KR20120042663A - 광섬유 순도 센서를 갖는 시스템 - Google Patents

광섬유 순도 센서를 갖는 시스템 Download PDF

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매튜 로버트 마틴
안소니 제임스 조지
제프리 제임스 안드리츠
제임스 다니엘 앤탈레크
제임스 토마스 클라크
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명의 시스템은 고정자(90), 회전자(92), 및 발전기(12)의 내부를 통과하는 기체 냉각재 통로(18)를 포함하는 발전기(12), 및 기체 냉각재 통로(18)를 통한 기체 냉각재(52)의 흐름의 기체 순도를 감지하도록 형성된 하나 이상의 광섬유 순도 센서(34)를 포함한다.

Description

광섬유 순도 센서를 갖는 시스템{SYSTEM HAVING FIBER OPTIC PURITY SENSOR}
본 발명은 순도 검출용 시스템, 보다 구체적으로 광섬유 순도 센서를 사용하는 시스템에 관한 것이다.
기체는 연료 전지, 수송 및 발전과 같이 다양한 산업에 포함되는 광범위한 용도에 사용된다. 예를 들면, 수소는 전기 장비, 예컨대 발전기에서 냉각재로서 사용될 수 있다. 또한, 다른 기체, 예컨대 이산화탄소 및 공기도 발전기에서 사용될 수 있다. 수소의 순도 요건은 용도에 따라 달라진다. 예를 들면, 발전기는 가연성 기체 혼합물의 생성을 방지하기 위해서 고 순도의 수소를 필요로 할 수 있다. 존재하는 수소의 순도를 모니터링하는 장치는 전형적으로 열 전도도 검출(TCD)을 기준으로 한다. TCD는 비특이적이고 비파괴적인 특징을 갖는 다목적 기체 분석 방법이며, 불꽃 이온화 검출 방법보다 덜 선택적일 수 있다. TCD의 분해능 및 정확성은 제한될 수 있다. 수소의 순도를 모니터링하는 다른 방법은 기체 밀도 및 차압 기준 측정을 사용하는 것을 포함한다. 그러나, 이들 방법은 주변 및 기체 온도-유도된 변화를 겪을 수 있다. 그러므로, 전술한 문제 중 하나 이상을 해결하기 위한 개선된 순도 측정 센서 및 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 범위에 속하는 특정 실시양태를 하기에 요약하였다. 이러한 실시양태는 본 발명의 범위를 제한하지 않으며 오히려 이들 실시양태는 단지 본 발명의 가능한 형태를 간단히 요약하여 제공하고자 한다. 실제로, 본 발명은 하기 실시양태와 유사하거나 상이할 수 있는 다양한 형태를 포함할 수 있다.
제 1 실시양태에서, 시스템은 고정자, 회전자 및 발전기의 내부를 통과하는 기체 냉각재 통로를 포함하는 발전기, 및 기체 냉각재 통로를 통과하는 기체 냉각재의 흐름의 기체 순도를 감지하도록 형성된 하나 이상의 광섬유 순도 센서를 포함한다.
제 2 실시양태에서, 시스템은 순도 조절기를 포함하는 기체 순도 조절 시스템, 및 기체 순도를 감지하도록 형성된 하나 이상의 광섬유 순도 센서를 포함한다.
제 3 실시양태에서, 시스템은 기체 냉각재의 기체 순도를 감지하도록 형성된 하나 이상의 광섬유 순도 센서를 포함한다. 하나 이상의 광섬유 순도 센서는 섬유 코어, 섬유 코어 주변에 위치한 굴절률 주기 변조된 격자 구조, 굴절률 주기 변조된 격자 구조 주위에 위치한 섬유 클래딩(cladding), 및 섬유 클래딩 주변에 위치한 다층 센싱(sensing) 필름을 포함한다. 다층 센싱 필름은 다중 고 굴절률 및 저 굴절률 물질 층의 변조된 구조를 포함한다. 또한, 상기 시스템은 감지된 수준이 기체 순도의 임계 수준보다 낮을 경우 기체 순도를 증가시키는 조절 기능을 개시하도록 형성된 순도 조절기를 포함한다.
본 발명의 상기 및 다른 특징, 양태 및 이점은 하기 상세한 설명을 첨부된 도면을 참고로 하여 읽을 때 보다 더 이해될 것이며, 도면에서 유사 부호는 도면 전체의 유사한 부품을 나타낸다.
도 1은 실시양태에 따른 광섬유 순도 센서가 혼입된 발전기 시스템의 블록 다이아그램이다.
도 2는 실시양태에 따른 광섬유 순도 센서가 혼입된 발전기 시스템의 블록 다이아그램이다.
도 3은 실시양태에 따른 광섬유 순도 센서가 혼입된 발전기 시스템의 개략도이다.
도 4는 실시양태에 따른 광섬유 순도 센서가 혼입된 발전기 시스템의 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시양태에 따른 광섬유 순도 센서의 개략도이다.
도 6은 실시양태에 따른 광섬유 순도 센서가 혼입된 발전기를 작동시키는 공정의 순서도이다.
본 발명의 하나 이상의 특정 실시양태가 하기에 기재된다. 이러한 실시양태의 정확한 설명을 제공하기 위해서, 실제 실행의 모든 특징부가 명세서에 기재되지 않을 수도 있다. 그러한 임의의 실제 실행의 개발시에, 임의의 공학 처리 또는 설계 프로젝트에서와 같이, 개발자의 특정 목적을 달성하도록, 예컨대 시스템-관련 및 사업-관련 제약의 요망에 따라, 다수의 실행-특이적 결정이 이루어져야 하며, 이는 실행마다 다를 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 발명에 속하는 숙련자에 있어서 일상적인 설계, 제작 및 제조 작업인 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 다양한 실시양태의 요소를 도입하는 경우, 단수 제품은 하나 이상의 요소가 존재함을 의미하는 것으로 의도된다. 용어 "포함하는", "비롯한" 및 "갖는"은 열거된 요소 이외의 추가의 요소가 존재할 수 있음을 의미하며, 포괄적인 것으로 의도된다.
하기 설명에서 논의된 바와 같이, 개시된 실시양태의 일부는 고정자, 회전자, 및 발전기의 내부를 통과하는 기체 냉각재 통로를 포함하는 발전기에 관한 시스템을 포함한다. 보다 일반적으로, 다른 실시양태는 임의의 회전자 기계, 예컨대 터빈, 연소 엔진, 발전기, 전동기 등을 포함한다. 전기 장비, 예컨대 발전기용 냉각재로서 수소의 사용은 하기 논의된 바와 같이 다른 기체에 비해 몇몇 장점을 제공한다. 또한, 다른 기체가 발전기에 사용될 수도 있다. 또한, 개시된 시스템은 하나 이상의 광섬유 순도 센서를 포함하며, 이는 기체 냉각재 통로를 통과하는 기체 냉각재의 흐름의 기체 순도를 감지하도록 형성될 수 있다. 기체 순도의 모니터링은 전기 전자 기술자 협회(IEEE) 기준과 같은 산업 기준 요건일 수 있다. 하기 상세하게 기재된 바와 같이, 광섬유 순도 센서는 센서가 기체 냉각재의 기체 순도를 감지하도록 함께 작용하는 몇몇 구성성분을 포함할 수 있다. 예를 들면, 광섬유 순도 센서는 다양한 코팅물 또는 센싱 층을 포함할 수 있으며, 이들 각각은 센서가 상이한 기체 순도 수준을 검출할 수 있게 한다. 특정 실시양태에서, 광섬유 순도 센서는 공기 중 수소 수준의 검출이 가능하도록 형성된 제 1 코팅물, 이산화탄소(CO2) 중 수소 수준의 검출이 가능하도록 형성된 제 2 코팅물, 및 공기 중 CO2 수준의 검출이 가능하도록 형성된 제 3 코팅물을 포함할 수 있다. 발전기에서 광섬유 순도 센서의 사용은 다른 광섬유 센서, 예컨대 압력, 온도 및 유속 센서의 부가를 용이하게 할 수 있다. 이러한 광섬유 센서는 동일한 호출기 시스템을 전부 공유하여 가능하게는 자본, 유지 보전 및 작동 비용을 감소시킬 수 있다. 하기 상세하게 기재되는 바와 같이, 호출기 시스템은 광신호를 모니터된 변수 값으로 변환시킨다. 또한, 다른 센서와 비교하여, 광섬유 센서는 작은 크기, 전력에 대한 요건 없음, 멀티플렉싱 가능성, 전기장 및/또는 자기장 저항성, 고온 및/또는 고압에 대한 적합성, 고 정확성 등과 같은 몇몇 장점을 제공한다.
개시된 실시양태의 일부는 순도 조절기를 포함하는 기체 순도 조절 시스템, 및 기체 순도를 감지하도록 형성된 하나 이상의 광섬유 순도 센서에 관한 것이다. 순도 조절기는 감지된 수준이 기체 순도의 임계 수준보다 낮을 경우 기체 순도를 증가시키는 조절 기능을 개시하도록 형성될 수 있다. 특정 실시양태에서, 기체 순도의 임계 수준은 기체 냉각 시스템 내부의 가연성 혼합물의 방지를 기준으로 할 수 있다. 순도 조절기에 의해 개시될 수 있는 조절 기능의 예는 저 순도 기체 일부의 배출 및/또는 추가의 고 순도 기체의 첨가를 포함한다. 따라서, 광섬유 순도 센서로부터의 정확학 피드백을 사용함으로써, 냉각 조절기는 목적하는 작동 범위 내에서 기체 냉각 시스템을 유지하는데 일조할 수 있다.
도 1은 실시양태에 따른 발전기 시스템(10)의 블록 다이아그램이다. 발전기 시스템(10)은 발전기(12)를 포함할 수 있으며, 이는 기계 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치이다. 기계 에너지의 공급원은 구동축(16)을 거쳐 발전기(12)에 연결되는 엔진(14)일 수 있다. 엔진(14)의 예는 증기 터빈 엔진 및 기체 터빈 엔진을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 작동 동안, 발전기(12)는 열을 발생시킬 수 있으며, 이는 냉각재를 사용하여 제거될 수 있다. 발전기(12)에 사용될 수 있는 냉각재의 예는 공기, 물, 수소, 헬륨 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 예시된 실시양태에서, 발전기(12)는 수소 냉각재 통로(18)를 포함한다. 수소 냉각재 통로(18)는 발전기(12)의 내부, 발전기(12)의 외표면 근처, 또는 열이 제거될 수 있는 어느 곳에서든 배치될 수 있다. 따라서, 수소 냉각재 통로(18)는 발전기(12)를 통해 수소를 운반하는 통로, 도관 또는 파이프를 포함할 수 있다. 수소는 발전기(12)에 사용될 수 있는 다른 냉각재와 비교하여 몇몇 장점을 제공한다. 구체적으로, 수소는 저 밀도, 고 비열 및 고 열 전도도를 갖는다. 이러한 특성으로 인하여, 냉각재로서 수소를 사용하는 발전기(12)는 다른 냉각재, 예컨대 공기를 사용하는 발전기(12)보다 더 작고 값이 저렴할 수 있다.
발전기(12)에서 열이 제거된 후, 온 수소(20)가 수소 열 교환기(22), 예컨대 다관형 열 교환기 또는 판형 열 교환기로 향할 수 있다. 수소 열 교환기(22)는 온 수소(20)로부터 열을 제거하여, 냉 수소(24)를 수소 냉각재 통로(18)로 되돌려 발전기(12)로부터 추가의 열을 제거하는데 사용되게 한다. 따라서, 발전기(12)에서 사용된 수소는 본질적으로 폐쇄 루프로 순환한다. 수소 냉각재 통로(18)에서 수소의 압력은 대략 400 kPa, 500 kPa 또는 600 kPa보다 높을 수 있다. 수소 냉각재 통로(18)에서 수소의 순도는 산소의 존재에 의해 유발되는 코로나 방출 가능성을 감소시키도록 매우 높을 수 있다. 예를 들면, 수소 냉각재 통로(18)에서 수소의 순도는 대략 95%, 98% 또는 99%보다 높을 수 있다.
냉각재는 수소 열 교환기(22)를 통해 순환된 수소로부터 열을 제거하는데 사용될 수 있다. 냉가제는 액체, 예컨대 물, 냉매, 열 교환 유체 등일 수 있다. 수소 열 교환기(22)로부터의 온 냉각재(26)는 냉각재 열 교환기(28)로 향할 수 있고, 이는 온 냉각재(26)로부터 열을 제거하도록 형성될 수 있다. 냉각재 열 교환기(28)는 다관형 열 교환기, 판형 열 교환기 또는 열 교환기의 임의의 다른 적합한 유형일 수 있다. 냉 냉각재(30)는 냉각재 열 교환기(28)로부터 수소 열 교환기(22)로 향하여, 본질적으로 폐쇄 루프 시스템을 생성시킬 수 있다. 다른 실시양태에서, 냉각재 열 교환기(28)가 생략될 수 있으며, 개방 루프 냉각재 시스템이 폐쇄 루프 시스템 대신에 사용될 수 있다. 예를 들면, 온 냉각재(26)는 거대 저장소, 예컨대 호수 또는 강의 한 부분을 향하는 냉각수일 수 있고, 냉 냉각재(30)는 저장소의 다른 부분으로부터 수득된 냉각수일 수 있다. 수소 열 교환기(22) 및 냉각재 열 교환기(28)는 함께 수소 냉각 유닛 또는 수소 냉각 시스템(32)으로서 지칭될 수 있다.
발전기(12) 내부에는 수소 냉각재 통로(18)에 따른 다양한 위치를 모니터하도록 형성된 하나 이상의 광섬유 센서(34)가 배치될 수 있다. 광섬유 센서(34)는 다음과 같은 기체 순도 수준 중 하나 이상을 모니터하거나 검출하도록 형성될 수 있다: 공기 중 수소 수준, CO2 중 수소 수준 또는 공기 중 CO2 수준. 광섬유 센서(34)는 하기에서 보다 상세하게 기재되어 있다. 호출기(36)는 광섬유 센서(34)에 연결될 수 있으며, 광섬유 센서(34)로부터의 신호를 기준으로 기체 순도 수준을 결정하는데 사용된다. 구체적으로, 광섬유 케이블(38)은 광섬유 센서(34)와 호출기(36)를 연결시킬 수 있다. 광섬유 센서(34)는 광섬유 케이블(38)을 따라 광섬유 신호를 전송하며, 그 후 신호는 호출기(36)에 의해 판독되는 기체 순도로 변환된다. 호출기(36)로부터의 기체 순도 정보는 신호(42)를 통해 조절 시스템(40)으로 전송될 수 있다. 예를 들면, 신호(42)는 4 mA 내지 20 mA 전기 신호일 수 있으며, 전선을 거쳐 또는 무선으로 전달될 수 있다. 조절 시스템(40)은 독립형 공정 조절 시스템 또는 보다 큰 공정 조절 시스템의 일부일 수 있다. 조절 시스템(40)에 사용될 수 있는 기법의 예는 개방 또는 폐쇄 루프 조절, 선형 또는 비선형 조절, 프로그램 가능 로직 조절기(PLC), 분산 조절 시스템(DCS), 모델 예측 조절, 통계 처리 조절 또는 다른 고급 처리 조절 방법을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 또한, 조절 시스템(40)은 순도 조절기(43), 엔진 조절기(44), 발전기 조절기(46), 냉각 조절기(48) 등을 포함할 수 있다. 다양한 입력을 기준으로, 조절기(43, 44, 46 및 48)는 출력 신호(50)를 발전기 시스템(10)의 다양한 구성성분으로 전송할 수 있다. 예를 들면, 순도 조절기(43)는 호출기(36)로부터 신호(42)를 수용하고 출력 신호(50)를 기체 조절 장치(51)로 전송할 수 있으며, 기체 조절 장치는 발전기(12)로의 기체의 유속 및 발전기(12)로부터의 기체의 유속을 조절하는 하나 이상의 조절 밸브(53)를 포함할 수 있다. 엔진 조절기(44)는 신호(42)를 수용하고, 출력 신호(50)를 엔진(14)으로 전송할 수 있다. 기체 순도 정보가 임계 내에 속하지 않는 경우, 엔진 조절기(44)는 엔진(14)이 정지되게 할 수 있다. 유사하게, 발전기 조절기(46) 및 냉각 조절기(48)는 출력 신호(50)를 기체 순도 정보를 기준으로 각각 발전기(12) 및 냉각 시스템(32)으로 전송할 수 있다.
작동 동안, 수소(52)는 발전기(12)에 공급되어 발전기(12)로부터 누출되거나 제거될 수 있는 임의의 수소를 대체할 수 있다. 또한, 수소(52)는 우선 발전기(12)를 작동중에 두는 경우, 발전기(12)에 공급될 수 있다. 하기 상세하게 기재되는 바와 같이, 수소(52)는 유지 보전을 위해 발전기(12)를 준비하는 경우 CO2(54)에 의해 대체될 수 있다. 비가연성 기체로서, CO2(54)는 안전하게 수소(52)와 합쳐질 수 있다. 대체된 수소(52)는 퍼지(purge)(56)로 전송된다. 수소(52) 전부 또는 실질적으로 전부가 CO2(54)에 의해 대체되면, CO2(54)는 공기(58)에 의해 대체될 수 있다. 따라서, CO2(54)는 퍼지(56)로 전송된다. CO2(54) 전부 또는 실질적으로 전부가 공기(58)에 의해 대체되면, 발전기(12)는 유지 보전시킬 준비가 되어 있을 수 있다.
도 2는 발전기 시스템(10)의 또 다른 실시양태의 블록 다이아그램이다. 도 1에 도시된 것과 같이 도 2의 요소는 동일한 참조 번호로 구별하였다. 예시된 실시양태에서, 광섬유 센서(34)는 발전기(12) 내부에 배치되어 있지 않다. 대신에, 기체 샘플링 배관 또는 파이프(70)가 기체를 발전기(12)로부터 조절 패널(72) 내에 배치될 수 있는 광섬유 센서(34)로 운반할 수 있다. 따라서, 일부 실시양태에서, 수소 냉각재 통로(18)는 발전기(12) 내부의 안쪽 부분과 배관(70)을 포함하는 바깥쪽 부분을 포함할 수 있고, 이는 또한 수소 냉각재 라인으로서 지칭될 수 있다. 배관(70)은 304 스테인레스 스틸 또는 316 스테인레스 스틸과 같은 물질로부터 제조될 수 있고, 예를 들면 대략 3 mm, 6 mm, 9 mm 또는 12 mm의 외경을 가질 수 있다. 배관(70)은 소량의 기체를 발전기(12)의 내부로부터 광섬유 센서(34)로 운반한다. 상기 기재된 바와 같이, 호출기(36)는 광섬유 센서(34)로부터의 신호를 기준으로 기체 순도 정보를 결정한다. 호출기(36)는 기체 순도 정보를 조절 패널(72) 내에 배치된 하나 이상의 디스플레이(74)로 전송할 수 있다. 디스플레이(74)는 조절 패널(72) 근처에 서 있는 작동자가 기체 순도 정보를 관찰하게 할 수 있다. 조절 패널(72)은 또한 사용자 입력 채널(76)을 포함할 수 있고, 이는 작동자가 입력 신호를 광섬유 센서(34), 호출기(36) 및/또는 디스플레이(74)로 제공하게 할 수 있다. 예를 들면, 사용자 입력 패널(76)은 작동자가 조절 패널(72)의 임의의 구성성분의 형상 또는 세팅을 변화시키게 할 수 있다. 조절 패널(72) 내에 광섬유 센서(34)를 배치시킴으로써 발전기(18) 내부에 광섬유 센서(34)를 배치하는 것에 비해 몇몇 장점을 제공할 수 있다. 예를 들면, 광섬유 센서(34)의 유지 보전 및 대체가 조절 패널(72)에 배치되는 경우 보다 용이할 수 있는데, 이는 광섬유 센서(34)가 보다 더 이용하기 쉽기 때문이다. 발전기 시스템(10)의 다른 양태는 상기 기재된 바와 유사하다.
도 3은 다른 실시양태에 따른 발전기 시스템(10)의 개략도이다. 도 1에 도시된 것과 같이 도 3의 요소는 동일한 참조 번호로 구별하였다. 예시된 실시양태는 발전기(12) 및 수소 냉각재 통로(18)를 보다 상세하게 나타내었다. 구체적으로, 발전기(12)는 발전기(12)의 고정 부분인 고정자(90), 및 발전기(12)의 회전 부분인 회전자(92)를 포함할 수 있다. 고정자(90)는 발전기(12)의 바깥 둘레 근처에 위치할 수 있으며, 회전자(92)는 발전기(12)의 중심축 근처에 위치할 수 있다. 다르게는, 회전자(92)는 발전기(12)의 바깥 둘레 근처에 위치할 수 있고, 고정자(90)는 발전기(12)의 중심축 근처에 위치할 수 있다. 또한, 발전기(12)는 회전자(92)의 회전을 촉진시키는 하나 이상의 베어링(bearing) 시스템(94)을 포함할 수 있다. 베어링 시스템(94)은 기체가 발전기(12)의 내부 또는 외부로 누출되는 것을 방지하는데 일조하는 하나 이상의 밀봉부를 포함할 수 있다.
고정자(90), 회전자(92) 및/또는 베어링 시스템(94)은 각각 하나 이상의 냉각재 통로(96)를 포함할 수 있으며, 이는 발전기(12)를 통한 냉각재의 순환을 제공하도록 형성될 수 있다. 예시된 실시양태에서, 냉각재 통로(96)는 구성성분 주변, 구성성분을 따라 앞뒤로 또는 이들의 조합으로 연장되는 코일 또는 와인딩(winding)일 수 있다. 일부 실시양태에서, 냉각재 통로(96)는 구성성분 내에서 축 방향, 원주 방향 또는 방사 방향으로 연장될 수 있다. 예시된 실시양태에서, 수소 냉각재 통로(18)는 고정자(90)를 통해 연장된 고정자 냉각재 통로(98), 회전자(92)를 통해 연장된 회전자 냉각재 통로(100), 및/또는 베어링 시스템(94)을 통해 연장된 베어링 냉각재 통로(102)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 특정 실시양태에서, 냉 수소(24)는 고정자(90), 회전자(92) 및/또는 베어링 시스템(94)의 한 말단으로 들어가서 발전기(12)의 상기 구성성분의 반대쪽 말단으로 빠져나올 수 있다. 또한, 광섬유 센서(34)는 발전기(12) 전체에 배치되어 고정자(90), 회전자(92) 및/또는 베어링 시스템(94)의 기체 순도를 측정할 수 있다. 도 3의 발전기(12)의 바깥에 도시된 바와 같이, 광섬유 센서(34)는 다른 실시양태에서의 수소 냉각재 통로(18)의 안쪽 부분을 따라 발전기(12)의 내부에 배치될 수 있다. 예를 들면, 고정자 광섬유 순도 센서(34)는 고정자 냉각재 통로(98)에 연결될 수 있고, 회전자 광섬유 순도 센서(34)는 회전자 냉각재 통로(100)에 연결될 수 있고/있거나 베어링 광섬유 순도 센서(34)는 베어링 냉각재 통로(102)에 연결될 수 있다. 보다 일반적으로, 제 1 광섬유 순도 센서(34)는 발전기(12)의 제 1 영역의 제 1 기체 순도를 감지하도록 형성될 수 있고, 제 2 광섬유 순도 센서는 발전기(12)의 제 2 영역의 제 2 기체 순도를 감지하도록 형성될 수 있다. 발전기 시스템(10)의 다른 양태는 상기 기재한 바와 유사하다.
도 4는 발전기 시스템(10)의 부분 단면도이다. 도 1 및 도 3에 도시된 것과 같이 도 4의 요소는 동일한 참조 번호로 구별하였다. 예시된 실시양태에서, 냉 수소(24)는 발전기(12) 전체에 배치된 하나 이상의 냉각재 통로(96)를 통해 흐른다. 예를 들면, 특정 실시양태에서, 냉 수소(24)는 먼저 회전자(92)의 내부 및 중심 축 근처에 위치한 냉각재 통로(96)로 향할 수 있다. 이어서, 냉 수소(24)는 추가의 냉각재 통로(96)를 통해 방사상으로 바깥으로 향하여 나머지 회전자(92)에 대해 냉각을 제공할 수 있다. 다른 실시양태에서, 추가의 냉각재 통로(96)는 고정자(90) 및/또는 베어링 시스템(94)에 배치될 수 있다. 냉각재 통로(96)를 통해 통과한 후, 온 수소(20)는 발전기(12)의 주변 근처에 위치한 하나 이상의 머리부(110)에서 수집될 수 있다. 머리부(110)로부터, 온 수소(20)는 수소 열 교환기(22)로 되돌아 갈 수 있다. 특정 실시양태에서 머리부(110)의 사용은 온 수소(20)를 수소 열 교환기(22)로 운반하는 개별 라인 또는 도관의 개수를 감소시킬 수 있다. 발전기 시스템(10)의 다른 양태는 상기 기재한 바와 유사하다.
도 5는 상기 기재한 발전기 시스템(10)과 함께 사용될 수 있는 광섬유 순도 센서(34)의 실시양태를 도시하고 있다. 예시된 실시양태에서, 기체 순도 센서(34)는 축(114)을 따라 연장되는 중심 섬유 코어(112)와 광 연통하는 광 공급원(110), 예컨대 가변성 광대역 광 공급원을 포함하고, 굴절률 주기 변조된 격자를 포함한다. 굴절률 주기 변조된 섬유 격자는 자외선(UV) 및 상 마스크(phase mask)를 사용하여 간섭 패턴을 형성하고 이어서 섬유 코어(112)로 조사되는 공정으로부터 만들어 질 수 있다. 섬유 코어(112)가 특정 시간 동안 노출된 후, 주기적 굴절률 패턴이 섬유 코어(112) 내부에 형성된다. 주기적 변조가 형성되도록, 밝게 조사된 영역은 자외선에 의해 조사되지 않은 어두운 영역보다 더 높은 굴절률을 갖는다. 이러한 굴절률 주기 변조된 격자 구조는 λ = 2nd(n은 섬유 코어의 유효 지수이고, d는 격자 주기성이다) 관계식에 의해 정의되는 브래그 공명 파장(λ)으로 불리는 파장에서 광대역 광의 적은 부분을 효과적으로 반사할 수 있다. 또한, 다른 방법을 사용하여 굴절률 주기 변조된 격자를 만들 수도 있다.
하나의 실시양태에서, 중심 섬유 코어(112)는 이산화게르마늄(GeO2) 및 플루오르(F) 코-도핑된 실리카를 포함하며, 약 5 ㎛ 내지 약 9 ㎛의 직경을 갖는다. 주기적 변조는, 예를 들면 섬유 클래딩에 도파 모드장 에너지를 발산시킴으로써 클래딩 모드에의 도파 코어 모드 연결을 증가시키기 위해 아포다이즈드(apodized), 블레이즈드(blazed) 또는 블레이즈드 및 아포다이즈드 변조를 포함할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 굴절률 주기 격자는 섬유 코어(112) 주위에 위치한 장주기 섬유 격자(LPG) 구조(116)를 포함한다.
예시된 실시양태에서, 섬유 클래딩(118)은 섬유 코어(112) 주변을 둘러싸서 배치되고, 하나의 실시양태에서는 약 125 ㎛의 외경을 갖고, 순수한 실리카로 제조된다. 하나의 실시양태에서, 섬유 클래딩(118)은 섬유 코어(112)를 통한 광 전파용 도파관으로서 작용하도록 형성된다. 가변성 광대역 광 공급원(110)은 광섬유 케이블과 광 연통하도록 위치하고, 섬유 코어(112)를 통해 전파되는 근적외선을 방출한다.
예시된 실시양태에서, 나노구조의 다층 센싱 층(120)이 LPG 구조(116)의 섬유 클래딩(118) 주변에 배치된다. 센싱 층(120)은 또한 코팅물로서 지칭될 수 있다. 센싱 층(120)은, 예를 들면 굴절률 변화, 광 흡수 변화, 센싱 물질 응력 변화 또는 이들의 조합에 의해 섬유 클래딩(118)의 모드를 섬유 코어(112)의 기본 모드에 연결하는 것을 효과적으로 돕도록 형성된다. 센싱 층(120)은 민감하고/하거나, 굴절률 변화, 흡광 변화, 센싱 물질 응력 변화 또는 다른 변화를 유도하는 특정 기체와의 상호작용에 의해 활성화된다. 예를 들면, 센싱 층(120)은 수소 기체(52), CO2 기체(54) 또는 다른 기체에 민감할 수 있다. 일부 실시양태에서, 광섬유 순도 센서(34)는 공기(58) 중 수소(52)의 수준의 검출이 가능하도록 형성된 제 1 센싱 층(120), CO2(54) 중 수소(52)의 수준의 검출이 가능하도록 형성된 제 2 센싱 층, 및 공기(58) 중 CO2(54)의 수준의 검출이 가능하도록 형성된 제 3 센싱 층을 포함할 수 있다. 보다 일반적으로, 광섬유 순도 센서(34)는 수소(52)의 수준의 검출이 가능하도록 형성된 제 1 센싱 층(120) 및 제 2 기체 수준의 검출이 가능하도록 형성된 제 2 센싱 층을 포함할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 센싱 층(120)은 나노구조의 다층 센싱 필름을 포함하고, 이는 수소 기체(52)에 노출되어 나노구조의 다층 센싱 필름 상에 수소화물이 형성될 때 주변의 불투명한 거울-유사 표면을 보다 반투명한 표면으로 전환시킨다. 수소화물의 형성은 클래딩 모드 경계 및 연결 효율을 변화시켜 섬유 격자-기준 수소 순도 센서(34)의 전송 파장 및 그의 전력 손실이 변조된다. 그 후, 변조된 신호는 광섬유 케이블(38)을 통해 호출기(36)를 통과한다.
특정 실시양태에서, 섬유 기체 수소 순도 센서(34)는 광섬유 코어(112)의 종축(114)을 따라 약 10 mm 내지 약 50 mm의 길이를 갖는다. LPG 구조(116)는 종축(114)을 따라 약 10 mm 내지 약 30 mm의 길이를 갖고, 클래딩 직경은 약 0.05 mm 내지 약 0.125 mm이다. LPG 구조(116)는 약 0.1 ㎛ 내지 약 0.6 ㎛의 피치 크기에 의해 종축(114)에 따른 변조를 갖는다. LPG 구조(116)는 기본 모드 에너지를 아포다이즈드 또는 블레이즈드 굴절률 변조 프로파일에 의해 섬유 클래딩(118)의 모드로 효율적으로 발산하도록 형성된다. 센싱 층(120)의 센싱 물질의 굴절률이 섬유 클래딩(118)보다 낮을 경우, 섬유 클래딩(118)의 모드는 센싱 물질/클래딩 및 섬유 코어 계면에 의해 도파된다. 부분적인 광 에너지는 소산장에 의해 센싱 물질로 방산되고, 클래딩 모드는 에너지를 방사 모드로서 센싱 코팅 층으로 부분적으로 방산한다.
도 6은 발전기(12)의 실시양태를 작동하는 조절 시스템(40)에 의해 사용될 수 있는 공정(150)의 순서도이다. 단계(152)에서, 회전 기계, 예컨대 발전기(12)를 통해 흐르는 기체 냉각재 통로, 예컨대 수소 냉각재 통로(18)를 따라 배치된 하나 이상의 광섬유 센서(34)로부터 센서 데이터가 수득된다. 광학 센서는 광섬유 순도 센서(34)뿐만 아니라 광섬유 압력 센서, 광섬유 온도 센서, 광섬유 유속 센서 및 다른 광섬유 센서를 포함할 수 있다. 단계(154)에서, 광학 센서 데이터가 분석되어 기체 냉각재의 조성을 결정한다. 기체 냉각재의 조성은 기체(예컨대, 수소)의 순도 및 기체 냉각재 중 불순물(예컨대, 산소, 질소 등)의 양을 포함할 수 있다. 단계(156)에서, 냉각재 순도는 제 1 임계값과 비교되고, 이는 예를 들면 회전 기계의 효능을 증가시키는데 일조하거나 코로나 방출을 방지하는데 일조하는 수준을 확립시킬 수 있다. 제 1 임계값은 "로-로(low-low)" 수준으로서 지칭될 수 있다. 냉각재 순도가 제 1 임계값보다 높으면, 공정(150)은 단계(160)로 진행되고, 여기에서 냉각재 순도는 제 2 임계값 또는 "로(low)" 수준과 비교된다. 냉각재 순도가 제 2 임계값보다 높으면, 공정(150)은 단계(152)로 되돌아가 추가의 센서 데이터를 수득한다. 냉각재 순도가 제 2 임계값보다 낮으면, 단계(162)에서 기체 냉각재의 일부가 퍼징되고, 새로운 기체 냉각재(예컨대, 수소)가 첨가되어 기체 순도 증가를 돕는다. 다시 말하면, 감지된 수소 순도 수준이 제 2 임계값보다 낮은 수소 냉각재의 일부는 제거되고, 수소 순도 수준이 제 2 임계값보다 실질적으로 높은 높은 순도의 수소 냉각재가 첨가된다. 단계(162)는 적절한 조절 기능을 개시하는 순도 조절기(43)에 의해 달성될 수 있다. 기체 냉각재의 일부를 퍼징함으로써, 퍼징된 기체 냉각재 중 불순물이 제거될 수 있고 새로운 기체 냉각재로 대체될 수 있다. 단계(162)로부터, 공정(150)은 단계(152)로 되돌아가 추가의 센서 데이터를 수득한다.
단계(156)로 되돌아 와, 냉각재 순도가 제 1 임계값보다 낮은 경우, 공정(150)은 단계(164)로 진행되고, 여기에서 기체 냉각재는 회전 기계로부터 퍼징되고 방염성 기체(예컨대, CO2)가 첨가되어 기체 냉각재의 순도를 감소시킨다. 따라서, 방염성 기체는 단계(164)에서 기체 냉각재를 대신한다. 방염성 기체의 예는 CO2, 질소, 아르곤, 불활성 기체, 영족 기체 또는 이들의 임의의 조합물을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 단계(168)에서, 기체 냉각재의 순도는 제 3 임계값과 비교되고, 이는 대부분의 기체 냉각재가 회전 기계로부터 제거되었음을 보장하는데 일조하는 수준을 확립시킬 수 있다. 예를 들면, 일부 실시양태에서, 제 3 임계값은 CO2 중 약 5% 수소일 수 있다. 기체 냉각재의 순도가 제 3 임계값보다 높은 경우, 공정(150)은 단계(164)로 되돌아 가 기체 냉각재를 방염성 기체로 계속 퍼징한다. 기체 냉각재 수준이 제 3 임계값보다 낮은 경우, 단계(170)에서 방염성 기체 및 임의의 잔여 기체 냉각재는 공기에 의해 퍼징될 수 있다. 기체 냉각재 및 방염성 기체가 회전 기계로부터 적당하게 퍼징된 후, 공정(150)은 단계(172)로 이동하며, 여기에서 회전 기계에 대한 유지 보전을 수행하여 임의의 문제를 결정하고 수리할 수 있다. 회전 기계에 대한 수리가 완료된 후, 상기 기재된 공정은 회전 기계를 작동 중 본래 자리에 두기 위해 본질적으로 역순으로 수행될 수 있다. 구체적으로, 방염성 기체는 회전 기계에서 공기를 대신할 수 있다. 다음으로, 기체 냉각재는 기체 냉각재의 순도가 제 2 임계값을 초과할 때까지 방염성 기체를 대신할 수 있다. 이 시점에서, 회전 기계가 재가동될 수 있다.
상기 상세한 설명은 최적 모드를 포함하여 본 발명을 개시하고, 또한 임의의 장치 또는 시스템을 제조하고 사용하며 임의의 혼입된 방법을 수행하는 것을 비롯하여 당업자가 본 발명을 실행하기 위한 예를 사용하였다. 본 발명의 특허가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 당업자에게 발생하는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는 그들이 청구범위의 문자 상의 표현과 상이하지 않는 구조적 요소를 갖거나 청구범위의 문자 상의 표현과 미량의 차이를 갖는 등가의 구조적 요소를 포함하는 경우 청구범위의 범주 내에 속하는 것으로 의도된다.
10 발전기 시스템
12 발전기
14 엔진
16 구동축
18 수소 냉각재 통로
20 온 수소
22 수소 열 교환기
24 냉 수소
26 온 냉각재
28 냉각재 열 교환기
30 냉 냉각재
32 수소 냉각 시스템
34 광섬유 센서
36 호출기
38 광섬유 케이블
40 조절 시스템
42 신호
43 순도 조절기
44 엔진 조절기
46 발전기 조절기
48 냉각 조절기
50 출력 신호
51 기체 조절 장치
53 조절 밸브
52 수소
54 이산화탄소(CO2)
56 퍼지
58 공기
70 기체 샘플링 배관
72 조절 패널
74 디스플레이
76 사용제 입력 패널
90 고정자
92 회전자
94 베어링 시스템
96 냉각재 통로
98 고정자 냉각재 통로
100 회전자 냉각재 통로
102 베어링 냉각재 통로
110 머리부
112 중심 섬유 코어
114 축
116 장주기 섬유 격자(LPG) 구조
118 섬유 클래딩
120 나노구조의 다층 센싱 층
150 발전기를 작동시키기 위해 조절 시스템에 의해 사용되는 공정
152 센서 데이터를 수득하는 단계
154 센서 데이터를 분석하는 단계
156 순도를 제 1 임계값과 비교하는 단계
160 순도를 제 2 임계값과 비교하는 단계
162 기체 냉각재의 일부를 퍼징하는 단계
164 기체 냉각재를 퍼징하는 단계
168 순도를 제 3 임계값과 비교하는 단계
170 공기로 퍼징하는 단계
172 유지 보전을 수행하는 단계

Claims (15)

  1. 고정자(90), 회전자(92), 및 발전기(12)의 내부를 통과하는 기체 냉각재 통로(18)를 포함하는 발전기(12); 및
    상기 기체 냉각재 통로(18)를 통한 기체 냉각재(52)의 흐름의 기체 순도를 감지하도록 형성된 하나 이상의 광섬유 순도 센서(34)
    를 포함하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 광섬유 순도 센서(34)가 섬유 코어(112); 상기 섬유 코어(112) 주변에 위치한 굴절률 주기 변조된 격자 구조(116); 상기 굴절률 주기 변조된 격자 구조(116) 주위에 위치한 섬유 클래딩(118); 및 상기 섬유 클래딩(118) 주변에 위치하고, 다중 고 굴절률 및 저 굴절률 물질 층의 변조된 구조를 포함하는 다층 센싱 필름(120)을 포함하는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 광섬유 순도 센서(34)가 공기(58) 중 수소 수준의 검출이 가능하도록 형성된 제 1 코팅물(120), 이산화탄소(51) 중 수소 수준의 검출이 가능하도록 형성된 제 2 코팅물(120), 및 공기(58) 중 이산화탄소 수준의 검출이 가능하도록 형성된 제 3 코팅물(120)을 포함하는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    기체 냉각재 통로(18)가 회전자(92)를 통해 연장된 회전자 냉각재 통로(100)를 포함하고, 하나 이상의 광섬유 순도 센서(34)가 상기 회전자 냉각재 통로(100)에 연결된 회전자 광섬유 순도 센서(34)를 포함하는 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    기체 냉각재 통로(18)가 고정자(90)를 통해 연장된 고정자 냉각재 통로(98)를 포함하고, 하나 이상의 광섬유 순도 센서(34)가 상기 고정자 냉각재 통로(98)에 연결된 고정자 광섬유 순도 센서(34)를 포함하는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    기체 냉각재 통로(18)가 베어링 시스템(94)을 통해 연장된 베어링 냉각재 통로(102)를 포함하고, 하나 이상의 광섬유 순도 센서(34)가 상기 베어링 냉각재 통로(102)에 연결된 베어링 광섬유 순도 센서(34)를 포함하는 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 광섬유 순도 센서(34)를 갖는 조절 패널(72)을 포함하고, 이때 기체 냉각재 통로(18)가 발전기(12)로부터 조절 패널(72)로 연장된 외부 기체 냉각재 라인(70)을 포함하는 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    기체 냉각재 통로(18)가 발전기(12) 내에 내부 기체 냉각재 통로(96)를 포함하고, 하나 이상의 광섬유 순도 센서(34)가 상기 내부 기체 냉각재 통로(96)를 따라 배치되는 시스템.
  9. 순도 조절기(43)를 포함하는 기체 순도 조절 시스템(40), 및 기체 순도를 감지하도록 형성된 하나 이상의 광섬유 순도 센서(34)
    를 포함하는 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    하나 이상의 광 섬유 순도 센서(34)가 섬유 코어(112); 상기 섬유 코어(112) 주변에 위치한 굴절률 주기 변조된 격자 구조(116); 상기 굴절률 주기 변조된 격자 구조(116) 주위에 위치한 섬유 클래딩(118); 및 상기 섬유 클래딩(118) 주변에 위치하고, 다중 고 굴절률 및 저 굴절률 물질 층의 변조된 구조를 포함하는 다층 센싱 필름(120)을 포함하는 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    하나 이상의 광섬유 순도 센서(34)가 공기(58) 중 수소 수준의 검출이 가능하도록 형성된 제 1 코팅물(120), 이산화탄소(54) 중 수소 수준의 검출이 가능하도록 형성된 제 2 코팅물, 및 공기(58) 중 이산화탄소 수준의 검출이 가능하도록 형성된 제 3 코팅물을 포함하는 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    회전 기계의 내부를 통해 연장된 내부 기체 통로(96)를 포함하는 회전 기계를 포함하고, 상기 내부 기체 통로가 기체를 포함하는 시스템.
  13. 제 9 항에 있어서,
    순도 조절기(43)가 감지된 수준이 기체 순도의 임계 수준보다 낮을 경우 기체 순도를 증가시키는 조절 기능을 개시하도록 형성된 시스템.
  14. 제 9 항에 있어서,
    하나 이상의 광섬유 순도 센서(32)가 기계의 제 1 영역의 제 1 기체 순도를 감지하도록 형성된 제 1 광섬유 순도 센서(32), 및 기계의 제 2 영역의 제 2 기체 순도를 감지하도록 형성된 제 2 광섬유 순도 센서(32)를 포함하는 시스템.
  15. 제 9 항에 있어서,
    순도 조절 시스템(43)이 호출기(36) 및 디스플레이(74)를 포함하고, 상기 호출기(36)가 하나 이상의 광섬유 순도 센서(32)로부터의 신호(42)를 기준으로 한 기체 순도 정보를 결정하도록 형성되고, 상기 디스플레이(74)가 상기 기체 순도 정보를 출력하도록 형성된 시스템.
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