用於測量和分析管路汙染物的系統及方法

2023-08-03 19:56:01

專利名稱：用於測量和分析管路汙染物的系統及方法
技術領域：
本發明涉及用於測量汙染物的系統和方法，更具體說來，涉及管路 內的流體流中的汙染物的動態取樣、測量和分析，以有助於控制這些汙 染物。
背景技術：
在與能源工業結合使用的當前可在市場上獲得的燃氣輪機和其它 臨界氣體或流體流系統會對存在於過程流體流內的諸如固體汙染物 (即，顆粒)、液體汙染物、和/或液體氣溶膠之類的汙染極其敏感。作 為示例，固體汙染物會起作用而磨損旋轉部件、淤塞熱交換器、汙染冷 卻液、阻塞處理設備、以及影響許多其它處理和設備問題。另一方面， 液態汙染物會隨著時間的流逝而聚集或凝結，並會隨著容積的增大而沿 管路的側面和底部行進並影響流體流的效率。同樣，液體氣溶膠或液滴 雖然質量很小，但會同樣隨著時間的流逝而聚集和堆積，並對流體流系 統中的下遊設備具有破壞作用。
為了使這種汙染的發生最小化，已結合這些流體流系統應用了過濾 和分離設備，以便能夠將存在於流體流內的汙染物從該處移除。目前， 大多數的製造商已經為他們的燃料和原料氣流動系統訂立了清潔度要 求規範。為了適應這種要求，已將現代過濾器和分離器設計成高效移除 顆粒汙染物。但是，仍會存在與液態汙染物或液體氣溶膠相關的問題。 此外，選擇能夠適當移除恰當汙染物的過濾和分離設備會是一項艱難的 任務。特別地，存在多種可用的適於處置與不同應用場合相關的不同汙 染物的過濾和分離設備。結果，除非獲知流體流內的汙染物以及它們的 特性，否則會選擇、購買並繼而安裝不適當的過濾和分離設備。在許多 情況下，未能使用最優的或至少適當的過濾和分離設備會導致不適當地 移除汙染物，從而導致損壞下遊設備。此外，由於因不充分地移除汙染物而導致的不良性能，系統的運行成本會顯著增高。
即使有可能使用了適當的過濾器和分離器，也會需要附加的校驗步 驟，以確保流體系統內的汙染物正得到適當控制。當前，對能源工業管 路內的流體流汙染物進行的大多數試驗通過收集用於隨後進行場外分 析的流體流的樣品來實現。但是，在許多情況下，特別是在無法以等動 態的方式收集樣品時，不可能獲得充分準確的樣品。換言之，如果進入 取樣系統的流體並不呈現出與加壓過程流體流中的流體流相似的速度 和動能，則不會收集到流體流內的汙染物的準確代表性樣品。此外，目 前，收集到的樣品必須郵寄或運輸到第三方實驗室，在第三方實驗室樣 品被擱置並等待進行測量和分析。在該時期期間，樣品會發生改變，並 且汙染物通常會損耗至樣品容器。而且，由於多種汙染物的性質可能是 具揮發性的，並由於目前規程的耗時的方法，導致許多汙染物樣品從未 寄出以進行分析。
但是，可使用例如顆粒分析儀或計數器來測量那些確實得到檢測的 樣品，以確定汙染物的數量或程度，並由此確定流體流的清潔度。顆粒 分析儀的示例包括光散射分析儀，例如雷射束，以及凝結核顆粒計數器， 可利用兩者中的任一者檢測過程流體流內的收集到的樣品的顆粒汙染 的程度。不過，無論分析儀或計數器會是多麼靈敏或準確，由於收集到 的樣品可能不是流體流內的汙染物的適當代表，因此，對收集到的樣品 進行的後續分析也不可能提供流體流內的汙染物程度的準確表示或實 時確定。
而且，對於汙染物的數量或程度的認識並不必然有助於識別出汙染 物的起因。在特定情況下，可能重要的是了解汙染物的構成或由來，以 便可以實施適當的措施以控制汙染物的起因。例如，如果汙染物的起因 可能來自化學添加劑或潤滑油，或者簡單地由管路內的不適宜條件所導 致，則對於起因或由來的認識會有助於使因這種起因或由來而導致的汙 染物的產生最小化。
由於收集到的樣品內的汙染物和流體流內的汙染物幾乎總是不同， 因此，期望的是提供一種允許進行相對快速而準確的取樣以便對汙染數 據進行測量和分析的方法，這些數據能夠在隨後用於選擇最優的過濾和 分離設備，以便控制正被分析的流體流內的汙染物的存在。

發明內容
在一個實施方式中，本發明提供了 一種用於測量和分析管路汙染物的 系統。該系統包括用於與管i^合的第一組件，並且從該第一組件可以獲 得第一流體流樣品以測量氣溶膠汙染物。在實施方式中，該第一組件可設 有第一組件探針，該第一組件探針用於延伸到管路中，用於以等動態的方 式收集流體流樣品，以確保能夠在隨後測量管路內的汙染物的代表量。該 第一組件還可設有顆粒計數器，該顆粒計數器與探針流體連通，用於測量 流體流樣品內的氣溶膠顆粒的數目和尺寸。可在隨後將所得到的信息用於 獲得氣溶膠顆粒的質量含量，以允許選擇適當的提取工藝，從而控制管路 內的氣溶膠汙染物的存在。該系統還包括用於與管^#^的第二組件，並 且從該第二組件可以獲得第二流體流樣品以對氣溶膠汙染物進行色鐠分 析。在實施方式中，管路上的與第一組件和第二組件接合的位置可以是同 一位置。可替代地，管路上的與第一組件和第二組件接合的位置相對於彼
此呈空間定位。在實施方式中，第二組件可^殳有第二組件探針，該第二組 件探針用於延伸到管路中，用於以等動態的方式收集流體流樣品，以確保 能夠在IC^分析管路內的氣溶膠汙染物的代表量。第二組件還可設有瓶， 該瓶聯接於第二組件探針，用於容置從第二組件探針導引的流體流樣品。 還可進一步設置色脊仗，該色鐠儀與瓶流體連通，用於確定流體流樣品的 組分，以便識別出氣溶膠汙染物的由來。這樣，可實施糾正措施，以使氣 溶膠汙染物的存在最小化。
本發明還提供了一種用於測量和分析管路汙染物的方法。在實施方式 中，該方法包括最初將第一探針延伸到管路內的流體流中，使得能夠在隨 後測量氣溶膠汙染物。然後，可以以等動態的方式將第一流體流樣品收集 在第一探針中。接著，可將收集到的第一流體流樣品從第一探針導引到顆 粒計數器中。此後可在顆粒計數器內測量流體流樣品內的氣溶膠顆粒的數 目和尺寸。隨後可將所得到的信息用於獲得氣溶膠顆粒的質量含量。對於 質量含量的認識可允許選#^當的提取工藝，從而控制管路內的氣溶膠汙 染物的存在。該方法進一步包括將第二探針延伸到管路內的流體流中，使 得能夠在隨後確定流體流樣品的組分，從而識別出氣溶膠汙染物的由來。 在一個實施方式中，將第二探針延伸在管路內包括在將第二探針延伸到 管路的同一區域中之前，移出第一探針。作為替代，可將第一探針和第二 探針放置在相對於彼此呈空間定位的位置處。接著，可將第二流體流樣品以等動態的方式收集在第二探針中。在實施方式中，可相對於彼此大致同 時地收集以等動態的方式所收集的第一流體流樣品和第二流體流樣品。此 後，可將收集到的第二流體流樣品從第二探針導引到色脊義中。在一個實 施方式中，在將第二流體流樣品導引到色譜儀中之前，可將該第二流體流 樣品存儲在瓶內。接著，可確定流體流樣品的組分，以便識別出氣溶膠汙 染物的由來，從而可實施糾正措施，以使氣溶膠汙染物的存在最小化。
本發明還提供了用於測量和分析管路汙染物的另一種方法。該方法包 括在初始時在相對於彼此呈空間定位的位置處將第 一探針和第二探針延 伸到管路內的流體流中，使得能夠在IC^確定汙染物。接著，可大致同時 將第一流體流樣品和第二流體流樣品以等動態的方式收集在它們相應的 探針中。然後，可將收集到的第一流體流樣品從第一探針導引到顆粒計數 器中，同時可將收集到的第二流體流樣品從第二探針導引到色鐠儀中。在 實施方式中，可在被導引至色"*^之前，將收集到的第二流體流樣品存儲 在瓶中。1^#，可在顆粒計數器內測量第一流體流樣品內的氣溶膠汙染物 的數目和尺寸。隨後可將這些信息用於獲得氣溶膠汙染物的質量含量，以
允許選^it當的提取工藝，從而控制管路內的氣溶膠汙染物的存在。此夕卜， 可確定第二流體流樣品的組分，以便識別出氣溶膠汙染物的由來，從而能
夠實施糾正措施，以使氣溶膠汙染物的存在最小化。


圖1A-B示出了一種根據本發明的一個實施方式的用於直接測量流 體流中的汙染物的組件。
圖2示出了一種與圖1A-B中所示的系統結合使用的測量探針。
圖3示出了 一種用於分析圖1A-B中所取樣的流體流的組分的組件。
圖4示出了根據本發明的一個實施方式的用於測量流體流中的汙染 物的另一組件。
圖5示出了一種與圖4中所示的系統結合使用的過濾片。
具體實施例方式
參照圖1A-B，在一個實施方式中，本發明提供了一種用於測量和分 析諸如管路11之類的流體流系統內的汙染物的系統10。在實施方式中， 系統10可包括設計成經由取樣管口 lll接合管路ll的汙染物測量組件 12。如所示，管口 111可沿管路11置於任何所需要的點處，並提供開 口，組件12可經該開口與管路11內的流體流連通。為了在組件12可 以不與其處於接合時或在組件12不在使用中時防止流體流經取樣管口 111逸出，取樣管口 lll可包括諸如隔離閥112之類的閥，能夠例如經 由輪子113在開啟位置和閉合位置之間致動該閥。
根據一個實施方式，組件12包括探針13，該探針13設計用於將來 自管路ll內的流體樣品傳送至諸如裝置15之類的汙染物測量裝置。為 此，可將探針13製成為從外部環境越過隔離閥112向下延伸穿過取樣 管口 111並延伸到管路ll中，在管路11處，探針13可與流體流連通。 為了確保與管路ll內的流體流之間的最佳連通，可將探針13定位成使 得其末端131充分延伸到流體流中。在一個實施方式中，末端131可延 伸越過管路ll的壁114至少約2.0英寸。此外，為了確保對流體流內的 汙染物進行適當的測量，可將探針13沿管路11定位，在管路11處， 流體流的速度可在約1英尺/秒至約60英尺/秒之間。在實施方式中，可 將探針13的末端131定位成大致橫向於探針13的軸線X，並且更具體 說來，大致垂直於探針13的軸線X。這樣，可將末端131設置成大致 平行於管路11內的流動方向，以侵J吏流入探針13的末端131中的流體 的流動最優化。雖然利用圖1A中所示的設計進行設置，但應該注意到， 可以利用多種其它設計來設置末端131，例如，末端131可以以一定角 度相交，例如45度，前提是末端131的位置可以使得流體流能以最優 化的方式進入探針13，並且探針13能以等動態的方式收集流體流的樣 品。如上所述，等動態取樣涉及以與由管路11內的流體流所呈現的流 速大致相似的流速收集探針13內的流體樣品。通過採用等動態取樣， 就能收集帶有代表著沿管路ll的汙染物程度的汙染物程度的流體樣品。
由於探針13會暴露於管路11內的惡劣環境，因此，探針13可由能 夠耐受這種惡劣環境的強固的材料製成。例如，探針13可由諸如1/8 英寸或1/4英寸不鏽鋼管件之類的不鏽鋼製成。當然，可以使用諸如金 屬、金屬合金之類的其它相似的材料，前提是那些材料能耐受管路11內的惡劣環境。
組件12還可包括插入引導件14，以允許探針13與取樣管口 111上 的隔離閥112之間的接合。在一個實施方式中，引導件14可與圖2中 所示的引導件相似。通常，引導件14可包括探針13可經其延伸的本體 部分21。在實施方式中，本體部分21可起到向探針13提供支承並維持 探針13在取樣管口 111和管路ll內的位置(即，居中和提升)的作用。 引導件14還可在其遠端22附近包括聯接機構23，以允許導引件14與 取樣管口 lll上的隔離閥112之間的緊固接合。在實施方式中，聯接機 構23可以是設計成被緊固地接收在隔離閥112中的互補螺紋開口 (未 示出)內的螺紋部分。雖然示出為螺紋部分，但聯接機構23可具有本 領域中公知的其它設計，前提是這些設計允許聯接機構23緊固地接合 隔離閥112。此外，可利用任何設計來設置引導件14，前提是這種設計 能維持探針13在取樣管口 lll和管路ll內的位置。為了進一步確保緊 密配合式接合，在一個實施方式中，可在聯接機構23和探針13之間設 置諸如O形環或任何其它相似的橡膠或有延展性的密封件之類的密封 件(未示出)，以便使流體流從隔離閥112的任何逸出最小化。
再看圖1A-B，組件12可進一步包括定位在與探針13的末端131 相對的出口端132處的諸如探針岡130之類的閥。在一個實施方式中， 能在開啟位置和閉合位置之間致動探針閥130，以控制來自管路11內的 流體流出探針13並流入到測量裝置15中。
組件12還可包括聯接至測量裝置15的通路16，以允許流體流離開 並從裝置15內排出。在一個實施方式中，沿通路16可定位有流量計17， 以便測量流經組件12的流體流的速率(即，速度)。由此，如必要，可 對流經組件12的流體流速率調整並設定成大致匹配管路11內的流體流 速率，從而可在組件12內收集等動態樣品，用於汙染物測量。在實施 方式中，流量計17可以是任何可在市場上獲得的、能夠測量流體流速 率的流量計。
為了調整流經組件12的流體流速率，可在通路16上，例如在位於 測量裝置15與流量計17之間的流量計17的上遊設置流量閥18。在一 個實施方式中，流量閥18可以是針型閥，該針型閥能夠在開啟位置和 閉合位置之間致動，以便例如在等動態的條件下改變和設定流體流速 率。在實施方式中，可將組件12設計成測量呈液體氣溶膠形式的汙染 物。為此，測量裝置15可以是諸如任何可在市場上獲得的雷射顆粒計 數器之類的光散射計數器。如圖1A-B中所示，雷射顆粒計數器15能包 括入口 151,探針13內的流體流可經該入口 151而被導引到顆粒計數器 15中。在一個實施方式中，入口 151可設計成與探針閥130聯通。例如， 入口 151可設有能夠被探針閥130以互補的方式接收的形狀。在這種情 況下，可在入口 151與探針閥130之間的接合處設置密封件(未示出)， 以便大致消除任何通過該處發生的流體流洩漏或使其最小化。作為替 代，可在探針閥130與入口 151之間提供轉接器(未示出)，以允許探 針閥130與入口 151之間的接合。
在實施方式中，可將雷射顆粒計數器15設計成接收經由探針13以 等動態的方式收集的來自管路11的流體流樣品，以便確保可測量管路 ll內的汙染物的代表量。此外，應該注意，還可在計數器15內以及在 整個組件12中維持管路壓力和溫度，以便在測量的過程中，使另外的 氣溶膠顆粒不會汽化或冷凝。
如上所述，顆粒計數器15可以是任何可在市場獲得的雷射計數器， 並且通常能設計成接收流體流樣品。 一旦將流體流樣品導引到計數器15 內，就可允許流體流樣品流經顆粒測量流動池。設置在計數器15內的 雷射二極體或任何合適的光源可穿過流動池傳送光束。可將光束導引穿 過並垂直於所取樣的流體流樣品。通過流體流行進的氣溶膠液滴或顆粒 可起到散射雷射束的作用。而後能經由鏡子或透鏡將被散射的雷射導引 至光學分析儀。此後，該光學分析儀能將光能處理成電能。源自顆粒的 電脈衝能被記錄為具有對應尺寸的顆粒。在實施方式中，顆粒尺寸測量 可以是大致為球形的氣溶膠顆粒或液滴的直徑測量。通常，存在於商用 氣體管路內的流體流中的氣溶膠顆粒或液滴的尺寸能夠變化，並且能夠 歸類於直徑達約IOO微米。能夠繼而對直徑測量進行計算，以提供對應 的球形體積。然後，球形體積可通過使液體密度乘以該球形體積而轉換 成質量。而後，能在相同時期期間，將經過特定時期而測量到的所有顆 粒的質量加在一起，並與所取樣的流體流的質量相比較，由此提供氣流 中的氣溶膠質量含量的測量。該信息可隨後用於確定諸如過濾器、分離 器之類的液體氣溶膠提取工藝的定型和選擇，例如佩裡設備公司(Perry Equipment Corp.)的Gemini Purasep⑧過濾器(美國專利No. 6，168，647 ) 和佩裡設備公司的立式氣體聚結器。應該認識到，雖然結合流體流管路11加以^^開，但是組件12可適 於與立式或臥式設計的例如可在市場上獲得的氣體聚結器一起^f吏用。當 與這種聚結器結合使用時，在實施方式中，對於聚結器，通過在不使用 例如結合管路中的取樣管口所使用的隔離閥的情況下，組件12與聚結 器的聯接可直接實現。
現參照圖3，除了具有汙染物測量組件12以外，系統IO還可包括 色譜組件30，用於確定流體流中的諸如氣溶膠顆粒之類的汙染物的由 來。那樣，就能確定測量到的氣溶膠是否源於液體冷凝或源於管路11 中。在實施方式中，色鐠測量能用來確定流體(即，氣體)的露點溫度。 特別地，如果管路11的運行溫度低於流體的露點溫度，則能夠將冷凝 假定為這種氣溶膠的起因。
根據一個實施方式，可將與汙染物測量組件12相似的色鐠組件30 設計成經由與圖1A中的取樣管口 lll相似的取樣管口 301來進入到管 路11的內部。這種取樣管口 301可以沿管路11定位在任何所需要的點 處，並且在實施方式中，取樣管口 301可以是管口 lll或可以自管口 111 空間地定位。就可沿管路11的特定部分執行取樣且特定部分可僅設有 一個取樣管口的情況來說，可將組件12從管口 111上卸下，並更換以 組件30，用於適當的取樣和測量。否則，可設置不同的取樣管口，以使 每個取樣管口支承不同的取樣和測量組件。如上所述，可結合管路11 上的取樣管口 301i殳置諸如隔離閥302之類的閥，以例如通過輪303打 開或閉合通向管路ll內的流體流的通路。
在一個實施方式中，色鐠組件30包括探針31,該探針31與探針 13大致相似，設計成將來自管路ll內的流體樣品提取並傳送到收集瓶 35，用於隨後進行色鐠分析。為此，可將探針31製成越過隔離閥302、 向下延伸穿過取樣管口 301並延伸到管路ll中，在管路11處，它可與 流體流連通。為了確保與管路ll內的流體流的最佳連通，可將探針31 定位成使其末端311充分延伸到流體流中。與探針13的末端131相似， 末端311可延伸越過管路11的壁114至少約2.0英寸。此外，為了確保 對流體流進行適當取樣，可沿管路11定位探針31，在管路ll處，流體 流的速度可在約1英尺/秒至約60英尺/秒之間。如所示，末端311可以 以一定角度相交，例如45度，以便使流入末端311中的流體的流動最 優化。當然，可利用其它設計來設置末端311，例如，與探針13中的末端131的橫向位置相似的設計。無論如何設計，末端311均應允許通過 探針13對管路11內的流體流進行等動態取樣。
與探針13—樣，由於組件30中的探針31會暴露於管路11內的惡 劣環境，因此，探針31可由能夠耐受這種惡劣環境的強固的材料製成。 例如，探針31可由不鏽鋼管件製成。當然，可以使用諸如金屬、金屬 合金之類的其它相似的材料，前提是那些材料可耐受管路11內的惡劣 環境。
組件30還可包括插入引導件33，以允許探針31與取樣管口 301上 的諸如閥302之類的隔離閥之間的接合。在一個實施方式中，引導件33 可包括探針31可經其延伸的本體部分34。在實施方式中，本體部分34 可起到向探針31提供支承，並維持探針31在取樣管口 301和管路11 內的位置(即，居中或提升)的作用。根據一個實施方式，引導件33 可包括螺紋部分，以使得引導件33能夠被緊固地接收在隔離閥302中 的互補螺紋開口 (未示出)內。也可使用本領域中公知的其它設計，前 提是這些設計允許與隔離閥之間的緊固接合。為了進一步加強緊密配合 式接合，在一個實施方式中，可在引導件33和探針31之間設置諸如0 形環或任何其它相似的橡膠或有延展性的密封件之類的密封件(未示 出)，以便使流體任何流經隔離閥112的逸出最小化。
如圖3所示，組件30進一步包括與探針31處於連通的收集瓶35。 在實施方式中，瓶35可以是壓力容器，它能夠容置從管路ll收集到的 流體樣品，用於隨後進行色鐠分析。瓶35可在相對端處包括閥351和 352，以控制收集到的流體樣品到瓶35中的進出。用於結合本發明使用 的瓶的示例包括產自如德克薩斯州糖城Welder工程公司(Welder Engineering Company )的公司的標準樣品瓶(Standard Sample Cylinder )。
根據本發明的一個實施方式，可在瓶35與探針31之間設置導管36, 以控制收集到的流體樣品流入瓶35中的流動。特別地，導管36可在靠 近引導件33的端部處設有第一閥361，用於控制收集到的流體從探針 33流入導管36中的流動。導管36還可在靠近瓶35的閥351的相對端 處設有第二閥362。在實施方式中，閥362可用來從探針33內清除流體 流。明確說來，在特定情況下，探針33可包含來自先前所收集到的流 體樣品的殘餘，這會干擾本次收集。為了從探針33清除先前的流體樣品，可致動閥362，從而可在收集前從探針33清空來自管路ll內的流 體流的容積。
為了分析瓶35內的收集到的流體流樣品，組件30可包括與瓶35 處於流體連通的諸如氣相色鐠儀37之類的色鐠儀。在一個實施方式中， 可在閥352與色鐠儀37之間布置通路371，從而一旦致動閥352,就可 將收集到的流體流樣品從瓶35內釋放出來，並導引到氣相色鐠儀37中， 用於進行色鐠分析。
作為替代， 一旦被收集到瓶35內，就可將瓶35與組件30脫離接 合，並使其聯接於位於例如現場移動實驗室或非現場實驗室之類的實驗 室中的色譜儀37，用於進行色譜分析。
在實施方式中，色鐠儀37可以是任何可在市場上獲得的、能夠識 別出所取樣的流體流的組分的色鐠儀。例如， 一種這樣的色鐠儀可以是 產自加利福尼亞州帕洛阿爾託市的瓦裡安>^司(Varian， Inc.)的 CP-4900 Micro-GC。 一般來說，色鐠儀是利用填充柱技術來將流體(例 如，氣體)或混合物分離成其組分，用於隨後進行分析的儀器。通過採 用色譜分析法，能確定所取樣的流體流中的各組分的存在和數量。此外， 由於各個組分的濃度能對例如流體的最終熱閥或性質產生影響，知曉這 些濃度能有助於對例如渦輪發動機進行調節以實現有效操作和排放控 制。通過由色鐠儀提供的分析所獲得的關於組分的數據還可用來對流體 流系統的碳氫化合物露點進行建模。在實施方式中，露點信息可用來校 驗系統IO中的液體氣溶膠汙染物的由來。
碳氫化合物露點可以是諸如天然氣系統之類的流體流系統的重要 物理特性，它應該在流體調節設備的設計或實現之前確定。例如，如果 流體溫度低於碳氳化合物露點，則液體氣溶膠會形成為從流體冷凝出的 液體。了解到這個情況允許實施適當的過濾和/或分離工藝。另一方面， 如果流體處於其露點或低於其露點，那麼會不得不對流體進行加熱以便 例如將溶液中的液體氣溶膠顆粒保持為蒸汽。對於管路還可能常見的 是，在碳氫化合物露點附近操作以需要進行絕緣和伴熱(外部管路加 熱)，從而阻止例如寒冷的晨氣在管路產生不必要的液體。
現參照圖4，就有可能需要收集和測量固體顆粒汙染物的情況來說， 系統10還可設有諸如固體測量組件40之類的另外的汙染物測量組件。在實施方式中，組件40可與圖1中的組件12大致相似，除了不具有顆 粒計數器15以外，組件40可設有用於收集來自流體流的固體汙染物的 過濾器座45。
為了避免重複，並為了便於討論，現將在除了過濾器座45以外組 件40的部件可與組件12中的那些部件大致相似的前提下對組件40進 行描述。與組件12—樣，可將組件40設計成經由取樣管口 411和隔離 閥412接合管路11，可在開啟位置和閉合位置之間致動該隔離閥412， 以便在組件40可以不與其處於接合時或在組件40不在使用中時防止流 體流經取樣管口 411逸出。
組件40還可包括探針43，該探針43設計成將來自管路11內的流 體樣品傳送至過濾器座45。為此，可將探針43製成從外部環境越過隔 離閥412，向下延伸穿過取樣管口 411並延伸到管路11中，在管路11 處，探針43可與流體流連通。在實施方式中，探針43可包括末端431， 該末端431以在與探針13的末端131結合的圖1A中所示的"&計相似的 設計進行設置。然而，應該了解到，可以利用多種其它設計來設置末端 431,例如，末端431可以以一定角度相交，例如45度，前提是末端431 的位置可使得管路ll內的流體流能以最優化的方式進入探針43，以允 許對流體流的樣品進行等動態收集。與探針13 —樣，由於探針43會暴 露於管路ll內的惡劣環境，因此，探針43可由能夠耐受這種惡劣環境 的強固材料製成。例如，探針43可由諸如不鏽鋼、金屬合金之類的金 屬或任何其它能夠耐受管路11內的惡劣環境的材料製成。
組件40還可包括插入引導件44,以允許探針43與取樣管口 411上 的隔離閥412之間的接合。在一個實施方式中，引導件44可與圖2中 所示的引導件14相似。通常，引導件44起到向探針43提供支承，並 維持探針43在取樣管口 411和管路11內的位置(即，居中和提升)的 作用。引導件44還可起到向探針43提供與取樣管口 411上的隔離閥412 之間的緊固接合的作用。為了進一步確保緊密配合式接合，在一個實施 方式中，可在與圖2中的部件23相似的聯接機構和隔離閥412之間， 設置諸如O形環或任何其它相似的橡膠或有延展性的密封件之類的密 封件(未示出)，以便使任何流體流的經隔離閥412的逸出最小化。
除了上述情況以外，系統40還可包括定位在與探針43的末端431 相對的出口端432處的諸如探針閥430之類的閥。在一個實施方式中，可在開啟位置和閉合位置之間致動探針閥430，以控制來自管路11內的 流體流出探針43並流入到過濾器座45中。
組件40還可包括聯接至過濾器座45的通路46，以允許流體流離開 並從座45內排出。在實施方式中，沿通路46可定位有流量計47，以便 測量流經組件40的流體流的速率。如必要，可通過流量閥48將流經組 件40的流體流速率調整並設定成大致匹配管路11內的流體流速率，從 而可將等動態樣品導引穿過組件40以進行收集。在實施方式中，流量 閥48可定位在流量計47與過濾器座45之間。
如上所述，可將組件40設計成經由過濾器座45收集用於隨後進行 測量的固體汙染物。為此，在一個實施方式中，過濾器座45可設有入 口 451,該入口 451設計成與探針閥430處於流體連通。如必要，可在 探針閥430和過濾器座45的入口 451之間設置通道433，從而可經該通 道433將所取樣的流體流導因到過濾器座45。過濾器座45還可設有出 口 452，該出口 452聯接於通路46，以將所取樣的流體流從座45排出 到通路46中。為了使各個入口 451和出口 452與相應探針閥430和通 路46之間的接合處的流體流洩漏最小化，可在這種接合處定位有諸如 Swagelok⑧裝配件之類的密封件(未示出)。
過濾器座45還可包括腔室49，該腔室49內可定位有用於收集固體 汙染物的濾芯51 (圖5 )。為了出於放置或更換濾芯51的目的而進入到 腔室49，參見圖5，在實施方式中，過濾器座45可設計成包括能夠彼 此接合和分離的相對部分52。如圖5中所示，各個部分52可包括凹處 53，該凹處53設計成當兩個相對部分52彼此接合時形成腔室49。為了 達到期望的程度，可繞著腔室49沿周向設置例如O形環54之類的密封 件，以向腔室49提供大致緊密的密封。在一個實施方式中，為了將密 封件54保持在腔室49周圍，可繞著各凹處53設置互補槽道55，從而 可將密封件54的一部分定位在一個槽道55內，而密封件54的其餘部 分被接收在另一槽道55內。
為了允i午各個凹處53與相應的入口 451或出口 452之間的流體連 通，各個部分52可在凹處53與相應的入口 451或出口 452之間的接合 處設有開口 56。此外，由於在收集流體流樣品的過程中會將相當大的高 壓導引經過過濾器座45，因此為了保持住部分52相對於彼此的接合， 過濾器座45可設有能夠經受該相當大的高壓的接合機構。在一個實施方式中，各個部分52可設有互補孔57，這些互補孔57可彼此大致對正， 並能夠接收穿過這些互補孔57的例如螺母和螺栓、螺釘、或任何其它 相似的部件。當然，可利用其它的設計來設置部分52，從而可相對於彼 此保持住部件52。例如，可使用夾具、扣件或本領域中已知的其它機構。
在實施方式中，濾芯51可以採用允許其被接收在腔室49內的形狀。 在示於圖5中的實施方式中，濾芯51的形狀是圓形，例如盤狀。但是 應該注意到，濾芯51可以以任何幾何形狀進行設置，前提是可將它接 收在腔室49內。為了適當地收集固體汙染物，根據本發明的一個實施 方式，濾芯51可由一片具有足夠的孔隙率以使氣體或液體能夠經其流 動、同時使固體汙染物能夠被截留在其上的例如拉長的尼龍製成。由於 管路ll內的條件在不同管路中會變化，因此濾芯51的孔隙會需要例如 在直徑方面、在數量方面或在兩方面發生變化，以便適當地滿足取樣條 件。 一旦完成取樣，就可從過濾器座45上卸下濾芯51，用於隨後測量 和分析收集到的固體汙染物。
由於組件40與組件12之間的區別主要在於汙染物測量裝置，即， 組件12具有顆粒計數器15,而組件40具有過濾器座45，就所期望的 情況來說，在本發明的一個實施方式中，座45連同其中的濾芯51可取 代組件12中的顆粒計數器15。換言之，可將顆粒計數器15從組件12 中卸下並代之以過濾器座45,反之亦然。在管路11的特定部分可能不 具有足夠數目的取樣管口的情況下，可以採用這種辦法。當然管路11 可設置足夠數目的取樣管口 ，從而使組件12和組件40可各自接合單獨 的取樣管口，如與在用於色譜分析的組件30中也會出現的情況一樣。
在操作中，根據將要進行的測量的類型，可使用上文結合系統10 進行論述的組件中的每個、某些或全部。但是，在啟用組件前，在能夠 進行流體流的測量之前在初始時會需要沿管路11裝設各個組件。特別 地，在將組件與取樣管口接合之前，可在初始時沿管路的一部分計算流 體流速度，在該部分管路處可收集用於測量的樣品流體流，以查看該速 度是否會在適當的範圍內。在實施方式中，適合於進行測量的流體流速 度的範圍可從約l英尺/秒到約60英尺/秒。在實施方式中，如果流體流 速度在該適當的範圍內，則可將諸如引導件14之類的插入引導件插入 到隔離閥112中並使插入引導件與之固定。
應該注意到，文中將結合組件12及其部件進行論述。但是，由於組件30和組件40可具有與組件12大致相似的部件，因此，應該明白， 文中對於組件12的描述同樣可適用於組件30和40。
隨後，可將探針13經已固定的引導件14、越過隔離閥112插入到 取樣管口 111中，並插入到流體流中。在實施方式中，可將探針13的 末端131放置成越過取樣管口 111與管路11之間的接合處至少約2.0英 寸。而後，如必要，可將探針閥130致動到開啟位置中以清除(即，傾 空)探針13中多餘的流體、顆粒或其它組分。此後，可將諸如雷射計 數器15之類的汙染物測量裝置連同流量計17和相關的通路16 —起附 連於探針13。利用流量計17，可確定流經組件12的流體流速度。就所 需要的情況來說，可調整流量閥18，以便在例如等動態的條件下改變和 設定流體流速度。繼而，可將管路ll內的流體流導引到末端131中， 並使其能夠沿探針13行進，越過探針閥130，經雷射計數器15的入口 151,並行進到雷射計數器15中。已被啟動的雷射計數器15隨後可執 行顆粒計數並測量存在於流體流中的顆粒尺寸。基於針對計數和尺寸而 獲得的數據，而後可計算經過特定時期而測量到的顆粒的質量，並將其 與在相同時期期間所取樣的流體流的質量相比較。由此，兩個計算出的 質量之間的差異能提供氣流中的氣溶膠質量含量的測量。隨後可將該信 息用於確定液體氣溶膠提取工藝的定型和選擇。
在組件12所進行的測量的過程中或隨後，可沿管路11啟動組件30， 從而可通過色i普分析法識別出由組件12測量到的諸如氣溶膠顆粒之類 的汙染物的由來。那樣，如果汙染物源於如在加工過程的壓縮、乾燥或 處理階段期間添加至管路的化學品或潤滑油，或源於流體流自身，則可 實施校正措施。如上所述，在啟動組件30之前，可實施與為組件12提 供的裝設過程相似的裝設過程。
通過將管路中的流體流導引到末端311中，並使其能夠沿探針31、 經導管36、越過瓶35的閥351而行進到瓶35中，可以以等動態的方式 將流體流的樣品收集在瓶35內。 一旦收集在瓶35內，流體流樣品就可 被導引到用於進行色鐠分析的氣相色鐠儀37中。將收集到的樣品從瓶 35導引到色譜儀37中可經由通路371來實現。作為替代，可將瓶35 與組件30脫離接合，並聯接於定位在例如現場移動實驗室或場外實驗 室之類的實驗室中的色鐠儀37，用於進行色譜分析。
從色謙儀所提供的分析而獲得的關於組分的數據可用於確定所取樣的流體流中的各組分的存在和數量，以允許識別出流體流系統內的汙 染物的由來。數據還可用於對流體流系統的碳氫化合物露點進行建模。 碳氬化合物露點可以是流體流系統的重要物理特性，這是由於如果流體 溫度低於碳氫化合物露點，則液體氣溶膠會形成為從流體冷凝的液體。 知道了這種情況則允許實施適當的過濾和/或分離工藝。另一方面，如 果流體流處於或低於其露點，則會不得不加熱流體流，以將例如溶液中 的液體氣溶膠顆粒保持為蒸汽。
就所期望的情況來說，還可沿管路11啟動組件40，以便以等動態 的方式收集流體流樣品，並隨後針對管路11內的固體汙染物的代表性 存在對其進行測量。此外，如上所述，在啟動組件40之前，可實施與 為組件12提供的裝設過程相似的裝設過程。
在一個實施方式中，可將管路ll內的流體流導引到末端431中，並 使其能夠沿探針43、越過探針閥430、經過濾器座45的入口 451而行 進到過濾器座45中，並行進穿越座45中的濾芯51。由於其孔隙，濾芯 51可使流體流能夠移動穿越濾芯51，同時在其上截留固體汙染物。隨 後，可將濾芯51從座45上卸下，並測量收集到的汙染物。在一個實施 方式中，可將濾芯51放置在乾燥箱內，以便從濾芯51中蒸發出溼氣。 應該了解到，濾芯51應該是大致沒有溼氣的，以便提供最優的質量測 量。此外，所期望的是，當放置在乾燥箱內時，可將濾芯51放置在培 養皿上。隨後，可將濾芯51從乾燥箱中移出，並使其能夠在乾燥器桶 中冷卻。乾燥器桶可以簡單地是帶蓋的、具有諸如矽膠之類的乾燥劑的 罐狀物。使得濾芯51能夠在乾燥劑桶中冷卻至室溫可防止濾芯51重新 吸收來自空氣的溼氣。
而後，可在天平上稱重濾芯51，並將其帶有收集到的固體汙染物的 質量與其先前測量到的不帶有收集到的固體汙染物的質量進行比較。此 外，可在計數顯微鏡下觀察濾芯51或其照片，以確定固體顆粒的數目 和尺寸，以便提供樣品的顆粒尺寸分布。而後可將這些數據用於選擇與 流體流系統結合實施的適當的過濾和分離工藝。
如上所述，可將系統10設計成允許將組件12與組件30同時使用， 或允許將組件12與組件40和組件30同時使用。作為替代，如果僅設 置一個取樣管口 ，則可以以如上所述的任何組合併相繼地使用各個組 件。此外，由於組件共有多種共有特徵，包括引導件和探針，因此在一個實施方式中，可設想例如取決於需要應用哪種組件而可卸下組件12 中的顆粒計數器15，並以組件30的瓶35和色鐠儀37進行替代，或以 組件40的過濾器座45進行替代。同樣，可以以可互換的方式在各個組 件中使用探針13、探針31和探針43。當然，如果希望，可僅設置一個 探針用於與所有的組件一起使用。在這種實施方式中，可在取樣後，將 探針從一個組件上卸下，並聯接於另一個組件，用於隨後對管路ll中 的流體流進行取樣。
儘管已經結合本發明特定的實施方式對其進行說明，但是應該了 解，是能夠進行進一步修改的。此外，本申請旨在涵蓋本發明的任何變 型、用途或改型，這些變型、用途或改型包括偏離本公開但是落在本發 明所屬技術領域中的已知或慣常手段的範圍內的偏差內容。
權利要求
1.一種用於測量和分析管路汙染物的系統，所述系統包括(a)用於與管路接合的第一組件，從所述第一組件能夠獲得流體流樣品以測量氣溶膠汙染物，所述第一組件具有第一組件探針，其用於延伸到所述管路中，用於以等動態的方式收集所述流體流樣品，以確保能夠在隨後測量所述管路內的汙染物的代表量；和顆粒計數器，其與所述探針流體連通，用於測量所述流體流樣品內的氣溶膠顆粒的數目和尺寸，這種信息能夠在隨後被用來獲得所述氣溶膠顆粒的質量含量，以便允許選擇適當的提取工藝，從而控制所述管路內的氣溶膠汙染物的存在；以及(b)用於與所述管路接合的第二組件，從所述第二組件能夠獲得流體流樣品以對所述氣溶膠汙染物進行色譜分析，所述第二組件具有第二組件探針，其用於延伸到所述管路中，用於以等動態的方式收集所述流體流樣品，以確保能夠在隨後分析所述管路內的氣溶膠汙染物的代表量；瓶，其聯接於所述第二組件探針，用於容置從所述第二組件探針導引的所述流體流樣品；和色譜儀，其與所述瓶流體連通，用於確定所述流體流樣品的組分，以便識別出所述氣溶膠汙染物的由來，從而能夠實施糾正措施，以使氣溶膠汙染物的存在最小化。
2. 如權利要求l所述的系統，其中，所述第一組件^針和所述第二組 件探針中的每個包括末端，所述末端設計成使所述管路內的流體流入所述 探針中的流動最優化。
3. 如權利要求l所述的系統，其中，所述第一組件探針和所述第二組 件探針中的每個包括末端，所^J^端定位成大致橫向於相應的所述探針的 軸線.
4. 如權利要求1所述的系統，其中，所述顆粒計數器是光散射計數器。
5.如權利要求l所述的系統，其中，所述第一組件和所述第二組件中的每個進一步包括流量計，用於測量流經相應的所述組件中的每個的流體
6.如權利要求l所述的系統，其中，由所述第一探針和所述第二^# 收集的所述流體流的it;變的範圍從約1英A/秒至約30英X^/秒。
7.如權利要求l所述的系統，其中，所述第一組件和所述第二組件中 的每個進一步包括引導件，探針能夠延伸穿過所述引導件，以便將所述探 針維持在所述管路內的大致居中或提升的位置中。
8.如權利要求l所述的系統，其中，所述第一組件和所述第二組件中 的每個設計成在同 一位置處相繼地與所述管^*^。
9.如權利要求l所述的系統，其中，所述第一組件和所述第二組件中 的每個以相對於彼此呈空間定位的方式與所述管^^。
10.如權利要求l所述的系統，進一步包括用於與所述管5^^的第 三組件，從所述第三組件能夠獲得流體流樣品以測量固體汙染物，所述第 三組件具有第三組件探針，其用於延伸到所述管路中，用於以等動態的方式收集 所述流體流樣品，以確保能夠在隨後測量所述管路內的汙染物的代表量；過濾器座，其與所述探針流體連通，用於接收來自所述探針的所述流 體流樣品；和設置在所述過濾器座內的濾芯，所述流體流樣品能夠被導引穿過所述 濾芯，使得能夠將固體汙染物收集在所述濾芯上，以使在隨後計算收集到 的質量，以允許選擇適當的提取工藝，從而控制所述管路內的固體汙染物 的存在。
11.如權利要求10所述的系統，其中，所述過濾器座包括腔室，所述 濾芯能夠被設置在所述腔室內。
12.如權利要求10所述的系統，其中，所述濾芯設有足以允許流體流 穿過所述濾芯、同時使得固體汙染物能夠被截留在所述濾芯上的孔隙。
13.如權利要求10所述的系統，其中，所述第三組件進一步包括流量 計，用於測量流經所述第三組件的流體itil度。
14.如權利要求10所述的系統，其中，所述管路上與所述第三組件接 合的位置和與所述第一組件及所述第二組件接合的位置是同一位置。
15.如權利要求10所述的系統，其中，所述管路上與所述第三組件接 合的位置相對於與所述第一組件及所述第二組件接合的位置中的每個呈 空間定位。
16. —種用於測量和分析管路汙染物的方法，所述方法包括將第一探針延伸到管路內的流體流中，使得能夠在隨後測量氣溶膠汙 染物；以等動態的方式將第 一流體流樣品收集在所述第 一探針中； 將收集到的所述第 一流體流樣品從所述第 一探針導引到顆粒計數器中；在所述顆粒計數器內測量所述流體流樣品內的氣溶膠顆粒的數目和 尺寸，這種信息能夠在隨後被用來獲得所述氣溶膠顆粒的質量含量，以便允許選#^當的提取工藝，從而控制所述管路內的氣溶膠汙染物的存在；將第二探針延伸到管路內的所述流體流中，使得能夠在隨後確定所述 流體流樣品的組分，以便識別出所述氣溶膠汙染物的由來；以等動態的方式將第二流體流樣品收集在所述第二探針中；將收集到的所述第二流體流樣品從所述第二探針導引到色鐠儀中；並且確定所述流體流樣品的組分，以便識別出所述氣溶膠汙染物的由來，從而能夠實施糾正措施，以使氣溶膠汙染物的存在最小化。
17.如權利要求16所述的方法，其中，延伸所述第一探針和所述第二 探針的步驟包括將相應的所述探針的末端設置在管路中具有適當流體流 和足夠流體5^il度的區域內。
18.如權利要求16所述的方法，其中，延伸所述第二探針的步驟包括 在將所述第二探針延伸到所述管路的同 一 區域中之前，將所述第 一探針從 所述管路內移出。
19. 如權利要求16所述的方法，其中，延伸所述第一探針和所述第二 探針的步驟包括將相應的所述探針放置在相對於彼此呈空間定位的位置 處。
20. 如權利要求16所述的方法，其中，以等動態的方式收集第一流體 流樣品和第二流體流樣品的步驟包括調整相應的所述探針中的所述流體 流以匹配所述管路內的所述流體流。
21. 如權利要求16所述的方法，其中，以等動態的方式收集第一流體 流樣品和第二流體流樣品的步驟包括大致同時收集所述第一流體流樣品 和所述第二流體流樣品。
22. 如權利要求16所述的方法，其中，導引收集到的所述第二流體流 樣品的步驟包括在將所述樣品導引到所述色鐠儀中之前，將所述樣品存 儲在與所述第二探針連通的瓶內。
23. 如權利要求16所述的方法，進一步包括將第三探針延伸到管路內的流體流中，使得能夠在隨後測量固體汙染物；以等動態的方式將第三流體流樣品收集在所述第三探針中；將收集到的所述第三流體流樣品從所述第三探針導引到過濾器座中並使所述第三流體流樣品穿越所述過濾器座中的濾芯；並且將固體汙染物收集到所述濾芯上，並在隨後計算所述濾芯上收集到的 質量，以允許選g當的提取工藝，從而控制所述管路內的固體汙染物的 存在。
24.如權利要求23所述的方法，其中，延伸所述第三探針的步驟包括: 在將所述第三探針延伸到所述管路的同 一 區域中之前，將所述第 一探針或 所述第二探針從所述管路內移出。
25.如權利要求23所述的方法，其中，延伸所述第三探針的步驟包括: 將所述第三探針放置在相對於所述第一探針和所述第二探針中的每個呈 空間定位的位置處。
26.如權利要求23所述的方法，其中，以等動態的方式收集所述第三 流體流樣品的步驟包括與所述第 一流體流樣品和所述第二流體流樣品大 致同時地收集所述第三流體流樣品。
27. —種用於測量和分析管路汙染物的方法，所述方法包括在相對於彼此呈空間定位的位置處將第 一探針和第二探針延伸到管 路內的流體流中，使得能夠在l^確定汙染物；以等動態的方式大致同時將第一流體流樣品收集在所述第一探針中 並將第二流體流樣品收集在所述第二探針中；將收集到的所述第一流體流樣品從所述第一探針導引到顆粒計數器 中並將收集到的所述第二流體流樣品從所述第二探針導？ 1到色脊仗中；在所述顆粒計數器內測量所述第一流體流樣品內的氣溶膠汙染物的 數目和尺寸，這種信息能夠在隨後被用來獲得所述氣溶膠汙染物的質量含 量，以便允許選擇適當的拔:取工藝，從而控制所述管路內的氣溶膠汙染物 的存在；並且在所述色鐠儀內確定所述第二流體流樣品的組分，以便識別出所述氣溶膠汙染物的由來，從而能夠實施糾正措施，以使氣溶膠汙染物的存在最 小化。
28.如權利要求27所述的方法，其中，導引收集到的所述第二流體流 樣品的步驟包括在將所述樣品導引到所述色鐠儀中之前，將所述樣品存 儲在與所述第二探針連通的瓶內。
29.如權利要求27所述的方法，進一步包括在相對於所述第一探針和所述第二探針的位置呈空間定位的位置處 將第三探針延伸到所述管路內的流體流中；與所述第一流體流樣品和所述第二流體流樣品大致同時地將第三流 體流樣品以等動態的方式收集在所述第三探針中；將所述第三流體流樣品從所述第三探針導引到過濾器座中並使所述 第三流體流樣品穿越所述過濾器座中的濾芯；並且將固體汙染物收集到所述濾芯上，並在隨後計算所述濾芯上收集到的 質量，以允許選^it當的提取工藝，從而控制所述管路內的固體汙染物的 存在。
全文摘要
提供了一種用於測量和分析管路汙染物的系統。該系統包括用於與管路接合的第一組件，從該第一組件能夠以等動態的方式收集用於測量氣溶膠汙染物的第一流體流樣品。該系統還包括用於與該管路接合的第二組件，從該第二組件能夠收集用於對氣溶膠汙染物進行色譜分析的第二流體流樣品。該系統可進一步包括用於與該管路接合的第三組件，從該第三組件能夠獲得用於測量固體汙染物的流體流樣品。隨後可利用關於氣溶膠汙染物和固體汙染物的信息來選擇適當的提取工藝，以控制管路內氣溶膠和固體汙染物的存在。另一方面，可利用來自色譜分析的信息識別出氣溶膠汙染物的由來，以便能夠實施糾正措施，從而使管路內氣溶膠汙染物的存在最小化。還提供了一種用於測量和分析管路汙染物的方法。
文檔編號G01N1/00GK101568819SQ200680056844
公開日2009年10月28日 申請日期2006年12月28日 優先權日2006年12月28日
發明者大衛·布恩斯, 託馬斯·博容, 馬克·斯科特 申請人:派瑞設備公司