Кислородомеры in-situ для дымовых газов

Что такое кислородомер in-situ для дымовых газов?

В любом процессе горения воздуха подают немного больше теоретически необходимого, чтобы топливо сгорело полностью. Прямая мера этого избытка — кислород, оставшийся в дымовых газах. Непрерывное измерение избыточного кислорода и соответствующая коррекция подачи воздуха на горение (O2 trim) — один из основных инструментов снижения затрат на энергию, сокращения выбросов и обеспечения безопасной работы котлов и печей.

В кислородомере in-situ измерительный элемент находится не снаружи дымовой трубы, а непосредственно в потоке газа. Циркониевая ячейка на конце зонда, установленного на фланец в стенке дымовой трубы или газохода, измеряет дымовые газы, поступающие к ней через диффузор. Поскольку нет линии пробы, насоса, охладителя и отвода конденсата, исключаются транспортное запаздывание и погрешности, связанные с пробоподготовкой, а измерение выполняется в газе фактического состава.

Описанные на этой странице кислородомеры для дымовых газов выпускаются в общепромышленном исполнении и в исполнении для взрывоопасных зон. В цифровой архитектуре зонд сам формирует сигнал HART или FOUNDATION Fieldbus; в традиционной архитектуре он передает необработанный сигнал сенсора на выносной электронный анализатор. Для задач, где кроме кислорода нужно контролировать несгоревшие горючие компоненты, в качестве альтернативы можно рассмотреть анализаторы кислорода и горючих компонентов.

Принцип работы циркониевого кислородного зонда

Циркониевый кислородный зонд преобразует разность содержания кислорода по обе стороны керамического электролита, проводящего ионы кислорода при высокой температуре, в электрическое напряжение. Измерительная цепь in-situ работает в следующей последовательности:

1.      Поступление дымовых газов к ячейке через диффузор: Диффузор на конце зонда обеспечивает поступление дымовых газов к ячейке за счет пассивной диффузии и одновременно ограничивает попадание частиц и прямой напор газового потока. Измерение выполняется там, где находится газ, без вывода его из дымовой трубы.

2.      Нагрев ячейки и регулирование температуры: Диоксид циркония становится ионным проводником только при высокой температуре, поэтому нагреватель внутри зонда поддерживает постоянную рабочую температуру ячейки. Температура ячейки непрерывно измеряется термопарой и используется как для регулирования нагрева, так и в расчете содержания кислорода.

3.      Сравнение с эталонным воздухом: Внутренняя поверхность ячейки омывается чистым сухим эталонным воздухом, подаваемым по зонду. Разность парциальных давлений кислорода между дымовыми газами на наружной поверхности и эталонным воздухом на внутренней вызывает перенос ионов кислорода через керамику.

4.      Возникновение напряжения ячейки: Перенос ионов создает между платиновыми электродами ячейки напряжение порядка милливольт. При снижении содержания кислорода в дымовых газах напряжение растет по логарифмическому закону.

5.      Преобразование и передача сигнала: В цифровой архитектуре напряжение ячейки и сигнал термопары пересчитываются в электронике зонда в проценты кислорода и передаются сигналом 4–20 мА с HART или по FOUNDATION Fieldbus; в традиционной архитектуре они в необработанном виде передаются на выносной анализатор.

6.      Калибровка: Периодически на конец зонда подаются поверочные газы с низким и высоким содержанием кислорода, по которым корректируются крутизна характеристики ячейки и смещение нуля. Со встроенным корпусом автоматической калибровки или внешним блоком автоматической калибровки эта процедура выполняется без оператора.

Уравнение Нернста: от напряжения ячейки к концентрации кислорода

Напряжение циркониевой ячейки описывается уравнением Нернста: E = (R·T / 4F) · ln(P_возд / P_газ). Здесь R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура ячейки, F — постоянная Фарадея, P_возд и P_газ — парциальные давления кислорода в эталонном воздухе и в дымовых газах соответственно; число 4 в знаменателе отражает то, что каждая молекула кислорода принимает четыре электрона и превращается в два иона кислорода.

Из уравнения следуют два практических вывода. Во-первых, напряжение прямо пропорционально температуре, поэтому температуру ячейки необходимо точно измерять и поддерживать постоянной; термопара и регулирование нагрева — неотъемлемая часть измерения. Во-вторых, из-за логарифмической зависимости одно и то же абсолютное изменение содержания кислорода дает тем большее изменение напряжения, чем ниже уровень кислорода, — поэтому циркониевая ячейка особенно хорошо подходит для регулирования котлов и печей, работающих с малым избытком воздуха. Поскольку водяной пар из дымовых газов не удаляется, результат представляет собой содержание кислорода во влажном газе.

Цифровая и традиционная архитектура системы

В цифровой архитектуре зонд сам формирует сигнал 4–20 мА вместе с цифровым сигналом HART или FOUNDATION Fieldbus; для подключения достаточно двухпроводного экранированного кабеля 18 AWG, поставляемого заказчиком. Зонд можно конфигурировать с выносного анализатора, портативного коммуникатора или непосредственно из ПЛК/РСУ.

В традиционной архитектуре зонд передает необработанные напряжения сенсора и термопары по 7-жильному кабелю на выносной анализатор, который формирует выход 4–20 мА и HART. Такая схема предпочтительна в проектах замены, где нужно сохранить существующую кабельную разводку. Выносной анализатор может объединять в одном интерфейсе два цифровых зонда или один традиционный и служит общей платформой для устройств автоматической калибровки, реле сигнализации и средств диагностики.

Восстановительная среда и индикатор стехиометрии

Когда воздуха для горения недостаточно, свободный кислород в дымовых газах расходуется полностью и среда становится восстановительной. Индикатор стехиометрии и в этой ситуации дает осмысленные показания, отражая степень недостатка кислорода; его точность — ±0,1 % от показания или 0,1 % O2. Время отклика системы T90 при переходе от окислительной среды к восстановительной составляет 120 секунд, в обратном направлении — 30 секунд.

Отклик системы на поверочный газ: начальная реакция — менее 3 секунд, T90 — менее 8 секунд. Отклик на изменения состава технологического газа может отличаться в зависимости от условий процесса и срока эксплуатации сенсора.

Ключевые особенности

·         Измерение непосредственно в дымовой трубе: Кислород измеряется без линии пробы, насоса и оборудования пробоподготовки, поэтому исключаются запаздывание и погрешности, связанные с отбором пробы.

·         Широкий выбор длины зонда: В общепромышленном исполнении доступны зонды длиной 457 мм, 0,91 м, 1,83 м, 2,74 м и 3,66 м, в исполнении для взрывоопасных зон — 457 мм, 0,91 м и 1,83 м.

·         Зонды для абразивных сред: Помимо стандартной трубы зонда предлагаются износостойкий корпус зонда и комплект абразивозащитного экрана, применяемый вместе с пыленепроницаемым диффузором.

·         Выбор диффузора по температуре: Диффузор-демпфер рассчитан на работу до 400 °C, керамический диффузор — до 825 °C, металлический диффузор из высоконикелевого сплава — до 705 °C; в общепромышленном исполнении есть также варианты с огнепреградителем от проскока пламени.

·         Ячейки, устойчивые к отравлению: Стандартная ячейка защищена от серы и других отравляющих соединений каталитическими защитными гранулами; кислотостойкая ячейка с дополнительными защитными гранулами предназначена для более агрессивных дымовых газов.

·         Встроенный корпус автоматической калибровки: Электромагнитные клапаны, поочередно подающие поверочные газы на конец зонда, можно встроить в корпус зонда; эта опция сертифицирована и для исполнения для взрывоопасных зон.

·         Расширенная диагностика сенсора: Предупреждение о необходимости калибровки, диагностика по времени отклика для выявления засоренного диффузора или пустого баллона с поверочным газом и диагностика низкого содержания кислорода позволяют планировать обслуживание по фактической потребности.

·         Полностью ремонтопригодная на месте конструкция: Кислородомер полностью ремонтируется на месте; в исполнении для взрывоопасных зон переработанный модульный узел диффузора и технологического огнепреградителя сокращает время и стоимость обслуживания.

·         Совместимость с существующими монтажами: Монтаж с регулируемой глубиной погружения и переходные плиты для существующих фланцев 3, 4 и 6 дюймов класса 150# и 3 и 4 дюйма класса 300# подходят для большинства существующих монтажей зондов других производителей.

·         Выносной анализатор и опция блокировки безопасности: Выносной анализатор связывается с ПЛК или РСУ по HART/4–20 мА; с опцией блокировки безопасности пламени для печи его можно включить в логику безопасности горелок.

Технические характеристики

В таблице приведены типовые метрологические и монтажные характеристики циркониевого кислородомера in-situ; после выбора длины зонда, диффузора, корпуса и архитектуры системы они фиксируются в техническом листе проекта.

Рабочая температура керамического диффузора в вариантах заказа указана как 825 °C, в таблице температурных пределов процесса — как 705 °C; при проектировании следует ориентироваться на меньшее значение и подтверждать его для конкретного применения. Выносной анализатор совместим только с зондами с нагревателем на 120 В.

Основные преимущества

·         Коррекция по O2 в реальном времени: Быстрое измерение без транспортного запаздывания позволяет сразу подстраивать подачу воздуха на горение под изменения нагрузки и помогает снижать затраты на энергию в котлах и печах.

·         Нет системы пробоподготовки, требующей обслуживания: Поскольку нет элементов линии пробы — насосов, фильтров, охладителей и отводов конденсата, — исчезают и связанные с ними отказы и позиции обслуживания.

·         Калибровка без участия персонала: Автоматическая калибровка, запускаемая по таймеру, контактному сигналу или диагностике необходимости калибровки, поддерживает точность измерения без выхода на объект.

·         Прогнозируемое обслуживание: Диагностика засорения диффузора и необходимости калибровки позволяет планировать обслуживание по фактической потребности, а не по календарю, и сокращает внеплановые остановы.

·         Работа в сложных условиях дымовой трубы: Износостойкий зонд, абразивозащитный экран, кислотостойкая ячейка и диффузоры на разные температуры поддерживают непрерывность измерения в запыленных, абразивных и высокотемпературных дымовых газах.

·         Экономичная замена: Переходные плиты под существующие фланцы и вариант традиционной архитектуры позволяют заменить устаревшие кислородомеры без серьезных переделок на дымовой трубе.

·         Применимость во взрывоопасных зонах: Конструкция Ex d и встроенный корпус автоматической калибровки, сертифицированный для взрывоопасных зон, упрощают калибровочное оборудование на классифицированных площадках.

Области применения

Кислородомеры для дымовых газов с измерением in-situ применимы в любом процессе, где образуются дымовые газы от сжигания топлива; чаще всего они работают в составе систем коррекции по кислороду на котлах, технологических и вращающихся печах.

Промышленные и крупные коммунальные котлы

В системах коррекции по кислороду сигнал кислородомера служит обратной связью для регулирования подачи воздуха на горение, что повышает энергоэффективность установки и снижает затраты на топливо. Для паровых котлов распространенная комбинация — общепромышленное исполнение со встроенным корпусом автоматической калибровки.

Технологические трубчатые печи

На технологических печах, расположенных во взрывоопасных зонах, применяется исполнение Ex d. Если состав топливного газа меняется, контроль теплоты сгорания можно дополнить промышленными газовыми хроматографами; опция блокировки безопасности пламени выносного анализатора дополняет логику безопасности печи.

Вращающиеся печи и запыленные дымовые газы

В печных газах с высокой запыленностью сочетание износостойкого корпуса зонда, абразивозащитного экрана и пыленепроницаемого диффузора продлевает срок службы зонда; диагностика засорения диффузора определяет сроки обслуживания.

Дымовые газы с очень высокой температурой

При температурах выше предела диффузоров байпасная приставка позволяет измерять в дымовых газах с температурой до 1050 °C. Чтобы температура в зоне монтажа не превышала 200 °C, можно применить проставку, удаляющую корпус электроники от горячего газохода.

Замена существующих кислородомеров

Вариант зонда прямой замены, переходные плиты под существующие фланцы и корпус с компенсацией холодного спая для работы с электроникой других производителей позволяют модернизировать старые системы с сохранением отверстий в дымовой трубе и кабельной инфраструктуры.

Как выбрать кислородомер для дымовых газов

При измерении in-situ правильный выбор точки измерения так же важен, как точность самого прибора. На этапе предпроектной проработки рекомендуем рассмотреть следующие вопросы:

Точка измерения и длина зонда

·         Точка в сечении газохода или дымовой трубы, где состав газа представителен; оценка риска стратификации и подсосов воздуха

·         Требуемая глубина погружения и соответствующая длина зонда (от 457 мм до 3,66 м)

·         Минимальное свободное пространство для извлечения зонда (от 686 мм до 3926 мм со стандартным корпусом; больше — с корпусом автоматической калибровки)

·         Наличие и размер фланца на стенке дымовой трубы; потребность в новой приварной плите или переходной плите

Условия в дымовых газах и выбор диффузора

·         Максимально возможная температура газа в точке измерения — для выбора диффузора или байпасной приставки

·         Температура в зоне монтажа (не более 200 °C; 190 °C для исполнения для взрывоопасных зон) и потребность в проставке

·         Запыленность и содержание абразивных частиц; потребность в износостойком зонде и абразивозащитном экране

·         Сера и кислотообразующие компоненты; выбор стандартной или кислотостойкой ячейки

·         Вероятность восстановительной среды и потребность в индикаторе стехиометрии

Способ калибровки

·         Предпочтение ручной, полуавтоматической или полностью автоматической калибровки

·         Выбор между встроенным корпусом автоматической калибровки и внешним блоком автоматической калибровки

·         Запуск калибровки по таймеру, контактному сигналу или сигналу диагностики

·         Подвод баллонов с поверочными газами и эталонного воздуха к месту монтажа

Архитектура системы и интеграция

·         Цифровая (HART или FOUNDATION Fieldbus непосредственно от зонда) или традиционная (с выносным анализатором) архитектура

·         Контроль одного или двух зондов выносным анализатором; потребность в реле сигнализации и блокировке безопасности пламени

·         Тип кабеля и расстояние (двухпроводной экранированный 18 AWG или 7-жильный кабель длиной от 6 до 45 м)

·         Классификация зоны в месте монтажа и требования к сертификатам ATEX/IECEx или CSA

Для расчета эффективности горения важно оценивать содержание кислорода вместе с температурой дымовых газов. Для этого рядом с той же точкой измерения можно предусмотреть термопары и термопреобразователи сопротивления, а также преобразователи температуры.

Сертификаты Ex d, стандарты связи и присоединения

Ниже кратко приведены варианты сертификации кислородомера in-situ для взрывоопасных зон, а также поддерживаемые стандарты связи и присоединения.

Выносной анализатор и блок автоматической калибровки предназначены для общепромышленных зон; соединительные кабели выносного анализатора не предназначены для применения во взрывоопасных зонах и должны прокладываться в соответствии с местными нормами. Подробности маркировки следует проверить по сертификатам после окончательного определения конфигурации заказа.

Решения TLY Enerji для оптимизации горения и измерения кислорода

Для TLY Enerji измерение кислорода in-situ — не столько покупка анализатора, сколько отправная точка проекта оптимизации горения. Наши инженеры оценивают геометрию дымовой трубы или газохода, температурный профиль газа и запыленность и на этой основе совместно определяют точку измерения, длину зонда, тип диффузора и ячейки; в проектах замены в первую очередь рассматриваются решения, позволяющие сохранить существующий фланец и кабельную инфраструктуру.

Мы оказываем техническую поддержку по концепции автоматической калибровки, планированию подачи поверочных газов и эталонного воздуха, интеграции сигнала кислорода в контур коррекции по O2 и в РСУ по HART или FOUNDATION Fieldbus, пусконаладке и планированию периодического обслуживания. Планирование замены ячеек и диффузоров по диагностическим данным помогает кислородомеру давать надежные данные на протяжении всего срока службы котла или печи.

Часто задаваемые вопросы

Чем кислородомер in-situ отличается от анализатора с отбором пробы?

В кислородомере in-situ циркониевая ячейка находится на конце зонда непосредственно в дымовых газах, и газ поступает к ней через диффузор. В системах с отбором пробы газ отбирается из дымовой трубы и транспортируется к измерительной ячейке. Поскольку при измерении in-situ не нужны линия пробы, насос и оборудование пробоподготовки, исчезают связанные с ними запаздывание и объем обслуживания, а измерение выполняется в газе фактического состава.

Как работает циркониевый датчик кислорода?

Диоксид циркония — керамический материал, который при высокой температуре проводит ионы кислорода. Одна сторона ячейки контактирует с дымовыми газами, другая — с эталонным воздухом. Разность парциальных давлений кислорода между сторонами создает напряжение, которое по уравнению Нернста логарифмически зависит от этой разности. Поскольку температура ячейки измеряется термопарой и поддерживается постоянной, концентрацию кислорода можно рассчитать непосредственно по напряжению.

Как определить длину зонда?

Зонд должен быть достаточно длинным, чтобы ячейка достигала точки в сечении дымовой трубы, где газ хорошо перемешан и его состав представителен. В общепромышленном исполнении доступны пять длин от 457 мм до 3,66 м, в исполнении для взрывоопасных зон — 457 мм, 0,91 м и 1,83 м. Снаружи трубы нужно также оставить достаточно места для извлечения зонда; оно зависит от длины зонда и типа корпуса.

Какой диффузор выбрать?

Выбор определяется температурой и запыленностью дымовых газов в точке измерения. Диффузор-демпфер применяется до 400 °C, керамический и металлический диффузоры из высоконикелевого сплава — до 705 °C. При более высоких температурах байпасная приставка позволяет измерять до 1050 °C. Для абразивных запыленных газов предпочтителен пыленепроницаемый диффузор в сочетании с абразивозащитным экраном.

Как работает автоматическая калибровка и как часто ее выполнять?

При автоматической калибровке электромагнитные клапаны поочередно подают на конец зонда поверочные газы с низким и высоким содержанием кислорода, а анализатор сам рассчитывает новые калибровочные коэффициенты. Процедуру можно запускать вручную, по таймеру, по контактному сигналу или автоматически по диагностике необходимости калибровки. Калибровка по сигналу диагностики позволяет калибровать сенсор по его фактическому состоянию, а не по жесткому графику.

Что делать при отказе измерительной ячейки?

Кислородомер полностью ремонтируется на месте: ячейку и другие компоненты можно заменить на объекте, а в исполнении для взрывоопасных зон для этого предусмотрен модульный узел диффузора и технологического огнепреградителя. Диагностика необходимости калибровки и засорения диффузора предупреждает о проблемах с ячейкой или диффузором до того, как они приведут к отказу. Выбор кислотостойкой ячейки для дымовых газов с серой и кислотами помогает увеличить интервал замены.

Можно ли установить кислородомер вместо существующего зонда?

Да. Благодаря переходным плитам для существующих фланцев ANSI классов 150# и 300# и опции специального адаптера кислородомер можно установить на большинство существующих монтажей зондов других производителей. Варианты зонда прямой замены и традиционной архитектуры позволяют сохранить существующие кабельные линии, а корпус с компенсацией холодного спая дает возможность работать с электроникой других производителей.

Что показывает кислородомер в восстановительной среде?

Когда воздуха для горения недостаточно, свободный кислород в дымовых газах расходуется полностью. В этой ситуации индикатор стехиометрии выдает показание, отражающее степень недостатка кислорода, и сообщает оператору, насколько горение идет с нехваткой воздуха. Если нужно дополнительно измерять несгоревшие горючие компоненты, более подходящим решением может оказаться анализатор кислорода и горючих компонентов.

Можно ли применять кислородомер для дымовых газов во взрывоопасной зоне?

Да. Исполнение для взрывоопасных зон имеет прочную взрывонепроницаемую конструкцию, отвечающую требованиям сертификации CSA Class I, Division 1 / Zone 1 и ATEX/IECEx Ex d. Встроенный корпус автоматической калибровки в этом исполнении также сертифицирован и упрощает калибровочное оборудование во взрывоопасной зоне. Выносной анализатор и внешний блок автоматической калибровки при этом следует размещать в общепромышленных зонах.