CH702055A2 - Elementezusammensetzungs-Detektionssystem und Verfahren. - Google Patents

Elementezusammensetzungs-Detektionssystem und Verfahren. Download PDF

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CH702055A2
CH702055A2 CH01761/10A CH17612010A CH702055A2 CH 702055 A2 CH702055 A2 CH 702055A2 CH 01761/10 A CH01761/10 A CH 01761/10A CH 17612010 A CH17612010 A CH 17612010A CH 702055 A2 CH702055 A2 CH 702055A2
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gas turbine
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CH01761/10A
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Vamshi Krishna Reddy Kommareddy
Paul Joseph Martin
Saratchandra Shanmukh
Paul Burchell Glaser
Susanne Madeline Lee
Ramakrishna Rao
Manoharan Venugopal
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Gen Electric
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Abstract

Es wird ein System zum Detektieren mehrerer Elemente vorgeschlagen. Das System enthält eine oder mehrere Röntgenquellen (12) zum Senden von Röntgenstrahlen (14) an eine Probe (16) und enthält auch mehrere Photonendetektoren (22). Eine Anordnung von Kristallen (18) ist in einer Krümmung mit geeigneter Geometrie zum Aufnehmen mehrerer von der Probe emittierter Photonenenergien und zum Fokussieren der Photonenenergie auf die mehreren Detektoren angeordnet. Die mehreren Photonendetektoren sind räumlich bei Bragg-Winkeln angeordnet, die Signaturphotonenenergien entsprechen, um die mehreren Elemente gleichzeitig zu detektieren.

Description

Hintergrund der Erfindung
[0001] Der hier beschriebene Erfindungsgegenstand betrifft allgemein die Detektion von Verschmutzungen in Brennstoff und insbesondere die Überwachung und Aufbereitung von Gasturbinenbrennstoff.
[0002] Die Brennstoffzusammensetzung beeinflusst unter anderem die Korrosion und somit die Lebensdauer von Komponentenmaterial in einer Gasturbine. Brennstoff kann auf Kohlenwasserstoff basierende Gase und Flüssigkeiten beinhalten, die direkt zum Erzeugen von Energie verbrannt werden. Elemente in der Periodentabelle, wie z.B. Schwefel, Natrium, Vanadium, Kalium, Kalzium, Blei usw., die als Verschmutzungen in dem Brennstoff vorhanden sein können, bewirken eine Verschlechterung der Legierungsbeschichtungen. Beispielsweise können Oxide von Schwefel und Vanadium mit anderen Verschmutzungen unter Ausbildung von Sulfaten und Vanadaten reagieren, die bei hohen Temperaturen korrosiv sind. Typischerweise führt das Vorhandensein von Verschmutzungen in Brennstoff, wie z.B. Natrium, Kalium und Vanadium, zu Ablagerungen aus dem Verbrennungsprozess, die die Schutzoberflächenbeschichtung von Gasturbinenkomponenten beschädigen.
[0003] Die Gasturbinenlebensdauer wird durch Korrosion unterschiedlicher Komponenten beeinträchtigt. Die Brennstoffzusammensetzung ist ein wichtiger Korrosionsbeitrag in Gasturbinen. Die Konzentrationspegel von elementaren Verschmutzungen in dem Brennstoff beeinflussen das Gasturbinenbetriebsverhalten und die Instandhaltung insgesamt. Ferner beeinflussen Verschmutzungen eine Verschlechterung von Teilen der Gasturbine, die heissem Gas ausgesetzt sind, einschliesslich Brennern, Übergangsteilen und Turbinenschaufeln. In der Verdichtereinlassluft enthaltene Verschmutzungen, eingespritzter Dampf und Wasser können ebenfalls erheblich zur Korrosion beitragen. Herkömmliche Verfahren zur Prüfung auf Brennstoffverschmutzungen beinhalten eine manuelle Probennahme und Prüfung unter Verwendung eines Drehscheibenemissions-(RDE)-Spektrometers. Derartige Verfahren sind für eine Verfälschung der Brennstoffprobe anfällig, die sich aus einer falschen Behandlung oder schlechten Probenahmentechniken ergeben. Eine häufige Probenahme ist an Stellen erforderlich, wo Brennstoffe für hohe Verschmutzungspegel anfällig sind. Eine derartige häufige Probenahme ist zeitaufwändig und arbeitsintensiv.
[0004] Es ist wünschenswert, über ein Online-Brennstoffanalysesystem zu verfügen, das eine Möglichkeit zur Verfolgung der elementaren Verschmutzungskonzentrationen in Echtzeit bietet. Ferner würde eine derartige Echtzeit-Überwachung des Brennstoffs eine rechtzeitige Korrekturaktion ermöglichen, und die Fälle einer ungeplanten Instandhaltung verringern.
Kurzbeschreibung der Erfindung
[0005] Zusammengefasst wird ein System zum Detektieren mehrerer Elemente vorgeschlagen. Das System enthält eine oder mehrere Röntgenquellen zum Senden von Röntgenstrahlen an eine Probe und enthält auch mehrere Photonendetektoren. Eine Anordnung von Kristallen ist in einer Krümmung mit geeigneter Geometrie zum Aufnehmen mehrerer von der Probe emittierter Photonenenergien und zum Fokussieren der Photonenenergie auf die mehreren Detektoren angeordnet. Die mehreren Photonendetektoren sind räumlich bei Bragg-Winkeln angeordnet, die Signaturphotonenenergien entsprechen, um die mehreren Elemente gleichzeitig zu detektieren.
[0006] In einer Ausführungsform wird ein Online-Brennstoffüberwachungssystem für ein Gasturbinensystem vorgeschlagen. Das System enthält eine mit einer Brennstoffzuführungsleitung der Gasturbine verbundene Brennstoffprobenahmeeinheit, um Proben eines Brennstoffs in Echtzeit zu nehmen. Das System enthält ferner ein Elemente-Detektionssystem mit einer oder mehreren Röntgenquellen zum Senden von Röntgenstrahlen an eine Probe, mit einem oder mehreren Photonendetektoren und einem oder mehreren in einer Krümmung mit geeigneter Geometrie angeordneten Kristallen zum Aufnehmen mehrerer von der Probe emittierter Photonenenergien. Die Kristalle sind ferner zum Fokussieren der einen oder mehreren Photonenenergien auf die mehreren Detektoren angeordnet, wobei die oder mehreren Photonendetektoren räumlich bei Bragg-Winkeln angeordnet sind, die Signaturphotonenenergien entsprechen, um die mehreren Elemente gleichzeitig zu detektieren. Das System enthält ferner einen mit dem Elemente-Detektionssystem verbundenen und zum Berechnen einer Konzentration des einen oder der mehreren Elemente in der Brennstoffprobe konfigurierten Prozessor.
[0007] In einer weiteren Ausführungsform wird ein System zum Detektieren von Vanadium in einem Gasturbinenbrennstoff präsentiert. Das System enthält eine oder mehrere Röntgenquellen zum Erzeugen und Senden von Röntgenstrahlen an eine Gasturbinenbrennstoff probe. Das System enthält ferner einen oder mehrere Röntgenoptik-Kristalle, die für den Empfang von einer oder mehreren von der Probe ausgesendeten Photonenenergien und für die Reflexion von Photonen mit einem Energiepegel von etwa 4,95 Kiloelektronenvolt ausgerichtet sind. Das System enthält einen an einer vorbestimmten Stelle eines Reflexionspfades des röntgenoptischen Kristalls angeordneten und für die Detektion von Photonen mit einer Energie von etwa 4,95 Kiloelektronenvolt konfigurierten Photonendetektor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0008] Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, wobei:
[0009] Fig. 1 ein Elemente-Detektionssystem gemäss einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
[0010] Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Anordnung von Kristallen in Fig. 1 darstellt;
[0011] Fig. 3 eine alternative Konfiguration der Anordnung von Kristallen in Fig. 1 darstellt;
[0012] Fig. 4 ein Elemente-Detektionssystem gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellt;
[0013] Fig. 5 ein Online-Gasturbinenbrennstoff-Überwachungssystem gemäss einer Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
[0014] Fig. 6 ein exemplarisches Verfahren zum Detektieren und Anwenden einer Kalibrierung auf der Basis eines Brennstofftyps ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
[0015] Typische Betriebsparameter, die während des Betriebs einer Gasturbine überwacht werden, beinhalten den Startzyklus, die Leistungsabgabe, den Brennstoffdurchsatz und die Einspritzrate von Dampf/Wasser. Verschiedene Brennstoffe, einschliesslich, jedoch nicht darauf beschränkt, Erdgas, Rohöle und Restbrennstoffe werden zur Verbrennung in Gasturbinen genutzt. Die Brennstoffzusammensetzung beeinflusst die Korrosion und somit die Lebensdauer verschiedener Komponenten in der Gasturbine, wie z.B. die von Turbinenschaufeln und Heissgaspfadkomponenten. Die Verwendung von Brennstoffen, die Verschmutzungen, wie z.B. Schwefel, Natrium, Kalium und Vanadium enthalten, bewirken bekanntermassen eine Verschlechterung der Legierungsbeschichtungen und der Substratlegierungen der Turbinenkomponenten. Diese Verschmutzungen können inhärent in dem Brennstoff enthalten sein, oder können während schlechter Handhabung/Verarbeitungs-Techniken hinzugefügt worden sein. Geschmolzene eutektische Salzmischungen von Sulfaten und Vanadaten, die bei hohen Temperaturen in der Gasturbine erzeugt werden, lösen die schützende Oxidbeschichtung auf der Oberfläche der Schaufeln auf und beeinflussen die Lebensdauer von Heissgaspfadkomponenten in der Gasturbine. Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beinhalten eine Detektion und Online-Überwachung von Verschmutzungen und der Elementekonzentration in dem Brennstoff.
[0016] Fig. 1 stellt ein Elemente-Detektionssystem gemäss einer Ausführungsform der Erfindung bereit. Das System 10 enthält eine oder mehrere Röntgen-Quellen 12 zum Senden von Röntgenstrahlen 14. Die Röntgen-Quellen 12 können polychromatische oder monochromatische Strahlung erzeugen und können nur ein Anodentarget enthalten. Weitere in Betracht gezogene Konfigurationen der Röntgen-Quelle 12 beinhalten mehrere Änodentargets mit Filtern und/oder Röntgenoptiken, wie z.B. Mehrfachlagen oder Kristallen. In einer exemplarischen Ausführungsform ist die Röntgen-Quelle für die Erzeugung mehrerer monochromatischer Photonenstrahlen, als eine Röntgen-Quelle mit mehreren Anodentargets, die mehrere polychromatische Photonenstrahlen erzeugen, als eine Röntgen-Quelle mit einem Anodentarget, das eine Legierung mehrerer Elemente ist, als mehrere Röntgen-Quellen, Synchrotron-Quellen und als einer oder mehrere Röntgenlaser konfiguriert. In einer exemplarischen Ausführungsform ist die Röntgen-Quelle 12 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen mit hoher Flussrate konfiguriert, um die Bestandteilelemente zu quantifizieren. Die Hochflussquelle kann mit einem rotierenden Anodentarget, einer c-Flex-Anode oder stationären Anode ausgestattet sein, die mit einer fokussierenden Röntgenoptik verbunden ist, wobei die Röntgenoptik eines von einer polykapillaren, Totalinnenreflexions-Mehrfachschicht oder einer dreidimensional gekrümmten Kristalloptik enthalten kann.
[0017] Die Röntgenstrahlen 14 aus den Röntgen-Quellen 12 werden an eine Probe 16 gelenkt, die beispielsweise einen Gasturbinenbrennstoff enthält. Anordnungen von Kristallen 18 sind in einer Krümmung 20 mit geeigneter Geometrie für Empfang und Fokussierung für Mehrfachphotonenenergie (oder Fluoreszenz) auf mehreren Photonendetektoren 22 angeordnet. In einer Ausführungsform beinhaltet die Anordnung von Kristallen 18 mehrere Kristalle wie z.B. 24-32. Jeder derartige Kristall 24, 26, 28, 30, 32 kann ein innerhalb seiner Innenoberfläche 34 einfach gekrümmt oder doppelt gekrümmt oder ein mehrfachlagiger sein. Die Geometrie der Krümmung 20 kann, ist jedoch nicht beschränkt, toroide, ellipsoide und paraboloide Oberflächen oder Kombinationen dieser Oberflächen enthalten. Die Photonendetektoren 22 sind räumlich bei Signaturphotonenenergien entsprechenden Bragg-Winkeln angeordnet. In einer Ausführungsform ist jeder Photonendetektor an einer vorbestimmten Stelle angeordnet, um ein Element zu detektieren. Beispielsweise ist ein Photonendetektor zum Detektieren von Vanadium an einer vorbestimmten Stelle angeordnet, wobei die Stelle abhängig von der Energie und dem Bragg-Winkel der ausgesendeten Photonencharakteristik von Vanadium berechnet wird. Jeder Photonendetektor 36, 38, 40, 42, 44 kann ohne Beschränkung darauf einen oder mehrere Festkörperdetektoren, einen Silizium-Drift-Detektor, einen Gasproportional-Durchflusszähler, einen Szintillationszähler und einen Ladungsträger-Kopplungs-Detektor enthalten. In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform kann der Photonendetektor einen in Pixelform aufgebauten Siliziumdetektor enthalten, der für Energiepegel von Photonen empfindlich ist.
[0018] In einem exemplarischen Betrieb ist das Elemente-Detektionssystem 10 für die gleichzeitige Detektion von mehreren Elementen in der Probe 16 konfiguriert. Die Röntgen-Quelle ist dafür konfiguriert, einen Röntgenstrahl auf die Probe 16 zu richten. Wie vorstehend diskutiert, können die Röntgenstrahlen ein polychromatisches Hochstromstrahlbündel oder ein oder mehrere von einer oder mehreren monochromatischen Röntgen-Quellen emittierte monochromatische Strahlbündel enthalten. Mehrere Photonenenergien werden von der Probe bei Auftreffen derartiger Röntgenstrahlen emittiert. Jede derartige Photonenenergie ist einem entsprechenden Element in der Probe zugeordnet, und wird als eine Signaturphotonenenergie für das Element bezeichnet. Beispielsweise entspricht ein Energiepegel von etwa 4,95 Kiloelektronenvolt Vanadium. Mehrere Signaturphotonenenergien werden gleichzeitig zum Detektieren mehrerer Elemente detektiert. Weitere nicht einschränkende Beispiele zu detektierender Elemente umfassen Magnesium, Natrium, Lithium, Kalium, Kalzium, Schwefel, Nickel und Blei.
[0019] Fig. 2 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der Kristallanordnung in Fig. 1. Eine Anordnung von Kristallen 18 wie durch das Bezugszeichen 50 dargestellt, ist für den Empfang von mehreren von der Probe 16 emittierten Photonenenergien und zur Fokussierung jeder derartigen Photonenenergie auf einen entsprechenden Photonendetektor 22 wie in Fig. 1 angegeben, konfiguriert. Das Bezugszeichen 52 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der Anordnung von Kristallen 18, wobei mehrere Kristalle 24-32 nebeneinander auf einer gekrümmten Oberfläche aufgereiht sind. Jeder Kristall 24, 26, 28, 30, 32 enthält ein gekrümmtes Gitter entlang der Breite 54 und entlang der Länge 56. Derartige mehrere Kristalle 24-32 tragen zur Erfassung eines grossen Vollwinkels von fluoreszierenden Photonen aus der Probe und zur Beugung oder Reflexion mehrerer Photonen mit mehreren Energien (oder Wellenlängen) bei.’ Beispielsweise ist der Kristall 24 dafür konfiguriert, eine aus der Probe emittierte spezielle Wellenlänge λ1zu brechen oder zu reflektieren. Ferner sind die Kristalle 26, 28, 30, 32 dafür konfiguriert, entsprechende Wellenlängen λ2, λ3, λ4, λ5zu beugen oder zu reflektieren. Die Krümmungen entlang der Breite 54 und der Länge 56 tragen zum Fokussieren der gebeugten oder reflektierten Photonenenergien mit höherer Intensität bei.
[0020] Fig. 3 stellt eine alternative Konfiguration der Anordnung der Kristalle in Fig. 1 dar. Die durch das Bezugszeichen 60 veranschaulichte perspektivische Ansicht Kristallanordnung beinhaltet mehrere Kristalle entlang der Breite 56. Beispielsweise sind mehrere Kristalle 62-68 entlang der Breite der Anordnung 56 angeordnet. In ähnlicher Weise sind mehrere derartige Sätze von Kristallen 70-76, 78-84, 86-92, 94-100 eng aneinander angeordnet, um eine ebene oder eine gekrümmte Oberfläche entlang der Breite 56 und der Länge 54 zu bilden. Einer von den Kristallsätzen, beispielsweise 62 - 68, kann für eine Beugung oder Reflexion einer speziellen Wellenlänge λ1 konfiguriert sein. Demzufolge können die restlichen Kristallsätze 70-76, 78-84, 86-92, 94-100 für eine Beugung oder Reflexion von Wellenlängen λ2, λ3, λ4, λ5 konfiguriert sein. Alternativ können die Kristallsätze entlang Reihen angeordnet sein, um eine spezielle Wellenlänge zu beugen oder zu reflektieren. Beispielsweise können die Kristalle 62, 70, 78, 86, 94 für die Beugung oder Reflexion einer speziellen Wellenlänge λ1 konfiguriert sein. In einer derartigen Konfiguration sind die Kristallsätze entlang der Länge 54 dafür konfiguriert, eine spezielle Wellenlänge zu beugen oder zu reflektieren.
[0021] Fig. 4 stellt ein Elemente-Detektionssystem gemäss einer Ausführungsform der Erfindung dar. In einer exemplarischen Ausführungsform ist das System 104 dafür konfiguriert, einen sehr niedrigen Konzentrationspegel von Vanadium in einer Brennstoffprobe zu detektieren. Das System 104 enthält eine oder mehrere Röntgen-Quellen 12, die zum Erzeugen und Senden von Röntgenstrahlen 14 an eine Probe 16 konfiguriert sind. Ein Röntgenoptikkristall 106 ist dafür ausgerichtet, von der Probe emittierte Photonenenergien aufzunehmen und Photonen mit einem Energiepegel von etwa 4,95 Kiloelektronenvolt auf einen Photodetektor 108 hin zu beugen oder zu reflektieren. Der optische Kristall 106 kann mehrere Kristalle 101-109 enthalten und in einer Krümmung angeordnet sein. In einer Ausführungsform enthalten die Kristalle 101-109 einen einfach gekrümmten Kristall, einen doppelt gekrümmten Kristall, einen mehrlagigen Kristall oder Kombinationen davon. Der Photonendetektor 108 ist an einer vorbestimmten Stelle in einem Reflexionspfad des röntgenoptischen Kristalls angeordnet und dafür konfiguriert, Photonen mit einer Energie von etwa 4,95 keV zu detektieren, welche einer Wellenlänge von etwa 0,25 nm entsprechen. Der Röntgenoptikkristall 106 kann eine von den in den Fig. 2 und 3diskutierten Konfigurationen enthalten. In einer Ausführungsform sind alle Kristalle in der Anordnung 106 dafür konfiguriert, eine spezielle Wellenlänge zu reflektieren, sodass höhere Intensitäten von fluoreszenten Photonenenergien auf die Detektoren einfallen. Durch die Detektion solcher höherer Photonenintensitäten können wiederum niedrigere Konzentrationspegel’ von Elementen beispielsweise bis zu einem unteren Detektionsgrenzwert von etwa 0,1 ppb (Teile pro Milliarde) detektiert werden. In einer exemplarischen Ausführungsform kann das Elemente-Detektionssystem 104 Teil eines Online-Überwachungssystems sein.
[0022] Fig. 5 stellt ein Online-Brennstoffüberwachungssystem einer Gasturbine gemäss einer Ausführungsform der Erfindung dar. Das Online-System 110 beinhaltet eine Brennstoffprobenahmeeinheit 112, die mit einer Brennstoffzuführungsleitung 114 einer Gasturbine 116 verbunden ist, um eine Probe 118 in Echtzeit zu nehmen. So wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff «Echtzeit» auf eine Messbedingung, die genau oder nahezu zeitkohärent mit dem aktuellen Status des zu messenden Parameters ist. «Online» bezieht sich auf ein System, das physisch an dem zu überwachenden System angebracht ist und kontinuierlich Information bezüglich des Systemzustandes ohne manuellen Eingriff liefert. Es dürfte sich auch verstehen, dass die Bezugnahme auf eine Gasturbine hierin nur exemplarisch ist. Derartige Online-Überwachungssysteme können in jeder Energieerzeugungsplattform implementiert sein, die einen festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoff benötigt, einschliesslich, jedoch nicht darauf beschränkt, Gasturbinenerzeugungsplattformen, Dampfturbinen, Dampferzeugungsanlagen, Erhitzer oder Kombinationszyklusenergieerzeugungsanlagen. Ein Elemente-Detektionssystem 120 ist mit der Probenahmeeinheit 112 verbunden. In einer Ausführungsform enthält das Elemente-Detektionssystem 120 eine Systemkonfiguration gemäss Beschreibung in Fig. 1. Ein Prozessor 122 ist mit dem Elemente-Detektionssystem 120 verbunden und dafür konfiguriert, ein Brennstoffqualitätssignal 123 zu berechnen. Der Prozessor, wie er hierin bezeichnet wird, kann jede digitale/analoge Schaltung zum Erfassen, Berechnen oder Analysieren von Systemdaten für die Informationsspeicherung oder für die Bestimmung von Befehlssignalen für Steueraktionen zum Verbessern des Systemzustands und der Leistung enthalten. Ein Brennstoff Zuführungssystem 124 ist mit der Brennstoffzuführungsleitung 114 verbunden und dafür konfiguriert, Eingangssignale von dem Prozessor 122 zu erhalten. In einer Ausführungsform ist das Brennstoffzuführungssystem 124 dafür konfiguriert, den Brennstoffdurchsatz in der Gasturbine 116 zu steuern. In einer weiteren Ausführungsform ist das Brennstoffzuführungssystem 124 als eine Brennstoffinhibitoreinheit konfiguriert, um einen Inhibitor in dem Brennstoff einzuspritzen, um die Auswirkungen vorhandener Verschmutzungen zu verringern. Ein Notabschaltventil 126 ist mit der Brennstoffzuführungsleitung 114 an dem Eintritt zu der Gasturbine 116 verbunden. Optional kann eine Datenzentrale 128 mit dem Prozessor 122 verbunden und dafür konfiguriert sein, verschiedene Parameter der Gasturbine 116 auf der Basis von Konzentrationspegeln und der Zusammensetzung der Elemente in dem Brennstoff 118 zu speichern.
[0023] In einem exemplarischen Betrieb des Online-Brennstoff überwachungs- und Aufbereitungssystems 110 wird von an die Gasturbine 116 gelieferten Brennstoff 118 kontinuierlich oder in regelmässigen Zeitintervallen durch die Probenahmeeinheit 112 eine Probe genommen. Das mit der Probenahmeeinheit 112 verbundene Elemente-Detektionssystem 120 ist dafür konfiguriert, mehrere Bestandsteilelemente und deren Konzentrationen in der Brennstoffprobe und somit eine Brennstoffqualität zu detektieren. Das Elemente-Detektionssystem kann auch eine ähnliche Konfiguration von Kristallanordnungen und Photonendetektoren enthalten, wie sie in Fig. 1beschrieben ist. In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist das Elemente-Detektionssystem 120 dafür konfiguriert, nur ein Element, wie z.B. Vanadium oder Natrium, zu detektieren. Das (von dem Prozessor 122 berechnete) Brennstoffqualitätssignal 123 kann beispielsweise die Elementekonzentration in der Brennstoffprobe enthalten. In einer Ausführungsform ermöglicht ein Befehlssignal 123 aus dem Prozessor 122 der Inhibitorinjektionseinheit 124, eine Inhibitorinjektionsrate auf der Basis der Konzentration der durch das Elemente-Detektionssystem 120 detektierten Elemente zu berechnen. Alternativ kann das Prozessorausgangssignal 123 zum Abschalten der Brennstoffzufuhr zu der Gasturbine verwendet werden, wenn die Konzentrationspegel von Bestandteilelementen einen Schwellenwert überschreiten, der gefährlich korrosiv ist oder irgendeine andere Korrekturaktion danach unternehmen. Die Datenzentrale 128 ist dafür konfiguriert, die Konzentration der Verschmutzungen in dem der Gasturbine zugeführten Brennstoff kontinuierlich aufzuzeichnen. Eine derartige Sammlung von Daten trägt zur Berechnung verschiedener Parameter, wie z.B. Wartungszyklen für die Gasturbine, Korrosionsrate der Heissgaspfadkomponenten in der Gasturbine, bei. Derartige Parameter tragen auch zur Planung einer präventiven Wartung bei.
[0024] Verschiedene Arten von flüssigen Brennstoffen, wie z.B. Rohöl, Kerosin oder Diesel, werden in Gasturbinen verwendet. Elemente-Detektionssysteme wie die vorstehend Beschriebenen können Verschmutzungen in Brennstoffen detektieren, die aus einem weiten Bereich von Kohlenwasserstoffzusammensetzungen kategorisiert sein könne. Daher identifiziert eine genaue Detektion des Röntgentransmissionssignals und/oder der Elementesignale in dem Brennstoff einen Brennstofftyp und bestimmt daher auf den Brennstofftyp anzuwendende geeignete Kalibrierungsroutinen. Ein derartiges exemplarisches Verfahren zum Detektieren des Brennstofftyps ist in Fig. 6dargestellt. Das Flussdiagramm 130 enthält verschiedene Schritte zum Identifizieren des Brennstofftyps und demzufolge der Anwendung einer Kalibrierungstechnik gemäss einer Ausführungsform der Erfindung. Der Anfangsschritt 132 beinhaltet die Detektierung des Brennstofftyps, indem die unbekannte Brennstoffprobe einer Röntgenstrahlung (wie vorstehend diskutiert) ausgesetzt wird, wobei die Intensität einer Photonenenergie aus der Probe gemessen wird. In dem nächsten Schritt 134 wird die gemessene Intensität mit beispielsweise in der Datenzentrale gespeicherten Intensitäten verglichen, um den Brennstofftyp zu kategorisieren.
[0025] Eine Kalibrierung wird im Schritt 138 angewendet, wobei sich die Kalibrierung gemäss einer Ausführungsform auf die funktionale Beziehung zwischen den gemessenen Intensitäten aus Proben und der Konzentration der Probe bezieht. Eine derartige Funktion wird durch Messen der Photonenenergieintensitäten eines Bereichs von Proben abgeleitet, die bekannte Mengen der Bestandteilelemente enthalten, was wiederum zu einer Kalibrierungskurve für einen speziellen Brennstofftyp führt. Mehrere derartige Kalibrierungskurven sind für mehrere Brennstofftypen gemäss Darstellung durch das Bezugszeichen 140 gespeichert. Um die Konzentration eines Bestandteilelementes in der unbekannten Probe zu bestimmen, wird die geeignete Kalibrierung in dem Schritt 134 auf das im Schritt 132 gemessene Röntgensignal angewendet. Die die Kalibrierungsfunktion des Bestandteilelementes beeinflussenden Faktoren beeinhalten Überlagerungen aus der Probenmatrix und beliebige Wechselwirkungen mit anderen Komponenten in der Probe. Die Genauigkeit der Konzentration der Bestandteilelemente in der unbekannten Probe hängt von der Anwendung der richtigen Kalibrierungskurve ab. Alternativ kann im Schritt 142 ein Korrekturfaktor auf eine gespeicherte Kalibrierungskurve abhängig von dem im Schritt 134 ermittelten Brennstofftyp aus einer gespeicherten Tabelle von Korrekturfaktoren angewendet werden. Der letzte Schritt 144 ist die Berechnung der Konzentration des Elementes.
[0026] Vorteilhafterweise tragen derartige Anordnungen von Kristallen implementierende Elemente-Detektionssysteme zur Detektion von niedrigen Konzentrationspegeln von Elementen bei. Ferner kann ein einziges System zum Detektieren mehrerer Elemente implementiert werden. Online-Systeme zum Detektieren von Elementen stellen eine Fähigkeit zur Verfolgung von Verschmutzungskonzentrationen über der Zeit bereit und empfehlen Schritte zum Beginnen einer Zusetzung von schützenden Mitteln, oder empfehlen eine Gasturbinenabschaltung zur Inspektion und Reinigung vor einem Ausfall. Die aufgezeichneten Daten können für eine Verfolgung einer Brennstoffverschmutzung über der Zeit und der Ermittlung ihrer Auswirkungen auf die Heisskorrosion in den Gasturbinen genutzt werden. Ferner erübrigen derartige Online-Systeme eine manuelle Probennahme, Transport zu einer Testeinrichtung und einen erheblichen Zeitaufwand, der für die Probenvorbereitung und Analyse von Elementekonzentrationen verbraucht wird.
[0027] Obwohl nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden viele Modifikationen und Änderungen für den Fachmann ersichtlich sein. Es dürfte sich daher verstehen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen, soweit sie in den tatsächlichen Erfindungsgedanken der Erfindung fallen, abdecken sollen.
[0028] Es wird ein System zum Detektieren mehrerer Elemente vorgeschlagen. Das System enthält eine oder mehrere Röntgenquellen zum Senden von Röntgenstrahlen an eine Probe und enthält auch mehrere Photonendetektoren. Eine Anordnung von Kristallen ist in einer Krümmung mit geeigneter Geometrie zum Aufnehmen mehrerer von der Probe emittierter Photonenenergien und zum Fokussieren der Photonenenergie auf die mehreren Detektoren angeordnet. Die mehreren Photonendetektoren sind räumlich bei Bragg-Winkeln angeordnet, die Signaturphotonenenergien entsprechen, um die mehreren Elemente gleichzeitig zu detektieren.
Bezugszeichenliste
[0029] <tb>10<sep>Elemente-Detektionssystem <tb>12<sep>Röntgen-Quelle <tb>14<sep>Röntgenstrahlen <tb>16<sep>Probe <tb>18<sep>Anordnung von Kristallen <tb>20<sep>gekrümmte Oberfläche <tb>22<sep>Photonendetektoren <tb>24-32<sep>Kristalle <tb>34<sep>Innenoberfläche <tb>36-44<sep>Photonendetektor <tb>50<sep>Anordnung von Kristallen <tb>52<sep>perspektivische Ansicht der Kristallanordnung <tb>54<sep>Breite <tb>56<sep>Länge <tb>60<sep>perspektivische Ansicht <tb>62-68<sep>Sätze von Kristallen <tb>70-76<sep>Sätze von Kristallen <tb>78-84<sep>Sätze von Kristallen <tb>86-92<sep>Sätze von Kristallen <tb>94-100<sep>Sätze von Kristallen <tb>104<sep>Elemente-Detektionssystem <tb>106<sep>röntgenoptischer Kristall <tb>108<sep>Photonendetektor <tb>110<sep>Online-Brennstoffüberwachungssystem <tb>112<sep>Brennstoffprobenahmeeinheit <tb>114<sep>Brennstoffversorgungsleitung <tb>116<sep>Gasturbine <tb>118<sep>Brennstoff <tb>120<sep>Elemente-Detektionssystem <tb>122<sep>Prozessor <tb>123<sep>Befehlssignal/Brennstoffqualitätssignal <tb>124<sep>Inhibitorinjektionseinheit/Brennstoffzuführungssystem <tb>126<sep>Abschaltventil <tb>128<sep>Datenzentrale <tb>130<sep>exemplarisches Verfahren zum Detektieren des Brennstofftyps <tb>132<sep>Intensität der Photonenenergie aus der Probe wird gemessen <tb>134<sep>Kategorisieren des Brennstofftyps <tb>136<sep>Auftragen der Intensität über den Probenzählwert <tb>138<sep>Anwenden einer Kalibrierung <tb>140<sep>mehrere Kalibrierungsaufzeichnungen <tb>142<sep>Anwenden des Korrekturfaktors <tb>144<sep>Elementekonzentration

Claims (10)

1. System zum Detektieren mehrerer Elemente, wobei das System aufweist: eine oder mehrere Röntgen-Quellen zum Senden von Röntgenstrahlen an eine Probe; mehrere Photonendetektoren; und eine Anordnung von in einer Krümmung mit geeigneter Geometrie angeordneten Kristallen zum Empfangen mehrerer von der Probe ausgesendeter Photonenenergien und zum Fokussieren der Photonenenergie auf die mehreren Detektoren, wobei die mehreren Photonendetektoren räumlich bei Bragg-Winkeln angeordnet sind, die Signaturphotonenenergien entsprechen, um die mehreren Elemente gleichzeitig zu detektieren.
2. System nach Anspruch 1, wobei jeder Kristall wenigstens einen von einem einfach gekrümmten Kristall, einem doppelt gekrümmten Kristall oder einem mehrlagigen Kristall aufweist.
3. System nach Anspruch 1, das ferner mit einer Brennstoffzuführungsleitung einer Energieerzeugungsplattform verbunden ist und ferner einen Prozessor aufweist, der mit dem Photonendetektor verbunden und dafür konfiguriert ist, ein Brennstoffqualitätssignal zu erzeugen.
4. System nach Anspruch 3, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, Konzentrationen der Elemente zu detektieren und eine Zufuhr von Brennstoff zu der Energieerzeugungsplattform zu steuern.
5. System nach Anspruch 3, wobei die Energieerzeugungsplattform eine Gasturbine aufweist und der Prozessor ferner dafür konfiguriert ist, einen oder mehrere Parameter der Gasturbine, wobei die Parameter einen Wartungsplan, Heissgaspfadkorrosion oder Komponentenkorrosion beinhalten, auf der Basis des Brennstoffqualitäts-signals zu berechnen.
6. Online-Brennstoffüberwachungssystem einer Gasturbine, aufweisend: eine mit der Brennstoffzuführungsleitung der Gasturbine verbundene Brennstoffprobennahmeeinheit zum Probennehmen in Echtzeit; ein Elemente-Detektionssystem, aufweisend: eine oder mehrere Röntgen-Quellen zum Senden von Röntgenstrahlen an eine Probe; einen oder mehrere Photonendetektoren; und eine oder mehrere Anordnungen von in einer Krümmung mit geeigneter Geometrie angeordneten Kristallen zum Empfangen einer oder mehrerer von der Probe ausgesendeter Photonenenergien und zum Fokussieren der einen oder mehreren Photonenenergien auf die mehreren Detektoren, wobei der eine oder die mehreren Photonendetektoren räumlich bei Bragg-Winkeln angeordnet sind, die Signaturphotonenenergien entsprechen, um ein oder mehrere Element(e) zu detektieren; und einen mit dem Elemente-Detektionssystem verbundenen und zum Berechnen einer Konzentration des einen oder der mehreren Elemente(s) in der Brennstoffprobe konfigurierten Prozessor.
7. Online-Brennstoffüberwachungssystem nach Anspruch 6, das ferner eine Brennstoffinhibitoreinheit aufweist, die mit der Brennstoffzuführungsleitung verbunden ist, um einen Inhibitor auf der Basis des Brennstoffqualitätssignals einzuspritzen.
8. Online-Brennstoffüberwachungssystem nach Anspruch 6, wobei der Prozessor ferner dafür konfiguriert ist, eine Kalibrierung auf der Basis eines gemessenen Brennstofftyps anzuwenden.
9. System zum Detektieren von Vanadium in einem Gasturbinenbrennstoff, aufweisend: eine oder mehrere Röntgen-Quellen zum Erzeugen und Senden von Röntgenstrahlen an eine Gasturbinenbrennstoffprobe; einen oder mehrere röntgenoptische Kristalle, die dafür ausgerichtet sind, eine oder mehrere von der Probe emittierte Photonenenergien zu empfangen und Photonen mit Vanadium entsprechender Energie zu reflektieren; und einen an einer vorbestimmten Stelle in einem Reflexionspfad des röntgenoptischen Kristalls angeordneten und dafür konfigurierten Photonendetektor Photonen mit Vanadium entsprechenden Energien zu detektieren.
10. System nach Anspruch 9, das ferner einen Prozessor aufweist, der mit dem Detektor verbunden und dafür konfiguriert ist, eine Photonenenergie von etwa 4,95 Kiloelektronenvolt oder einer Wellenlänge von etwa 0,25 nm entsprechend dem Vanadium in der Probe zu detektieren.
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