CN102419210A - 用于发电系统内的故障检测的热测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于发电系统内的故障检测的热测量系统。具体而言，一种系统(10)包括辐射传感器(66)，该辐射传感器(66)构造成使视场(90)朝向热回收蒸汽发生器(34)内的管道(74)，并且输出指示该管道(74)的温度的信号。该系统(10)还包括控制器(68)，该控制器(68)可通信地联接至辐射传感器(66)。该控制器(68)构造成基于该信号确定温度，并将该温度与阈值进行比较。

Description

用于发电系统内的故障检测的热测量系统
技术领域
本发明公开的主题涉及用于发电系统内的故障检测的热测量系统。
背景技术
某些发电系统包括燃气涡轮发动机，其构造成燃烧燃料与压缩空气的混合物以产生热的燃烧气体。燃烧气体可流经涡轮以产生用于负载(例如发电机)的功率。为了提高效率，某些发电系统采用热回收蒸汽发生器(HRSG)来从涡轮排出的热的燃烧气体中捕获能量。通常，HRSG在与废气的流交叉(例如大致垂直)的方向上使流体(诸如水)输送通过多个管道。随着废气流过管道，热从废气传到水，从而产生蒸汽。蒸汽然后被引导通过蒸汽涡轮以产生旋转运动，从而驱动负载(例如发电机)。某些HRSG包括具有翼片(fin)的管道，翼片构造成增加废气与通过管道的水流之间的传热。令人遗憾的是，翼片与管道的分离可降低HRSG效率。另外，如果排出流的一部分比预期的更热，则某些管道可能经历过度的蒸汽压力，从而导致某些HRSG构件的过早磨损。
此外，某些发电系统包括开关设备，其构造成调节各电气系统的操作，例如来自燃气涡轮发动机的发电机和/或电起动马达的电输出。由于经过开关设备的高电压和安培数，典型地在启动发电系统之前利用红外摄像机扫描开关设备。例如，技术员可打开开关设备的每个电气罩壳，并且然后将红外相机对准每个罩壳的内部以确保温度在预期限度内。因为过度的温度可指示开关设备内的电短路或松动连接，所以，如果检测到过度的温度可采取校正措施。令人遗憾的是，手动扫描开关设备的过程昂贵并且耗时，从而增加了发电系统的操作成本。
另外，某些发电系统包括发电机升压变压器(GSU)以使发电机电压增大到对于电力传输的预期水平。GSU经由电连接(例如分相母线)而电联接至发电机。通常，分相母线包括三个电气管道，其构造成将由发电机输出的三相功率的每个相单独地传输至GSU。分相母线的每个电气管道典型地包括布置在罩壳内的电导体组件。电导体组件通过一系列绝缘体与罩壳电绝缘，一系列绝缘体还用于支撑罩壳内的电导体组件。例如，电导体组件包括由紧固件彼此联接的一系列导体。应当理解，电导体可随着时间彼此分离，从而在导体之间的接合处发热。因此，可显著降低分相母线的功率传输效率，从而降低发电系统的效率。
发明内容
下面概述与最初要求保护的发明的范围一致的某些实施例。这些实施例不意图限制所要求保护的发明的范围，相反，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可包括可类似于或不同于下面所述的实施例的多种形式。
在第一实施例中，一种系统包括辐射传感器，其构造成使视场朝向热回收蒸汽发生器内的管道，并且输出指示该管道的温度的信号。该系统还包括控制器，其可通信地联接至辐射传感器。控制器构造成基于该信号确定温度，并将该温度与阈值进行比较。
在第二实施例中，一种系统包括辐射传感器，其构造成使视场朝向包含多个构件的电气罩壳的内部，并且输出指示电气罩壳的内部的温度的信号。该系统还包括控制器，其可通信地联接至辐射传感器。控制器构造成基于该信号检测构件中的电气故障。
在第三实施例中，一种系统包括辐射传感器，其构造成使视场朝向包括多个电导体之间的至少一个接合处的区域，并且输出指示该区域的温度的信号。该系统还包括控制器，其可通信地联接至辐射传感器。该控制器构造成基于该信号检测在该至少一个接合处的电导体的分离。
附图说明
当参考附图来阅读下述详细描述时，本发明的这些与其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中，相似的附图标记表示相似的部件，其中：
图1是联合循环发电系统的一个实施例的示意图，该系统具有燃气涡轮、HRSG、开关设备、分相母线和热测量系统，热测量系统构造成检测HRSG、开关设备和分相母线内的温度；
图2是朝向HRSG内的流体管道的热测量系统的一个实施例的示意图；
图3是朝向HRSG的在流体管道上游的截面的热测量系统的一个实施例的示意图；
图4是朝向开关设备内部的热测量系统的实施例的示意图；以及，
图5是朝向分相母线的管道内的两个电导体之间的接合处的热测量系统的一个实施例的示意图。
项目清单
  10   发电系统
  12   燃气涡轮发动机
  14   燃烧器
  16   涡轮
  18   轴
  20   压缩机
  22   发电机
  24   开关设备
  26   分相母线
  28   发电机升压变压器
  30   配电网
  32   废气
  34   热回收蒸汽发生器
  36   烟囱
  38   冷却废气流向
  40   高压蒸汽
  42   蒸汽涡轮
  44   发电机
  46   开关设备
  48   分相母线
  50   发电机升压变压器
  52   低压蒸汽
  54   冷凝器
  56   冷却水
  58   水
  60   热水
  62   冷却塔
  64   热测量系统
  66   热辐射传感器
  68   控制器
  70   用户界面
  72   下游方向
  74   管道
  76   翼片
  78   第一歧管
  80   第二歧管
  82   观察口
  84   滤波器
  86   透镜
  88   反射镜
  90   视场
  92   视场角
  94   HRSG截面
  96   显示器
  98   警报器
  100   图表
  102   X-轴
  104   Y-轴
  106   曲线
  108   平均温度
  110   上阈值
  112   下阈值
  114   热电堆元件
  116   数字显示器
  118   电气罩壳
  120   第一电导体
  122   第二电导体
  124   电连接器
  126   电气构件
  128   内部电导体
  129   电气管道
  130   电导体组件
  132   电气罩壳
  134   电绝缘体
  135   电导体
  136   螺栓
  138   接合处
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或更多特定实施例。为了提供这些实施例的简洁描述，在说明书中可能没有描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何这样的实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多实施方式特定的决定以实现开发者的特定目的，例如符合系统相关和商业相关的约束，从这些约束可随不同实施方式而不同。此外，应当理解，这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于受益于本公开的本领域技术人员而言仍将是设计、制作和制造的常规任务。
当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在一个或更多元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图是包括性的并且表示可存在除了所列元件之外的额外的元件。
本公开的某些实施例可通过识别可导致降低的HRSG效率和/或导致HRSG构件过早磨损的条件而有助于HRSG维护操作。例如，某些发电系统可包括具有辐射传感器的热测量系统，辐射传感器带有朝向HRSG内的管道的视场。辐射传感器构造成检测由管道发出的热辐射并输出指示管道温度的信号。热测量系统还包括控制器，其可通信地联接至辐射传感器，并构造成基于该信号确定管道的温度。控制器还可构造成将该温度与阈值进行比较以识别管道内的故障。例如，过于高的管道温度可使管道过度加压，从而导致HRSG内的管道和/或其它构件的过早磨损。此外，过于低的管道温度可指示翼片与管道至少部分分离、碎屑在管道的表面上累积和/或流体从管道泄漏。因此，热测量系统构造成持续地监测HRSG内的各管道以检测这些故障，并且警示操作者和/或自动采取适当的校正措施。这样，可易于识别可降低HRSG效率的条件，从而有助于HRSG维护操作和提高HRSG效率。
本公开的进一步的实施例可显著地降低与检测开关设备内的电气故障相关联的成本。例如，某些发电系统可包括具有辐射传感器的热测量系统，辐射传感器带有朝向包含多个构件的电气罩壳的内部的视场。辐射传感器构造成检测由构件发出的热辐射并输出指示电气罩壳内部的温度的信号。热测量系统还包括控制器，其可通信地联接至辐射传感器，并构造成基于该信号检测构件中的电气故障。因为热测量系统构造成持续地监测开关设备的温度并基于该温度自动地识别电气故障，所以可避免在启动发电系统之前利用手持红外摄像机手动扫描该开关设备。因此，可显著地降低与起动操作相关联的操作成本。另外，可在发电系统的操作期间而不仅仅在起动过程期间检测电气故障。
本公开的还进一步的实施例可通过监测总线内的电导体之间的接合处的温度来检测电气总线内的传输效率的降低。例如，某些发电系统可包括具有辐射传感器的热测量系统，辐射传感器带有朝向包括多个电导体之间的至少一个接合处的区域的视场。辐射传感器构造成检测由接合处发出的热辐射并输出指示该区域的温度的信号。热测量系统还包括控制器，其可通信地联接至辐射传感器，并构造成基于该信号检测该至少一个接合处的电导体的分离。由于热测量系统构造成持续地监视接合处的温度并基于该温度自动地识别导体分离，可迅速地识别通过电气总线的传送效率的降低。因此，一检测到分离就使电功率改线可确保发电系统的高效操作。
图1是联合循环发电系统10的一个实施例的示意图，系统10具有燃气涡轮、HRSG、开关设备、分相母线和热测量系统，热测量系统构造成检测HRSG、开关设备和分相母线内的温度。下面为了对热测量系统的实施例提供环境而描述系统10，热测量系统构造成检测各电气系统和流体管道内的故障。应当理解，下面所述的热测量系统可用于检测其它发电系统、涡轮系统、处理设施或包括HRSG、开关设备或电气总线的任何其它系统内的故障。在该实施例中，系统10包括燃气涡轮发动机12，其包括燃烧器14、涡轮16、驱动轴18和压缩机20。燃烧器14接收燃料(例如天然气)，燃料可在压力下从燃料喷嘴喷射。该燃料然后与压缩空气混合并在燃烧器14内燃烧，从而产生热的加压废气。燃烧器14使废气朝涡轮16的废气出口引导。当来自燃烧器14的废气经过涡轮16时，涡轮16中的叶片被驱动旋转，从而使驱动轴18沿着燃气涡轮发动机12的轴线旋转。如所示的那样，驱动轴18可连接到燃气涡轮发动机12的不同构件，包括压缩机20。
驱动轴18将涡轮连接至压缩机20的转子，该转子包括叶片。因此，涡轮16中的涡轮叶片的旋转导致驱动轴18(其将涡轮16连接至压缩机20)使压缩机20内的叶片旋转。压缩机20中的叶片的旋转导致压缩机20压缩经由进气口接收的空气。压缩空气然后被进给到燃烧器14并与燃料混合以有助于燃烧。驱动轴18还连接至发电机22以用于产生电功率。如所示的那样，开关设备24联接至发电机22并构造成调节发电系统10的某些功能，例如自发电机22的电功率输出和/或燃气涡轮发动机12的起动，以及其它功能。如在下面详细论述的那样，开关设备24包含各种构件，包括开关和断路器，以便调节发电系统功能。
在该实施例中，分相母线26将发电机22电联接至发电机升压变压器(GSU)28。GSU 28构造成升高发电机电压到对于通过配电网30的功率传输的预期水平。此外，如所示的那样，分相母线26包括三个电气管道，其构造成将由发电机22输出的三相功率的每个相单独地传输至GSU 28。分相母线26的每个电气管道包括布置在罩壳内的电导体组件。电导体组件通过一系列绝缘体与罩壳电隔离，该一系列绝缘体还用于在罩壳内支撑电导体组件。例如，电导体组件包括通过紧固件彼此联接的一系列导体。尽管分相母线26在该实施例中用于从发电机22向GSU 28传送电功率，但是应当理解，在备选实施例中可利用其它电气总线。
来自燃气涡轮发动机12的废气32被引导至HRSG 34。如在下面详细论述的那样，HRSG 34为换热器，其包括多个管道，该管道构造成在与通过HRSG 34的废气32的流交叉(例如大致垂直)的方向上输送第二流体(例如水)。随着废气32流过管道，热从废气传到水，从而产生蒸汽。另外，废气的温度显著地降低。在经过HRSG 34之后，冷却的废气通过烟囱36释放到大气，如由箭头38所示的那样。如所示的那样，所产生的蒸汽40被引导朝向蒸汽涡轮42。
随着高压蒸汽40经过蒸汽涡轮42，涡轮42内的叶片被驱动旋转，从而驱动第二发电机44。尽管该实施例包括两个发电机22和44，但是应当理解，在备选实施例中燃气涡轮发动机12和蒸汽涡轮42可联接至相同的负载。如所示的那样，第二开关设备46联接至第二发电机44以调节第二发电机44的输出。另外，第二分相母线48和第二GSU 50用于将从第二发电机44输出的电功率输送到配电网30。
随着蒸汽经过蒸汽涡轮42，压力降低使得低压蒸汽52从涡轮42排出。如所示的那样，低压蒸汽52流入冷凝器54，冷凝器54使蒸汽冷凝。类似于HRSG 34，冷凝器54为换热器，其包括多个管道，该管道构造成在与蒸汽流交叉(例如大致垂直)的方向上输送第二流体(例如水)。随着蒸汽流过管道，热从蒸汽传到水56，从而使蒸汽冷凝为水58。水58流回到HRSG 34，在那里水被废气32加热以产生更多高压蒸汽40。冷却水56在冷凝器54内被加热并作为热水60离开。热水60被引导朝向冷却塔62，其使热水60冷却以产生用于冷凝器54的冷水56。
如所示的那样，发电系统10包括热测量系统64，其构造成确定HRSG 34、开关设备24和46和/或分相母线26和48内的温度。在该实施例中，热测量系统64包括五个辐射传感器，例如所示的热辐射传感器66，每个热辐射传感器被引导朝向发电系统10的相应目标构件。具体而言，一个热辐射传感器66被引导朝向HRSG 34内的管道以确定该管道的温度。另外，第二和第三热辐射传感器66被引导朝向开关设备24和46以基于所测量的开关设备构件的温度检测电气故障。此外，第四和第五热辐射传感器66被引导朝向分相母线26和48以基于所测量的分相母线管道内的接合处的温度检测电导体的分离。在该实施例中，热辐射传感器66构造成输出指示目标物体的温度的信号。例如，如在下面详细论述的那样，每个热辐射传感器66可为热电堆，其构造成基于所检测的热辐射输出温度。在某些实施例中，热辐射传感器66可包括热电堆元件的阵列，从而建立目标物体的多维(例如二维或三维)温度分布。通过监测各发电构件内的温度，热测量系统64可检测构件内的故障，从而有助于维护操作。
应当理解，热辐射传感器66测量来自物体的电磁能以确定物体的温度。例如，传感器66可测量具有红外光谱内的波长的热辐射。如将在下面详细论述的那样，某些红外发射的强度可与物体的温度成比例。在某些实施例中，热辐射传感器66构造成检测这样的发射并输出指示温度的信号。还应当理解，可采用不同的热辐射传感器构造来确定发电系统10内的构件的温度。如先前所论述的那样，某些传感器66可包括热电堆或一系列热电堆元件。应当理解，热电堆包括串联连接的多个热电偶以获得增强的信号输出。热电偶通过在接合处之间产生电动势(emf)来测量热接合处与冷接合处之间的温差。例如，热接合处可被引导朝向物体以测量热辐射，而冷接合处可联接至热沉从而使得冷接合处的温度基本上等于环境温度。因为热电偶串联连接，热电堆合计所有热电偶的电动势以提供增强的电压输出。建立热电堆元件的阵列可产生目标物体的二维或三维温度分布，其中每个热电堆元件提供相应监测区的温度。在某些实施例中，热电堆或热电堆阵列可为单个固态装置，其中热电堆或热电堆元件形成于该装置的表面上。备选实施例可采用辐射高温计、红外检测器(例如电荷耦合装置(CCD)、焦平面阵列(FPA)等)或构造成输出目标物体的温度的其它热辐射传感器。
在该实施例中，每个热辐射传感器66可通信地联接至控制器68。控制器68构造成基于由热辐射传感器66输出的信号确定目标物体的温度。在某些实施例中，热辐射传感器66为构造成输出指示目标物体的平均温度的信号的热电堆。在这样的实施例中，控制器68可构造成将该平均温度与阈值进行比较以识别目标物体内的故障。例如，如果控制器68确定HRSG 34内的管道的温度低于第一阈值，则控制器68可确定管道被损坏(例，泄漏流体、分开的翼片等)。相反，如果控制器68确定管道的温度高于第二阈值，则控制器68可确定管道被过度加压，从而潜在地缩短管道的操作寿命。另外，如果控制器68确定开关设备24或46的温度高于阈值，则在开关设备24或46的构件中可能存在电气故障。此外，如果控制器确定在分相母线26或48的管道内的导体之间的接合处的温度高于阈值，则导体可能已变得分离，从而降低通过分相母线26或48的电功率的传输效率。在进一步的实施例中，热辐射传感器66包括形成热电堆阵列的多个热电堆元件。在这样的实施例中，传感器66可输出指示目标物体的多维温度分布(例如二维或三维分布)的信号，从而提供额外的温度信息至控制器68。
尽管在该实施例中单个热辐射传感器66被引导朝向发电系统10的各构件(例如HRSG 34、开关设备24或46以及分相母线26或48)，但是应当理解，在备选实施例中可采用多个传感器66来监测各构件的各个区域。例如，多个热辐射传感器66可被引导朝向HRSG 34的各个管道。另外，一个或多个热辐射传感器66可被引导朝向开关设备24或46内的各电气罩壳的内部。此外，一个或多个热辐射传感器66可被引导朝向分相母线26或48内的各管道。
该实施例还包括可通信地联接至控制器68的用户界面70。用户界面70可包括数字显示器和/或图形界面，数字显示器构造成显示由每个热辐射传感器检测的温度，图形界面构造成显示随时间变化的温度。在这样的方式下，操作者可监测温度分布来判断温度是否在阈值范围之外。另外，用户界面70可包括视觉和/或听觉警报器，其构造成如果检测到过于高或过于低的温度则警示操作者。例如，如果控制器68确定HRSG 34内的管道的温度低于第一阈值或高于第二阈值，可启动听觉和/或视觉警报器。在某些实施例中，控制器68可通信地联接至燃气涡轮系统10，并构造成响应于检测到过度的温度而自动减少或者终止通过HRSG 34的流体流。例如，控制器68可调整废气32的流路径从而使得气体绕开HRSG 34。另外，如果检测到分相母线26或48内的导体的分离，控制器68可禁止发电系统10的操作和/或通过替代分相母线使功率改线。类似地，如果在开关设备24或46内检测到电气故障，控制器68可禁止发电系统10的操作和/或通过替代开关设备使电气控制改线。
图2是引导朝向HRSG 34内的流体管道的热测量系统64的一个实施例的示意图。如所示的那样，废气32沿下游方向72流入HRSG34。HRSG 34包括多个管道74，其构造成在与下游方向72交叉(例如大致垂直)的方向上输送第二流体(例如水)。随着废气32流过管道74，热从废气32传到水，从而产生蒸汽。如所示的那样，管道74包括翼片76，翼片76构造成增强废气32与水之间的传热。在某些实施例中，翼片76可通过干涉配合联接至管道74。例如，具有略微大于管道74的外径的内径的圆形翼片76可定位于沿着管道74的预期位置。然后球轴承被强制通过管道74，导致管道74膨胀到大于翼片76的内径的直径。因此，翼片76将显著刚性地联接至管道74。尽管该实施例采用圆形翼片，但是应当理解，在备选实施例中可采用替代的翼片构造(例如多边形、椭圆形等)。另外，在备选实施例中，翼片76可通过其它技术(例如焊接、紧固等)联接至管道74。此外，尽管在该实施例中四个翼片76被联接至每个管道74，但是应当理解，在备选实施例中可采用显著更多的翼片76。例如，某些HRSG构造可采用沿着管道74的长度每英寸1个、2个、3个、4个、5个或更多个翼片76。
在该实施例中，水58通过第一歧管78供给至管道74，而蒸汽40通过第二歧管80排出。如先前所论述的那样，蒸汽40被引向蒸汽涡轮42以驱动发电机44，而冷却的废气被引向烟囱36。尽管在所示出的HRSG 34内采用了三个管道74，但是应当理解，在其它HRSG构造内可利用显著更多的管道。在某些实施例中，管道74可沿着下游方向72和沿着垂直于流路径的方向分布。在进一步的实施例中，HRSG 34可包括多个级，其中每个级构造成产生蒸汽以用于单独的蒸汽涡轮。尽管所示的热辐射传感器66被引导朝向上游管道74，但是应当理解，在备选实施例中可监测HRSG 34内的其它管道74。
在所示的构造中，热辐射传感器66定位在HRSG 34的外部，从而保护热测量系统64免于经过HRSG 34的热的废气32。如所示的那样，HRSG 34包括观察口82，其构造成允许热辐射传感器66接收由HRSG 34内的管道74发出的热辐射。应当理解，观察口82可由对于由热辐射传感器66所测量的波长基本上透明的材料构成。例如，如果传感器66构造成监测红外光谱内的热辐射，则观察口82可由对于红外辐射基本上透明的材料构成，例如像锗或硅。应当理解，材料的选择还可取决于通过HRSG 34的流体流的预期温度。在某些实施例中，观察口82可暴露于超过近似500摄氏度、600摄氏度、700摄氏度、800摄氏度、900摄氏度、1000摄氏度、1120摄氏度或1200摄氏度或更高的流体温度。因此，可选择透明材料来抵抗这样的温度。因为观察口82允许传感器66定位在HRSG 34的外部，所以，热辐射传感器66可测量HRSG 34内的管道74的温度而不暴露于热的废气，从而显著地延长传感器66的操作寿命。
在该实施例中，滤波器84和透镜86定位在观察口82与热辐射传感器66之间。在某些实施例中，传感器66可为热电堆，其构造成测量由管道74发出的热辐射。在这样的实施例中，热电堆包括串联地电连接的多个热电偶以提供增强的输出信号。应当理解，热电堆可检测多种热辐射波长。例如，某些热电堆可检测范围从近似0.8微米至40微米的红外光谱内的电磁波长。还应当理解，红外光谱内的波长的特定子集可特别适合于温度确定。因此，可采用带通滤波器84来限制入射到传感器66上的波长的范围。例如，在某些实施例中，带通滤波器84可构造成阻挡具有在近似2至20微米、4至18微米、6至16微米、8至14微米或大约7.2至12.4微米之间的范围之外的波长的电磁辐射。因此，滤波器84有助于具有适合于热电堆的波长范围的热辐射传递到传感器66上，以便输出具有与所测量的温度成比例的量值的信号。传感器66可输出信号到控制器68，指示HRSG 34的管道74的温度。
应当理解，备选实施例可采用具有其它波长范围的其它带通滤波器。此外，某些实施例可采用高通滤波器、低通滤波器或者可省略滤波器。在进一步的实施例中，滤波器可被包括在观察口82内。此外，尽管在该实施例中利用了采用热电堆的热辐射传感器66，但是应当理解，在备选实施例中可采用其它检测器元件，例如电荷耦合装置(CCD)、焦平面阵列(FPA)或高温计。
该热测量系统64还包括光学聚焦装置(例如透镜86)，其构造成将热辐射聚焦到传感器66上。应当理解，透镜86可由任何合适的材料(例如塑料或玻璃)构成。在某些实施例中，透镜86可与滤波器84组合为单个元件。在进一步的实施例中，可省略透镜86从而使得热辐射直接传递到热辐射传感器66上。
该实施例还包括第二光学聚焦装置，例如所示的反射镜88。反射镜88构造成将热辐射从管道74引到热辐射传感器66上。在某些实施例中，反射镜88可包括基底(例如玻璃、塑料等)以及布置在基底上的反射性覆层(例如银、铬等)。或者，反射镜88可由反射性材料(例如抛光的不锈钢)制成。该实施例采用凹面镜88以建立预期视场90。由于反射镜88的形状和热辐射传感器66的位置，建立了具有角度92的视场90。例如，在某些实施例中，角度92可大于近似5度、10度、20度、40度、60度、80度、100度、120度、140度或160度或更大。在某些实施例中，热辐射传感器66可被引导朝向HRSG 34的整个截面94以捕获截面94内的各管道74的平均温度。因此，可选择角度92从而使得视场90在预期测量位置处包括整个HRSG截面94。因此，热测量系统64可检测视场90内的各管道74中的流体泄漏、分开的翼片和/或过度加压。应当理解，备选实施例可采用凸面镜或大体上平的反射镜来将热辐射引向传感器66。在进一步的实施例中，可省略反射镜88，而热辐射传感器66可被引导朝向管道74。在这样的实施例中，透镜86(如果存在)可用于基于透镜86的形状和光学性质来建立预期视场90。
如先前所论述的那样，该热辐射传感器66包括热电堆，其构造成将所检测的热辐射转换成输出信号。因为热电堆包括串联连接的多个热电偶，所以热电堆输出具有与视场90内的区域的温度成比例的量值的电信号。传感器66可输出信号到控制器68，指示HRSG 34内的管道74的温度。控制器68构造成接收该信号，并基于该信号确定HRSG截面94内的管道74的平均温度(例如，经由查找表、算法等)。在该实施例中，控制器68可通信地联接至用户界面70，用户界面70包括显示器96和警报器98。显示器96构造成展示由热辐射传感器66所检测的温度随时间变化的图示。
如所示的那样，显示器96包括图表100，其具有代表时间的x轴102，以及代表温度的y轴104。如先前所论述的那样，传感器66构造成输出指示视场90内的管道74的平均温度的信号。在该实施例中，图表100包括展示平均管道温度随时间变化的曲线106。图表100还包括指示管道74的时间平均温度的虚线108。应当理解，废气温度可跨过HRSG 34的截面94变化。因此，某些管道74可暴露于高于预期阈值的温度，从而导致管道74内过度的蒸汽压力。如先前所论述的那样，过度的蒸汽压力可引起HRSG 34内的管道74和/或其它构件的过早磨损。因此，图表100包括指示最高预期管道温度的上阈值110。如果曲线116与上阈值110交叉，则在视场90内的至少一个管道74内可存在过度的蒸汽压力。
相反，如果翼片76至少部分地与管道74分开，则视场90内的平均温度将由于废气32与管道74之间减少的传热而降低。类似地，颗粒物质(例如污物、未燃烧的烃等)在管道74上的累积也可降低管道74的温度。另外，如果在管道74内出现裂缝，水可泄漏到废气流中，从而导致降低的管道温度。因此，图表100包括指示最低预期管道温度的下阈值112。如果曲线106与下阈值112交叉，那么由于废气32与管道74内的水之间减少的传热，HRSG 34的效率可能降低。
在所示的实施例中，单个热辐射传感器66被引导朝向HRSG 34的整个截面94。因此，传感器66将接收指示视场90内各个管道74的平均温度的热辐射。然而，备选实施例可采用多个传感器66，其中每个传感器66构造成使视场90朝向HRSG截面94的不同区域。例如，在某些实施例中，每个传感器66可构造成测量单个管道74的热辐射。在这样的实施例中，控制器68可构造成识别哪个管道74正经历在预期范围之外的温度，从而进一步有助于维护操作。在进一步的实施例中，多传感器热测量系统64的每个传感器66可监测视场90内的2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个或更多个管道74。
如果温度升高超过上阈值110或下降低于下阈值112，那么控制器68可启动用户界面70内的警报器98。如先前所论述的那样，警报器98可为听觉警报器和/或视觉警报器，其构造成警示操作者所检测到的状态。操作者然后可采取适当的校正措施来解决所检测的条件。另外，控制器68和/或用户界面70可通信地联接至发电系统10，并构造成在检测到管道温度在预期范围之外时减少和/或终止通过HRSG 34的流体流。例如，在某些实施例中，如果管道温度超过第一上阈值，控制器68可降低涡轮发动机功率，从而减少通过HRSG 34的流。如果温度超过第二上阈值(高于第一上阈值)，那么控制器68可启动阀以绕开HRSG 34，从而终止通过HRSG 34的流。应当理解，绕开HRSG 34可降低发电效率，但仍可允许发电系统10向消费者供电。
尽管在上面参考HRSG 34描述了热测量系统64，但是应当理解，可采用热测量系统64来检测其它换热器内的管道温度，例如在气化器、合成气体冷却器或气体处理单元内存在的那些。例如，热测量系统64可用于检测冷凝器54内的管道温度。类似于HRSG 34，冷凝器54包括多个管道，其构造成在与通过冷凝器54的蒸汽流交叉的方向上输送第二流体(例如水)。随着蒸汽流过管道，热从蒸汽传递到水56，从而使蒸汽冷凝为水58。类似于HRSG 34，通过冷凝器54的过于热的蒸汽流可导致管道的过度加压。另外，泄漏的管道可降低冷凝器54的效率。因此，热测量系统64可检测冷凝器54内的这些故障，从而有助于冷凝器维护操作。
图3是朝向在流体管道74上游的HRSG 34的截面的热测量系统64的一个实施例的示意图。如先前所论述的那样，废气32沿下游方向72流入HRSG 34。HRSG 34包括多个管道74，其构造成在与下游方向72交叉(例如大致垂直)的方向上输送第二流体(例如水)。随着废气32流过管道74，热从废气32传递到水，从而产生蒸汽。在该实施例中，水58由第一歧管78供给至管道74并且蒸汽40通过第二歧管80排出。蒸汽40然后流向蒸汽涡轮42，并且冷却的废气流向烟囱36。尽管在该实施例中采用了四个管道74，但是应当理解，在备选实施例中可利用更多或更少的管道74。例如，某些HRSG 34可包括多于近似50个、75个、100个、125个、150个、175个、200个或更多个管道74。
所示的热辐射传感器66被引导朝向管道74从而使得HRSG 34的整个截面处于传感器66的视场90内。在这样的方式下，传感器66可监测每个管道74的温度，从而确保可检测到特定测量位置处的基本上任何温度变化。如先前所论述的那样，热辐射传感器66可包括单个热电堆，其构造成测量视场90内的管道74的平均温度。然而，在所示的实施例中，热辐射传感器66包括多个热电堆元件114，其中每个热电堆元件被引导朝向截面94的不同区域。在该构造中，热辐射传感器66可输出指示每个区域的温度的信号从而使得控制器68可建立截面94的多维温度分布(例如二维或三维分布)。
在该实施例中，热辐射传感器66包括热电堆元件114的4×4矩阵。在该构造中，热辐射传感器66的每列可被引导朝向相应管道74从而使得可单独地监测每个管道74的温度分布。然而，应当理解，替代的热辐射传感器66可包括更多或更少的热电堆元件114，形成N×N或M×N的矩阵。例如，某些热辐射传感器66可包括近似1至1000或更多的行和/或近似1至1000或更多的列。另外，尽管所示的辐射传感器包括矩形阵列的元件114，但是应当理解，某些热辐射传感器66可包括圆形、椭圆形或多边形阵列的元件114。还应当理解，替代的热辐射传感器(例如CCD、FPA、高温计等)可形成热辐射传感器66的元件。此外，如先前所论述的那样，传感器66可包括被引导朝向HRSG 34的各个二维区域的多个N×N或M×N元件阵列，从而允许控制器68产生HRSG 34内的管道74的三维温度分布。例如，1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多个二维阵列可沿着流方向紧密间隔以建立L×N×N或L×M×N的三维传感器66。
应当理解，热测量系统64的总体灵敏度可取决于热电堆元件114的灵敏度、热辐射传感器66的准确度、系统64内的光和/或电的噪声、控制器68内的信号调节器的准确度、热辐射传感器光学器件的品质、每个热电堆元件的视场和/或控制器68所使用的计算温度的技术，以及其它因素。例如，在某些实施例中，热测量系统64可能够识别小于近似2摄氏度、1摄氏度、0.75摄氏度、0.5摄氏度或0.25摄氏度或更小的温度变化。因此，热测量系统64可在HRSG效率显著降低之前检测HRSG管道74内的热变化，从而保持发电系统10的效率。因为热测量系统64的灵敏度至少部分地取决于每个热电堆元件114的视场，所以应当理解，热测量系统灵敏度可通过采用更大量的热电堆元件114而增强。在这样的方式下，每个热电堆元件114将监测更小区域的流体流，从而增加每个元件114的灵敏度。
类似于上面参考图2所描述的热测量系统64，所示的热测量系统64包括可通信地联接至控制器68的用户界面70。所示的用户界面70包括数字显示器116，其构造成展示传感器66的视场90内的每个区域的温度的数值展示。在该实施例中，显示器116构造成输出各监测区域之间的温差以及截面94的平均温度。应当理解，备选实施例可包括显示器116，其构造成展示每个区域的绝对温度。在该实施例中，温度值以摄氏度显示。
在该实施例中，控制器68可构造成通过将各监测区域之间的温差以及视场90的平均温度与阈值进行比较来检测一个管道74内的过度温度。在所示的实施例中，阈值为5摄氏度，其对应于管道74之间的最大预期温度变化。如先前所论述的那样，一个管道74内的过度的温度可导致过度加压，从而缩短HRSG 34内的管道74和/或其它构件(例如歧管、连接器等)的操作寿命。应当理解，在备选实施例中可采用更高的或更低的阈值。因为所示的热辐射传感器66包括四行热电堆元件114，每行测量相应管道74的温度。如所示的那样，显示器116的左列内的每个温度指示与平均温度相比小于5摄氏度的温差。类似地，在右列内以及从左边第二列内的每个温差在5度的公差内。因此，显示器116指示相应管道74的温度在预期公差内。相比之下，对应于从右边的第二管道74的温度测量指示管道74比周围管道74明显更热。具体而言，对应于从右边的第二管道74的每个区域的温度高于平均温度超过5摄氏度。因此，控制器68将检测到管道74的过度的温度，并启动警报器，减少进入HRSG 34的流体流和/或终止到HRSG 34的流。在备选实施例中，各管道74的温度可与阈值直接比较以判断各管道74是否被过度加压。
另外，控制器68可构造成通过将个监测区域之间的温差以及视场90的平均温度与阈值进行比较来检测一个管道74内的过于低的温度。例如，如果一个管道74的温度降低到低于视场90的平均温度超过5摄氏度，则控制器68可启动警报器来警示操作者，减少进入HRSG34的流体流和/或终止到HRSG 34的流。如先前所论述的那样，一个管道74的过于低的温度可指示HRSG 34内的故障。例如，如果一个或多个翼片66与管道74至少部分地分开，则管道74的温度将低于预期。另外，如果在管道74内出现裂缝，管道74将漏水，从而进一步降低管道74温度。此外，颗粒物质(例如污物、未燃烧的烃等)在管道74上的累积可降低管道74的温度。通过检测这样的条件，控制器68可警示操作者采取校正措施和/或可在发电系统10经历显著效率损失之前减少/终止进入HRSG 34的流体流。
在进一步的实施例中，控制器68可构造成分析各管道74随时间变化的温度以识别HRSG 34内的故障。例如，如先前所论述的那样，过度的管道温度可导致管道74的过度加压。如应将了解的，这样的过度加压可造成裂缝在管道74内形成。因为裂缝将允许水从管道74泄漏，所以管道74的温度将会降低。因此，控制器68可构造成标记过于热的管道74，并且当温度随后降低时识别管道74内的泄漏。这种构造可比监测各管道74的瞬时温度更准确地检测泄漏。另外，各管道74随时间变化的温度可在故障模型中用来预测HRSG 34的可靠性和/或估计维护操作之间的持续时间。
图4是朝向开关设备24的内部的热测量系统64的一个实施例的示意图。如先前所论述的那样，开关设备24构造成调节各种电气系统的操作，例如来自燃气涡轮发动机12的发电机22和/或电起动马达的电输出。如所示的那样，开关设备24包括电气罩壳118，其联接至第一电导体120和第二电导体122。在该实施例中，各电导体120和122电联接至罩壳118内的相应连接器124。连接器124又经由内部导体128电联接至罩壳118内的构件126。应当理解，构件126可包括各种开关、断路器和/或构造成调节第一导体120与第二导体122之间的电流流动的其它电路。例如，如果在发电系统10内检测到故障，则构件126可允许操作者将发电机22与电网30断开。虽然在该实施例中示出了单个罩壳118，但是应当理解，在其它开关设备构造中可采用多个罩壳。例如，某些开关设备24可包括1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个或更多的罩壳118。
如所示的那样，热辐射传感器66朝向电气罩壳118的内部。在该实施例中，视场90包括罩壳118的整个内部，包括连接器124、构件126和内部导体128。因此，热测量传感器66将输出指示罩壳118内部的平均温度的信号。尽管所示的热辐射传感器66包括构造成输出单个温度的单个热电堆，但是应当理解，备选实施例可包括具有热电堆元件的阵列的传感器66，例如在上面参考图3所描述的那些。在这样的实施例中，传感器66将测量电气罩壳118的各个区域内的温度，从而提供关于罩壳内部的温度分布的额外信息。
应当理解，热辐射传感器66可安装在任何合适的位置内以捕获从罩壳118的内部发出的辐射。例如，在某些实施例中，传感器66可安装于罩壳118内，从而给传感器66提供到构件126的直接的视线。例如，传感器66可安装在构造成密封罩壳118的门的内表面上。在这样的构造中，尽管电气构件126被密封在罩壳118内，传感器66可提供连续的温度信号至控制器68。在进一步的实施例中，传感器66可安装在罩壳118的外部，从而保护热测量系统64免于罩壳118内的潜在高温。在这样的实施例中，电气罩壳118可包括观察口，观察口构造成允许热辐射传感器66接收由罩壳118内的构件126发出的热辐射。如先前所论述的那样，观察口可由对于由热辐射传感器66测量的波长(例如红外辐射)基本上透明的材料构成。
在该实施例中，控制器68构造成，如果电气罩壳118的内部的温度超过阈值则识别开关设备24的构件126中的故障。应当理解，电气故障(例如短路、潜通路、接地故障等)可由于流经具有高电阻的材料(例如空气)的电流而产生热量。因此，控制器68可构造成将罩壳内部的温度与阈值进行比较以识别这种故障。例如，所示的用户界面70包括具有图表100的显示器96。在所示的实施例中，曲线106指示罩壳内部随时间变化的温度。如果该温度升高超出上阈值110，则控制器68可启动用户界面70内的警报器98以警告操作者该情形。另外，控制器68可构造成通过开关设备24的替代罩壳118和/或通过替代开关设备使电功率改线，从而绕开具有故障的构件126。
如先前所论述的那样，某些开关设备24可包括多个电气罩壳118，其包括连接器124、构件126和内部导体128。在这样的构造中，热辐射传感器66可朝向每个罩壳118以单独地监测罩壳温度。另外，控制器68可构造成将罩壳118之间的温差与阈值进行比较来识别一个或更多罩壳118内的故障。例如，控制器68可构造成计算跨过开关设备24内的每个罩壳118的平均温度。控制器68然后可将每个罩壳118的温度与平均温度进行比较以识别电气故障。例如，如果电气罩壳118的温度比平均温度高超过第一阈值，那么在罩壳118内可存在电气故障。相反，如果一个罩壳118的温度比平均温度低超过第二阈值，那么电气罩壳118可能不以预期能力操作。例如，较低的罩壳温度可指示开关设备24内的电气故障，该电气故障对特定电气罩壳118限制电功率。
因为热测量系统64构造成持续地监测开关设备24的温度并基于该温度自动地识别电气故障，所以可避免在启动发电系统10之前利用手持红外摄像机手动扫描该开关设备。因此，可显著地降低与起动操作相关的操作成本。另外，可在发电系统10的操作期间而不仅在起动过程期间检测电气故障。尽管在上面参考开关设备24描述了热测量系统64，但是应当理解，可采用热测量系统64来检测其它电气罩壳(例如熔丝盘、断路器外壳、配电中心和工业控制中心以及其它罩壳)内的故障。
图5是朝向分相母线26的管道内的两个电导体之间的接合处的热测量系统64的一个实施例的示意图。如先前所论述的那样，分相母线26包括三个电气管道129，其构造成将由发电机22输出的三相功率的每个相单独地传输至GSU 28。分相母线26的每个电气管道129包括布置在罩壳132内的电导体组件130。电导体组件130通过一系列绝缘体134与罩壳132电隔离，该一系列绝缘体134还用于在罩壳132内支撑电导体组件130。电导体组件包括130包括通过紧固件(例如所示的螺栓136)彼此联接的一系列导体135。在该构造中，可显著减小或排除使导体组件130电接地和/或管道129之间的感应干扰的可能性。
尽管该实施例采用具有圆形截面的罩壳132，但是应当理解，备选实施例可包括具有替代的截面形状(例如多边形、椭圆形等)的罩壳。另外，尽管该实施例在沿着管道129的每个轴向位置处采用四个绝缘体，但是应当理解，备选实施例可包括更多或更少的绝缘体。例如，某些实施例可在每个轴向位置处采用1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个或更多个绝缘体134。此外，尽管该实施例采用具有矩形截面的导体135，但是应当理解，备选实施例可包括具有圆形截面、中空矩形截面或中空圆形截面以及其它截面形状的导体。
如所示的那样，热辐射传感器66朝向导体135之间的接合处138。在该实施例中，视场90包括两个电导体135之间的重叠的整个区域。因此，热辐射传感器66将输出指示接合处138的平均温度的信号。尽管所示的热辐射传感器66包括构造成输出单个温度的单个热电堆，但是应当理解，备选实施例可包括具有热电堆元件的阵列的传感器66，例如在上面参考图3所描述的那些。在这样的实施例中，传感器66将测量在接合处138的各个区域内的温度，从而提供关于导体135之间的连接的温度分布的额外信息。
应当理解，热辐射传感器66可安装于任何合适位置以捕获从电导体135之间的接合处138发出的辐射。例如，在某些实施例中，传感器66可安装在罩壳132内，从而给传感器66提供到接合处138的直接视线。例如，传感器66可垂直于与导体135之间的接合部对准的平面而安装在罩壳132的内表面上。在进一步的实施例中，传感器66可安装在罩壳132的外部，从而保护热测量系统64免于管道129内的潜在高温。在这样的实施例中，罩壳132可包括观察口，观察口构造成允许热辐射传感器66接收由接合处138发出的热辐射。如先前所论述的那样，观察口可由对于由热辐射传感器66测量的波长(例如红外辐射)基本上透明的材料构成。
在该实施例中，控制器68构造成，如果接合处138的温度超过阈值则识别接合处138那里的导体135的分离。应当理解，电导体135可随着时间至少部分地彼此分离，从而在接面138处发热并降低发电机22与GSU 28之间的功率传递效率。因此，控制器68可构造成将接合处138的温度与阈值进行比较以识别这种导体分离。例如，所示的用户界面70包括具有图表100的显示器96。在所示的实施例中，曲线106指示接合处138的随时间变化的温度。如果该温度升高超出上阈值110，则控制器68可启动用户界面70内的警报器98以警告操作者该情形。另外，控制器68可构造成通过分相母线26的替代管道129和/或通过替代分相母线使电功率改线，从而绕开具有分离的导体135的接合处138。
如先前所论述的那样，分相母线26包括三个管道129，其构造成将由发电机22输出的三相功率的每个相单独地传输至GSU 28。在某些实施例中，热辐射传感器66可朝向每个管道129内的一个或更多接合处138以单独地监测管道温度。在这样的实施例中，控制器68可构造成将管道129之间的温差与阈值进行比较来识别一个管道129内的故障。例如，控制器68可构造成比计算跨过分相母线26内的每个管道129的平均温度。控制器68然后可将每个管道129的温度与平均温度进行比较以识别电气故障。例如，如果一个电气管道129的温度高于平均温度超过第一阈值，那么在管道129内可存在电气故障。相反，如果一个管道129的温度低于平均温度超过第二阈值，那么电气管道129可能不以预期能力操作。例如，较低的管道温度可指示发电系统10内的电气故障，该电气故障对分相母线26的特定相限制电功率。
因为热测量系统64构造成持续地监测接合处138的温度并基于该温度自动地识别导体分离，所以可迅速地识别通过分相母线26的传递效率的降低。因此，一检测到分离就使电功率改线可确保发电系统10的高效操作。尽管在上面参考分相母线26描述了热测量系统64，但是应当理解，可采用热测量系统64来检测其它电导体之间的分离，例如像用于开关设备内的母线(bus bar)、分配板或变电站，例如。另外，热测量系统64可用于监测变压器连接、母线管道连接、发电机连接和/或开关设备连接。
该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还允许本领域技术人员来实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种系统(10)，包括：
辐射传感器(66)，所述辐射传感器(66)构造成使视场(90)朝向热回收蒸汽发生器(HRSG)(34)内的管道(74)，并且输出指示所述管道(74)的温度的信号；以及
控制器(68)，所述控制器(68)可通信地联接至所述辐射传感器(66)，其中，所述控制器(68)构造成基于所述信号确定温度，并且将所述温度与阈值进行比较。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述辐射传感器(66)包括热电堆。
3.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述阈值指示所述管道(74)的最大预期操作温度。
4.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述阈值指示所述管道(74)内的流体泄漏。
5.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括联接至所述管道(74)的多个翼片(76)。
6.根据权利要求5所述的系统(10)，其特征在于，所述阈值指示至少一个翼片(76)与所述管道(74)的至少部分分离。
7.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述辐射传感器(66)构造成检测具有红外光谱内的波长的热辐射。
8.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述视场(90)朝向到所述HRSG(34)中的观察口(82)，并且所述观察口(82)对于由所述辐射传感器(66)测量的波长基本上透明。
9.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述辐射传感器(66)包括多个热电堆元件(114)，并且所述辐射传感器(66)构造成输出指示所述管道(74)的多维温度分布的信号。
10.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括光学聚焦装置(86，88)，所述光学聚焦装置(86，88)构造成将由所述管道(74)发出的热辐射聚焦到所述辐射传感器(66)上。
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