JP2005024249A

JP2005024249A - レーザ計測装置

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Publication number: JP2005024249A
Application number: JP2003186544A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Deguchi; 祥啓出口; Shinsaku Dobashi; 晋作土橋; Tomonori Koyama; 智規小山; Osamu Shinada; 治品田; Kazuhiro Ota; 一広太田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】例えば石炭ガス化の生成ガス等に適用されるレーザ計測装置を提供することを課題とする。
【解決手段】計測場２０内の被測定ガス２１にレーザー光２２を照射するレーザー手段２３と、前記レーザー光２２の照射により前記ガス２１から生じるラマン散乱光２４により波長毎の強度の計測を行う分光器２５と、前記レーザー光２２の照射により前記ガス２１中のダストから生じるミー散乱光２７の計測を行う光検出器２８と、前記計測の結果から前記ガス２１の発熱量及びダスト量を算出する計算部であるデータ処理手段２９とを具備する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば石炭ガス化の生成ガス等に適用されるレーザ計測装置に関する。
【０００２】
【背景の技術及び発明が解決しようとする課題】
石炭ガスを使用した火力発電では、石炭ガス化炉にて生成される生成ガスを燃料として、ガスタービン等の発電設備に導いて使用している。発電設備では、目標とする発電量が設定されており、それに応じて生成ガスの発熱量を制御することが重要である。そして、それに対応して、ガス化炉において生成ガスの発熱量（組成）が許容範囲に入るように制御することが、非常に重要である。
発電所の発電目標設定値は、常に一定ではなく、電力の使用量の変化や、時間帯等により短時間で変更されることも多い。従って、それに応じて、ガス化炉において生成される生成ガスの発熱量も迅速に制御される必要がある。
【０００３】
従来の生成ガス発熱量の制御では、発熱量は生成ガスを分析し、その分析結果を解析することで制御を行っていた。
図１２を参照して、ガス化炉１における発熱量制御について説明する。ガス化炉０１、生成ガス０２、サンプリング管０３、前処理部０４、ガスクロマトグラフ０５、計算部０６、制御部０７、燃料供給弁０８、空気供給弁０９、配管０１０、ガスタービン０１１からなる。ガス化炉０１は、燃料（石炭）供給弁０８及び空気供給弁０９を経由して石炭及び空気の供給を受け、ガスタービン０１１用の高温・高圧（例えば４００℃、３０気圧）の生成ガス０２を生成する。生成ガス０２は、ガスタービン０１１に送られる配管０１０の途中で、その一部が、サンプリング管０３によりサンプリングされ、発熱量を測定する測定系へ流入する。サンプリングガスは、前処理部０４において、降圧、冷却、除塵、除湿等の前処理を行い、常圧・常温で乾燥し、かつ塵を含まない状態にする。
その後、サンプリングガスをガスクロマトグラフ０５へ送る。ガスクロマトグラフ０５では、サンプリングガスである生成ガス０２が分析され、ガスの組成が測定される。
【０００４】
ここで通常、石炭ガス化生成ガスの場合は、およそ一酸化炭素（ＣＯ）１０〜３０％、水素（Ｈ_２）４〜１０％、メタン（ＣＨ_４）０．１〜１％、二酸化炭素（ＣＯ_２）５〜１０％、窒素（Ｎ_２）５５〜７０％の範囲の体積分率を有する。そして、上記分析結果に基づいて、計算部０６において、単位体積当たりの発熱量Ｑ（ｋｃａｌ／Ｎｍ^３）が計算される。生成ガス０２の発熱量Ｑの計算結果は、制御部０７へ出力される。そして、この結果とその時点での発熱量目標値との相違に基づいて、ガス化炉０１内へ投入される石炭量、空気量が設定される。設定に基づき、それぞれ燃料供給弁０８及び空気供給弁０９により石炭及び空気の供給量が制御され、生成ガス０２の発熱量が常に許容範囲に入るように制御される。
【０００５】
このように従来の石炭ガス化による発電においては、ガス化炉０１による生成ガス０２の発熱量をガスクロマトグラフ０５で測定し、その値によってガス化炉０１を制御していた。しかし、ガスクロマトグラフ０５では、分析に要する時間が５分程度以上必要とされるため速やかな制御が出来なかった。
【０００６】
これに対し、近年の火力発電では、昼間と夜間との使用電力が大幅に違うため、従来に比べて負荷（発電量）の時間的変動が大きくなっており、これに対処するため最大負荷を１００％とすると、少なくとも１分間当たり３％程度の負荷を増減できる制御速度が要求されている。従って、この速度に対応できるガス化炉が必要であり、これに組み合わせるガス発熱量測定装置が要求されている。また、前処理部０４において、降圧、冷却、除塵、除湿時にトラブルが起きる場合があり、メインテナンスに労力を要していた。
【０００７】
また、前処理部０４において、除湿しているので、熱交換器等の漏洩があった場合に、迅速に水蒸気の測定をすることができない、という問題がある。
【０００８】
また、ガス中のダスト濃度を計測する場合には、図１３に示すように、レーザ装置０２０からのレーザ光０２１を光検出器０２２で検出し、光吸収法によりそのダスト量を計測していた。
【０００９】
従って、本発明の目的は、ガスの組成を高速に測定すると共にダスト濃度も同時に計測することが可能なレーザ計測装置を提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的としては、ガスの組成を低ノイズで計測することが可能なレーザ計測装置を提供することである。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−１７３９８９号公報
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の発明は、計測場内の被測定ガスにレーザ光を照射するレーザ手段と、
上記レーザ光の照射により上記ガスから生じるラマン散乱光により波長毎の強度の計測を行う分光器と、
上記レーザ光の照射により上記ガス中のダストから生じるミー散乱光の計測を行う光検出器と、
上記計測の結果から上記ガスの発熱量及びダスト量を算出する計算部と、
を具備することを特徴とするレーザ計測装置にある。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、
上記計側部が、上記ラマン散乱光の計測結果から水蒸気量を計測することを特徴とするレーザ計測装置にある。
【００１４】
第３の発明は、第１又は２の発明において、
上記散乱光以外のノイズ散乱光の散乱を防止する散乱防止手段を計測場内に具備することを特徴とするレーザ計測装置にある。
【００１５】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一の発明において、
上記散乱光の測定に際し、レーザ光発振の時間だけ信号を測定することを特徴とするレーザ計測装置にある。
【００１６】
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一の発明において、
上記ガスは、有機芳香族物質と計測対象ガスとを含み、
上記レーザ光の波長が、上記有機芳香族物質からの散乱光の強度が上記計測対象ガスからの散乱光の強度より小さいように選択されていることを特徴とするレーザ計測装置にある。
【００１７】
第６の発明は、第１乃至５のいずれか一の発明において、
上記レーザ光が、波長が４００ｎｍ以上であることを特徴とするレーザ計測装置にある。
【００１８】
第７の発明は、第１乃至６のいずれか一の発明において、
上記レーザ光が、偏向した光であることを特徴とするレーザ計測装置にある。
【００１９】
第８の発明は、燃料と空気の供給により、燃焼用の生成ガスを生成するガス化炉と、
第１乃至７のいずれか一のレーザ計測装置と、
上記算出の結果に基づいて、上記燃料及び上記空気の供給の制御又はガス精製手段の制御を行う制御手段とを具備することを特徴とするガス化装置にある。
【００２０】
第９の発明は、計測場内の被測定ガスにレーザ光を照射するステップと、上記レーザ光の照射により上記ガスから生じる散乱光の波長毎の強度の計測を行うステップと、
上記レーザ光の照射により上記ガス中のダストから生じるミー散乱光の計測を行うステップと、
上記計測の結果から上記ガスの発熱量及びダスト量を算出するステップとを具備することを特徴とするレーザ計測方法にある。
【００２１】
第１０の発明は、第９の発明において、
上記散乱光以外のノイズ散乱光の散乱を防止しつつ測定することを特徴とするレーザ計測方法にある。
【００２２】
第１１の発明は、燃料と空気の供給により、燃焼用の生成ガスを生成するステップと、
上記ガスにレーザ光を照射するステップと、
上記レーザ光の照射により上記ガスから生じる散乱光の波長毎の強度の計測を行うステップと、
上記レーザ光の照射により上記ガス中のダストから生じるミー散乱光の計測を行うステップと、
上記計測の結果から上記ガスの発熱量及びダスト量を算出するステップと、
上記算出の結果に基づいて、上記燃料及び上記空気の供給の制御を行うステップと、
上記算出の結果に基づいて、ガス精製の制御を行うステップとを具備することを特徴とするガス化方法にある。
【００２３】
第１２の発明は、第１１の発明において、
上記レーザ光の照射により上記ガスから生じるラマン散乱光より水蒸気量を算出するステップと、
上記算出の結果に基づいて、上記熱交換手段の制御を行うステップを具備することを特徴とするガス化方法にある。
【００２４】
なお、本明細書中における「散乱光」には、蛍光を含んでいる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明であるガス化装置の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例においては、発電用ガスタービンに用いられるガス化装置を例に示して説明するが、他の用途に用いられるガス化装置においても、適用可能である。
【００２６】
［第１の実施の形態］
図１は、本実施の形態にかかるレーザ計測装置の概略図である。
図１に示すように、本実施の形態にかかるレーザ計測装置１００は、計測場２０内の被測定ガス２１にレーザ光２２を照射するレーザ手段２３と、
上記レーザ光２２の照射により上記ガス２１から生じるラマン散乱光２４により波長毎の強度の計測を行う分光器２５と、
上記レーザ光２２の照射により上記ガス２１中のダストから生じるミー散乱光２７の計測を行う光検出器２８と、
上記計測の結果から上記ガス２１の発熱量及びダスト量を算出する計算部であるデータ処理手段２９とを具備するものである。
本実施の形態では、上記被測定ガス２１は、例えば石炭ガス火炉の生成ガス例に示して説明するが、他の用途に用いられるガス化装置においても、適用可能である。
【００２７】
また、図１に示すように、レーザ計測装置は、レーザ手段２３からのレーザ光２２をミラー３１を介して反射させて、集光手段３３により集光し、次いで計測窓３２ａ，３２ｂを透過した後、計測場２０内に入射させ、被測定ガス２１へ照射する機能を有する。
計測場２０は被測定ガス２１を内部に保持又は流通させる機能を有する。
本実施の形態では、ガス火炉からの生成ガスをタービンへ送給する送給管の一部を計測場としているが、送給管から分枝するようにしてもよい。
【００２８】
また、分光器２５はＩＣＣＤ（ＩｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）カメラ３４を具備し、被測定ガス２１からのラマン散乱光２４を分光し、測定データ（図３参照）として取り出す機能を有する。
【００２９】
また、光検出器２８は、被測定ガス２１中の固体成分であるダストからのミー散乱光２４をミラー２６を介して反射させた後に分光し、測定データとして取り出す機能を有する。
【００３０】
データ処理手段２９は、測定データに基づいて、測定ガスの発熱量及びダスト濃度を計算する機能を有する。
よって、レーザ光２２を用いた本計測装置により、短時間に正確にガスの発熱量を計算することが可能である。これと同時に、ダスト量を計測することができる。
【００３１】
また、ラマン散乱光２４からの測定データ中の水分量を計測することで、図４に示すように、ガス火炉側に設けた熱交換器等の熱交換手段からの水蒸気の漏洩（チューブリーク）を同時に計測することができる。
【００３２】
以下に、レーザ計測装置の各構成部材について図１を参照しつつ説明する。
【００３３】
まず、レーザ光２２を出力し被測定ガス２１へ照射する機能を有するレーザ手段２３について説明する。
レーザ手段２３は、レーザ発信によりレーザ光２２を出力する。使用するレーザにより、レーザ光２２の波長は、所望のものを使用できる。本発明では、波長が可視光域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）のものを使用する。ここでは、５３２ｎｍのものを用いている。
【００３４】
なお、図示しないパワーメータは、レーザ手段２３から出力されるレーザ光２２の進行方向上の、レーザ手段２３の先にやや離れて設けられている。これは、レーザ光２２を通過させることにより、レーザ光２２の出力を正確に計測することが出来る計算機器である。この数値をフィードバックし、レーザ手段２３の出力を調整する。
【００３５】
また、ミラー３１は、出力されたレーザ光２２の進行方向を、被測定ガス２１の存在する計測場２０の方向へ、反射により向けさせるミラーである。このミラー３１の角度を調整することにより、計測場２０の任意の位置での計測を可能としている。
【００３６】
また、集光手段３３は、レーザ光２２の進行方向上であって、ミラー３１から少し離れた位置に設けられており、レーザ光２２が測定場２０の所定位置で焦点を結ぶように、レーザ光２２を絞るようにしている。
【００３７】
次に、レーザ光２２が照射できるような形で測定ガスを保持又は流通させる機能を有する計測場２０について説明する。計測場２０は、測定ガスが内部に存在しており、それを外部（レーザ部や分光器２５を含む）にリークさせないような構造をしている。測定用のレーザ光２２及び被測定ガス２１からのラマン散乱光２４，ミー散乱光２７は、石英窓３２ａ，３２ｂから出入りする。
【００３８】
石英窓３２ａ，３２ｂは、計測場２０の端にあり、レーザ光２２の進行方向上の、集光手段３３の先にやや離れてある。測定ガスを外部へ流出させないための石英ガラス製の窓である。石英ガラス製にしているのは、その窓をレーザ光が透過できるようにするためである。また、２重にしているのは、石英ガラス１枚が破損しても、ガスがリークしないようにするためである。
【００３９】
なお、電磁弁が設けられており、通常は、閉じている。これは、長期間に亙って計測場側の石英窓３２ａを測定ガスに曝しておくと、ガス中の不純物により、石英窓が汚れてしまい、その汚れの為にレーザによる測定が困難となるからである。測定時には開口される。
【００４０】
計測場２０は、レーザ光２２の進行方向上の測定ガスが存在している測定領域を含む場所であり、該領域に存在するガス２１にレーザ光２２が照射されることにより測定がなされる。ただし、被測定ガス２１は、この場所で留まっている必要は無く、ガス供給用の配管の途中であって、その配管中をガスが滞留することなく流れている（動いている）状態であっても測定可能である。
【００４１】
次に、被測定ガス２１からのラマン散乱光２４を分光し、測定データとして取り出す機能を有する分光器２５について説明する。ここで、測定領域中心部から散乱されたラマン散乱光２４は、レーザ光２２からある角度をなして、計測場２０から分光器２５へ入る。
【００４２】
上記分光器２５には、フィルタが配設されており、特定の波長の散乱光２４のみ透過させるようにしている。本実施の形態では、５７０〜７００ｎｍの光が透過するフィルターを使用する。
【００４３】
分光器２５にはＩＣＣＤカメラ３４が接続されている。光の強度を計測する光電子増倍型のデバイスである。ここで。分光器２５で分光された各波長の光の強度を計測する。
【００４４】
また、本実施の形態では、被測定ガス２１からのミー散乱光２７を光検出器２８で検出するようにしている。
ミー散乱光２７は、ガス中のダスト成分等の固体物質からの散乱光であり、該ミー散乱光の濃度によりダスト量を計測する。
【００４５】
次に、測定データに基づいて、サンプルガスの発熱量を計算する機能を有するデータ処理手段２９について説明する。
データ処理手段２９は、各波長毎のラマン散乱光２４の強度から、ガスの体積分率を計算する。そのガスの体積分率から、ガスの発熱量が計算できる。
また、水のラマン散乱光２４の強度から、ガス中の水分量を計算することができる。
【００４６】
また、データ処理手段２９は、ミー散乱光を検出する光分光器２８の情報からから、ガス中のダスト量を計算することができる。
【００４７】
次に、本発明であるレーザ計測装置の動作について、図１を参照して説明する。
【００４８】
まず、レーザ計測装置に用いられるラマン散乱分光法の測定原理について説明する。なお、図３はラマン散乱光の測定例を示す図である。
波数ν（波長λの逆数）のレーザ光を物質に照射し、その散乱光を分光すると、ν、ν±ν_１、ν±ν_２、…のような波数を持つ散乱光が得られる。この内、ν±ν_ｎに相当する散乱をラマン散乱といい、ν−ν_ｎを持つ成分をストークスラマン散乱、ν＋ν_ｎを持つ成分をアンチストークスラマン散乱という。通常、ラマン散乱として測定されるのは、ストークスラマン散乱である。また、ν_ｎをラマンシフトといい、物質固有の値を取る。すなわち、ラマン散乱光におけるラマンシフトν_ｎを計測すると、レーザ光を散乱した物質が何であるかの定性分析が可能となる。物質は混合されていても構わない。加えて、ラマン散乱光の強度は存在する分子数に比例するので、散乱光の強度を測定することで定量分析も可能である。図３において、縦軸はラマン散乱光の強度、横軸は散乱光の波長（＝１／（ν−ν_１））である。各物質（ＣＯ_２、ＣＯ、Ｎ_２など）により、ラマン散乱光の波長が決まっているので、その波長の位置で物質が同定でき、また、各散乱光強度から、各物質の体積分率が計算できる。
【００４９】
以上から、ラマン散乱が、混合物の定性及び定量分析において有用であることが分かる。ただし、測定する物質の量が多く存在する必要がある。また、ラマン散乱光の強度は、νの４乗に比例し、波長が長いレーザ光を使用する場合、散乱光の強度は著しく低下する。従って、波長の長過ぎるレーザは用いられない。
【００５０】
そして、レーザ計測装置において、ガスの各成分からの発熱量及びダスト量を計測するには、以下のようにする。
まず、図１において、レーザ手段２３からレーザ光２２が発射される。本実施の形態では、レーザ光２２は、パルスの形で発射し、それと同期を取った分光器２５及びＩＣＣＤカメラ３４によりラマン散乱光２４の計測が行われる。また、継続的にレーザ光２２を発射し、それの散乱光２４を計測することも可能である。
【００５１】
また、本実施の形態では、可視光である波長５３２ｎｍのレーザを使用する。
レーザ波長の選択は、以下のような観点から行った。もし、４００ｎｍより波長の短い３５５ｎｍの紫外光レーザでは、測定ガス中の有機化学物質の芳香族成分からの散乱光が強くなり、それがノイズ光として測定に悪影響を及ぼす。また、逆に、波長が長すぎると、ラマン散乱光の強度が低下してしまい、検出が困難になる。従って、本実施例では、測定ガス中の芳香族成分からの散乱光がほとんど無く、かつ、測定対象物質（ＣＯ_２，ＣＯ，Ｎ_２，ＣＨ_４，Ｈ_２Ｏ，Ｈ_２）からの散乱光が十分の強度を得られる、レーザ波長を選択した。
【００５２】
また、レーザ光２２は、偏向した光である偏光を用いるようにしてもよい。偏光のレーザ光を出力するレーザを使用しても良いし、偏光素子を通過させたレーザ光を使用しても良い。そのようなレーザ光２２を用いると、測定ガスからの散乱光２４の内、ラマン散乱光以外の単なる散乱光は偏光ではないので、図２に示すように、途中に入れた偏光素子３５により、それらのほとんどはカットされる。従って、偏光であるラマン散乱光のみが、偏光素子３５を透過することができ、ノイズ光の抑制された測定結果が得られるのである。
【００５３】
最終的に得られたラマン散乱光２４は、分光器２５に入る。そこで、各波長毎のチャンネルに分けられる。そして、各波長毎の光の強度をＩＣＣＤカメラ３４により測定することにより測定結果が得られる。
【００５４】
測定された各波長におけるラマン散乱光の分析結果（各波長における散乱光２４の強度のデータ）は、データ処理手段２９に出力され、そこで発熱量が計算される。計算は、ガスの分析結果において、波形の強度のピークを示す波長から物質を同定し、強度からその物質の体積分率を計算する。そして、その体積分率に、各ガス成分の標準状態における単位体積当たりの発熱量を掛け合わせれば、各ガス成分毎の単位体積当たりの発熱量が計算できる。その合計が、生成ガス２１全体の単位体積当たりの発熱量である。
【００５５】
本実施の形態のレーザ計測装置では、（１）レーザ光２２をガスに照射させて、ガス中に含まれる有機芳香族物質からのラマン散乱光により、各成分の濃度を求め、発熱量を計測することができる。（２）また、水分の濃度からガス中に水蒸気が漏洩したことを検出することができる。
（３）さらに、ガス中にダスト成分が含まれた場合には、レーザ光２２の照射により該ダストからのミー散乱光を計測することで、ダスト量を同時に計測することができる。
【００５６】
なお、本実施例で使用されている、ミラーおよびレンズは、レーザ、計測部および分光器の位置関係により、本発明の技術的思想の範囲で増減することや、位置が変更することが可能であり、上記実施例の形態に拘束されるものではない。
【００５７】
［第２の実施の形態］
図５は、本実施の形態にかかるレーザ計測装置の要部概略図である。
図５に示すように、本実施の形態にかかるレーザ計測装置の計測場２０には、信号光であるラマン散乱光２４、ミー散乱光２７以外のノイズ散乱光によるノイズを防止するために、散乱防止手段４１を設けている。
まず、図６に示すように、レーザ光２２の照射により、ノイズ散乱光４２が計測場２０内に発生する。このノイズ散乱光４２は、計測場内の壁面からの散乱光であり、このノイズ散乱光４２の一部が信号光であるラマン散乱光２４及びミー散乱光２７と同一軸上で検出手段に入るとノイズとなる。
【００５８】
このノイズ散乱光４２は図７に示すように、ラマン散乱光２４、ミー散乱光２７よりは検出器に到達する時間が遅れるので、パルスレーザ光を使用し、信号光（ラマン散乱光２４、ミー散乱光２７）に時間ゲートをかけて計測ゲートを短くすることである程度はノイズの影響を防止することができる。
【００５９】
さらに、信号光が弱い場合或いはノイズ散乱光が多量に発生する場合には、ノイズ散乱光４２が検出器側に入らないことを避けるために、散乱防止手段４１を設けてこれを防止している。
【００６０】
図８は上記散乱防止手段４１の概略図である。図８に示すように、散乱防止手段４１は、散乱防止手段本体４３の内部に凹凸面４４を設けており、入射したレーザ光２２のノイズ散乱光４２を封じ込め、外部へ反射させないようにしている。これにより、レーザ光２２による計測場２０でのノイズ散乱光の発生を防止している。
【００６１】
また、図９に示すように、上記散乱防止手段４１を複数設けるようにしてもよい。
すなわち、図９に示すように、入射したレーザ光２２の散乱防止用の散乱防止手段４１をレーザ光２２の光軸上の計測場の内壁面に設けると共に、発生した信号光（ラマン散乱光及びミー散乱光）の散乱防止用の散乱防止手段４１をレーザ光２２の光軸上の計測場の内壁面に設けている。
これにより、ノイズ散乱光の吸収により、ノイズのない信号光のみを検出することができる。
【００６２】
［第３の実施の形態］
図１０は、本実施の形態にかかるレーザ計測装置を備えたガス化システムの概略図である。
本実施の形態では、発電用ガスタービンに用いられるガス化装置を例に示して説明するが、他の用途に用いられるガス化装置においても、適用可能である。
【００６３】
以下、本発明であるガス化装置の実施例の構成に関して、添付図面を参照して説明する。
図１０を参照して、本実施の形態では、燃料及び空気をガス化炉１０１へ供給し、生成した生成ガス１０２は、配管１１０を通り、該配管１１０に介装されるポーラスフィルタ１２０、脱硫手段１２１及び除塵手段１２２を通過し、ガスタービン１１１へ供給される。その際、ガスタービン１１１に供給する生成ガス１０２の発熱量を正確に制御する必要がある。その制御は、第１の実施の形態で説明したレーザ計測装置１００を使用して行う。すなわち、第１の実施の形態のレーザ計測装置１００をガス化装置に組み込む。そして、配管１１０の途中において、該配管１１０内を流れる生成ガス１０２のラマン散乱光及びミー散乱光の測定を行う。その測定結果に基づき、データ処理手段２９にて生成ガス１０２の組成を計算する。計算から計算結果が出るまでの時間は非常に短時間である。そして、その計算値に基づいて、制御部１０７で、ガス化炉１０１に供給する燃料および空気を制御する。このようにして、本発明により、ガス化炉１０１において生成される生成ガス１０２の発熱量が正確に制御される。
【００６４】
本発明であるガス化装置の構成について、詳細に説明する。
ガス化炉１０１は、燃料及び空気の供給を受け、燃料及び空気を理論空燃比を小さくして不完全燃焼させ、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）、メタン（ＣＨ_４）等を生成させ、燃料ガスとして取り出すものである。本実施例では、燃料として石炭を用いている。
【００６５】
生成ガス１０２は、ガス化炉１０１により生成したガスである。石炭ガス化の場合、生成ガス１０２は、およそ一酸化炭素（ＣＯ）１０〜３０％、水素（Ｈ_２）４〜１０％、メタン（ＣＨ_４）０．１〜１％、二酸化炭素（ＣＯ_２）５〜１０％、窒素（Ｎ_２）５５〜７０％の範囲の体積分率を有する。
【００６６】
配管１１０は、ガス化炉１０１とガスタービン１１１を結ぶ配管であり、ガス化炉１０１で生成した生成ガス１０２のガスタービン１１１への流路である。
【００６７】
ガスタービン１１１は、火力発電において、発電用に用いられるタービンである。生成ガス１０２の供給により運転している。
【００６８】
制御部１０７は、データ処理手段２９において計算された発熱量と、その時点で必要とされる発熱量（外部から入力）とを比較し、その差を計算する。そして、その結果に基づいて、生成ガス１０２の発熱量が必要とされる発熱量になるように、燃料供給弁１０８及び空気供給弁１０９の制御で燃料及び空気の増減を行う。燃料及び空気の増減量は、例えば、燃料及び空気の組成から生成ガスの組成を求め、発熱量を計算する方法において、燃料及び空気の組成を逐次代入する方法や、逆計算を行なう方法で計算できる。なお、制御部１０７の機能をデータ処理手段２９に行わせることも可能である。
【００６９】
燃料供給弁１０８及び空気供給弁１０９は、それぞれ燃料及び空気をガス化炉１０１へ供給するための弁であり、制御部１０７により制御される。
【００７０】
次に、本発明であるガス化装置の実施例の動作について、図面を参照して説明する。
図１０を参照して、ガス化炉１０１では、燃料である石炭及び空気の供給を受けて、ガスタービン１１１用の燃料である生成ガス１０２を生成している。生成ガス１０２の組成は、ガス化炉１０１の燃焼条件により決まる。また、ガスタービン１１１に必要な生成ガス１０２の発熱量は、ガスタービン１１１の運転条件で決まる。従って、ガスタービン１１１の運転条件に応じて、ガス化炉１０１の燃焼条件を対応させ、所望の生成ガスを生成する必要がある。燃焼条件の制御は、レーザ計測装置１００による発熱量分析の結果に基づき、燃料である石炭及び空気の供給を制御することで行う。
以下に、本発明であるガス化装置の動作について、詳細に説明する。
【００７１】
ガス化炉１０１は、燃料及び空気（必要に応じて水蒸気）の供給を受け、それらを高温高圧下で空気と燃料の比を理論空気燃料費より小さくし、不完全燃焼させ、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）、メタン（ＣＨ_４）を主な燃料ガス成分とする生成ガス１０２を生成する。ガス化炉１０１の運転温度、運転圧力、燃料及び空気の供給量により、生成ガス２における各成分の体積分率が決まる。
【００７２】
ガス化炉１で生成された生成ガス１０２は、配管１１０を通りガスタービン１１１へ供給される。その際、配管１１０の途中に組み込まれたレーザ計測装置１００により、生成ガス１０２の発熱量の測定を行う。ここでは、配管１１０からサンプリング管等により生成ガス１０２の一部を測定装置に導く、という間接的な測定ではなく、配管１１０中の生成ガス１０２を直接測定する。直接測定により、ガスタービン１１１へ供給される生成ガス１０２の発熱量をより速く、より正確に測定することが可能となる。
【００７３】
上記レーザ計測装置１００における動作は、第１の実施の形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００７４】
上記レーザ計測装置１００により算出された生成ガス１０２の発熱量は、制御部１０７へ送られる。そして、そこで、算出された発熱量と必要とされる発熱量とを比較する。そして、その結果に基づいて、所望の発熱量になるように、運転条件を変化させる。運転条件として、ここでは、燃料及び空気を増減させる。増減方法は、制御部１０７が前述の算出結果に基づいて計算した所望の供給量になるように、燃料供給弁１０８及び空気供給弁１０９の制御を行う。
なお、他の運転条件（ガス化炉１０１の運転温度、運転圧力等）の制御により、生成ガス１０２の成分を制御することも可能である。
【００７５】
カラムを用いたガスクロマトグラフとは異なり、レーザ光を利用しているので、前処理の必要が無く、測定が迅速で応答性が非常に良い。また、配管１１０の生成ガス１０２を直接分析しているので、分析結果が非常に正確である。従って、正確な制御が必要なガスタービン１１１の生成ガス１０２の発熱量を、常に最適に制御することが可能となる。
【００７６】
また、水蒸気の量を計測することで、ガス火炉１０１内の熱交換器からのヒビ割れ等による水蒸気の漏れを確認することができる。
【００７７】
図１１はポーラスフィルタ１２０の概略構成図である。
図１１（ａ）は通常運転状態を示す。図１１（ｂ）はリーク時の運転状態を示す。
図１１中、符号１２５はフィルタブロック、１２６は各フィルタブロックの各配管を開閉する遮断手段（バルブ）である。本実施の形態では、４本のフィルタブロック１２５ａ〜ｄとそれに対応するバルブ１２６ａ〜１２６ｄである。ポーラスフィルタ１２０の後流側には、煤塵計１２７が設けられている。
【００７８】
生成ガス１０２はダストを含むので複数のフィルタブロック１２５ａ〜１２５ｎにより除塵される。そして、各運転ブロックは出口側に遮断バルブ１２６ａ〜１２６ｎが設けられている。
【００７９】
そして、ダストの量が規定値以上となったときに、各ブロック１２５ａ〜１２５ｎを順次遮断し、煤塵濃度計１２７により煤塵の漏洩がどのブロックからかを特定し、例えばフィルタブロック１２５ｃに漏れがあった場合には、バルブ１２６ｃでそのブロック１２５ｃを遮断する。
これにより、漏洩のあったフィルタブロックを迅速に特定でき、当該漏れがあるブロックの交換を迅速に行うことができる。
【００８０】
また、ガス化ガスの圧力及びＮ_２、ＣＯ_２、ＣＨ_４、Ｈ_２Ｏ等のラマン散乱光の光量から窓汚れ効果を推定し、ダスト量を校正するようにしてもよい。
【００８１】
また、ダスト量の変動より、ガス化システムのメンテナンス時期を推定するようにしてもよい。
【００８２】
よって、本レーザ計測装置をガス化システムに適用することで、連続して安定したガス化システムを構築することができる。
【００８３】
【発明の効果】
本発明により、計測場内の被測定ガスにレーザ光を照射するレーザ手段と、上記レーザ光の照射により上記ガスから生じるラマン散乱光により波長毎の強度の計測を行う分光器と、上記レーザ光の照射により上記ガス中のダストから生じるミー散乱光の計測を行う光検出器と、上記計測の結果から上記ガスの発熱量及びダスト量を算出する計算部とを具備するので、例えばガス火炉からの生成ガスの発熱量及びダスト量を高速、低ノイズで正確に分析することが可能となる。
【００８４】
また、本発明により、複合型発電設備を備えた石炭ガス化システムにおいて、生成ガスの発熱量を配管途中で直接測定し、生成ガスの発熱量をより正確に制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかるレーザ計測装置の概略構成図である。
【図２】他の本実施の形態にかかるレーザ計測装置の概略構成図である。
【図３】ラマン散乱光及びミー散乱光の測定例を示す図である。
【図４】ラマン散乱光による水蒸気の漏洩の測定例を示す図である。
【図５】本実施の形態にかかるレーザ計測装置の要部概略図である。
【図６】レーザ光照射による散乱ノイズ光の散乱状態図である。
【図７】レーザ光照射による散乱ノイズ光の測定例を示す図である。
【図８】レーザ光照射による散乱防止手段の構成図である。
【図９】本実施の形態にかかるレーザ計測装置の要部概略図である。
【図１０】ガス化システムの構成図である。
【図１１】ガス化装置のフィルタの概略構成図である。
【図１２】従来のガス化装置の形態を示す構成図である。
【図１３】レーザによるダスト計測の概略図である。
【符号の説明】
２０計測場
２１被測定ガス
２２レーザ光
２３レーザ手段
２４ラマン散乱光
２５分光器
２７ミー散乱光
２８光検出器
２９データ処理手段
３１ミラー
３２ａ，３２ｂ計測窓
３３集光手段
３４ＩＣＣＤカメラ

Claims

計測場内の被測定ガスにレーザ光を照射するレーザ手段と、上記レーザ光の照射により上記ガスから生じるラマン散乱光により波長毎の強度の計測を行う分光器と、
上記レーザ光の照射により上記ガス中のダストから生じるミー散乱光の計測を行う光検出器と、
上記計測の結果から上記ガスの発熱量及びダスト量を算出する計算部と、
を具備することを特徴とするレーザ計測装置。
請求項１において、
上記計側部が、上記ラマン散乱光の計測結果から水蒸気量を計測することを特徴とするレーザ計測装置。
請求項１又は２において、
上記散乱光以外のノイズ散乱光の散乱を防止する散乱防止手段を計測場内に具備することを特徴とするレーザ計測装置。
請求項１乃至３のいずれか一において、
上記散乱光の測定に際し、レーザ光発振の時間だけ信号を測定することを特徴とするレーザ計測装置。
請求項１乃至４のいずれか一において、
上記ガスは、有機芳香族物質と計測対象ガスとを含み、
上記レーザ光の波長が、上記有機芳香族物質からの散乱光の強度が上記計測対象ガスからの散乱光の強度より小さいように選択されていることを特徴とするレーザ計測装置。
請求項１乃至５のいずれか一において、
上記レーザ光が、波長が４００ｎｍ以上であることを特徴とするレーザ計測装置。
請求項１乃至６のいずれか一において、
上記レーザ光が、偏向した光であることを特徴とするレーザ計測装置。
燃料と空気の供給により、燃焼用の生成ガスを生成するガス化炉と、
請求項１乃至７のいずれか一のレーザ計測装置と、
上記算出の結果に基づいて、上記燃料及び上記空気の供給の制御又はガス精製手段の制御を行う制御手段とを具備することを特徴とするガス化装置。
計測場内の被測定ガスにレーザ光を照射するステップと、上記レーザ光の照射により上記ガスから生じる散乱光の波長毎の強度の計測を行うステップと、
上記レーザ光の照射により上記ガス中のダストから生じるミー散乱光の計測を行うステップと、
上記計測の結果から上記ガスの発熱量及びダスト量を算出するステップとを具備することを特徴とするレーザ計測方法。
請求項９において、
上記散乱光以外のノイズ散乱光の散乱を防止しつつ測定することを特徴とするレーザ計測方法。
燃料と空気の供給により、燃焼用の生成ガスを生成するステップと、
上記ガスにレーザ光を照射するステップと、
上記レーザ光の照射により上記ガスから生じる散乱光の波長毎の強度の計測を行うステップと、
上記レーザ光の照射により上記ガス中のダストから生じるミー散乱光の計測を行うステップと、
上記計測の結果から上記ガスの発熱量及びダスト量を算出するステップと、
上記算出の結果に基づいて、上記燃料及び上記空気の供給の制御を行うステップと、
上記算出の結果に基づいて、ガス精製の制御を行うステップとを具備することを特徴とするガス化方法。
請求項１１において、
上記レーザ光の照射により上記ガスから生じるラマン散乱光より水蒸気量を算出するステップと、
上記算出の結果に基づいて、上記熱交換手段の制御を行うステップを具備することを特徴とするガス化方法。