朱祥柯-热工课件.ppt

1、氧化锆氧量计,朱祥柯,内容,（1）氧量测量的意义 （2）氧化锆性质 （3）氧化锆测氧原理 （4）氧化锆传感器的结构 （5）氧化锆管使用时的注意事项 （6）测量系统及信号处理 （7）氧化锆传感器的检定,一、氧量测量的意义,在火电厂中，为保持锅炉燃烧处于最佳工况，燃料量和氧量必须有恰当的比例，这一比例可以通过过量空气系数的大小反映出来。 （1）太大，会降低炉温，增加排烟损失； （2）太小，燃烧不充分，增加机械不完全燃烧损失； （3）取值为，燃煤锅炉1.21.3，燃油锅炉1.11.2。 的直接测量很困难，目前都是通过对烟气中氧量和二氧化碳量进行分析得出的。,二、氧化锆的性质,氧化锆（ZrO2）是一种

2、固体电解质，具有离子导电性。 （1）常温下， ZrO2下为单斜晶体； （2）高于1150 时为立方晶体。 （3）掺入一定数量的CaO或Y2O3，进行高温焙烧，形成稳定的萤石形立方晶体结构，不随温度变化而变化。 掺入CaO或Y2O3的ZrO2晶体中，Ca2+或Y3+会置换出Zr4+，形成O2-空穴。当加热到数百度时，该晶体会成为良好的O2-导体。,三、氧化锆测氧原理,1. 产生热电势的3个条件： 1）带有疏空电极的杂质氧化锆 2）工作温度大于600 3）氧浓度差 氧浓差电势与被测气体中的氧含量的对数成线性关系。,三、氧化锆测氧原理,2. 氧浓差电池两极发生的反应 正极（含氧量大侧）：还原反应 O

3、2 + 4 e 2 O2- 负极（含氧量小侧）：氧化反应 2 O2- O2 + 4 e 这样在电极上产生电荷的积累，从而在两极之间建立电场，此电场将阻止这种迁移的进一步进行，直到达到动态平衡，此时在两极间形成电场。此电势因与两侧氧浓度有关，故称氧浓差电势,三、氧化锆测氧原理,3. 氧浓差电势大小 能斯特方程： 注：E氧浓差电势，mv; R理想气体常数，8.314J/（mol.K）； F法拉第常数，96487C/mol； T热力学温度，K； n一个氧分子输送的电子个数，n=4； P1被分析气体（如烟气）的氧分压； P2参比气体（如空气）的氧分压。,三、氧化锆测氧原理,由于在混合气体中，某种气体的

4、分压力与总压力（p）之比等于该组分的体积浓度，即： 则能斯特方程可写为： 由上式可知，当氧浓差电池工作温度T一定，以及参比气体的氧浓度 一定时，电池产生的氧浓差电势与被测气体的含氧浓度 成单值函数关系。通过测量氧浓差电势E就可以得到被测气体的含氧量。,三、氧化锆测氧原理,4. 氧浓差电势与被测气体含氧量的关系 由于空气的含氧量为 =20.8，且成本低廉，所以在分析炉烟中的含氧量时，一般常用空气作为参比气体。,三、氧化锆测氧原理,例题：,四、氧化锆传感器的结构,四、氧化锆传感器的结构,五、使用氧化锆管时注意事项,(1) 氧化锆管的工作温度应保持恒定，或在仪表线路中采取温度补偿措施。温度过低(60

5、0)，输出灵敏度下降 ；温度过高（1200），烟气中的氧化铂的催化作用下，易于可燃物质化合，使含氧量下降，输出电势增加。 （2）氧化锆管材质应均匀致密，不能有裂纹或孔洞 ，否则空气直接漏过，使氧浓差下降，输出电势减小；纯度要高，如存在杂质，特别是铁，会使电子通过氧化锆本身短路，从而使输出电势下降。,例如，当氧化锆中含5 %的Fe203时，输出电势仅为计算值的50 %，所以电极材料中的铁元素应控制在千分之几的数量级。,(3)参比气体和被测气体压力应保持相等。 (4)氧化锆管内外两侧气体要不断流动更新，由于氧浓差电池有使两侧氧浓度趋于一致的倾向 (5)电极引线应用纯铂丝 (6) 与氧化锆管配接的二

6、次仪表应有很高的输入阻抗。 (7)如果氧化锆管的输出作为自动调节信号，则应采用线性化电路将氧浓差电势与含氧浓度之间的对数关系转换为线性关系。,另外应注意的是，由于氧化锆探头长期使用在高温状态下，易由于膨胀造成裂纹或电极脱落；氧化锆管表面附着有烟尘微粒，也会造成铂电极上微孔堵塞、积灰，是输出电势出现异常，甚至造成铂电极中毒，所以在使用过程中要经常清洗。,六、测量系统及信号处理,1. 氧化锆氧量计的分类 按探头工作温度：定温式及温度补偿式 按安装方式： 直插式与抽出式 抽出式系统是将气样抽出后再送入氧化锆管测量，带有抽气和净化系统，能除去杂质和SO2等有害气体，并且氧化锆管处于800恒温下工作，准

7、确度较高，但系统复杂，迟延较大，不能及时反映被测烟气的含氧量变化。所以生产现场一般采用直插式测量系统。直插式就是直接将氧化锆管插入烟道的高温部分。,(一)直插补偿式测量系统,根据温度在700800之间时，K型热电偶的热电势随热端温度的变化与氧化锆氧浓差电势随烟气温度的变化基本相等，二者之差基本与温度无关的原理来实现补偿的 。,直插式补偿测量示意图,1高输入阻抗变换,氧化锆材料是一种离子晶体，其内阻可高达几千欧（国外产品可达几十千欧）。当测量电路内阻不高时，就不可能正确测量氧浓差电势。 如图： E经运算放大器阻抗变换后的等效氧浓差电势 当R4=18欧，R3=2欧时，得E =10 E 输入阻抗RN

8、为： 若取K0=25，ri=100欧，则RN=2450欧， 这已足够满足测量要求。,2工作温度的补偿,根据公式： 当参比气体空气的氧浓度 =20.8，而氧化锆的工作温度T变化时，E/T应保持不变。即可反向串联一个K型热电阻进行温度补偿，消除温度变化对测量的影响。,工作温度补偿电路,3线性化处理电路,(二)直插定温式测量系统,七、氧化锆传感器的检定,氧浓差电池在正常运行中也会慢慢失效，原因可能是电极材料升华、电解质的立方晶体转化为单斜晶体等，传感器还可能漏气，为此应进行定期检查和校验。 检定方法： （1）在规定条件下向传感器通入标准成分的气样。（最佳方法） （2）根据能斯特公式计算，维持两种气体

9、的分压恒定，改变温度t并测量相应的电势E，如果在500至800 左右能得到正比关系，并且此直线通过原点（E=0，t=-273 ），则传感器可以继续使用，这时对于最适当的温度范围也知道了。如果直线的温度范围太小时，就应怀疑其测量的准确性。,氧气本身具有许多物理性质,如导热系数、光谱的吸收和磁特性等，而导热系数和对光谱的吸收反应不明显,因此,目前工业上连续测定氧含量的分析仪,大都是利用氧的磁性特征这一原理,顺磁性,在外磁场作用下，物质会发生磁化，这时物质中的磁感应强度B是由外磁场强度H和由于磁化所产生的物质内附加磁场强度H叠加而成，而附加磁场的大小与外磁场强度成正比，可用下式表示： B=H+H=H

10、+4H=(1+4)H 容积磁化率0的物质，其附加磁场与外磁场方向相同，称之为顺磁性物质，它们在不均匀的外磁场中受磁场的吸引。,炉烟中各成分的容积磁化率（20下）,=C p m/(RT 2) 式中C 居里常数； m 气体的分子质量； p 气体的压力； R 气体常数； T 气体绝对温度。 顺磁性气体容积磁化率与压力成正比，而与绝对温度的平方成反比。,磁氧分析仪的类型,根据氧的顺磁性原理制作的磁氧分析仪，目前所采用的工作方式主要有磁风式、磁压式和哑铃球磁动力式三种。 第一种工作原理是氧流经一个有加热元件的气室，并且位于磁场中。当加热元件附近的氧被加热时，顺磁性变小，使较冷的氧被强烈地吸入磁场中，将热

11、氧置换出来，形成连续的气流。称“磁风” 。 第二种是昆克(Quincke)发明出来的。它利用测量磁性比较大的物质被吸入磁性较小的物质所占据磁场时产生出的压力（称之为“磁压”）。这种测量方法仅与气体的磁化率有关，而与热导率、粘度等其它性质无关。,热磁式氧量计,利用烟气组分中氧气的磁化率特别高这一物理特性来测定烟气中含氧量。 氧气为顺磁性气体 氧的温度升高而磁化率下降,不平衡电桥将随着气样中氧气含量的不同，输出相应的电压值。,环管式热磁氧分析器测量的主要问题是： 1）环境温度变化会影响发热器的换热条件，所以需设置恒温控制器或采用温度补偿措施。 2）发热管的水平通道倾斜，会在水平通道中引起自然热对流

12、，使仪表零点发生偏移。 直管式发送器，气体中的非氧成分，特别是氢含量的变化对仪表的指示值的影响较大。,磁力机械式分析仪,基于法拉第测量磁化率的方法 当混合气体中含有氧气时，由于混合气体的体积磁化率的变化主要取决于氧含量的多少，所以F的大小就代表混合气体中氧含量，因此只要测出力F的大小便可间接地测量出混合气体中氧气的浓度。,磁力机械式氧分析器整机工作原理图1-光源； 2-反馈线圈； 3-哑铃； 4-硅光电池； 5-直流放大器； 6-微安表,第二节 电子皮带秤,一、概述 电子皮带秤是连续测量和累计皮带运输原煤量的设备 意义,二、电子皮带秤的传感装置,1荷重传感器（丝式应变片）,电阻应变效应,1、概

13、念 导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。,2、电阻的应变灵敏系数根据电阻的定义式:式(6-15),导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。,式中金属导体的电阻率，cm2/m； s导体的截面积，cm2； L导体的长度，m。,2测速传感器,电感传感器的基本工作原理演示,F,用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按,气隙变小，电感变大，电流变小,电感传感器的基本工作原理,当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL 较小，所以电流I 较大。当铁心闭

14、合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。,电子皮带秤具有结构紧凑、质量轻、体积小、价格低廉等优点，但影响电子皮带秤计量精度的因素较多，如皮带的刚性、张力、摩擦力，秤框上、拉簧、十字簧片支承上灰尘和污物的粘结都会引起计量的误差。,核子秤利用物料对射线吸收的原理进行工作,非接触测量 测量精度不受物料温度、皮带张力变化、皮带刚度、振动等因素的影响。动态测量精度高，且长期稳定。,核子皮带秤,源部件、射线探测器、支架、测速装置、微机,核子皮带秤,伽玛射线穿过被测介质时，其强度的衰减服从指数规律，通过对载有物料时的射线强度进行连续测量，另外，对皮带的运行速度加以测量，然后通过计算机系统的计算，直接显示单位载荷

15、、瞬时流量、累积量等工艺参数。,核子秤存在放射污染，运输、贮存、使用要按严格的要求进行,电子轨道衡,静态电子轨道衡 车辆在轨道衡台面上于静止状态下进行称量, 该种衡器线路和车辆状态对轨道衡影响较小, 称量准确度较高。,动态电子轨道衡的定义,对于装散装货物处于低速行使状态的车辆, 能够自动称量出它质量的衡器称为动态轨道衡。,或者说, 具有称载台, 台面装有钢轨, 能够自动称量低速行使状态的车辆的重量,这种计量装置叫动态轨道衡。它属于自动称量的衡器, 通常称之为电子轨道衡。,汽轮机仪表监视系统（TSI）,Turbine Supervisory Instrumentation 一、意义 为了保证汽轮

16、发电机组的安全经济运行，必须装设可靠的连续检测汽轮发电机组转子和汽缸有关参数的多路监控系统，用来连续显示机组的启停和运行状态，并同时尽可能地为记录、记忆设备提供信号。当被测参数超过规定限值时，发出报警信号；当被测参数达到危险定值时，自动停机。,二、特点,目前我国投产的200MW、300MW、600MW汽轮发电机组，大多采用了美国本特利公司的或德国飞利浦公司的系列汽轮机监测仪表系统,本特利公司生产的3300系列仪表,该装置可以实时监视汽轮机运行的有关参数,具有参数越限报警和危险值接点输出的功能,并能输出(420)mA的电流信号送DEH系统进行监视。,（1）汽轮机仪表监视系统（TSI） 监视的主要

17、参数有（1）轴向位移（2）胀差（也称汽缸和转子的相对膨胀）（3）缸胀（也称热膨胀）（4）转速（5）振动（6）偏心度（或轴弯曲）（7）相位（8）其它，如阀位指示等。,（2）进行声光报警。当单元机组运行中某热工参数超过工艺允许值时，汽轮机保安系统及时发出声光报警信号，提醒运行人员立即采取相应的措施。,（3）自动保护停机。单元机组运行中某些热工参数超过允许限值时，为了避免由此造成的严重事故，汽轮机保安系统自动发出保护停机命令，迫使单元机组停止运行。,（4）连锁保护功能。如单元机组运行中，汽轮机润滑油压低至某一规定值时，汽轮机保安系统就会发出联动指令，自动启动辅助润滑油泵。,第三节 机械位移量测量仪表

18、p147,机械位移量测量仪表一般用于测量汽轮机转子的轴向位移，汽缸，转子之间的相对热膨胀位移以及汽缸热膨胀量。,汽轮机轴向位移测量,当汽轮机轴向推力增大破坏了推力轴承的油膜时，油膜破坏，推力瓦块乌金烧熔，使汽轮机转子、定子之间的轴向间隙减小，发生摩擦，造成严重的设备损坏事故。,汽轮机差胀测量,防止单元机组在启动或运行中，由于转子与汽缸的膨胀程度不同形成的胀差过大，导致汽轮机动静部分摩擦、碰撞,第四节 转速测量仪表 p150,汽轮机是高速旋转的大型机械设备。正常运行时转速为3000rmin。如果转动力矩不平衡，转速就会发生变化。,转速低于或高于额定值都将引起供电频率的波动，从而降低供电的质量。当

19、转速失去控制时，可能会发生严重的超速现象。,在启动升速过程中，还会遇到临界转速的影响，使机组产生较大的振动，甚至会共振而大大超过设计强度，故在启停过程中要求准确地测量转速，尽快越过各个临界值转速。,转速信号的特别重要性，通常采取“三选二”的逻辑处理，以提高整个系统的可靠性。 零转速监测：连续检测转子的零转速状态。当转速低于某规定值时，报警继电器动作，以便投入盘车装置。,第五节 振动测量仪表,汽轮发电机组在启动和运行中都会有一定程度的振动。汽轮机振动值大，严重威胁设备安全。,第四节 转速测量仪表,一、离心式转速传感器 离心器轴通过齿轮传动装置6从输入轴7获取待测转速。当离心器轴2旋转时，重锤在惯

20、性离心力的作用下离开轴心，并拉动活动套环5。活动套环将使得弹簧4沿离心器的轴向被压缩。当惯性离心力与弹簧的弹性力平衡时，活动套环停留在一定位置。,二、测速发电机转速传感器,测速发电机转子上有三个永久磁极，定子有三个互成1200的绕组。当转子旋转时，定子线圈中会有感应电势产生 感应电势或频率与转速成正比,二、测速发电机转速传感器,绕组L1 绕组L2 绕组L3,电感传感器的基本工作原理演示,气隙变小，电感变大，电流变小,F,用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按,三、磁阻测速传感器,四、光电计数式转速仪,第五节 振动测量仪表,国际标准ISO2372-1974规定用振动烈度作为表述振动的特征量

21、，并规定在机器的重要位置所测得的振动速度的最大有效值xrms，作为机器的振动烈度。,目前我国汽轮机还采用振动的幅值作为评价振动强弱的参数，例如，300MW机组，其轴颈处正常振幅应小于76um，最大不超过127um。,汽轮机的振动测量方法按照振体的相对位置，又可以分成轴承座的绝对振动、轴与轴承座的相对振动和轴的绝对振动。,一、磁电式振动传感器,二、电涡流式振动传感器p154,美国BN公司发明的涡流传感器,采用了非接触式的测量方法,涡流传感器具有线性范围大、精度和灵敏度高、抗干扰能力强、安装和调试方便、检测值不受油污和蒸汽等非金属介质影响等优点,所以,以涡流传感器为主要传感器所组成的TSI受到了火

22、电厂的普遍欢迎。,工作原理和结构,用涡流传感器测量汽轮机转子轴向位移,过去测量汽轮机轴向位移常采用山字型电磁传感器，现已逐渐被涡流传感器所取代。,用涡流传感器测量转速,测速传感器的探头可以是磁电式的,也可以是涡流式的。但是,采用磁电传感器在低转速测量时其灵敏度较差,影响测量的准确性,总复习,p1 测量的定义 1-1 基本单位个,p3,仪表的三部分组成 各部分作用 传感器的要求 3种显示方式,p5,三种误差类型 疏忽误差产生原因 剔除坏值的方法 p8 习题8,p16,开尔文温度和摄氏温度数量关系 中温段基准仪器铂电阻温度及,P18-20,热电现象 热电偶测温原理 热电偶三大基本定律内容、应用,P22-23