半导体激光气体分析系统的确定性分析

　　l 烟气含氧量在线检测在锅炉中的重要性

　　锅炉烟气的含氧量反应了锅炉的燃烧情况的好坏，通过对锅炉烟气含氧量的准确测量与控制，可节约能源、减少环境污染和延长锅炉寿命。氧量偏高时，高温下氧易与燃料中的硫和空气中的氮发生化学反应，生成对换热设备和环境具有不良影响的SOx和NOx，氧量偏低时燃料燃烧不充分，降低了燃烧的经济性。锅炉点火成功后，应调节燃气投入量，使其达到升温的要求，并调节送风及引风，使煤气燃烧稳定充分，最大限度地实现燃烧最优化。一般要求烟气含氧量控制在3% ～5% ，以免增加不应有的排烟热损。因此需对烟气中的氧进行准确可靠地测量与控制，保证氧量在合理的范围内，因此就要求氧量计具有准确、稳定、响应迅速快和经久耐用等基本性能。

　　2 传统氧化锆氧量分析仪的缺陷

　　烟气氧量测量的正确性对锅炉机组的效率和辅机能耗具有较大影响，通过近几年的应用发现，在锅炉工况相对稳定情况下，氧量分析仪运行不稳定，变化幅度较大。

　　氧化锆氧量测量系统由取样系统、氧量传感器和二次仪表(或变送器)等组成。在线实时测量中影响氧量检测结果可靠性的因素较多，除传感器和二次仪表自身的精度外，测量结果的可靠性很大程度上取决于取样系统的合理性，现总结出传统氧化锆氧量分析仪的缺陷如下：

　　(1)传感器探头所处氛围的温度场的稳定性、探头表面被污染及内部中毒程度等引起测量结果重复性和稳定性，同时也对测量系统的响应时间产生负面影响。

　　(2)变送器输出反应太慢，更换氧量分析仪变送器后，加温过程中出现E—l4代码报警，温度加热到900℃以上后才正常，造成氧量监测的不确定性。

　　(3)在测量过程中，参比气体中的氧分子不断地通过锆管壁扩散到样气中，在锆管两侧，从参比气体到锆管表面和从样气到锆管表面都要产生氧量浓度梯度，即两侧的氧量场不均匀。由于两侧气体基本上处于非明显流动状态，传质过程主要靠扩散作用实现，这就在锆管两侧形成相对稳定的氧量场，对实时测量极为不利。由于新鲜样气不能及时到达锆管表面，造成测量结果与样气中实际含氧量值一定的偏差。

　　(4)气样分析套管易进灰，进入少量后会反应迟钝，进入大量则无法正常测量，需人工经常清灰，现场高温对人体造成很大伤害。

　　(5)氧化锆变送器不能有效的解决电源干扰而造成输出值变化较大的问题，硬件与软件均有缺陷。

　　(6)分析仪出现故障时，单独更换探头或氧量分析仪变送器不行，须成套更换，造成极大的经济损失。鉴于以上结论，在新建工程8 锅炉中改用半导

　　体激光气体分析系统，它采用国际领先的半导体激光吸收光谱(DLAS)气体分析测量技术，解决了以往分析仪受来自环境中其它成分(如：包括粉尘、水分和其它气体成分等)的交叉干扰影响，保证了锅炉含氧量的测量准确性。

3半导体激光气体分析系统的组成

　　LGA-2000C半导体激光气体分析系统是现场在线检测气体浓度的精密测量系统，由发射单元、接收单元和中央分析仪器构成(图2)。由发射单元发出的激光束穿过被测烟道，被安装在直径相对方向上的接收单元中的探测器接收，获得的测量信号通过缆线传输到中央分析仪器，中央分析仪器对测量信号分析，得到被测气体浓度。

　　LGA-2000C半导体激光气体分析系统的测量原理基于半导体激光吸收光谱(DLAS)气体分析测量技术，即“单线光谱”测量技术，克服了环境中其它成分(包括粉尘、水分和其它气体成分等)的影响，确保了含氧量测量的准确性。

　　“单线光谱”测量技术是通过测量被测气体某一特定吸收谱线来实现气体测量。首先，通过对被测气体吸收光谱的分析，选择某一位于特定波长的吸收光谱线，使得在所选吸收谱线波长附近无测量环境中其它气体组分的吸收谱线，从而避免了这些气体组分对该被测气体的交叉吸收干涉，然后通过调节激光器的温度和驱动电流，将激光器的激光束波长调整对应到此吸收谱线波长处。测量时通过改变半导体激光器工作电流来改变半导体激光波长，从而使激光波长扫描过选择的吸收谱线，半导体激光的谱线非常窄，比吸收谱线的谱款要小得多。见图3。

　　4 应用效果

　　4.1 无背景交叉气体吸收干扰，测量准确度高

　　发射单元中发出的半导体激光穿过被测环境，然后落到接收单元中的光传感器上，在扫描激光波长时，由接收单元探测到的激光透过率将发生变化，并且此变化仅仅是来自于激光器与接收器之间光通道内被测气体分子对激光强度的衰减，光强度的衰减与发射和接收单元之间的被测气体含量成正比，因此，通过测量激光强度衰减可以分析获得被测气体的浓度，其他气体的吸收谱线不会出现在所选波长范围内，因此不会对选择的吸收谱线产生干扰，从而不会影响气体含量的测量，增强了含氧量在线检测的确定性。

　　4.2 响应速度快，大大降低了系统的维护工作量

　　避免了气体在采样管到中的长时问输送，半导体激光气体分析系统可以实现非常快的测量相应速度。采样预处理系统的维护是传统采样方式气体分析系统维护工作量的主要部分，LGA-2000C半导体激光气体分析系统采用现场方式分析系统，彻底避免了采样系统，自动化程度非常高，操作简单易学，大大降低了系统的维护工作量。

4.3 非常准确的气体现场在线分析

　　半导体激光气体分析系统具有内置温度和压力自动修正功能，能根据实际测量获得的被测环境温度和压力对气体成分测量值进行自动修正，从而实现非常准确的气体现场在线分析。

　　4.4 无损耗元部件，恶劣环境适应能力强

　　半导体激光气体分析系统避免了易磨损的运动部件和其它需经常更换的部件，日常维护工作主要局限于周期性的目测检查和情节光学视窗，系统通常也无需在这些预防性维护后进行晕新调整，减少了维护量，增加了经济效益。

　　4.5 比较准确的平均浓度测量

　　国家标准《GB10184-88电站锅炉性能试验规程》中对锅炉烟气的取样作了如下规定：原则上要做到等速取样，保证样气具有良好的代表性和分析结果的可靠性。传统的氧化锆氧量分析仪测量的只是采样点那一局部范围的气体成分，无法准确代表炉膛内的总体气体成分，而半导体激光气体分析系统测量的是氧气在烟道中的平均浓度，比较准确的在线检氧气含量。

　　4.6 扩展通讯功能

　　LGA-2000C半导体激光气体分析系统除了提供4—20mA、RS232等传输方式外，还提供了基于GPRS的无线远程数据传输方式，使之具备了远程监控管理功能，实现了远程数据的采集、仪器软件的无线升级和多点集中控制等功能

　　5 结论

　　测量结果与运行中实时测量值的误差代表了一个氧量测量系统的优劣，忽视实时在线测量的精度(动态精度)是非常片面的，造成了氧量分析的不确定性。只有动态测量结果的不确定度控制在某一范围内，测量结果才是有效的，才能作为一项控制指标参与相关系统的控制与调节，锅炉机组也才能真正实现氧量的自动控制。因采样而引起的测量误差在测量的不确定度中占很大比重，甚至起决定作用。半导体激光气体分析系统解决了以往氧化锆分析仪的诸多缺陷，自投入运行以来，大大降低了维护力度，提高了锅炉烟气含氧量在线监测的准确性和稳定性，保证了锅炉烟气含氧量在线分析得确定性，给司炉工判断炉况提供了很好的依据，为锅炉的安全稳定运行提高了保障。