專利名稱：燃燒器系統(tǒng)中的雜質(zhì)檢測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及光學火焰檢測，且具體涉及通過熱原子發(fā)射(emission)確定燃 燒器系統(tǒng)的液體燃料火焰中的痕量元素(或示蹤元素)。
背景技術(shù)：
燃氣輪機和噴燃器可構(gòu)造成用以依靠包括氣體燃料和液體燃料的不同類型的 燃料進行操作。盡管諸如天然氣和合成氣的氣體燃料代表了大多數(shù)設(shè)備，但使用品質(zhì)變 化的餾出物或攜有灰渣的燃料進行操作的能力也是燃氣輪機產(chǎn)品系列的重要能力因素 (enabler)。使用等級低的液體燃料的一個主要操作難題在于燃料中存在的痕量水平的金 屬元素，其可對渦輪材料造成不利影響，如熱氣體通路的腐蝕和阻隔涂層的退化。這些污染 物如果存在的話，可能會焚燒和形成不利地涂布腔室(燃燒器)壁內(nèi)側(cè)的反應(yīng)物，在一些情 況下將阻塞空氣流和妨礙系統(tǒng)最佳地運轉(zhuǎn)。鑒于此，液體燃料中即使有質(zhì)量為大約百萬分 之一濃度的一些金屬元素也認為是有害的。此外，在燃燒器系統(tǒng)所處的世界各地，燃料品 質(zhì)有極大的不同。因此，十分期望檢測和確定在具體環(huán)境中可存在何種污染物(如果有的 話)°對因存在一些金屬元素如釩所造成的熱腐蝕的一般防護是添加腐蝕抑制劑到燃 料中。腐蝕抑制劑的濃度通常隨燃料中金屬污染物水平的變化而進行調(diào)整。抑制劑對腐蝕 性金屬元素的過度補償可導致在渦輪構(gòu)件上形成附加的灰渣沉積物。因此，期望的是在使 用時持續(xù)地監(jiān)測燃料中的腐蝕性金屬元素和腐蝕抑制劑的水平。盡管目前存在一些公知的用以提供液體燃料中的雜質(zhì)或污染物檢測的方法和系 統(tǒng)，但多種檢測器系統(tǒng)存在復雜性和成本方面的缺點。因此，本領(lǐng)域中仍需要用于測量雜質(zhì) 的系統(tǒng)和方法，其以更為高效的方式提供準確測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施例為燃燒器系統(tǒng)。該燃燒器系統(tǒng)包括上游的燃料噴射點(或部 位，point)；下游的渦輪燃燒器；位于渦輪燃燒器中的包括多個軸向子區(qū)的火焰區(qū)；構(gòu)造成 用以獲得對多個軸向子區(qū)中的至少一個進行非軸向的直接光學觀察的光學端口組件，以及 與光學端口組件構(gòu)成光學通信的雜質(zhì)檢測系統(tǒng)。本發(fā)明的另一實施例為燃燒器系統(tǒng)。該燃燒系統(tǒng)包括上游的燃料噴射點；下游的 渦輪燃燒器；位于渦輪燃燒器中的包括多個軸向子區(qū)的火焰區(qū)；設(shè)置在燃燒器系統(tǒng)附近用 以在操作期間激發(fā)火焰的電極組件；構(gòu)造成用以獲得對多個軸向子區(qū)中的至少兩個進行直 接光學觀察的光學端口組件，以及與光學端口組件構(gòu)成光學通信的雜質(zhì)檢測系統(tǒng)。本發(fā)明的另一實施例為燃燒器系統(tǒng)。該燃燒系統(tǒng)包括燃料管線；滑流 (slip-stream)燃料管線；燃料管線上的上游燃料噴射點；燃料管線上的下游渦輪燃燒器； 以及設(shè)置在滑流燃料管線上用于分析傳遞至渦輪燃燒器的燃料中的雜質(zhì)的感應(yīng)耦合等離 子體(ICP)分析器。
本發(fā)明的又一實施例為一種分析和測量燃燒器系統(tǒng)中的特定雜質(zhì)的方法。該方法 包括將液體燃料噴射到燃燒器系統(tǒng)的火焰區(qū)中；在燃燒器系統(tǒng)的火焰區(qū)中產(chǎn)生火焰；通過 提供外部激發(fā)來升高火焰的溫度；將火焰的直接發(fā)射信號從火焰區(qū)的多個軸向子區(qū)經(jīng)由光 學端口組件耦合至檢測器系統(tǒng)，以及分析來自于多個軸向子區(qū)的發(fā)射信號用以檢測存在于 液體燃料中的雜質(zhì)種類。


當參照附圖研讀如下詳細描述時，本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點將變得 更容易理解，所有附圖中的相似標號表示相似的零件，在附圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明-圖2為根據(jù)本發(fā)明-圖3為根據(jù)本發(fā)明-圖4為根據(jù)本發(fā)明-圖5為根據(jù)本發(fā)明-圖6為根據(jù)本發(fā)明-焰發(fā)射光譜。光譜。光譜。光譜。

圖7為根據(jù)本發(fā)明·
圖8為根據(jù)本發(fā)明·
圖9為根據(jù)本發(fā)明·
個實施例的燃燒器系統(tǒng)的簡圖。 個實施例的具有激發(fā)器組件的燃燒器系統(tǒng)的簡圖。 個實施例的具有滑流中的ICP分析器的燃燒器系統(tǒng)的簡圖。 個實施例的鈉的火焰發(fā)射光譜。 個實施例的實驗裝置(set up)。
-個實施例的在火焰的"噴嘴端部區(qū)"處的鎂和釩的對比火
-個實施例的在'
-個實施例的在'
中部火焰區(qū)"處的鎂和釩的對比火焰發(fā)射
端部區(qū)末梢"處的鎂和釩的對比火焰發(fā)射
-個實施例的在火焰'
下游區(qū)"處的鎂和釩的對比火焰發(fā)射
零件清單 10燃燒器系統(tǒng) 12壓力邊界 14反向流動套筒 16內(nèi)部襯套 18燃料噴射點 20渦輪燃燒器 22火焰區(qū) 24光學端口組件 26雜質(zhì)檢測系統(tǒng) 28火焰 30光學濾波器 32噴嘴邊緣區(qū) 34中部火焰區(qū) 36火焰區(qū)末梢 38下游區(qū)
42，44，46，48 光學端口
50光學纖維60電極組件62，64 電極對66等離子體70主燃料管線72滑流燃料管線74 ICP 分析器80 系統(tǒng)82空氣壓縮機84氣體壓縮機86液體分配罐90燃燒區(qū)段92石英管94燃料噴嘴96排氣探測器98 氫炬102噴嘴邊緣區(qū)104中部火焰區(qū)106火焰區(qū)末梢108下游區(qū)112噴嘴邊緣區(qū)的火焰發(fā)射光譜114中部火焰區(qū)的火焰發(fā)射光譜116火焰區(qū)末梢的火焰發(fā)射光譜118下游區(qū)的火焰發(fā)射光譜122噴嘴邊緣區(qū)的高分辨率火焰光譜124中部火焰區(qū)的高分辨率火焰光譜126火焰區(qū)末梢的高分辨率火焰光譜128下游區(qū)的高分辨率火焰光譜132與IOOppm的Mg和IOOpm的V相關(guān)的光譜134與IOOppm的Mg相關(guān)的光譜136清潔柴油燃料的光譜
具體實施例方式本文所述的系統(tǒng)和方法包括涉及燃燒器系統(tǒng)中的雜質(zhì)檢測的實施例。適合的燃燒 裝置例如可包括熔爐、烤爐以及發(fā)動機，如燃氣渦輪發(fā)動機。在以下說明書以及所附權(quán)利要求中，除非上下文清楚地另外規(guī)定，否則單數(shù)形式 的"一〃、“一個〃和〃該〃包括復數(shù)個對象。通過熱原子發(fā)射(火焰光譜法)確定液體燃料火焰中的痕量元素是用于監(jiān)測對于 燃氣輪機應(yīng)用的燃料品質(zhì)的一個富有吸引力的構(gòu)想?；鹧婀庾V法是被動的，僅需要通向燃燒區(qū)的光學通路，而無需入射輻射或外部能量輸入，從而依靠燃燒過程來提供激發(fā)分析物 所需的能量。通過光學分光光度計監(jiān)測燃燒火焰單元(cell)可實現(xiàn)對在燃燒單元中焚燒的潛 在有害污染物進行監(jiān)測。將諸如柴油的碳氫化合物燃料用作燃料和分析物基體以及將火焰 光譜法用于識別和量化過渡金屬(transition)并未很多程度地研究。為了識別雜質(zhì)，過渡 金屬元素將發(fā)出具有公知波長的光譜發(fā)射線的特征光。這種發(fā)射主要來自于由相應(yīng)元素的 原子性質(zhì)所確定的電子能級躍遷。當利用分光光度計監(jiān)測時，這些光譜發(fā)射線可能潛在地 容許報警狀態(tài)，此時可對燃料源進行適當?shù)靥幚?。在燃燒器發(fā)動機中可監(jiān)測的雜質(zhì)例如包括鈉(Na)、鉀(K)、鋰(Li)、釩(V)、鉛 0 )、鈣(Ca)、氫(H)和碳(C)。在一個實施例中，這些元素中任何一種所容許的最大濃度 為大約百萬分之(ppm)0.2。在特定實施例中，該最大濃度為大約0. lppm?！╇s質(zhì)還具有呈現(xiàn)相關(guān)分子特征的相關(guān)光譜吸收線。由于測量裝置與燃燒設(shè)備 相結(jié)合的復雜性，故這些可能難以通過光學吸收進行檢測。因此，收集直接源自燃燒過程的 發(fā)射光譜相比于基于吸收的檢測而言，是一種較為簡單的用以檢測雜質(zhì)的方法。本發(fā)明的實施例提供了一種燃燒器系統(tǒng)以及分析和測量燃燒器系統(tǒng)中的特定雜 質(zhì)的方法。該燃燒器系統(tǒng)可采用氣體燃料或液體燃料。圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例的燃 燒器系統(tǒng)10。燃燒器系統(tǒng)10包括壓力邊界(boundary) 12、反向流動套筒14、內(nèi)部襯套16、 上游燃料噴射點(或部位，point) 18、下游渦輪燃燒器20、火焰區(qū)22、光學端口組件M，以及 雜質(zhì)檢測系統(tǒng)26。如本文所用，火焰區(qū)22為燃燒器系統(tǒng)10的一部分，當系統(tǒng)操作時推測在 其中存在火焰觀。燃燒器系統(tǒng)10中的火焰區(qū)22可分成多個軸向子區(qū)。如本文所用，軸向 子區(qū)為由其不同的溫度輪廓(profile)所限定的不同區(qū)域。在一個實施例中，火焰區(qū)包括 在燃燒器系統(tǒng)操作期間溫度從噴嘴端部中的燃料噴射點沿火焰區(qū)22的軸線升高的火焰。例如，如果火焰始于噴嘴端部且朝向如圖1中所示的渦輪延伸，則火焰區(qū)22將為 期望在操作時存在火焰的區(qū)域。噴嘴邊緣區(qū)32、中部火焰區(qū)34、火焰區(qū)末梢36和下游區(qū)38 為火焰區(qū)22的不同軸向子區(qū)。在一個實施例中，噴嘴邊緣區(qū)32相對于中部火焰區(qū)34具有 較低的溫度，且該溫度還在火焰區(qū)末梢36中升高，且然后在下游區(qū)38中甚至進一步升高。如本文所用，光學端口組件M可包括指向燃燒區(qū)的一個或多個部分的多個光學 端口 42，44，46，48。在一個實施例中，光學端口組件M構(gòu)造成用以實現(xiàn)對多個軸向子區(qū)中 的至少一個進行非軸向的、直接的光學觀察。如本文所用，非軸向的觀察意思是不穿過燃燒 器噴嘴對火焰進行觀察。如本文所用，直接的光學觀察是指沒有任何固體介入(或干涉) 材料地對火焰進行觀察。為實現(xiàn)此目的，在一個實施例中，光學端口 42，44，46，48穿透燃燒 器系統(tǒng)的壓力邊界12以便對火焰觀進行直接的光學觀察。在一個實施例中，多個光學端口 42，44，46，48排列成以便實現(xiàn)對火焰區(qū)22中火焰 28的不同觀察。在另一實施例中，多個光學端口構(gòu)造成用以實現(xiàn)對多個軸向子區(qū)中的至少 兩個進行直接觀察。例如，可存在具有對火焰區(qū)22的軸向子區(qū)中任何一個或各個進行垂直 或徑向觀察的一個或多個光學端口，從而在燃燒器系統(tǒng)10操作期間提供對火焰不同部分 的徑向觀察。從不同的軸向子區(qū)所獲得的熱原子光譜對于燃料源的具體雜質(zhì)而言可能是不 同的。這種不同可取決于單獨地或在存在提供的其它雜質(zhì)的情況下影響雜質(zhì)中任何一種的 發(fā)射光譜的各種因素。例如，兩個不同的軸向子區(qū)中的溫度差異可容許雜質(zhì)的不同水平的不同峰值表現(xiàn)形式(manifestation)。在另一實例中，對一種雜質(zhì)的發(fā)射峰值的抑制可取決 于初始雜質(zhì)峰值波長內(nèi)和附近的其它雜質(zhì)發(fā)射峰值的強度，且發(fā)射峰值的強度可取決于在 測量點處的火焰溫度。還可存在具有對火焰進行傾斜觀察的一個或多個光學端口，使得能夠有更好的火 焰觀察角，從而最大限度地擴大所觀察的區(qū)間大小。在一個實施例中，監(jiān)測系統(tǒng)通過設(shè)計光 學端口相對于氣體入口和出口的定位來避免氣流與氣體入口的干擾。在一個實施例中，光學端口組件M與雜質(zhì)檢測系統(tǒng)沈構(gòu)成光學通信。光學端口組 件M和雜質(zhì)檢測系統(tǒng)沈之間的光學通信可直接地發(fā)生或通過一組光學纖維50發(fā)生。在 一個實施例中，雜質(zhì)檢測系統(tǒng)構(gòu)造成用以檢測雜質(zhì)種類，該雜質(zhì)種類包括選自由鈉、鉀、鈣、 鋰、鎂、鉛和釩所構(gòu)成的組中的至少一種元素。在另一實施例中，雜質(zhì)檢測系統(tǒng)構(gòu)造成用以 檢測雜質(zhì)種類，該雜質(zhì)種類包括選自由鈉、鉀、鈣、鋰、鎂、鉛和釩所構(gòu)成的組中的元素的至 少一種氧化物。在一個實施例中，雜質(zhì)檢測系統(tǒng)沈包括傳感器組件。傳感器組件有助于感測火焰 的熱原子發(fā)射光譜。燃燒系統(tǒng)中雜質(zhì)的濃度可能很低，例如，處于PPm水平。在這樣低的雜 質(zhì)水平下，所收集的光譜將很弱且難以檢測到。因此，檢測熱原子發(fā)射便需要具有很高增益 的裝置。本實施例的傳感器組件可包括能夠檢測熱原子發(fā)射以及傳輸以便進一步分析的任 何一個或多個器具。實例包括光學分光器、光電二極管、雪崩光電二極管以及光電倍增管。 在一個實施例中，傳感器組件包括雪崩光電二極管(APD)。在再一實施例中，雪崩光電二極 管在大約500nm處具有大于10%的量子效率。在一個實施例中，傳感器組件包括光電倍增 管(PMT)，其在300nm至700nm的入射波長范圍處具有大于10%的量子效率。在一些實施 例中，PMT在1000或更大的增益水平下進行操作。在一個實施例中，雜質(zhì)檢測系統(tǒng)沈還包括構(gòu)造成用以分析來自于傳感器組件的 輸出信號的分析器組件。分析器組件可包括電子信號處理器，該處理器適于且構(gòu)造成用以 分析和處理從傳感器組件接收或另外的由傳感器組件傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)。收集的熱光譜還可包含會降低所關(guān)心雜質(zhì)的熱光譜清晰度的背景噪音。諸如陷波 濾波器的光學濾波器例如可防止背景輻射或來自于其它材料的發(fā)光以免混淆同所選雜質(zhì) 相關(guān)的信號。因此，在一個實施例中，雜質(zhì)檢測器系統(tǒng)沈還包括濾波器組件，該濾波器組件 構(gòu)造成用以有選擇地容許存在于渦輪燃燒器的燃料中的雜質(zhì)的特征熱原子發(fā)射通過。光學濾波可使用多種方式進行，包括使用濾波器組件，該濾波器組件包括呈薄膜、 厚膜或塊狀形式的介電材料、稀土摻雜玻璃或厚膜聚合物。介電材料的薄膜濾波器由于它 們可光學地裁剪以滿足使用者需要而提供了靈活性。例如，濾波器可設(shè)計成使得其僅容許 580nm至600nm的輻射穿過，同時阻擋大部分的可見(光)輻射和/或紫外線(UV)輻射。 原則上，這可有助于具有大波長范圍的檢測器觀測諸如鈉(在590nm)的特定發(fā)射線。濾波 器組件可采用不同的方式引入燃燒器系統(tǒng)中。在一個實施例中，光學濾波器30在從火焰區(qū) 22接收信號或結(jié)合在光學端口內(nèi)的表面上直接沉積到雜質(zhì)的檢測組件沈上。在一個實施例中，濾波器組件可調(diào)整為具有適用于不同雜質(zhì)的波長范圍的不同通 帶寬度。在一個實施例中，濾波器組件的通帶寬度小于30nm。在另一實施例中，濾波器組件 的通帶寬度小于10nm。在雜質(zhì)的發(fā)射波長有助于識別雜質(zhì)元素的同時，所發(fā)出的輻射的強度可用于量化雜質(zhì)的濃度。在一些情況下，舉例來說，例如釩，典型的燃氣輪機火焰溫度并未高到足以產(chǎn) 生對原子的有效激發(fā)。激發(fā)狀態(tài)中所存在的原子數(shù)目可通過升高火焰溫度如通過在火焰中 產(chǎn)生等離子體來增加。電穿過定位成橫跨火焰的電極之間的間隙可提供所需的能量以將樣 本分成原子，且將產(chǎn)生的原子激發(fā)至更高的電子狀態(tài)。根據(jù)一個實施例，燃燒器系統(tǒng)10包括設(shè)置成用以升高火焰區(qū)22的溫度的激發(fā)器 組件，如圖2中所示。圖2中的激發(fā)器組件包括電極組件60，該電極組件60構(gòu)造成用以產(chǎn) 生穿過火焰觀的放電，從而產(chǎn)生升高的燃燒溫度以及產(chǎn)生等離子體。在操作時，電極組件 60激發(fā)火焰。電極組件60可包括一對電極62，64，或可包括多個未連接的電極對。通過將 電極插入火焰觀附近并產(chǎn)生放電，或通過電磁感應(yīng)所獲得的火焰觀的等離子體激發(fā)，容許 在更高的溫度下有更為高效的原子激發(fā)。在一個實施例中，電極組件60包括用以在火焰區(qū)22中產(chǎn)生等離子體66的快速振 蕩電磁場。在再一實施例中，等離子體66由RF(射頻)線圈產(chǎn)生。在另一示例性實施例中， 感應(yīng)耦合等離子體(ICP)分析器用于分析傳遞至渦輪燃燒器的燃料中的雜質(zhì)。在又一實施 例中，多個RF線圈和電極位于火焰觀周圍用以確定電磁場分布的形狀，以便改善電磁能量 與火焰觀的重疊(或疊加，overlap)。分析燃料中的雜質(zhì)或可發(fā)生在系統(tǒng)的燃燒室中，或可發(fā)生在如圖3中所示的燃料 滑流供送至其中的腔室中?；?2可從進入火焰區(qū)22中的主燃料管線70獲取。發(fā)生在 燃料管線或滑流中的火焰的熱原子發(fā)射可進行分析以獲得對燃料中的雜質(zhì)的識別和量化。 在一個實施例中，ICP分析器74設(shè)置在滑流燃料管線上，用于分析傳遞至渦輪燃燒器的燃 料中的雜質(zhì)。一個實施例包括一種測量和分析燃料中的雜質(zhì)的方法。在一個實施例中，燃料中 的特定雜質(zhì)通過在燃燒器系統(tǒng)10中焚燒燃料來進行測量和分析。在另一實施例中，燃料在 對于燃料管線的滑流而產(chǎn)生的焚燒區(qū)中焚燒。在示例性實施例中，燃料在ICP 74內(nèi)焚燒。 例如，液體燃料經(jīng)由上游的燃料噴射點噴射到燃燒器系統(tǒng)10的火焰區(qū)22中。在火焰區(qū)22 的多個軸向子區(qū)中產(chǎn)生的火焰的直接發(fā)射信號通過光學端口組件M耦合到雜質(zhì)檢測系統(tǒng) 26上。對來自于多個軸向子區(qū)的發(fā)射信號進行分析，用以檢測存在于液體燃料中的雜質(zhì)種 類。如先前段落中所公開的那樣，火焰的溫度可通過提供外部激發(fā)來升高，以便提高測量的 精確度。通過使用該方法進行檢測的雜質(zhì)種類包括選自由鈉、鉀、鈣、鋰、鎂、鉛和釩所構(gòu)成 的組中的至少一種元素和/或元素的氧化物。在一個實施例中，檢測雜質(zhì)種類的方法包括 將雜質(zhì)種類的不同峰值強度帶寬進行比較。實例1噴霧燃料火焰燃燒裝置用于使得焚燒噴射燃料的光學發(fā)射特征化。使用注射泵將 清潔的噴射燃料與受到污染的燃料相混合，以便產(chǎn)生不同濃度的污染物。圖4示出了具有 不同鈉濃度的火焰中的鈉發(fā)射線的相對強度。發(fā)射強度與燃料中的鈉濃度大致成正比。鈉 的百分比濃度是相對于在測試期間所獲得的最大濃度來確定的。實例2實驗系統(tǒng)80為如圖5中所示的裝置，用以評估通過光學火焰光譜法檢測液體燃料 雜質(zhì)的可行性。利用預熱空氣的大氣壓力燃燒實驗是使用雜質(zhì)水平不同的液體燃料來進行 的?？諝鈮嚎s機82供送預熱的燃燒空氣，而天然氣壓縮機84供送天然氣。液體燃料從加壓的液體分配罐(或容器，tank) 86供送。分配罐利用來自于氣缸(圖中未示出)的氮氣 進行加壓。如圖5中所示，測試裝備(tig)垂直地布置，且氣體從測試設(shè)備的出口向下流動。 燃燒區(qū)段90由石英管92構(gòu)成，容許通向燃料噴嘴94和燃燒過程的視覺通路。石英管的長 度范圍為15英寸至20英寸，而直徑為4. 92英寸。發(fā)射測量采用8端口排氣探測器96來 進行。探測器96測量區(qū)間平均的發(fā)射，而不會進行任何徑向的橫穿燃燒襯套。點燃火焰是 使用火花點燃的氫炬98實現(xiàn)的。系統(tǒng)溫度、流量計壓力、流動、噴嘴壓降、火焰溫度以及發(fā) 射都是通過與數(shù)據(jù)收集裝置(圖中未示出)協(xié)作的數(shù)據(jù)采集軟件來監(jiān)測的。對于燃燒實驗而言，柴油用作燃料，以清潔柴油、具有鎂(Mg)的柴油和具有鎂和 釩(V)的柴油進行的測試運行是在3000° F和3300° F的溫度下獲得的。由外部實驗室進 行的對所用清潔柴油的獨立分析顯示，鈉、鎳和釩的水平低于可檢測出的極限。具體而言， 釩和鎳的水平低于百萬分之3計量單位(ppmm)，而鈉的水平低于5ppmm。燃料倒入安裝在 鋼制壓力容器內(nèi)的聚乙烯器皿中用于輸送到系統(tǒng)中。為了獲得具有期望的污染物水平的燃料，使用分析天平將可溶于油的有機金屬標 準按十億分之(PPb)數(shù)百的量級或更高地量出到20mL小瓶中，并由移液管定量地將其轉(zhuǎn)移 至收容在清潔的兩升式玻璃器皿中的已知質(zhì)量的柴油燃料中。將燃料進行搖動直到均勻。 在燃料含有釩的情況下，會在數(shù)天后觀察到一些分離，但人工攪動會很快使混合物再次變 得均勻。包括若干光學準直儀端口、USB分光計和計算機的光學火焰光譜采集裝置(圖中 未示出)用于采集在大氣壓力燃燒測試裝備80中產(chǎn)生的火焰的光學光譜。光學準直儀安 裝在測試裝備上，且受到調(diào)整以收集從火焰的不同部分所發(fā)出的光。光纖線纜用于收集和 傳輸所收集的光至緊湊型USB分光計。計算機控制的光纖分光計儲存所俘獲的光學光譜。 加裝附加的高分辨率分光計(0. 02nm分辨率)，以便從火焰的噴嘴邊緣部分采集高分辨率 的光譜。特別地調(diào)節(jié)至最亮的Mg發(fā)射線的518nm窄帶通濾波器作為光學濾波器引入。對于各火焰，收集了分別來自于火焰不同部分的四種不同光譜。從噴嘴邊緣區(qū) 102、中部火焰區(qū)104、火焰區(qū)末梢106以及下游區(qū)108所獲得的火焰發(fā)射光譜112，114， 116，118分別在圖6至圖9中結(jié)合其相應(yīng)的高分辨率光譜122，124，126，128示出。對于火 焰的所有四個部分，當關(guān)于IOOppm的Mg和IOOppm的V兩者的光譜132和僅關(guān)于IOOppm的 Mg的光譜134與從清潔柴油燃料的火焰所獲得的發(fā)射光譜136相比較時，便檢測到附加的 關(guān)于Mg的發(fā)射峰值。這些峰值識別為在384nm處的原子Mg發(fā)射線和在372nm處的氧化鎂 (Mg-O)發(fā)射線。518nm處的弱峰值在"噴嘴邊緣區(qū)"112觀察到。該峰值并未在其它位置 檢測到。在除"下游區(qū)"116之外的所有位置，受IOOppm的Mg和IOOpm的V兩者污染的 燃料的發(fā)射光譜132看起來十分類似于僅受IOOppm的Mg污染的燃料所產(chǎn)生的火焰的發(fā)射 光譜134。在此位置，受釩污染的燃料的光學光譜顯示出缺少與Mg相關(guān)的峰值。該現(xiàn)象歸 因于原子Mg和MgO由于與V反應(yīng)而從火焰種類中消失。在此方面，當詢查和比較火焰不同 部分的火焰發(fā)射時，Mg的發(fā)射可用于間接地檢測V的存在。因此，利用檢測Mg和MgO，用以 推斷釩的存在的方法便成為可能而無需直接檢測釩。本文所述的實施例為下述系統(tǒng)和方法的實例，該系統(tǒng)和方法具有對應(yīng)于權(quán)利要求 中闡述的本發(fā)明元件的元件。本書面說明可使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠制作和使用的具有備選元件的實施例，該備選元件同樣對應(yīng)于權(quán)利要求中所闡述的本發(fā)明的元件。因此，本 發(fā)明的范圍包括這樣的系統(tǒng)和方法，它們與權(quán)利要求的語言文字并無不同，且還包括與權(quán) 利要求的語言文字無實質(zhì)差異的其它制品、系統(tǒng)和方法。盡管本文僅示出和描述了一些特 征和實施例，但相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可構(gòu)想出許多修改和改變。所附權(quán)利要求覆蓋了 所有這樣的修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種燃燒器系統(tǒng)(10)，包括 上游燃料噴射點(18)；下游渦輪燃燒器00)；火焰區(qū)(22)，其位于所述渦輪燃燒器00)中包括多個軸向子區(qū)(32，34，36，38)； 光學端口組件(M)，其構(gòu)造成用以實現(xiàn)對所述多個軸向子區(qū)(32，34，36，38)中的至少 一個進行非軸向的、直接的光學觀察；以及與所述光學端口組件04)構(gòu)成光學通信的雜質(zhì)檢測系統(tǒng)06)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學端口組件04)包括多個光學端 口 (42，44，46，48)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個光學端口(42，44，46，48)構(gòu)造成 用以實現(xiàn)對所述多個軸向子區(qū)(32，34，36，38)中的至少兩個進行直接觀察。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述雜質(zhì)檢測系統(tǒng)06)構(gòu)造成用以檢測 雜質(zhì)種類，所述雜質(zhì)種類包括選自由鈉、鉀、鈣、鋰、鎂、鉛和釩所構(gòu)成的組中的至少一種元ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述雜質(zhì)檢測系統(tǒng)06)構(gòu)造成用以檢測 雜質(zhì)種類，所述雜質(zhì)種類包括選自由鈉、鉀、鈣、鋰、鎂、鉛和釩所構(gòu)成的組中的元素的至少 一種氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括設(shè)置成用以升高所述火 焰區(qū)02)的溫度的激發(fā)器組件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述激發(fā)器組件包括構(gòu)造成用以產(chǎn)生等 離子體(66)放電的電極組件(60)。
8.一種燃燒器系統(tǒng)(10)，包括 上游燃料噴射點(18)；下游渦輪燃燒器OO)；火焰區(qū)(22)，其位于所述渦輪燃燒器OO)中包括多個軸向子區(qū)(32，34，36，38)； 設(shè)置在燃燒器系統(tǒng)(10)附近用以在操作期間激發(fā)火焰08)的電極組件(60)； 光學端口組件(M)，其構(gòu)造成用以實現(xiàn)對所述多個軸向子區(qū)(32，34，36，38)中的至少 兩個進行直接的光學觀察；以及與所述光學端口組件04)構(gòu)成光學通信的雜質(zhì)檢測系統(tǒng)06)。
9.一種燃燒器系統(tǒng)(10)，包括 燃料管線(70)；滑流燃料管線(72)；所述燃料管線(70)上的上游燃料噴射點(18)； 所述燃料管線(70)上的下游渦輪燃燒器(20)，以及感應(yīng)耦合等離子體(ICP)分析器(74)，其設(shè)置在所述滑流燃料管線(7 上用于分析傳 遞至所述渦輪燃燒器OO)的燃料中的雜質(zhì)。
10.一種分析和測量燃燒器系統(tǒng)(10)中的特定雜質(zhì)的方法，包括 將液體燃料噴射到所述燃燒器系統(tǒng)(10)的火焰區(qū)0 中； 在所述燃燒器系統(tǒng)(10)的火焰區(qū)02)中產(chǎn)生火焰08)；通過提供外部激發(fā)來升高所述火焰08)的溫度；將來自于所述火焰區(qū)02)的多個軸向子區(qū)(32，34，36，38)的所述火焰08)的直接發(fā) 射信號經(jīng)由光學端口組件04)耦合至檢測器系統(tǒng)，以及分析來自于所述多個軸向子區(qū)(32，34，36，38)的所述發(fā)射信號，以便檢測存在于所述 液體燃料中的雜質(zhì)種類。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃燒器系統(tǒng)中的雜質(zhì)檢測。具體而言，本發(fā)明公開了一種燃燒器系統(tǒng)(10)和測量燃燒系統(tǒng)(10)中的雜質(zhì)的方法。該燃燒系統(tǒng)(10)包括上游的燃料噴射點(18)；下游的渦輪燃燒器(20)；位于渦輪燃燒器(20)中的包括多個軸向子區(qū)(32，34，36，38)的火焰區(qū)(22)；構(gòu)造成用以實現(xiàn)對多個軸向子區(qū)(32，34，36，38)中的至少一個進行非軸向的、直接光學觀察的光學端口組件(24)；以及與光學端口組件(24)構(gòu)成光學通信的雜質(zhì)檢測系統(tǒng)(26)。
文檔編號F23D11/00GK102095198SQ201010601870
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者A·V·維爾特, P·M·桑維克, R·D·斯拉特斯, S·阿爾加巴里 申請人:通用電氣公司