特許 5848352 流体組成分析機構、発熱量計測装置及び発電プラント、並びに、流体組成分析方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5848352

(24)【登録日】2015年12月4日

(45)【発行日】2016年1月27日

(54)【発明の名称】流体組成分析機構、発熱量計測装置及び発電プラント、並びに、流体組成分析方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/65 20060101AFI20160107BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/65

【請求項の数】9

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2013-531396(P2013-531396)

(86)(22)【出願日】2012年8月30日

(86)【国際出願番号】JP2012072015

(87)【国際公開番号】WO2013031896

(87)【国際公開日】20130307

【審査請求日】2013年10月29日

(31)【優先権主張番号】PCT/JP2012/063784

(32)【優先日】2012年5月29日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2011-190702(P2011-190702)

(32)【優先日】2011年9月1日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100134544

【弁理士】

【氏名又は名称】森 隆一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(72)【発明者】

【氏名】出口 祥啓

(72)【発明者】

【氏名】北内 洋介

(72)【発明者】

【氏名】稲田 満

【審査官】 波多江 進

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２０６０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２８６６４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５１９４９１３（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２７５９９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０４４６４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０００−５０１１７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０７８４０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−３２０２８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１９１１２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０３３３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第４９５３９７６（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／１７ − ２１／７４

ＪＳＴＰａｔＭ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定位置の試料流体に励起光を照射する光源と、
前記励起光が照射された試料流体から生じたラマン散乱光を受光して分光する受光部と、
前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記受光部へと集光して入射させるラマン散乱光集光光学系と、
前記受光部の出力に基づいて前記試料流体の組成を算出する算出部と、
前記励起光の光路上またはその延長線上に配置された遮光部材と、
前記励起光の光路上に配置され、前記励起光を前記試料流体が流れる領域へ導く第１計測窓と、
前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記試料流体が流れる領域の外に配置された前記ラマン散乱光集光光学系へ導く第２計測窓と、を備え、
前記遮光部材は、
前記第２計測窓の前記試料流体に曝される面よりも前記受光部側に配置された第１遮光部材と、
前記第１遮光部材よりも受光部側に配置され、かつ前記測定位置から見て前記第１遮光部材と一致した輪郭を有する第２遮光部材と、を含む、
流体組成分析機構。

【請求項2】

測定位置の試料流体に励起光を照射する光源と、
前記励起光が照射された試料流体から生じたラマン散乱光を受光して分光する受光部と、
前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記受光部へと集光して入射させるラマン散乱光集光光学系と、
前記受光部の出力に基づいて前記試料流体の組成を算出する算出部と、
前記励起光の光路上またはその延長線上に配置された遮光部材と、
前記励起光の光路上に配置され、前記励起光を前記試料流体が流れる領域へ導く第１計測窓と、
前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記試料流体が流れる領域の外に配置された前記ラマン散乱光集光光学系へ導く第２計測窓と、を備え、
前記遮光部材は、
前記第２計測窓の前記試料流体に曝される面よりも前記受光部側に配置された第1遮光部材と、
前記第１計測窓と前記第２計測窓の間に配置され、前記励起光の光路以外の部分を遮光する第２遮光部材と、を含む、
流体組成分析機構。

【請求項3】

測定位置の試料流体に励起光を照射する光源と、
前記励起光が照射された試料流体から生じたラマン散乱光を受光して分光する受光部と、
前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記受光部へと集光して入射させるラマン散乱光集光光学系と、
前記受光部の出力に基づいて前記試料流体の組成を算出する算出部と、
前記励起光の光路上またはその延長線上に配置された遮光部材と、
前記励起光の光路上に配置され、前記励起光を前記試料流体が流れる領域へ導く第１計測窓と、
前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記試料流体が流れる領域の外に配置された前記ラマン散乱光集光光学系へ導く第２計測窓と、
前記第１計測窓と前記第２計測窓との間で前記測定位置を含んでポテンシャルコア部を有するようにして、前記試料流体を噴射させる供給手段と、を備え、
前記光路上における前記ポテンシャルコア部の幅は、前記測定位置を含む前記励起光の光路上の範囲であって、その範囲から発せられた光のうち前記ラマン散乱光集光光学系を通ったものの全てが幾何光学的に前記受光部に入射する範囲である被写界深度を含む、
流体組成分析機構。

【請求項4】

前記光源は、前記励起光の焦点が、前記第２計測窓の表面であって前記試料流体と接触する表面上に位置する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の流体組成分析機構。

【請求項5】

測定位置の試料流体に励起光を照射する光源と、
前記励起光が照射された試料流体から生じたラマン散乱光を受光して分光する受光部と、
前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記受光部へと集光して入射させるラマン散乱光集光光学系と、
前記受光部の出力に基づいて前記試料流体の組成を算出する算出部と、
前記励起光の光路上またはその延長線上に配置された遮光部材と、
前記励起光の光路上に配置され、前記励起光を前記試料流体が流れる領域へ導く第１計測窓と、
前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記光路と垂直に設けられ、前記励起光を反射する一方で、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記試料流体が流れる領域の外に配置された前記ラマン散乱光集光光学系へ導く第２計測窓と、
を備える流体組成分析機構。

【請求項6】

前記受光部は、前記励起光の光路の延長線上に配置されている、
請求項１から５のいずれか１項に記載の流体組成分析機構。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか１項に記載の流体組成分析機構と、
前記流体組成分析機構が出力する前記試料流体の組成の情報に基づいて前記試料流体の発熱量を算出する発熱量算出機構と、
を備える発熱量計測装置。

【請求項8】

燃料ガスを燃料として動作する発電プラントであって、
請求項７に記載の発熱量計測装置と、
前記発熱量計測装置が出力する前記燃料ガスの発熱量の情報に基づいて前記発電プラントの動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記発熱量計測装置に、燃料ガスの少なくとも一部が前記試料流体として導かれる発電プラント。

【請求項9】

測定位置の試料流体に励起光を照射する光源と、
励起光が照射された試料流体から生じたラマン散乱光を受光して分光する受光部と、
前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記受光部へと集光して入射させるラマン散乱光集光光学系と、
前記受光部の出力に基づいて前記試料流体の組成を算出する算出部と、
前記励起光の光路上またはその延長線上に配置された遮光部材と、
を備える流体組成分析機構を用いた流体組成分析方法であって、
前記測定位置を含む前記励起光の光路上の範囲であって、その範囲から発せられた光のうち前記ラマン散乱光集光光学系を通ったものの全てが幾何光学的に前記受光部に入射する範囲である被写界深度を含む、ポテンシャルコア部を有するように前記試料流体を噴射させる工程と、
前記光源から前記試料流体が流れる領域へ前記励起光を照射して、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記受光部へ入射させる工程と、
を含む流体組成分析方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流体組成分析機構、発熱量計測装置及び発電プラント、並びに、流体組成分析方法に関する。特に、ガスタービンに供給される燃料ガスの組成及び発熱量を計測する際のノイズ除去に関するものである。本願は、２０１１年９月１日に、日本に出願された特願２０１１−１９０７０２号、および、２０１２年５月２９日に、国際出願されたＰＣＴ／ＪＰ２０１２／０６３７８４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

【背景技術】

【0002】

一般に、低発熱量ガス、例えば、ＢＦＧ（Ｂｌａｓｔ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｇａｓ）を主とする燃料ガスをガスタービンの燃焼器によって燃焼させるガス焚き発電プラントでは、ＢＦＧが低発熱量である。このため、ＢＦＧよりも高発熱量のガス、例えば、ＣＯＧ（Ｃｏｋｅｓ Ｏｖｅｎ Ｇａｓ）を混合させて、例えば、１０００ｋｃａｌ／ｍ^３Ｎ程度に増熱させた燃料ガスが用いられている。

【0003】

燃焼器に導かれる燃料ガスは、低発熱量ガスと高発熱量ガスとが混合されている。このため、低発熱量ガスと高発熱量ガスの混合比が変動すると燃焼器の特性や、燃料ガスの出力が変動する可能性がある。このような燃焼器の特性やガスタービンの出力の変動を抑制するために、燃焼器に供給する前に低発熱量ガスの発熱量が計測されている。この計測された発熱量の結果により、高発熱量のガスの流量を制御して、燃焼器に供給される燃料ガスの発熱量を制御している。この発熱量の計測には、燃焼式や特許文献１及び２に記載のラマン散乱光を用いた方式がある。
燃焼式の発熱量計測装置では、燃料ガスをサンプリングしてバーナで燃焼させ、その燃焼ガスの温度と燃焼空気のバーナ入り口における温度との差を用いて発熱量を測定する。そのため、ガスのサンプリングや除湿などの測定の前処理などに時間を要する。また、測定時の装置の応答は分単位と比較的遅い。よって、ガスタービンに供給される燃料ガスの発熱量を迅速に制御するためには不向きである。
一方、特許文献１及び２に記載のラマン散乱光を用いた方式の発熱量計測装置では、測定時の装置の応答が比較的高速である。よって、ガスタービンに供給される燃料ガスの発熱量を迅速に制御するために適用しうる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００２−２８６６４４号公報

【特許文献2】特開２００５−２４２５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１及び２に記載の発明は、十分なＳＮ比でラマン散乱光を計測することができない。そのため、計測時間に数十秒要する可能性があった。より詳細には、一般に励起光は計測窓を通して燃料ガスに入射する。この計測窓は燃料ガスに含まれる煤等の異物によって汚されることが多い。この場合、計測窓に付着した異物に励起光が照射されることでノイズ光が発生する。そして、このノイズ光が検出器へと入射することによって、微弱なラマン散乱光を高ＳＮ比で測定することができなくなり、計測に長時間を要する。原理的には、入射する励起光強度を上げれば、信号強度も上昇するが、装置コストが高額となるほか、ノイズも増えることが多く、実用上現実的ではない。

【0006】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃焼器に供給される燃料ガスの発熱量を迅速に計測して、ガス焚き発電プラントの運転の信頼性や運転コストの低減が可能な流体組成分析機構、発熱量計測装置およびこれを備えたガス焚き発電プラントを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明に係る流体組成分析機構、発熱量計測装置およびこれを備えたガス焚き発電プラントは、以下の手段を採用する。
本発明の第一の態様に係る流体組成分析機構は、測定位置の試料流体に励起光を照射する光源と、励起光が照射された試料流体から生じたラマン散乱光を受光して分光する受光部と、前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記受光部へと集光して入射させるラマン散乱光集光光学系と、前記受光部の出力に基づいて前記試料流体の組成を算出する算出部と、前記励起光の光路上またはその延長線上に配置された遮光部材と、前記励起光の光路上に配置され、前記励起光を前記試料流体が流れる領域へ導く第１計測窓と、前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記試料流体が流れる領域の外に配置された前記ラマン散乱光集光光学系へ導く第２計測窓と、を備え、前記遮光部材は、前記第２計測窓の前記試料流体に曝される面よりも前記受光部側に配置された第１遮光部材と、前記第１遮光部材よりも受光部側に配置され、かつ前記測定位置から見て前記第１遮光部材と一致した輪郭を有する第２遮光部材と、を含む。
また、本発明の第二の態様に係る流体組成分析機構は、測定位置の試料流体に励起光を照射する光源と、前記励起光が照射された試料流体から生じたラマン散乱光を受光して分光する受光部と、前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記受光部へと集光して入射させるラマン散乱光集光光学系と、前記受光部の出力に基づいて前記試料流体の組成を算出する算出部と、前記励起光の光路上またはその延長線上に配置された遮光部材と、前記励起光の光路上に配置され、前記励起光を前記試料流体が流れる領域へ導く第１計測窓と、前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記試料流体が流れる領域の外に配置された前記ラマン散乱光集光光学系へ導く第２計測窓と、を備え、前記遮光部材は、前記第２計測窓の前記試料流体に曝される面よりも前記受光部側に配置された第1遮光部材と、前記第１計測窓と前記第２計測窓の間に配置され、前記励起光の光路以外の部分を遮光する第２遮光部材と、を含む。

【0008】

また、本発明の第三の態様に係る流体組成分析機構は、測定位置の試料流体に励起光を照射する光源と、前記励起光が照射された試料流体から生じたラマン散乱光を受光して分光する受光部と、前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記受光部へと集光して入射させるラマン散乱光集光光学系と、前記受光部の出力に基づいて前記試料流体の組成を算出する算出部と、前記励起光の光路上またはその延長線上に配置された遮光部材と、前記励起光の光路上に配置され、前記励起光を前記試料流体が流れる領域へ導く第１計測窓と、前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記試料流体が流れる領域の外に配置された前記ラマン散乱光集光光学系へ導く第２計測窓と、前記第１計測窓と前記第２計測窓との間で前記測定位置を含んでポテンシャルコア部を有するようにして、前記試料流体を噴射させる供給手段と、を備え、前記光路上における前記ポテンシャルコア部の幅は、前記測定位置を含む前記励起光の光路上の範囲であって、その範囲から発せられた光のうち前記ラマン散乱光集光光学系を通ったものの全てが幾何光学的に前記受光部に入射する範囲である被写界深度を含む。

【0009】

これらの構成によれば、試料流体に励起光を入射させると、試料流体中の成分によって異なる波長のラマン散乱光が生じる。試料流体中の成分は、ラマン散乱光から分光した波長によって知ることができる。そして、分光した波長により試料流体の組成を求めることができ、試料流体の組成から発熱量を算出することができる。

【0010】

本発明の以上の各流体組成分析機構においては、励起光の光路上またはその延長線上にラマン散乱光集光光学系が配置されている。このラマン散乱光集光光学系が、測定位置において生じたラマン散乱光を受光部へと集光して入射させる。ラマン散乱光は、励起光の進行方向と平行な方向で強く、直角な方向で弱いという強度分布をもっている。このため、ラマン散乱光の強度が強い方向にラマン散乱光集光光学系を設けたことにより、受光部に導かれるラマン散乱光の強度を高めることができる。
また、本発明の以上の各流体組成分析機構においては、励起光の光路上またはその延長線上に遮光部材が配置されている。ラマン散乱光の計測の障害となるノイズ光は主に励起光が照射された物質から発生する。そこで、励起光の光路上またはその延長線上に遮光部材を配置することで、励起光の光路において発生するノイズ光がラマン散乱光集光光学系を通って受光部に到達するのを効果的に防ぐことができる。その結果、高いＳＮ比でラマン散乱光を計測することができ、試料流体の組成及び発熱量を高応答で算出することができる。

【0012】

前記第一の態様に係る流体組成分析機構によれば、第１計測窓及び第２計測窓の試料流体に曝される面であり、且つ励起光が照射される位置から、ノイズ光が発生する。そして、これらのノイズ光は第２計測窓の近傍に設けられた第１遮光部材によって効果的にカットされるため、ラマン散乱光を高いＳＮ比で計測することができる。さらに、測定位置から見て第１遮光部材と一致した輪郭を有する第２遮光部材が設けられているから、ラマン散乱光をより高いＳＮ比で計測することができる。より詳しくは、測定位置から見て第２遮光部材は第１遮光部材と一致した輪郭を有する。このため、測定位置から生じたラマン散乱光を第１遮光部材が遮蔽する以上に、第２遮光部材が測定位置から生じたラマン散乱光を遮蔽することがない。その結果、ラマン散乱光の信号強度を低下させることがなく、より多くのノイズ光をカットすることができるから、ラマン散乱光をより高いＳＮ比で計測できる。

【0014】

前記第二の態様に係る流体組成分析機構によれば、第１計測窓及び第２計測窓の、試料流体に曝される面であり、且つ励起光が照射される位置から、ノイズ光が発生する。これらのノイズ光は第２計測窓の近傍に設けられた第１遮光部材によって効果的にカットされるため、ラマン散乱光を高いＳＮ比で計測することができる。さらに、第１計測窓と第２計測窓の間に配置され、励起光の光路以外の部分を遮光する第２遮光部材が設けられているから、ラマン散乱光をより高いＳＮ比で計測することができる。より詳しくは、第２遮光部材は、励起光の光路を遮蔽しないからラマン散乱光の発生を妨げることがない。かつ、第２遮光部材は、第１計測窓の試料流体に曝される面であって励起光が照射される位置から発生したノイズ光が受光部へ入射することを効果的に妨げることができる。そのため、ラマン散乱光の信号強度を低下させることなくノイズ光をカットできるから、ラマン散乱光をより高いＳＮ比で計測できる。

【0016】

受光部に入射するラマン散乱光の大部分は被写界深度で発せられたものであるところ、前記第三の態様に係る流体組成分析機構によれば、被写界深度の範囲は噴流のポテンシャルコア部内に含まれているので、せん断層における混合によって変動した流体の組成を計測することを回避することができる。したがって、ガスタービンに供給する燃料ガスの発熱量を高応答で計測及び算出することができる。また、小型で安価な計測装置とすることができる。さらに、ノイズ光の影響をより低減させることができるので、ラマン散乱光の計測精度をより向上させることができる。

【0017】

本発明の第四の態様は、以上の各態様に係る流体組成分析機構であって、励起光の焦点が、前記第２計測窓の表面であって前記試料流体と接触する表面上に位置する。

【0018】

この構成によれば、試料流体と接触する部材の表面であって励起光により照射される部分の面積を最小とすることができる。ノイズ光は主に励起光により照射された部分から発生する。しかし、この構成によればノイズ光が発生する面積を小さくすることができる。そのため遮光部材によって効果的にノイズ光をより容易に除去することができ、ラマン散乱光をより高いＳＮ比で計測できる。

【0019】

本発明の第五の態様に係る流体組成分析機構は、測定位置の試料流体に励起光を照射する光源と、前記励起光が照射された試料流体から生じたラマン散乱光を受光して分光する受光部と、前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記受光部へと集光して入射させるラマン散乱光集光光学系と、前記受光部の出力に基づいて前記試料流体の組成を算出する算出部と、前記励起光の光路上またはその延長線上に配置された遮光部材と、前記励起光の光路上に配置され、前記励起光を前記試料流体が流れる領域へ導く第１計測窓と、前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記光路と垂直に設けられ、前記励起光を反射する一方で、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記試料流体が流れる領域の外に配置された前記ラマン散乱光集光光学系へ導く第２計測窓と、を備える。

【0020】

この構成によれば、測定領域の試料流体に対して、光源から入射する励起光と、反射鏡により反射された励起光が照射される。このため、受光部に入射するラマン散乱光のラマン散乱光の強度を向上させることができる。したがって、高応答、高精度で組成及び発熱量を算出することができる。

【0021】

さらに、本発明の第七の態様に係る発熱量計測装置は、本発明の第一の態様から第六の態様に係る流体組成分析機構と、前記流体組成分析機構が出力する前記試料流体の組成の情報に基づいて前記試料流体の発熱量を算出する発熱量算出機構と、を備える。

【0022】

本発明の第一の態様から第六の態様に係る流体組成分析機構は短時間で流体の組成を分析することができる。このため、これを用いた発熱量計測装置は、試料流体の発熱量を高速に算出することができる。

【0023】

さらに、本発明の第八の態様に係る発電プラントは、燃料ガスを燃料として動作する発電プラントであって、本発明の第七の態様に係る発熱量計測装置と、前記発熱量計測装置が出力する前記燃料ガスの発熱量の情報に基づいて前記発電プラントの動作を制御する制御装置と、を備え、前記発熱量計測装置に、前記燃料ガスの少なくとも一部が前記試料流体として導かれる。

【0024】

本発明の第七の態様に係る発熱量計測装置は発電プラントに供給される燃料ガスの発熱量を迅速に計測することができる。そのため、この構成によれば、発電プラントに供給される燃料ガスの発熱量制御を迅速に行うことができ、高発熱量な燃料ガスの過剰な供給を抑制することができる。また、高発熱量の燃料ガスを使用せずに低発熱量の燃料ガスのみを使用して発電プラントを運転することもできる。したがって、発電プラントの運転コストを低減させることができる。

【0025】

本発明の第九の態様に係る流体組成分析方法は、測定位置の試料流体に励起光を照射する光源と、励起光が照射された試料流体から生じたラマン散乱光を受光して分光する受光部と、前記励起光の光路上またはその延長線上に配置され、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記受光部へと集光して入射させるラマン散乱光集光光学系と、前記受光部の出力に基づいて前記試料流体の組成を算出する算出部と、前記励起光の光路上またはその延長線上に配置された遮光部材と、を備える流体組成分析機構を用いた流体組成分析方法であって、前記測定位置を含む前記励起光の光路上の範囲であって、その範囲から発せられた光のうち前記ラマン散乱光集光光学系を通ったものの全てが幾何光学的に前記受光部に入射する範囲である被写界深度を含む、ポテンシャルコア部を有するように前記試料流体を噴射させる工程と、前記光源から前記試料流体が流れる領域へ前記励起光を照射して、前記測定位置において生じた前記ラマン散乱光を前記受光部へ入射させる工程と、を含む。

【発明の効果】

【0026】

上記した流体組成分析機構及び流体組成分析方法においては、ラマン散乱光の強度が強い方向にラマン散乱光集光光学系を設けたことにより、受光部に導かれるラマン散乱光の強度を高めることができる。さらに、励起光の光路上またはその延長線上に遮光部材を配置することで、励起光の光路において発生するノイズ光がラマン散乱光集光光学系を通って受光部に到達するのを効果的に防ぐことができる。これにより、分光手段に受光させるラマン散乱光の強度を高め、かつ、ノイズを低減できる。そのため、試料流体の発熱量を高応答で算出することができる。したがって、この流体組成分析機構を備える発熱量計測装置の応答性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の第一実施形態に係る発熱量計測装置を備えたガス焚き発電プラントの概略構成図である。

【図2】本発明の第一実施形態に係る計測ユニットの概略構成図である。

【図3】本発明の第一実施形態に係る計測ユニットにおいて、計測窓から発生するノイズの光路を示す図である。

【図4A】計測窓から発生するノイズ光が遮光される状況を示す図である。

【図4B】計測窓から発生するノイズ光が遮光される状況を示す図である。

【図4C】計測窓から発生するノイズ光が遮光される状況を示す図である。

【図5】各成分のラマンシフト量と、レーザ波長とラマン散乱光波長の関係を示すグラフである。

【図6】本発明の実施の形態に関わる遮光部材の有無において、信号強度（ラマン散乱光とノイズを含む）との関係を示すグラフである。

【図7】各成分のラマン散乱光強度と波長との関係を示すグラフである。

【図8A】本発明の第一実施形態の変形例であり、ラマン散乱光の入射方向を変更させた構成図である。

【図8B】本発明の第一実施形態の変形例であり、ラマン散乱光の入射方向および光路長を変更させた構成図である。

【図9】本発明の第二実施形態に係る計測ユニットにおいて、励起光入射部及び反射部の２つの計測窓の間に遮光部材を配置した構成図である。

【図10】本発明の第三実施形態に係る計測ユニットの概略構成図である。

【図11】測定点の位置と受光部におけるラマン散乱光の集光率との関係を示すグラフである。

【図12】被写界深度の範囲と受光部におけるラマン散乱光の集光率との関係を説明する模式図である。

【図13】第１計測窓と第２計測窓との距離とノイズ光の相対強度との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0028】

図１は、本発明の第一実施形態に係る発熱量計測装置を備えたガス焚き発電プラントの例を示す概略構成図である。
図１に示されているように、ＢＦＧ焚き複合発電プラント（ガス焚き発電プラント）１は、燃料ガスを燃焼して回転駆動するガスタービン２と、燃料ガスを圧縮するガス圧縮機４と、蒸気によって回転駆動される蒸気タービン５と、電気を発生する発電機（図示せず）と、燃料ガスの発熱量を計測する発熱量計測装置６とを有している。

【0029】

本実施形態では一軸式のＢＦＧ焚き複合発電プラントを用いて説明する。しかし、本発明の実施の形態は一軸式複合発電プラントに限定されるものではなく、ガスタービン単独の発電プラント、或いは二軸式、多軸式の発電プラントにも適用可能である。

【0030】

発熱量計測装置６は、ラマン散乱光を用いて燃料ガス（試料流体）の発熱量を計測する装置である。発熱量計測装置６により得られた発熱量の情報は、制御装置７へと入力される。制御装置７は、この情報に基づいてＢＦＧ焚き複合発電プラント１の動作を制御する。一方、発熱量計測装置６によって発熱量が計測された燃料ガスは、ガス圧縮機４へと導かれる。

【0031】

ガス圧縮機４は、燃料ガスを圧縮する装置である。ガス圧縮機４には、回転軸３が接続されている。回転軸３は、図示しない歯車装置を介してガスタービン２および蒸気タービン５に接続されている。

【0032】

ガス圧縮機４によって圧縮された燃料ガスは、ガスタービン２へと導かれる。
ガスタービン２は、図示しない、空気圧縮機と、燃焼器と、タービンとを備える。空気圧縮機は、燃焼器へと高圧空気を送り出す。燃焼器は、高圧空気と燃料ガスの混合気を燃焼させて燃焼ガスを生成する。タービンは、空気圧縮機と同軸に設けられており、燃焼器から排出された燃焼ガスのエネルギーを回転エネルギーに変換する。この回転エネルギーの一部は空気圧縮機が高圧空気を生み出すために使われ、残りのエネルギーは回転軸３を回転させて駆動させるために用いられる。

【0033】

回転軸３の端部には、発電機が接続されている。そのため、タービンが回転軸３を回転させることにより、発電機が発電する。また、回転軸３の回転によって、前述したように歯車装置を介してガス圧縮機４が回転駆動される。

【0034】

タービンを通った燃焼ガスは、排ガス回収ボイラ（図示せず）へと導かれる。排ガス回収ボイラは、ガスタービン２から導かれた燃焼ガスの熱によって蒸気を発生する装置である。排ガス回収ボイラにおいて蒸気を発生させた燃焼ガスは、煙突（図示せず）から複合発電プラント１の外へと排出される。

【0035】

排ガス回収ボイラにおいて、ガスタービン２から導かれた高温の燃焼ガスにより発生した蒸気は、蒸気タービン５へと供給される。蒸気タービン５は、ガスタービン２と同じ回転軸３に接続されており、いわゆる一軸式のコンバインドシステムを構成している。なお、一軸式のコンバインドシステムに限らず、別軸式のコンバインドシステムであっても構わない。

【0036】

タービンによって回転駆動される回転軸３は、蒸気タービン５によって駆動力が増加する。そのため、回転軸３が接続されている発電機の発電量が増加する。また、回転軸３に接続されている歯車装置を介して、ガス圧縮機４が回転駆動される。

【0037】

蒸気タービン５を回転駆動した蒸気は、復水器（図示せず）へと導かれる。蒸気タービン５を回転駆動した蒸気は、復水器によって冷却されて水に戻される。復水器によって戻された水は、排ガス回収ボイラへと導かれる。

【0038】

次に、本発明の第一実施形態に係る発熱量計測装置について説明する。
図２に計測ユニットの概略構成図の例を示す。計測ユニットは、ラマン散乱光を用いて燃料ガスの組成及び発熱量を計測する装置である。

【0039】

計測ユニットは、測定ガス（燃料ガス）を導入するケーシング１１を備える。ケーシング１１には、燃料ガスが導入される導入口と、計測領域内を通過した燃料ガスをケーシング１１から導出する導出口とが開口している。また、計測ユニットは一定波長の励起光をケーシング１１内の計測領域内の燃料ガスに入射する送光用光ファイバー１２（光源）を備える。
送光用光ファイバー１２が設けられている側のケーシング１１の側壁１１ａには、励起光を通過させる第１計測窓１４が、励起光と同軸に設けられている。また、送光用光ファイバー１２と第１計測窓１４との間には、励起光を通過させる絞り１３が励起光と同軸に設けられている。

【0040】

一方、送光用光ファイバー１２が設けられている側のケーシング１１の側壁１１ａの反対側の側壁１１ｂには、第２計測窓１５が、励起光と同軸かつ垂直に設けられている。この第２計測窓１５は、励起光を反射しラマン散乱光を透過させる特性を有する。また、第２計測窓１５は、送光用光ファイバー１２によってケーシング１１内に入射された励起光を垂直に反射する一方で、ラマン散乱光を透過する。また、励起光の延長線上には、ラマン散乱光を受光する受光用光ファイバー１７（受光部）が、励起光の延長線と同軸に設けられている。
また、第２計測窓１５と受光用光ファイバー１７との間には、２枚の平凸レンズからなる集光レンズ１６（ラマン散乱光集光光学系）が励起光の延長線と同軸に設けられている。そして、二つの計測窓１４，１５で挟まれた空間であって、励起光の照射を受ける位置である測定点Ａ（測定位置；励起光の光路上の点であって、受光用光ファイバー１７の受光面を物点とした場合の集光レンズ１６の像点）からのラマン散乱光を受光用光ファイバー１７に集光する。（後述するが、正確には集光レンズ１６は測定点Ａからのラマン散乱光のみを受光用光ファイバー１７に集光するわけではない。励起光の光路上であって測定点Ａの近傍で発生したラマン散乱光も、一定の割合で受光用光ファイバー１７に集光される。しかし、説明の都合上、まずは測定点Ａからのラマン散乱光に着目する。）この集光レンズ１６は、ラマン散乱光の波長のみを透過させるフィルタ２０を備えている。

【0041】

受光用光ファイバー１７には、分光算出手段２１（算出部）が接続されている。分光算出手段２１は、受光用光ファイバー１７によって検出されたラマン散乱光を分光し、各成分のラマン散乱光強度から燃料ガスの組成及び発熱量を算出する。

【0042】

第２計測窓１５の外側には第１遮光部材１８（遮光部材）が設けられている。また、集光レンズ１６の内部には第２遮光部材１９が設けられている。第１遮光部材１８及び第２遮光部材１９は、円形状を有しており、励起光または励起光の延長線と同軸に配置されるとともに、各遮光部材が設置されている領域の光は透過しない機能を有する。また、第１遮光部材１８と第２遮光部材１９とは、測定点Ａから見て同一の輪郭を有するように配置される。より詳しくは、第１遮光部材１８の半径をＲ１８、第２遮光部材１９の半径をＲ１９とする。さらに、図２に示すように、入射方向における測定点Ａと第１遮光部材１８との距離をａとし、入射方向における測定点Ａと第２遮光部材１９との距離をｂとすると、Ｒ１８／Ｒ１９＝ａ／ｂの関係を有する。すなわち、第２遮光部材１９は第１遮光部材１８より大きな半径を有する。例えば、第１遮光部材１８の半径が５ｍｍ、距離ａが５０ｍｍ、距離ｂが１００ｍｍの場合には、第２遮光部材１９の半径は１０ｍｍとなる。

【0043】

次に、本発明の第一実施形態に係る発熱量計測装置の作用について説明する。
本発明の第一実施形態に係る発熱量計測装置において燃料ガスの発熱量を計測する工程を説明する。まず、ケーシング１１に設けられた導入口と導出口を開き、ケーシング１１の計測領域内に試料流体となる燃料ガスを導入する。
次いで、送光用光ファイバー１２により一定の波長を有する励起光を送出する。送光用光ファイバー１２から送出された励起光は、絞り１３と計測窓１４を透過し、ケーシング１１内の計測領域内に導入された燃料ガス、特に測定点Ａを流れる燃料ガスを照射する。また、計測窓１５に達した励起光は、入射してきた方向と同じ方向へ垂直に反射され、再び測定点Ａを流れる燃料ガスを照射する。この構成により、測定点Ａを流れる燃料ガスを照射する励起光の強度を増加させることができる。そのため、測定点Ａにおいて生じるラマン散乱光の強度を増加させ、計測に要する時間を短縮することができる。その結果、高応答にて試料流体の組成及び発熱量を算出することができる。

【0044】

送光用光ファイバー１２から計測領域内の燃料ガスに入射された励起光は、様々な波長のラマン散乱光を生じる。ラマン散乱光は、燃料ガス中の各成分に特有な振動エネルギーによって異なる波長を生じる散乱光である。また、ラマン散乱光の強度は、励起光の入射軸方向の前方方向（以下、「前方側ラマン散乱光」という。）および後方方向（以下、「後方側ラマン散乱光」という。）が大きいことが知られている。
測定点Ａにおける燃料ガスが送光用光ファイバー１２からの励起光に照射されて前方側ラマン散乱光が生じる。また、測定点Ａにおける燃料ガスが計測窓１５に反射された励起光に照射されて後方側ラマン散乱光が生じる。前方側ラマン散乱光と後方側ラマン散乱光とは、計測窓１５を透過してケーシング１１の外側に導かれる。測定点Ａから生じたラマン散乱光は、フィルタ２０にてラマン散乱光以外の光が除去された後、集光レンズ１６によって受光用光ファイバー１７に集光されて入射する。

【0045】

集光レンズ１６によって集光されたラマン散乱光は、受光用光ファイバー１７によって分光算出手段２１に導かれ、燃料ガスの成分に応じた波長のラマン散乱光に分光される。さらに、分光算出手段２１は分光された各波長のラマン散乱光の強度から、燃料ガスの組成及び発熱量を算出する。燃料ガスの組成及び発熱量を算出する機構については後に詳述する。

【0046】

次に、第１計測窓１４及び第２計測窓１５から発生するノイズ光を除去する機構を、図３を参照して説明する。第１計測窓１４及び第２計測窓１５が燃料ガスなどにより汚れると、第１計測窓１４及び第２計測窓１５における励起光照射部分（中央部分）でノイズ光が発生する。ラマン散乱光は微弱であり、ノイズ光を計測すると計測精度が低下する。そのため、計測に際してノイズ光を除去する機構は重要である。

【0047】

第１計測窓１４は集光レンズ１６から測定点Ａより遠方に配置されている。一方、第２計測窓１５は集光レンズ１６から測定点Ａより近傍に配置されている。そのため、集光レンズ１６から見た場合、第１計測窓１４のノイズ発生部と第２計測窓１５のノイズ発生部の視野角は異なり、第１計測窓１４のノイズ発生部からの視野角θは小さく、第２計測窓１５のノイズ発生部からの視野角φは大きい。本実施形態では、第１遮光部材１８及び第２遮光部材１９の２種類を備えているため、第１計測窓１４からのノイズ光は第２遮光部材１９により効率よく除去される。一方、第２計測窓１５からのノイズ光は第１遮光部材１８により効率よく除去される。

【0048】

これを、図４Ａ〜図４Ｃを参照して、さらに説明する。図４Ａに示すように、第１遮光部材１８及び第２遮光部材１９が設けられていない場合、第２計測窓１５の測定ガス側の表面であって励起光に照射される位置（以下、「ノイズ発生点Ｙ」という。）から発生するノイズ光は、遮光部材によって遮られることなく集光レンズ１６に入射する。ここで、集光レンズ１６は、測定点Ａからの光を受光用光ファイバー１７に集光するように構成されている。そのため、測定点Ａよりも集光レンズ１６に近い位置であるノイズ発生点Ｙから生じたノイズ光は、受光用光ファイバー１７へと集められることはない。しかし、ノイズ発生点Ｙから発生したノイズ光のうち、励起光と平行に近い角度を持つノイズ光については、集光レンズ１６の光軸近傍を通過するため、屈折による転向量が小さく、受光用光ファイバー１７へと入射する。
また、第１計測窓１４の測定ガス側の表面であって、励起光に照射される位置（以下、「ノイズ発生点Ｘ」という。）から発生するノイズ光は、遮光部材によって遮られることなく集光レンズ１６に入射する。ここで、集光レンズ１６は、測定点Ａからの光を受光用光ファイバー１７に集光するように構成されている。これにより、集光レンズ１６からみて測定点Ａよりも遠い位置であるノイズ発生点Ｘから生じたノイズ光は、集光レンズ１６と受光用光ファイバー１７との間の位置に集光され、受光用光ファイバー１７へと集められることはない。しかし、ノイズ発生点Ｘから発生したノイズ光のうち、励起光と平行に近い角度を持つノイズ光については、集光レンズ１６の光軸近傍を通過するため、屈折による転向量が小さく、受光用光ファイバー１７へと入射する。

【0049】

次に、図４Ｂに遮光部材１８のみを設けた場合を示す。ノイズ光を効率よく遮光するためには、ノイズ光が発生する位置の近傍に遮光部材を設ければよい。このように構成することで、小さな遮光部材を用いても広い角度の範囲に照射されるノイズ光を除去することができる。図４Ｂに示すように、第１遮光部材１８は、励起光の延長線上であって第２計測窓１５の近傍に設けられているから、第２計測窓１５の測定ガス側表面に位置するノイズ発生点Ｙからのノイズ光を、小さな面積で効率よく遮光することができる。特に、ノイズ発生点Ｙから発生したノイズ光のうち、励起光と平行に近い角度を持ち、受光用光ファイバー１７へと入射するノイズ光について、第１遮光部材１８は、このノイズ光を確実に遮光し、受光用光ファイバー１７へと入射することを妨げることができる。小さな面積の第１遮光部材１８でノイズ光を遮光できるので、計測対象であるラマン散乱光が第１遮光部材によって大きく遮光されてしまうこともない。
一方で、ノイズ発生点Ｘからのノイズ光についても、第１遮光部材１８はこのノイズ光を効果的に遮光することができる。すなわち、第１遮光部材１８はノイズ発生点Ｘから離れているため、ノイズ発生点Ｘからのノイズ光を広い角度範囲で遮ることはできない。しかし、ノイズ発生点Ｘから発生するノイズ光のうち、実際に集光レンズ１６を通って受光用光ファイバー１７に到達するノイズ光は、励起光と平行に近い角度を持つノイズ光のみである。第１遮光部材１８は、励起光の延長線上に設けられているから、ラマン散乱光の計測にあたって実際に障害となるノイズ光を効率よく遮光することができる。小さな面積の第１遮光部材１８でノイズ光を遮光できるので、計測対象であるラマン散乱光が第１遮光部材によって大きく遮光されてしまうこともない。
このように、本実施形態においては、強いノイズ光が発生するのは第１計測窓１４及び第２計測窓１５の燃料ガス側表面における励起光が照射された部分であるという新たな知見に基づき、励起光の延長線上に第１遮光部材１８を配置することでノイズ光を効率よく遮光できる。第１遮光部材１８の配置によって、強い強度を持つ前方側ラマン散乱光と後方側ラマン散乱光を集光して分光算出手段２１へと導き、かつこれらラマン散乱光を大きく遮光することなくノイズ光を遮光できる。そのため、高いＳＮ比でラマン散乱光を計測することができ、計測に要する時間を短縮することができる。その結果、試料流体の組成及び発熱量を高応答にて算出することができる。

【0050】

次に、図４Ｃに、第１遮光部材１８に加えて第２遮光部材１９も設けた場合を示す。図４Ｃに示すように、第２遮光部材１９は、励起光の延長線上であって第１遮光部材１８よりも受光用光ファイバー１７側に設けられている。また、前述したとおり、第２遮光部材１９は、測定点Ａから見て第１遮光部材１８と同一の輪郭を有するように配置される。そのため第２遮光部材１９は、測定点Ａにおいて発生し集光レンズ１６に向かうラマン散乱光を、第１遮光部材１８が遮光するよりも広い範囲で遮光することがない。
そして、第２遮光部材１９は、ノイズ発生点Ｘからのノイズ光をより低減させることができる。前述のとおり、ノイズ発生点Ｘからのノイズ光のうち実際に集光レンズ１６を通って受光用光ファイバー１７へと入射するノイズ光は、第１遮光部材１８で遮光される。しかし、それらのノイズ光よりも僅かに大きな角度を持つノイズ光は受光用光ファイバー１７の近傍に到達し、計測に悪影響を与える可能性がある。第２遮光部材１９は、計測対象であるラマン散乱光を新たに遮ることなく、このノイズ光を遮り、より確実にノイズ発生点Ｘからのノイズ光が受光用光ファイバー１７へと入射することを防ぐことができる。そのため、より高いＳＮ比でラマン散乱光を計測することができ、計測に要する時間を短縮することができる。その結果、試料流体の組成及び発熱量を高応答にて算出することができる。

【0051】

また、第１計測窓１４及び第２計測窓１５から生じるノイズ光の領域を小さくすることもノイズ除去を行う上で重要である。励起光が第１計測窓１４及び第２計測窓１５に照射される部分を最小限とするよう、励起光は第２計測窓１５表面で焦点を結ぶように入射される。これにより、第１遮光部材１８及び第２遮光部材１９によって、さらに効率よくノイズ光を遮光することができる。この結果、高いＳＮ比でラマン散乱光を計測することができる。

【0052】

次に、燃料ガスの組成及び発熱量を算出する機構について詳述する。図５は、燃料ガスの各成分に一定の波長の励起光を入射させた場合におけるラマンシフト量と、ラマン散乱光波長を示した図である。図５が示すようにラマンシフト量によって燃料ガスに含まれている成分を知ることができ、各波長のラマン散乱光強度より、成分の濃度を求めることができる。

【0053】

図６は、ケーシング１１内に空気を導入した場合において、４０５ｎｍの励起光を照射し、第１遮光部材１８及び第２遮光部材１９が設けられている場合と、第１遮光部材１８及び第２遮光部材１９が設けられていない場合にラマン散乱光を計測した結果の比較を示した図である。空気内の成分である窒素（Ｎ_２：４４７．２ｎｍ）、酸素（Ｏ_２：４３２．７ｎｍ）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ：４７５．５ｎｍ）のラマン散乱光が確認できる。第１遮光部材１８及び第２遮光部材１９が設けられていない場合には、各ラマン散乱光の波長以外にノイズ光が検知されている。すなわち、第１遮光部材１８及び第２遮光部材１９を設けることによりノイズ光を低減し、精度の良い計測が可能となることが確認できる。

【0054】

次に、燃料ガスの発熱量の検出方法と算出方法について説明する。
燃料ガスに励起光を入射することによってラマン散乱光が生じる。ラマン散乱光は、燃料ガス中の各成分に特有な振動エネルギーによって異なる波長を生じる散乱光である。そのため、励起光の波長とラマン散乱光の波長との差であるラマンシフト量は、成分毎に特有であることが知られている。

【0055】

第１計測窓１４及び第２計測窓１５が汚れると、受光用光ファイバー１７により伝送された各波長のラマン散乱光の強度は低下する。この影響を補正するため、混合ガスの主成分、例えば窒素（Ｎ_２）のラマン散乱光強度であるＩＮ_２を基準として、他の成分のラマン散乱光の強度との比をとった相対値ＩＣＯ／ＩＮ_２、ＩＣＯ_２／ＩＮ_２、ＩＨ_２Ｏ／ＩＮ_２、ＩＨ_２／ＩＮ_２、ＩＣＨ_４／ＩＮ_２を用いることがよく知られている。これにより、ラマン散乱光用の第２計測窓１５の汚れの影響を減らすことができる。

【0056】

図７は、例として、入射光として４０５ｎｍの波長の励起光を、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素（Ｎ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、水素（Ｈ_２）を含む燃料ガスに入射させた場合における計測結果を示している。図７において、横軸は各成分のラマン散乱光の波長を示し、縦軸は各成分を窒素成分のラマン散乱光の強度ＩＮ_２によって正規化した相対信号強度を示している。

【0057】

燃料ガスの発熱量は、各成分のラマン散乱光の波長の相対信号強度と、各成分のモル分率と、を用いることによって算出することが知られている。
数１に示す式（１）は、燃料ガスが前項の成分であった場合の燃料ガスの高位発熱量（ＨＨＶ）を求める式の例である。また、数２に示す式（２）は、燃料ガスの低位発熱量（ＬＨＶ）を求める式の例である。

【0058】

【数1】

【0059】

【数2】

【0060】

なお、ＨＨＶは、燃料ガス中の水分及び燃焼によって生成された水分の凝縮熱を発熱量として含む発熱量（ｋｃａｌ／ｍ^３Ｎ）である。ＬＨＶは、凝縮熱を含まない燃料ガス中の発熱量（ｋｃａｌ／ｍ^３Ｎ）である。また、ＣＮ_２、ＣＣＯ、ＣＣＯ_２、ＣＨ_２Ｏ、ＣＨ_２、ＣＣＨ_４は、それぞれ以下に示す式（３）から式（８）によって求められる各成分Ｎ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｈ_２、ＣＨ_４のモル分率である。なお、以下の数３から数８に示す式（３）から式（８）のαは各成分の校正定数である。

【0061】

【数3】

・・・（３）

【0062】

【数4】

・・・（４）

【0063】

【数5】

・・・（５）

【0064】

【数6】

・・・（６）

【0065】

【数7】

・・・（７）

【0066】

【数8】

・・・（８）

【0067】

分光算出手段２１によって、分光された燃料ガス中の各成分Ｎ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｈ_２、ＣＨ_４に由来するラマン散乱光の強度から、窒素成分ＩＮ_２に対する相対強度値ＩＣＯ／ＩＮ_２、ＩＣＯ_２／ＩＮ_２、ＩＨ_２Ｏ／ＩＮ_２、ＩＨ_２／ＩＮ_２、ＩＣＨ_４／ＩＮ_２が算出される。さらに分光算出手段２１は、算出された各成分の相対強度値ＩＣＯ／ＩＮ_２、ＩＣＯ_２／ＩＮ_２、ＩＨ_２Ｏ／ＩＮ_２、ＩＨ_２／ＩＮ_２、ＩＣＨ_４／ＩＮ_２と、前述した式（１）から式（８）を用いて燃料ガスの発熱量ＨＨＶ（又はＬＨＶ）を算出する。このようにして、ガスタービン２（図１参照）に導かれる燃料ガスの発熱量ＨＨＶ（又はＬＨＶ）が算出される。
本実施形態に係る発熱量計測装置を用いて燃料ガスの発熱量を計測することによって、燃料ガスの発熱量を短時間で知ることができる。

【0068】

得られた燃料ガスの発熱量の情報は、発電プラントの動作を制御する制御装置７へと送られる。制御装置７は、例えば、燃料ガスの発熱量が所定の値を下回る場合には、燃料ガスに適宜ＣＯＧを混合させて燃料ガスを増熱したり、低発熱量の燃料ガスでの運転に適した値へとガスタービン２の制御設定値を変更したりする。そのため、燃焼器に供給される燃料ガス中において、高発熱量の燃料ガスの過剰な供給を制御することができる。或いは、高発熱量の燃料ガスを使用せずに低発熱量の燃料ガスのみを使用して発熱量を制御することもできる。したがって、ＢＦＧ焚き複合発電プラント（ガス焚き発電プラント）１の運転コストを低減させることができる。

【0069】

以上、本発明の一態様の技術思想について第一実施形態に則して説明したが、当該技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、第一実施形態では第２遮光部材１９を設けた例を示した。しかし、第２遮光部材１９を設けなくても十分なノイズ光除去効果は得られるうえ、装置をより簡便な構成とすることもできる。

【0070】

また、本実施形態では受光用光ファイバー１７を励起光の延長線と同軸に設けた例を示した。しかし、これに限定されず、受光用光ファイバー１７に入射するラマン散乱光の焦点が受光用光ファイバー１７の受光面上に位置するように設置されていればよい。具体的には、例えば図８Ａに示すように、励起光の延長線上で集光レンズ１６と受光用光ファイバー１７との間に、鏡やプリズムなどの光転向部材２２を設置してもよい。こうすることで、ラマン散乱光の入射する方向を転向させて、受光用光ファイバー１７を励起光の延長線上で同軸に設けない構成とすることもできる。さらに、図８Ｂに示すように、ラマン散乱光を光転向部材２２で転向させた後に、例えば、凹レンズ２３や凸レンズなどを設けて、これにより集光レンズ１６から、受光用光ファイバー１７が設けられる焦点位置までの距離を変更させる構成としてもよい。これらの構成とすることで、受光用光ファイバー１７を設置する位置の自由度を高めることができる。

【0071】

次に、本発明の第二実施形態に係る発熱量計測装置について、図９を参照しながら説明する。なお、第一実施形態と共通する部分については説明を省略する。
本発明の第二実施形態に係る発熱量計測装置は、図９に示すように、第１遮光部材１８及び第２遮光部材１９を、励起光の光路上またはその延長線上に配置、即ち、第２計測窓１５の後方（第１遮光部材１８）と、第１計測窓１４と第２計測窓１５の間（第２遮光部材１９）に設置した例である。第２遮光部材１９は励起光の光路と同軸の遮光領域を有し、これにより励起光の光路以外の部分を遮光し、第１計測窓１４からのノイズ光を除去する。一方、第１遮光部材１８は励起光の光路と同軸の遮光領域を有し、第２計測窓１５からのノイズ光を除去する部材であり、この構成により図３に示した第一実施形態の計測ユニット構成と同様なノイズ光除去効果を得ることができる。

【0072】

以上、本発明の一態様の技術思想について第二実施形態に則して説明したが、当該技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、第二実施形態では二つの遮光部材を設けているが、さらにこれに加えて第一実施形態における第２遮光部材１９を追加して設置し、三つの遮光部材を設ける構成としてもよい。

【0073】

次に、本発明の第三実施形態に係る発熱量計測装置について、図１０を参照しながら説明する。なお、第一実施形態と共通する部分については説明を省略する。
本発明の第三実施形態に係る発熱量計測装置は、図１０に示すように、ケーシング１１内へ試料流体としての燃料ガスＧ１が導入される導入口に、燃料ガスＧＧ１を供給する供給手段を備えた例である。供給手段は、導入口から燃料ガスＧ１を噴射させる噴射孔１１ｃと、噴射孔１１ｃをケーシング１１に接続させる側壁１１ｄと、噴射孔１１ｃに所望の流量及び圧力で燃料ガスＧ１を供給する図示しない供給部とを有する。噴射孔１１ｃは、燃料ガスＧ１の流れ方向から見てケーシング１１の中央部に一つ設けられた所定の流路断面積を有する断面視円形状の直管である。側壁１１ｄは、噴射孔１１ｃの下流端と側壁１１ａ，１１ｂの上流端との間で平板状に設けられ、かつ、噴射孔１１ｃ及び側壁１１ａ，１１ｂに対してそれぞれ垂直となるように接続されている。

【0074】

また、噴射孔１１ｃ及び側壁１１ｄの下流側近傍に測定点Ａが位置するように、送光用光ファイバー１２、絞り１３、第１計測窓１４、第２計測窓１５、集光レンズ１６、受光用光ファイバー１７、第１遮光部材１８、第２遮光部材１９、及びフィルタ２０が設けられている。この際、第１計測窓１４と第２計測窓１５との間（距離Ｗの範囲内）で測定点Ａを含んで、後述するポテンシャルコア部Ｇｐを有するように、燃料ガスＧ１を噴射させる噴射孔１１ｃ、側壁１１ｄ及び図示しない供給部を含む供給手段を構成する。具体的には、供給部により燃料ガスＧ１の供給する流量や圧力を調整し、また、噴射孔１１ｃ及び側壁１１ｄの配置や形状を設定することにより、供給手段から噴射される燃料ガスＧ１のポテンシャルコア部Ｇｐが測定点Ａを含むように供給手段が構成される。

【0075】

次に、本発明の第三実施形態に係る発熱量計測装置の作用について説明する。
ケーシング１１の導入口に新たな燃料ガスＧ１が供給されると、噴射孔１１ｃからケーシング１１内へ燃料ガスＧ１が噴射される。噴射された燃料ガスＧ１は、ある流速をもった噴流となってケーシング１１の導出口に向けて下流側へと流れていく。一方、ケーシング１１内には既にケーシング１１内に噴射された燃料ガスの一部であって下流側へ流れることなく滞留している燃料ガスＧ２が残存している。

【0076】

よって、燃料ガスＧ２よりも大きな流速を有する燃料ガスＧ１が噴射されると、燃料ガスＧ１と燃料ガスＧ２との流速差によりせん断力が発生する。これにより、燃料ガスＧ１と燃料ガスＧ２との境界面には、流体が不安定な状態であるせん断層Ｇｓが形成される。このせん断層Ｇｓにおいては、燃料ガスＧ１と燃料ガスＧ２とが互いに渦を形成しながら下流側に向かって徐々に混合されていく非定常な状態となっている。したがって、せん断層Ｇｓでの燃料ガスの流速は噴射直後の燃料ガスＧ１の流速とは異なり、通常は徐々に遅くなっていく。また、せん断層Ｇｓは燃料ガスＧ１と燃料ガスＧ２とが混合しながら、下流側へ流れるにしたがって徐々にその領域を拡大していく末広がり形状となる。

【0077】

一方、この流速差によるせん断力は燃料ガスＧ１と燃料ガスＧ２との境界面において発生するが、噴射孔１１ｃの出口に近いほどせん断力の影響は小さくなる。よって、噴射されてからある一定の距離までは、燃料ガスＧ１の噴流はせん断力の影響を受けずに安定した状態で、噴射直後の流速が一様に保存された定常状態の領域、所謂、ポテンシャルコア部Ｇｐが形成されることとなる。また、下流側へ流れるにしたがってせん断層Ｇｓが徐々にその領域を拡大するのに対して、ポテンシャルコア部Ｇｐの領域は徐々に縮小されていく。即ち、ポテンシャルコア部Ｇｐは下流に向けて先細り形状となり、本実施形態では略円錐形状となっている。なお、噴流の流れ方向においてポテンシャルコア部Ｇｐが形成される距離は、燃料ガスＧ１及び燃料ガスＧ２の流速や密度などによって変動する。

【0078】

また、供給される燃料ガスは常にその発熱量が一定であるとは限らないため、燃料ガスＧ１及び燃料ガスＧ２の発熱量も常に同じとは限らない。よって、せん断層Ｇｓはせん断力により形成された渦によって燃料ガスＧ１と燃料ガスＧ２が混合されることで発熱量が徐々に変動する燃料ガスが流れる非定常な状態の領域となる。さらには、せん断層Ｇｓの燃料ガスはガスタービン２に供給しようとしている燃料ガスＧ１とは異なる発熱量となっている。したがって、ガスタービン２の出力変動を抑制する観点から、このせん断層Ｇｓにおいて燃料ガスの発熱量を計測するよりも、ポテンシャルコア部Ｇｐにおいて燃料ガスの発熱量を計測することが好ましい。本実施形態ではポテンシャルコア部Ｇｐにおいて燃料ガスの発熱量を計測可能に構成されている。

【0079】

ここで、前述したとおり受光用光ファイバー１７に集光されるラマン散乱光は測定点Ａから生じたものだけではなく、励起光の光路上で測定点Ａの近傍の位置で発生したラマン散乱光も一定の割合で受光用光ファイバー１７に集光される。これについて、励起光の光路上の位置と、その位置で生じたラマン散乱光の集光率との関係を、図１０および図１１を参照して説明する。

【0080】

図１０に示すように、励起光の光路上（入射方向）における測定点Ａと集光レンズ１６との距離をＬ、集光レンズ１６の口径をＤとすると、集光レンズ１６で集光されて受光用光ファイバー１７によって検知されるラマン散乱光の集光率（図１１の縦軸）と、口径Ｄで無次元化した距離Ｌ（図１１の横軸）との関係は、図１１に示すような関係となる。ここで、ラマン散乱光の集光率は、ある位置で発生したラマン散乱光であって集光レンズ１６に入射するもののうち、幾何光学的に受光用光ファイバー１７に到達するものの割合である。

【0081】

図１１から、測定点Ａを含むある特定の範囲（図１１の場合は、Ｌ／Ｄが約１．９３から約２．０７の範囲）内では集光率が１００％となる。この、励起光の光路上の測定点Ａを含む範囲であって、そこから発せられた光で集光レンズ１６を通ったもの全てが幾何光学的に受光用光ファイバー１７に集光される範囲を、本明細書において「被写界深度Ｒ」と称する。
一方で、被写界深度Ｒの範囲外で生じたラマン散乱光は、集光レンズ１６を通っても全てが受光用光ファイバー１７に集光されるわけではなく、そのため被写界深度Ｒから離れた位置では急激に集光率が低下してしまうことが確認できる。
集光率がこのような分布を持つため、受光用光ファイバー１７で検出される光の大部分は、この被写界深度Ｒから発せられるラマン散乱光で占められる。

【0082】

ここで、被写界深度Ｒの範囲と受光用光ファイバー１７におけるラマン散乱光の集光率との関係について図１２を参照して説明する。
被写界深度Ｒの範囲に含まれ、励起光の光路上における測定点Ａから発せられたラマン散乱光３０の光路を実線で示す。この測定点Ａからのラマン散乱光３０は、集光レンズ１６により集光されて受光用光ファイバー１７の受光面上で焦点を結ぶため、その全てが受光用光ファイバー１７に集光される。即ち、集光率は１００％となる。なお、図１２では、２枚の平凸レンズからなる集光レンズ１６を１枚のレンズに簡略化して図示するとともに、それ以外の計測窓１４，１５や遮光部材１８，１９、フィルタ２０などは便宜上、その図示を省略している。

【0083】

次に、励起光の光路上における測定点Ａよりも送光用光ファイバー１２側（図１２における左側）で、被写界深度Ｒの範囲のうちの下限点Ｒ_１から発せられたラマン散乱光３１の光路を一点鎖線で示す。この下限点Ｒ_１からのラマン散乱光３１は、集光レンズ１６により集光されて受光用光ファイバー１７の受光面よりも少し手前側（図１２における左側）で焦点を結ぶこととなる。しかしながら、受光用光ファイバー１７の受光面の位置における、励起光の光路と直交する方向でのラマン散乱光３１の広がり程度は比較的小さく、その幅は受光用光ファイバー１７の受光面の幅とほぼ同じとなる。よって、この下限点Ｒ_１は、そこからのラマン散乱光３１の全てが受光用光ファイバー１７に集光される、即ち、集光率が１００％となる下限位置となる。

【0084】

同様に、励起光の光路上における測定点Ａよりも受光用光ファイバー１７側（図１２における右側）で、被写界深度Ｒの範囲のうちの上限点Ｒ_２から発せられたラマン散乱光３２の光路を一点鎖線で示す。この上限点Ｒ_２からのラマン散乱光３２は、集光レンズ１６により集光されて受光用光ファイバー１７の受光面よりも少し奥側（図１２における右側）で焦点を結ぶこととなる。しかしながら、受光用光ファイバー１７の受光面の位置における、励起光の光路と直交する方向でのラマン散乱光３２の広がり程度は比較的小さく、その幅は受光用光ファイバー１７の受光面の幅とほぼ同じとなる。よって、この上限点Ｒ_２は、そこからのラマン散乱光３２の全てが受光用光ファイバー１７に集光される、即ち、集光率が１００％となる上限位置となる。

【0085】

また、被写界深度Ｒの範囲に含まれ、励起光の光路上における測定点Ａと下限点Ｒ_１との間、及び、測定点Ａと上限点Ｒ_２との間から発せられたラマン散乱光（光路は不図示）も、ラマン散乱光３１及び３２と同様に、集光レンズ１６により集光される。この際、ラマン散乱光３１及び３２に比較して受光用光ファイバー１７の受光面により近い位置で焦点を結ぶこととなる。よって、受光用光ファイバー１７の受光面の位置における、励起光の光路と直交する方向でのラマン散乱光の広がり程度がラマン散乱光３１及び３２よりも小さくなり、その幅は受光用光ファイバー１７の受光面の幅よりも小さくなる。したがって、測定点Ａと下限点Ｒ_１との間、及び、測定点Ａと上限点Ｒ_２との間からのラマン散乱光においても、その全てが受光用光ファイバー１７に集光される、即ち、集光率が１００％となる。

【0086】

一方で、励起光の光路上における下限点Ｒ_１よりも送光用光ファイバー１２側（図１２における左側）、及び、上限点Ｒ_２よりも受光用光ファイバー１７側（図１２における右側）となる被写界深度Ｒの範囲外から発せられたラマン散乱光も、同様に集光レンズ１６により集光される。例えば、被写界深度Ｒの範囲外に位置する点Ｒ_３及びＲ_４から発せられたラマン散乱光３３及び３４の光路を点線で示す。しかしながら、この場合のラマン散乱光３３及び３４は、ラマン散乱光３１及び３２よりも更に手前側及び奥側、即ち、受光用光ファイバー１７の受光面から更に遠い位置で焦点を結ぶこととなる。よって、受光用光ファイバー１７の受光面の位置における、励起光の光路と直交する方向でのラマン散乱光３３及び３４の広がり程度が、ラマン散乱光３１及び３２に比較して大きくなり、その幅は受光用光ファイバー１７の受光面の幅よりも大きくなる。したがって、ラマン散乱光３３及び３４が広がりすぎることで、受光用光ファイバー１７の受光面にはラマン散乱光３３及び３４の一部しか集光されない。即ち、集光率が１００％よりも低下してしまう。また、図１２のグラフにも示すように、被写界深度Ｒの範囲の下限点Ｒ_１及び上限点Ｒ_２から、送光用光ファイバー１２側（図１２における左側）及び受光用光ファイバー１７側（図１２における右側）に遠ざかるにしたがって、集光率がより低下してしまうことは前述の通りである。

【0087】

以上のとおり、被写界深度Ｒは、励起光の光路上において、集光レンズ１６（ラマン散乱光集光光学系）及び受光用光ファイバー１７の幾何光学的関係に基づいて定まる範囲である。よって、これらの幾何光学的関係を保てば被写界深度Ｒは不変であり、これはケーシング１１の形状及び寸法や、燃焼ガスの流れの様相などに依存しない。

【0088】

したがって、図１０に示すように、励起光の光路上におけるポテンシャルコア部Ｇｐの幅Ｐを、被写界深度Ｒよりも大きく設定すれば、受光部に入射するラマン散乱光の大部分がポテンシャルコア部Ｇｐ内から生じたものであるように計測装置を構成できる。これにより、せん断層Ｇｓにおける混合によって変動してしまった燃料ガスの組成を計測することを回避することができる。よって、ガスタービン２に供給しようとしている燃料ガスＧ１の発熱量そのものを高応答で計測及び算出することができる。したがって、ガスタービン２の出力変動の抑制における応答性の向上を図ることができる。

【0089】

また、本実施形態においては、噴射孔１１ｃ及び側壁１１ｄの下流側近傍に測定点Ａが位置するように、送光用光ファイバー１２、絞り１３、第１計測窓１４、第２計測窓１５、集光レンズ１６、受光用光ファイバー１７、第１遮光部材１８、第２遮光部材１９、及びフィルタ２０を設けている。しかしながら、測定点Ａよりも下流側におけるケーシング１１は、上流側の流れに影響を及ぼさない範囲内であれば、さらに詳述すれば、励起光の光路上におけるポテンシャルコア部Ｇｐの幅Ｐに影響を及ぼさない限りは、その形状や寸法を自由に変更することができる。また、ケーシング１１の流路断面積が拡大または縮小する形状としても構わない。よって、小型で安価な計測装置とすることができる。

【0090】

また、本実施形態においては、第１計測窓１４と第２計測窓１５との間で測定点Ａを含んでポテンシャルコア部Ｇｐを有するようにして、燃料ガスＧ１を噴射させる噴射孔１１ｃを備えている。これにより、計測領域内を通過した燃料ガスなどで汚れた第１計測窓１４及び第２計測窓１５に励起光が照射されたことにより発生するノイズ光の影響をより低減させることができる。よって、ラマン散乱光の計測精度をより向上させることができる。

【0091】

これを、図１３を参照して、さらに説明する。図１３は、第１計測窓１４と第２計測窓１５との距離Ｗとノイズ光の相対強度との関係を示すグラフである。図１３において、横軸は第１計測窓１４と第２計測窓１５との距離Ｗを集光レンズ１６の口径Ｄで無次元化した値を示し、縦軸は４６０ｎｍから４７０ｎｍのノイズ光を窒素成分のラマン散乱光の強度ＩＮ_２によって正規化した相対強度を示している。

【0092】

図１３から、集光レンズ１６の口径Ｄが同じであれば、第１計測窓１４と第２計測窓１５との距離Ｗが小さいほど、ノイズ光の相対強度が高くなる。逆に、距離Ｗ＝１．５Ｄ付近でノイズ光の相対強度が急激に減少し、さらに距離Ｗが大きくなるほど、ノイズ光の相対強度が低くなることが確認できる。即ち、励起光の光路上における第１計測窓１４と第２計測窓１５との距離Ｗを大きくするにしたがって、ノイズ光を発生する第１計測窓１４及び第２計測窓１５が測定点Ａから遠ざかることとなるので、微弱なラマン散乱光に対するノイズ光の影響をより低減させることができる。よって、ラマン散乱光の計測精度をより向上させることができる。

【0093】

したがって、本実施形態のように、励起光の光路上における、第１計測窓１４と第２計測窓１５との距離Ｗ、燃料ガスＧ１の噴流のポテンシャルコア部Ｇｐの幅Ｐ、及び、被写界深度Ｒの関係を、Ｗ＞Ｐ＞Ｒとなるように、ケーシング１１の側壁１１ａ，１１ｂ，１１ｄと噴射孔１１ｃ、第１計測窓１４、第２計測窓１５、集光レンズ１６、及び受光用光ファイバー１７をそれぞれ配置することにより、燃料ガスなどで汚れた第１計測窓１４及び第２計測窓１５に励起光が照射されたことにより発生するノイズ光のラマン散乱光に対する影響をより低減させることができる。よって、ラマン散乱光の計測精度をより向上させることができる。

【0094】

以上、本発明の一態様の技術思想について第三実施形態に則して説明したが、当該技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、第三実施形態では噴射孔１１ｃを、燃料ガスＧ１の流れ方向から見てケーシング１１の中央部に一つ設けたが、これに限定されず、被写界深度Ｒを含むようにポテンシャルコア部Ｇｐの幅Ｐを設定できれば、中央部以外に設けてもよいし、二つ以上としてもよい。
また、本実施形態では噴射孔１１ｃを断面視円形状の直管としたが、これに限定されず、断面視円形状以外の断面形状でもよい。また、直管以外でもよく、例えば、曲率を有する形状としてもよいし、流れ方向に沿って流路断面積が拡大または縮小する形状でもよい。

【0095】

また、本実施形態では側壁１１ｄを、噴射孔１１ｃの下流端と側壁１１ａ，１１ｂの上流端との間に設けたが、これに限定されず、被写界深度Ｒを含むようにポテンシャルコア部Ｇｐの幅Ｐを設定できれば、側壁１１ｄを設けなくてもよい。また、側壁１１ｄを平板状としたが、これに限定されず、平板以外の形状でもよい。
また、本実施形態では側壁１１ｄを、噴射孔１１ｃ及び側壁１１ａ，１１ｂに対してそれぞれ垂直となるように接続したが、これに限定されず、少なくとも一方に対して傾斜していてもよい。換言すれば、噴射孔１１ｃが側壁１１ｄに対して傾斜していてもよい。

【0096】

また、本実施形態では噴射孔１１ｃ及び側壁１１ｄの下流側近傍に測定点Ａが位置するように設けたが、これに限定されず、被写界深度Ｒを含むようにポテンシャルコア部Ｇｐの幅Ｐを設定できれば、噴射孔１１ｃ及び側壁１１ｄの下流側近傍でなくてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0097】

上記によれば、発電プラントに供給される燃料ガスの発熱量を迅速に計測することができる。そのため、発電プラントに供給される燃料ガスの発熱量制御を迅速に行うことができ、高発熱量な燃料ガスの過剰な供給を抑制することができる。したがって、発電プラントの運転コストを低減させることができる。

【符号の説明】

【0098】

１ ＢＦＧ焚き複合発電プラント（ガス焚き発電プラント）
２ ガスタービン
４ ガス圧縮機
５ 蒸気タービン
６ 発熱量計測装置
１１ ケーシング
１２ 送光用光ファイバー（光源）
１３ 絞り
１４ 第１計測窓
１５ 第２計測窓
１６ 集光レンズ（ラマン散乱光集光光学系）
１７ 受光用光ファイバー（受光部）
１８ 第１遮光部材
１９ 第２遮光部材
２０ フィルタ
２１ 分光算出手段（算出部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】