CC BY
0
УДК 62-97/-98
DOI: 10.15593/2224-9982/2024.77.07
А.Н. Саженков, А.И. Фатыков, И.Б. Мелузова
ОДК-Авиадвигатель, Пермь, Российская Федерация
ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ЭМИССИИ ОКСИДОВ АЗОТА NOx В ГАЗОТУРБИННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
Представлен обзор основных методов и средств прямого измерения оксидов азота NOx (NO+NO2), применяемых в газотурбинном двигателестроении, на предмет их возможного введения в типовую конструкцию турбомашин для непрерывного мониторинга и управления NOx.
Установлено, что в авиационном двигателестроении измерение NOx осуществляют главным образом при проведении стендовых испытаний. Во время полета существующие способы измерения эмиссии малопригодны из-за сложности и громоздкости технологического оборудования, высокого уровня внешних воздействующих факторов.
Задача контроля и учета выбросов оксидов азота газотурбинных установок в целом успешно решена. В западных странах налажен серийный выпуск и массовое применение газоанализаторов NOx. В РФ промышленные технологии измерения NOx также содержательно развиты и имеют глубокий потенциал. Однако серийно эксплуатируемые системы контроля и учета эмиссии пока сохраняют определенные методологические недостатки, в том числе сложную систему отбора и подготовки проб газов, значительную трудоемкость процесса измерения, высокие эксплуатационные затраты. Поэтому, как показал обзор, в РФ пока нет массового оборудования турбомашин средствами контроля эмиссии NOx.
Представляется целесообразным поиск новых способов оценки эмиссии авиационных двигателей и газотурбинных установок для целей непрерывного мониторинга и управления NOx.
Ключевые слова: эмиссия, оксиды азота, газотурбинный двигатель, газотурбинная установка, газоанализатор, электрохимический датчик, система отбора проб газа, система контроля, мониторинг, управление, диагностика, нормы на выброс вредных веществ.
A.N. Sazhenkov, A.I. Fatykov, I.B. Meluzova
UEC-Aviadvigatel, Perm, Russian Federation
OVERVIEW OF METHODS AND TOOLS FOR MEASURING NITROGEN OXIDE NOx EMISSIONS IN GAS TURBINE TECHNOLOGIES
The article provides an overview of the main methods and means of direct measurement of nitrogen oxides NOx (NO+NO2) used in the gas turbine engine industry, with a view to their possible introduction into the standard design of turbomachines for continuous monitoring and control of NOx.
It has been established that in the aviation engine industry, NOx measurement is carried out mainly during bench tests. During the flight, the existing methods of measuring emissions are of little use due to the complexity and bulkiness of the technological equipment, the high level of external influencing factors.
The task of monitoring and accounting for nitrogen oxide emissions from gas turbine installations has been successfully solved. Serial production and mass use of NOx gas analyzers have been established in Western countries. In the Russian Federation, industrial NOx measurement technologies are also significantly developed and have deep potential. However, commercially operated emission control and accounting systems still retain certain methodological shortcomings, including a complex system of gas sampling and preparation, significant labor intensity of the measurement process, and high operating costs. Therefore, as the review showed, there is still no mass equipment of turbomachines with NOx emission controls in the Russian Federation.
It seems advisable to search for new ways to assess the emissions of aircraft engines and gas turbine installations for the purposes of continuous monitoring and management of NOx.
Keywords: emission, nitrogen oxides, gas turbine engine, gas turbine installation, gas analyzer, electrochemical sensor, gas sampling system, control system, monitoring, management, diagnostics, emission standards.
В настоящее время в мире действуют постоянно ужесточающиеся нормы на выброс вредных веществ в выходящих газах авиационных двигателей и газотурбинных установок [1-5].
Наличие вышеуказанных ограничений актуализирует потребность в разработке и применении автоматических средств непрерывного измерения выбросов газов NO, NO2, CO, несгоревших углеводородов CXHY, которые необходимы как для диагностики режимов горения, так и для формирования эффективных управляющих воздействий в камеру сгорания для минимизации эмиссии.
Отдельной перспективной задачей Международной организации гражданской авиации (ИКАО), находящейся в стадии обсуждения, является оценка эмиссии ВВ на крейсерском режиме работы и оценка эмиссии вредных веществ за типовой полетный цикл [1, 2].
Требование контроля вредных веществ газоперекачивающих агрегатов (ГПА) уже сейчас является положением стандарта организации ПАО «Газпром» СТО Газпром 2-3.5-138-2007, оговаривающим наличие в составе системы автоматического управления (САУ) ГПА автоматической системы измерения вредных выбросов оксидов азота N0,^ и оксида углерода СО (п. 8.15) [6].
Таким образом, в газотурбинных технологиях востребовано применение автоматических систем непрерывного определения эмиссии оксидов азота N0x (N0+N02).
В общем случае решение данной задачи возможно двумя способами - путем прямого измерения N0x и расчетным способом с использованием измерений ряда параметров рабочего цикла и соответствующей математической модели расчета N0^
Целью статьи является выполнение обзора методов и средств прямого измерения эмиссии оксидов азота N0x с оценкой возможности их внедрения в типовой конструкции российских авиационных двигателей, энергетических и промышленных газотурбинных установок.
Способы и устройства определения эмиссии оксидов азота на основе прямых методов измерения NOx
Всего по теме определения эмиссии оксидов азота N0x было проанализировано более 135 источников: 30 патентов, 75 публикаций и более 30 сайтов производителей оборудования. Основными критериями отбора для последующей оценки способа являлись его применимость в серийной эксплуатации, в том числе эффективная работа в реальном масштабе времени, надежность, компактность, отсутствие ручного труда, минимальные аппаратные, вычислительные и эксплуатационные затраты, ориентированность на отечественные технологии.
Установлено, что наиболее распространенная технология прямого измерения N0x - это применение газовых анализаторов, которые являются важнейшей частью современных автоматических измерительных систем (АИС) определения массовой концентрации N0x в самых различных областях, таких как теплоэнергетика, транспорт, промышленные выбросы, нефтепереработка, черная и цветная металлургия, экологический контроль качества атмосферного воздуха и др.
Традиционные методы измерения N0x включают отбор и анализ репрезентативной пробы выхлопных или дымовых газов источника горения. Распространенные сенсорные технологии для измерения N0x включают электрохимические, недисперсионные, инфракрасные и хемилю-минесцентные технологии.
Рассмотрим методы измерения N0x и примеры их практической реализации в наиболее значимых сферах применения, связанных с газотурбинными технологиями.
Проектирование авиационных двигателей и наземных газотурбинных установок
В условиях АО «ОДК-Авиадвигатель» при создании и сертификации авиационного двигателя и газотурбинных установок ГТУ-16П и ГТУ-25П с малоэмиссионными камерами сгорания эффективно применялась технология измерения вредных выбросов с применением газоанализаторов по схеме, представленной на рис. 1.
Отбор пробы газа осуществляется располагаемым за соплом двигателя [7, 8] одноточечным пробоотборником, установленным на промышленный робот. Применение робота позволяет выполнять измерения эмиссии вредных выбросов в любой точке и на любом расстоянии от среза сопла двигателя.
Проба газа транспортируется по обогреваемой трубопроводной магистрали в газоанализаторы, расположенные в газоаналитической лаборатории испытательного стенда.
В ходе испытаний авиационных двухконтурных двигателей ПС-90А, ПС-90А2 и перспективных двигателей измерения N0x выполняются в соответствии с требованиями ИКАО [9].
Рис. 1. Схема измерения эмиссии вредных выбросов авиационного двигателя с помощью роботизированного пробоотборника и газоанализаторов: 1 - ГТД; 2 - пробоотборник, установленный на промышленный робот Кика; 3 - обогреваемая линия (Т = 160 ± 15 °С); 4 - вакуумный насос; 5 - анализатор углеводородов СХН^ 6 - конвертер NO2 ^ N0; 7 - анализатор N0^ 8 - осушитель пробы; 9 - анализатор СО, С02(02); 10 - баллоны с поверочными газовыми смесями (ПГС); 11 - информационно-измерительная система
Измерение газовой концентрации КОх авиационных двигателей осуществляется по методу хемилюминесценции как наиболее точному и высокочувствительному.
Суть метода заключается в регистрации излучения, выделяемого при химической реакции исследуемой пробы N0 и добавленного озона О3:
N0 + Оз => N02* + О2
N02* => N02 + Ь,
где NO2*— молекулы NO2 в фотохимически возбужденном состоянии.
По мере того как NO и O3 смешиваются в реакционной камере, интенсивность выделяемого излучения измеряется инфракрасным фотодетектором. В свою очередь, интенсивность излучения пропорциональна концентрации NO в исходной газовой пробе.
Поскольку NO2 не обладает хемилюминесценцией для измерения NOx (NO + NO2), весь NO2, содержащийся в пробе, восстанавливается до NO (с эффективностью более 95 %) посредством непрерывного прохождения через нагретый слой стекловидного углерода. Весь NO, первоначально присутствующий в пробе, проходит эту стадию конвертирования без изменения.
Газоаналитическая лаборатория испытательного стенда АО «ОДК-Авиадвигатель» оборудована комплексом NGA2000 (Emerson - turbine analyzer system) производства фирмы «Эмерсон» (Германия). Измерения NOx непосредственно обеспечивает измерительный блок WCLD (метод измерения - хемилюминесценция в горячей влажной пробе). Ключевым преимуществом анализаторного модуля WCLD является исключение потерь диоксида азота (NO2) в конденсате пробы. Это достигается путем подачи газообразной пробы в модуль конверсии через нагреваемую печь. В печи расположен стекловидный угольный конвертер, который нагрет до температуры 350-400 °С. Конвертер восстанавливает NO2 в пробе до оксида азота (NO). Стекловидное угольное вещество доводит эффективность конверсии до 95 % с ограниченными интерферентными эффектами. Весь присутствующий первоначально в пробе NO проходит через конвертер без изменений. Термоэлектрический охладитель удаляет влагу из потока пробы
сразу на выходе из печи. Перистальтический насос сливает всю влагу, удаленную из газовой пробы. Затем сухая газовая проба входит в модуль детектирования. Модуль детектирования вмещает озоновый генератор, камеру и фотодиодный детектор. Особенность анализатора -возможность переключения режимов NOx / NO.
При проведении измерений параметров эмиссии в ходе испытаний наземных газотурбинных установок АО «ОДК-Авиадвигатель» соблюдаются требования стандарта ГОСТ Р ИСО 11042-1-2001 «Установки газотурбинные. Методы определения выбросов вредных веществ». Рекомендуемые ГОСТ Р ИСО методы измерения концентраций оксидов азота NOx следующие:
- хемилюминесценция (CL);
- недисперсионная спектрофотометрия в инфракрасной области (NDIR);
- недисперсионная спектрофотометрия в ультрафиолетовой области (NDUV).
Наибольшее применение при испытаниях ГТУ получил электрохимический метод измерения NOx, который иногда используется и при испытаниях авиационных двигателей.
В общем случае электрохимический преобразователь (сенсор) представляет собой ячейку, заполненную электролитом с помещенными в нем частично или полностью двумя или несколькими электродами из одного или разных металлов. Анализируемый газ проходит над поверхностью электролита и вступает с ним в химическую реакцию. В результате в растворе возникают заряженные ионы, а в электрической цепи между электродами начинает протекать электрический ток, пропорциональный концентрации анализируемого компонента в пробе [10].
Так, например, в АО «ОДК-Авиадвигатель» для оценки эмиссии NO2, O2, СО при научно-исследовательских стендовых испытаниях ГТУ применяли малогабаритные электрохимические датчики компании City Technology (Англия), являющейся сегодня частью ведущего бренда Honeywell (США). На рис. 2 представлен внешний вид примененных электрохимических сенсоров компании City Technology, для сравнения здесь также показаны аналогичные российские электрохимические сенсоры производства ООО «Аналитхимавтоматика», г. Москва [11].
Рис. 2. Вид электрохимических датчиков компании City Technology и ООО «Аналитхимавтоматика»
Электрохимические сенсоры ООО «Аналитхимавтоматика» выпускаются стандартных (0 42 мм) и миниатюрных (0 20 мм) типоразмеров, их характеристики позволяют полностью заменить импортные аналоги таких глобальных производителей, как City Technology, AlphaSense (Великобритания), Membrapore (Швейцария) и др.
Из отечественных производителей газоанализаторов с электрохимическими сенсорами также следует выделить «Аналитприбор», г. Смоленск [12], НПЦ «Аналитех», г. Н. Новгород [13], ООО «Мониторинг», г. Санкт-Петербург [14].
К недостаткам электрохимического метода по авиационным меркам следует отнести то, что ячейки имеют срок службы до 3 лет, требуется их поверка один раз в год, имеется высокий риск отказа датчика при воздействии внешних воздействующих факторов, характерных для
авиационного ГТД (вибрации до 30 g, температура, термоудары и т.д.). Время отклика может превышать 45...60 с, что неизбежно приводит к погрешности измерения в динамике.
В АО «ОДК-Авиадвигатель» при научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах по созданию малоэмиссионных камер сгорания наземных газотурбинных установок для измерений оксидов азота в составе одногорелочного отсека широко применяют газоаналитические многокомпонентные портативные приборы 1^ТО-350 (рис. 2, а) и полустационарные MGA5+ (рис. 2, б).
Рис. 3. Внешний вид переносных газоанализаторов: а - газоанализатор TESTO-350; б - газоанализатор MRU MGA 5+
В газоанализаторе TESTO-350 установлены электрохимические сенсоры для раздельного измерения NO и NO2, каждый сенсор имеет свой диапазон измерения. В газоанализаторе MGA5+ измеряется сумма оксидов азота NOx. Для этого прибор оснащен каталитическим конвертером NO2 => NO. Измерение оксидов азота выполняется недисперсионным спектрофото-метрическим сенсором в инфракрасной области спектра.
Для надежного обеспечения качества измерений и предотвращения выдачи дефектных результатов используются несколько газоанализаторов (не менее двух), показания которых сравниваются между собой. Измерения содержания компонентов пробы выхлопного газа выполняются, если проба является представительной. Кондиционными считаются измерения с представительностью пробы в пределах ± 10 %. Расчет представительности осуществляют сравнением термодинамического коэффициента избытка воздуха и избытка воздуха, рассчитанного на основании измеренного содержания кислорода (О2) в выхлопных газах газоаналитической аппаратурой. Также используется методика учета и проверки градуировочных характеристик газоанализаторов до и после проведения испытаний ГТД и его узлов малоэмиссионной камеры сгорания (МЭКС) при помощи эталонных газовых смесей (поверочных газовых смесей). Все применяемые газоанализаторы типа NGA2000, MGA5+, TESTO-350 проходят обязательную проверку градуировочных характеристик до и после испытания двигателей или их узлов.
В таблице представлены основные технические характеристики газоанализаторов, применяемых в АО «ОДК-Авиадвигатель».
Для оценки механизмов образования вредных выбросов иностранными компаниями широко используются оптические технологии, например, компактные спектрометры фирм Hamamatsu Photonics (Япония), Ocean Optics (США), Avantes (Голландия). Для анализа тепло-физических процессов также применяют лазерные системы FlameMaster компании LaVision (ФРГ). Компания Rolls-Royce (Англия) для оценки эпюры концентрации NO, CO, CO2 внутри камеры сгорания применяет высокоскоростную цветную камеру CCD.
Аналогичные технологии реализуются в РФ. Так, для оценки излучения NO, NO2 в камере сгорания ГТД УНПП «Молния», г. Уфа, предложило использовать оптико-электронную систему ОЭС-2011 контроля пламени и малогабаритную спектрометрическую аппаратуру на базе спектрометра Ocean Optics. В конструкции спектрометра, построенного по схеме Черни - Тернера, был использован волоконный зонд собственной разработки с учетом богатого опыта эксплуатации световодов оптических пирометров типа Ol II1-94 [15, 16].
Технические характеристики газоанализаторов
Тип газоанализатора (метод измерения) Измеряемый компонент Диапазон измерения, ppm Погрешность Быстродействие
NGA2000 (хемилюминесценция) NO 0-500 0-1000 0-10 000 ± 8 % от диапазона измерения Т90 = 8 с (документация фирмы)
TEST0-350 (электрохимический сенсор) NO 0-3 000 ± 5 ррт (от 0 до 99 ррт); ± 5 % от измеренных значений (от 100 до 1999 ррт); ± 10 % от измеренных значений (от 2000 до 3000 ррт) Т90 = 30 с (документация фирмы)
NO2 0-500 ± 5 ррт (от 0 до 99,9 ррт); ± 5 % от измеренных значений (от 100 до 500 ррт) Т90 = 40 с (документация фирмы)
MGA5+ (инфракрасный сенсор) NO 0-200 ± 5 ррт (от 0 до 50 ррт); ± 10 ррт (от 51 до 100 ррт); ± 10 % от измеренных значений (от 101 до 200 ррт) Т90 = 40 с (опыт эксплуатации)
NO2 (через конвертер) 0-100 ± 5 ррт (от 0 до 50 ррт); ± 10 ррт (от 51 до 100 ррт) Т90 = 40 с (опыт эксплуатации)
Образец - демонстратор такой технологии был испытан в ОАО «ОДК-Авиадвигатель» в составе одногорелочного отсека с жаровой трубой ГТУ с впрыском воды для подавления вредных выбросов [17]. Примерная схема визирования пламени объективом оптического зонда показана на рис. 4.
Рис. 4. Схема визирования пламени объективом оптического зонда УНПП «Молния» в составе одногорелочного отсека: 1 - объектив; 2 - гибкий металлорукав оптического зонда
Впервые в РФ в сфере газотурбинных технологий была успешно проведена регистрация эмиссионных спектров излучения при сжигании природного газа в коротковолновой, видимой и ближней инфракрасной части электромагнитного спектра 200...850 нм с разрешением 1 нм в реальном масштабе времени. Выявлена область спектра, в которой наблюдается группа спектральных линий, характерных для эмиссии N0 в области спектра 190-250 нм. Было выявлено, что для надежной идентификации молекулярных полос излучения N0 необходимо применить оптический зонд с улучшенными характеристиками спектрального пропускания в ультрафиолетовой области. Также возникла необходимость в квалифицированной интерпретации получаемых данных, в том числе с использованием общепризнанных мировых баз данных спектральных линий низкотемпературной плазмы.
По результатам испытаний и на основе собственного опыта применения оптических пирометров для измерения температуры лопаток газовых турбин авиационного двигателя ПС-90А установили, что для количественной оценки концентрации N0x в камере сгорания требуется однозначная зависимость регистрируемой интенсивности излучения от искомого параметра, что в условиях воздействия фонового излучения сажи, имеющей непрерывный спектр эмиссии, и неравновесных температур газов по конусу визирования крайне затруднительно.
Вышеуказанные методологические ограничения частично были сняты при измерениях спектров излучения плазмы внутри малоэмиссионной камеры сгорания энергетической газотурбинной установки ГТУ-25 с помощью спектрометра «Колибри-2», разработанного в Институте автоматики и электрометрии СО РАН [18].
Спектры эмиссии регистрировались с помощью двух исполнений «Колибри-2», построенного по схеме Черни - Тернера, с плоской дифракционной решеткой: I - с рабочим спектральным диапазоном 190-1100 нм (разрешение 1 нм) и II - 190-360 нм (разрешение 0,2 нм).
В спектрах излучения были идентифицированы молекулярные полосы (в скобках приведены наиболее интенсивные канты): 0Н (306,1 нм), СН (430,18 нм), Н20 (область 714-980 нм), С2 (515,55 нм), NH (336 нм), N0 (358,26 нм). Это открывает возможность использования соотношения их интенсивностей для управления рабочими параметрами камеры сгорания с целью снижения выбросов вредных веществ.
И хотя значимой корреляции молекулярных полос N0, N02 из международной базы данных и зарегистрированного спектра плазмы МЭКС в разовом опыте не наблюдалось, исследовательские работы целесообразно продолжить.
Эксплуатация газотурбинных установок для нагнетателей газа магистральных газопроводов в составе газоперекачивающих агрегатов
Пионерами и законодателями применения газовых анализаторов для контроля промышленных и энергетических газотурбинных агрегатов являются США. Практически одновременно в РФ, согласно стандарту «Типовые технические требования к газотурбинным ГПА и их системам» СТО Газпром 2-3.5-138-2007, в функциях системы автоматического управления ГПА предусматривается наличие системы (подсистемы) контроля и учета выбросов загрязняющих веществ АСК-ЗВ с выхлопными газами ГТУ (п. 8.15). Система АСК-ЗВ предназначена для автоматического измерения текущих концентраций, определения текущей мощности выброса и определения массы валового выброса загрязняющих веществ - оксидов азота N0x и оксида углерода СО за отчетный период.
Кроме того, согласно требованиям к выхлопной системе ГПА (п. 7.3), она должна иметь возможность отбора проб выхлопных продуктов сгорания через устройство отбора с целью периодического инструментального контроля и учета загрязняющих веществ в соответствии с ГОСТ Р ИСО 11042-1 и СТО Газпром 2-3.5-038. Место и конструкция отбора проб продуктов сгорания должны обеспечивать удобство использования переносных газоанализаторов [6, с. 27].
По данным Рунета выявлено три отечественные реализации системы АСК-ЗВ [19-21]. В двух случаях в качестве газоанализатора применяют электрохимические приборы - переносной газоанализатор ДАГ-16 (Дитангаз-16) и стационарный газоанализатор ДАХ-М.
Так, газоаналитическая система контроля компонентов выхлопных газов газоперекачивающего агрегата, предложенная Смоленским производственным объединением «Аналитпри-бор» [20], работает в автоматическом режиме и позволяет осуществить:
- отбор, транспортирование и подготовку газовой пробы из выхлопной системы газоперекачивающего агрегата. Температура пробы 450 °С.
- измерение концентрации окиси азота N0, окиси углерода СО, кислорода О2 и двуокиси углерода СО2, вычисление концентрации суммы оксидов азота N0^
Диапазон измерения концентрации NО 0-200 мг/м3; в качестве газоанализатора NО используют ДАХ-М, содержащий электрохимическую ячейку. Расчёт концентрации суммы оксидов азота N0x осуществляет специализированный контроллер.
Определенный интерес также представляет модульный лабораторный комплекс АСК ЗВ НЛ-2308 из блочных конструкций, разработка Санкт-Петербургской компании «НеваЛаб». Данный комплекс проводит анализ выбросов от ГПА, анализ природного газа, масел и нефтепродуктов с помощью различных иностранных газоанализаторов, в том числе газоанализаторов серии УА-3000 производства компании НОМВА (Япония). Температура пробы до 1500 °С [21].
Компания «НеваЛаб» имеет наибольший референс-лист по размещению АСК ЗВ НЛ-2308 на объектах ОАО «Газпром», в их числе компрессорная станция (КС) «Байдарацкая», КС «Ужгородская», Карпинское, Приозерское, Бобровское, Пангодинское и др. управления газопроводов, всего семь объектов применения. Однако научных публикаций об успешном опыте эксплуатации АСК не выявлено.
Эксплуатация газотурбинных установок для энергетики
АО «ОДК-Авиадвигатель» проводит ответственную политику в области соблюдения экологических норм на вредные выбросы ГТУ. Наряду с разработкой и внедрением в серийное производство малоэмиссионных камер сгорания пермские газовые турбины оснащаются системами периодического контроля эмиссии оксидов азота N0x и оксида углерода СО.
Так, по техническому заданию заказчика в конструкцию газотурбинного энергоагрегата «Урал-6000» мощностью 6 МВт и в конструкцию газотурбинного энергоагрегата ЭГЭС-12СА мощностью 12 МВт введено прямое измерение газообразных вредных выбросов N0,^ и СО.
Измерение объемной доли вредных выбросов энергоагрегата «Урал-6000» периодически осуществляют с помощью переносного многокомпонентного газоанализатора «Анкат-310-02» производства Смоленского производственного объединения «Аналитприбор».
Рис. 5. Схема отбора вредных выбросов газотурбинного энергоагрегата «Урал-6000» для измерений
с помощью газоанализатора «Анкат-310-02»
На рис. 5 представлена схема отбора газообразных вредных выбросов газотурбинной установки ГТУ-6 энергоагрегата «Урал-6000».
Из представленной схемы измерений видно, что точка отбора вредных выбросов удалена от камеры сгорания ГТУ на расстояние 5,2 м и расположена в шахте выхлопа. Принцип действия измерительной ячейки газоанализатора «Анкат-310-02» - электрохимический, используется ячейка фирмы City Technology Ltd.
Так, при проникновении детектируемого газа через пористую мембрану электрохимическая ячейка формирует электрический сигнал, пропорциональный содержанию определяемого компонента. Сигналы с датчиков поступают на встроенный микроконтроллер, который вносит необходимые поправки и выводит измеренные значения на табло (рис. 6).
Рис. 6. Внешний вид и цифровое табло газоанализатора «Анкат-310-02»
Масса газоанализатора 0,95 кг. Габаритные размеры: высота 200 мм; длина 75 мм, ширина 110 мм, т.е. прибор легко размещается в руке. Для передачи данных предусмотрен цифровой канал связи RS-232 и инфракрасный канал связи. Электрическое питание газоанализатора осуществляется от встроенной аккумуляторной батареи, время непрерывной работы 8 ч. Рабочий диапазон температур - от 0 до 45 °С для газоанализатора, до 1050°С для пробозаборника.
Способ забора пробы - принудительный (предусмотрен встроенный побудитель расхода). Режим работы - периодический.
Следует отметить, что одновременно с системой прямого измерения выбросов ГТЭС «Урал-6000» при эксплуатации данного энергоагрегата также внедрена параметрическая система эмиссии газообразных веществ в выхлопных газах.
Измерение объемной доли вредных выбросов оксидов азота N0х и оксида углерода СО энергоагрегата ЭГЭС-12СА осуществляют с помощью переносного многокомпонентного газоанализатора АГМ-510 (рис. 7) производства НПЦ «Аналитех», г. Нижний Новгород. Схема отбора вредных выбросов ЭГЭС-12СА аналогична схеме отбора на «Урал-6000».
Рис. 7. Внешний вид и цифровое табло газоанализатора АГМ-510
Принцип действия газоанализатора основан на применении комплекта электрохимических датчиков для измерения содержания NO, NO2, СО, О2, SO2 и H2S, инфракрасного оптического блока для измерения содержания углеводородов, диоксида углерода СО2 и дополнительного канала оксида углерода СО, термоэлектрического преобразователя для измерения температуры газового потока, полупроводниковых датчиков - для измерения температуры окружающей среды, измерения абсолютного давления и разности давлений.
Габаритные размеры газоанализатора 280 х 120 х 120 мм; масса 2,5 кг. В газоанализаторе предусмотрены устойчивые к агрессивным средам мембранные насосы. Время работы от аккумулятора не менее 8 ч.
Из западных источников следует отметить заявку на изобретение компании General Electric № US 2017218851 «Systems and Methods for NOx Measurement and Turbine Control (Устройства и способы измерения NOx и управления турбиной)» [22]. Принципиально важной новизной данной технологии являются два аспекта:
- датчики NOx введены в типовую конструкцию ГТУ и располагаются как в непосредственной близости от камеры сгорания (позиция 610, рис. 8) или турбине (позиции 630 и 620, рис. 8), так и в выхлопном диффузоре (позиции 650, 640 на рис. 8). Это позволяет проводить измерения NOx в реальном масштабе времени и делает их максимально достоверными;
- наряду с задачей учета выбросов в атмосферу информация с датчиков NOx может быть использована как для оценки эффективности работы ГТУ, так и для управления режимами работы с помощью цифрового контроллера.
Кожух подкоса
^ина выходного сопла
Газовый тракт 110
Рис. 8. Возможные позиции расположения датчиков N0 в газовоздушном тракте ГТУ
с выходным диффузором
Авторы заявляют, что вариации расположения датчиков в радиальном направлении или по окружности позволяют отображать концентрацию N0 в пространстве, позволяя тем самым, например, отслеживать характер завихрений газа или аномалии горения.
На рис. 9 представлен пример установки электрохимического датчика N0 в турбине с расположением чувствительного элемента датчика (позиция 120, рис. 9) непосредственно в газовом потоке. При этом остальные компоненты датчика (позиция 130, рис. 9) вынесены наружу в целях снижения воздействия высоких температур.
Электрохимический датчик N0 может быть различного типа, а именно представлять собой датчик потенциометрического типа, датчик смешанного потенциала, датчик амперометри-ческого типа или датчик импедансометрического типа.
Рис. 9. Электрохимический датчик N0 в газовом потоке
В заявке отмечено, что по результатам измерений определяется значение выбросов NOx и исходя из этого определяется управляющее воздействие в камеру сгорания. На данную заявку получен патент в Китае и Японии.
Иные направления в области измерений выбросов ЫОх
За последние 15-20 лет в РФ резко увеличилось число научных работ по созданию миниатюрных химических сенсоров на основе металлооксидных полупроводников с высоким быстродействием, работа которых основана на изменении проводимости чувствительного элемента при адсорбции газа [23-26]. Однако продукта, пригодного для промышленной диагностики NOx в серийной эксплуатации ГТД/ГТУ пока не найдено.
В последнее время повышенный интерес вызывает разработка газовых сенсоров на основе углеродных нанотрубок и сенсорных матриц из-за их потенциала для селективного и быстрого обнаружения различных видов газов с помощью наноструктур, интегрированных в миниатюрную электронику с низким энергопотреблением. Однако продукта, пригодного для апробации диагностики эмиссии NOx ГТД/ГТУ, пока не предложено.
Заключение
Проведен обзор основных методов и средств прямого измерения оксидов азота NOx (N0 + N0^ на предмет их возможного введения в типовую конструкцию турбомашин для непрерывного мониторинга и управления N0^
Установлено, что в газотурбинных технологиях прямые измерения эмиссии N0x применяются главным образом в системах периодического контроля энергетических и промышленных ГТУ.
Наибольшее промышленное использование получил электрохимический способ измерения N0^
Серийно эксплуатируемые системы контроля эмиссии N0x ГТУ пока сохраняют определенные методологические недостатки, в том числе сложную систему отбора и подготовки проб газов, значительную трудоемкость процесса измерения, сугубо периодический характер учета эмиссии, высокие эксплуатационные затраты. Поэтому в РФ пока нет массового оснащения энергетических газотурбинных установок и газоперекачивающих агрегатов измерительными средствами по постоянному мониторингу эмиссии N0^
В авиадвигателестроении прямые измерения эмиссии оксидов азота N0Х используются только при разработке и сертификации авиационных турбомашин. Связано это с тем, что существующие технологии измерения N0Х во время полета недоступны и/или методологически сложны для оценок эмиссии в реальном масштабе времени.
Представляется целесообразным поиск новых методов оценки эмиссии турбомашин, включая виртуальные технологии на основе математических моделей образования N0Х для их серийного применения в реальном масштабе времени.
Перечень принятых сокращений
АИС - автоматизированная измерительная система,
АСК-ЗВ - автоматическая система контроля загрязняющих веществ,
ГПА - газоперекачивающий агрегат,
ГТД - газотурбинный двигатель,
ГТУ - газотурбинная установка,
КС - компрессорная станция,
h - постоянная Планка; 6,62607015 10-34 кгм2с-1 (Джс),
NOx - собирательное название оксидов азота NO и NO2,
ppm - миллионная доля (от англ. parts per million),
v - частота излучения.
Библиографический список
1. ИКАО. Doc 9889. Руководство по качеству воздуха в аэропортах. - Издание второе, 2020. - 236 с.
2. International Civil Aviation Organization. Committee on Aviation Environmental Protection (CAEP). Eleventh Meeting. CAEP/11-WP/24. - 9/11/18. - 230 с.
3. О промышленных выбросах (о комплексном предотвращении загрязнения и контроле над ним): Директива ЕП и Совета ЕС 2010/75/EU от 24 ноября 2010 года // Official Journal of the European Union. - 2010. - 103 с.
4. Об охране окружающей среды: федер. закон от 10.01.2002 № 7-ФЗ [Электронный ресурс]: принят Государственной Думой 20 декабря 2001 года: одобрен Советом Федерации 26 декабря 2001 года. -М., 2002. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
5. Стандарт Агентства по защите окружающей среды США 40 CFR Part 60 для стационарных ГТУ и ГТЭС от 29 августа 2012 года.
6. Типовые технические требования к газотурбинным ГПА и их системам. СТО Газпром 2-3.5-138-2007. - 71 с.
7. Пат. 190349 Российская Федерация, МПК G01K 13/02. Устройство для измерения параметров газового потока / Кожин Ю.В. и др.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество «ОДК-Авиадвигатель». - № 2019114661, заявл. 15.05.2019; опубл. 28.06.2019, Бюл. № 19. - 11 с.
8. Пат. 2641182 Российская Федерация, МПК G01M 15/14. Способ доставки измерительного элемента в заданную позицию при замерах параметров газового потока газотурбинного двигателя / Пермяков А.И.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество «ОДК-Авиадвигатель». -№ 2016152412, заявл. 28.12.2016; опубл. 16.01.2018, Бюл. № 2. - 7 с.
9. Приложение 16 к Конвенции о международной гражданской авиации. Охрана окружающей среды. - Т. II. Эмиссия авиационных двигателей.
10. Датчики: справ. пособие / под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. - М.: Техносфера, 2012. - 624 с.
11. Электрохимические сенсоры для современных автоматических газоанализаторов [Электронный ресурс] // Контрольно-измерительные приборы и автоматика. Журнал «ИСУП» (Информатизация и системы управления в промышленности). - 2023. - № 3(105). - С. 61-62. - URL: https://isup.ru/articles/62/19320/ (дата обращения: 21.09.2023).
12. ФГУП «СПО "Аналитприбор"»: сайт [Электронный ресурс]. - Смоленск, 2021. - URL: https:// www.analitpribor-smolensk.ru/ (дата обращения: 21.09.2023).
13. ООО «НПЦ "Аналитех"»: сайт [Электронный ресурс]. - Н. Новгород. - URL: http://www.analitech.ru/ (дата обращения: 21.09.2023).
14. ООО «Мониторинг»: сайт [Электронный ресурс]. - Санкт-Петербург, 2008. - URL: https://www. ooo-monitoring.ru/ (дата обращения: 21.09.2023).
15. Оптико-электронный спектрометрический комплекс для контроля процессов горения в камере сгорания газотурбинного двигателя / И.Т. Губайдуллин, Т.П. Андреева, А.Р. Гумеров, А.Н. Саженков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2015. - № 41. - С. 59-71.
16. Разработка и применение бесконтактной технологии исследования процессов горения в камере сгорания газотурбинного двигателя / А.А. Иноземцев, А.Н. Саженков, В.В. Т.В. Абрамчук [и др.] // Теплофизика и аэромеханика. - 2015. - Т. 22, № 3. - С. 373-384.
17. Идентификация молекулярных полос в спектрах излучения плазмы внутри малоэмиссионной камеры сгорания АО «ОДК-Авиадвигатель» / В.А. Лабусов, И.А. Зарубин, О.В. Пелипасов, М.С. Сауш-кин, А.М. Сипатов, А.Н. Саженков, В.В. Цатиашвили // Автометрия. - 2020. - Т. 56, № 4. - С. 12-20.
18. Зарубин, И.А. Характеристики малогабаритных спектрометров с дифракционными решетками разных типов / И.А. Зарубин, В.А. Лабусов, С.А. Бабин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2019. - Т. 85, № 1-2. - С. 117-121. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-1-11-117-121
19. НПО «Спектр». АСК 3В - система контроля многоканальная: сайт [Электронный ресурс]. -Новочеркасск. - URL: http://ptk-kip.ru/publics/item/4077 (дата обращения: 21.09.2023).
20. ФГУП «СПО "Аналитприбор"». Контроль компонентов выхлопных газов газоперекачивающего агрегата ГПА: сайт [Электронный ресурс]. - Смоленск, 2022. - URL: https://www.analitpribor-smolensk.ru/products/sistemy/kontrol-komponentov-vyhlopnyh-gazov-gazoperekachivayuwego-agregata-gpa/ (дата обращения: 21.09.2023).
21. Акционерное общество «НеваЛаб»: сайт [Электронный ресурс]. - Всеволожск, 2002. - URL: http://www.nevalab.ru/ (дата обращения: 21.09.2023).
22. Пат. 2017218851 США, МПК F02C 9/00, F02C3/04. Systems and Methods for NOx Measurement and Turbine Control / Carlos Miguel Miranda, Nilesh Tralshawala; заявитель и патентообладатель General Electric Company. - № 15/014,772, заявл. 03.02.2016; опубл. 03.08.2017. - 16 с.
23. Гаман, В.И. Физика полупроводниковых газовых сенсоров: монография /В.И. Гаман. - Томск: Изд-во НТЛ, 2012. - 112 с.
24. Пат. 2745943 Российская Федерация, МПК G01N 27/12. Датчик диоксида азота / Кировская И.А. и др.; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. - № 2020127749, заявл. 20.08.2020; опубл. 05.04.2021, Бюл. № 10. - 6 с.
25. Пат. 2779966 Российская Федерация, МПК G01N 27/12. Диэлектрический газовый сенсор / Лачинов А.Н. и др.; заявитель и патентообладатель Лачинов А.Н. - № 2021126991, заявл. 13.09.2021; опубл. 16.09.2022, Бюл. № 26. - 8 с.
26. Определение диоксида азота тонкопленочными химическими сенсорами на основе CdxPb1 -xSА / Е. Бездетнова [и др.] // Журнал аналитической химии. - 2019. - Т. 74, № 12. - С. 953-960.
References
1. ICAO. Doc 9889. A guide to airport air quality. Second edition, 2020. 236 p.
2. International Civil Aviation Organization. Committee on Aviation Environmental Protection (CAEP). Eleventh Meeting. CAEP/11-WP/24. 9/11/18. 230 p.
3. Directive of the EP and the Council of the EU 2010/75/EU of November 24, 2010 "on industrial emissions (on integrated pollution prevention and control). Official Journal of the European Union, 2010. 103 p.
4. The Russian Federation. Federal law. On Environmental Protection No. 7-FZ dated 10.01.2002 [adopted by the State Duma on December 20, 2001 : approved by the Federation Council on December 26, 2001], Moscow, 2002. Access from the ConsultantPlus legal reference system.
5. US Environmental Protection Agency Standard 40 CFR Part 60 for stationary gas turbine and GTES dated August 29, 2012.
6. Standard technical requirements for gas turbine turbines and their systems. STO Gazprom 2-3.5-1382007. 71 p.
7. Pat. 190349 Russian Federation, IPC G01K 13/02. Kozhin Yu.V. et al.; applicant and patent holder Joint Stock Company "ODK-Aviadvigatel". No. 2019114661, application 15.05.2019; publ. 28.06.2019, Bul. No. 19. 11 p.
8. Pat. 2641182 Russian Federation, IPC G01M 15/14/ Permyakov A.I.; applicant and patent holder Joint-Stock Company "ODK-Aviadvigatel". No. 2016152412, application. 12/28/2016; publ. 16.01.2018, Bul. No. 2. 7 p.
9. Annex 16 to the Convention on International Civil Aviation. Environmental protection. Volume II. The emission of aircraft engines.
10. Sensors: Reference manual. Under the general editorship of V.M. Sharapov, E.S. Polishchuk. Moscow: Technosphere, 2012. 624 p., ISBN 978-5-94836-316-5
11. Electrochemical sensors for modern automatic gas analyzers. Instrumentation and automation. ISUP magazine (Informatization and management systems in industry), No. 3 (105), 2023. pp. 61-62. - Access mode: https://isup.ru/articles/62/19320/
12. FSUE "SPO "Analytpribor": website. Smolensk, 2021. URL: https://www.analitpribor-smolensk.ru / (date of application: 09/21/2023).
13. NPC LLCAnalytech"": website. N. Novgorod. URL: http://www.analitech.ru / (date of access: 09/21/2023).
14. LLC "Monitoring": website. St. Petersburg, 2008. URL: https://www.ooo-monitoring.ru / (date of reference: 09/21/2023).
15. I.T. Gubaidullin, T.P. Andreeva, A.R. Gumerov, A.N. Sazhenkov. Optoelectronic spectrometric complex for control of combustion processes in the combustion chamber of a gas turbine engine. Bulletin of PNRPU. Aerospace engineering, 2015, No. 41. pp. 59-71.
16. A.A. Inozemtsev, A.N. Sazhenkov, V.V. T.V. Abramchuk et al. Development and application of non-contact technology for gorenje processes in the combustion chamber of a gas turbine engine. Thermophysics and aeromechanics, 2015, vol. 22, No. 3. pp. 373-384.
17. V.A. Labusov, I.A. Zarubin, O.V. Pelipasov, M.S. Saushkin, A.M. Sipatov, A.N. Sazhenkov, V.V. Tsatiashvili. Identification of molecular bands in the spectra of plasma radiation inside the low-emission combustion chamber of JSC ODK-Aviadvigatel. Autometry, 2020, Vol. 56, No. 4. pp. 12-20.
18. I.A. Zarubin, V.A. Labusov, S.A. Babin. Characteristics of small-sized spectrometers with diffraction gratings of different types. Factory laboratory. Diagnostics of materials, 2019, Vol. 85, No. 1-2. pp. 117-121. Access mode: https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-1-II-117-121 (Date of application: 08/18/2023).
19. NGO "Spectrum". ASK 3B - multichannel control system: website. Novocherkassk. URL: http://ptk-kip.ru/publics/item/4077 (date of application: 09/21/2023). Text: electronic.
20. FSUE "SPO "Analytpribor". Control of exhaust gas components of the GPA gas pumping unit: website. Smolensk, 2022. URL: https://www.analitpribor-smolensk.ru/products/sistemy/kontrol-komponentov-vyhlopnyh-gazov-gazoperekachivayuwego-agregata-gpa / (date of access: 09/21/2023). Text: electronic.
21. Joint-stock Company "NevaLab": website. Vsevolozhsk, 2002. URL: http://www.nevalab.ru / (date of access: 09/21/2023).
22. Pat. 2017218851 USA, IPC F02C 9/00, FO2C3/04. Carlos Miguel Miranda, Nilesh Tralshawala; applicant and patent holder of General Electric Company. No. 15/014,772, application 03.02.2016; publ. 03.08.2017. 16 p.
23. Gaman V.I. Physics of semiconductor gas sensors: monograph. Tomsk: Publishing house of NTL, 2012. 112 p.
24. Pat. 2745943 Russian Federation, IPC G01N 27/12. Kirovskaya I.A. et al.; applicant and patent holder Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Omsk State Technical University". No. 2020127749, application 08/20/2020; publ. 04/05/2021, Bul. No. 10. 6 p.
25. Pat. 2779966 Russian Federation, IPC G01N 27/12. Lachinov A.N. et al.; applicant and patent holder Lachinov A.N. No. 2021126991, application 13.09.2021; publ. 16.09.2022, Bul. No. 26. 8 p.
26. Determination of nitrogen dioxide by thin-film chemical sensors based on CdxPb1 - xSA. E. Bez-detnova et al. "Journal of Analytical Chemistry", 2019, volume 74, No. 12, pp. 953-960.
Об авторах
Саженков Алексей Николаевич (Пермь, Российская Федерация) - кандидат технических наук, помощник управляющего директора - генерального конструктора, АО «ОДК-Авиадвигатель» (614990, Пермь, Комсомольский пр., 93, e-mail: office@avid.ru).
Фатыков Альмир Илгизович (Пермь, Российская Федерация) - инженер отдела расчетно-экспериментальных работ и проектирования САУ, АО «ОДК-Авиадвигатель» (614990, Пермь, Комсомольский пр., 93, e-mail: alm-fatykov@ya.ru).
Мелузова Ирина Борисовна (Пермь, Российская Федерация) - ведущий инженер по измерениям отдела автоматизированных информационно-измерительных систем, АО «ОДК-Авиадвигатель» (614990, Пермь, Комсомольский пр., 93, e-mail: irinameluzova@yandex.ru).
About the authors
Alexey N. Sazhenkov (Perm, Russian Federation) - Csc of Technical Sciences, Assistant to the Managing Director - General Designer, JSC «ODK-Aviadvigatel» (93, Komsomolsky av., 614990, Perm, e-mail: office@avid.ru).
Almir I. Fatykov (Perm, Russian Federation) - Engineer of the Department of Computational Experimental Work and Design of ACS, JSC «ODK-Aviadvigatel» (93, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: alm-fatykov@ya.ru).
Irina B. Meluzova (Perm, Russian Federation) - Leading Measurement Engineer of the Department of Automated Information and Measurement Systems, JSC «ODK-Aviadvigatel» (93, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: irinameluzova@yandex.ru).
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов. Все авторы сделали равный вклад в подготовку публикации.
Поступила: 29.05.2024
Одобрена: 31.05.2024
Принята к публикации: 18.06.2024
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом: Саженков, А.Н. Обзор методов и средств измерения эмиссии оксидов азота NOx в газотурбинных технологиях / А.Н. Саженков, А.И. Фатыков, И.Б. Мелузова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2024. - № 77. - С. 74-88. DOI: 10.15593/2224-9982/2024.77.07
Please cite this article in English as: Sazhenkov A.N., Fatykov A.I., Meluzova I.B. Overview of methods and tools for measuring nitrogen oxide NOx emissions in gas turbine technologies. PNRPU Aerospace Engineering Bulletin, 2024, no. 77, pp. 74-88. DOI: 10.15593/2224-9982/2024.77.07
