ячейки, и продлевают срок ее службы. На объектах, сжигающих топливо с высоким содержанием серы, вместо стандартной ячейки рекомендуется кислородная ячейка для высокосернистых газов. Правильный выбор ячейки делает интервалы обслуживания и затраты на запасные части предсказуемыми.

Как калибруется анализатор?

Калибровка выполняется в полуавтоматическом или автоматическом режиме. Для канала кислорода используются два поверочных газа с 0,4 % и 8 % O2 в азоте, для канала горючих компонентов — газ с 1000 ppm CO в воздухе; каждый газ подается с регулируемым расходом. В исполнениях с электромагнитными клапанами автоматической калибровки газы подаются поочередно без участия оператора.

Какие линии приборного воздуха нужны?

Анализатор работает на чистом сухом приборном воздухе, редуцированном до 2,4 бар изб. Расход эталонного воздуха — около 1 л/мин, эжекторного воздуха, который отбирает пробу, — 2,5 л/мин, воздуха разбавления для сенсора горючих компонентов — 2,8 л/ч. При использовании опции обратной продувки нужен воздух давлением не менее 4,1 бар изб. В холодном климате рекомендуется подогрев подаваемого воздуха.

Можно ли применять анализатор во взрывоопасных зонах?

Да. Наряду с общепромышленным исполнением существует исполнение с взрывонепроницаемым корпусом для взрывоопасных зон. В этом исполнении электроника поставляется встроенной или выносной, причем выносной вариант поставляется без соединительного кабеля. Классификацию зоны установки, группу газов и требуемый температурный класс следует определить на этапе проекта, чтобы подтвердить подходящую конфигурацию и область действия сертификатов.