CN111656167A - 拉曼散射光取得装置、具备该拉曼散射光取得装置的组成分析装置、及燃气轮机设备 - Google Patents

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惠藤阳介
北内洋介
富山力
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Abstract

拉曼散射光取得装置(11)具备：出射光学系统(21)，其将激发光向流体中引导；散射光窗(42)，其划分出流体的流路的一部分，并且使来自被照射了激发光的流体的拉曼散射光通过；以及散射光受光器(44)，其具有接受通过了散射光窗(42)的拉曼散射光的受光面(46)。散射光窗(42)以及散射光受光器(44)的受光面(46)在流体中的激发光的光轴即流体中光轴(Aw)延伸的光轴方向(Da)上配置于流体中的激发光的光路所存在的范围(Rw)内，且配置于与流体中光轴(Aw)在径向(Dr)上分离的位置。

Description

拉曼散射光取得装置、具备该拉曼散射光取得装置的组成分 析装置、及燃气轮机设备
技术领域
本发明涉及取得来自流体的拉曼散射光的拉曼散射光取得装置、具备该拉曼散射光取得装置的组成分析装置、及燃气轮机设备。
本申请基于2017年12月7日在日本申请的日本特愿2017-235523号而主张优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
作为分析流体的组成的方法，存在向流体照射激发光并对来自被照射了激发光的流体的拉曼散射光进行分析的方法。作为执行该方法的装置，例如存在以下的专利文献1所记载的组成分析装置。该组成分析装置具备：测量元件，其供流体在内部流动；激光振荡器，其振荡作为激发光的激光；出射光学系统，其将来自激光振荡器的激光向测量元件内的流体照射；受光光学系统，其接收来自被照射了激光的流体的拉曼散射光；光纤，其接收由受光光学系统聚光了的拉曼散射光；以及分析器，其对由光纤接收到的光进行分析。
出射光学系统的光轴沿相对于在测量元件内流动的流体的主要的流动方向垂直的流动垂直方向延伸。该出射光学系统以测量元件为基准而设置于流动垂直方向的一侧。受光光学系统的光轴与出射光学系统的光轴一致。因而，受光光学系统的光轴也沿流动垂直方向延伸。该受光光学系统以测量元件为基准而设置于流动垂直方向的另一侧。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-072179号公报
发明内容
发明要解决的课题
在组成分析行业，期望组成分析装置的小型化。
于是，本发明的目的在于，提供能够实现装置的小型化的技术。
用于解决课题的方案
作为用于达成上述目的的发明的一方案的拉曼散射光取得装置具备：
出射光学系统，其将来自光出射部的激发光向流体中引导；散射光窗，其划分出所述流体的流路的一部分，并且使来自被照射了所述激发光的所述流体的拉曼散射光通过；以及散射光受光器，其具有接受通过了所述散射光窗的所述拉曼散射光的受光面。所述散射光窗以及所述散射光受光器的受光面在所述流体中的所述激发光的光轴即流体中光轴延伸的光轴方向上配置于所述流体中的所述激发光的光路所存在的范围内，且在相对于所述流体中光轴垂直的方向即径向上配置于与所述流体中光轴分离的位置。所述受光面在所述径向上朝向接近所述流体中光轴的一侧即径向内侧。
在本方案中，散射光受光器的受光面配置于相对于流体中的散射光产生区域在与流体中光轴垂直的方向上分离的位置。因此，在本方案中，能够使散射光受光器的受光面接近流体中的散射光产生区域。因而，在本方案中，能够实现拉曼散射光取得装置的小型化。
此外，在本方案中，能够使散射光受光器的受光面接近流体中的散射光产生区域，因此散射光受光器的受光面能够接受衰减少的拉曼散射光。因此，在本方案中，能够省去用于使通过了散射光窗的散射光聚光的聚光光学系统。因而，在本方案中，从该观点出发，也能够实现拉曼散射光取得装置的小型化。
在此，在所述拉曼散射光取得装置中，也可以是，所述散射光受光器的所述受光面处的光轴即受光面光轴相对于所述流体中光轴垂直。
在本方案中，能够以短的光路长度高效地接受沿相对于流体中光轴垂直的方向行进的拉曼散射光。
另外，在以上任一个所述拉曼散射光取得装置中，也可以是，在所述散射光窗中将所述流体的流路划分出的内表面以及与所述内表面相反的一侧的外表面均相对于所述流体中光轴平行。
在本方案中，能够使从流体发出的拉曼散射光中的、向相对于流体中光轴垂直的方向发出的拉曼散射光直行行进。因此，能够缩短从流体中光轴至散射光受光器的受光面的散射光的光路长度。
在以上任一个所述拉曼散射光取得装置中，也可以是，所述出射光学系统具有：出射光纤线缆，其供来自所述光出射部的所述激发光通过；以及变更器，其改变从所述出射光纤线缆出射的所述激发光的朝向。在该情况下，可以是，所述出射光纤线缆的出射所述激发光的出射面处的光轴即出射面光轴沿相对于所述流体中光轴交叉的方向延伸。可以是，所述出射光纤线缆的所述出射面和所述变更器以所述散射光受光器的所述受光面为基准而配置于所述光轴方向的一侧，所述变更器使从所述出射光纤线缆出射的所述激发光的光轴与所述流体中光轴一致。
在本方案中，能够减小光轴方向上的拉曼散射光取得装置的宽度。
另外，在具有所述出射光纤线缆的所述拉曼散射光取得装置中，也可以是，所述出射面光轴相对于所述流体中光轴垂直。
在本方案中，能够进一步减小光轴方向上的拉曼散射光取得装置的宽度。
在以上任一个所述拉曼散射光取得装置中，也可以是，所述拉曼散射光取得装置具备：光遮挡构件，其不使所述激发光以及所述拉曼散射光通过；以及加热用光纤线缆，其向所述光遮挡构件照射激发光。在该情况下，可以是，所述光遮挡构件与所述散射光窗的所述受光面侧的外表面相接。
在本方案中，能够利用激发光的能量对散射光窗进行加热。因此，在本方案中，能够实现在散射光窗的内表面附着的异物的除去、以及异物向散射光窗的内的附着的抑制。
此外，在本方案中，在散射光窗的加热中不使用电，因此能够省去用于加热散射光窗所需的部件，换句话说，能够对加热用光纤线缆、光隔热构件省去防爆处理。
在具备所述光遮挡构件的所述拉曼散射光取得装置中，也可以是，在所述光遮挡构件的内部形成有沿着所述散射光窗的所述外表面扩展的空洞，所述加热用光纤线缆向所述光遮挡构件的所述空洞内出射激发光。
在本方案中，能够向光遮挡构件照射全部激发光，因此能够提高将该激发光的光能转换为热能的效率。
在以上任一个所述拉曼散射光取得装置中，也可以是，所述拉曼散射光取得装置具备：激发光受光光学系统，其接受来自所述出射光学系统的所述激发光；以及判定部，其根据来自所述光出射部的所述激发光的光强度与所述激发光受光光学系统接受到的所述激发光的光强度之差，来判定由供所述激发光通过的多个构件构成的激发光光学系统的异常。
在本方案中，能够对由供激发光通过的多个构件构成的激发光光学系统的异常进行识别。
在具备所述激发光受光光学系统的所述拉曼散射光取得装置中，也可以是，所述激发光受光光学系统以所述散射光受光器的所述受光面为基准而在所述光轴方向上配置于与所述出射光学系统相反的一侧。
在以上任一个所述拉曼散射光取得装置中，也可以是，所述拉曼散射光取得装置具备所述光出射部。
作为用于达成上述目的的发明的一方案的组成分析装置具备：
以上任一个所述拉曼散射光取得装置；以及分析器，其基于来自所述散射光受光器的输出来分析所述流体的组成。
在本方案中，能够分析流体的组成。
在此，在所述组成分析装置中，也可以是，从所述流体中光轴至所述散射光受光器的所述受光面的所述径向上的距离为使所述散射光受光器接受的所述拉曼散射光的光量成为能够由所述分析器对所述流体的组成进行分析的最小光量的距离以下。
作为用于达成上述目的的发明的一方案的燃气轮机设备具备：
以上任一个所述的组成分析装置；燃料气体线路，其供作为所述流体的燃料气体流动；燃料调节阀，其对在所述燃料气体线路流动的燃料气体的流量进行调节；燃气轮机，其通过来自所述燃料气体线路的燃料气体的燃烧来驱动；以及控制装置，其指示所述燃料调节阀的开度。所述拉曼散射光取得装置安装于所述燃料气体线路。所述分析器对在所述燃料气体线路流动的所述燃料气体的组成进行分析。所述控制装置根据由所述分析器分析的分析结果来确定所述燃料调节阀的开度，并对所述燃料调节阀指示所述开度。
发明效果
在本发明中，能够实现装置的小型化。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式的组成分析装置的结构的示意图。
图2是本发明的第一实施方式的光隔热构件以及加热用光纤的立体图。
图3是示出从各成分发出的拉曼散射光的波长相对于向流体照射的激发光的波长的偏移量、以及激发光为规定的波长时的从各成分发出的拉曼散射光的波长的说明图。
图4是示出在向流体照射了激发光时从各成分发出的拉曼散射光的波长与各波长的强度之间的关系的图表。
图5是本发明的一实施方式的燃气轮机设备的系统图。
图6是示出本发明的第二实施方式的组成分析装置的结构的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的组成分析装置的实施方式、以及具备该组成分析装置的燃气轮机设备的实施方式进行说明。
“第一实施方式”
参照图1～图5对本发明的组成分析装置的第一实施方式、以及具备该组成分析装置的燃气轮机设备的实施方式进行说明。
本实施方式的组成分析装置所分析的流体例如是在配管内流动的燃料气体。具体而言，是如图5所示用于使燃气轮机设备的燃气轮机驱动的燃料气体。
燃气轮机设备具备燃气轮机110、通过燃气轮机110的驱动而发电的发电机120、通过燃气轮机110的驱动而压缩燃料气体的气体压缩机121、对向燃气轮机110供给的气体的组成进行分析的组成分析装置10、以及对燃气轮机110的状态等进行控制的控制装置140。
燃气轮机110具备压缩空气A而生成压缩空气的空气压缩机111、使燃料气体在压缩空气中燃烧并生成高温的燃烧气体的燃烧器115、以及由燃烧气体驱动的涡轮116。
空气压缩机111具有压缩机转子、以将该压缩机转子覆盖为能够旋转的压缩机外壳、以及调节空气A的吸气量的吸气量调节器112。吸气量调节器112具有在压缩机外壳的吸入口侧设置的入口引导叶片113、以及改变该入口引导叶片113的开度的引导叶片驱动机114。
涡轮116具有在燃烧气体的作用下而旋转的涡轮转子、以及将该涡轮转子覆盖为能够旋转的涡轮外壳。压缩机转子与涡轮转子相互连结，成为一体而构成燃气轮机转子117。
发电机120具有发电机转子、以及将该发电机转子覆盖为能够旋转的发电机外壳。发电机转子与燃气轮机转子117连结。因此，当燃气轮机转子117旋转时，发电机转子也一体地旋转。
气体压缩机121具有压缩机转子、将该压缩机转子覆盖为能够旋转的压缩机外壳、以及调节燃料气体的吸气量的吸入气体量调节器122。吸入气体量调节器122具有设置于压缩机外壳的吸入口侧的入口引导叶片123、以及改变该入口引导叶片123的开度的引导叶片驱动机124。气体压缩机121的压缩机转子经由减速机126而与发电机转子或者燃气轮机转子117机械连接。该气体压缩机121的排出口与燃烧器115通过高压燃料气体线路134而连接。
该燃气轮机设备被从炼铁厂151以及炼焦设备152供给燃料气体。炼铁厂151从炼铁厂151的高炉产生作为低卡路里燃料气体的BFG(Blast Furnace Gas)。在该高炉连接有供BFG流动的BFG线路131。炼焦设备152从炼焦设备152的焦炉产生作为高卡路里燃料气体的COG(Coke Oven Gas)。在该焦炉连接有供COG流动的COG线路132。在COG线路132设置有调节COG的流量的COG调节阀136。BFG线路131与COG线路132合流而成为低压燃料气体线路133。在该低压燃料气体线路133中，流动单一BFG、单一COG、以及BFG与COG的混合物中的任一方。低压燃料气体线路133与气体压缩机121的吸入口连接。在低压燃料气体线路133设置有对通过该低压燃料气体线路133的气体中的灰尘等进行集尘的电集尘器(EP(Electrostatic Precipitator))127。需要说明的是，在BFG线路131中，有时在该BFG线路131的中途混入转炉中的产生气体即LDG(Linz-Donawitz converter Gas)等气体。
燃气轮机设备具备前述的BFG线路131、COG线路132、低压燃料气体线路133、COG调节阀136、以及电集尘器127。燃气轮机设备还具备燃料气体循环线路135、循环量调节阀137、以及气体冷却器138。燃料气体循环线路135的第一端与高压燃料气体线路134连接。另外，该燃料气体循环线路135的第二端与在低压燃料气体线路133中比电集尘器127靠上游侧的位置连接。气体冷却器138以及循环量调节阀137设置于该燃料气体循环线路135。
气体冷却器138对在燃料气体循环线路135流动的气体进行冷却。当变更循环量调节阀137的开度而改变在燃料气体循环线路135流动的气体流量时，向燃烧器115供给的气体的流量也改变。因此，该循环量调节阀137作为对向燃烧器115供给的燃料气体的流量进行调节的燃料调节阀而发挥功能。另外，前述的气体压缩机121的吸入气体量调节器122也作为燃料调节阀而发挥功能。组成分析装置10设置于BFG线路131。该组成分析装置10对在BFG线路131流动的BFG的组成进行分析。需要说明的是，在此，将组成分析装置10设置于BFG线路131，但也可以根据情况而设置于低压燃料气体线路133、COG线路132。
控制装置140根据来自外部的负载指令、组成分析装置10分析出的气体BFG的组成等，来控制循环量调节阀137的开度、入口引导叶片113的开度等。另外，根据情况，控制装置140也根据来自外部的负载指令、组成分析装置10分析出的气体G(BFG)的组成等，来控制COG调节阀136的开度。
如图1所示，组成分析装置10具备：拉曼散射光取得装置11，其取得来自被照射了作为激发光的激光的流体G的拉曼散射光；以及分析器70，其基于该拉曼散射光取得装置11所取得的拉曼散射光来分析流体G的组成。
需要说明的是，以下，有时将拉曼散射光简称为散射光。
拉曼散射光取得装置11具有散射光取得头12、分析用激光振荡器(光出射部)61、加热用激光振荡器62、控制这些激光振荡器61、62的控制部81、检测激光的强度的两个检测器65、66、以及根据来自两个检测器65、66的输出来判定散射光取得头12的状态的判定部82。
分析用激光振荡器61振荡向流体G照射的激光。加热用激光振荡器62振荡对散射光取得头12的一部分进行加热的激光。
散射光取得头12具备头外壳13、将来自光出射部即分析用激光振荡器61的激光向流体G中引导的出射光学系统21、接收通过了流体G的激光的激光受光光学系统(激发光受光光学系统)31、划分出流体G的流路的一部分并且使来自流体G的拉曼散射光通过的散射光窗42、接受通过了散射光窗42的拉曼散射光的散射光受光器44、与散射光窗42相接的光遮挡构件50、以及将加热用激光向光遮挡构件50引导的加热用光纤线缆55。
出射光学系统21具有供来自分析用激光振荡器61的激光通过的出射光纤线缆25、改变从出射光纤线缆25出射的激光的朝向的出射棱镜(变更器)23、以及划分出流体G的流路的一部分并且使激光通过的激光出射窗22。
出射光纤线缆25具有光纤(未图示)、将该光纤的外周覆盖的覆盖材料(未图示)、以及将光纤的端部的外周覆盖的套筒27。该出射光纤线缆25的出射侧的套筒27安装于头外壳13。
出射棱镜23将从出射光纤线缆25出射的激光的光轴垂直地折弯。换言之，出射棱镜23使通过出射棱镜23后的激光的光轴相对于出射光纤线缆25的出射面光轴Ao垂直。需要说明的是，出射面光轴Ao是指在出射光纤线缆25中出射激光的出射面26处的光轴。该出射棱镜23配置于头外壳13内，且固定于该头外壳13。
激光出射窗22供由出射棱镜23改变了朝向的激光通过。
在激光出射窗22中将流体G的流路划分出的内表面22i、以及在激光出射窗22中出射棱镜23侧的外表面22o均相对于通过了出射棱镜23的激光的光轴垂直。因此，通过了出射棱镜23之后且到达激光出射窗22之前的激光的光轴与通过激光出射窗22且到达了流体G中的激光的光轴即流体中光轴Aw一致。该激光出射窗22固定于头外壳13。
以上所说明的出射光学系统21不具有聚光光学系统。然而，也可以具有使从出射光纤线缆25出射的激光在流体G中聚光的聚光光学系统。
激光受光光学系统(激发光受光光学系统)31具有划分出流体G的流路的一部分并且使激光通过的激光受光窗32、改变通过了激光受光窗32的激光的朝向的受光棱镜33、供通过了受光棱镜33的激光入射的激光受光光纤线缆35、以及使通过了受光棱镜33的激光在激光受光光纤线缆35的受光面36聚光的聚光光学系统34。
激光受光窗32配置于流体中光轴Aw上。在激光受光窗32中将流体G的流路划分出的内表面32i、以及在激光受光窗32中受光棱镜33侧的外表面32o均相对于流体中光轴Aw垂直。因此，通过了激光受光窗32的激光的光轴与流体中光轴Aw一致。该激光受光窗32固定于头外壳13。
受光棱镜33将通过了激光受光窗32的激光的光轴垂直地弯曲。换言之，受光棱镜33使通过受光棱镜33后的激光的光轴相对于流体中光轴Aw垂直。该受光棱镜33配置于头外壳13内，且固定于该头外壳13。
激光受光光纤线缆35具有光纤(未图示)、将该光纤的外周覆盖的覆盖材料(未图示)、以及将光纤的端部的外周覆盖的套筒37。该激光受光光纤线缆35的受光侧的套筒37安装于头外壳13。
激光受光光纤线缆35的受光面光轴Ai与通过受光棱镜33后的激光的光轴一致。需要说明的是，受光面光轴Ai是指在激光受光光纤线缆35中接受来自受光棱镜33的激光的受光面36处的光轴。
需要说明的是，以下，将流体中光轴Aw延伸的方向设为光轴方向Da。另外，将与流体中光轴Aw垂直的方向中的、激光受光光纤线缆35的受光面36相对于该流体中光轴Aw而存在的方向设为径向Dr。在该径向Dr上，将靠近流体中光轴Aw的一侧设为径向内侧Dri，将相反侧设为径向外侧Dro。
如前所述，散射光窗42供散射光通过，另一方面反射激光。该散射光窗42在光轴方向Da上配置于流体G中的激光的光路所存在的范围Rw内，且配置于与流体中光轴Aw在径向Dr上分离的位置。在散射光窗42中将流体G的流路划分出的内表面42i、以及在散射光窗42中与内表面42i相反的一侧的面即外表面42o均相对于流体中光轴Aw平行。需要说明的是，散射光窗42的内表面42i朝向径向内侧Dri，散射光窗42的外表面42o朝向径向外侧Dro。
散射光受光器44具有接受通过了散射光窗42的散射光的散射光光纤线缆45。散射光光纤线缆45的受光面46与散射光窗42同样地，在光轴方向Da上配置于流体G中的激光的光路所存在的范围Rw内，且配置于与流体中光轴Aw在径向Dr上分离的位置。但是，该受光面46位于比散射光窗42靠径向外侧Dro的位置，并朝向径向内侧Dri。散射光光纤线缆45具有光纤(未图示)、将该光纤的外周覆盖的覆盖材料(未图示)、以及将光纤的端部的外周覆盖的套筒47。该散射光光纤线缆45的受光侧的套筒47安装于头外壳13。
出射光纤线缆25的出射面26、激光受光光纤线缆35的受光面36、以及散射光光纤线缆45的受光面46均配置于与流体中光轴Aw在径向Dr上分离的位置。另外，出射光纤线缆25的出射面26、激光受光光纤线缆35的受光面36、以及散射光光纤线缆45的受光面46均是相对于流体中光轴Aw平行的面。因而，出射光纤线缆25的出射面光轴Ao、激光受光光纤线缆35的受光面光轴Ai、以及散射光光纤线缆45的受光面光轴Ars均相互平行、且相对于流体中光轴Aw垂直。
光遮挡构件50用粘接剂等粘接于散射光窗42的外表面42o。该光遮挡构件50由不使激光、拉曼散射光透过而容易吸收这些光的能量、且热传导性良好的构件形成。具体而言，由铜、黄铜、或者包含它们的合金等形成。如图1以及图2所示，该光遮挡构件50的外形形状呈环状。该环状的内侧成为供散射光通过的光路。在该光遮挡构件50的内部形成有环状的空洞51，该空洞51沿着散射光窗42的外表面42o扩展，且与光遮挡构件50的外形形状相符。
加热用光纤线缆55具有光纤(未图示)、将该光纤的外周覆盖的覆盖材料(未图示)、以及将光纤的端部的外周覆盖的套筒57。该加热用光纤线缆55的出射侧的套筒57安装于光遮挡构件50。具体而言，以从相对于光遮挡构件50的空洞内表面以及散射光窗42的外表面42o倾斜的方向将来自加热用光纤线缆55的激光向光遮挡构件50的空洞51内出射的方式，将加热用光纤线缆55的套筒57安装于光遮挡构件50。
头外壳13具有主体部14和两个突出部15、16。在主体部14收纳并安装有出射光纤线缆25的套筒27的一部分、激光受光光纤线缆35的套筒37的一部分、聚光光学系统34、散射光光纤线缆45的套筒47、光遮挡构件50、加热用光纤线缆55的套筒57。在主体部14设置有用于将头外壳13安装于供流体G流动的配管131p的安装凸缘17。该配管131p是构成供BFG流动的BFG线路131的配管。两个突出部15、16从主体部14向远离安装凸缘17的方向突出。两个突出部15、16在与突出部15、16相对于主体部14突出的方向垂直的方向上分开。在两个突出部15、16中的第一突出部15收纳有出射棱镜23，并安装有该出射棱镜23。另外，在两个突出部15、16中的剩余的突出部即第二突出部16收纳有受光棱镜33，并安装有该受光棱镜33。在第一突出部15中，在与第二突出部16对置的面安装有激光出射窗22。另外，在第二突出部16中，在与第一突出部15对置的表面安装有激光受光窗32。因而，两个突出部15、16分开的方向为光轴方向Da。另外，两个突出部15、16相对于主体部14突出的方向为径向Dr。在光轴方向Da上的两个突出部15、16之间且在主体部14的径向内侧Dri的表面安装有散射光窗42。
在通过安装凸缘17将头外壳13安装于配管131p的状态下，第一突出部15以及第二突出部16、此外主体部14的径向内侧Dri的部分均位于配管131p内。
两个检测器65、66中的一方的检测器即出射光检测器65对从分析用激光振荡器61振荡出的激光、或者通过出射光纤线缆25内的激光的强度进行检测。两个检测器65、66中的剩余的检测器即受光检测器66对通过了激光受光光纤线缆35而来的激光的强度进行检测。
如前所述，判定部82根据来自两个检测器65、66的输出来判定散射光取得头12的状态。具体而言，例如，在出射光检测器65检测到的光强度与受光检测器66检测到的光强度之差为预先确定的值以上的情况下，判定为散射光取得头12为异常。作为该判定部82所判定的异常的形态，例如存在以下的形态。存在出射光光纤线缆的出射面光轴Ao的朝向、激光受光光纤线缆35的受光面光轴Ai的朝向的异常形态。另外，存在出射棱镜23、受光棱镜33的配置、朝向的异常方式。此外，存在分析用激光振荡器61的异常形态。还存在激光出射窗22、激光受光窗32受到污染的形态。
分析器70具有将散射光光纤线缆45接收到的散射光分光为按照多个波长区域的光的分光器71、将由分光器71分光而得的按照多个波长区域的光以数字信号输出的相机72、以及基于与按照多个波长区域的光相关的数字信号来分析流体G中的组成的分析部83。
计算机80具有以上所说明的控制部81、判定部82以及分析部83来作为功能结构。控制部81、判定部82以及分析部83均构成为具有储存于计算机80的存储器等的程序、以及执行该程序的CPU。
如图5所示，控制装置140能够与计算机80进行通信。控制装置140例如输出(显示)由判定部82判定的判定结果。此外，控制装置140根据由分析部83分析的分析结果，来控制循环量调节阀137的开度、入口引导叶片113的开度并根据情况控制COG调节阀136的开度等。
接下来，对以上所说明的组成分析装置10的动作进行说明。
从分析用激光振荡器61振荡出的激光向出射光纤线缆25入射，并通过该出射光纤线缆25内。从出射光纤线缆25出射的激光的光轴被出射棱镜23垂直地折弯。光轴折弯了的激光经过激光出射窗22而向配管131p的流体G中照射。
在向流体G照射激发光时，针对流体G中的每种成分产生固有的波长的拉曼散射光。换言之，在向流体G照射了规定的波长的激光的情况下，如图3所示，针对流体G中的每种成分产生波长从激光的波长偏移了与固有的偏移量相应的量而得的拉曼散射光。
散射光经过散射光窗42而由散射光光纤线缆45接收。该散射光通过散射光光纤线缆45而被向分析器70的分光器71引导。分光器71将入射的散射光按照多个波长区域进行分光。如图4所示，相机72将由分光器71分光而得到的按照多个波长区域的光强度转换为数字信号，并将该数字信号向计算机80的分析部83输出。分析部83基于与按照多个波长区域的光相关的数字信号来分析流体G中的组成。在分析部83预先存储有向流体G照射的激光的波长与被照射了该激光时的从各成分发出的散射光的波长的偏移量之间的关系。分析部83使用该关系来分析流体G中的成分。此外，分析部83基于针对每种成分的散射光的强度来求出流体G中的成分浓度。在流体G为气体BFG的情况下，分析部83根据需要来求出BFG的高位发热量(HHV)或者低位发热量(LHV)。
以下的公式(1)是求出如图4所示那样BFG包含二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氮(N2)、甲烷(CH4)、水蒸气(H2O)、氢(H2)的情况下的BFG的每单位体积的高位发热量(HHV)的公式。另外，以下的公式(2)是求出相同的情况下的BFG的每单位体积的低位发热量(LHV)的公式。
[算式1]
HHV＝3020×CCO+3050×CH2+9520×CCH4···(1)
[算式2]
LHV＝3020×CCO+2570×CH2+8550×CCH4···(2)
需要说明的是，HHV是将通过BFG的燃烧而生成的水分的冷凝热作为发热量而包含的发热量(kcal/m3N)。LHV是不将通过BFG的燃烧而生成的水分的冷凝热作为发热量而包含的发热量(kcal/m3N)。另外，在公式(1)～公式(8)中，CN2为N2的摩尔分数，CCO为CO的摩尔分数，CCO2为CO2的摩尔分数，CH2O为H2O的摩尔分数，CH2为H2的摩尔分数，CCH4为CH4的摩尔分数。各成分的摩尔分数能够通过以下的公式(3)～公式(8)来求出。
[算式3]
Figure BDA0002607634160000131
[算式4]
Figure BDA0002607634160000132
[算式5]
Figure BDA0002607634160000141
[算式6]
Figure BDA0002607634160000142
[算式7]
Figure BDA0002607634160000143
[算式8]
Figure BDA0002607634160000144
分析部83根据BFG中的针对每种成分的散射光的强度，求出一氧化碳成分相对于氮成分的光强度IN2的相对强度ICO/IN2、二氧化碳成分相对于氮成分的光强度IN2的相对强度ICO2/IN2、水蒸气成分相对于氮成分的光强度IN2的相对强度IH2O/IN2、氢成分相对于氮成分的光强度IN2的相对强度IH2/IN2、甲烷成分相对于氮成分的光强度IN2的相对强度ICH4/IN2。接下来，分析部83使用各成分的相对强度、公式(1)或者公式(2)、以及公式(3)～公式(8)来求出BFG的高位发热量(HHV)或者低位发热量(LHV)。需要说明的是，公式(1)～公式(8)是与考虑了H2O在内的体积比例相关的公式，但也可以通过与除去了H2O的气体的体积比例相关的公式来求出发热量。
由分析部83求出的流体G中的成分浓度或者低位发热量(LHV)等被送至燃气轮机设备的控制装置140。如前所述，控制装置140基于从分析部83送来的数据即分析结果，来控制循环量调节阀137的开度、入口引导叶片113的开度等。
通过了流体G的激光经过激光受光窗32而向受光棱镜33入射。该激光的光轴被受光棱镜33垂直地折弯。光轴折弯了的激光通过聚光光学系统34而在激光受光光纤线缆35的受光面36聚光。入射至激光受光光纤线缆35的激光的强度由受光检测器66检测。
由出射光检测器65检测到的激光的强度、以及由受光检测器66检测到的激光的强度被送至计算机80的判定部82。如前所述，判定部82根据由各检测器65、66检测到的激光的强度来判定散射光取得头12的状态。该判定部82的判定结果被送至燃气轮机设备的控制装置140。控制装置140根据需要而显示判定部82的判定结果。
从加热用激光振荡器62振荡出的激光经过加热用光纤线缆55而被向光遮挡构件50的空洞51内引导。激光在光遮挡构件50的空洞51内在被空洞内表面反复漫反射。其结果是，激光的光能被转换为对光遮挡构件50以及与该光遮挡构件50相接的散射光窗42进行加热的热能。即，在本实施方式中，散射光窗42被激光的能量加热。
另外，在本实施方式中，将来自加热用光纤线缆55的激光向光遮挡构件50的空洞51内引导，因此能够向光遮挡构件50照射全部激光，能够提高将该激光的光能转换为热能的效率。
然而，在流体G中存在异物的情况下，将头外壳13内与流体G的流路分隔的激光出射窗22的内表面22i、激光受光窗32的内表面32i以及散射光窗42的内表面42i被该异物污染。例如，在流体G为BFG(Blast Furnace Gas)和COG(Coke Oven Gas)中的任一方的气体、或者两者的混合气体的情况下，在该流体G中存在灰等异物。
拉曼散射光的强度远小于向流体G照射的激光的强度。因此，当散射光窗42的内表面42i受到污染时，对基于散射光的流体G的组成分析造成妨碍。于是，在本实施方式中，如前所述，对散射光窗42进行加热，而实现在散射光窗42的内表面42i附着的异物的除去、以及异物向散射光窗42的内表面42i的附着的抑制。
作为对散射光窗42进行加热的方法，存在使电热线接触或接近于散射光窗42、并在该电热线流通电流从而对该电热线进行加热的方法。这样，在使电热线接触或接近于散射光窗42的情况、流体G如BFG、COG等那样为可燃性气体的情况下，需要对电热线、向该电热线供给电流的电缆实施防爆处理。另一方面，在本实施方式中，在散射光窗42的加热中不使用电，因此无需对为了加热散射光窗42所需的部件、具体而言加热用光纤线缆55、光隔热构件实施防爆处理。因而，在本实施方式中，能够节省针对为了加热散射光窗42所需的部件进行的防爆处理的成本。
在本实施方式中，如前所述，散射光受光器44的受光面46在光轴方向Da上配置于流体G中的激光的光路所存在的范围Rw内、且配置于与流体中光轴Aw在径向Dr上分离的位置。换言之，在本实施方式中，散射光受光器44的受光面46配置于相对于流体G中的散射光产生区域Rrs在与流体中光轴Aw垂直的方向上分离的位置。因此，在本实施方式中，能够使散射光受光器44的受光面46接近流体G中的散射光产生区域Rrs。并且，在本实施方式中，散射光窗42的内表面42i以及外表面42o、此外散射光受光器44的受光面46相对于流体中光轴Aw平行，因此能够缩短从散射光产生区域Rrs至散射光受光器44的受光面46为止的散射光的光路长度。因而，在本实施方式中，能够实现拉曼散射光取得装置11、以及包括该拉曼散射光取得装置11的组成分析装置10的小型化。
此外，在本实施方式中，能够使散射光受光器44的受光面46接近流体G中的散射光产生区域Rrs，因此散射光受光器44的受光面46能够接受衰减少的拉曼散射光。因此，在本实施方式中，能够省去用于使通过了散射光窗42的散射光聚光的聚光光学系统。具体而言，在本实施方式中，通过将从流体中光轴Aw至散射光受光器44的受光面46的径向(与流体中光轴垂直的方向)上的距离设为使散射光受光器44所接受的拉曼散射光的光量成为能够由分析器70对流体G的组成进行分析的最小光量的距离以下，从而能够省去聚光光学系统。因而，在本实施方式中，从该观点出发，也能够实现拉曼散射光取得装置11、以及包括该拉曼散射光取得装置11的组成分析装置10的小型化。
此外，在本实施方式中，如前所述，出射光纤线缆25的出射面光轴Ao、激光受光光纤线缆35的受光面光轴Ai、以及散射光光纤线缆45的受光面光轴Ars均相互平行、且相对于流体中光轴Aw垂直。因而，在本实施方式中，能够抑制拉曼散射光取得装置11、以及包括该拉曼散射光取得装置11的组成分析装置10的光轴方向Da上的宽度。
“第二实施方式”
参照图6对本发明的组成分析装置的第二实施方式进行说明。
本实施方式的组成分析装置在出射棱镜23及受光棱镜33与流体G相接的点、以及具备多个光遮挡构件50a的点上与第一实施方式的组成分析装置不同，其他点基本上与第一实施方式的组成分析装置相同。
本实施方式的散射光窗42a与第一实施方式的散射光窗42同样地，配置于与流体中光轴Aw在径向Dr上分离的位置。在本实施方式的散射光窗42a中，将流体G的流路划分出的内表面42i、以及在散射光窗42中与内表面42i相反的一侧的表面即外表面42o也均相对于流体中光轴Aw平行。但是，本实施方式的散射光窗42a的光轴方向Da的长度比第一实施方式的散射光窗42长。具体而言，本实施方式的散射光窗42a在光轴方向Da上以散射光光纤线缆45的受光面光轴Ars为基准而延伸至比出射光纤线缆25的出射面光轴Ao的位置远的位置。此外，本实施方式的散射光窗42a在光轴方向Da上以散射光光纤线缆45的受光面光轴Ars为基准而延伸至比激光受光光纤线缆35的受光面光轴Ai的位置远的位置。即，本实施方式的散射光窗42a在光轴方向Da上还存在于出射光纤线缆25的出射面光轴Ao的位置以及激光受光光纤线缆35的受光面光轴Ai的位置。因此，本实施方式的散射光窗42a在光轴方向Da上的流体G中的激光的光路所存在的范围Rw内，供散射光通过，另一方面实施反射激光的处理，在上述范围Rw外，不实施反射激光的处理，且供激光通过。
本实施方式的出射光学系统21a具有供来自分析用激光振荡器61的激光通过的出射光纤线缆25、散射光窗42a的一部分、以及改变从出射光纤线缆25出射且通过了散射光窗42a的激光的朝向的出射棱镜(变更器)23。出射棱镜23的入射面23i与散射光窗42a的外表面42o相接。另一方面，出射棱镜23的出射面23o形成将流体G的流路划分出的面。因此，本实施方式的出射光学系统21a不具有激光出射窗22。
激光受光光学系统(激发光受光光学系统)31a具有改变激光的朝向的受光棱镜33、散射光窗42a的一部分、激光受光光纤线缆35、以及使通过了受光棱镜33及散射光窗42a的激光在激光受光光纤线缆35的受光面36聚光的聚光光学系统34。受光棱镜33的入射面23i形成将流体G的流路划分出的面。因此，本实施方式的激光受光光学系统31a不具有激光受光窗32。受光棱镜33的出射面33o与散射光窗42a的外表面42o相接。
如以上那样，在本实施方式中，不具有第一实施方式的激光出射窗22以及激光受光窗32，因此装置简化，能够抑制制造成本。
在第一实施方式中，光遮挡构件50为一个，其外形形状呈环状。另一方面，在本实施方式中，如前所述，具备多个光遮挡构件50a。多个光遮挡构件50a均用粘接剂等粘接于散射光窗42a的外表面42o。该光遮挡构件50由不使激光、拉曼散射光透过而容易吸收这些光的能量、且热传导性良好的构件形成。多个光遮挡构件50a在对于散射光光纤线缆45的受光面光轴Ars而言的周向上彼此分开。在多个光遮挡构件50a分别与第一实施方式同样地安装有加热用光纤线缆55的套筒57。在各加热用光纤线缆55连接有加热用激光振荡器62。
如以上那样，光遮挡构件既可以具有一个也可以具有多个。
另外，在本实施方式中，激光出射窗22以及激光受光窗32与散射光窗42a相接，因此当散射光窗42a被从加热用激光振荡器62振荡出的激光的能量加热时，出射棱镜23以及受光棱镜33也被加热。因此，能够实现在出射棱镜23的出射面23o以及受光棱镜33的入射面33i附着的流体G中的异物的除去，此外能够实现异物向出射棱镜23的出射面23o以及受光棱镜33的入射面33i的附着的抑制。
“变形例等”
在以上所说明的实施方式中，所谓B相对于A垂直，不仅包括B相对于A的角度为90°的情况，还包括B相对于A的角度为88°～92°左右、B相对于A实质上垂直的情况。另外，所谓A与B相互平行，不仅包括相对于A的角度为0°的情况，还包括B相对于A的角度为-2°～+2°左右、B相对于A实质上平行的情况。
在以上的实施方式中，激光受光光学系统(激发光受光光学系统)31、31a具有聚光光学系统34。然而，只要向激光受光光学系统31入射的激光的强度相对于来自光出射部即分析用激光振荡器61的激光的强度不为极小的值，则也可以省略该聚光光学系统34。
以上的实施方式的激光受光光学系统(激发光受光光学系统)31、31a是为了判定散射光取得头12的异常而设置的光学系统。因而，在无需判定散射光取得头12的异常的情况下，也可以省略激光受光光学系统(激发光受光光学系统)31、31a。
以上的实施方式的变更器为出射棱镜23、受光棱镜33。然而，变更器也可以是反射镜。
以上的实施方式的散射光受光器44不具有聚光光学系统。然而，该散射光受光器44也可以具有聚光光学系统。
以上的实施方式的分析对象即流体G为单一BFG即气体G。然而，分析对象即流体G也可以是单一COG、BFG与COG的混合物、BFG与COG与LDG的混合物。此外，分析对象的流体G也可以是其他燃料气体例如天然气、生物气等。另外，分析对象的流体G也可以不是燃料气体。
工业实用性
根据本发明的一方案，能够实现拉曼散射光取得装置的小型化。
附图标记说明：
10：组成分析装置
11：拉曼散射光取得装置
12：散射光取得头
13：头外壳
14：主体部
15：第一突出部
16：第二突出部
17：安装凸缘
21、21a：出射光学系统
22：激光出射窗
22i：内表面
22o：外表面
23：出射棱镜(变更器)
23i：入射面
23o：出射面
25：出射光纤线缆
26：出射面
27：套筒
31、31a：激光受光光学系统(激发光受光光学系统)
32：激光受光窗
32i：内表面
32o：外表面
33：受光棱镜(变更器)
33i：入射面
33o：出射面
34：聚光光学系统
35：激光受光光纤线缆
36：受光面
37：套筒
42、42a：散射光窗
42i：内表面
42o：外表面
44：散射光受光器
45：散射光光纤线缆
46：受光面
47：套筒
50：光遮挡构件
51：空洞
55：加热用光纤线缆
57：套筒
61：分析用激光振荡器(光出射部)
62：加热用激光振荡器
65：出射光检测器
66：受光检测器
70：分析器
71：分光器
72：相机
80：计算机
81：控制部
82：判定部
83：分析部
110：燃气轮机
111：空气压缩机
112：吸气量调节器
115：燃烧器
116：涡轮
120：发电机
121：气体压缩机
122：吸入气体量调节器(燃料调节阀)
126：减速机
127：电集尘器
131：BFG线路
132：COG线路
133：低压燃料气体线路
133p：配管
134：高压燃料气体线路
135：燃料气体循环线路
136：COG调节阀
137：循环量调节阀(燃料调节阀)
138：气体冷却器
140：控制装置
G：流体(燃料气体)
Rrs：散射光产生区域
Ao：出射光纤线缆的出射面光轴
Ai：激光受光光纤线缆的受光面光轴
Ars：散射光光纤线缆的受光面光轴
Aw：流体中光轴
Da：光轴方向
Dr：径向
Dri：径向内侧
Dro：径向外侧。

Claims (13)

1.一种拉曼散射光取得装置，其中，
所述拉曼散射光取得装置具备：
出射光学系统，其将来自光出射部的激发光向流体中引导；
散射光窗，其划分出所述流体的流路的一部分，并且使来自被照射了所述激发光的所述流体的拉曼散射光通过；以及
散射光受光器，其具有接受通过了所述散射光窗的所述拉曼散射光的受光面，
所述散射光窗以及所述散射光受光器的受光面在所述流体中的所述激发光的光轴即流体中光轴延伸的光轴方向上配置于所述流体中的所述激发光的光路所存在的范围内，且在相对于所述流体中光轴垂直的方向即径向上配置于与所述流体中光轴分离的位置，
所述受光面在所述径向上朝向接近所述流体中光轴的一侧即径向内侧。
2.根据权利要求1所述的拉曼散射光取得装置，其中，
所述散射光受光器的所述受光面处的光轴即受光面光轴相对于所述流体中光轴垂直。
3.根据权利要求1或2所述的拉曼散射光取得装置，其中，
在所述散射光窗中将所述流体的流路划分出的内表面以及与所述内表面相反的一侧的外表面均相对于所述流体中光轴平行。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的拉曼散射光取得装置，其中，
所述出射光学系统具有：出射光纤线缆，其供来自所述光出射部的所述激发光通过；以及变更器，其改变从所述出射光纤线缆出射的所述激发光的朝向，
所述出射光纤线缆的出射所述激发光的出射面处的光轴即出射面光轴沿相对于所述流体中光轴交叉的方向延伸，
所述出射光纤线缆的所述出射面和所述变更器以所述散射光受光器的所述受光面为基准而配置于所述光轴方向的一侧，
所述变更器使从所述出射光纤线缆出射的所述激发光的光轴与所述流体中光轴一致。
5.根据权利要求4所述的拉曼散射光取得装置，其中，
所述出射面光轴相对于所述流体中光轴垂直。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的拉曼散射光取得装置，其中，
所述拉曼散射光取得装置具备：
光遮挡构件，其不使所述激发光以及所述拉曼散射光通过；以及
加热用光纤线缆，其向所述光遮挡构件照射激发光，
所述光遮挡构件与所述散射光窗的所述受光面侧的外表面相接。
7.根据权利要求6所述的拉曼散射光取得装置，其中，
在所述光遮挡构件的内部形成有沿着所述散射光窗的所述外表面扩展的空洞，
所述加热用光纤线缆向所述光遮挡构件的所述空洞内出射激发光。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的拉曼散射光取得装置，其中，
所述拉曼散射光取得装置具备：
激发光受光光学系统，其接受来自所述出射光学系统的所述激发光；以及
判定部，其根据来自所述光出射部的所述激发光的光强度与所述激发光受光光学系统接受到的所述激发光的光强度之差，来判定由供所述激发光通过的多个构件构成的激发光光学系统的异常。
9.根据权利要求8所述的拉曼散射光取得装置，其中，
所述激发光受光光学系统以所述散射光受光器的所述受光面为基准而在所述光轴方向上配置于与所述出射光学系统相反的一侧。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的拉曼散射光取得装置，其中，
所述拉曼散射光取得装置具备所述光出射部。
11.一种组成分析装置，其具备：
权利要求1至10中任一项所述的拉曼散射光取得装置；以及
分析器，其基于来自所述散射光受光器的输出来分析所述流体的组成。
12.根据权利要求11所述的组成分析装置，其中，
从所述流体中光轴至所述散射光受光器的所述受光面的所述径向上的距离为使所述散射光受光器接受的所述拉曼散射光的光量成为能够由所述分析器对所述流体的组成进行分析的最小光量的距离以下。
13.一种燃气轮机设备，其中，
所述燃气轮机设备具备：
权利要求11或12所述的组成分析装置；
燃料气体线路，其供作为所述流体的燃料气体流动；
燃料调节阀，其对在所述燃料气体线路流动的燃料气体的流量进行调节；
燃气轮机，其通过来自所述燃料气体线路的燃料气体的燃烧来驱动；以及
控制装置，其指示所述燃料调节阀的开度，
所述拉曼散射光取得装置安装于所述燃料气体线路，
所述分析器对在所述燃料气体线路流动的所述燃料气体的组成进行分析，
所述控制装置根据由所述分析器分析的分析结果来确定所述燃料调节阀的开度，并对所述燃料调节阀指示所述开度。
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