電廠鍋爐氧化鋯氧量分析儀的應(yīng)用與原理

一、 工作原理：

要理解氧化鋯氧量分析儀為何能精準測氧，需要深入其核心傳感器——氧化鋯（ZrO?）陶瓷元件的物理化學(xué)特性。純凈的氧化鋯在常溫下是絕緣體，但當(dāng)它摻入一定量的氧化釔（Y2O3）或氧化鈣（CaO）作為穩(wěn)定劑后，會形成一種穩(wěn)定的立方晶型結(jié)構(gòu)。此時，氧化鋯晶格中產(chǎn)生了氧離子空位，使其在高溫（通常為600℃以上）環(huán)境下成為一種固體電解質(zhì)——它允許氧離子（O2?）通過，但對電子或其他氣體分子具有阻隔作用。氧化鋯氧量分析儀的探頭通常制作成一頭封閉的管狀結(jié)構(gòu)。在內(nèi)外壁涂上多孔鉑電極后，利用陶瓷管將氣體環(huán)境分隔為兩部分：

參比側(cè)：通入已知氧分壓的參比氣體（通常為潔凈的大氣，氧含量20.6%）。

被測側(cè)：插入鍋爐煙道或爐膛內(nèi)，接觸含有未知氧分壓的煙氣。

當(dāng)氧化鋯元件的工作溫度穩(wěn)定在 700℃ 左右（通常通過內(nèi)置加熱器維持）時，由于兩側(cè)氧濃度不同，氧離子會從高濃度側(cè)（參比側(cè)）向低濃度側(cè)（被測側(cè)）遷移，從而在兩鉑電極之間形成一個電勢差。 

區(qū)別于其他測氧技術(shù)的優(yōu)勢：

相較于傳統(tǒng)的磁氧分析儀或電化學(xué)傳感器，氧化鋯分析儀的特點是“直插式”與“原位測量”。它不需要復(fù)雜的取樣預(yù)處理系統(tǒng)，避免了因取樣管路泄漏、堵塞或煙氣冷凝導(dǎo)致的測量滯后與失真，響應(yīng)速度極快，通常能在幾秒內(nèi)反映氧含量的波動。

二、應(yīng)用案例：

在實際電廠運行中，氧化鋯氧量分析儀的應(yīng)用貫穿了鍋爐運行的多個關(guān)鍵維度。以下通過幾個典型場景來剖析其價值。

案例一：某600MW超臨界機組——解決“風(fēng)煤配比”粗放問題

背景：某電廠#2鍋爐在投入運行后，排煙溫度偏高，飛灰含碳量長期維持在4.5%以上，嚴重影響鍋爐效率。原有的氧化鋯分析儀因長期未維護，探頭積灰嚴重，且加熱器老化，導(dǎo)致測量值嚴重滯后，運行人員只能依靠“看火色、摸振動”的傳統(tǒng)經(jīng)驗調(diào)整風(fēng)量。

解決方案：該廠在空預(yù)器入口煙道兩側(cè)各更換了兩臺新型防腐蝕型氧化鋯分析儀，并進行了嚴格的零點/量程在線校準。同時，將氧量信號接入DCS（分散控制系統(tǒng)），與給煤機指令、送風(fēng)機擋板開度構(gòu)建了串級燃燒優(yōu)化控制回路。

成效：精準配風(fēng)：數(shù)據(jù)顯示，改造前鍋爐省煤器出口氧量波動范圍在1.5%～6.0%之間，極不穩(wěn)定；改造后，氧量穩(wěn)定控制在 3.2% ± 0.3%。

效率提升：飛灰含碳量降至2.1%以下，鍋爐熱效率提升了約 0.8個百分點。對于一個600MW機組而言，每年節(jié)約標煤約數(shù)千噸，直接經(jīng)濟效益超過數(shù)百萬元。

防止結(jié)焦：通過精準控制局部還原性氣氛，有效降低了水冷壁附近的高溫腐蝕風(fēng)險。

案例二：啟停爐階段防止爆燃事故 

背景：在鍋爐點火啟動或低負荷穩(wěn)燃階段，爐膛內(nèi)未充分燃燒的可燃物（CO、煤粉等）極易積聚。若此時風(fēng)量控制不當(dāng)，一旦引燃可能發(fā)生“爆燃”事故，造成爐膛壓力劇增甚至設(shè)備損毀。 

應(yīng)用細節(jié)： 

點火前吹掃確認：在點火前，運行人員必須確認煙道氧量計顯示 大于19%（即接近空氣氧含量），以此判定爐膛及煙道內(nèi)無殘留可燃氣體，吹掃工作充分完成。

并網(wǎng)前監(jiān)控：在升溫升壓過程中，通過氧量計的變化趨勢，運行人員可以判斷煤粉何時著火。若氧量急劇下降而主汽壓力未同步上升，說明煤粉未充分燃燒，可能存積在尾部煙道，此時需立即調(diào)整或停止制粉系統(tǒng)。

案例三：脫硝系統(tǒng)（SCR）的關(guān)聯(lián)優(yōu)化——兼顧環(huán)保與氨逃逸

背景：隨著超低排放政策的推行，電廠對脫硝效率要求高。SCR（選擇性催化還原）脫硝反應(yīng)器對入口的氧含量非常敏感。氧含量不僅影響NOx的生成量，還直接影響氨氣的噴射邏輯。

關(guān)聯(lián)應(yīng)用：在SCR入口安裝的高精度氧化鋯分析儀，其數(shù)據(jù)與NOx濃度數(shù)據(jù)聯(lián)動。當(dāng)氧量波動時，DCS系統(tǒng)根據(jù)氧量修正NOx的折算濃度（折算值 = 實測值 × (基準氧量 / 實測氧量)），進而精確調(diào)節(jié)噴氨量。

痛點解決：某電廠曾因氧化鋯探頭響應(yīng)滯后，導(dǎo)致在高負荷氧量驟減時，噴氨量未能及時下調(diào)，造成氨逃逸嚴重，下游空預(yù)器硫酸氫銨堵塞，引風(fēng)機電流激增。更換快速響應(yīng)（T90 < 5秒）的直插式氧化鋯分析儀后，氨逃逸率降低，空預(yù)器沖洗周期由3個月延長至1年以上。

三、 選型與維護：

氧化鋯氧量分析儀雖然原理可靠，但在電廠惡劣工況下（高粉塵、高水分、SO?腐蝕），若選型或維護不當(dāng)，極易出現(xiàn)“假值”運行，誤導(dǎo)燃燒控制。 

1. 選型要點

高溫型與低溫型：對于爐膛出口或高溫過熱器后（煙溫>600℃），需選用高溫型帶自冷卻結(jié)構(gòu)的探頭；對于空預(yù)器后（煙溫<400℃），則需選用帶加熱器的低溫型探頭。

防腐蝕材質(zhì)：針對燃用高硫煤的電廠，探頭與法蘭材質(zhì)需選用耐硫化物腐蝕的Inconel合金，避免陶瓷管根部因腐蝕斷裂。

插入深度：必須確保探頭末端深入煙道截面中心區(qū)域。許多電廠出現(xiàn)測量偏差大，往往是因為探頭插入深度不夠，處于層流邊界層，無法代表平均氧量。

2. 日常維護與故障排查

定期標定：雖然氧化鋯分析儀理論上無需頻繁標定，但建議每3-6個月使用標準氣進行在線標定，以補償電極老化帶來的電勢漂移。

阻抗檢測：現(xiàn)代智能型氧化鋯分析儀具備內(nèi)阻監(jiān)測功能。當(dāng)檢測到鋯管內(nèi)阻過大時，表明鋯管老化或溫度不均，此時輸出的氧量數(shù)據(jù)已不可信，需及時更換探頭。

防堵與清灰：對于含塵量大的煙道，探頭安裝口應(yīng)設(shè)置反吹裝置（使用儀用壓縮空氣定期吹掃），防止陶瓷濾芯堵塞導(dǎo)致響應(yīng)時間變長。