流体组成分析机构、发热量计测装置及发电设备、以及流体组成分析方法
【专利摘要】该流体组成分析机构具备：光源(12)，其对测定位置的试料流体照射激发光；受光部(17)，其接受由被照射激发光的试料流体产生的拉曼散射光并进行分光；拉曼散射光聚光光学系统(16)，其将在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向所述受光部会聚并入射；算出部(21)，其基于所述受光部的输出来算出所述试料流体的组成；遮光构件(18)，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上。
【专利说明】流体组成分析机构、发热量计测装置及发电设备、以及流体组成分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及流体组成分析机构、发热量计测装置及发电设备、以及流体组成分析方法。特别是涉及计测被供给到燃气涡轮的燃料气体的组成及发热量时的噪声除去。本申请基于2011年9月I日在日本申请的特愿2011-190702号及2012年5月29日国际申请的PCT/JP2012/063784号主要优先权，并将其内容引用在此。
【背景技术】
[0002]一般而言，在利用燃气涡轮的燃烧器使低发热量气体、例如以BFG (Blast FurnaceGas，高炉煤气)为主的燃料气体燃烧的烧煤气发电设备中，BFG是低发热量。因此，使用混合比BFG发热量高的高发热量的气体、例如COG (Cokes Oven Gas，焦炉煤气)而增热至例如IOOOkcaVm3N左右的燃料气体。
[0003]被导向燃烧器的燃料气体混合有低发热量气体和高发热量气体。因此，当低发热量气体和高发热量气体的混合比发生变动时，燃烧器的特性、燃料气体的输出可能发生变动。为了抑制这样的燃烧器的特性、燃气涡轮的输出的变动，在供给至燃烧器之前计测低发热量气体的发热量。根据该计测出的发热量的结果，控制高发热量气体的流量，从而控制被供给至燃烧器的燃料气体的发热量。该发热量的计测有燃烧式和专利文献I及2记载的使用拉曼散射光的方式。
[0004]在燃烧式的发热量计测装置中，对燃料气体取样使其在燃烧炉中燃烧，使用该燃料气体的温度和燃烧空气的燃烧炉入口处的温度的差测定发热量。因此，气体的取样、除湿等测定前的处理等需要时间。另外，测定时的装置的响应以分为单位，比较慢。因此，不适合迅速地控制被供给至燃气涡轮的燃料气体的发热量。
[0005]另一方面，在专利文献I及2记载的使用拉曼散射光的方式的发热量计测装置中，测定时的装置的响应比较高速。因此，适于迅速低控制被供给至燃气涡轮的燃料气体的发热量。
[0006]在先技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本特开2002-286644号公报
[0009]专利文献2:日本特开2005-24250号公报
【发明内容】
[0010]发明要解决的课题
[0011]但是，专利文献I及2记载的发明不能以充分的SN比计测拉曼散射光。因此，计测时间可能需要几十秒。更详细而言，一般来说激发光通过计测窗入射到燃料气体。该计测窗被燃料气体所包含的煤尘等异物弄脏的情况较多。在该情况下，由于对附着于计测窗的异物照射激发光而产生噪声光。而且，由于该噪声光向检测器入射而无法以高SN比测定微弱的拉曼散射光，计测需要长时间。在原理上，若提高入射的激发光强度，则信号强度也上升，但多数情况下装置成本变成高额，而且噪声也增大，在实用上不现实。
[0012]本发明是鉴于这样的情况做成的，其目的在于提供能迅速地计测被供给至燃烧器的燃料气体的发热量、能实现烧煤气发电设备运转的可靠性、运转成本的降低的流体组成分析机构、发热量计测装置及具备该发热量计测装置的烧煤气发电设备。
[0013]用于解决课题的手段
[0014]为了解决上述课题，本发明涉及的流体组成分析机构、发热量计测装置及具备该发热量计测装置的烧煤气发电设备采用以下的手段。
[0015]本发明的第一方案涉及的流体组成分析机构具备:光源，其对测定位置的试料流体照射激发光；受光部，其接受由被照射激发光的试料流体产生的拉曼散射光并进行分光；拉曼散射光聚光光学系统，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上，使在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向所述受光部会聚并入射；算出部，其基于所述受光部的输出来算出所述试料流体的组成；遮光构件，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上。
[0016]另外，本发明的第二方案涉及的流体组成分析机构具备:光源，其对测定位置的试料流体照射激发光；受光部，其配置在所述激发光的延长线上，接受由被照射激发光的试料流体产生的拉曼散射光并进行分光；拉曼散射光聚光光学系统，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上，使在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向所述受光部会聚并入射；算出部，其基于所述受光部的输出来算出所述试料流体的组成；遮光构件，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上。
[0017]根据上述的结构，当使激发光向试料流体入射时,根据试料流体中的成分而产生不同的波长的拉曼散射光。试料流体中的成分根据由拉曼散射光分光的波长能够获知。而且，根据分光的波长能求出试料流体的组成，根据试料流体的组成能算出发热量。
[0018]在本发明的第一方案及第二方案涉及的流体组成分析机构中，在激发光的光路上或激发光的延长线上配置有拉曼散射光聚光光学系统。该拉曼散射光聚光光学系统使在测定位置产生的拉曼散射光向受光部会聚并入射。拉曼散射光具有在与激发光的行进方向平行的方向上较强、在与激发光的行进方向垂直的方向上较弱的强度分布。因此，通过在拉曼散射光的强度较强的方向上设置拉曼散射光聚光光学系统，能提高被导向受光部的拉曼散射光的强度。
[0019]另外，在本发明的第一方案及第二方案涉及的流体组成分析机构中，在激发光的光路上或激发光的延长线上配置有遮光构件。成为拉曼散射光的计测的阻碍的噪声光主要由被照射激发光的物质产生。因此，通过在激发光的光路上或激发光的延长线上配置遮光构件，能有效地防止在激发光的光路上产生的噪声光通过拉曼散射光聚光光学系统到达受光部的情况。其结果是，能以较高的SN比计测拉曼散射光，能以高响应算出试料流体的组成及发热量。
[0020]本发明的第三方案涉及的流体组成分析机构还具有:第一计测窗，其配置在所述激发光的光路上，将所述激发光向流动有所述试料流体的区域引导；第二计测窗，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上，将在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向在流动有所述试料流体的区域之外配置的所述拉曼散射光聚光光学系统引导。所述遮光构件包括:第一遮光构件，其配置在比所述第二计测窗的曝露于所述试料流体的面靠所述受光部侧的位置；第二遮光构件，其配置在比所述第一遮光构件靠受光部侧的位置，且在从所述测定位置观察下具有与所述第一遮光构件一致的轮廓。
[0021]根据该结构，从第一计测窗及第二计测窗的曝露于试料流体的面上的且被照射激发光的位置产生噪声光。而且，这些噪声光被设于第二计测窗附近的第一遮光构件有效地截断，因此，能以较高的SN比计测拉曼散射光。另外，由于设有在从测定位置观察下具有与第一遮光构件一致的轮廓的第二遮光构件，因此能以更高的SN比计测拉曼散射光。更详细而言，在从测定位置观察下，第二遮光构件具有与第一遮光构件一致的轮廓。因此，若第一遮光构件遮挡由测定位置产生的拉曼散射光，则第二遮光构件不会遮挡由测定位置产生的拉曼散射光。其结果是，不会降低拉曼散射光的信号强度，而能截断更多的噪声光，因此，能以更高的SN比计测拉曼散射光。
[0022]本发明的第四方案涉及的流体组成分析机构还具有:第一计测窗，其配置在所述激发光的光路上，将所述激发光向流动有所述试料流体的区域引导；第二计测窗，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上，将在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向在流动有所述试料流体的区域之外配置的所述拉曼散射光聚光光学系统引导。所述遮光构件包括:第一遮光构件，其配置在比所述第二计测窗的曝露于所述试料流体的面靠所述受光部侧的位置；第二遮光构件，其配置在所述第一计测窗与所述第二计测窗之间，遮挡所述激发光的光路以外的部分。
[0023]根据该结构，从第一计测窗及第二计测窗的曝露于试料流体的面的且被照射激发光的位置产生噪声光。这些噪声光被设于第二计测窗附近的第一遮光构件有效地截断，因此，能以较高的SN比计测拉曼散射光。另外，由于设有配置在第一计测窗与第二计测窗之间且遮挡激发光的光路以外的部分的第二遮光构件，因此，能以更高的SN比计测拉曼散射光。更详细而言，第二遮光构件不遮挡激发光的光路，因此，不妨碍拉曼散射光的产生。而且，第二遮光构件能有效地防止从第一计测窗的曝露于试料流体的面的被照射激发光的位置产生的噪声光向受光部入射的情况。因此，不会降低拉曼散射光的信号强度而能截断噪声光，因此，能以更高的SN比计测拉曼散射光。
[0024]本发明的第五方案涉及的流体组成分析机构还具备:第一计测窗，其配置在所述激发光的光路上，将所述激发光向流动有所述试料流体的区域引导；第二计测窗，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上，将在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向在流动有所述试料流体的区域之外配置的所述拉曼散射光聚光光学系统引导；供给机构，其以在所述第一计测窗与所述第二计测窗之间包含所述测定位置而具有等速部的方式喷射所述试料流体。另外，所述光路上的所述等速部的宽度包含景深，该景深是包含所述测定位置的所述激发光的光路上的范围且从该范围发出的光中的通过了所述拉曼散射光聚光光学系统后的全部光以几何光学的方式向所述受光部入射的范围。
[0025]向受光部入射的拉曼散射光的大部分是在景深处发出的，根据该结构，由于景深的范围包含在喷流的等速部内，因此，能避免对由于剪切层的混合而发生变动的流体的组成进行计测的情况。因此，能以高响应计测及算出被供给至燃气涡轮的燃料气体的发热量。另外，能做成小型且廉价的计测装置。而且，能进一步降低噪声光的影响，因此，能进一步提高拉曼散射光的计测精度。[0026]本发明的第六方案以本发明的第一方案至第五方案涉及的流体组成分析机构为基础，激发光的焦点位于与试料流体接触的构件的所述表面上。
[0027]根据该结构，能使与试料流体接触的构件的表面的被激发光照射的部分的面积最小。噪声光主要由被激发光照射的部分产生。但是，根据该结构，能减小产生噪声光的面积。因此，利用遮光构件能有效地且更容易地除去噪声光，能以更高的SN比计测拉曼散射光。
[0028]本发明的第七方案以本发明的第一方案至第六方案涉及的流体组成分析机构为基础，该流体组成分析机构具备反射镜，该反射镜在激发光的光路上与所述光路垂直地设置且对所述激发光进行反射。
[0029]根据该结构，对于测定区域的试料流体照射从光源入射的激发光和被反射镜反射的激发光。因此，能提高向受光部入射的拉曼散射光的拉曼散射光的强度。因此，能以高响应、高精度算出组成及发热量。
[0030]另外，本发明的第八方案涉及的发热量计测装置具备:本发明的第一方案至第七方案涉及的流体组成分析机构；基于所述流体组成分析机构输出的所述试料流体的组成的信息来算出所述试料流体的发热量的发热量算出机构。
[0031]本发明的第一方案至第七方案涉及的流体组成分析机构能在短时间内分析流体的组成。因此，使用该流体组成分析机构的发热量计测装置能高速地算出试料流体的发热量。
[0032]另外，本发明的第九方案涉及的发电设备以燃料气体为燃料进行动作，具备:本发明的第六方案涉及的发热量计测装置；基于所述发热量计测装置输出的所述燃料气体的发热量的信息来控制所述发电设备的动作的控制装置，所述燃料气体的至少一部分作为所述试料流体被导向所述发热量计测装置。
[0033]本发明的第八方案涉及的发热量计测装置能迅速地计测被供给至发电设备的燃料气体的发热量。因此，根据该结构，能迅速地进行被供给至发电设备的燃料气体的发热量控制，能抑制高发热量的燃料气体的过量的供给。另外，不使用高发热量的燃料气体而仅使用低发热量的燃料气体也能使发电设备运转。因此，能降低发电设备的运转成本。
[0034]本发明的第十方案涉及的流体组成分析方法使用流体组成分析机构，该流体组成分析机构具备:光源，其对测定位置的试料流体照射激发光；受光部，其接受由被照射激发光的试料流体产生的拉曼散射光并进行分光；拉曼散射光聚光光学系统，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上，将在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向所述受光部会聚并入射；算出部，其基于所述受光部的输出来算出所述试料流体的组成；遮光构件，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上，所述流体组成分析方法包括:以具有包含景深的等速部的方式喷射所述试料流体的工序，所述景深是包含所述测定位置的所述激发光的光路上的范围且从该范围发出的光中的通过了所述拉曼散射光聚光光学系统后的全部光以几何光学的方式向所述受光部入射的范围；从所述光源向流动有所述试料流体的区域照射所述激发光，使在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向所述受光部入射的工序。
[0035]发明效果
[0036]在上述的流体组成分析机构及流体组成分析方法中，通过在拉曼散射光的强度较强的方向上设置拉曼散射光聚光光学系统，能提高被导向受光部的拉曼散射光的强度。另夕卜，通过在激发光的光路上或所述激发光的延长线上配置遮光构件，能有效地防止在激发光的光路上产生的噪声光通过拉曼散射光聚光光学系统到达受光部的情况。由此，能提高被分光机构接受的拉曼散射光的强度且降低噪声。因此，能以高响应算出试料流体的发热量。因此，能实现具备该流体组成分析机构的发热量计测装置的响应性的提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是具备本发明的第一实施方式涉及的发热量计测装置的烧煤气发电设备的概略结构图。
[0038]图2是本发明的第一实施方式涉及的计测单元的概略结构图。
[0039]图3是表示本发明的第一实施方式涉及的计测单元中的、由计测窗产生的噪声的光路的图。
[0040]图4A是表示由计测窗产生的噪声光被遮光的状况的图。
[0041]图4B是表示由计测窗产生的噪声光被遮光的状况的图。
[0042]图4C是表示由计测窗产生的噪声光被遮光的状况的图。
[0043]图5是表示各成分的拉曼位移量、激光波长、拉曼散射光波长的关系的图表。
[0044]图6是表示本发明的实施方式涉及的有无遮光构件时的、与信号强度(包含拉曼散射光和噪声)的关系的坐标图。
[0045]图7是表示各成分的拉曼散射光强度与波长的关系的坐标图。
[0046]图8A是本发明的第一实施方式的变形例，是变更了拉曼散射光的入射方向的结构图。
[0047]图SB是本发明的第一实施方式的变形例，是变更了拉曼散射光的入射方向及光路长度的结构图。
[0048]图9是在本发明的第二实施方式涉及的计测单元中、在激发光入射部与反射部的两个计测窗之间配置了遮光构件的结构图。
[0049]图10是本发明的第三实施方式涉及的计测单元的概略结构图。
[0050]图11是表示测定点的位置与受光部的拉曼散射光的聚光率的关系的坐标图。
[0051]图12是说明景深的范围与受光部的拉曼散射光的聚光率的关系的示意图。
[0052]图13是表示第一计测窗与第二计测窗的距离和噪声光的相对强度的关系的坐标图。
【具体实施方式】
[0053]图1是表示具备本发明的第一实施方式涉及的发热量计测装置的烧煤气发电设备的例子的概略结构图。
[0054]如图1所示，烧BFG复合发电设备(烧煤气发电设备)I具有:使燃料气体燃烧而进行旋转驱动的燃气涡轮2、对燃料气体进行压缩的气体压缩机4、被蒸汽驱动而旋转的蒸汽涡轮5、产生电的发电机(未图示)、对燃料气体的发热量进行计测的发热量计测装置6。
[0055]在本实施方式中，使用单轴式的烧BFG复合发电设备进行说明。但是，本发明的实施方式不限定于单轴式复合发电设备，也能适用于燃气涡轮单独的发电设备或两轴式、多轴式的发电设备。[0056]发热量计测装置6是使用拉曼散射光对燃料气体(试料流体)的发热量进行计测的装置。利用发热量计测装置6得到的发热量的信息被向控制装置7输入。控制装置7基于该信息来控制烧BFG复合发电设备I的动作。另一方面，利用发热量计测装置6计测完发热量的燃料气体被向体压缩机4引导。
[0057]气体压缩机4是对燃料气体进行压缩的装置。在气体压缩机4连接有旋转轴3。旋转轴3经由未图示的齿轮装置而与燃气涡轮2及蒸汽涡轮5连接。
[0058]利用气体压缩机4压缩后的燃料气体被导向燃气涡轮2。
[0059]燃气涡轮2具备未图示的空气压缩机、燃烧器和涡轮机。空气压缩机向燃烧器送出高压空气。燃烧器使高压空气和燃料气体的混合气燃烧而生成燃料气体。涡轮机与空气压缩机同轴地设置，将从燃烧器排出的燃料气体的能量转换为旋转能量。该旋转能量的一部分用于供空气压缩机产生高压空气，其余的能量用于使旋转轴3旋转而进行驱动。
[0060]在旋转轴3的端部连接有发电机。因此，通过涡轮机使旋转轴3旋转，而发电机进行发电。另外，利用旋转轴3的旋转，如前述那样通过齿轮装置来驱动气体压缩机4旋转。
[0061]通过了涡轮机的燃料气体被导向废气回收炉(未图示)。废气回收炉是利用从燃气涡轮2导出的燃料气体的热量产生蒸汽的装置。使废气回收炉产生了蒸汽的燃料气体被从烟囱(未图示)向复合发电设备I外排出。
[0062]在废气回收炉中，由从燃气涡轮2导出的高温的燃料气体产生的蒸汽被向蒸汽涡轮5供给。蒸汽涡轮5与燃气涡轮2同样地与旋转轴3连接，构成所谓的单轴式的组合系统。需要说明的是，不限于单轴式的组合系统，也可以为不同轴式的组合系统。
[0063]利用涡轮机驱动而旋转的旋转轴3在蒸汽涡轮5的作用下驱动力增加。因此，与旋转轴3连接的发电机的发电量增加。另外，通过与旋转轴3连接的齿轮装置来驱动气体压缩机4旋转。
[0064]驱动蒸汽涡轮5旋转后的蒸汽被导向冷凝器(未图示)。驱动蒸汽涡轮5旋转后的蒸汽被冷凝器冷却而还原成水。被冷凝器还原的水被导向废气回收炉。
[0065]接着，说明本发明的第一实施方式涉及的发热量计测装置。
[0066]图2表示计测单元的概略结构图的例子。计测单元是使用拉曼散射光对燃料气体的组成及发热量进行计测的装置。
[0067]计测单元具有供测定气体(燃料气体)导入的壳体11。在壳体11开设有导入燃料气体的导入口和将通过了计测区域内的燃料气体从壳体11导出的导出口。另外，计测单元具备向壳体11内的计测区域内的燃料气体入射一定波长的激发光的送光用光纤12(光源)。
[0068]在壳体11的设有送光用光纤12—侧的侧壁Ila上，与激发光同轴地设有使激发光通过的第一计测窗14。另外，在送光用光纤12与第一计测窗14之间，与激发光同轴地设有使激发光通过的光圈13。
[0069]另一方面,在壳体11的与设有送光用光纤12 —侧的侧壁Ila相反侧的侧壁Ilb上，与激发光同轴且垂直地设有第二计测窗15。该第二计测窗15具有将激发光反射并使拉曼散射光透过的特性。另外，第二计测窗15将利用送光用光纤12而入射至壳体11内的激发光垂直地反射，另一方面却使拉曼散射光透过。另外，在激发光的延长线上，与激发光的延长线同轴地设有接受拉曼散射光的受光用光纤17 (受光部)。[0070]另外，在第二计测窗15与受光用光纤17之间，与激发光的延长线同轴地设有由两张平凸透镜构成的聚光透镜16 (拉曼散射光聚光光学系统)。而且，聚光透镜16将来自由两个计测窗14、15夹着的空间的、接受激发光的照射的位置即测定点A(测定位置；激发光的光路上的点、在将受光用光纤17的受光面作为物点的情况下的聚光透镜16的像点)的拉曼散射光向受光用光纤17会聚(准确来说聚光透镜16不是仅将来自测定点A的拉曼散射光向受光用光纤17会聚。在激发光的光路上的测定点A附近产生的拉曼散射光也以一定的比例向受光用光纤17会聚。但是，为了方便说明，暂且着眼于来自测定点A的拉曼散射光。详见后述)。该聚光透镜16具备仅使拉曼散射光的波长透过的滤光器20。
[0071]在受光用光纤17连接有分光算出机构21 (算出部)。分光算出机构21将由受光用光纤17检测出的拉曼散射光分光，并根据各成分的拉曼散射光强度而算出燃料气体的组成及发热量。
[0072]在第二计测窗15的外侧设有第一遮光构件18(遮光构件)。另外，在聚光透镜16的内部设有第二遮光构件19。第一遮光构件18及第二遮光构件19具有圆形形状，与激发光或与激发光的延长线同轴地配置且具有使设置有各遮光构件的区域的光不透过的功能。另外，第一遮光构件18和第二遮光构件19以在从测定点A观察下具有相同轮廓的方式配置。更详细而言，设第一遮光构件18的半径为R18，设第二遮光构件19的半径为R19。另夕卜，如图2所示，设入射方向上的测定点A与第一遮光构件18之间的距离为a、设入射方向上的测定点A与第二遮光构件19之间的距离为b时，具有R18/R19 = a/b的关系。S卩，第二遮光构件19具有大于第一遮光构件18的半径。例如，在第一遮光构件18的半径为5mm、距离a为50mm、距离b为IOOmm的情况下，第二遮光构件19的半径为10mm。
[0073]接着，说明本发明的第一实施方式涉及的发热量计测装置的作用。
[0074]说明在本发明的第一实施方式涉及的发热量计测装置中计测燃料气体的发热量的工序。首先，打开设于壳体11的导入口和导出口，向壳体11的计测区域内导入作为试料流体的燃料气体。
[0075]接着，利用送光用光纤12送出具有一定波长的激发光。从送光用光纤12送出的激发光透过光圈13和计测窗14照射被导入至壳体11内的计测区域内的燃料气体、特别是在测定点A流动的燃料气体。另外，到达计测窗15的激发光被向与入射来的方向相同的方向垂直地反射，再次照射在测定点A流动的燃料气体。利用该结构，能增加对在测定点A流动的燃料气体进行照射的激发光的强度。因此，能增加在测定点A产生的拉曼散射光的强度，从而能缩短计测所需要的时间。其结果是，能以高响应算出试料流体的组成及发热量。
[0076]从送光用光纤12入射至计测区域内的燃料气体的激发光产生各种各样波长的拉曼散射光。拉曼散射光是根据燃料气体中的各成分所特有的振动能量而产生不同的波长的散射光。另外，关于拉曼散射光的强度，公知激发光的入射轴方向的前方方向(以下称作“前方侧拉曼散射光”)及后方方向(以下称作“后方侧拉曼散射光”)较大。
[0077]测定点A处的燃料气体被来自送光用光纤12的激发光照射而产生前方侧拉曼散射光。另外，测定点A处的燃料气体被由计测窗15反射的激发光照射而产生后方侧拉曼散射光。前方侧拉曼散射光和后方侧拉曼散射光透过计测窗15被向壳体11的外侧引导。由测定点A产生的拉曼散射光在经由滤光器20除去了拉曼散射光以外的光之后利用聚光透镜16会聚并入射至受光用光纤17。[0078]利用聚光透镜16会聚的拉曼散射光被受光用光纤17向分光算出机构21引导,被分光为与燃料气体的成分相应的波长的拉曼散射光。另外，分光算出机构21根据被分光的各波长的拉曼散射光的强度来算出燃料气体的组成及发热量。关于算出燃料气体的组成及发热量的机构，详见后述。
[0079]接着，参照图3说明除去由第一计测窗14及第二计测窗15产生的噪声光的机构。若第一计测窗14及第二计测窗15被燃料气体等弄脏，则在第一计测窗14及第二计测窗15的激发光照射部分(中央部分)产生噪声光。拉曼散射光很微弱，在计测噪声光时，计测精度降低。因此，在计测时除去噪声光的机构很重要。
[0080]第一计测窗14配置在比聚光透镜16远离测定点A的位置。另一方面，第二计测窗15配置在比聚光透镜16靠近测定点A的位置。因此，在从聚光透镜16观察的情况下，第一计测窗14的噪声产生部和第二计测窗15的噪声产生部的视场角不同，第一计测窗14的噪声产生部的视场角Θ较小，第二计测窗15的噪声产生部的视场角Φ较大。在本实施方式中，由于具备第一遮光构件18及第二遮光构件19这两种，因此，能利用第二遮光构件19高效率地除去来自第一计测窗14的噪声光。另一方面，能利用第一遮光构件18高效率地除去来自第二计测窗15的噪声光。
[0081]参照图4Α?图4C进一步说明该情况。如图4Α所示，在未设有第一遮光构件18及第二遮光构件19的情况下，由第二计测窗15的测定气体侧的表面的被激发光照射的位置(以下称作“噪声产生点Y”)产生的噪声光未被遮光构件遮挡而入射到聚光透镜16。在此，聚光透镜16以将来自测定点A的光会聚至受光用光纤17的方式构成。因此，由比测定点A接近聚光透镜16的位置的噪声产生点Y产生的噪声光不向受光用光纤17会聚。但是，关于由噪声产生点Y产生的噪声光中的、具有接近与激发光平行的角度的噪声光，由于通过聚光透镜16的光轴附近，因此，由折射产生的转向量较小，向受光用光纤17入射。
[0082]另外，由第一计测窗14的测定气体侧的表面的被激发光照射的位置(以下称作“噪声产生点X”)产生的噪声光未被遮光构件遮挡而入射至聚光透镜16。在此，聚光透镜16以将来自测定点A的光会聚至受光用光纤17的方式构成。由此，在从聚光透镜16观察下比测定点A远离的位置的噪声产生点X产生的噪声光会聚至聚光透镜16与受光用光纤17之间的位置，而不向受光用光纤17会聚。但是，关于由噪声产生点X产生的噪声光中的、具有接近与激发光平行的角度的噪声光，由于通过聚光透镜16的光轴附近，因此由折射产生的转向量较小，向受光用光纤17入射。
[0083]接着，图4Β表示仅设置遮光构件18的情况。为了高效率地遮挡噪声光，在产生噪声光的位置附近设置遮光构件即可。通过这样构成，即便使用较小的遮光构件也能除去被照射于宽角度范围的噪声光。如图4Β所示，第一遮光构件18设于激发光的延长线上的第二计测窗15的附近，因此，能以较小的面积高效率地遮挡来自位于第二计测窗15的测定气体侧表面的噪声产生点Y的噪声光。特别是，关于由噪声产生点Y产生的噪声光中的具有接近与激发光平行的角度、向受光用光纤17入射的噪声光，第一遮光构件18能可靠地将该噪声光遮挡，妨碍该噪声光向受光用光纤17入射。能用较小面积的第一遮光构件18遮挡噪声光，因此，作为计测对象的拉曼散射光也不会被第一遮光构件较大遮挡。
[0084]另一方面，关于来自噪声产生点X的噪声光，第一遮光构件18也能有效地遮挡该噪声光。即，第一遮光构件18由于远离噪声产生点X，因此无法以较宽的角度范围遮挡来自噪声产生点X的噪声光。但是，由噪声产生点X产生的噪声光中的、实际通过聚光透镜16而到达受光用光纤17的噪声光仅为具有接近与激发光平行的角度的噪声光。第一遮光构件18由于设于激发光的延长线上，因此，在计测拉曼散射光时能高效率地遮挡实际成为干扰的噪声光。能以较小面积的第一遮光构件18遮挡噪声光，因此，作为计测对象的拉曼散射光也不会被第一遮光构件较大遮挡。
[0085]这样，在本实施方式中，基于产生较强的噪声光的是第一计测窗14及第二计测窗15的燃料气体侧表面的被照射激发光的部分这样的新的见解，通过在激发光的延长线上配置第一遮光构件18能高效率地遮挡噪声光。通过配置第一遮光构件18，能将具有较强强度的前方侧拉曼散射光和后方侧拉曼散射光会聚而向分光算出机构21引导，且不会较大遮挡这些拉曼散射光而能够遮挡噪声光。因此，能以较高的SN比计测拉曼散射光，能缩短计测所需要的时间。其结果是，能以高响应算出试料流体的组成及发热量。
[0086]接着，图4C表示除了第一遮光构件18之外还设置第二遮光构件19的情况。如图4C所示，第二遮光构件19设于激发光的延长线上的比第一遮光构件18靠受光用光纤17侧的位置。另外，如前述那样，第二遮光构件19配置为在从测定点A观察下具有与第一遮光构件18相同的轮廓。因此，第二遮光构件19不会以比第一遮光构件18遮光的范围宽的范围遮挡在测定点A产生、朝向聚光透镜16的拉曼散射光。
[0087]而且，第二遮光构件19能进一步降低来自噪声产生点X的噪声光。如前述那样，来自噪声产生点X的噪声光中的实际通过聚光透镜16而向受光用光纤17入射的噪声光被第一遮光构件18遮挡。但是，具有比这些噪声光稍大的角度的噪声光到达受光用光纤17的附近，可能给计测带来不良影响。第二遮光构件19不会新遮挡作为计测对象的拉曼散射光而能遮挡该噪声光，能更可靠地防止来自噪声产生点X的噪声光向受光用光纤17入射。因此，能以更高的SN比计测拉曼散射光，能缩短计测所需要的时间。其结果是，能以高响应算出试料流体的组成及发热量。
[0088]另外，减小由第一计测窗14及第二计测窗15产生的噪声光的区域在进行噪声除去方面也是很重要的。为了使激发光照射于第一计测窗14及第二计测窗15的部分为最小限度，激发光以在第二计测窗15表面集中于焦点的方式入射。由此，利用第一遮光构件18及第二遮光构件19能进一步高效率地遮挡噪声光。其结果是，能以较高的SN比计测拉曼散射光。
[0089]接着，详述算出燃料气体的组成及发热量的机构。图5是表示一定波长的激发光入射至燃料气体的各成分的情况下的、拉曼位移量与拉曼散射光波长的图。如图5所示，根据拉曼位移量能获知燃料气体所含有的成分，根据各波长的拉曼散射光强度能求出成分的浓度。
[0090]图6是表不向壳体11内导入空气的情况下照射405nm的激发光、在设有第一遮光构件18及第二遮光构件19的情况和未设置第一遮光构件18及第二遮光构件19的情况下计测拉曼散射光的结果的比较的图。能确认作为空气中的成分的氮(N2:447.2nm)、氧(O2:432.7nm)、水蒸汽(H2O:475.5nm)的拉曼散射光。在未设置第一遮光构件18及第二遮光构件19的情况下，除了各拉曼散射光的波长以外检测到噪声光。即，可以确认:通过设置第一遮光构件18及第二遮光构件19能降低噪声光，能实现高精度计测。
[0091]接着，说明燃料气体的发热量的检测方法和算出方法。[0092]通过对燃料气体入射激发光而产生拉曼散射光。拉曼散射光是根据燃料气体中的各成分所特有的振动能量而产生不同的波长的散射光。因此，公知激发光的波长与拉曼散射光的波长的差即拉曼位移量是各成分所特有的。
[0093]在第一计测窗14及第二计测窗15被弄脏时，利用受光用光纤17传送的各波长的拉曼散射光的强度降低。为了弥补该影响，公知将混合气体的主成分、例如氮(N2)的拉曼散射光强度即IN2作为基准，使用与其他成分的拉曼散射光的强度之比的相对值IC0/IN2、ico2/in2、ih2o/in2、IH2/IN2、ICH4/IN2。由此，能降低拉曼散射光用的第二计测窗15的弄脏的影响。
[0094]图7作为例子表示作为入射光使405nm波长的激发光入射至包含二氧化碳(CO2)、氮(N2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、水蒸汽(H2O)、氢(H2)的燃料气体的情况下的计测结果。在图7中，横轴表示各成分的拉曼散射光的波长，纵轴表示利用氮成分的拉曼散射光的强度IN2将各成分标准化了的相对信号强度。 [0095]燃料气体的发热量公知通过使用各成分的拉曼散射光的波长的相对信号强度和各成分的摩尔分率算出。
[0096]数学式I所示的式(I)是求出燃料气体为前项成分的情况下的燃料气体的高位发热量(HHV)的式的例子。另外，数学式2所示的式(2)是求出燃料气体的低位发热量(LHV)的式的例子。
[0097]【数学式I】
[0098]HHV=3020 X CC0+3050 X CH2+9520 X CCH4...(I)
[0099]【数学式2】
[0100]LHV=3020 X CC0+2570 X CH2+8550 X CCH4...(2)
[0101]需要说明的是，HHV是包含燃料气体中的水分及由燃烧生成的水分的冷凝热的发热量(kcal/m3N)。LHV是不包含冷凝热的燃料气体中的发热量(kcal/m3N)。另外，CN2、CC0、CC02、CH20、CH2、CCH4是分别通过以下所示的式(3)到式⑶求出的各成分N2、CO、C02、H20、H2、CH4的摩尔分率。需要说明的是，以下的数学式3到数学式8所示的式(3)到式⑶的α是各成分的校正常数。
[0102]【数学式3】
【权利要求】
1.一种流体组成分析机构，其具备: 光源，其对测定位置的试料流体照射激发光； 受光部，其接受由被照射所述激发光的试料流体产生的拉曼散射光并进行分光； 拉曼散射光聚光光学系统，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上，使在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向所述受光部会聚并入射； 算出部，其基于所述受光部的输出来算出所述试料流体的组成； 遮光构件，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上。
2.一种流体组成分析机构，其具备: 光源，其对测定位置的试料流体照射激发光； 受光部，其配置在所述激发光的延长线上，接受由被照射激发光的试料流体产生的拉曼散射光并进行分光； 拉曼散射光聚光光学系统，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上，使在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向所述受光部会聚并入射； 算出部，其基于所述受光部的输出来算出所述试料流体的组成； 遮光构件，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上。
3.根据权利要求1 或2所述的流体组成分析机构，其中， 该流体组成分析机构还具有: 第一计测窗，其配置在所述激发光的光路上，将所述激发光向流动有所述试料流体的区域引导； 第二计测窗，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上，将在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向在流动有所述试料流体的区域之外配置的所述拉曼散射光聚光光学系统引导， 所述遮光构件包括: 第一遮光构件，其配置在比所述第二计测窗的曝露于所述试料流体的面靠所述受光部侧的位置； 第二遮光构件，其配置在比所述第一遮光构件靠受光部侧的位置，且在从所述测定位置观察下具有与所述第一遮光构件一致的轮廓。
4.根据权利要求1或2所述的流体组成分析机构，其中， 该流体组成分析机构还具有: 第一计测窗，其配置在所述激发光的光路上，将所述激发光向流动有所述试料流体的区域引导； 第二计测窗，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上，将在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向在流动有所述试料流体的区域之外配置的所述拉曼散射光聚光光学系统引导， 所述遮光构件包括: 第一遮光构件，其配置在比所述第二计测窗的曝露于所述试料流体的面靠所述受光部侧的位置； 第二遮光构件，其配置在所述第一计测窗与所述第二计测窗之间，遮挡所述激发光的光路以外的部分。
5.根据权利要求1或2所述的流体组成分析机构，其中， 该流体组成分析机构具备: 第一计测窗，其配置在所述激发光的光路上，将所述激发光向流动有所述试料流体的区域引导； 第二计测窗，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上，将在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向在流动有所述试料流体的区域之外配置的所述拉曼散射光聚光光学系统引导； 供给机构，其以在所述第一计测窗与所述第二计测窗之间包含所述测定位置而具有等速部的方式喷射所述试料流体， 所述光路上的所述等速部的宽度包含景深，该景深是包含所述测定位置的所述激发光的光路上的范围且从该范围发出的光中的通过了所述拉曼散射光聚光光学系统后的全部光以几何光学的方式向所述受光部入射的范围。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的流体组成分析机构，其中， 所述光源的所述激发光的焦点位于与所述试料流体接触的所述构件的所述表面上。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的流体组成分析机构，其中， 该流体组成分析机构具备反射镜，该反射镜在所述激发光的光路上与所述光路垂直地设置且对所述激发光进行反射。
8.一种发热量计测装置，其具备: 权利要求1~7中任一项所述`的流体组成分析机构； 基于所述流体组成分析机构输出的所述试料流体的组成的信息来算出所述试料流体的发热量的发热量算出机构。
9.一种发电设备，以燃料气体为燃料进行动作，其中， 该发电设备具备: 权利要求8所述的发热量计测装置； 基于所述发热量计测装置输出的所述燃料气体的发热量的信息来控制所述发电设备的动作的控制装置， 燃料气体的至少一部分作为所述试料流体被导向所述发热量计测装置。
10.一种流体组成分析方法，其使用流体组成分析机构， 该流体组成分析机构具备: 光源，其对测定位置的试料流体照射激发光； 受光部，其接受由被照射激发光的试料流体产生的拉曼散射光并进行分光； 拉曼散射光聚光光学系统，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上，使在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向所述受光部会聚并入射； 算出部，其基于所述受光部的输出来算出所述试料流体的组成； 遮光构件，其配置在所述激发光的光路上或所述激发光的延长线上， 所述流体组成分析方法包括: 以具有包含景深的等速部的方式喷射所述试料流体的工序，所述景深是包含所述测定位置的所述激发光的光路上的范围且从该范围发出的光中的通过了所述拉曼散射光聚光光学系统后的全部光以几何光学的方式向所述受光部入射的范围；从所述光源向流动有所述试料流体的区域照射所述激发光，使在所述测定位置产生的所述拉曼散射光向所 述受光部入射的工序。
【文档编号】G01N21/65GK103688158SQ201280035921
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年8月30日 优先权日:2011年9月1日
【发明者】出口祥启, 北内洋介, 稻田满 申请人:三菱重工业株式会社