中国原子能科学研究院氧化锆氧量分析仪说明指导书.doc

中国原子能科学研究院氧化锆氧量分析仪说明指导书

目 录

1 概述 1
2 仪器测量原理 2
3 仪器主要技术参数 3
4 仪器简介 3
仪器组成 3
各部分简介 4
探头简介 4
变送器简介 4
基本结构 4
基本操作 5
基本设置 6
5 仪器检验 7
6 仪器安装 9
安装前的准备 9
探头安装位置的选择 9
炉体法兰的焊接 10
现场布线 10
安装 11
变送器的安装 11
探头的安装 11
现场连线 12
7 仪器校准 12
校准前的准备 12
校准方法 12
8 仪器日常维护与常见故障排除 14
仪器日常维护 14
常见故障的分析与排除 14

1 概述
氧化锆氧分析仪主要用于测定锅炉烟气中的氧分压即氧气的体积百分数含量（简称氧含量或氧量），对于保障锅炉运行安全、提高燃料燃烧效率及减少环境污染将起到重要作用。其应用场所主要有：
● 火电厂锅炉；
● 炼油厂加热炉和输油管道加热炉；
● 冶炼厂加热炉和均热炉；
● 化工、轻纺、食品加工、制药、水泥和采暖等企业的工业锅炉。
燃料燃烧效率与空气过剩系数密切相关。在燃烧过程中，当空气过剩系数太小即氧量不足时，由于燃料未充分燃烧而导致热效率降低，且排出的未完全燃烧气体也将对导致环境污染；而当空气过剩系数太大即氧量过多时，虽然能使燃料充分燃烧，但过剩空气带走的热量多，也导致热效率降低，同时过量氧气使烟气中硫化物和氮氧化物含量增大，同样导致环境污染。因此，通过安装氧化锆氧分析仪，在线实时监测烟气中的氧含量，调节空气和燃料的最佳配比，实现优化燃烧，在节能减排与安全环保等方面具有重要意义。
中国原子能科学研究院始建于1950年，是中国核科学技术的发祥地，是以核科学为主、多学科并存的综合性大型科研基地，是我国“两弹一艇”事业的摇篮。氧化锆开发研究室是院下属的集科研、产品开发和市场营销为一体的综合性实体，从事氧化锆测氧技术的研究已30余年，编写了国内本行业第一本专著：《氧离子固体电解质浓差电池与测氧技术》。该技术曾先后多次荣获国家发明奖及部科技成果奖。在这一系列科研成果的基础上，成功研制出ZO系列氧化锆氧分析仪。该产品曾在北京国际博览会上获同类产品最高质量奖，并在全国氧化锆氧分析仪行业质量评比中荣获一等奖。2001年，该产品通过ISO9001国际质量体系认证。此后，我院开发并推出了防硫型、高温型等多种型号的氧化锆氧分析仪，以满足不同用户的需求。

2 仪器测量原理
ZO系列氧化锆氧分析仪是利用氧浓差电池原理来测定气体①中氧含量的电化学分析仪器。在理想状态下，当氧化锆元件达到工作温度且内外电极表面的氧含量不相等时，便构成一个氧浓差电池，产生电池电动势，电池电动势与电极表面氧浓度关系符合能斯特(Nernst)方程：

(1)
式中：
E — 浓差电池电动势，V；
R — 气体常数，·mol－1·K－1；
F — 法拉第常数，·mol-1；
T — 绝对温度，K；
P0 — 参比气体氧分压，%；
P — 被测气体氧分压，%。
由于受各种因素的影响，实际测量并非在理想状态下进行，因此需要对（1）式进行校正，校正后得到新的方程：

（2）
本设计中P0为空气中氧含量（％），k和E0值均可以通过校正得到。通过测定氧化锆电池电势信号Em，并将其输送至变送器，变送器将根据（2）式，计算出被测气体的氧含量P 值。
① 严格地说，氧化锆氧分析仪测量的是惰性气体中的氧含量，当烟气中含有可燃性气体时，测得的氧含量值将偏小。

3 仪器主要技术参数
● 测量范围：0～%O2；
● 测量精度：1级；
● 量程选择：0～10Vol%O2或0～20Vol%O2；
● 工作温度①：750℃±5℃；
● 响应时间：<3秒（达到90%）；
● 输出方式：DC 0～10mA或DC 4mA～20mA电流线性输出；
● 探头长度②：500mm～1200mm；
● 变送器箱体尺寸（高×宽×深）：
墙挂式（Q型）：320mm×240mm×110mm；
盘装式（P型）：160mm×160mm×400mm；
80mm×160mm×320mm（卧式）；
160mm×80mm×320mm（立式）；
● 探头安装点烟气温度：≤600℃（350℃～450℃为最佳）；
● 安装点允许最大压差：2KPa；
● 环境温度：变送器-20℃～55℃, 探头-40℃＜70℃；
● 工作电源：AC 220V±22V，50Hz。
① 对于不同型号探头，其值可能略有不同，本文均以工作温度为750℃的ZO-12B探头为例说明。若工作温度不同，将文中涉及温度750℃改为对应工作温度值即可。
② 不同型号探头长度不同。

4 仪器简介
仪器组成
该仪器主要由探头和变送器两大部分组成。探头实际上是一种装有氧化锆电池的氧传感器，其主要作用就是输出被测氧量所对应的电势信号值。变送器主要有两大功能：一是稳定控制探头的工作温度；二是将从探头输入的电势信号值转换为对应的氧量值，并将氧量值转化为对应的电流值输出。
各部分简介
探头简介
探头由氧化锆元件、加热炉、K型热电偶、过滤器、信号引线、接线盒及不锈钢壳体等组成，其结构如图1所示：

图1 探头结构示意图
5. 信号引线

各主要部件作用：氧化锆元件是探头的核心部件，由其产生电势信号；加热炉将氧化锆元件加热到设定的工作温度；热电偶作为温度传感器，用来测量加热炉的温度；信号引线将氧化锆元件所产生的电势信号输送到变送器。
变送器简介
基本结构
变送器主要由主电路板、操作显示面板、接线端子和机箱等组成。主电路由氧浓差电势信号放大器、热电偶电势信号放大器、电源单元、中央处理单元、温控单元、显示单元及输出单元等部分组成。

图2 变送器电路原理框图
从图2可见，探头产生的氧浓差电势信号、热电偶电势信号经分别放大后，由多路选择开关将其输入A/D转换器，经A/D转换后由CPU根据能斯特方程计算出氧量值，再经D/A转换、光电隔离及V/I转换，最后得到DC 0～10mA或DC 4mA～20mA的电流信号输出。
基本操作
变送器的基本操作都在操作显示
面板上完成。变送器操作显示面板如
图3所示。
各部分功能：中央为LED数码显示
管(以下简称LED)，显示相关的参数值。
左侧为参数显示状态指示灯，LED显示
的数值为指示灯亮者所对应的参数值。
右侧分别为空气校准和标气校准电位 图3 变送器操作显示面板图
器，用来校准仪器，以提高测量精度①。下方为操作按钮，由其决定LED显示内容。
具体操作：将变送器电源开关拨至“开”后，探头加热炉开始升温，“℃”指示灯亮，LED显示探头加热炉温度值②。当加热炉温度达到600℃时，“％O2”指示灯亮，变送器电路将自动运算并显示测得的氧量值。此后，LED显示内容由操作按钮决定。如：当按住自检时，“％O2”指示灯亮，LED显示自检氧量值③；当按住电势时，“mV”指示灯亮，LED显示电池电势信号值；当按住温度时，“℃”指示灯亮，LED显示加热炉温度值；当按下标定时，“cal” 指示灯亮，此时可以校准仪器；校准以后按下测量，LED显示被测氧量值，仪器进入测量状态。
① 仪器校准的具体操作详见第7章“仪器校准”部分。
② 如果安装的是新探头，开机后可能出现 “mV”指示灯亮、LED显示为“HHHH”并闪烁的现象，这是由于新探头内保温材料含水分过多造成氧电势信号过大而超出量程，一般情况下，开机后1小时左右仪器将正常工作。
③ 自检功能是为诊断变送器运算电路是否正常而设置的，其自检氧量值不代表探头所测氧量值。

基本设置
量程设置：变送器主电路板上设置了量程转换跳线开关。当把跳线插在左边两个并排的引脚上即靠近电路板S1位置时，选择氧量量程为0～20%，此时电流输出值DC 0～10mA或DC 4mA～20mA都是分别与该量程对应的值；当把跳线插在右边两个并排的引脚上即远离S1位置时，选择氧量量程为0～10%，此时电流输出值
DC 0～10mA或DC 4mA～20mA都是分别与该量程对应的值。初始量程设置为0～20%，如需0～10%量程，将跳线插在右边两个引脚上即可①。
电流输出设置：变送器设有两档电流输出：DC 0～10mA和DC 4mA～20mA。初始电流设置为DC 4mA～20mA信号输出，如用户需要DC 0～10mA信号输出，需在订货时注明。

5 仪器检验
仪器在发货前已经过严格的质量检验，并附合格证，但运输过程中可能因碰撞使其损坏。因此，用户在使用仪器前，应先进行开箱检验，判断仪器正常后方可上炉安装。具体操作步骤如下：
（1）打开探头接线盒，用万用表分别测量加热炉及热电偶两端的电阻值，判断在运输中有无造成断线或接触不良现象②。
（2）判断无故障后，用符合要求的三组导线（）分别将探头“加热炉”、“热电偶”和“信号”接线端子与变送器对应接线端连接好（参考图4、图5）。
（3）将外接电源接在变送器“AC220V”端子上。
（4）接通电源，加热炉开始升温，当达到600℃后，仪器自动转为氧量值显示③。按住操作面板上的自检键，若显示为“±”，说明变送器氧量转换系统正常。
① 量程转换只影响对应电流输出值，而与变送器本身的氧量值显示无关。
② 对于ZO－12B型探头，加热炉阻值一般为150Ω±20Ω，热电偶阻值一般为3.5Ω±0.5Ω。对于不同型号产品，其值略有不同。
③ 详见“4.2.2.2 基本操作”部分。

(5）稳定一段时间后，测量探头信号线两端的电阻及电势值，若电阻小于1KΩ、电势绝对值逐渐减小且稳定后小于10mV，表明探头完好，可以进行现场安装。

与探头接线图

6 仪器安装
安装前的准备
探头安装位置的选择
正确选择探头安装点，对于提高测量准确性和延长探头使用寿命有着重要意义。选择安装点的原则：
● 安装点的烟气温度不宜过高，否则会缩短探头的使用寿命，推荐安装点烟气温度在350℃～450℃范围内；
● 安装点应选在烟气流动性好的位置，切忌安装在炉内侧、死角、涡流或缩口处。因为炉内侧和死角处氧量变化响应滞缓，涡流处氧量波动大，而缩口处冲刷大易灰堵；
● 安装点处应有操作平台，有利于探头的安装、校准和维护；
● 安装点负压不能过大，一般应≤2KPa，以免产生测量偏差；
● 安装点附近应绝对密封，不应出现漏气现象，否则会使氧量测量值偏高；
● 探头安装位置应符合锅炉结构特点。对于电厂锅炉和工业炉来说，推荐安装点如图6所示。旁路烟道安装图如图7所示。

图6 电厂锅炉和工业炉推荐安装点 图7 旁路烟道安装图

炉体法兰的焊接
ZO系列氧化锆氧分析仪的 炉体法兰大小相同，但长度不同。炉体法兰结构示意图如图8所示。为了保证炉体法兰在焊接后有良好的密封性，用户需自备一段长度等于炉壁厚的Ф102mm×5mm的炉墙管和一块约5mm厚的方形钢板（大小视现场情况而定）。在方板中心开一个 图8 炉体法兰
Ф90mm的圆孔，将炉体法兰焊在该孔中，方板再与炉墙管焊接在一起（参考图9）。

图9 炉体法兰的焊接
现场布线
变送器与探头之间用3组导线连接，分别为：
● 氧电势信号线：～，双芯金属屏蔽电缆；
● 热 电 偶 线：～，双芯镍铬-镍硅补偿导线；
● 加 热 炉 线：～，双芯普通电缆。
安装
变送器的安装
墙挂式即（Q）型变送器是
靠四个M6×20的螺栓（用户自备）安装在现场的合适位置①（图10）。盘装式即（P）型变送器有三种，均安装在仪表盘上，其开孔尺寸（高×宽）分别为153mm×153mm、76mm×153mm（卧式）和153mm×76mm（立式）。
探头的安装
探头可在停炉状态下安装，也可以在开炉状态下安装，其安 图10 墙挂式变送器安装图
装示意图如图11所示。由图可见，安装时将探头用4个螺栓固定在炉体法兰上即可，探头法兰标准尺寸如图12所示。

图11 探头安装示意图 图12 探头法兰尺寸图
① Q型变送器安装点环境温度为－5℃～55℃，并注意防水、防尘。

探头安装操作十分简单，但要注意以下环节：
● 探头内的核心部件为陶瓷易碎品，搬运时应轻拿轻放，避免 剧烈振动，以免损坏；
● 若在开炉状态下安装，应将探头在插入炉内1/3长度时，停留2～3分钟，再缓缓插入，以防骤热损坏氧化锆元件；
● 探头过滤器的金属面必须对着烟气流向，以防过滤器陶瓷因受冲刷而被损坏；
● 两法兰之间应放置石棉垫圈，并拧紧4个螺栓，以防漏气。
现场连线
待变送器和探头分别安装完毕后，按要求用三组导线将变送器与探头相连。

7 仪器校准
校准前的准备
确认仪器连线准确无误后，打开变送器电源开关，探头加热炉开始升温，此时变送器LED显示其温度值①。当温度达到600℃时，变送器自动显示氧量值。当温度达到750℃并稳定后，仪器进入测量状态。
虽然仪器进入测量状态，但在运行前期测量值可能有较大偏差或波动，这属于正常情况。一般探头大约需要运行24小时后，显示值才能趋于平稳，虽然此时指示正常，但测量结果并不一定十分准确，应该进行校准工作。
校准方法
本仪器采用两点校准法，即空气校准和标气校准。
第一步为空气校准，操作步骤如下：
（1）将探头“标气入口”打开，使空气自动进入探头；
（2）待显示稳定后，调节变送器操作显示面板上“空气校准”电位器，使显示为“±”。
① 详见“4.2.2.2 基本操作”部分。

第二步为标气校准，操作步骤如下：
（1）将标气校准装置按图13所示与气瓶连接好；
（2）确认减压阀处于关闭状态后，打开气瓶阀；
（3）缓缓打开减压阀，将标气流量调节为300ml/min～500ml/min；
（4）将连接软管与探头“标气入口”相连，将标气通入探头，此过程应保证不漏气；
（5）通气约1分钟后，调节变送器面板上“标气校准”电位器，将氧量显示值调为标准气体氧量值即可。

图13 仪器校准示意图
● 应先进行空气校准，再进行标气校准。
● 应先调好标气流量，再将连接软管与探头“标气入口”相连，否则可能因气体流量过大而导致氧化锆元件破裂。
● 校准过程中，应保证不漏气，以免影响校准的准确性。
● 校准完毕时，一定要先从“标气入口”拔下连接软管，再关闭减压阀和气瓶阀。
● 校准完毕后，应拧紧“标气入口”螺帽，否则空气进入将使氧量测量值偏大。

8 仪器日常维护与常见故障排除
仪器日常维护
仪器日常维护应注意以下几个方面：
● 变送器在发货前已调试好，用户不应调节其内部电位器，以免影响测量线性及精度；
● 探头安装24小时以后应校准，以后可根据实际情况用标气校准；
● 仪器安装后，应在开炉前送电，停炉后不应断电。
● 探头氧化锆元件为陶瓷产品，高温时遇水即炸裂，使用时切忌淋水。否则，由此造成损失将由用户承担。

常见故障的分析与排除
氧化锆氧分析仪产品故障易出现在探头部分，下表列举了常见故障现象、原因及排除方法。

故障现象
原因分析
排除方法
变送器“mV”指示灯亮，LED显示为“HHHH”并闪烁
对于刚安装的探头来说，可能是因保温材料内残存水分过多，造成电势信号超量程。
属于正常现象，一般情况下开机后1小时左右仪器将正常工作。
变送器与探头之间“信号”连线空接、虚接或正负极反接。
将对应端子正确连接。
氧化锆元件信号引线断。
更换氧化锆元件。
探头内部信号引线断。
更换探头内信号引线。
变送器“℃”指示灯亮，LED显示为“HHHH”并闪烁
变送器与探头之间“热电偶”连线空接、虚接或正负极反接。
将对应端子正确连接。
若连接正确，则探头热电偶断。
更换热电偶。
变送器“℃”指示灯亮，LED显示为常温
若探头“加热炉”两端有电压输入或者“加热炉”两端电阻值为∞,说明加热炉断路。
更换加热炉。
若探头“加热炉”两端无电压输入，且“加热炉”两端电阻值为150Ω±20Ω,说明变送器电路有故障。
返修变送器。
氧量值显示偏高
仪器安装后，从未进行校准或运行三个月以上未校准。
重新校准仪器。
探头安装点附近有漏气点。
采取密封措施或更换安装点。
探头“标气入口”未密封。
拧紧密封螺帽。

氧量值变化缓慢
探头积灰严重。
清除探头积灰。对于灰堵严重者，应考虑更换安装点。
探头安装在涡流或烟气流动性不好的死角。
更换安装点。