JP2011089989A - 元素組成検出システム及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】元素汚染物質濃度をリアルタイムで追跡可能なオンライン燃料解析システムを提供する。さらに、燃料のリアルタイム監視により、適正な時点で修正動作を実行でき、予定外の保守の回数を減少できる。
【解決手段】複数の元素を検出するためのシステム10が提供される。システムは、試料16に向けてX線14を放射する1つ以上のX線源12を含み、さらに複数の光子検出器22を含む。試料から放射される複数の光子エネルギーを受け取って光子エネルギーを複数の光子検出器に集束するために、適切な幾何学形状を有する湾曲面に沿って結晶24〜32のアレイ18が配列される。複数の元素を同時に検出するために、複数の光子検出器36〜44は、シグネチャ光子エネルギーに対応するブラッグ角で空間的に配列される。
【選択図】図1

Description

本発明は、一般に燃料中の汚染物質の検出に関し、特に、ガスタービン燃料の監視及び調整に関する。
燃料の組成は、ガスタービンの部品材料の腐食に影響し、従って、部品の寿命に影響を及ぼす。燃料は、エネルギーを発生するために直接燃焼される炭化水素系気体及び炭化水素系液体を含んでもよい。燃料の中に汚染物質として存在する可能性があるイオウ、ナトリウム、バナジウム、カリウム、カルシウム、鉛などの周期表の元素は、合金被膜の劣化を引き起こす。例えば、イオウ及びバナジウムの酸化物は、他の汚染物質と反応することにより、高温で腐食性を示す硫酸塩及びバナジン酸塩を形成する。燃料の中にナトリウム、カリウム及びバナジウムなどの汚染物質が存在する場合、燃焼過程でガスタービン部品の保護表面被膜に堆積物が通常形成され、被膜を損傷する。
種々の部品の腐食はガスタービンの寿命に影響する。燃料組成はガスタービンの腐食の重要な一因である。一般に、燃料中の元素汚染物質の濃度レベルは、ガスタービンの性能及び保守に影響を及ぼす。さらに、汚染物質は、燃焼器、中間部材及びタービンバケットを含む高温ガスにさらされるガスタービン部品の劣化に影響を及ぼす。圧縮機入口空気、噴射蒸気及び水に含まれる汚染物質も、腐食の大きな原因になると考えてよい。燃料中の汚染物質を検査する従来の方法は、燃料を手動でサンプリングすること及び回転円板放射(RDE)式分光計を使用して試料を試験することを含む。この方法は、試料の誤った取り扱い又はサンプリング技術の不備によって燃料試料を汚損しやすい。燃料の汚染物質レベルが高くなりがちな場所では、頻繁なサンプリングが必要とされる。頻繁なサンプリングは長い時間と多大な労力を要する。
米国特許第5517427号明細書 米国特許第6121628号明細書 米国特許第6644095号明細書 米国特許第6810718号明細書 米国特許第7258098号明細書
元素汚染物質濃度をリアルタイムで追跡可能なオンライン燃料解析システムを提供することが望ましい。さらに、燃料のリアルタイム監視により、適正な時点で修正動作を実行でき、予定外の保守の回数を減少できるだろう。
簡単に言えば、複数の元素を検出するためのシステムが提案される。システムは、試料に向けてX線を放射する1つ以上のX線源と、複数の光子検出器とを含む。試料から放射される複数の光子エネルギーを受け取って光子エネルギーを複数の検出器に集束するために、適切な幾何学形状を有する湾曲面に結晶のアレイが配列される。複数の元素を同時に検出するために、複数の光子検出器は、シグネチャ光子エネルギーに対応するブラッグ角で空間的に配列される。
一実施形態において、ガスタービンシステムのオンライン燃料監視システムが提案される。システムは、リアルタイムで燃料をサンプリングするためにガスタービンの燃料供給ラインに結合された燃料サンプリング装置を含む。システムは、試料に向けてX線を放射する1つ以上のX線源と、1つ以上の光子検出器と、試料から放射される1つ以上の光子エネルギーを受け取るために適切な幾何学形状を有する湾曲面に配列された1つ以上の結晶とを有する元素検出システムをさらに含む。結晶は、1つ以上の光子エネルギーを1つ以上の光子検出器に集束するようにさらに構成され、1つ以上の元素を検出するために、1つ以上の光子検出器は、シグネチャ光子エネルギーに対応するブラッグ角で空間的に配列される。システムは、元素検出システムに結合され且つ燃料試料中の1つ以上の元素の濃度を計算するように構成されたプロセッサをさらに含む。
別の実施形態において、ガスタービン燃料中のバナジウムを検出するためのシステムが提供される。システムは、X線を発生し且つガスタービン燃料試料に向けてX線を放射するための1つ以上のX線源を含む。システムは、試料により放射される1つ以上の光子エネルギーを受け取って約4.96keVのエネルギーレベルを有する光子を反射するように整列された1つ以上のX線光学系結晶をさらに含む。システムは、X線光学系結晶の反射光路の所定の場所に配設され且つ約4.95keVのエネルギーを有する光子を検出するように構成された光子検出器を含む。
本発明の上記の特徴、態様及び利点並びに他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによりさらによく理解されるだろう。図面中、同じ図中符号は一貫して同じ部分を示す。
図1は本発明の一実施形態に係る元素検出システムを示した図である。 図2は図1の結晶アレイを示した斜視図である。 図3は図1の結晶アレイの別の構成を示した図である。 図4は本発明の別の実施形態に係る元素検出システムを示した図である。 図5は本発明の一実施形態に係るオンラインガスタービン燃料監視システムを示した図である。 図6は燃料の種類に基づいて検出を実行し且つ校正を適用する方法の一例を示した図である。
ガスタービンの動作中に監視される典型的な動作パラメータは、始動サイクル、動力出力、燃料流量及び蒸気/水の噴射速度を含む。ガスタービンにおいて燃焼させるために、天然ガス、原油及び残渣燃料を含む種々の燃料が使用されるが、使用される燃料はそれらの種類に限定されない。燃料組成は、タービンバケット及び高温ガス流路部品などのガスタービン内部の種々の部品の腐食に影響し、従って、それらの部品の寿命に影響を及ぼす。イオウ、ナトリウム、カリウム及びバナジウムなどの汚染物質を含む燃料を使用すると、タービン部品の合金被膜及び基板合金に劣化が生じることが知られている。それらの汚染物質は燃料に元々含まれている場合もあるが、取り扱い/処理技術が不適切であるために後から燃料に添加されることもある。ガスタービン内で高温で形成される硫酸塩及びバナジン酸塩の溶融共融混合物は、タービン翼の表面の保護酸化物被膜を溶解し且つガスタービンの高温ガス流路部品の寿命に影響を及ぼす。本発明のある特定の実施形態は、燃料中の汚染物質及び元素の濃度の検出及びオンライン監視を含む。
図1は、本発明の一実施形態に係る元素検出システムを示す。システム10はX線14を放射する1つ以上のX線源12を含む。X線源12は、多色放射線及び単色放射線を発生してもよく、単一のアノードターゲットを含んでもよい。フィルタ及び/又は多層又は結晶などのX線光学系を有する複数のアノードターゲットを含む他のX線源12の構成も考えられてよい。例示的な一実施形態において、X線源は、複数の単色光子ビームを発生するように構成されるが、複数の多色光子ビームを発生する複数のアノードターゲットを有するX線源、複数の元素の合金であるアノードターゲットを有するX線源、複数のX線源、シンクロトロンX線源及び1つ以上のX線レーザーも考えられる。例示的な一実施形態において、X線源12は、成分元素を数量化するために高フラックスX線を発生するように構成される。高フラックスX線源は、集束X線光学系に結合された回転アノードターゲット、cフレックスアノード又は固定アノードを備えてもよく、X線光学系は、ポリキャピラリ光学系、全内部反射多層光学系又は3次元湾曲結晶光学系のうち1つを含んでもよい。
例えば、ガスタービン燃料を含む試料16に向けて、X線源12からX線14が放射される。複数の光子エネルギー(又は蛍光)を受け取ってそれらの光子エネルギーを複数の光子検出器22に集束するために、適切な幾何学形状を有する湾曲面20に沿って結晶のアレイ18が配列される。一実施形態において、結晶のアレイ18は結晶24〜32のような複数の結晶を含む。各結晶24、26、28、30、32は、内面34に片面湾曲を有していてもよいが、両面湾曲形状又は多層構造であってもよい。湾曲面20の形状は、トロイダル面、楕円面及び放物面、又はそれらの面の組み合わせを含んでもよいが、それらに限定されない。光子検出器22はシグネチャ光子エネルギーに対応するブラッグ角で空間的に配列される。一実施形態において、各光子検出器は1つの元素を検出するための所定の場所に配設される。例えば、バナジウムを検出するための光子検出器は、放射されるバナジウムの光子特性のエネルギー及びブラッグ角に従って計算された所定の場所に配設される。各光子検出器36、38、40、42、44は、固体検出器、シリコンドリフト検出器、ガスフロー比例計数管、シンチレーションカウンタ及び電荷結合検出器のうち1つ以上を含んでもよいが、それらに限定されない。別の例示的な実施形態において、光子検出器は、光子のエネルギーレベルを感知するピクシレーション化シリコン検出器を含んでもよい。
例示的な動作において、元素検出システム10は試料16中の複数の元素を同時に検出するように構成される。X線源は試料16に向けてX線ビームを放射するように構成される。先に述べた通り、X線は、高フラックス多色ビーム又は1つ以上の単色X線源から放射される1つ以上の単色ビームを含んでもよい。そのようなX線が試料に入射すると、試料により複数の光子エネルギーが放射される。各光子エネルギーは、試料中の対応する1つの元素と関連しており、その元素のシグネチャ光子エネルギーと呼ばれる。例えば、約4.95keVのエネルギーレベルはバナジウムに対応する。複数の元素を検出するために、複数のシグネチャ光子エネルギーが同時に検出される。検出される他の元素は、例えば、マグネシウム、ナトリウム、リチウム、カリウム、カルシウム、イオウ、ニッケル及び鉛を含むが、それらに限定されない。
図2は、図1の結晶のアレイを示した斜視図である。図中符号50により示される結晶のアレイ18は、試料16から放射される複数の光子エネルギーを受け取って各光子エネルギーを図1に示されるような対応する光子検出器22に集束するように構成される。図中符号52は結晶のアレイ18の斜視図を示し、複数の結晶24〜32は湾曲面に沿って互いに並置されている。各結晶24、26、28、30、32は、幅54及び長さ56に沿って湾曲格子を含む。複数の結晶24〜32は、試料から放射される蛍光光子を大きな立体角で捕捉し且つ複数のエネルギー(又は波長)を有する複数の光子を回折又は反射するのを助ける。例えば、結晶24は、試料から放射される特定の波長l1を回折又は反射するように構成される。さらに、結晶26、28、30、32は、対応する波長l2、l3、l4、l5を回折又は反射するように構成される。幅54及び長さ56に沿った湾曲形状は、回折又は反射された光子エネルギーを高強度で集束するのを助ける。
図3は、図1の結晶のアレイの別の構成を示した図である。図中符号60により斜視図で示される結晶のアレイは、幅56に沿って複数の結晶を含む。例えば、アレイの幅56に沿って複数の結晶62〜68が配列される。同様に、複数組の結晶70〜76、78〜84、86〜92、94〜100が互いに密接に配列され、幅56及び長さ54に沿って平面又は湾曲面を形成する。例えば、1組の結晶62〜68は、特定の波長l1を回折又は反射するように構成されてもよい。従って、その他の組の結晶70〜76、78〜84、86〜92、94〜100は、波長l2、l3、l4、l5をそれぞれ回折又は反射するように構成されてもよい。あるいは、特定の波長を回折又は反射するために、複数組の結晶が複数の列に沿って配列されてもよい。例えば、結晶62、70、72、86及び94は、特定の波長l1を回折又は反射するように構成されてもよい。そのような構成において、長さ54に沿った結晶の組は、特定の波長を回折又は反射するように構成される。
図4は、本発明の一実施形態に係る元素検出システムを示した図である。例示的な一実施形態において、システム104は、燃料試料中の非常に低い濃度レベルのバナジウムを検出するように構成される。システム104は、X線14を発生し且つ試料16に向けてX線14を放射するように構成された1つ以上のX線源12を含む。X線光学系結晶106は、試料により放射される光子エネルギーを受け取って約4.95keVのエネルギーレベルを有する光子を光子検出器108に向けて回折又は反射するように整列される。光学系結晶106は、湾曲面に沿って配列された複数の結晶101〜109を含んでもよい。一実施形態において、結晶101〜109は、片面湾曲結晶、両面湾曲結晶、多層構造結晶又はそれらの組み合わせを含む。光子検出器108は、X線光学系結晶の反射光路の所定の場所に配設され且つ約0.25nmの波長に対応する約4.95keVのエネルギーを有する光子を検出するように構成される。X線光学系結晶106は、図2及び図3に関連して説明したような構成のうち1つを含んでもよい。一実施形態において、より高い強度の蛍光光子エネルギーが検出器に入射するように、アレイ106のすべての結晶は特定の波長を反射するように構成される。そのように高強度の光子を検出することにより、元素の低い濃度レベルまで、例えば、約0.1ppb(十億分率)の検出下限まで検出されてもよい。例示的な一実施形態において、元素検出システム104はオンライン監視システムの一部であってもよい。
図5は、本発明の一実施形態に係るガスタービンのオンライン燃料監視システムを示した図である。オンラインシステム110は、燃料118をリアルタイムでサンプリングするためにガスタービン116の燃料供給ライン114に結合された燃料サンプリング装置112を含む。本明細書において使用される場合の用語「リアルタイム」は、測定されるパラメータの現在の状態に対して厳密に一致する時間又は一致する時間にごく近い時間となるような測定状態をいう。「オンライン」は、監視されるシステムに物理的に装着され且つ手動操作による介入なしにシステム状態に関する情報を連続的に提供しているシステムをいう。尚、本明細書において、オンライン燃料監視システムはガスタービンに関連して説明されるが、これは単なる例である。固体燃料、液体燃料又は気体燃料を必要とし、ガスタービン発電プラットフォーム、蒸気タービン、蒸気発電装置、ボイラ又は複合サイクル発電装置を含むが、それらに限定されない任意の発電プラットフォームにおいて、そのようなオンライン監視システムが実現されてもよい。元素検出システム120はサンプリング装置112に結合される。一実施形態において、元素検出システム120は、図1に関連して説明したようなシステム構成を含む。プロセッサ122は、元素検出システム120に結合され且つ燃料品質信号123を計算するように構成される。本明細書において説明されるプロセッサは、情報を格納するためにシステムデータを収集、計算又は解析するか、あるいはシステム状態及びシステム性能を改善するための制御動作に必要なコマンド信号を判定する任意のデジタル/アナログ回路網を含んでもよい。燃料送り出しシステム124は、燃料供給ライン114に結合され且つプロセッサ122から入力を受信するように構成される。一実施形態において、燃料送り出しシステム124は、ガスタービン116に供給される燃料の流量を調整するように構成される。別の実施形態において、燃料送り出しシステム124は、燃料中に存在する汚染物質の影響を軽減するために燃料に抑制剤を噴射するように構成された燃料抑制装置として構成される。ガスタービン16への入口で、燃料供給ライン114に緊急遮断弁126が結合される。プロセッサ122にデータセンター128が任意に結合されてもよい。データセンター128は、燃料118中の元素の濃度レベル及び組成に基づくガスタービン116の種々のパラメータを格納するように構成されてもよい。
オンライン燃料監視調整システム110の例示的な動作において、ガスタービン116に供給される燃料118は、サンプリング装置112により連続して又は規則的な間隔でサンプリングされる。サンプリング装置112に結合された元素検出システム120は、燃料試料中の複数の成分元素及びその濃度を検出し、それにより燃料の品質を検出するように構成される。元素検出システムは、図1に関連して説明したような結晶アレイ及び光子検出器から成る構成を含んでもよい。別の例示的な実施形態において、元素検出システム120は、バナジウム又はナトリウムなどの1つの元素を検出するように構成される。燃料品質信号123(プロセッサ122により計算される)は、例えば、燃料試料中の元素濃度を含んでもよい。一実施形態において、プロセッサ122からのコマンド信号123に従って、抑制剤噴射装置124は、元素検出システム120により検出された元素の濃度に基づいて抑制剤噴射量を計算する。あるいは、プロセッサ出力123は、成分元素の濃度レベルが腐食危険レベルである閾値を超えた場合にガスタービンへの燃料供給を遮断するか又はその後に他の任意の修正動作を実行するために使用されてもよい。データセンター128は、ガスタービンに供給されている燃料の中の汚染物質の濃度を連続的に記録するように構成される。そのようにして蓄積されたデータは、種々のパラメータ、例えば、ガスタービンの保守サイクル又はガスタービン内の高温ガス流路部品の腐食速度の計算を助ける。そのようなパラメータは予防保守を計画する際にも有用である。
ガスタービンにおいて、原油、灯油又はディーゼル燃料などの種々の種類の液体燃料が使用される。先に説明したような元素検出システムは、広範囲の炭化水素成分から分類される汚染物質を検出してもよい。従って、X線放射信号及び/又は燃料中の元素信号を正確に検出することにより燃料の種類が識別され、それにより、燃料の種類に基づいて適用されるべき適切な校正ルーチンが判定されるだろう。燃料の種類を検出するための方法の一例が図6に示される。フローチャート130は、燃料の種類を識別し、それに従って校正技術を適用する本発明の一実施形態に係る種々のステップを示す。最初のステップ132は、未知の燃料試料をX線放射(先に説明したように)にさらすことにより燃料の種類を検出することを含む。このステップにおいて、試料からの光子エネルギーの強度が測定される。次のステップ134において、測定された強度は、例えば、燃料の種類を分類するためにデータセンターに格納されている強度と比較される。
ステップ138において校正が適用される。一実施形態に係る校正は、試料から測定された強度と試料の濃度の関数関係を参照する。この関数は、周知の量の成分元素を含有するある範囲の試料の光子エネルギー強度を測定することにより導出され、その結果、特定の燃料の種類に対応する校正曲線が得られる。そのような複数の校正曲線は、図中符号140に示される複数の燃料の種類に対応して格納されている。未知の試料の中の1つの成分元素の濃度を判定するために、ステップ134で判定された適切な校正がステップ132で測定されたX線信号に適用される。成分元素の校正関数に影響を及ぼす要因は、試料マトリクスからの妨害及び試料中の他の元素との相互作用を含む。未知の試料の成分元素の濃度の測定精度は、正しい校正曲線が適用されるか否かによって決まる。あるいは、ステップ134で判定された燃料の種類に応じて、格納されている修正係数テーブルから選択された1つの修正係数が格納されている校正曲線に適用されてもよい(ステップ142)。最後のステップ144は、元素の濃度の計算である。
結晶のアレイを実現する上述の元素検出システムは、低い濃度レベルの元素の検出を助けるという利点を有する。さらに、複数の元素を検出するために1つのシステムが実現されてもよい。元素を検出するためのオンラインシステムは、時間の経過に伴って汚染物質濃度を追跡し且つ抑制剤の添加を開始するためのステップを推奨するか、又は故障が発生する前に検査及び洗浄を実行するためにガスタービンの動作を停止することを推奨するという機能を有する。記録されたデータは、時間の経過に伴って燃料の汚染を追跡し且つガスタービンの高温腐食に対する汚染の影響を判定するために使用されてもよい。さらに、オンラインシステムは、手動操作によるサンプリング、試験施設への搬送並びに試料の準備及び元素濃度の解析のための著しく長い時間にわたる作業を不要にする。
本発明のある特定の特徴のみを図示し且つ説明したが、当業者には多くの変形及び変更が明らかだろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲内に入るそのような変形及び変更のすべてを含むことを意図すると理解されるべきである。
10 元素検出システム
12 X線源
14 X線
16 試料
18 結晶のアレイ
20 湾曲面
22 光子検出器
24〜32 結晶
34 内面
36〜44 光子検出器
50 結晶のアレイ
52 結晶のアレイの斜視図
54 幅
56 長さ
60 斜視図
62〜68 結晶の組
70〜76 結晶の組
78〜84 結晶の組
86〜92 結晶の組
94〜100 結晶の組
104 元素検出システム
106 X線光学系結晶
108 光子検出器
110 オンライン燃料監視システム
112 燃料サンプリング装置
114 燃料供給ライン
116 ガスタービン
118 燃料
120 元素検出システム
122 プロセッサ
123 コマンド信号/燃料品質信号
124 抑制剤噴射装置/燃料送り出しシステム
126 遮断弁
128 データセンター

Claims (10)

  1. 複数の元素を検出するためのシステムであって、
    試料に向けてX線を放射する1つ以上のX線源と、
    複数の光子検出器と、
    適切な幾何学形状を有する湾曲面に沿って配列され、前記試料から放射される複数の光子エネルギーを受け取って前記光子エネルギーを前記複数の検出器に集束する結晶のアレイとを備えており、
    前記複数の元素を同時に検出するために、前記複数の光子検出器が、シグネチャ光子エネルギーに対応するブラッグ角で空間的に配列されるシステム。
  2. 各結晶が片面湾曲結晶、両面湾曲結晶又は多層構造結晶のうち少なくとも1つを含む、請求項1記載のシステム。
  3. 発電プラットフォームの燃料供給ラインにさらに結合され、前記光子検出器に結合され且つ燃料品質信号を発生するように構成されたプロセッサをさらに備える、請求項1記載のシステム。
  4. 前記プロセッサが、前記元素の濃度を検出し且つ前記発電プラットフォームに対する燃料の供給を制御するように構成される、請求項3記載のシステム。
  5. 前記発電プラットフォームがガスタービンを備えていて、前記プロセッサが前記ガスタービンの1つ以上のパラメータを計算するように構成され、前記パラメータが、前記燃料品質信号に基づく保守スケジュール、高温ガス流路腐食又は部品腐食を含む、請求項3記載のシステム。
  6. ガスタービンのオンライン燃料監視システムであって、
    燃料をリアルタイムでサンプリングするために、前記ガスタービンの燃料供給ラインに結合された燃料サンプリング装置と、
    元素検出システムであって、試料に向けてX線を放射する1つ以上のX線源と、1つ以上の光子検出器と、適切な幾何学形状を有する湾曲面に沿って配列され、前記試料から放射される1つ以上の光子エネルギーを受け取って前記1つ以上の光子エネルギーを前記1つ以上の光子検出器に集束する1つ以上の結晶とを備えていて、1つ以上の元素を検出するために、前記1つ以上の光子検出器は、シグネチャ光子エネルギーに対応するブラッグ角で空間的に配列される元素検出システムと、
    前記元素検出システムに結合され且つ前記燃料試料中の前記1つ以上の元素の濃度を計算するように構成されたプロセッサと
    を備えるオンライン燃料監視システム。
  7. 前記燃料品質信号に基づいて抑制剤を噴射するために、前記燃料供給ラインに結合された燃料抑制剤装置をさらに備える、請求項6記載のオンライン燃料監視システム。
  8. 前記プロセッサが、測定された燃料の種類に基づいて校正を適用するようにさらに構成される、請求項6記載のオンライン燃料監視システム。
  9. ガスタービン燃料中のバナジウムを検出するためのシステムであって、
    X線を発生し且つガスタービン燃料試料に向けて前記X線を放射するための1つ以上のX線源と、
    前記試料により放射される1つ以上の光子エネルギーを受け取ってバナジウムに対応するエネルギーを有する光子を反射するように整列された1つ以上のX線光学系結晶と、
    前記X線光学系結晶の反射光路の所定の場所に配設され且つバナジウムに対応するエネルギーを有する光子を検出するように構成された光子検出器と
    を備えるシステム。
  10. 前記光子検出器に結合され且つ前記燃料試料中のバナジウムに対応する約4.95キロ電子ボルト又は約0.25ナノメートルの波長の光子エネルギーを検出するように構成されたプロセッサをさらに備える請求項9記載のシステム。
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