排煙含氧量測量中的不確定度分析
點擊次數：3256 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
在火力發電、石油、化工、鋼鐵工業、玻璃制造、冶金、輕工等領域中，通過對鍋爐、煉焦爐、煅燒爐、玻璃陶瓷燒結窯、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確測量與控制，可節約能源、減少環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生化學反應，生成對換熱設備和環境具有不良影響的SOx和NOx;氧量偏低時燃料燃燒不充分，降低了燃燒的經濟性。因此需對煙氣中的氧進行準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大限度地實現燃燒*化，合理調整風煤比。其中，實現排煙氧量可靠、準確地在線測量是實現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。現針對由氧化鋯組成的氧量測量系統進行分析。
二、氧量測量偏差對運行經濟性的影響
排煙氧量測量的正確性對鍋爐機組的效率和輔機能耗具有較大影響。對于目前的氧量測量技術水平，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）;重復性:±1%FS;穩定性:±1%～2%FS/月;響應時間（達到90%）小于5s;測量系統不確定度約為4%。從現場標定結果看[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，由于氧量測量不準確將對機組產生下列影響（以460t/h鍋爐為例）:（1）送風量增加81221m3/h;（2）引風量增加89537m3//h（漏風率按10%計）;（3）排煙溫度升高5℃;鍋爐效率降低約1。
三、氧量測量系統的不確定度
氧量測量系統由取樣系統、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，測量結果的可靠性很大程度上取決于取樣系統的合理性，現作如下分析。
3.1測量中的基本誤差
在測量系統自身的檢測與評定中，系統所表現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，與微電子技術和傳感器生產工藝的發展水平密切相關。從使用過程看，測量系統一般均能達到規定的誤差范圍。
3.2測量中的附加誤差
3.2.1重復性和穩定性誤差
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定性、探頭表面被污染及內部中毒程度等是引起測量結果重復性和穩定性誤差的直接原因，同時也會對測量系統的另一重要指標——響應時間產生負面影響。重復性和穩定性誤差是構成附加測量誤差的一部分。
3.2.2探頭兩側的氣體氛圍
從目前探頭安裝和取樣方法看，鋯管兩側氣體處于非流動狀態。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散到樣氣中，在鋯管兩側，從參比氣體到鋯管表面和從樣氣到鋯管表面都要產生氧量濃度梯度，即兩側的氧量場不均勻。由于兩側氣體基本上處于非明顯流動狀態，傳質過程主要靠擴散作用實現，這就在鋯管兩側形成相對穩定的氧量場，對實時測量極為不利。由于新鮮樣氣不能及時到達鋯管表面，造成測量結果與樣氣中實際含氧量值一定的偏差，這也是構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，8.314kJ/（K.kg）;n為參加反應的電子數，4;T為鋯管溫度，K;P0為參比氣體中氧分壓（或體積分數），Pa（或%）;P為被測煙氣中氧分壓（或體積分數），Pa（或%）；F為法拉第常數，95600C/mol。
鋯管溫度恒定時，探頭的輸出電勢與兩側的濃度有關。若鋯管兩側表面的氣體與所對應的樣氣或參比氣中的含氧量不符，就會產生測量誤差。
鋯管兩側的氣體流速小，氣體不能及時更新，使兩側氣體氧濃度趨于一致，氧濃差電勢減小，產生測量誤差。這是鋯管兩側氣體要保持一定流速的主要原因。在許多應用實例中，氧量測量系統的失效在很大程度上都與此有關，而并非鋯管或二次儀表出了問題。
3.2.3取樣點的局限性
測量結果應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zui基本的要求。要做到這一點，必須首先保證取樣系統的可靠性和合理性，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。一般大型發電機組鍋爐單側煙道截面積約為lOm2（2OOMW機組），測量中多采用單點測量方法，即在每側煙道上安裝1套氧量測量系統。從局部取樣進行測量很難保證樣氣具有很好的代表性，也難以保證測量結果的可靠性。由于取樣代表性失準也要造成測量的附加誤差，其大小與運行方式、負荷大小等很多因素有關，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果與實際運行煙氣中氧含量的差，它由測量系統的基本誤差和附加誤差組成，綜合反映出測量系統的設計、運行水平，是測量系統zui重要的考核指標。
四、GBl0184標準對取樣的要求
國家標準《GBl0184—88電站鍋爐性能試驗規程》中對鍋爐煙氣的取樣作了如下規定: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果的可靠性。
圖2為規定的測點分布方法，將煙道按其截面尺寸分割為多個等小矩形，在虛線的每個節點上進行取樣測量。若按此方法布置測量取樣點，從目前的取樣系統和探頭安裝方式看基本上是不可能實現的，它需要多支氧化鋯探頭共同組成一個龐大的測量系統，系統造價高，運行不可靠，也難以實現，GBl0184標準對此也作了補充說明，允許通過代表點法進行測量。即先在整個煙道截面上對代表點進行標定，給出一個修正值。應當看到，代表點法有其局限性，當運行工況、運行操作人員、運行方式和燃料發生變化時，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到GBl0184標準中的要求。
五、一種新型的取樣方法
根據多年的實踐經驗，設計了一套新型的煙氣取樣系統，并已申請了國家保護。
5.1采樣系統組成
該系統由取樣管、集氣箱、過濾器、泵和聯接管路等組成，如圖3所示。取樣管的數量根據所測煙道的寬度確定，待測煙氣經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泵排出系統。氧傳感器置于過濾器中。
5.2系統特點
（1）可實現全煙道內取樣。取樣點布置可與GBl0184標準的要求相一致，做到等速取樣。取樣更具代表性，增加了測量結果的可靠性。（2）集氣箱一方面可實現對煙氣初級過濾的作用;另一方面，通過專門的計算和設計可起到均勻取樣的目的。（3）煙氣經過濾后可增強對傳感器的保護作用，延長其使用壽命，保證氧量計測量的穩定性、準確性和可靠性。（4）采用泵使樣氣強制流動，保證了測量結果的可靠性。
六、新方法對測量響應時間的影響
氧化鋯的安裝和取樣方法也有采用抽氣式的應用例子，使用中發現系統的響應時間大大增加，并出現系統失效的情況，于是就懷疑到這種測量系統的可行性，而實際情況卻并非如此，多數情況是由于抽氣回路安裝和使用不正確、不合理或設計不合理等因素造成樣氣不能流通所致。
目前氧量計生產廠商給出響應時間（達到90%響應）一般均小于5s，這僅是在試驗室測定的結果，實際數值都遠大于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5s內達到90%響應，這是實現氧量自動控制的基礎。所以抽氣式取樣方法不僅不是使響應時間延遲的原因，而是達到規定響應時間的zui可靠保證。
七、結語
測量結果與運行中實時測量值的誤差代表了一個氧量測量系統的優劣，只追求測量儀器的試驗室精度（靜態測量精度），忽視實時在線測量的精度（動態精度）是非常片面的。只有動態測量結果的不確定度控制在某一范圍內，測量結果才是有效的，才能作為一項控制指標參與相關系統的控制與調節，鍋爐機組也才能真正實現氧量的自動控制。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計不合理，因此必須對煙氣取樣系統的設計和安裝引起足夠重視。
在火力發電、石油、化工、鋼鐵工業、玻璃制造、冶金、輕工等領域中，通過對鍋爐、煉焦爐、煅燒爐、玻璃陶瓷燒結窯、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確測量與控制，可節約能源、減少環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生化學反應，生成對換熱設備和環境具有不良影響的SOx和NOx;氧量偏低時燃料燃燒不充分，降低了燃燒的經濟性。因此需對煙氣中的氧進行準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大限度地實現燃燒*化，合理調整風煤比。其中，實現排煙氧量可靠、準確地在線測量是實現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。現針對由氧化鋯組成的氧量測量系統進行分析。
二、氧量測量偏差對運行經濟性的影響
排煙氧量測量的正確性對鍋爐機組的效率和輔機能耗具有較大影響。對于目前的氧量測量技術水平，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）;重復性:±1%FS;穩定性:±1%～2%FS/月;響應時間（達到90%）小于5s;測量系統不確定度約為4%。從現場標定結果看[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，由于氧量測量不準確將對機組產生下列影響（以460t/h鍋爐為例）:（1）送風量增加81221m3/h;（2）引風量增加89537m3//h（漏風率按10%計）;（3）排煙溫度升高5℃;鍋爐效率降低約1。
三、氧量測量系統的不確定度
氧量測量系統由取樣系統、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，測量結果的可靠性很大程度上取決于取樣系統的合理性，現作如下分析。
3.1測量中的基本誤差
在測量系統自身的檢測與評定中，系統所表現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，與微電子技術和傳感器生產工藝的發展水平密切相關。從使用過程看，測量系統一般均能達到規定的誤差范圍。
3.2測量中的附加誤差
3.2.1重復性和穩定性誤差
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定性、探頭表面被污染及內部中毒程度等是引起測量結果重復性和穩定性誤差的直接原因，同時也會對測量系統的另一重要指標——響應時間產生負面影響。重復性和穩定性誤差是構成附加測量誤差的一部分。
3.2.2探頭兩側的氣體氛圍
從目前探頭安裝和取樣方法看，鋯管兩側氣體處于非流動狀態。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散到樣氣中，在鋯管兩側，從參比氣體到鋯管表面和從樣氣到鋯管表面都要產生氧量濃度梯度，即兩側的氧量場不均勻。由于兩側氣體基本上處于非明顯流動狀態，傳質過程主要靠擴散作用實現，這就在鋯管兩側形成相對穩定的氧量場，對實時測量極為不利。由于新鮮樣氣不能及時到達鋯管表面，造成測量結果與樣氣中實際含氧量值一定的偏差，這也是構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，8.314kJ/（K.kg）;n為參加反應的電子數，4;T為鋯管溫度，K;P0為參比氣體中氧分壓（或體積分數），Pa（或%）;P為被測煙氣中氧分壓（或體積分數），Pa（或%）；F為法拉第常數，95600C/mol。
鋯管溫度恒定時，探頭的輸出電勢與兩側的濃度有關。若鋯管兩側表面的氣體與所對應的樣氣或參比氣中的含氧量不符，就會產生測量誤差。
鋯管兩側的氣體流速小，氣體不能及時更新，使兩側氣體氧濃度趨于一致，氧濃差電勢減小，產生測量誤差。這是鋯管兩側氣體要保持一定流速的主要原因。在許多應用實例中，氧量測量系統的失效在很大程度上都與此有關，而并非鋯管或二次儀表出了問題。
3.2.3取樣點的局限性
測量結果應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zui基本的要求。要做到這一點，必須首先保證取樣系統的可靠性和合理性，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。一般大型發電機組鍋爐單側煙道截面積約為lOm2（2OOMW機組），測量中多采用單點測量方法，即在每側煙道上安裝1套氧量測量系統。從局部取樣進行測量很難保證樣氣具有很好的代表性，也難以保證測量結果的可靠性。由于取樣代表性失準也要造成測量的附加誤差，其大小與運行方式、負荷大小等很多因素有關，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果與實際運行煙氣中氧含量的差，它由測量系統的基本誤差和附加誤差組成，綜合反映出測量系統的設計、運行水平，是測量系統zui重要的考核指標。
四、GBl0184標準對取樣的要求
國家標準《GBl0184—88電站鍋爐性能試驗規程》中對鍋爐煙氣的取樣作了如下規定: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果的可靠性。
圖2為規定的測點分布方法，將煙道按其截面尺寸分割為多個等小矩形，在虛線的每個節點上進行取樣測量。若按此方法布置測量取樣點，從目前的取樣系統和探頭安裝方式看基本上是不可能實現的，它需要多支氧化鋯探頭共同組成一個龐大的測量系統，系統造價高，運行不可靠，也難以實現，GBl0184標準對此也作了補充說明，允許通過代表點法進行測量。即先在整個煙道截面上對代表點進行標定，給出一個修正值。應當看到，代表點法有其局限性，當運行工況、運行操作人員、運行方式和燃料發生變化時，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到GBl0184標準中的要求。
五、一種新型的取樣方法
根據多年的實踐經驗，設計了一套新型的煙氣取樣系統，并已申請了國家保護。
5.1采樣系統組成
該系統由取樣管、集氣箱、過濾器、泵和聯接管路等組成，如圖3所示。取樣管的數量根據所測煙道的寬度確定，待測煙氣經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泵排出系統。氧傳感器置于過濾器中。
5.2系統特點
（1）可實現全煙道內取樣。取樣點布置可與GBl0184標準的要求相一致，做到等速取樣。取樣更具代表性，增加了測量結果的可靠性。（2）集氣箱一方面可實現對煙氣初級過濾的作用;另一方面，通過專門的計算和設計可起到均勻取樣的目的。（3）煙氣經過濾后可增強對傳感器的保護作用，延長其使用壽命，保證氧量計測量的穩定性、準確性和可靠性。（4）采用泵使樣氣強制流動，保證了測量結果的可靠性。
六、新方法對測量響應時間的影響
氧化鋯的安裝和取樣方法也有采用抽氣式的應用例子，使用中發現系統的響應時間大大增加，并出現系統失效的情況，于是就懷疑到這種測量系統的可行性，而實際情況卻并非如此，多數情況是由于抽氣回路安裝和使用不正確、不合理或設計不合理等因素造成樣氣不能流通所致。
目前氧量計生產廠商給出響應時間（達到90%響應）一般均小于5s，這僅是在試驗室測定的結果，實際數值都遠大于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5s內達到90%響應，這是實現氧量自動控制的基礎。所以抽氣式取樣方法不僅不是使響應時間延遲的原因，而是達到規定響應時間的zui可靠保證。
七、結語
測量結果與運行中實時測量值的誤差代表了一個氧量測量系統的優劣，只追求測量儀器的試驗室精度（靜態測量精度），忽視實時在線測量的精度（動態精度）是非常片面的。只有動態測量結果的不確定度控制在某一范圍內，測量結果才是有效的，才能作為一項控制指標參與相關系統的控制與調節，鍋爐機組也才能真正實現氧量的自動控制。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計不合理，因此必須對煙氣取樣系統的設計和安裝引起足夠重視。
