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
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: φi dry = φi wet / (1 – φН2О), где: φi dry – концентрация компонента отработавшего газа в «сухой» пробе; φi wet – концентрация компонента отработавшего газа во «влажной» пробе; φН2О – 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 2013 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
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")
