JP2007509318A - 天然ガス中の水蒸気を検出する方法および装置 - Google Patents
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Abstract
天然ガスバックグラウンドにおける水蒸気検出のための技法を開示する。装置は、９２０〜９６０ｎｍ、１．８７７〜１．９０１、または２．７１１〜２．７８６などの波長範囲にほぼ入る光を発する光源（５１９）を備える。その光源は、天然ガスの試料を通って検出器（５２３）によって検出される光を発する。１つの実施形態では、光源は波長可変ダイオードレーザーであって、湿量は倍音スペクトル法により定量する。他の実施形態では、ＶＣＳＥＬ、色中心レーザー、または量子カスケードレーザーが利用される。
【選択図】 図５
【選択図】 図５
Description
本願は２００３年１０月１６日出願の米国特許出願番号１０／６８８７２３号による優先権を主張する。
本発明は天然ガス中の湿分を検出するための装置および方法に関する。さらに具体的には、本発明は工業的天然ガスパイプライン中に含まれる水蒸気の量を定量するための技法に関する。
天然ガスは低原価および広範囲で入手可能という理由で、長らくエネルギー源として使用されてきた。天然ガスは採掘された後、一連の数工程を経て精製され、典型的には平方インチ当り数百ポンド（ＰＳＩ）のパイプ圧でガスを輸送する地下パイプラインのネットワークによって配送される。天然ガスはエネルギー製品として顧客に販売され、エネルギー含量は、一般的には、英国熱量単位（ＢＴＵ）で表示される。ガス状製品が顧客に供給される速度は、標準圧力および温度（通常１気圧／１４．７３ＰＳＩ、および７０度Ｆ（２１度Ｃ））における気体体積を基準とする、標準百万立方フィート（ＳＭＣＦ、標準状態で２８千立方メートル）で測られる。
天然ガス中の水などの汚染物はガスのＢＴＵ容量を減少させ、そのために有効なエネルギー製品が減少する結果になる。汚染物はまた長い間には配送パイプラインを腐食し、安全上深刻な事故を招来する可能性もあり、一方費用のかかるパイプラインの部分交換をも必要にする（パイプラインの休止期間は毎秒数千ドルを超える費用がかかる可能性がある）。したがって、天然ガスの採掘、精製、および流通に従事する会社は、そのような出来事を防止するために、生産および流通の種々の段階でガスの品質を連続的にモニターしている。特別関心のある１つの汚染物は水蒸気（Ｈ２Ｏ）である。水蒸気はパイプライン腐食の主原因になるのに加えて、天然ガスを薄めるようにも作用し、そのためにガスのＢＴＵ容量を減少させる（そのためにガスを有効性の低下したエネルギー源にする）。
通常天然ガス卸売業者が、天然ガス生産および流通の各種段階のための天然ガス中Ｈ２Ｏの最高許容量を設定してきた。顧客（通常Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ＧａｓまたはＰａｃｉｆｉｃ Ｇａｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃなど大手の消費者向け供給業者）へ卸される最終製品は「メインラインガス」と称せられる。メインラインガス中の典型的なＨ２Ｏ最高許容量は、計測されたＣＨ４百万標準立方フィート（ＭＭｓｃｆ、２８千立方メートル）当り７ｌｂｓのＨ２Ｏである。ここで１ｌｂ／ＭＭｓｃｆは、容量でおよそ百万につき２１．１部ｐｐｍｖ）である。この濃度を「協定率」と称している。Ｈ２Ｏ量が協定率を超過したときは、プラント操業が中断され、収入の実質的損失および関連した顧客による訴訟という結果を来たす可能性がある。
天然ガス中の水蒸気を測定する従来技術は、主として化学センサーの使用に依存している。これらのセンサーは、メインラインガスからの試料に当てたセンサー素子（五酸化リン（Ｐ２Ｏ５）および酸化アルミニウムなどの化合物から作製されている）のキャパシタンスまたは誘電率をモニターすることにより作動する。センサーの電気的性質が、試料ガス中に存在する水蒸気量の関数として定量的測定可能な様式で変化し、そのような変化が水濃度測定値に翻訳される。そのような化学センサーでは、パイプラインガスの低圧試料が、調節（圧力低下）装置を通してセンサー素子へ送られる。パイプラインにより測定されるガス試料はパイプライン自体よりも大きく低下した圧力下にある（パイプライン中の８００ＰＳＩ（５．５２ＭＰａ）に比して通常１０〜３０ＰＳＩ（０．０６９〜０．２１ＭＰａ）。通常そのようなセンサーが、付随する調節装置も収納している試料採取密閉容器中に収められている。
化学センサー中の感知素子をガス試料に曝すことが必要であるから、ガス流中のグリコール、アミン、および油分などの汚染物がセンサーに直接接触する。化学センサーは、較正後短期間は信頼できる測定が可能であるが、汚染物（特にグリコールおよびアミン）への暴露は、センサーを汚染し、そのことによって較正におけるドリフトを惹起する。この状態から結果として示度に誤差が生ずることになり、汚染物が蓄積すれば最終的な故障に至ることがあり得る。種々なフィルター（凝集型、吸着剤型、および粒子型の各フィルター）が、グリコールおよびアミン汚染の影響を最小化するために使用されてきたが、歴史的にいえば、これらの濾過装置は、フィルターが汚染物で容易に飽和するか、または洩れが起こって不規則的な間隔で交換が必要になるので、一時的な解決に過ぎない。
それ故、天然ガス中の水分検出のための信頼できてしかも持続性ある装置および方法に対する必要性が依然として存在することを理解すべきである。
本発明は、空気中および種々の実験室環境における水蒸気濃度を測定するために長い間使用されてきた技法である吸収スペクトル法を使用する。そのようなスペクトル法では、光がガス試料を通過して、光源に向かい合う検出器によって検出される。光源には、従来の熱フィラメント、白熱棒、レーザー、または関心ある波長領域における適切ないかなる発光体でもなり得る。特定の波長で、試料により吸収された光の量をモニターすることにより、対象とするガスの濃度を正確に定量できる。
吸収スペクトル法についての共通の問題は、測定されるガス試料中の成分間の干渉である。関心のあるガス（この場合Ｈ２Ｏ）が試料中に存在する他のガスと同じまたは殆ど同じ波長で光を吸収するときに、干渉が起こる。天然ガスは、９５％を超えるＣＨ４で構成されていて、通常は容量で１％未満の水蒸気を含む。はるかに大量に存在するＣＨ４による吸収が、可視および赤外領域における全ての波長でＨ２Ｏによるずっと弱い吸収を完全に覆い隠すので、従来のスペクトル法（即ち非レーザー系）はＣＨ４バックグラウンドにおけるＨ２Ｏの測定には適していない。
本発明は、ＣＨ４吸収が最小となる波長範囲で効果を生ずるもので、好ましくは吸収スペクトル法のためにレーザー光源を使用して、それによりレーザーの極度に高いスペクトル純度（狭い線幅）に基づいて、干渉の影響を最小化する。ある実施形態においては、本発明の装置は、１．６と２．７ミクロン（μｍ）の間の波長で作動する、自動化された無人の野外計測操業で使用される光源などの光源としてレーザーを組み込む。そのような変形形態で好ましいレーザーは、米国特許第５２５７２５６号に詳述されている波長可変ダイオードレーザー（「ＴＤＬ」）である。前記特許は参照により全文を本明細書に組み込む。別法として、１〜３μｍ領域で発光する色中心レーザーが利用できるが、そのようなレーザーは、比較的サイズが大きく、電力消費が多く、メンテナンスの必要性が高く（低温に冷却しなければならない）、しかもコストがかかるという理由で、商業的野外機器操業で使用するには、必ずしも適していない。さらに、約９２０ｎｍないし９６０ｎｍ、１．８７７〜１．９０１μｍ、または２．７１１〜２．７８６μｍなど、水が天然ガスを大きく超えるレベルで吸収する実質的に単波長で発光する波長で作動するＶＣＳＥＬ、量子カスケードレーザー、およびある種の色中心レーザーなどの他のタイプの光源が使用できる。水が天然ガスを十分超えるレベルで光を吸収し、しかも十分小さい線幅で、単独吸収波長またはその付近で発光をする光源が使用できる場合には、他の吸収線を利用してもよい。
空気中の水蒸気のレーザーによる測定には、水蒸気が強い吸収帯を有する１．３８μｍ近くの波長で作動する市販のＴＤＬが使用されている。しかしながら、１．３８ミクロン領域におけるＣＨ４の吸収は極端に強く、Ｈ２Ｏによる吸収を完全に覆い隠すので、この波長はＣＨ４バックグラウンドにおけるＨ２Ｏの測定に適当ではない（図２に示す１〜２μｍ領域２００におけるＣＨ４のスペクトルを見よ）。
本発明の装置は、ＣＨ４による吸収がもっと弱い他の吸収帯、例えば１．８８μｍで水蒸気を測定する（波数５２６０〜５３３０（波数＝１／μｍ、１０，０００倍）の範囲のＣＨ４３２５およびＨ２Ｏ ３５０の透過スペクトル３００（透過＝１−吸収）を示す図３を見よ）。天然ガスバックグラウンドでＨ２Ｏをモニターするために使用できるＨ２Ｏ吸収線が幾つかあるが、それはＣＨ４の吸収スペクトルの或る波長範囲内、９２０ｎｍないし９６０ｎｍ、１．８７７〜１．９０１μｍまたは２．７１１〜２．７８６μｍにあり、その範囲内で比較的強いＨ２Ｏ吸収線があるので、純ＣＨ４バックグラウンドにおける水蒸気の測定が可能になる（波数５３２２〜５３３６の範囲のＣＨ４４２５およびＨ２Ｏ ４５０の吸収線の相対的位置を示すスペクトル４００を示す図４を見よ）。図６に、波長２７００ｎｍないし２８００ｎｍの範囲のＣＨ４６２５およびＨ２Ｏ ６５０の吸収線の相対的位置を、２７７１．１５ｎｍ、２７２４．１７ｎｍ、２７４０．１７ｎｍ、２７５５．０７ｎｍ、２７７０．６９ｎｍおよび２７８６．５１ｎｍ）における例証となる吸収線と共に示すスペクトル６００を例示する。図７に、波長９２０ｎｍないし９８０ｎｍの範囲のＣＨ４６２５およびＨ２Ｏ ６５０の吸収線の相対的位置を、幾つかの存在する吸収線と共に示すスペクトル７００を例示する。
検出感度を改良するために、本発明の装置はＴＤＬ光源と共に倍音スペクトル法と呼ばれる技法を利用している。倍音スペクトル法は、核磁気共鳴分光器、シュタルク分光器およびその他各種の実験機器において１９５０年代から使用されてきた。本発明の装置の或る実施形態において使用している倍音スペクトル法は、高い周波数（ｋＨｚ〜ＭＨｚ）でのＴＤＬレーザー波長の変調および多数の変調周波数でのシグナル検出を含む。検出が２倍変調で実行されれば、２次倍音スペクトル法という用語が用いられる。この技法に帰する利点には、１／ｆノイズの最小化、およびＴＤＬスペクトルに存在する傾斜ベースラインの除去が含まれる（レーザーへの注入電流が増加するとレーザー出力が増加し、レーザーへの注入電流を変えることがレーザー出力の周波数を調整する方法であるという事実に基づく）。
１つの実施形態において、本発明は、水分子が天然ガス分子を実質的に超えるレベルで光を吸収する波長で発光する光源、光源から発せられた光の強度を検出するように配置した検出器、および天然ガス中の水蒸気量を定量するために検出器に接続した電子機器（または電子計算装置）を備える、天然ガス中の水蒸気を検出するための装置に適用されている。光源は、９２０ｎｍないし９６０ｎｍ、１．８〜１．９μｍ、１．８７７〜１．９０１μｍ、２．７〜２．８μｍ、および２．７１１〜２．７８６μｍを含む１または２以上の波長範囲にほぼ入る光を発する、いかなる光源でもよい。使用できる光源の実例には、波長可変ダイオードレーザー、ＶＣＳＥＬ，色中心レーザー、および量子カスケードレーザーが含まれる。或る変形形態においては、検出器がＩｎＧａＡｓ検出器であり、さらに装置が、天然ガス中の水蒸気の既知濃度に比較して装置を較正するための電子機器に接続した較正装置を含む。例えば、使用者が既知濃度の試料を装置に供給して較正装置に既知濃度を提供することができ、その後では結果の出力を調整する電子機器によって装置を使用することができる。
本発明は天然ガス中の水分を定量する方法においても具体化できる。そのような方法には、水分子が天然ガス分子を実質的に超えるレベルで光を吸収する波長で光を発生させるステップ、発生した光を天然ガス試料を通過させるステップ、天然ガスを通過した光を検出するステップ、および検出した光の強度に基づいて天然ガス中の水分を定量するステップが含まれる。或る実施形態においては、９２０ないし９６０ｎｍ、１．８〜１．９μｍ、１．８７７〜１．９０１μｍ、２．７〜２．８μｍ、および２．７１１〜２．７８６μｍを含む範囲の１つにほぼ入る波長で、光が発せられる。光源の実例には、波長可変ダイオードレーザー、ＶＣＳＥＬ，色中心レーザー、量子カスケードレーザー、ならびに水分子が天然ガス中に通常見出される分子を実質的に超えるレベルで光を吸収する波長で作動するいかなる他の光源も含まれる。
さらに別の変形形態では、本発明は、試料採取密閉容器、試料採取密閉容器内に収納した少なくとも１つの光学的ガスセンサー、および光学的ガスセンサーに天然ガスを供給するためにパイプラインと光学的ガスセンサーとに接続した供給ラインを含む、パイプライン中の天然ガス中の水蒸気を検出するための装置において具体化される。この装置では、光学的ガスセンサーには、２枚の向かい合う鏡を備えたヘリオットセル、ヘリオットセル中で水分子が天然ガス分子を実質的に超えるレベルで光を吸収する波長で発光し、光が鏡で反射して少なくとも２回天然ガスを通過するように配置した光源、光源から発せられた光の強度を、光が少なくとも２回鏡で反射した後に検出するように配置した検出器、および天然ガス中の水蒸気量を定量するために検出器に接続した電子機器（または計算装置）が含まれる。
本発明の装置を、主パイプラインからの天然ガス試料採取に関連づけて説明しているが、本発明の装置および方法が、天然ガス精製工程など、天然ガスまたはメタン中の含湿量を測定することが望ましいいかなる情況にも応用できることは理解されるであろう。
本発明の装置および方法は、水分子が光を強く吸収する特定の波長における光の吸収に基づく天然ガス中の含湿量の測定に関する。一般的に、この技法は吸収スペクトル法といわれ、広範囲の気体、液体、および固体の測定に応用可能である。
図１に見られるように、天然ガスのパイプライン３は、ガスライン７内のガス圧を低下させるための調圧弁１１を含むガスラインに接続している。調圧弁からガスラインは複数のセンサー１９（本発明は上述の化学センサーと並列で利用できるので、少なくとも１つは光学的ガスセンサーである）を収納している試料採取密閉容器１５に入る。複数のセンサーを使用する場合、それらは、ガス流が全てのセンサーに同時に向かうことができるように、並列でガスラインに接続する。ガスラインが試料採取密閉容器に入ったのち、ガスを連結点２３で複数のフィードライン３１に向けることによりガスの配送は完了する。フィードラインの各々がまたセンサーに接続し、天然ガスの流れをさらに制限するようにバルブ２７によって制御される。ガスラインおよびフィードラインはステンレス鋼で作製され、０．２５インチ（０．６３５センチメートル）の外径を有することが好ましい。
図５に見られるように、試料採取密閉容器１５に組み込んだガスセンサー５００は、導入口５０３、流出口５０７、および光線室５１１を有していて、これらは全て一連の支持フランジ５１７によって光学的ガスセンサーケーシング５１５（示していない）内に固定されている。このケーシングは、光源５１９、ＩｎＧａＡｓ検出器などの光源に隣接する検出器５２３、光源および検出器を光線室に接続する窓、光源に向かい合う鏡５２７、およびデータ処理電子機器５３１を収めるように形造られている。鏡は、好ましくは、光源から発せられた光を、光線室および窓を通して検出器へと反射するように位置決めする。１つの実施形態では、光源を水平から５度に配置して、鏡を光源から４０ｃｍに置く。光源は、１．８７７〜１．９０１μｍの波長範囲内または９２０ｎｍ〜９６０ｎｍもしくは２．７１１〜２．７８６μｍの範囲内のいずれかで発光するように構成された波長可変ダイオードレーザー（ＤＦＢレーザーなど）、またはＶＣＳＥＬレーザーであることが好ましい。それとは別に、光源が、色中心レーザー、量子カスケードレーザー、または所望の波長範囲内の適当なビーム幅で作動するいかなる他の光源であってもよい。１つの実施形態では、データ処理電子機器は、検出器から受け取ったシグナルを、計量メタン百万立方フィート当りのｌｂｓ（１ｌｂｓ水／ｍｍｓｃｆ＝２１ｐｐｍ）に変換する１６ｂｉｔのＭｏｔｏｒｏｌａマイクロコントローラーを備えている。
操業に際して、天然ガスはガスセンサー５００の導入口５０３に供給され、連続的に光線室を通過して、最後に流出口５０７からガスセンサーを出る。その後は、データ処理電子機器５３１が、Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ．Ｒａｄｉａｔ．Ｔｒａｎｓｆｅｒ４９巻３３５〜４３７頁（１９９３年）に掲載のＲａｎｄｙ Ｄ．Ｍａｙ博士らによる「Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｕｎｉｔ ｆｏｒ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ」と題する論文に記載されている技法などの知られた技法を使用して、天然ガス試料により吸収された光の量を水濃度に翻訳するように設定されている。前記論文は参照によって本明細書に組み込む。ガスセンサーを主ガスライン７に連結する前に、水濃度のわかっている天然ガスの対照試料を、較正の目的でガスセンサーに通すことが好ましい。
上記のような単一の鏡の配置に代えてヘリオットセルを組み込むなどの標準的な技法が、効果的な光路を増加させるために利用できる（その結果として感度が増大するであろう）ことは、当業者に理解されるであろう。例えば、ヘリオットセルならば２枚の向かい合うパイレックスに金をコートした鏡を備えることができ、各鏡は好ましくは、曲率半径１５０ｍｍおよび直径２５．４ｍｍである。この実施形態では、光源はヘリオットセル内部に配置されていて、その結果発せられた光はおよそ１５回各鏡で反射する。この配列の結果、２枚の鏡の間の距離の３０倍で４メートルの有効距離になる効果的な走行路が生じる。ついで光が検出器により検出され、検出器は、受け取ったシグナルを水濃度測定値に変換する電子機器に連結している。用途に依存して、ヘリオットセルの反射回数は調節できることも認識すべきである。例えば、水蒸気量が５〜１００ｌｂ／ｍｍｓｃｆの範囲内でありそうであれば、その場合は上述した単一反射系を利用すべきである。濃度が０〜５ｌｂ／ｍｍｓｃｆの範囲内でありそうであれば、その場合ヘリオットセルを利用すべきである。
いうまでもなく、好ましい実施形態への改良は当業者には明白であろうということは理解されるであろう。例えば、ガス試料を光源と検出器との間に供給するために、および検出器が受け取ったシグナルを濃度測定値に変換するために異なった技法を使用することができる。したがって、本発明の範囲は、上で論じた特定の実施形態によって限定されるべきではなく、以下に述べる請求の範囲およびその等価物によってのみ規定されるべきである。
Claims (10)
- 天然ガス中の水蒸気を検出するための装置であって、
水分子が天然ガス分子を実質的に超えるレベルで光を吸収する波長の狭い線幅を有する光を発する光源と、
前記光源から発せられた光の強度を検出するように配置した検出器と、
前記検出器によって検出した光の強度のみに基づいて前記検出器に接続した天然ガス中の水蒸気量を定量するための電子機器と
を備える装置。 - パイプライン中の天然ガス中の水蒸気を検出するための装置であって、
試料採取密閉容器と
前記試料採取密閉容器内に設置した少なくとも１つの光学的ガスセンサーと
天然ガスを前記光学的ガスセンサーに供給するために、前記パイプラインおよび前記ガスセンサーに接続した供給ラインと
を備え、
前記光学的ガスセンサーが
２枚の向かい合う鏡を有するヘリオットセルと
前記ヘリオットセルを通して水分子が天然ガス分子を実質的に超えるレベルで光を吸収する波長で発光し、光が鏡で反射して少なくとも２回天然ガスを通過するように配置した光源と
前記光源から発せられた光の強度を、光が少なくとも２回鏡で反射した後に検出するように配置した検出器と
前記検出器によって検出した光の強度のみに基づいて前記検出器に接続した天然ガス中の水蒸気量を定量するための電子機器と
を備える、装置。 - 前記光源が、ＤＦＢレーザー、波長可変ダイオードレーザー、ＶＣＳＥＬ、色中心レーザー、および量子カスケードレーザーを含む群から選択される請求項１または２に記載の装置。
- 前記検出器がＩｎＧａＡｓ検出器である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
- 天然ガス中の水蒸気の既知濃度と比較して前記センサーを較正する較正手段をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
- ９２０ないし９６０ｎｍ、１．８〜１．９μｍ、１．８７７〜１．９０１μｍ、２．７〜２．８μｍ、および２．７１１〜２．７８６μｍを含む群から選択された波長範囲にほぼ入る波長で前記レーザーが作動する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
- 天然ガス中の水分を定量する方法であって、
水分子が天然ガス分子を実質的に超えるレベルで光を吸収する狭い線幅を有する波長で光を発生するステップと、
発生した光に天然ガス試料を通過させるステップと、
天然ガスを通過した光を検出するステップと、
検出した光のレベルのみに基づいて天然ガス中の水分を定量するステップと
を含む方法。 - 波長可変ダイオードレーザー、ＶＣＳＥＬ、色中心レーザー、および量子カスケードレーザーを含む群から選択された光源により光を発生する、請求項７に記載の方法。
- 前記発生した光が、９２０ないし９６０ｎｍ、１．８〜１．９μｍ、１．８７７〜１．９０１μｍ、２．７〜２．８μｍ、および２．７１１〜２．７８６μｍを含む群の１つの範囲内の波長を有する、請求項７または８に記載の方法。
- 天然ガス中の水蒸気を検出する装置であって、
水分子が天然ガス分子を実質的に超えるレベルで光を吸収する波長の狭い線幅を有する光を発する光学的手段と、
前記光源から発せられた光の強度を検出するための検出手段と、
前記検出手段によって検出した光の強度のみに基づいて前記検出器に接続した天然ガス中の水蒸気量を定量するための定量装置と
を備える装置。
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