Одной из главных задач турбостроения является повышение КПД двигателя. Для долговременного поддержания высокой эффективности работы двигателя и всего турбоагрегата в целом необходим как постоянный контроль состояния камер сгорания и турбины (с износом которых КПД снижается), так и отслеживание других факторов, влияющих на производительность газотурбинного двигателя (ГТД).
Важнейшим фактором, определяющим эффективность процесса сгорания топлива является коэффициент избытка воздуха. Зависимость тепловых потерь в процессе сгорания топливно-воздушной смеси в ГТД, а значит, и КПД двигателя от коэффициента избытка воздуха (α) представлена на рис. 1.
При этом наиболее точным способом вычисления коэффициента избытка воздуха является расчет по «азотной» формуле [1]. Химическая формула каждого соединения соответствует его концентрации (мг/м3) в отходящих газах газоперерабатывающих агрегатов (ГПА):
где: α – коэффициент избытка воздуха.
Содержание азота в продуктах сгорания напрямую измерить невозможно и оно вычисляется по следующей формуле:
В общем случае зависимость термической эффективности сгорания топлива (оптимизации процесса) от избытка воздуха характеризуется кривой с максимумом в определенной области (вид кривой представлен на рис. 2).
Известно, что на выход оксидов азота наибольшее влияние оказывает температура в зоне сгорания, с повышением которой происходит экспоненциальный рост образования NO [2]. Увеличение времени пребывания газов в зоне сгорания также приводит к почти пропорциональному росту образования NO. Зависимость выхода NO от избытка воздуха имеет вид экстремальных кривых с максимумом при α = 1,05–1,35.
Из вышеизложенного следует, что для непрерывного точного контроля коэффициента избытка воздуха (α) и экологического мониторинга требуется совместное определение в режиме реального времени следующих компонентов в отходящих газах ГПА: CO, CO2, CH4, NO, NO2, O2.