книги / Теплотехнические измерения и приборы

при дальнейшем их усовершенствовании и промышленном изготовлении они могут полностьюобеспечить измерение уровня пыли в бункерах на ТЭС и автоматизацию их загрузки.

В качестве примера рассмотрим один из вариантов электромеханического (лотового) уровнемера, используемого на ТЭС [87]. Кинематическая схема этого уровнемера приведена на рис. 20-3-2. Здесь 1 — электронное реле; 2 — магнит­ ный пускатель; 3 — электродвигатель колонки дистанционного управления (КДУ-1); 4 — реостатный преобразователь; 5 — вторичный прибор; 6 — рычаж­ ный механизм; 7 — кулачок; 8 — червячная пара; 9 — шкив из изоляционного материала, закрепленный на оси редуктора КДУ вместо штурвала для ручного управления; 10 — трос, намотанный на шкив, на свободном конце которого под­ вешен металлический груз; 11 — скользящий контакт; 12 — груз.

При включении уровнемера в работу электронное реле с помощью магнитного пускателя замыкает цепь питания электродвигателя. Вал электродвигателя, кинематически связанныйсошкивом, вращаетегов направлении, при котором груз опускается. Как только груз придет в соприкосновение с угольной пылью, в элек­ тронном реле происходит переключение цепей, управляющих магнитным пуска­ телем. Вследствие этого электронное реле разрывает цепь питания первой обмотки магнитного пускателя, а следовательно, и цепь питания электродвигателя. Затем электронное реле замыкает цепь питания второй обмотки магнитного пускателя, который включает в работу электродвигатель. Вал электродвигателя приводит в действие шкив, который, вращаясь в обратном направлении, поднимает груз. Опускание и подъем груза осуществляются через каждый 6 мин. Таким образом, этот уровнемер является периодически действующим с определенным интервалом времени.

Перемещение груза, пропорциональное уровню пыли в бункере, преобразо­ вывается посредством червячной пары, кулачка, рычажного механизма и реостат­ ного преобразователя в напряжение, которое измеряет вторичный прибор. Шкала вторичного прибора можетбыть отградуирована в единицах, удобныхдля контроля уровня угольной пыли в бункере.

о--------- Р А З Д Е Л С Е Д Ь М О Й •о

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ СОСТАВА ГАЗОВ

Г Л А В А Д В А Д Ц А Т Ь П Е Р В А Я

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ СОСТАВА ГАЗОВ

21-1. Общие сведения

Средства измерений, предназначенные для количественного определения состава газа, называются газоанализаторами и газо­ выми хроматографами. Эти технические средства в зависимости от их назначения подразделяются на переносные и автоматические.

Переносные газоанализаторы и хроматографы применяются в лабораторных условиях для количественного определения состава газа при выполнении исследовательских работ, а также при спе­ циальных обследованиях, испытаниях и наладке различных про­ мышленных теплотехнических установок (парогенераторов, печей и др.). Приборы этого типа широко используются для проверки авто­ матических газоанализаторов.

Автоматические газоанализаторы, предназначенные для непре­ рывного автоматического измерения объемного процентного содер­ жания одного определяемого компонента в газовой смеси, широко применяют в различных отраслях промышленности, в частности энергетической. Современные автоматические газоанализаторы поз­ воляют определять содержание в газовой смеси двуокиси углерода (С02), кислорода (02), окиси углерода и водорода (СО + Н2), СО, Н2, метана (СН4) и других газов.

Автоматические газоанализаторы широко применяют для кон­ троля процесса горения в топочных устройствах парогенераторов, печей и других агрегатов, для анализа технологических газовых смесей, для определения содержания водорода в системах водород­ ного охлаждения обмоток турбогенераторов и т. д.

Для правильного ведения топочного режима необходимо поддер­ живать определенное соотношение между количествами подаваемых в топку парогенератора (или печи) топлива и воздуха. Недостаточ­ ное количество воздуха приводит к неполному сгоранию топлива и уносу несгоревших продуктов в трубу. Избыточное количество воз­ духа обеспечивает полное сгорание, но требует больших затрат топлива на нагрев дополнительного объема воздуха. В том и дру­ гом случае полезная тепловая отдача топки парогенератора умень­ шается. Необходимое соотношение топливо — воздух зависит от различных факторов и в первую очередь от вида топлива. Для раз­ личных видов топлива устанавливают оптимальное значение коэф­ фициента избытка воздуха «, при котором обеспечивается экономич­ ная работа установки.

Непрерывный контроль топочного режима в эксплуатационных условиях на современных ТЭС осуществляется с помощью автомати­ ческих газоанализаторов по содержанию в продуктах горения (ды­ мовых газах) 0 3. В промышленности и на парогенераторах малой мощности контроль процесса горения осуществляют иногда с по­ мощью анализа продуктов горения на содержаниеС02. На рис. 21-1-1 представлены графики изменения содержания 02 и СО, в продук­ тах полного горения в зависимости от коэффициента избытка воз­

горении практически одинаково и мало отличается от теоретиче­ ской зависимости.

Для контроля топочного режима при сжигании мазута и газа при малых избытках воздуха а — 1,01 1,03 необходимо приме­ нять автоматические газоанализаторы с диапазоном измерения от 0 до 2% 02.

Для большей надежности наряду с содержанием 02в продуктах горения целесообразно контролировать также содержание СО, Н 2 и СН4; желательно дополнительно производить контроль по густоте дыма с помощью дымномера. Контроль густоты дыма необходим также из санитарных соображений для обеспечения чистоты атмо­ сферного воздуха. Однако в настоящее время дымномеры серийно не выпускаются.

Газоанализаторы обычно градуируют в процентах по объему. Такой способ градуировки шкалы газоанализаторов удобен, так

как процентная доля отдельных компонентов в общем объеме оста­ ется неизменной при изменении давления и температуры газовой смеси.

21-2. Газоанализаторы химические

Газоанализаторы химические, относящиеся к группе механи­ ческих приборов, основаны на измерении сокращения объема за­ бранной пробы газа после удаления анализируемого компонента. Удаление компонента осуществляется методами избирательного поглощения или раздельного дожигания.

Так, например, из забранной пробы газа двуокись углерода поглощается водным раствором едкого кали, обладающим способ­ ностью избирательного поглощения С02:

2.КОН + С02= К,СО, + Н20.

Непоглощенный остаток анализируемого газа поступает в газо­ измерительное устройство, где измеряется уменьшение объема, соответствующее поглощенному С02.

Этот метод применяется как в газоанализаторах переносных ручного действия типа ГХП2 и ГХПЗ (ГОСТ 6329-52), называемых часто приборами Орса, так и в автоматических газоанализаторах.

Метод избирательного поглощения в сочетании с методом раз­ дельного дожигания горючих составляющих анализируемой пробы газа дает возможность определить процентное содержание следую­ щих компонентов газовой смеси С02 (или R02), 02, СО, Н2, С„Нт (суммы непредельных углеводородов), суммы метана СН4 и других предельных углеводородов С„Н2„+2. Данный метод применяется в переносном газоанализаторе типа ВТИ-2 (ГОСТ 7018-54) [88].

Рассмотрим переносные химические газоанализаторы ручного действия типа ГХПЗ и ГХП2, получившие вследствие своей простоты широкое применение при испытании различных установок, а также для проверки автоматических газоана­ лизаторов на СОа и 02как в лабораторных, так и в эксплуатационных условиях.

На рис. 21-2-1 показана схема устройства газоанализатора типа ГХПЗ. Он состоит из следующих основных частей: бюретки 1 для отмеривания первоначаль­ ного объема газовой пробы и для измерения его уменьшения в результате погло­ щения; трех поглотительных сосудов 2\ распределительной гребенки 3 (для рас­ пределения газа между отдельными частями прибора). Правые концы поглотитель­ ных сосудов с помощью трубок соединены с резиновым мешком 4 для предохра­ нения реактивов от соприкосновения с воздухом.

Бюретка, снабженная жидкостным затвором, изготовляется емкостью 100 мл с ценою деления шкалы 0,2 мл. Допускаемое отклонение показаний шкалы не превышает ±0,2 мл (ГОСТ 6329-52). Градуировка шкалы может быть выполнена в процентах от общего объема бюретки. Для увеличения точности измерения ниж­ няя часть бюретки, составляющая 20% ее объема, значительно сужена. Для умень­ шения влияния изменения температуры воздуха, окружающего прибор, бюретка помещена в стеклянный цилиндр 5, заполненный водой. Бюретка вверху соединена резиновой трубкой с распределительной гребенкой, а внизу с помощью резинового шланга — с уравнительной склянкой 6, в которуюзаливаютзатворнуюжидкость. В качестве затворной жидкости применяют насыщенный водный раствор поварен­ ной соли, подкисленный серной или соляной кислотой и подкрашенный в розовый цвет метилоранжем. Применяя такую жидкость, можно заметить случайное попа­

даниевизмерительнуюбюретку щелочи из поглотительных сосудов, так как в этом случае цвет затворной жидкости становится желтым.

Поглотительные сосуды в газоанализаторе ГХПЗ предназначены для определе­ ния в пробе газаС02, 02и СО. Однако при определенииСО необходимо учитывать, что не все реактивы, применяемые для этой цели, являются надежными. Для уве­ личения поверхности соприкосновения между анализируемым газом и реактивом поглотительные сосуды заполнены стеклянными трубками.

Стеклянные краны 7, 8 и 9 распределительной гребенки служат для соедине­ ния поглотительных сосудов с бюреткой. Распределительная гребенка снабжена трехходовым краном, который соединен с фильтром 11, заполненным стеклян­ ной ватой, и резиновой грушей /2, предназначеннойдля подноса газа. Перед нача­ лом работы прибор должен быть проверен на плотность кранов и местсоединений.

Работа на газоанализаторе ГХПЗ производится в следующем порядке. С по­ мощью резиновой груши продувают газоподводящую линию, а затем распредели­ тельную гребенку. В последнем случае газ забирают в бюретку и выдавливают

Рис. 21-2-1. Схема газоанализатора типа ГХПЗ.

в атмосферу через трехходовой кран. Перед взятием пробы газа для анализа уро­ вень реактива в поглотительных сосудах должен быть доведен до контрольных меток под кранами, а уровень жидкости в бюретке — до верхней отметки. При заборе газа для анализа уравнительная склянка 6 медленно опускается и в бю­ ретке создается разрежение; при этом трехходовой кран должен быть^повернут так, чтобы гребенка прибора была соединена через фильтр 11 с линией подвода газа. Проба газа, забранная в бюретку, приводится к атмосферному давлению. Для этого уравнительную склянку опускают вниз так, чтобы уровень жидкости в бюретке был немного ниже нулевой отметки на шкале, и после этого отключают прибор от газоподводящей линии трехходовым краном. В таком положении охлаж­ дают газ в бюретке в течение некоторого времени. После этого поднимают уравни­ тельную склянку и газ в бюретке сжимают настолько, чтобы уровень жидкости вбюретке установился на нулевой отметке. Затем на мгновение сообщают бюретку через гребенку трехходовым краном с атмосферой и удаляют из прибора в атмо­ сферу излишек газа, после чего отключают прибор трехходовым краном, а вместе стемотсекаютнеобходимыйобъемгаза в бюретке приатмосферном давлении и тем­ пературе прибора.

Анализ газа начинают с определения процентного содержания С02 в пробе газа. Для этого кран соответствующего поглотительного сосуда открывают, мед­ ленно поднимают уравнительную склянку и вытесняют газ в поглотительный сосуд с раствором едкого кали, доводя уровень жидкости в бюретке до верхней конечной отметки на капиллярнойтрубке. Затемуравнительнуюсклянкуопускают до тех пор, пока реактив в поглотительном сосуде не дойдет до контрольной метки

АоД краном. Повторив эту Операцию 4—5 раз, доводят реактив в поглотительном сосуде до контрольной метки и кран этого сосуда закрывают, уравнительную склянку устанавливают так, чтобы вода в ней и в бюретке была на одинаковом уровне. После этого производят отсчет по шкале, нанесенной на бюретке, умень­ шения объема газа в результате поглощения. Затемделают контрольную прокачку, и если контрольный отсчет по шкале не дает изменения объема, считают, что С02 поглощено полностью.

Если анализируемый газ содержит двуокись серы (S02), то ее определяют совместно с С02. Сумму этих газов принято обозначать R02. В этом случае одно­ временно протекает следующая реакция:

2КОН+ SOo= K2S02+ Н20.

После поглощения С02 остаток пробы газа вытесняют с помощью уравнитель­ ной склянки из бюретки в поглотительный сосуд с щелочным раствором пирогаллоловой кислотыдля поглощения 02. При определении процентногосодержания 02 ввиду медленного протекания реакции перекачивание газа в реактив необходимо повторять 6—7 раз. При этом необходима контрольная прокачка газа через реак­ тив. Отсчет по шкале процентного содержания 02 делается аналогично с С02.

Указанную очередность при определении С02 и 02 необходимо соблюдать обязательно, так как раствор пирогаллоловой кислоты поглощает С02.

Аналогичным же образом определяют процентное содержание СО, перегоняя остаток газа через поглотительный сосуд с щелочным раствором полухлористой меди. Необходимо иметь в виду, что реактив для поглощения СО сравнительно быстро насыщается и портится, поэтому невсегдаобеспечиваетдостаточнуюнадеж­ ность определения СО. Следует также отметить, чтоэтотреактив поглощает кисло­

род.

Газоанализатор ГХП2 имеет два поглотительных сосуда и позволяет опреде­ лять процентное содержание в газовой смеси С02, 02 или СО. Устройство его в принципе аналогично с прибором ГХПЗ. Бюретка газоанализатора изготовляется емкостью 50 мл с ценой деления шкалы 0,1 мл. Допустимое отклонение показаний шкалы не превышает±0,1 мл. Градуировка шкалы может быть выполнена в про­ центах от общего объема бюретки.

Наиболее употребительные реактивы для определения С02 и 02 приготовля­ ются следующим образом:

1.Для поглощения С02 берут 100 г едкого кали (КОН) на 200 мл дистилли­ рованной воды. Максимальный предел поглощения 1мл этого реактива равен 40 мл С02.

2.Для поглощения 02 берут 40 г пирогаллола [С0Н3(ОН)3] растворяют в60 мл дистиллированной воды. Этот раствор смешивают со 140 мл 50%-ного раствора КОН. Лучше смешение растворов производить непосредственно в поглотительном сосуде, что в значительной степени уменьшит возможность окисления пирогаллола во время приготовления реактива. Допускаемая поглотительная способность 1мл этого реактива составляет 2,3 мл 02.

Автоматические химические газоанализаторы в настоящее время на ТЭС не применяются. Основным недостатком этих газоанализа­ торов является то, что они относятся к приборам периодического действия, дающим 20— 30 анализов в час [34].

21-3. Тепловые газоанализаторы

К тепловым газоанализаторам относятся приборы, основанные на измерении тепловых свойств определяемого компонента газо­ вой смеси, могущих быть мерой его концентрации. В качестве из­ меряемых величин в газоанализаторах этого типа используются теплопроводность газовой смеси и полезный тепловой эффект реак­ ции каталитического окисления, которые зависят от концентра-

ции определяемого компонента. Тепловые газоанализаторы подраз­ деляются на газоанализаторы термокондуктометрические (по теп­ лопроводности газовой смеси) и термохимические (по полезному тепловому эффекту реакции каталитического окисления).

Газоанализаторы термокондуктометрические. Газоанализаторы, основанные на измерении теплопроводности анализируемой газовой смеси, применяются для определения процентного содержания какого-либо одного компонента: двуокиси углерода (С02), водо­ рода (Н2), аммиака (NH3), гелия (Не), хлора (С12) и других газов, имеющих резко отличные коэффициенты теплопроводности по срав­ нению с другими компонентами смеси. Анализ многокомпонентной газовой смеси по ее теплопроводности можно производить при усло­ вии, что все компоненты газовой смеси, кроме определяемого, имеют одинаковую теплопроводность. Если в газовой смеси имеются ком­ поненты, которые могут исказить результаты анализа, то, как будет показано ниже, тем или иным способом устраняют их влияние.

В табл. 21-3-1 приводятся значения теплопроводности Я, темпе­ ратурные коэффициенты теплопроводности р и отношения тепло­ проводности некоторых газов к теплопроводности воздуха Я100 при температуре 100° С.

Т а б л и ц а 21-3-1

Теплопроводность Я, температурные коэффициенты теплопроводности {3 и отношения теплопроводности некоторых газов к теплопроводности воздуха Тюо при температуре 10СР С

как температурные коэффициенты теплопроводности газов неодина­ ковы, при повышенных температурах теплопроводности некоторых газов оказываются равными теплопроводности .воздуха. Например, для С02 такое равенство наступает при 600° С. При этой темпера­ туре анализ газов с целью определения С02 по суммарной теплопро­ водности газовой смеси невозможен, Для анализа по теплопровод­

ности газовой смеси наиболее благоприятный температурный режим обеспечивается при 80—100° С.

почти одинаковы, поэтому при выборе соответствующей темпера­ туры (например, близкой к 100° С) определение С02 может про­ изводиться с достаточной точностью. Метан обычно присутствует в продуктах горения в незначительном количестве и существенного влияния на теплопроводность газовой смеси не оказывает. Наличие водорода в продуктах горения приводит к значительному искаже­

объемом воды. Следует отметить, что 1% S02 преувеличивает показания газоанализатора примерно на 1,7% С02. Кроме того, S02 является агрессивным газом, вызы­ вающим коррозию металлических частей прибора.

Температура и влажность отбираемой пробы газовой смеси могут колебаться в достаточно широких пределах. Поэтому для уменьше­ ния влияния переменного состава водяных паров на результаты анализа, а также для снижения температуры и влажности пробу газовой смеси охлаждают до определенной температуры с помощью водяного холодильника. Это позволяет стабилизировать температуру и влажность газовой смеси, поступающей в приемный преобразова­ тель газоанализатора. В некоторых случаях, например в газоанали­ заторах, предназначенных для определения С02 в бинарных сме­ сях с повышенной или переменной влажностью, для стабилизации ее перед приемным преобразователем газоанализатора устанавли­ вают барботеры, в которых сравнительный и анализируемый газы увлажняются до насыщения.

Принципиальная схема газоанализатора на С02 и Н2 приведена на рис» 21-3-1. Газоанализатор состоит из приемного преобразова­

теля с мостовой измерительной схемой, линии связи, вторичного измерительного прибора (например, милливольтметра) и источника питания. Плечи моста приемного преобразователя R2 и Rt, являю­ щиеся рабочими чувствительными элементами, изготовлены из тонкой платиновой проволоки (обычно диаметром 0,02—0,04 мм и сопротивлением 10 или 40 Ом) и помещены в измерительные ка­ меры, через которые протекает анализируемая газовая смесь. Два других плеча моста Rx и R3, выполненные также из платиновой проволоки, представляют собой чувствительные элементы, поме­ щенные в герметически закрытые камеры, заполненные сравнитель­ ным газом. В газоанализаторах, предназначенных для определения С02 в газовой смеси, сравнительным газом является воздух. Име­ ются газоанализаторы, у которых плечи моста Ri и R3не находятся в закрытых камерах, а аналогично рабочим чувствительным эле­ ментам непрерывно омываются сравнительным газом.

Питание мостовой измерительной схемы современных газоана­ лизаторов осуществляется постоянным током от источника стабили­ зированного питания (ИПС). Резистор R3, включенный в цепь пи­ тания, предназначен для установки тока питания моста при градуи­ ровке газоанализатора на заводе-изготовителе.

Для уменьшения влияния колебания температуры воздуха, ок­ ружающего приемный преобразователь газоанализатора, необхо­ димо, чтобы было соблюдено равенство сопротивлений чувствитель­ ных элементов (Ri = Rz = R3 = Rt) с наивысшей степенью точно­ сти. При протекании через газовые камеры воздуха мост должен быть электрически уравновешен и указатель милливольтметра должен находиться на отметке, соответствующей начальному зна­ чению шкалы. Незначительные отклонения от равновесия схемы в тот момент, когда все четыре чувствительных элемента омываются воздухом, устраняются с помощью регулируемого резистора R0. Сопротивление этого резистора составляет примерно 0,15 Ом.

Для подгонки сопротивления линии связи до заданного значе­ ния служит резистор Ry. Параллельно с показывающим измери­ тельным прибором может быть включен также и самопишущий мил­ ливольтметр. В этом случае градуировка газоанализатора должна быть выполнена с учетом сопротивления второго вторичного прибора и определенного значения сопротивления линии связи.

При омывании чувствительных элементов R3 и Rt анализиру­ емым газом, содержащим С02 (Н2 и S02 отсутствуют), изменяются условия теплоотдачи от чувствительных элементов R3 и к стен­ кам камер вследствие того, что теплопроводность анализируемого газа благодаря наличию С02 иная, чем сравнительного газа (воз­ духа). В силу этого температура чувствительных элементов R3 и Ri возрастает, а следовательно, увеличивается их сопротивление. При этом на вершинах в диагонали моста из-за нарушения элек­ трического равновесия схемы появится напряжение и указатель милливольтметра отклонится на некоторый угол. Это напряжение является функцией сопротивления чувствительных элементов R2

и Ri или, иначе говоря, функцией объемного процентного содержа­ ния С02 в анализируемой газовой смеси.

Пределы допускаемой основной погрешности газоанализаторов, выполненных по схеме рис. 20-3-1, для определения С02 в газовой смеси не превышают 2—2,5% диапазона измерения. Изменение показаний газоанализаторов этого типа при изменении температуры окружающего воздуха от 20 ± 5° С до любой температуры в пре-

О

0А

Рис. 21-3-2. Принципиальная компенсационная измерительная схема термо­ кондуктометрического газоанализатора на СОа или И2..

делах от 5 до 50° С на каждые 10° С не превышает ± 2 — 2,5% диапазона измерения.

Рассмотрим компенсационно-мостовую измерительную схему газоанализатора, предназначенного для измерения объемной кон­ центрации С02 в продуктах горения или Н2 в системах водород­ ного охлаждения турбогенераторов. Принципиальная компенса­ ционная измерительная схема, применяемая в газоанализаторах на С02 или Н2, разработанных СКВ аналитического приборостроения АН СССР и серийно выпускаемых Выруским заводом газоанализа­ торов, показана на рис. 21-3-2. Приемный преобразователь газоана­ лизатора состоит из двух измерительных мостов: рабочего РМ и сравнительного СМ, Мосты преобразователя питаются переменным