CN105203573A - 元素成分检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及元素成分检测系统及方法。具体而言，提出了一种用以检测多种元素的系统。该系统包括用于将X射线朝向样本传输的一个或多个X射线源，以及还包括多个光子检测器。晶体阵列以一定曲率布置成具有适合的几何形状，用于接收由样本发出的多种光子能量和将光子能量聚焦在多个检测器上。多个光子检测器在空间上布置成对应于标记光子能量的布拉格角，以便同时地检测多种元素。
Description
本申请为2010年10月26日提交的专利申请“元素成分检测系统及方法”（申请号：201010536430.7，申请人：通用电气公司）的分案申请。
技术领域
本文所公开的主题主要涉及检测燃料中的污染物，并且具体地涉及监测和调节燃气轮机的燃料。
背景技术
燃料成分特别影响腐蚀，且因此影响燃气轮机中构件材料的寿命。燃料可包括直接燃烧以产生能量的烃基气体和液体。周期表中的元素，如硫、钠、钒、钾、钙、铅等，可作为污染物存在于燃料中，导致合金涂层的退化。例如，硫和钒的氧化物可与其它污染物反应而形成在高温下有腐蚀性的硫酸盐和钒酸盐。通常，燃料中存在的污染物，如钠、钾和钒，导致由燃烧过程形成破坏燃气轮机构件的保护性表面涂层的沉积物。
燃气轮机的寿命受不同构件的腐蚀所影响。燃料成分成为对于燃气轮机中腐蚀的重要因素。总的来说，燃料中的元素污染物的浓度水平影响燃气轮机的性能和维护。此外，污染物影响暴露于热气体中的燃气轮机零件的退化，这些零件包括燃烧器、过渡件以及涡轮轮叶。压缩入口空气、喷射蒸汽以及水中所含有的污染物也可显著地促进腐蚀。用于检查燃料污染物的常规方法包括使用转盘发射(RDE)分光计来进行人工采样和测试。这些方法容易可能因误操作或不良采样技术而引起燃料样本的不纯。在燃料易于具有较高污染物水平的位置，需要进行频繁采样。这样频繁的采样耗费时间且劳动强度大。
期望的是，具有一种在线(online)燃料分析系统，其提供实时追踪元素污染物浓度的能力。此外，这种燃料的实时监测将使得能够及时地进行校正动作并减少非预期维护的情形。
发明内容
简言之，提出了一种用以检测多种元素的系统。该系统包括用于将X射线朝向样本传输的一个或多个X射线源，且还包括多个光子检测器。晶体阵列以一定曲率布置成具有适合的几何形状，用于接收由样本发出的多种光子能量和将光子能量聚焦在多个检测器上。多个光子检测器在空间上布置成对应于标记光子能量的布拉格角，以便同时检测多种元素。
在一个实施例中，提出了一种用于燃气轮机系统的在线燃料监测系统。该系统包括联接到燃气轮机的燃料供送管线(line)上以对燃料实时采样的燃料采样单元。该系统还包括元素检测系统，该元素检测系统具有用于朝向样本传输X射线的一个或多个X射线源、一个或多个光子检测器，以及以一定曲率布置成具有适合的几何形状来用于接收从样本发出的一种或多种光子能量的一个或多个晶体。该晶体还构造成用于将一种或多种光子能量聚焦在一个或多个检测器上，其中，一个或多个光子检测器在空间上布置成对应于标记光子能量的布拉格角，以检测一种或多种元素。该系统还包括联接到元素检测系统上且构造成用以计算燃料样本中的一种或多种元素的浓度的处理器。
在另一实施例中，提出了一种用以检测燃气轮机燃料中的钒的系统。该系统包括用以产生和朝向燃气轮机燃料样本传输X射线的一个或多个X射线源。该系统还包括一个或多个X射线光学晶体，该晶体排列成用以接收由样本发出的一种或多种光子能量，以及发射具有大约4.95千电子伏的能量级的光子。该系统包括光子检测器，该光子检测器设置在X射线光学晶体的反射通路内的预定位置处，且构造成用以检测具有大约4.95千电子伏的能量的光子。
附图说明
当参照附图研读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更容易理解，所有附图中的相似标号表示相似的零件，在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的元素检测系统；
图2示出了图1中的晶体阵列的透视图；
图3示出了图1中的晶体阵列的备选构造；
图4示出了根据本发明另一实施例的元素检测系统；
图5示出了根据本发明实施例的在线燃气轮机燃料监测系统；以及
图6为用以检测和基于燃料类型应用定标(calibration)的示例性方法。
零件清单
10元素检测系统
12X射线源
14X射线
16样本
18晶体阵列
20曲面
22光子检测器
24-32晶体
34内表面
36-44光子检测器
50晶体阵列
52晶体阵列的透视图
54宽度
56长度
60透视图
62-68晶体组
70-76晶体组
78-84晶体组
86-92晶体组
94-100晶体组
104元素检测系统
106X射线光学晶体
108光子检测器
110在线燃料监测系统
112燃料采样单元
114燃料供送管线
116燃气轮机
118燃料
120元素检测系统
122处理器
123命令信号/燃料品质信号
124抑制剂喷射单元/燃料输送系统
126切断阀
128数据中心
130用以检测燃料类型的示例性方法
132测量来自样本的光子能量强度
134对燃料类型分类
136针对强度与样本数绘图
138应用定标
140多个定标图
142应用校正因数
144元素浓度。
具体实施方式
在燃气轮机运行期间监测的典型操作参数包括起动周期、功率输出、燃料流量以及蒸汽/水的喷射速率。包括但不限于天然气、原油和残余燃料的各种燃料用于在燃气轮机中燃烧。燃料成分影响腐蚀，且因此影响燃气轮机内的各种构件如涡轮轮叶和热气体通路构件的寿命。公知的是，使用包括诸如硫、钠、钾和钒的污染物的燃料会导致涡轮构件的合金涂层和基底合金的退化。这些污染物可能为燃料中固有的，或可能是在不良的操作/处理技术期间添加的。在燃气轮机中于高温下形成的硫酸盐和钒酸盐的熔融的易溶盐混合物溶解叶片表面上的保护性氧化涂层，且影响燃气轮机中热气体通路构件的寿命。本发明的一些实施例包括检测和在线监测燃料中的污染物和元素浓度。
图1示出了根据本发明的实施例的元素检测系统。系统10包括用于传输X射线14的一个或多个X射线源12。X射线源12可产生多色辐射和单色辐射，且可包括单个阳极靶。X射线源12的其它构思出的构造包括具有滤波器和/或X射线光学元件如多层(multilayer)或晶体的多个阳极靶。在示例性实施例中，X射线源构造成用于产生多条单色光子射束，作为具有产生多条多色光子射束的多个阳极靶的X射线源、具有多种元素的合金的阳极靶的X射线源、多个X射线源、同步加速器源以及一个或多个X射线激光器。在示例性实施例中，X射线源12构造成用以产生高通量的X射线，以便量化组成元素。高通量源可装备有联接到聚焦X射线光学器件上的旋转阳极靶、c形挠曲阳极或静止阳极，其中，X射线光学元件可包括多毛细管、全内反射多层或三维弯曲晶体光学器件。
来自于X射线源12的X射线14射向包括例如燃气轮机燃料的样本16。晶体18阵列以一定曲率20布置成具有适合的几何形状，用于在多个光子检测器22上接收和聚焦多种光子能量(或荧光)。在一个实施例中，晶体18阵列包括多个晶体如24-32。各个这样的晶体24,26,28,30,32均可在其内表面34内为单曲(或单曲面)的，或双曲(或双曲面)的，或多层的。曲率20的几何形状可包括但不限于超环面形、椭面形和抛物线表面或这些表面的组合。光子检测器22在空间上布置成对应于标记光子能量的布拉格角。在一个实施例中，各光子检测器均设置在预定位置处以检测元素。例如，用以检测钒的光子检测器设置在预定位置处，其中，该位置根据钒的传输光子特征的能量和布拉格角计算。各光子检测器36,38,40,42,44可包括但不限于一个或多个固态检测器、硅漂移检测器、气流正比计数器、闪烁计数器以及电荷耦合检测器。在另一示例性实施例中，光子检测器可包括对光子能量级敏感的像素化硅检测器。
在示例性操作中，元素检测系统10构造成用以同时地检测样本16中的多种元素。X射线源构造成用以将X射线射束射向样本16。如上文所述，X射线可包括高通量多色射束或从一个或多个单色X射线源发出的一条或多条单色射束。当这些X射线入射时，多种光子能量由样本发出。各个这样的光子能量均与样本中的对应元素相关联，称作为对于元素的标记光子能量。例如，大约4.95千电子伏的能量级对应于钒。多种标记光子能量同时地检测，以便检测多种元素。待检测元素的其它非限制性实例包括镁、钠、锂、钾、钙、硫、镍和铅。
图2示出了图1中的晶体阵列的透视图。如由参考标号50示出的晶体18阵列构造成用于接收从样本16发出的多种光子能量，以及分别将这些光子能量聚焦在如图1中所指出的对应光子检测器22上。参考标号52示出了晶体18阵列的透视图，其中，多个晶体24-32在曲面上彼此堆叠在近旁。各晶体24,26,28,30,32均包括沿宽度54和沿长度56的弯曲晶格。这样的多个晶体24-32有助于从样本获取荧光光子的较大立体角，且衍射或反射具有多种能量(或波长)的多个光子。例如，晶体24构造成用以衍射或反射从样本发出的特定波长λ1。此外，晶体26,28,30,32构造成用以衍射或反射对应的波长λ2,λ3,λ4,λ5。沿宽度54和长度56的曲率有助于聚焦具有较高强度的衍射或反射光子能量。
图3示出了图1中的晶体阵列的备选构造。如透视图中由参考标号60所示的晶体阵列包括沿宽度56的多个晶体。例如，多个晶体62-68沿阵列宽度56布置。类似的是，多组这样的晶体70-76,78-84,86-92,94-100紧密布置以形成沿宽度56和长度54的平面或曲面。例如，其中的一组晶体62-68可构造成用以衍射或反射特定波长λ1。因此，剩余晶体组70-76,78-84,86-92,94-100可构造成用以分别衍射或反射波长λ2,λ3,λ4,λ5。作为备选，晶体组可沿多列布置，以便衍射或反射特定的波长。例如，62,70,78,86,94可构造成用以衍射或反射特定的波长λ1。在这样的构造中，沿长度54的晶体组构造成用以衍射或反射特定的波长。
图4示出了根据本发明实施例的元素检测系统。在示例性实施例中，系统104构造成用以检测燃料样本中很低浓度水平的钒。系统104包括构造成用以产生和朝向样本16传输X射线14的一个或多个射线源12。X射线光学晶体106排列成用以接收由样本发出的光子能量，且朝向光子检测器108衍射或反射具有大约4.95千电子伏的能量级的光子。光学晶体106可包括多个晶体101-109，且以一定曲率布置。在一个实施例中，晶体101-109包括单曲晶体、双曲晶体、多层晶体或它们的组合。光子检测器108设置在X射线光学晶体的反射通路中的预定位置处，且构造成用以检测具有对应于大约0.25纳米波长的大约4.95keV能量的光子。X射线光学晶体106可包括如图2和图3中所述的其中一种构造。在一个实施例中，阵列中的所有晶体106都构造成用以反射特定的波长，使得较高强度的荧光光子能量入射在检测器上。继而通过检测这些较高的光子强度，可检测到例如检测下限为大约0.1ppb(十亿分率)的较低浓度水平的元素。在示例性实施例中，元素检测系统104可为在线监测系统的一部分。
图5示出了根据本发明实施例的燃气轮机的在线燃料监测系统。在线系统110包括联接到燃气轮机116的燃料供送管线114上的燃料采样单元112，用以对燃料118实时采样。如本文所用，用语"实时"是指与被测量的参数的当前状态在时间上精确相关或密切相关的测量状态。"在线"是指物理地附接到被监测的系统上，且在没有人工干预的情况下持续地提供关于系统状态的信息的系统。应当注意的是，本文以燃气轮机为参照是示例性的。此类在线监测系统可在需要固体、液体或气体燃料的任何发电平台中执行，这些发电平台包括但不限于燃气轮机发电平台、蒸汽轮机、蒸汽发电站、锅炉或联合循环发电站。元素检测系统120联接到采样单元112上。在一个实施例中，元素检测系统120包括如图1中所述的系统配置。处理器122联接到元素检测系统120上，且构造成用以计算燃料品质信号123。如本文所指的处理器可包括任何数字/模拟电路，其用于采集、计算或分析对于信息存储的系统数据，或用于确定对于控制动作的命令信号以改善系统状态和性能。燃料输送系统124联接到燃料供送管线114上，且构造成用以接收来自于处理器122的输入。在一个实施例中，燃料输送系统124构造成用以控制进入燃气轮机116中的燃料流速。在另一实施例中，燃料输送系统124构造为燃料抑制剂单元，该燃料抑制剂单元构造成用以将抑制剂喷射到燃料中，以减轻所存在的污染物的效果。紧急切断阀126在燃气轮机116的入口处联接到燃料供送管线114上。可选的是，数据中心128可联接到处理器122上，且构造成基于燃料118中的元素的浓度水平和成分来储存燃气轮机116的各种参数。
在在线燃料监测和调节系统110的示例性操作中，供给燃气轮机116的燃料118以连续或规则的时间间隔由采样单元112采样。联接到采样单元112上的元素检测系统120构造成用以检测燃料样本中的多种组成元素及其浓度，且因此检测燃料品质。元素检测系统可包括与图1中所述的晶体阵列和光子检测器相似的构造。在另一实施例中，元素检测系统120构造成用以检测单种元素，如钒或钠。例如，元素品质信号123(由处理器122计算)可包括燃料样本中的元素浓度。在一个实施例中，来自于处理器122的命令信号123使抑制剂喷射单元124能够基于由元素检测系统120所检测的元素浓度来计算抑制剂喷射速率。作为备选，如果组成元素的浓度水平超过危险腐蚀性或此后采取任何其它校正动作的阈值，则处理器输出123可用于切断对燃气轮机的燃料供送。数据中心128构造成用以持续地记录供送给燃气轮机的燃料中的污染物浓度。数据这样归并有助于计算各种参数，例如，燃气轮机的维护循环或燃气轮机内的热气体通路构件的腐蚀速率。这些参数还有助于安排预防性维护。
各种类型的液体燃料都可用于燃气轮机，如原油、煤油或柴油。如上文所述的元素检测系统可检测燃料中的污染物，这些污染物可根据较宽范围的碳氢化合物成分进行分类。因此，准确地检测燃料中的X射线传输信号和/或元素信号将识别燃料的类型，且因此基于燃料类型确定待应用的适合的定标程序。图6中示出了用以检测燃料类型的一种这样的示例性方法。流程图130示出了识别燃料类型且因此应用根据本发明一个实施例的定标技术的各种步骤。初始步骤132包括通过使未知的燃料样本经受X射线辐射(如上文所述)来检测燃料类型，其中，测量来自于样本的光子能量的强度。在下一步骤134中，测得的强度与例如在数据中心中储存的强度相比较，以便对燃料的类型分类。
定标在步骤138中应用，其中，根据一个实施例的定标是指从样本所测得的强度与样本浓度之间的函数关系。通过测量含有已知量的组成元素的样本范围的光子能量强度来导出此种函数，该种函数继而又产生对于特定燃料类型的定标曲线。如参考标号140所示，对于多种燃料类型储存了多条这样的定标曲线。为了确定未知样本中的组成元素的浓度，在134中所确定的适合的定标应用于在132中测得的X射线信号。影响组成元素的定标函数的因素包括来自样本矩阵的干扰，以及与样本中的其它成分的任何相互作用。未知样本中的组成元素的浓度的准确度取决于所应用的正确的定标曲线。作为备选，校正因数(步骤142中)可取决于在134中从储存的校正因数表中所确定的燃料类型而应用于储存的定标曲线。最后的步骤144为计算元素的浓度。
有利的是，执行晶体阵列的这些元素检测系统有助于检测低浓度水平的元素。此外，单个系统可执行用以检测多种元素。用以检测元素的在线系统提供了在一定时间内追踪污染物浓度的能力，以及推荐用以开始添加抑制试剂的步骤，或推荐燃气轮机停机以便在故障之前进行检查和清洁。记录的数据可用于在一定时间内追踪燃料污染物，以及确定其对燃气轮机的热腐蚀的影响。此外，这些在线系统消除了人工采样、向测试设备的传输，以及在样本制备和元素浓度分析上花费的大量时间。
尽管本文仅示出和描述了本发明的一些实施例，但本领域的技术人员将会想到多种修改和变化。因此，应当理解到，所附权利要求意图涵盖落入本发明的真正精神内的所有这些修改和变化。
Claims (21)
1.一种用以检测多种元素的系统，所述系统包括：
用于朝向样本传输X射线的一个或多个X射线源；
多个光子检测器；以及
以一定曲率布置成具有适合的几何形状的晶体的阵列，其用于接收从所述样本发出的多种光子能量和将所述光子能量聚焦在所述多个检测器上，所述阵列包括多个晶体或晶体组，其中，所述曲率包括沿所述阵列的长度的第一曲率和沿所述阵列的宽度的第二曲率，所述多个晶体或所述晶体组中的每一个晶体沿所述第一曲率和所述第二曲率彼此堆叠在近旁并且构造成用以衍射或反射从所述样本发出的特定波长，
其中，所述多个光子检测器在空间上布置成对应于标记光子能量的布拉格角，以便同时地检测所述多种元素。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述一个或多个X射线源包括一个或多个高通量多色射束。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述一个或多个X射线源包括多个单色射束源。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，各晶体均包括单曲晶体、双曲晶体或多层晶体中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，各光子检测器均设置成用以检测元素。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还联接到发电平台的燃料供送管线上，且还包括联接到所述光子检测器上并且构造成用以产生燃料品质信号的处理器。
7.根据权利要求6所述的燃料监测系统，其特征在于，所述处理器构造成用以检测所述元素的浓度和控制对所述发电平台的燃料供送。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述发电平台包括燃气轮机，以及所述处理器还构造成用以计算所述燃气轮机的一个或多个参数，其中，所述参数包括基于所述燃料品质信号的维护计划、热气体通路腐蚀或构件腐蚀。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理器还构造成用以发出命令信号以使联接到所述燃料供送管线上的燃料抑制剂单元能够基于由所述系统所检测的元素浓度来计算抑制剂喷射速率。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述样本为固体、液体或气体中的至少一种。
11.一种燃气轮机的在线燃料监测系统，包括：
联接到所述燃气轮机的燃料供送管线上用以对燃料实时采样的燃料采样单元；
元素检测系统，其包括：
用于朝向样本传输X射线的一个或多个X射线源；
一个或多个光子检测器；以及
以一定曲率布置成具有适合的几何形状的晶体的阵列，其用于接收从所述样本发出的一种或多种光子能量以及将所述一种或多种光子能量聚焦在所述一个或多个检测器上，所述阵列包括多个晶体或晶体组，其中，所述曲率包括沿所述阵列的长度的第一曲率和沿所述阵列的宽度的第二曲率，所述多个晶体或所述晶体组中的每一个晶体沿所述第一曲率和所述第二曲率彼此堆叠在近旁并且构造成用以衍射或反射从所述样本发出的特定波长，
其中，所述一个或多个光子检测器在空间上布置成对应于标记光子能量的布拉格角，用以检测一种或多种元素；以及
联接到所述元素检测系统上且构造成用以计算所述燃料样本中的所述一种或多种元素的浓度的处理器。
12.根据权利要求11所述的在线燃料监测系统，其特征在于，所述处理器还构造成用以计算燃料品质信号。
13.根据权利要求12所述的在线燃料监测系统，其特征在于，所述在线燃料监测系统还包括燃料抑制剂单元，所述燃料抑制剂单元联接到所述燃料供送管线上，以便基于所述燃料品质信号来喷射抑制剂。
14.根据权利要求12所述的在线燃料监测系统，其特征在于，所述处理器还构造成用以基于测得的燃料类型来应用定标。
15.根据权利要求11所述的在线燃料监测系统，其特征在于，一个或多个晶体还布置成用以有助于聚焦具有较高强度的衍射或反射光子能量。
16.根据权利要求11所述的在线燃料监测系统，其特征在于，所述元素包括钒、镁、钠、锂、钾、钙、硫、镍和铅中的至少一种。
17.根据权利要求11所述的在线燃料监测系统，其特征在于，各晶体均包括双曲晶体、单曲晶体或多层晶体中的至少一种。
18.一种用以检测燃气轮机燃料中的钒的系统，包括：
一个或多个X射线源，其用以产生和朝向燃气轮机燃料样本传输X射线；
X射线光学晶体的阵列，其以一定曲率布置成用以接收由所述样本发出的一种或多种光子能量，所述阵列包括多个X射线光学晶体或X射线光学晶体组，其中，所述曲率包括沿所述阵列的长度的第一曲率和沿所述阵列的宽度的第二曲率，所述多个X射线光学晶体或所述X射线光学晶体组中的每一个X射线光学晶体沿所述第一曲率和所述第二曲率彼此堆叠在近旁并且构造成用以反射从所述样本发出的、具有对应于钒的能量的光子；以及
光子检测器，其设置在所述X射线光学晶体的反射通路内的预定位置处且构造成用以检测具有对应于钒的能量的光子，其中，所述预定位置根据钒的传输光子特征的能量和布拉格角计算。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述系统还包括处理器，所述处理器联接到所述检测器上，且构造成用以检测大约4.95千电子伏的光子能量或对应于所述样本中的钒的大约0.25纳米的波长。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述处理器还构造成用以检测钒的浓度直至大约0.1ppb的检测下限。
21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述处理器还构造成用以发出命令信号使联接到燃料供送管线上的燃料抑制剂单元能够基于由所述系统所检测的元素浓度来计算抑制剂喷射速率。
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