Анализ кислорода

В статье сравниваются два типа приборов для определения содержания остаточного кислорода в отходящих газах при сжигании органического топлива: пробоотборные и беспробоотборные газоанализаторы. Объяснены особенности их работы, причины расхождений в показаниях приборов. Представлен стационарный твердоэлектролитный газоанализатор «ЭКОН», производящий измерения непосредственно в дымовом газе, без забора пробы, перечислены его преимущества.

АО «ЭКОН», г. Обнинск

Рис. Михаил Ефимович Чернов, главный инженер АО «ЭКОН», автор статьи

скачать pdf >>

Важнейшим контролируемым параметром при сжигании органического топлива (газа, мазута, угля) в котлоагрегатах и печах различного назначения является содержание остаточного кислорода в отходящих газах. Контроль этого параметра и поддержание его на оптимальном уровне позволяет минимизировать расход топлива и выброс экологически вредных веществ, увеличивает срок службы оборудования.

Содержание кислорода в дымовых газах определяется газоанализаторами с разными принципами действия и конструкцией, но с точки зрения подготовки пробы можно выделить две основные группы: пробоотборные и беспробоотборные. И если к беспробоотборным можно отнести только стационарные приборы непрерывного действия с чувствительным элементом на основе твердого электролита, который расположен на конце зонда и находится непосредственно в среде дымовых газов (например, газоанализатор кислорода «ЭКОН»), то к пробоотборным приборам относятся все остальные: и стационарные, и переносные, непрерывного и периодического действия, с использованием различных чувствительных элементов, основанных на разных физических принципах.

Специалистам АО «ЭКОН» часто приходится слышать вопрос от служб эксплуатации ТЭС и котельных: в чем причина расхождения показаний между пробоотборными и стационарными беспробоотборными газоанализаторами?

Среди причин расхождения в показаниях можно выделить несколько:
— подсос кислорода воздуха пробоотборным прибором из-за плохого уплотнения в соединении линии или трещин в шланге;
— другая точка измерения пробоотборным прибором (по отношению к стационарному прибору) как по длине выпускного тракта, так и по сечению. При этом может быть подмес наружного воздуха и некачественное смешивание потока дымового газа по сечению дымохода;
— наложение суммарной погрешности измерений приборов;
— погрешность «сухого» метода измерения пробоотборным прибором при конденсации водяного пара в дымовых газах при снижении температуры пробы ниже точки росы.

Наиболее вероятной представляется последняя причина, связанная с влажностью дымовых газов.

Принципиальное различие пробоотборных и беспробоотборных приборов заключается в температуре исследуемого дымового газа, в котором проводится измерение О₂, поскольку от этой температуры зависит агрегатное состояние важнейшей составляющей дымового газа – водяного пара (воды). Объемное содержание водяного па­ра в дымовых газах при сгорании природного га­за может достигать 17,0…23 % об., что соответствует точке росы такого дымового газа 57…63 °C.

Чувствительный элемент беспробоотборного прибора «ЭКОН» размещен на конце погружного зонда и производит измерение непосредственно в дымовом газе при высокой температуре (150…500 °C и вы­ше), что значительно выше температуры точки росы в данной среде. Пробоотборные датчики, чувствительные элементы которых расположены на удалении, снабжены линиями отбора пробы, по которым при прохождении дымового га­за происходит конденсация водяного пара и осушение пробы. Таким образом, измерение содержания кислорода может осуществляться как в исходном дымовом га­зе в присутствии водяного пара («влажный» метод измерения), так и в осушенном дымовом га­зе («сухой» метод измерения).

Водяной пар непосредственно не влияет на измерение кислорода и показания газоанализаторов. Но, как уже было сказано, при охлаждении пробы дымового газа до температуры ниже точки росы происходит конденсация водяного пара, и, в соответствии с законом Дальтона, при постоянном общем давлении парциальное давление остальных компонентов дымового газа, в том числе и кислорода, увеличивается пропорционально уменьшению доли водяного пара.

Таким образом, очевидна разница в показаниях, обусловленная разными способами измерения: по «влажному» и «сухому» базису.

Разница в измерении определяется содержанием водяного пара. Зависимость описывается формулой: φ_{i dry} = φ_{i wet} / (1 – φ_Н2О), где: φ_{i dry} – концентрация компонента отработавшего газа в «сухой» пробе; φi wet – концентрация компонента отработавшего га­за во «влажной» пробе; φ_Н2О – концентрация воды в пробе.

Например, при измерении по «влажному» базису (стационарным газоанализатором) получено значение остаточного кислорода 2 % об., при этом, предположим, влагосодержание составляет 20 % об. Тогда при измерении в этой же среде показания пробоотборного газоанализатора составят: 2 % / (1 – 0,2) = 2,5 %. Таким образом, получаются расхождения в показаниях: беспробоотборный газоанализатор «ЭКОН» покажет 2 %, переносной пробоотборный – 2,5 % кислорода.

В обоснование вышесказанного специалистами АО «ЭКОН» и Костромской ТЭЦ‑2 были проведены работы по сравнению показаний стационарного твердоэлектролитного газоанализатора «ЭКОН» (рис. 1) с показаниями двух пробоотборных переносных газоанализаторов в ходе измерения содержания остаточного кислорода на энергетическом котле БКЗ‑210-140 № 1. Все газоанализаторы, как стационарный «ЭКОН», так и пробоотборные, являлись средствами измерения, бы­ли откалиброваны по поверочным газовым смесям и соответствовали своим паспортным данным и заявленным техническим характеристикам.

Рис. 1. Стационарный газоанализатор кислорода «ЭКОН»

Два газоанализатора «ЭКОН» бы­ли установлены в шунтовые трубы котла еще в 2022 году, где и работают по настоящее время. При периодических контрольных замерах пробоотборным переносным газоанализатором через пробоотборную трубку, входящую в шунтовую трубу в непосредственной близости от датчика «ЭКОН», наблюдалось различие в показаниях по содержанию кислорода по сравнению с газоанализатором «ЭКОН».

Результаты нескольких проведенных замеров представлены в табл. 1, технические и конструктивные характеристики газоанализаторов «ЭКОН» – в табл. 2 и 3.

Таблица 1. Результаты контрольных замеров содержания кислорода, выполненных пробоотборными газоанализаторами и газоанализатором «ЭКОН» (увеличить изображение)

Таблица 2. Основные технические характеристики газоанализатора «ЭКОН»

Таблица 3. Основные конструктивные характеристики газоанализатора «ЭКОН»

Необходимо отметить, что в процессе работы котла значение содержания остаточного кислорода постоянно меняется в некотором интервале, при этом невозможно точно определить разницу в показаниях в конкретный момент времени. Однако, как видно из табл. 1, разница в показаниях между стационарными и пробоотборными приборами на котле составляет примерно 0,4…0,7 % об. При этом показания пробоотборных приборов всегда больше показаний стационарного.

Совместный контроль на содержание О₂ в поверочной газовой смеси (ПГС) из баллона вне котла на основании нескольких измерений показал удовлетворительное совпадение результатов, показанных разными газоанализаторами. Содержание кислорода в данной ПГС составляло 4,57 %  об., расход – 20…30 л/ч. Стационарный газоанализатор ЭКОН № 1 показал 4,6…4,8 % об., пробоотборный № 1 – 4,8…5,0 % об.

Некоторая разница в измеренных значениях при измерении кислорода в ПГС объясняется погрешностью пробоотборного прибора № 1, которая составляет ±0,2 % об., или подсосом кислорода из воздуха.

Данные практические измерения подтверждают влияние конденсации водяного пара на содержание остаточного кислорода в дымовых газах в случае измерения по «сухому» базису.

Правомерность и регламент определения содержания компонентов как по «сухому», так и по «влажному» базису определяются в нормативных документах, например ГОСТ Р ИСО 11042-1-2001 «Установки газотурбинные. Методы определения выбросов вредных веществ», п. 9.2 «Соотношение между концентрациями в «сухой» и «влажной» пробах отработавшего га­за» и СО 34.02.320-2003 «Методические указания. Организация контроля газового состава продуктов сгорания стационарных паровых и водогрейных котлов», п. 9.4.

Резюмируя все сказанное, можно заключить, что, безусловно, целесообразны оба варианта измерения. Измерение по «сухому» базису пробоотборными приборами необходимо при наладках и регламентных работах, периодических проверках, экологическом контроле. Измерение по «влажному» базису незаменимо при непрерывном технологическом контроле, ручном и автоматизированном управлении топливосжигающим агрегатом.

Однако наиболее точным необходимо считать метод измерения по «влажному» базису, поскольку при его использовании не требуется рассчитывать или измерять влагу и вводить поправку на изменение состава дымового газа при ее конденсации. Кроме того, газоанализаторы с твердоэлектролитным чувствительным элементом, находящимся непосредственно в дымовых газах, обладают дополнительными существенными преимуществами: значительно более высоким быстродействием, простотой в обслуживании и эксплуатации, надежностью. Так, например, газоанализаторы «ЭКОН» имеют срок службы 5–10 лет (в зависимости от условий эксплуатации), гарантию 2 года, срок службы чувствительного элемента, рассчитанный на весь период эксплуатации прибора.

Наша справка

АО «ЭКОН» занимается разработкой и выпуском газоанализаторов c января 1997 го­да. За это время российским и зарубежным энергетикам, а также предприятиям атомной, химической, деревообрабатывающей и стекольной промышленности поставлены несколько тысяч стационарных газоанализаторов кислорода.

Приборы, выпускаемые АО «ЭКОН», отличаются исключительной точностью показаний, простотой монтажа и обслуживания, надежностью и не имеющей аналогов долговечностью. Нередко можно встретить остающиеся в эксплуатации приборы, срок службы которых превысил 12–15 лет. Прежде всего это обусловлено тем, что на всех приборах марки «ЭКОН» стоят оригинальные, запатентованные твердоэлектролитные сенсоры собственной разработки и производства.

Газоанализаторы «ЭКОН» особенно ценят энергетики, чьи установки работают на «тяжелых» видах углеводородного топлива – угле, сланцах, мазуте, а также на отходах древесного производства. Традиционно велика доля газоанализаторов «ЭКОН» на таких производствах в России, Казахстане и Украине.

Опубликовано_в журнале ИСУП № 1(91)_2021

М. Е. Чернов, к. т. н.,
главный инженер,
АО «ЭКОН», г. Обнинск,
тел.: 7 (484) 396‑6266,
e‑mail: econ@econobninsk.ru,
сайт: econobninsk.ru