MG O2-mätare Dynamisk syremätare för rökgaser. Dat ablad: MDS-1243/97. Zirkoniumdioxidsensor. Små dimensioner på mätsonden

Transkript

1 O2-mätare Dynamisk syremätare för rökgaser Dat ablad: MDS-1243/97 MG-4000 Zirkoniumdioxidsensor Direkt mätning irökgaser Ingen referensgas erfordras Kalibreras iomgivningsluft Små dimensioner på mätsonden Enkel att montera, lika en temperaturgivare Enk el att anslut a till Mic atrone pa nnda tor MOG-1000-O2K som har alla erforderliga reg ler- och övervakn ingsfunktioner för O2-reglering.

2 Sida 2 Användning O2-mätaren är avsedd för analys av O2-halten i rökgaser från olje-, gas- och biobränsleeldade pannor och ugnar. Mätaren kan tillsammans med regulator och styrdon optimera luft-bränslekvoten till en hög genomsnittlig eldningsteknisk verkningsgrad. Mätsonden monteras i rökröret direkt efter pannan. Den är liten och kräver ingen referensluft, vilket gör montaget lika enkelt som för en temperaturgivare. Blockschema för O2-mätare Utförande Mätaren består av två delar: mätsond och mätenhet. Mätsonden innehåller ZrO2-sensor, uppvärmningselement, förförstärkare och en strömgenerator för referensjonpump. Mätenheten innehåller mätenhet för sensorsignal, kontroll av referensjonpump, kontroll av uppvärmning, digital indikator för mätvärde, strömgenerator för utsignal samt strömförsörjningsenhet. Mätfunktioner, kontroller och kalibrering sker med hjälp av en förprogrammerad mikroprocessor. Mätprincip för en dynamisk O2-sensor Vid högre temperaturer (500 C) är stabiliserad zirkoniumdioxid (ZrO2) en fast elektrolyt för syre. Detta kan användas på två sätt: 1. Att transportera syre genom en ZrO2-skiva (jonpump) enligt Faradays första lag. 2. Att mäta kvoten av partialtrycket från syre på vardera sidan av en ZrO2-skiva enligt Nernsts ekvation. De flesta moderna syremätare på marknaden använder någon av ovanstående principer. För att undvika nackdelar såsom relativt stora mätsonder, linjärisering av mätsignal, referensluft etc. kan de båda principerna kombineras till en dynamisk syresensor. Platina elektroder Platina ring Platina elektroder ZrO2 skiva ZrO2 skiva Principschema för dynamisk syresensor Spänning Vn enl Nernst ekvation Jonpump enl Faraday

3 Sida 3 Sensorn består av två identiska ZrO2-skivor med platinaelektroder och en platinaring som ger en liten kammare mellan skivorna. En skiva användes som en reversibel jonpump enligt Faraday. Den andra skivan genererar en mätspänning proportionell mot kvoten av syrepartialtrycken i kammaren (P2) och omgivningen (P1) enligt Nernst. Vid mätning kommer den reversibla jonpumpen att växelvis trycksätta och evakuera kammaren. Reversering sker vid två förinställda spänningsnivåer V1 och V2 på Nernstspänningen VN. Tiden för en pumpcykel (tp) blir direkt proportionell mot omgivande partialtryck från syre (P1). Vid ökning av omgivande O2-halt ökar partialtrycket (P1) och tp ökar. Vid minskande O2-halt minskar tp. Sensorn är omgiven av en värmeelement för att hålla ZrO2-skivorna vid 700 C. Detta gör sensorn okänslig för ändringar i rökgasernas temperatur och flödeshastighet. Sensorn blir med denna princip mycket liten och därmed kan även sonden göras liten. Ingen referensluft erfordras och ingen linjärisering av Nernstspänningen. Värmeelement I centrum sensorn ZrO2 Nernst spänning O2-mätare som är monterade i rökgaskanalen mäter O2-halten på fuktiga rökgaser. Mätare som tar ut prov från rökgasen mäter O2-halten på torra rökgaser. Följande samband mellan fuktig och torr rökgas gäller med någorlunda noggrannhet för luftöverskott upp till ca 50 % vid eldning med olja. O2-halt (fuktig rökgas) = 0,9 x O2-halt (torr rökgas) TEKNISKA DATA MG-4000 S Mätsond Rökgastemperatur C Rökgashastighet Max. 20 m/sek. Omgivningstemperatur Sondhuvud C Skyddsform IP65 Kabelgenomgångar 18,6 1 st. Kabel sond-mätenhet FKAR-G 10 x 0,5 mm 2 (medföljer leverans) 10 meter Max. kabellängd 10 meter Material Rör Rostfritt stål Huvud Aluminium Vikt 0,6 kg Montage Från sidan uppåt i 15 i vinkel till horisontalplanet. Instickslängden inställbar med klämringskoppling för 1/2" rörgänga.

4 Sida 4 Dimension MG-4000/S Mätsond TEKNISKA DATA Mätenhet MG-4000 Indikering Område % O2 Upplösning 0,1 % O2 Mätområden Valbart % O % O ,7 % O2 Mätfel O2-halt ±0,2 % O2 Tidskonstant <10 sek. Uppvärmningstid <200 sek. Utsignal Valbar ma ma V V Upplösning 0,1 % Belastning ma max. 500 Ω Belastning volt min. 10 kω Felindikeringar med lysdioder & alarmutsignaler (öppen emitter) Apparatfel Utanför mätområdet ( VDC) (max 20 ma) Omgivningstemperatur C Skyddsform IP65 Matningsspänning 50/60 Hz 230, VAC Effektförbrukning 50 VA Vikt 4,5 kg

5 Sida 5 MG-4000 Mätenhet [mm] Kapslingen sedd från undersidan Kapslingen sedd från baksidan Anslutningsschema

6 Sida 6 TILLÄMPNINGSEXEMPEL O2(SYRE)-REGLERING Teoretiskt optimal förbränning innebär att bränslet förbränns fullständigt utan överskott av luft, s.k. stökiometrisk förbränning. I detta fall finns inga fria syremolekyler i rökgaserna. I praktiken är det emellertid alltid nödvändigt att ha överskott på syre (luftöverskott) för att undvika sot och oförbrända ämnen som kolmonoxid (CO), väte (H2) och kolväteföreningar (CnHm) i rökgaserna. Önskvärt arbetsområde Hur stort luftöverskott behövs? Denna fråga kan inte enkelt besvaras eftersom det är många faktorer som påverkar hur stort luftöverskott som behövs. I första hand har följande faktorer betydelse. Statiska faktorer: * Brännarens förmåga att finfördela bränslet och blanda det med förbränningsluften. * Pannans eldstadsutformning. * Brännarens och pannans anpassning till varandra. Dynamiska faktorer: Bränsle * Förändringar i bränslets effektiva värmevärde (Kemiska sammansättning). * Förändringar i viskositet (olja). * Fukthaltens förändringar (biobränsle). Stökiometrisk förbränning Om rökgaserna innehåller CO, H2 och CnHm så är förbränningen ofullständig och det finns "bundet värme" i rökgaserna. Halten av O2 och CO2 i rökgaserna ger information om luftöverskottet och tillsammans med rökgastemperaturen information om hur stor rökgasförlusten är i "fritt värme". Av figuren framgår att CO2 finns såväl vid överskott som vid underskott på luft. Maximala CO2-halten fås vid stökiometrisk förbränning. Värdet beror på bränslets kemiska sammansättning. O2-halten är en entydig parameter för luftöverskott oberoende av bränslets kemiska sammansättning. Ett ungefärligt värde på luftöverskottet ( λ ) kan beräknas från uppmätt O2-halt med formel: λ = O2 mät * Förändringar i temperatur. * Förändringar i tryck. * Förändringar i bränslemängd genom glapp, försmutsning och förslitning i bränslesystemet. Dynamiska faktorer: Luft * Förändringar i luftmängden genom glapp, förslitningar och beläggningar i luftsystemet. * Förbränningsluftens temperatur. * Atmosfärstrycket (barometerståndet). * Luftfuktigheten Som exempel kan nämnas att vid konstant luftflöde (volymflöde) ändras mängden syre till förbränningen med ca 20% om luftemperaturen ändras med 20 C, trycket med 50 mbar och luftens relativa fuktighet med 25 %.

7 Sida 7 Utnyttjad kapacitet hos brännaren: * Brännarens utformning medför att blandningen av luft och bränsle blir bättre vid hög last (dvs stort oljeflöde genom brännaren) än vid låg last. Vid intrimning av en pannanläggning utan O2-reglering måste hänsyn tas till dessa faktorer och de förändringar som uppkommer efter intrimningstillfället. De statiska faktorerna bestäms genom val av kvalité på brännare och panna. Dessa förändras inte under drift. De dynamiska faktorerna ändras kontinuerligt framförallt på luftsidan och vid kapacitetsändringar. För att undvika sot (emissioner) och oförbrända gaser måste intrimning ske med ett (inte obetydligt) luftöverskott på cirka %. Detta medför givetvis en sämre eldningsekonomi. Genom att mäta syrehalten (O2) i rökgaserna och reglera den elimineras samtliga förändringar av de dynamiska faktorerna. Detta är O2-reglering. O2-mätare som är monterade i rökgaskanalen mäter O2-halten på fuktiga rökgaser. Mätare som tar ut prov från rökgasen mäter O2-halten på torra rökgaser. Följande samband mellan fuktig och torr rökgas gäller med någorlunda noggrannhet för luftöverskott upp till ca 50 % vid eldning med olja. O2-halt (fuktig rökgas) = 0,9 x O2-halt (torr rökgas) Mätsignalen från O2-mätaren kopplas till en regulator som skall påverka luft-bränslekvoten genom förändring av luft eller bränslemängden. För stegbrännare programmeras ett värde i O2-regulatorn för varje steg. För modulerande brännare mätes den momentana kapaciteten och styr O2-regulatorns börvärde efter en justerbar kurva, vilken är individuell för varje brännares möjligheter att brinna sotfritt. Övriga positiva effekter av O2-reglering. Praktiska mätningar och försök visar att låga luftöverskott minskar kväveoxid (NOx) utsläppet och svaveltrioxid (SO3) bildningen. Lägre NOx utsläpp förbättrar vår miljö och låga halter SO3 minskar korrosioner i pannsystemet. O2-regleringens utförande. O2-halten mätes med en O2-mätare i rökgaskanalen direkt efter pannan. O2-mätaren har en mätsond av zirkoniumdioxid för direkt mätning i rökgaserna. Detta för att få minsta möjliga tidskonstant, undvika kondens och försmutsningsproblem med åtföljande underhåll. O2-regleringen skall endast korrigera luft-bränslekvoten. Reglerkretsen skall ha en låg förstärkning. Stor förstärkning t.ex. genom direkt reglering av brännarens reglerspjäll eller bränsleventilen kan vid ett fel i utrustningen ge helt felaktig luft-bränslekvot med allvarliga följder. De bästa systemen för O2-reglering är en kombination med luftmängdsreglering på övertryckseldade pannor och undertrycksreglering på undertryckseldade pannor.

8 Sida 8 System för övertryckseldade pannor Pannan förses med luftmängdsreglering (differenstrycksreglering) och O2-regulatorn påverkar luftmängdsregulatorns börvärde genom s.k. följereglering. Systemet korrigerar också brännaren i uppreglering så att både luftmängdsregleringen och O2-regleringen förblir stabila och noggranna vid snabba belastningsändringar. Genom inställning skall området för påverkan begränsas och möjligheterna till stora förändringar förhindras, förstärkningen i reglerkretsen blir liten och regleringen stabil. Övertryckseldad panna med presslufts/rotations brännare och spjällstyrning av förbränningsluften Även andra system kan användas t.ex. övertrycksreglering med O2-påverkan, oljetrycksreglering etc. Dessa system bör endast användas när reglerspjäll ej kan monteras på brännaren för luftmängdsreglering. Övertryckseldad panna med tryckoljebrännare och spjällstyrning av förbränningsluften

9 Sida 9 System för undertryckseldade pannor För undertryckseldade pannor är undertrycksregleringen (dragregleringen) den viktigaste reglerkretsen. När dragregleringen kompletteras med O2-reglering kan detta utföras på två sätt. Antingen styra ett separat luftspjäll på brännarens luftintag (lika som vid luftmängdsreglering) eller via varvtalsstyrning av förbränningsluftfläkten reglera lufttillförseln. I båda fallen skall dock O2-regleringen begränsas så att endast en mindre del av den totala luftmängden kan påverkas. Systemen korrigerar också vid brännarens uppreglering så att både undertrycksregleringen och O2-regleringen förblir stabila och noggranna vid snabba belastningsändringar. Undertryckseldad panna med presslufts/rotations brännare och varvtalsstyrning av förbränningsluften Sammanfattning O2-reglering. * Eliminerar de dynamiska förändringarna i luft och bränsle. * Ger högsta eldningstekniska verkningsgrad Undertryckseldad panna med tryckoljebrännare och spjällstyrning av förbränningsluften * Minskar NOx-bildningen. (Mindre skadliga emissioner.)

10 Sida 10

11 Sida 11

12 Sida 12 AB MICATRONE REGULATOR Telefon: Fax: Dalvägen SOLNA