Ежегодно от работы авиационных двигателей в атмосферу попадает около 6-8 млн тонн оксидов азота. Это опасные загрязнители, образующиеся при сгорании топлива. Они не просто угрожают качеству воздуха, а планомерно воздействуют на верхние слои атмосферы, вызывая кислотные дожди, усиливая парниковый эффект и приводя к постепенному потеплению климата. Борьба с подобными выбросами ведется через ужесточение международных стандартов и технические инновации в двигателестроении. Ученые Пермского Политеха разработали оригинальный виртуальный измеритель концентрации окислов азота в камере сгорания, адаптированный под разные режимы полета самолета. Новый подход к построению системы на основе нейронной сети позволил на 82,8% повысить точность расчетов концентрации эмиссии газов.

Статья опубликована в сборнике «XIV Всероссийское совещание по проблемам управления».  

Окислы азота (или оксиды азота) — это общее название для целой группы химических соединений, в которых атомы азота и кислорода соединены друг с другом в разных пропорциях. Главный источник их образования — процессы горения при высоких температурах: когда в камере сгорания двигателя она достигает 1300 °C, атомы начинают распадаться и вступать в реакцию. Окислы азота — одни из самых опасных долгоживущих загрязнителей воздуха, и их воздействие от авиации особенно значительно, потому что выбросы происходят в верхних слоях тропосферы и нижних слоях стратосферы. Там эти газы сильнее влияют на образование озона и оказывают более серьезное воздействие на климат, чем выбросы на земле. Кроме того, выбросы оксидов азота воздействуют и на человека: при выпадении осадков они переходят в кислоты, вызывая кислотные дожди, что отрицательно сказывается на здоровье и окружающей среде.

Допустимые нормы выбросов для авиадвигателей постоянно ужесточаются, что требует разработки новых высокотехнологичных методов их снижения. Для этого важно уметь точно управлять и измерять концентрацию оксидов азота в камере сгорания. Прямое измерение с помощью физических датчиков – сложная и дорогая задача. Им приходится работать в экстремальных условиях, при высокой температуре и давлении, что приводит к их быстрому износу, выходу из строя и частой замене. Кроме того, они не обеспечивают достаточную точность и непрерывный контроль.

На смену датчикам приходят различные физико-химические или нейросетевые компьютерные модели, которые способны смоделировать все реакции образования вредных веществ и спрогнозировать их выбросы в атмосферу. Но чаще всего подобные системы очень ресурсоемки, требуют много мощности и времени, не всегда соответствуют требуемым нормативам и изменяющимся условиям работы.

Ученые Пермского Политеха разработали оригинальный виртуальный нейросетевой измеритель окислов азота, который адаптируется под режимы работы газотурбинного двигателя и обеспечивает как точность, так и быстродействие системы.

– Одним из основных преимуществ разработки является способность работать без прямого контакта с газами высокой температуры внутри камеры сгорания, а за счет косвенных измерений. В режиме реального времени система анализирует несколько ключевых параметров работы газотурбинного двигателя: расход топлива, давление и температуру в камере сгорания, коэффициент избытка воздуха. Эти данные легко получить с помощью стандартных датчиков, а по ним наша система с достаточно высокой точностью вычисляет концентрацию окислов азота, – объясняет Вячеслав Никулин, ассистент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ.

Структуру нейронной сети ученые построили на базе персептрона – простой классической модели, которая состоит из одного скрытого слоя нейронов, в режиме реального времени обрабатывающих множество входных данных. Чем больше нейронов используется, тем больше времени уходит у измерителя на расчет выбросов газа. В ходе серии экспериментов ученые определили, что сеть из 3 нейронов позволяет проводить расчеты всего за 3,63 миллисекунды с достаточной точностью.

Уникальность разработки ученых – в ее адаптивности. Двигатель самолета работает в разных режимах: взлет, набор высоты, посадка, руление. Каждый из них имеет свои особенности и характеристики горения. Эксперты обучили нейросеть отдельно для каждого режима. Введение механизма подстройки весовых коэффициентов в адаптивной модели с учетом режима работы двигателя позволило более достоверно выдавать информацию о содержании эмиссии (выделения) оксидов азота. Внедрение такого блока адаптации на 82,8% повышает точность измерений по сравнению с системой, где использован неадаптивный измеритель.

Таким образом, разработанный виртуальный измеритель — это не отдельный физический датчик, а программный алгоритм, встраиваемый в систему управления авиационным двигателем. Во время полета в режиме реального времени он получает и обрабатывает данные о расходах топлива, давлении и температуре в камере сгорания. На их основе быстро (3,63 миллисекунды) рассчитывает концентрацию оксидов азота. Благодаря этой информации система управления может корректировать параметры работы двигателя и тем самым повлиять на снижение выбросов без ущерба для тяги и экономичности.

Разработка ученых Пермского Политеха открывает новые возможности для создания экологичных и эффективных систем управления авиационными двигателями. Внедрение инновационного виртуального измерителя обеспечит более точный и оперативный контроль процесса сгорания, что способствует сокращению вредных выбросов в атмосферу.

Загрязнение окружающей среды токсичными продуктами сгорания – это одна из важнейших проблем современной теплоэнергетики. Сейчас в атмосферу в год выбрасывается 140 тысяч тонн оксидов азота, который негативно влияет на здоровье живых организмов. Согласно экологической политике России его концентрация в выхлопных газах не должна превышать 30 мг/ . Однако ни одна газотурбинная установка отечественного производства не может обеспечить соблюдение таких норм. Чтобы значительно снизить концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания, ученые Пермского Политеха спроектировали систему очистки, эффективность применения которой более 90%.

Статья с результатами опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления».

Газотурбинные установки превращают энергию входящего воздуха в механическую работу вала, тем самым обеспечивая движение электрогенератора. Они широко применяются в ракетах и на электростанциях в качестве источника энергии. Однако при ее работе происходят большие выбросы продуктов сгорания в атмосферу. В их состав входит оксид азота – токсичный парниковый газ, который способствует глобальному потеплению.

В России для очистки выбросов газотурбинных установок применяют метод сухого подавления оксидов азота с помощью специальных встроенных камер сгорания. Но этот способ возможен только в установках нового поколения, где наличие таких камер предусмотрено сразу при производстве. В другом  методе, добавлении реагентов в выхлопные газы, появляется сложность в получении однородной смеси для качественной очистки.

Ученые ПНИПУ предлагают систему селективного каталитического восстановления. Метод заключается в том, что помимо реагентов, в газы добавляют еще и катализаторы. Они многократно усиливают эффект очистки, снижают расходы реагентов и температуру, повышают стабильность процесса. Это подходит для уже действующих и для газотурбинных двигателей нового поколения.

При таком способе идет химическое восстановление газов с помощью реагентов (мочевина, аммиак) до простейших составляющих – паров воды, углекислого газа, азота. Реагент вводится в поток дымовых газов до катализатора, на поверхности которого происходит очищение.

– Мы определяли концентрации оксидов азота на разных режимах работы газотурбинной установки до и после системы восстановления. При этом меняли расход реагента, впрыскивая его в выхлопы. Все теоретические и экспериментальные исследования подтвердили 100% эффективность очистки выхлопных газов от оксидов азота при применении системы восстановления на режиме 0,5 мощности установки, – поделился аспирант кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» ПНИПУ Никита Черепанов.

Политехники отмечают, что чем выше расход реагента, тем лучше эффективность. Также при увеличении частоты вращения турбины улучшается результат, если использовать в качестве реагента «аммиачную воду» и ухудшается при использовании «мочевины».

Проведенные учеными ПНИПУ расчеты доказали, что применение системы селективного каталитического восстановления благоприятно сказывается на очистке продуктов сгорания от оксидов азота. Так как концентрация выхлопов от отечественных газотурбинных установок превышает допустимые нормы, грамотная реализация технологии и учет всех необходимых параметров работы уменьшит степень загрязнения окружающей среды токсичными отходами.