JP2004219379A - ガス濃度モニタリングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】広域の監視対象区域において漏洩するＧＨＧを低コストで高感度に検出し監視することができる低コストで高信頼性のガス濃度モニタリングシステムを提供する。
【解決手段】監視対象となるＧＨＧガス種に固有な吸収波長のレーザ光をＧＨＧ地下処分貯留対象域の地表近傍に存在する大気に向けて発振する少なくとも１つの光源部２０１と、ＧＨＧ地下処分貯留対象域の地表近傍に存在する大気中を通過したレーザ光を受光する少なくとも１つの受光部２０２と、光源部から発振されるレーザ光の発振波長を変調し、受光部で受光した信号の中から変調された信号を復調し、復調信号に基いて監視対象ＧＨＧガス種の濃度を求める波長可変半導体レーザ吸収分光手段２０，２０Ａ〜２０Ｃと、を具備する。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温室効果ガスの地中処分対象領域から漏洩するガスを監視するガス濃度モニタリングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球温暖化防止のために、二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）などの温室効果ガス（Ｇｒｅｅｎ Ｈｏｕｓｅ Ｇａｓ；以下、ＧＨＧという）の排出量の削減が地球規模で求められている。１９９７年１２月に開催された地球温暖化防止京都会議では、いわゆる京都議定書において先進国全体でＧＨＧ排出量を約５％削減するという具体的な数値目標が掲げられている。
【０００３】
特に二酸化炭素（ＣＯ_２）はあらゆる燃焼排ガス中に多量に含まれていることから、その分離・固定化技術の研究開発が関係各方面において活発に進められている。ＣＯ_２分離・固定化技術のうち有力視されているのは地中処分法である。地中処分法は、例えば図１および図１２に示すように、鋼管杭等からなる貯留投入ポート３を地中深くに打ち込み、地下の閉塞帯水層４または準化石塩水層５にＣＯ_２ガスを圧入する方法である。圧入されたＣＯ_２ガスは、閉塞帯水層４のなかではＣＯ_２超臨界流体６の形態で貯留され、準化石塩水層５からは塩淡境界を超えて海中に流入して固定化される。
【０００４】
しかし、圧入したＣＯ_２ガスの全部が地中に安定して貯留されるとは限らず、その一部が岩盤の割れ目などを通って再び地表に漏れ出てくるおそれがある。特に短時間の大量圧入はＣＯ_２ガスのリーク量が無視できないほど多くなり、地中処分の効果が実質的に得られなくなるので、ＣＯ_２ガスの圧入を一時中断するなどの対策を講じる必要がある。このため、地表の貯留対象域においてＣＯ_２ガスのリーク量を常時監視する体制が要求されている。
【０００５】
一般的に、ガス濃度計測は、計測領域のガスを一定量サンプリングし、計測妨害物質を除去する前処理工程を経て、各種分析手法を用いてサンプルガス中の対象ガス濃度を検出する。そのため、この手法を用いた計測は、局所ガス濃度を検出する手法となる。よって、これらの手法を用いてＧＨＧ地下処分プラントのＧＨＧ漏洩監視を行う場合には、例えば非特許文献１に記載された図１５および図１６に示すような漏洩ガス検知システムを用いる。
【０００６】
従来の漏洩ガス検知システム１００においては、図１５に示すようにＧＨＧ地中処分プラントの貯留対象域２（広さ３．６ｋｍ×４．０ｋｍ）に多数のサンプリング孔（２００ｍｍピッチ間隔、深さ９００ｍｍ）を掘り、各サンプリング孔に細径（直径７ｍｍ）のステンレスチューブからなるサンプリング管１０１を挿入する。サンプリング管１０１の下端から５０ｍｍ範囲の外周には多数の通気孔１０１ａが開口形成されている。図１６に示すように、サンプリング管１０１の上端にはポンプ１０３に連通する吸引管１０２が繋ぎ込まれ、吸引管１０２の適所を貫通して軟質のシリコーン栓１０４が詰め込まれている。
【０００７】
この従来システム１００では、先ずポンプ１０３を駆動させ、地中の土壌ガスを吸引しながらガス・シリンジ１０５の針をシリコーン栓１０４に突き刺し、土壌ガスをサンプリングする。次いで、サンプリングガスをガス・シリンジ１０５に封入した状態で搬送し、これをガスクロマトグラフィー１０６の分析セルに注入し、成分分析し、その分析データをコンピュータ１０７に送り、コンピュータ１０７でデータ処理し、その結果をグラフや表の形式で画面表示する。このような一連の手順のサンプリング操作を広大な貯留対象域２の全域にわたり繰り返し行うことによりＧＨＧ漏洩発生の有無を判断する。
【０００８】
【非特許文献１】
ＧＨＧ−６；Ｓｉｘｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ Ｇａｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ；Ｃ１−１〜Ｃ１−６，ｐ８９〜ｐ９４（京都国際会議場；２００２年１０月１日〜４日）
“Ｓｏｉｌ Ｇａｓ Ａｓ ａ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｔｏｏｌ ｏｆ Ｄｅｅｐ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ： Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｒｏｍ ＥＮＣＡＮＡ ＥＯＲ ＰＲＯＪＥＣＴ ｉｎ Ｗｅｙｂｕｒｎ， Ｓａｓｋａｔｃｈｅｗａｎ（Ｃａｎａｄａ）”
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の漏洩ガス検知システム１００においては、ＧＨＧ地中処分プラントが広大な敷地面積（１〜１００ｋｍ^２）を必要とするため、局所計測のサンプリング式ガス分析計を用いてシステムを構築しようとすると、膨大な数の測定点が必要になり、その実現のために莫大な建設費用を要することになる。また、測定点が膨大な数に及ぶと、建設コストばかりでなく、運転操業や保守点検のための人件費が非常にかかり、運転コストおよび保守コストが莫大なものになる。
【００１０】
一方、コスト低減のために測定点を減らすと、リークガスの検知精度が低下して監視の信頼性がなくなるという問題点がある。
【００１１】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、広域の監視対象区域において漏洩するＧＨＧを高感度に検出し監視することができる低コストで高信頼性のガス濃度モニタリングシステムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、先の特許第３３４２４４６号において半導体レーザ光源を利用したガス濃度計測機器として波長可変半導体レーザ吸収分光装置（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（以下、ＴＤＬＡＳという））を開示した。ＴＤＬＡＳは、可視または近赤外線の波長領域における半導体レーザの最近のめざましい性能向上に着目して開発されたもので、現地においてリアルタイムで高分解能分光分析できる画期的なガス濃度計測手法である。本発明者らは、このＴＤＬＡＳをＧＨＧ地下処分プラントからの漏洩監視に応用することについて鋭意研究し、以下に述べる本発明を完成するに至った。本発明のガス濃度モニタリングシステムは、ＧＨＧ分離回収技術やＧＨＧ処分技術と組み合せて用いられ、地下に貯留処分したＧＨＧが再び地表に漏れ出さないようにできるので、京都議定書に定めるＣＯ_２排出権取引に利用可能な地球環境浄化機構（Ｃｌｅａｎ ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＭｅｃｈａｎｉｓｍ；ＣＤＭ）を構築する上で非常に重要な技術である。
【００１３】
本発明に係るガス濃度モニタリングシステムは、温室効果ガス地下処分場の貯留対象域の地表側において温室効果ガスの濃度を検出し、該温室効果ガス地下処分場貯留対象域から地表に漏れ出してくる温室効果ガスを監視するガス濃度モニタリングシステムであって、前記温室効果ガス地下処分場貯留対象域の地表近傍または上空に設けられ、監視対象となる温室効果ガス種に固有な吸収波長のレーザ光を前記温室効果ガス地下処分場貯留対象域の地表近傍に存在する大気に向けて発振する少なくとも１つの光源部と、前記温室効果ガス地下処分場貯留対象域の地表近傍または上空に設けられ、前記温室効果ガス地下処分場貯留対象域の地表近傍に存在する大気中を通過した前記光源部から発振されたレーザ光を受光する少なくとも１つの受光部と、前記光源部から発振されるレーザ光の発振波長を変調し、前記受光部で受光した信号の中から変調された信号を復調し、復調信号に基いて前記監視対象温室効果ガス種の濃度を求める波長可変半導体レーザ吸収分光手段と、を具備することを特徴とする。
【００１４】
この場合に、複数の光源部および複数の受光部を温室効果ガス地下処分場の貯留対象域の周縁部に所定のピッチ間隔で対向配置するかまたは同列配置し、温室効果ガス地下処分場貯留対象域の地表に沿って複数のレーザ光を通過させることが好ましい（図３、図４参照）。複数のレーザ光列は実質的に平行であることが計測データを解析する上では望ましいが、必ずしも平行でなくとも計測することは可能である。
【００１５】
さらに、複数の平行レーザ光にそれぞれ交差するように複数のレーザ光を複数の光源部から出射させ、前記温室効果ガス地下処分場貯留対象域の地表に沿って格子状にレーザ光を通過させることが好ましい（図３参照）。２方向からのレーザ光列は、それぞれ実質的に等ピッチ間隔とし、かつ直交するように交差させることが望ましい。直交する２方向からのガス濃度計測を複数回行い、ＣＴ（コンピュータトモグラフィー）解析手法を用いてデータ処理することにより、単にガス濃度の平均値でなく、貯留対象域を格子状に区分する交点ごとのガス濃度を個別に求め、貯留対象域の全域における温室効果ガスの濃度分布を高精度に把握することができる。すなわち、ＣＴ解析手法により交点座標の各々にガス濃度を書き込んだＧＨＧ分布マップが得られるので、このマップ情報をリアルタイムで観測衛星やインターネットにより関係各方面に配信することが可能になる。
【００１６】
光源部と受光部とは１対１に対向配置してもよいし（図３参照）、光源部と前受光部を同じ側に配置し、光源部と１対１に対応する反射部を光源部と対向配置するようにしてもよい（図４参照）。このような反射部を有するシステムは中小規模のＧＨＧ地中処分場に好適である。
【００１７】
光源部および受光部はともに所定位置に固定配置してもよいし（図３、図４、図９、図１３参照）、光源部を所定位置に固定配置し、受光部は移動体に搭載して移動可能としてもよいし（図８参照）、これとは逆に光源部を移動体に搭載して移動可能とし、受光部は所定位置に固定配置してもよいし（図１０参照）、光源部および受光部をともに移動体に搭載して移動可能としてもよい（図７、図１１参照）。定点計測法は高精度の計測が可能であり、移動体を利用する非定点計測法は任意箇所での計測が随時可能になり、また保守点検コストの低減が可能になる。
【００１８】
さらに、波長可変半導体レーザ吸収分光手段により得られたガス濃度検出データに基いて地下処分場から地表に漏洩する温室効果ガスのリーク量を求め、このリーク量が所定の閾値を超えたときに、地下処分場への温室効果ガス圧入量および圧力のうちの少なくとも一方を制御する制御手段を有することが好ましい（図２参照）。このようなシステムを構築することにより、地震などに起因して地盤に裂け目やずれを生じ、処分ガスの漏洩が発生した場合に、直ちにガス圧入操作を停止することができるという迅速な対処が可能になり、システムの信頼性が飛躍的に高まる。
【００１９】
さらに、波長可変半導体レーザ吸収分光手段により得られたガス濃度検出データを上空で受信し、解析し、その解析結果と上空からの大気中ガス濃度の観測結果とを地上に配信する観測衛星を有することが好ましい（図１３参照）。観測衛星は大気中のＧＨＧ濃度を独自に観測する赤外線観測機を搭載しており、大気中に存在するＧＨＧ（特にＣＯ_２）濃度に関する観測情報を提供できる機能を備えている。
【００２０】
さらに、前記波長可変半導体レーザ吸収分光手段により得られたガス濃度検出データを入力し、解析し、その解析結果と観測衛星から得られる観測結果とを関連する各方面に配信するインターネット配信システムを有することが好ましい（図１４参照）。このようなインターネット配信システムと組み合せることにより、互いに離れた複数の地域から得られたガス濃度計測情報を幅広い層に提供でき、ブロードバンド時代にふさわしい情報公開を実現できる。
【００２１】
なお、波長可変半導体レーザ吸収分光手段における波長変調されたレーザ光は複数の異なる発振波長としてもよいし、単一の発振波長としてもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の種々の好ましい実施の形態について説明する。
【００２３】
図１および図１２は本発明のガス濃度モニタリングシステムが適用されるＧＨＧ地中処分プラントの概要の一例をそれぞれ示す断面模式図である。ＧＨＧ地中処分プラントの貯留対象域２の適所には鋼管杭等からなる複数の貯留投入ポート３が地中深くに打ち込まれている。貯留投入ポート３の下端は地下数百メートルから数キロメートルに存在する閉塞帯水層４または準化石塩水層５に達している。貯留投入ポート３にはＣＯ_２分離回収装置（図示せず）のガス圧入機１０のポンプが連通し、ＣＯ_２ガスが貯留投入ポート３を介して閉塞帯水層４または準化石塩水層５に所定の圧力で圧入されるようになっている。閉塞帯水層４に圧入されたＣＯ_２ガスは、ＣＯ_２超臨界流体６の形態で貯留される。また、準化石塩水層５に圧入されたＣＯ_２ガスは、塩淡境界を超えて海中に流入し、海水成分と反応して固定化される。
【００２４】
ＧＨＧ地中処分プラントは、図２に示すように、ＣＯ_２分離回収装置（図示せず）のガス圧入機１０、ＴＤＬＡＳ２０、制御器５０などを備えている。制御器５０の入力部にはＴＤＬＡＳ２０の内蔵コンピュータ３０（図５、図６参照）が接続され、出力部はガス圧入機１０の電源回路に接続されている。制御器５０は、種々のデータ処理機能を備えるものであり、本実施形態ではＣＴ解析データ処理機として機能する。
【００２５】
貯留対象域２から地表に漏れ出てきたＣＯ_２ガスはＴＤＬＡＳ２０により濃度計測され、濃度計測データ信号が制御器５０に入力されると、制御器５０は所定の算式を用いて演算を行い、ガス濃度を求める。さらに、制御器５０は、計測ガス濃度値と所定の閾値とを比較して、前者が後者を超える場合は、制御信号をガス圧入機１０に送り、ガス圧入機１０の圧入動作を制御する。すなわち、制御器５０は、ガス圧入機１０のＣＯ_２ガス圧力を低下させるか、ガス圧入量を低減させるか、あるいは圧入動作そのものを停止させる。
【００２６】
なお、ＣＯ_２ガス濃度に関する所定の閾値は、貯留対象域２以外の他の領域で計測した大気中ＣＯ_２ガス濃度の平均値（例えば、３５０ｐｐｍ）を用いるか、あるいは国際標準協定値（例えば、２５０ｐｐｍ）が存在する場合はそれに従う。
【００２７】
（第１の実施形態）
次に、図３を参照して第１の実施形態のガス濃度モニタリングシステムについて説明する。
ＧＨＧガスが地中処分される貯留対象域２に多数のポスト２０５が立設されている。貯留対象域２の広さは一辺が約４ｋｍの略正方形（面積；１６ｋｍ^２）であり、その適所にＣＯ_２貯留投入ポート３が設けられている。ＣＯ_２貯留投入ポート３の基端部は地上のガス圧入機１０に連通し、先端部は地下の閉塞帯水層４に開口している。
【００２８】
ポスト２０５は貯留対象域２を四方から取り囲むように実質的に同じ高さレベルでほぼ等ピッチ間隔に配列されている。ポスト２０５の上部には光源部２０１または受光部２０２が取付けられている。これらの光源部２０１および受光部２０２は、貯留対象域２を取り囲むように貯留対象域２の周縁に例えば５０〜１００ｍの等ピッチ間隔に配置されている。なお、ポスト２０５の高さはとくに規定しないが、障害物が無い場合であってもポスト２０５を過度に低くしすぎると、地表から受けるノイズが増大するので、ポスト２０５は適当な高さ（例えば、５０〜６０ｃｍ）を有すればよい。
【００２９】
光源部２０１および受光部２０２は、図５に示すようにＴＤＬＡＳ２０の構成の一部をなすものであり、光源部２０１からは光学窓２７ａを介してレーザ光８を測定領域（貯留対象域２）に出射し、受光部２０２は測定領域を通過したレーザ光８を光学窓２７ｂを介して受光するように、１対１に対向配置されている。
【００３０】
これらの光源部２０１と受光部２０２との組合せ対は、第１群と第２群とに分かれている。第１群の光源部２０１／受光部２０２はレーザ光８を地表に実質的に平行かつ等ピッチ間隔に出射し受光するものである。第２群の光源部２０１／受光部２０２は、第１群の平行レーザ光８に対してレーザ光８が交差するように直交方向に、かつ互いに平行に、かつ等ピッチ間隔にレーザ光８を出射し受光するものである。これら第１群および第２群の平行レーザ光８は、図３に示すように互いに交差して格子を形成する。制御器５０またはコンピュータ３０は、ＣＴ解析手法を用いる演算により、第１群と第２群の平行レーザ光８が交差する座標点でのガス濃度を高精度に算出することができる。なお、本実施形態では第１群と第２群の平行レーザ光から得られるデータに基づいてガス濃度を算出する例をあげたが、第１群の平行レーザ光から得られるデータのみを用いてガス濃度を算出してもよいし、あるいは第２群の平行レーザ光から得られるデータのみを用いてガス濃度を算出してもよい。
【００３１】
次に、ＴＤＬＡＳ２０の詳細について説明する。
【００３２】
図５に示すように、光源部２０１にはレーザ発振器が設けられている。レーザ発振器は、ＬＤモジュール２１と、ＬＤモジュール２１から発振されたレーザ光を反射するミラー２１ａと、ミラー２１ａで反射されたレーザ光の一部を光学窓２７ａに向けて反射するとともに一部を透過させるハーフミラー２１ｂと、ハーフミラー２１ｂを透過したレーザ光を参照セル３に向けて反射するミラー２１ｃと、を備えている。
【００３３】
光源としての半導体レーザ素子は、レーザ素子の温度調節を行うためのペルチェ素子とともにＬＤモジュール２１のなかに設けられている。半導体レーザ素子はＬＤドライバ２２の制御回路に接続され、その温度と電流とが制御されるようになっている。なお、本実施形態では、光源として半導体レーザ素子を採用した場合を例にとって説明しているが、本発明の光源は半導体レーザ素子のみに限定されるものではなく、その他の波長変調が可能なレーザ発振器のすべてに適用可能であり、さらに、レーザ以外の光・電磁波の場合も、波長変調が可能な場合には、すべて適用可能である。
【００３４】
受光部２０２の光学窓２７ｂの近傍には２つのフォトダイオード２５，２６（ＰＤ２，ＰＤ３）が設けられている。一方のフォトダイオード２５はレーザ光軸上に配置され、貯留対象域２の上方（計測域）を通過したレーザ光８を受光するようになっている。他方のフォトダイオード２６はレーザ光軸から外れたところに配置され、計測域の背景光（バックグラウンド）を受光するようになっている。これら２つのフォトダイオード２５，２６は測定ユニット２８を経由してＡＤ変換器２９に受光信号をそれぞれ送るように接続されている。ＡＤ変換器２９はコンピュータ３０に接続され、さらにコンピュータ３０はディスプレイを備えた表示装置９１Ａ〜９１Ｃ（図１４参照）に接続されている。
【００３５】
ＬＤモジュール２１から発振されたレーザ光８は、ハーフミラー２１ｂで２つに分けられる。このうち透過光は、参照セル２３を通り、第１のフォトダイオード２４（ＰＤｌ）で受光され、ガス濃度の検定と波長安定化とに用いられる。一方、反射光は、計測域へ光学窓２７ａを介して導入され、計測域を通過した後に光学窓２７ｂを介して第２のフォトダイオード２５（ＰＤ２）により受光される。
【００３６】
さらに、計測用レーザ光８の光軸から外れたところに配置された第３のフォトダイオード２６（ＰＤ３）により計測域から発される背景光を受光する。これら３つのフォトダイオード２４，２５，２６からの電気信号を測定ユニット２８で処理する。測定ユニット２８は処理したアナログデータをＡＤ変換器２９に送り、これをＡＤ変換器２９はデジタルデータに変換し、これをコンピュータ３０に送る。コンピュータ３０は、送られてきたデータをメモリに保存するとともに、これを数値化又はグラフ化して表示装置（図示せず）の画面に表示する。さらに、コンピュータ３０は、第２のフォトダイオード２５（ＰＤ２）で受光した光（レーザ光＋背景光）の強度と第３のフォトダイオード２６（ＰＤ３）で受光した光（背景光）の強度との差分を演算により求め、これも表示装置の画面に表示するようになっている。
【００３７】
ガス濃度の検定は次のようにしてなされる。
【００３８】
先ず、参照セル２３内の既知のガス濃度と、参照セル２３の既知の光学長さと、計測領域の既知の光学長さとをコンピュータ３０にデータ入力する。コンピュータ３０は、メモリから所定の数式を呼び出し、３つの入力データを数式の該当パラメータにそれぞれ代入し、演算によりガス濃度値を求める。なお、参照セル２３の内部にはガス濃度が既知の標準ガスを一定圧力で封入するか、または通流させてある。
【００３９】
図６はＴＤＬＡＳ２０の要部を示すブロック回路図である。
【００４０】
測定ユニット２８は、ランプ波発生器３１、２つのサイン波発生器３２，３３、加算器３４、２つの増幅器３５、３つの位相敏感検波器３６，３７，３９、５つのローパスフィルタ３８、アンプ／ローパスフィルタ４０を内蔵している。
【００４１】
ランプ波発生器３１は、測定対象ガスに固有の吸収スペクトルのところでレーザ発振波長をゆっくりと掃引させるために、例えば周波数０．５Ｈｚ又は０．０１Ｈｚのランプ波を半導体レーザ素子の注入電流に印可するようになっている。なお、長時間にわたりガス濃度の変化を測定する場合は、ランプ波発生器３１によるレーザ発振波長の掃引を止め、レーザ発振波長を所定波長にロックする。
【００４２】
２つのサイン波発生器３２，３３は、レーザ発振波長を変調するために、それぞれ異なる周波数のサイン波を半導体レーザ素子の注入電流に重ねて印可するようになっている。例えば、一方のサイン波発生器３２からは第１の変調周波数ｆとして１０ｋＨｚのサイン波（ｆ＝１０ｋＨｚ）が加算器３４を経由してＬＤドライブ２２に印可され、他方のサイン波発生器３３からは第２の変調周波数ｗとして５００Ｈｚのサイン波（ｗ＝５００Ｈｚ＝０．５ｋＨｚ）が加算器３４を経由してＬＤドライブ２２に印可されるようになっている。
【００４３】
加算器３４は、ランプ波発生器３１からの掃引信号、２つのサイン波発生器３２，３３からの異なる周波数ｆ，ｗの変調信号、位相敏感検波器３９からの周波数２ｆ＋ｗの３次微分復調信号を重畳して半導体レーザ素子の注入電流に印可するようになっている。
【００４４】
第１、第２、第３の位相敏感検波器３６，３７，３９は、参照セル３の受光器２４（ＰＤ１）に増幅器３５を介して接続されている。このうち第１及び第２の位相敏感検波器３６，３７からなる回路はローパスフィルタ３８を介して外部のＡＤ変換器２９に接続されている。一方、第１及び第３の位相敏感検波器３６，３９からなる回路はアンプ／ローパスフィルタ４０を経由して加算器３４に接続されている。
【００４５】
なお、レーザ光用の受光器２５（ＰＤ２）は、増幅器３５、２つの位相敏感検波器３６，３７、ローパスフィルタ３８からなる直列回路を経由してＡＤ変換器２９に接続されるとともに、別のローパスフィルタ３８を経由してＡＤ変換器２９にバイパス接続されている。また、背景光用の受光器２６（ＰＤ３）は、ローパスフィルタ３８を経由してＡＤ変換器２９に接続されている。
【００４６】
ローパスフィルタ３８は、受光信号から高周波成分を除去して、低周波数の信号のみを通過させるようになっている。
【００４７】
ランプ波発生器３１から掃引波長をもつランプ波を注入電流に印可するとともに、各サイン波発生器３２，３３から異なる周波数ｆ，ｗのサイン波を注入電流に重ねて印可すると、これによりレーザ発振波長は２つの異なる周波数ｆ，ｗで二重に変調される。その結果、このレーザ光を受光した信号には変調周波数ｆ，ｗとその高調波が含まれるようになるので、第１の位相敏感検波器３６により信号が２倍の周波数２０ｋＨｚ（２ｆ）で復調され、次いで第２の位相敏感検波器３７により２倍の周波数１ｋＨｚ（２ｗ）で復調され、これらが重畳された４次微分信号（２ｆ＋２ｗ）がローパスフィルタ３８を通ってＡＤ変換器２９に送られる。
【００４８】
また、第１の位相敏感検波器３６により２倍の周波数２０ｋＨｚ（２ｆ）で復調された信号は、第３の位相敏感検波器３９において周波数ｗで復調される。これらが重畳された３次微分信号（２ｆ＋ｗ）がアンプ／ローパスフィルタ４０を通って加算器３４に送られ、この信号に基づきレーザ発振波長が測定対象ガスの吸収中心波長にフィードバック制御される。
【００４９】
次に、ＴＤＬＡＳ２０の種々の機能について説明する。
【００５０】
（イ）フリンジの影響除去
光学部品での反射が原因となって吸収スペクトルの中に現れるフリンジが、濃度測定の妨害になることが多い。注意深くこのフリンジを除去した後でも、小さな振幅のフリンジが残る場合がある。この振幅の変動は、屋外のテストプラントや実プラントの近くに設置された光学部品の温度変動に伴って起こり、その結果、吸収のピーク強度が変動することになる。しかしながら、本発明者らは、二重変調を用いることによってこの問題を解決している。すなわち、フォトダイオード２５（または２４）の出力を、アンプ３５で増幅した後、周波数２ｆの位相敏感検波器３６で復調し、さらに、周波数２ｗの位相敏感検波器３７で復調し、低周波フィルタ３８で高周波ノイズを除去する。
【００５１】
ＴＤＬＡＳ２０では、フリンジを伴う吸収信号を、さらに第２の周波数ｗの２倍の周波数２ｗで復調することにより４次微分信号を得て、この４次微分信号から先の２次微分信号のピークとピークとの間の強度を観測することができる。従って、フリンジの有無に拘わらず、ピークとピークの間の強度が観測されることになる。このような二重変調と復調とにより高感度かつ長時間安定な計測が可能になる。
【００５２】
（ロ）ガスと固体粒子の濃度の同時計測
ガス状分子の吸収はレーザ光の波長に依存するが、一方、固体粒子による散乱や吸収はレーザ光の波長にはあまり依存しない。第２のフォトダイオード２５（ＰＤ２）の出力は、２つに分けられ、一方は、アンプ３５と位相敏感検波器３６によって変調された成分が検出され、他方は低周波通過フィルタ３８によって、直流成分が検出される。その結果、透過してきたレーザ光強度の変調された成分と直流成分を両方とも測定できるので、ガス濃度と固体粒子濃度との同時計測が可能となる。
【００５３】
（ハ）波長の安定化
長期間安定な測定を実現するために、レーザ光の発振波長を参照セル内のガスの吸収ピークにロックした。具体的には、第１のフォトダイオード２４（ＰＤ１）の出力をアンプ３５で増幅した後に、周波数２ｆの位相敏感検波器３６で復調し、さらに、周波数ｗの位相敏感検波器３９で復調し、低周波通過フィルタおよびアンプ４０を通すと、参照セル２３内のガスによる吸収信号の３次微分が得られる。この３次微分信号は、吸収中心付近ではガスの吸収中心波長とレーザ光の発振波長との差に比例する。この関係を利用して両者の波長差がゼロになるように加算器３４に加えると、フィードバック制御が掛かり、その結果、レーザ光の発振波長が安定化する。
【００５４】
（ニ）背景光の影響除去
位相敏感検波器の出力は、ガス濃度とレーザ強度に比例するのでガス濃度を算出するためには、レーザ強度で割る必要がある。
【００５５】
フォトダイオード２５（ＰＤ２）で受光した光の強度は、透過したレーザ光と火炎などの発光（背景光）との両方を含むものである。それゆえ、背景光のみを受光するためのフォトダイオード２６（ＰＤ３）をレーザの光軸を外れた位置に設置し、フォトダイオード２５（ＰＤ２）の出力（受光強度）からフォトダイオード２６（ＰＤ３）の出力（受光強度）を差し引くことにより、背景光の影響を除去することができる。
【００５６】
なお、本実施形態では、光源部２０１からのレーザ発振波長はマイケルソン干渉型波長計で較正した。ガス９を透過したレーザ光８は受光部２０２のインジュームガリウム砒素ｐｉｎ結合型フォトダイオード（ＩｎＧａＡｓＰＩＮＰＤ）で受光した。
【００５７】
上記機能を有するＴＤＬＡＳ２０は、計測データをコンピュータ３０で処理し、処理データを制御器５０に送る。制御器５０は、ＣＴ解析手法を用いてデータ処理し、貯留対象域２におけるガス濃度分布マップを作成し、これをリアルタイムにユーザーディスプレイに画面表示させる情報提供サービスを行うとともに、計測値が所定の閾値を超えた場合にＧＨＧ分離回収装置のガス圧入機１０に指令信号を送り、その動作を最適制御する。
【００５８】
本実施形態のモニタリングシステムによれば、大規模ＧＨＧ地中処分プラントの貯留対象域２においてＣＯ_２ガスの漏洩が発生した場合に、ＣＴ解析手法を用いてガス漏洩量と座標を高精度に特定できるので、現地でリアルタイムに適切に対処することができ、ＣＤＭ事業を迅速かつ確実に推進することが可能になる。
【００５９】
（第２の実施形態）
次に、図４を参照して第２の実施形態のガス濃度モニタリングシステムについて説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
第２実施形態のシステムは、上記第１実施形態のシステムに比べて小規模のＧＨＧ地中処分プラントの貯留対象域２（例えば、一辺が１００〜１０００ｍの正方形、面積が１ｋｍ^２未満）に適したシステムである。複数の光源部２０１が貯留対象域２の周縁の一方側にて実質的に同じ高さレベルで等ピッチ間隔（例えば、１０〜２０ｍピッチ）にポスト２０５にそれぞれ支持されている。光源部２０１は受光機構を内蔵するものである。すなわち、本実施形態のシステムは光源部と受光部を同じ側に同列配置したものとなる。
【００６０】
これらの光源部２０１に１対１に向き合って反射部２０４が貯留対象域２の周縁の他方側にて実質的に同じ高さレベルで等ピッチ間隔にポスト２０５にそれぞれ支持されている。
【００６１】
反射部２０４は光学ミラーを備えており、光源部２０１から出射されたレーザ光８を光源部２０１の受光機構に向けて反射するようになっている。受光機構は上記実施形態の受光部２０２と実質的に同じ構成をなすものである。なお、本実施形態では光源部（受光部）と反射部とを１対１に対向配置しているが、１つの光源部（受光部）に対して複数の反射部を設け、複数回ジグザグに反射させた後に受光部にレーザ光が入射するようにしてもよい。
【００６２】
本実施形態によれば、小規模のＧＨＧ地中処分プラントに好適な低コストのガス濃度モニタリングシステムが提供される。
【００６３】
（第３の実施形態）
次に、図７を参照して第３の実施形態のガス濃度モニタリングシステムについて説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
本実施形態のシステムでは光源部２０１と受光部２０２を別々の車両６０に搭載し、光源部２０１と受光部２０２を貯留対象域２の周縁に沿って移動させることにより、光源部２０１と受光部２０２を向き合わせた状態で計測位置を次々に変えて貯留対象域２の全域にわたるガス濃度を計測するようにしている。
【００６４】
車両６０は少なくとも２台あれば計測可能であるが、４台の車両６０に光源部２０１または受光部２０２のいずれかを搭載させ、上記第１実施形態と同様に２本のレーザ光８を交差させるようにすることが好ましい。
【００６５】
本実施形態によれば、ガス濃度計測位置を任意に選択できるので、ガスが漏洩しそうな領域を重点的に監視することが可能になる。
【００６６】
また、本実施形態によれば、定点計測に比べて光源部および受光部の数を減らすことができるので、低コストのガス濃度モニタリングシステムを提供できる。なお、定点計測の場合も不定点計測の場合も、１つのＧＨＧ地中処分プラントに対して１台のＴＤＬＡＳ２０を設けるだけでよく、複数台のＴＤＬＡＳ２０を設ける必要はない。したがって、１台のＴＤＬＡＳ２０に複数の光源部および複数の受光部がすべて接続されることになり、貯留対象域２の全域にわたり計測データを集約化することが容易になる。
【００６７】
（第４の実施形態）
次に、図８を参照して第４の実施形態のガス濃度モニタリングシステムについて説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
本実施形態のシステムでは、受光部２０２のみを車両６０に搭載し、貯留対象域２のほぼ中央に立てたポール上の１つの光源部２０１を中心にして受光部２０２を光源部２０１のまわりに移動させることにより、光源部２０１と受光部２０２を向き合わせた状態で計測位置を次々に変えて貯留対象域２の全域にわたるガス濃度を計測するようにしている。
【００６８】
なお、本実施形態では１つの光源部２０１のレーザ光出射部（光学窓２７ａ）の向きを可変とし、レーザ光出射部の向きを変えて移動体６０上の受光部２０２に向けてレーザ光８を出射するようにしているが、ポール上に複数の光源部２０１を放射状に取り付け、光源部２０１をオンオフ制御により次々に切り替えて移動体６０上の受光部２０２に向けてレーザ光８を出射するようにしてもよい。
【００６９】
また、本実施形態では車両６０は少なくとも１台あれば計測可能であるが、複数台の車両６０に受光部２０２を搭載させてもよい。また、ポールの高さは貯留対象域２の広さに応じて種々変えることができるが、一般的には１０〜５０ｍ程度とすることが望ましい。
【００７０】
本実施形態によれば、定点計測に比べて光源部および受光部の数を減らすことができるので、低コストのガス濃度モニタリングシステムを提供できる。
【００７１】
（第５の実施形態）
次に、図９を参照して第５の実施形態のガス濃度モニタリングシステムについて説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
本実施形態のシステムでは、受光機構を内蔵した１つの光源部２０１を貯留対象域２のほぼ中央に立てたポール上に設け、複数の反射部２０４を光源部２０１の支持ポールを中心とする円周上にほぼ等ピッチ間隔に配置している。反射部２０４は上記と同様に光学ミラーを備えており、光源部２０１から出射されたレーザ光８を反射し、反射光を受光機構（図示せず）に受光させる。
【００７２】
本実施形態によれば、反射部２０４を地表の近くに配置しているので、光学窓やミラーを保守点検時に容易に洗浄することができ、レーザ光の所定の反射率を維持することができる。
【００７３】
（第６の実施形態）
次に、図１０を参照して第６の実施形態のガス濃度モニタリングシステムについて説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
本実施形態のシステムでは、１つの光源部２０１を飛行船などの飛翔体７０に搭載している。地上に設けた複数の反射部２０４は上記の第５実施形態と同様である。
【００７４】
本実施形態によれば、飛翔体を上昇させることにより光源部の高度を容易に高くすることができるので、広域の大規模ＧＨＧ地中処分プラントに好適である。
【００７５】
（第７の実施形態）
次に、図１１を参照して第７の実施形態のガス濃度モニタリングシステムについて説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
本実施形態のシステムでは、光源部２０１および受光部２０２をともに移動体に搭載して不定点計測するようにしている。すなわち、１つの光源部２０１を飛翔体７０に搭載し、少なくとも１つの受光部２０２を車両６０に搭載している。車両６０は受光部２０２を搭載した状態で貯留対象域２内を自由に移動でき、また飛翔体７０は光源部２０１を搭載した状態で貯留対象域２の上空で高度と水平位置を自由に変えることができる。
【００７６】
本実施形態によれば、貯留対象域２内の任意地点のガス濃度を迅速かつ容易に計測することができるので、上記の定点計測と組み合せて用いると、よりきめ細やかな計測が可能になる。
【００７７】
（第８の実施形態）
次に、図１２と図１３を参照して第８の実施形態のガス濃度モニタリングシステムについて説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
図１２に示すように、ＧＨＧ地中処分プラントの構想は内陸部ばかりでなく海洋大陸棚をも対象としている。すなわち、ガス貯留投入ポート３を海洋大陸棚の地下に存在する閉塞帯水層４まで打ち込み、ＣＯ_２ガスのようなＧＨＧを閉塞帯水層４に圧入するようにしている。このような海洋大陸棚を対象とするＧＨＧ地中処分プラントの貯留対象域２は海洋上にあり、しかも広域にわたるので、通常のモニタリングシステムを用いて漏洩ＧＨＧを監視することは困難である。
【００７８】
そこで、本実施形態では、図１３に示すように観測衛星８０を用いてガス濃度計測データをリアルタイムで送受信するようにしている。観測衛星８０は、海洋上に設けた複数の受光部２０２から計測データを受信し、それに基いてＧＨＧガス濃度分布マップを作成し、これをユーザーディスプレイに配信して画面表示させるとともに、制御器５０にガス圧入機１０の動作を制御させるようになっている。また、観測衛星８０は大気中のＧＨＧ濃度を独自に観測する赤外線観測機を搭載しており、大気中に存在するＧＨＧ（特にＣＯ_２）濃度に関する観測情報を提供できる機能を備えている。
【００７９】
本実施形態によれば、作業者が容易に近づくことができない海洋上であっても有効なガス濃度計測データを得ることができる。
【００８０】
（第９の実施形態）
次に、図１４を参照して第９の実施形態のガス濃度モニタリングシステムについて説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
本実施形態のシステムは、複数のＧＨＧ地中処分プラントから得られるガス濃度計測データをインターネットを利用してリアルタイムでユーザーに情報提供サービスしようとするものである。
【００８１】
ＴＤＬＡＳ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、異なる複数のＧＨＧ地中処分プラントの貯留対象域２を監視するものであり、インターネットを介してサーバー９２およびホストコンピュータ９３にそれぞれ接続されている。ＴＤＬＡＳ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃで計測したガス濃度データは、ホストコンピュータ９３にデータ蓄積されるとともに、サーバー９２を介して各地のユーザーディスプレイ９１Ａ〜９１Ｃにそれぞれ配信されるようになっている。
【００８２】
本実施形態によれば、各国、各地域から幅広くＧＨＧ処分情報やリーク情報を入手することが可能になる。本モニタリングシステムをインターネット配信システムと組み合せることにより、互いに離れた複数の地域から得られたガス濃度計測情報を幅広い層に提供できる。
【００８３】
【発明の効果】
本発明のガス濃度モニタリングシステムによれば、ＧＨＧ地中処分プラントの貯留対象域におけるガスの漏洩を高精度、迅速かつ効率よく監視することが可能であることが実証できた。
【００８４】
また、本発明によれば、ＣＴ解析手法などを利用することにより交点座標の各々にガス濃度を書き込んだＧＨＧリーク分布マップが得られ、この情報をリアルタイムで観測衛星やインターネットにより関係各方面に配信することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス濃度モニタリングシステムが適用されるＧＨＧ地中処分プラント（内陸部設備）の概要を説明するための断面模式図。
【図２】ＧＨＧ地中処分プラントの概略の制御ブロック図。
【図３】本発明のガス濃度モニタリングシステム（大規模貯留対象域用）を模式的に示す斜視図。
【図４】本発明のガス濃度モニタリングシステム（中小規模貯留対象域用）を模式的に示す斜視図。
【図５】ＴＤＬＡＳの全体概要を示す断面ブロック図。
【図６】ＴＤＬＡＳの要部を示すブロック回路図。
【図７】他の実施形態のガス濃度モニタリングシステムを模式的に示す斜視図。
【図８】さらに他の実施形態のガス濃度モニタリングシステムを模式的に示す斜視図。
【図９】さらに他の実施形態のガス濃度モニタリングシステムを模式的に示す斜視図。
【図１０】さらに他の実施形態のガス濃度モニタリングシステムを模式的に示す斜視図。
【図１１】さらに他の実施形態のガス濃度モニタリングシステムを模式的に示す斜視図。
【図１２】本発明のガス濃度モニタリングシステムが適用されるＧＨＧ地中処分プラント（海洋大陸棚設備）の概要を説明するための断面模式図。
【図１３】観測衛星を利用した本発明のガス濃度モニタリングシステムを示す概略構成図。
【図１４】インターネット等の配信システムを利用した本発明のガス濃度モニタリングシステムを示す概略構成図。
【図１５】従来のガス濃度モニタリングシステムを示す概略斜視図。
【図１６】従来のガス濃度モニタリングシステムの動作を説明するための概略断面図。
【符号の説明】
２…貯留対象域、
３…ガス貯留投入ポート、
８…レーザ光、
９…温室効果ガス（ＧＨＧ）、
１０…ガス圧入機、
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…波長可変半導体レーザ吸収分光装置（ＴＤＬＡＳ）、
２０１…光源部、２０２…受光部、
２０４…反射部、２０５…ポスト（支持部材）、
２１…ＬＤモジュール（光源）、
２２…ＬＤドライバユニット、
２３…参照セル、
２４，２５，２６…フォトダイオード、
２８…測定ユニット、２９…ＡＤ変換器、３０…コンピュータ、
３１…ランプ波発生器、３２，３３…サイン波発生器、
３４…加算器、３５…アンプ、
３６，３７，３９…位相敏感検波器、
３８…ローパスフィルタ（低周波通過フィルタ）、
４０…アンプ／ローパスフィルタ、
５０…制御器（ＣＴ解析データ処理機）、
６０…車両（移動体）、
７０…飛行船（移動体、飛翔体）、
８０…観測衛星。

Claims (12)

1. 温室効果ガス地下処分場の貯留対象域の地表側において温室効果ガスの濃度を検出し、該温室効果ガス地下処分場貯留対象域から地表に漏れ出してくる温室効果ガスを監視するガス濃度モニタリングシステムであって、
   前記温室効果ガス地下処分場貯留対象域の地表近傍または上空に設けられ、監視対象となる温室効果ガス種に固有な吸収波長のレーザ光を前記温室効果ガス地下処分場貯留対象域の地表近傍に存在する大気に向けて発振する少なくとも１つの光源部と、
   前記温室効果ガス地下処分場貯留対象域の地表近傍または上空に設けられ、前記温室効果ガス地下処分場貯留対象域の地表近傍に存在する大気中を通過した前記光源部から発振されたレーザ光を受光する少なくとも１つの受光部と、
   前記光源部から発振されるレーザ光の発振波長を変調し、前記受光部で受光した信号の中から変調された信号を復調し、復調信号に基いて前記監視対象温室効果ガス種の濃度を求める波長可変半導体レーザ吸収分光手段と、
   を具備することを特徴とするガス濃度モニタリングシステム。
2. 複数の光源部および複数の受光部を前記温室効果ガス地下処分場の貯留対象域の周縁部に所定のピッチ間隔で対向配置するかまたは同列配置し、前記温室効果ガス地下処分場貯留対象域の地表に沿って複数のレーザ光を通過させることを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. さらに、前記複数の平行レーザ光にそれぞれ交差するように複数のレーザ光を複数の光源部から実質的に平行に出射させ、前記温室効果ガス地下処分場貯留対象域の地表に沿って格子状にレーザ光を通過させることを特徴とする請求項２記載のシステム。
4. 前記光源部と前記受光部とは１対１に対向配置されていることを特徴とする請求項２または３のいずれか一方に記載のシステム。
5. 前記光源部と前記受光部は同じ側に同列配置され、前記光源部に対向配置された１つ又は複数の反射部をさらに有することを特徴とする請求項２または３のいずれか一方に記載のシステム。
6. 前記光源部および前記受光部は、所定位置に固定配置されていることを特徴とする請求項請求項１乃至５のうちのいずれか１記載のシステム。
7. 前記光源部は所定位置に固定配置され、前記受光部は移動体に搭載されて移動可能であることを特徴とする請求項請求項１乃至５のうちのいずれか１記載のシステム。
8. 前記光源部は移動体に搭載されて移動可能であり、前記受光部は所定位置に固定配置されていることを特徴とする請求項請求項１乃至５のうちのいずれか１記載のシステム。
9. 前記光源部および前記受光部は、ともに移動体に搭載されて移動可能であることを特徴とする請求項請求項１乃至５のうちのいずれか１記載のシステム。
10. さらに、前記波長可変半導体レーザ吸収分光手段により得られたガス濃度検出データに基いて地下処分場から地表に漏洩する温室効果ガスのリーク量を求め、このリーク量が所定の閾値を超えたときに、前記地下処分場への温室効果ガス圧入量および圧力のうちの少なくとも一方を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項請求項１乃至９のうちのいずれか１記載のシステム。
11. さらに、前記波長可変半導体レーザ吸収分光手段により得られたガス濃度検出データを上空で受信し、解析し、その解析結果と上空からの大気中ガス濃度の観測結果とを地上に配信する観測衛星を有することを特徴とする請求項請求項１乃至１０のうちのいずれか１記載のシステム。
12. さらに、前記波長可変半導体レーザ吸収分光手段により得られたガス濃度検出データを入力し、解析し、その解析結果と前記観測衛星から得られる観測結果とを関連する各方面に配信するインターネット配信システムを有することを特徴とする請求項１１記載のシステム。

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