JP2011191125A - 発熱量計測装置およびこれを備えたガス焚き発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器に供給される燃料ガスの発熱量を迅速に計測して、ガス焚き発電プラントの運転の信頼性や運転コストの低減が可能な発熱量計測装置およびこれを備えたガス焚き発電プラントを提供することを目的とする。
【解決手段】一定波長の光を計測領域の試料流体に入射する光源１４と、試料流体に光を入射することにより生じるラマン散乱光を分光する分光手段１３と、計測領域を挟んで分光手段１３の反対側に位置し、ラマン散乱光を分光手段１３側に反射する反射手段１２と、分光手段１３によって分光されたラマン散乱光の波長から試料流体の発熱量を算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、発熱量計測装置およびこれを備えたガス焚き発電プラントに関し、特に、ガスタービンに供給される燃料ガスの発熱量の計測に関するものである。

一般に、低発熱量ガス、例えば、ＢＦＧ(Blast Furnace Gas)を主とする燃料ガスをガスタービンの燃焼器によって燃焼させるガス焚き発電プラントでは、ＢＦＧが低発熱量であるため、ＢＦＧよりも高発熱量のガス、例えば、ＣＯＧ(Cokes Oven Gas)を混合させて、例えば、１０００Kcal/Nm³程度に増熱させた燃料ガスが用いられている。

燃焼器に導かれる燃料ガスは、燃焼器の特性やガスタービンの出力変動を抑制するために燃焼器に供給する前に低発熱量ガスの発熱量が計測されている。この計測された発熱量の結果により、高発熱量のガスの流量を制御して燃焼器に供給される燃料ガスの発熱量を制御している。この発熱量の計測には、燃焼式や特許文献１から特許文献４に記載のラマン散乱光を用いた方式がある。

特開平９−２３０３９７号公報 特開２００６−２８７６４９号公報 特開２００２−２８６６４４号公報 特開２００５−２４２５０号公報

しかしながら、燃焼式の発熱量計測装置では、測定ガスをサンプリングし、試料ガスをバーナで燃焼させ、その燃焼排ガスの温度と燃焼空気のバーナ入り口における温度との差を用いて発熱量を測定するため、ガスのサンプリング、除湿などの測定ガス前処理などに時間を要し、その応答は、分単位であるためガスタービンに供給される燃料ガスを迅速に制御することができないという問題があった。
また、特許文献１から特許文献４に記載の発明は、燃料ガスに入射させた光の入射軸方向に対して前方方向または後方方向のいずれかのラマン散乱光だけを検知して計測するため、装置構成上、ラマン散乱光を効率よく検知できず、検知されるラマン散乱光の強度が微弱となり計測時間に数十秒要するという問題があった。原理的には、入射するレーザー光強度を上げれば、信号強度も上昇するが、装置コストが高額となるほか、ノイズも増えることが多く、実用上現実的ではない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃焼器に供給される燃料ガスの発熱量を迅速に計測して、ガス焚き発電プラントの運転の信頼性や運転コストの低減が可能な発熱量計測装置およびこれを備えたガス焚き発電プラントを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の発熱量計測装置およびこれを備えたガス焚き発電プラントは、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る発熱量計測装置によれば、一定波長の光を計測領域の試料流体に入射する光源と、試料流体に光を入射することにより生じるラマン散乱光を分光する分光手段と、前記計測領域を挟んで前記分光手段の反対側に位置し、ラマン散乱光を前記分光手段側に反射する反射手段と、前記分光手段によって分光されたラマン散乱光の波長から試料流体の発熱量を算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。

試料流体に光を入射した場合には、試料流体中の成分によって異なる波長のラマン散乱光が生じる。試料ガス中の成分は、ラマン散乱光から分光した波長によって知ることができ、それら分光した波長により試料流体の発熱量を求めることができる。

そこで、ラマン散乱光を反射させる反射手段を計測領域を挟んで分光手段の反対側に設けることとした。これにより、分光手段には、直接受光されるラマン散乱光と反射手段によって反射されたラマン散乱光とを導くことができラマン散乱光の強度を高めることができる。そのため、高応答にて試料流体の発熱量を算出することができる。したがって、発熱量計測装置の応答性の向上を図ることができる。

さらに、本発明に係る発熱量計測装置によれば、前記分光手段によって分光されたラマン散乱光は、前記光源の入射方向のラマン散乱光と前記反射手段により反射されたラマン散乱光とであることを特徴とする。

分光手段には、光源の入射方向のラマン散乱光と、反射手段により反射されたラマン散乱光とを導くこととした。そのため、分光するラマン散乱光の強度を向上させることができる。したがって、高応答、高精度で発熱量を算出することができる。

さらに、本発明に係る発熱量計測装置によれば、前記計測領域の圧力を該計測領域の上流側より高い圧力とすることを特徴とする。

計測領域の圧力を計測領域の上流側よりも高い圧力にすることとした。これにより、理論上において圧力が２倍になると粒子の量も２乗倍となるため、検出されるラマン散乱光の強度が増す。したがって、高応答、高精度で発熱量を算出することができる。

さらに、本発明に係る発熱量計測装置によれば、互いに平行に設けられて、試料流体中の異物を除去する２つのフィルタと、各該フィルタに導出入される試料流体の流れ方向を制御するとともに、前記計測領域の上流側および下流側にそれぞれ位置する上流側弁および下流側弁とを各々有して、互いに平行に設けられる２つのバルブセットと、を備え、１の前記バルブセットの前記上流側弁および他のバルブセットの前記下流側弁が開状態の場合には、１の前記バルブセットの前記下流側弁および他の前記バルブセットの前記上流側弁は、閉状態とされて試料流体が導かれ、１の前記バルブセットの前記下流側弁および他の前記バルブセットの前記上流側弁が開状態の場合には、１の前記バルブセットの前記上流側弁および他の前記バルブセットの前記下流側弁は、閉状態とされて試料流体が導かれることを特徴とする。

２つのフィルタに導出入させる試料流体が導かれる上流側弁および下流側弁を備えている２つのバルブセットを互いに平行に設け、各バルブセットの上流側弁と下流側弁との開閉状態を制御して発熱量計測装置に導かれる試料流体の流れ方向を変えることとした。これにより、各フィルタに導かれる試料流体の流通方向を変えて、フィルタを試料流体によって洗浄することができる。そのため、フィルタのメンテナンス頻度を低減することができる。したがって、発熱量計測装置のメンテナンス性を向上させることができる。

通常、ガス焚き発電プラントでは、燃料ガス供給管を流れる試料流体には煤等の異物が混入している。そのため、発熱量計測装置に導入する試料流体に異物が含まれた状態で計測すると、高精度で高応答な発熱量の計測ができない。また、レーザー窓や集光レンズ等の光学系機器が排ガスにより汚れると、ノイズとなる。そのため、発熱量計測装置に導入される試料流体は、一旦フィルタを介して除塵する必要があるが、フィルタ目詰まり等によりメンテナンス頻度が高くなると、ラマン分光によるオンラインでの安定した発熱量計測ができない。

したがって、オンラインで高応答な発熱量計測を行うためには、試料流体の清浄度および集光レンズやレーザー窓などの汚れ防止のために、機器を停止させることなくフィルタの洗浄を行う必要があり、本発明と組合せることでオンライン計測、高応答での発熱量計測を行うことができる。
また、フィルタを洗浄するためのパージガス系統を別途設ける必要がなく、バルブセットの切り替えのみでフィルタを洗浄することができ、メンテナンス性を向上させることができる。

さらに、本発明に係るガス焚き発電プラントによれば、燃料ガスの一部が試料流体として導かれる上記に記載の発熱量計測装置と、燃料ガスを圧縮するガス圧縮機と、該ガス圧縮機によって圧縮された燃料ガスを燃焼して排ガスを排出する燃焼器と、該燃焼器が排出する排ガスによって駆動されるガスタービンと、該ガスタービンおよび前記ガス圧縮機に接続されて駆動される回転軸と、該回転軸によって駆動される空気圧縮機と、前記ガスタービンによって駆動されて発電する発電機と、を備え、前記発熱量計測装置で計測された発熱量を用いて、前記ガスタービンの出力を制御することを特徴とする。

ガスタービンの燃焼器に導かれる燃料ガスの発熱量を迅速に計測することができる発熱量計測装置を設けることとした。そのため、燃焼器に供給される燃料ガス中の高発熱量な燃料ガスの過剰な供給を制御することができる。或いは、高発熱量の燃料ガスを使用せずに低発熱量の燃料ガスのみを使用して熱量（或いは発熱量）を制御することもできる。したがって、ガス焚き発電プラントの運転コストを低減させることができる。

ラマン散乱光を反射させる反射手段を計測領域を挟んで分光手段の反対側に設けることとした。これにより、分光手段に受光させるラマン散乱光の強度を高めることができる。そのため、高応答にて試料流体の発熱量を算出することができる。したがって、発熱量計測装置の応答性の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る発熱量計測装置を備えたガス焚き発電プラントの概略構成図である。 図１に示した発熱量計測装置の概略構成図である。 （Ａ）は、図２に示した計測ユニットの概略構成図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示したＢ−Ｂ矢視正面図である。 各成分のラマンシフト量と、波長と、窒素によって規格化した微分散乱断面積とを示すグラフである。 各成分を正規化した相対信号強度と波長とのグラフである。

図１には、本発明の一実施形態に係る発熱量計測装置を備えたガス焚き発電プラントの概略構成図が示されている。
図１に示されているように、ＢＦＧ焚き複合発電プラント（ガス焚き発電プラント）１は、燃料ガスを燃焼して回転駆動するガスタービン２と、燃料ガス中のダストを除去する電気集塵装置３と、燃料ガスを圧縮するガス圧縮機４と、蒸気によって回転駆動される蒸気タービン５と、電気を発生する発電機（図示せず）と、燃料ガスの発熱量を計測する発熱量計測装置６とを有している。

本実施形態では一軸式のＢＦＧ焚き複合発電プラントを用いて説明するが、本発明は一軸式複合発電プラントに限定されるものではなく、ガスタービン単独の発電プラント、或いは二軸式、多軸式の発電プラントにも適用可能である。

電気集塵装置３は、燃料ガス中のダストを除去するものである。電気集塵装置３によってダストが除去された燃料ガスは一部が、発熱量計測装置６へと導かれ、残りが、ガス圧縮機４へと導かれる。発熱量計測装置６は、ラマン散乱光を用いて燃料ガス（試料流体）の発熱量を計測するものである。発熱量計測装置６によって発熱量が計測された燃料ガスは、ガス圧縮機４へと導かれる。

ガス圧縮機４は、燃料ガスを圧縮するものである。ガス圧縮機４には、回転軸２ａが接続されている。回転軸２ａは、図示しない減速機を介してガスタービン２および蒸気タービン５に接続されている。

ガス圧縮機４によって圧縮された燃料ガスは、ガスタービン２へと導かれる。
ガスタービン２は、燃料ガスを燃焼して排ガスを排出する燃焼器（図示せず）と、燃焼器から排出された排ガスによって駆動されるタービン（図示せず）と、燃焼器へと高圧空気を送り出す空気圧縮機（図示せず）とを備えている。

燃焼器では、導かれた燃料ガスと、圧縮空気とが燃焼される。燃焼器において、燃料ガスと圧縮空気とが燃焼されることによって、燃焼器からは、排ガスが排出される。燃焼器から排出された排ガスは、タービンへと導かれる。タービンに導かれた排ガスは、タービンを回転駆動する。タービンが排ガスによって駆動されることによって、タービンに接続されている回転軸２ａが回転駆動される。

回転軸２ａが回転駆動されることによって、回転軸２ａ上に設けられている空気圧縮機が回転駆動して空気を圧縮する。空気圧縮機から導出された圧縮空気の一部は、前述した燃焼器へと導かれる。

空気圧縮機およびタービンが設けられている回転軸２ａ端には、発電機が接続されている。そのため、タービンの回転駆動に伴い回転軸２ａが回転することによって、発電機が駆動して電気を発生する。また、回転軸２ａが回転駆動することによって、前述したように減速機を介してガス圧縮機４が回転駆動される。

タービンを回転駆動させた排ガスは、排ガス回収ボイラ（図示せず）へと導かれる。排ガス回収ボイラは、ガスタービン２から導かれた排ガスの熱によって蒸気を発生するものである。排ガス回収ボイラにおいて蒸気を発生させた排ガスは、煙突（図示せず）からＢＦＧ複合発電プラント１の外へと排出される。

排ガス回収ボイラにおいてガスタービン２から導かれた高温の排ガスにより発生した蒸気は、蒸気タービン５へと供給される。蒸気タービン５は、ガスタービン２と同回転軸２ａに接続されており、いわゆる一軸式のコンバインドシステムとなっている。なお、一軸式のコンバインドシステムに限らず、別軸式のコンバインドシステムであっても構わない。

タービンによって回転駆動される回転軸２ａは、蒸気タービン５によって駆動力が増加する。そのため、回転軸２ａが接続されている発電機の発電量が増加する。また、回転軸２ａに接続されている減速機を介して、ガス圧縮機４が回転駆動される。

蒸気タービン５を回転駆動した蒸気は、復水器（図示せず）へと導かれる。蒸気タービン５を回転駆動した蒸気は、復水器によって冷却されて水に戻される。復水器によって戻された水は、排ガス回収ボイラへと導かれる。

次に、本実施形態における発熱量計測装置に導かれる燃料ガスの流れについて説明する。
高炉ガス（BFG：Blast Furnace Gas）等の低発熱量燃料ガスは、図示しない混合器へと導かれる。コークス炉ガス(COG：Cokes Oven Gas)等の高発熱量燃料ガスは、流量制御弁７を介して混合器へと導かれる。

流量調整弁７は、発熱量計測装置６によって計測された低発熱量燃料ガスと高発熱量燃料ガスとが混合した燃料ガスの発熱量に応じて制御される。流量調整弁７が制御されることによって、混合器に供給される高発熱量燃料ガスの流量が制御される。

燃料ガスの発熱量が所望発熱量よりも低い場合には、流量調整弁７の開度を増加させる。流量調整弁７の開度が増加するので、混合器へと導かれる高発熱量燃料ガスの流量が増加する。混合器へと導かれる高発熱量燃料ガスの流量が増加するので、混合器からガスタービン２には、発熱量が増加した燃料ガスが供給される。ガスタービン２には、発熱量が増加した燃料ガスが供給されるのでガスタービン２の出力が増加する。

一方、燃料ガスの発熱量が所望発熱量よりも高い場合には、流量調整弁７の開度を減少させる。流量調整弁７の開度が減少するので、混合器へと導かれる高発熱量燃料ガスの流量が減少する。混合器に導かれる高発熱量燃料ガスの流量が減少するので、混合器からガスタービン２には、発熱量が低下した燃料ガスが供給される。ガスタービン２には、発熱量が減少した燃料ガスが供給されるのでガスタービン２の出力が低下する。

次に、本実施形態における発熱量計測装置について説明する。
図２には、発熱量計測装置の概略構成図が示されている。
発熱量計測装置６は、図２に示すように計測ユニット１０と、計測用ポンプ２２と、フィルタ２３と、バルブセット２４と、流量検出器２５とを備えている。
計測用ポンプ２２は、電気集塵装置３（図１参照）とガス圧縮機４（図１参照）との間を接続している燃料ガス供給配管２６からフィルタ２３を介して、計測ユニット１０へと燃料ガスを導くものである。計測用ポンプ２２は、計測ユニット１０の下流側に設けられている。

バルブセット２４は、計測ユニット１０の上流側に接続されている上流側弁２８と、下流側に接続されている下流側弁３０とを備えている。バルブセット２４は、第１バルブセット２４ａと第２バルブセット２４ｂの２つ設けられている。第１バルブセット２４ａは、第１上流側弁２８ａと第１下流側弁３０ａとを備えている。第２バルブセット２４ｂは、第２上流側２８ｂと第２下流側弁３０ｂとを備えている。

フィルタ２３は、２つ設けられている。各フィルタ２３ａ、２３ｂは、燃料ガスが通過することによって燃料ガス中の異物を除去するものである。フィルタ２３ａ、２３ｂによって除去された異物は、燃料ガスが吸入された側のフィルタ２３ａ、２３ｂの表面に捕捉される。

流量検出器２５は、計測ユニット１０に導かれる燃料ガスの流量を計測するものである。流量検出器２５は、計測ユニット１０と計測用ポンプ２２との間に設けられている。なお、この流量検出器２５は、圧力検出器であっても良い。

計測ユニット１０の上流側には、上流側計測用配管２７（図２参照）が接続されている。上流側計測用配管２７は、図２に示すように途中で２つに分岐して燃料ガス供給配管２６に接続されている。上流側計測用配管２７ａには、第１上流側弁２８ａと、フィルタ２３ａとが設けられている。上流側計測用配管２７ｂには、第２上流側弁２８ｂと、フィルタ２３ｂとが設けられている。

計測ユニット１０の下流側には、流量検出器２５と計測用ポンプ２２とを介して下流側計測用配管２９が接続されている。下流側計測用配管２９は、計測用ポンプ２２の下流側において２つに分岐している。下流側計測用配管２９ａには、第１下流側弁３０ａが設けられている。下流側計測用配管２９ｂには、第２下流側弁３０ｂが設けられている。
下流側計測用配管２９ａの他端は、フィルタ２３ｂの上流側の上流側計測用配管２７ｂに合流している。下流側計測用配管２９ｂの他端は、フィルタ２３ａの上流側の上流側計測用配管２７ａに合流している。

図３（Ａ）には、計測ユニットの概略構成図を示し、図３（Ｂ）には、（Ａ）のＢ−Ｂ矢視正面図を示す。
計測ユニット１０は、ラマン散乱光を用いて燃料ガスの発熱量を計測するものである。図３（Ａ）に示すように、計測ユニット１０は、筒状のケーシング１１と、ラマン散乱光を反射させるラマン散乱光反射ミラー（反射手段）１２と、ラマン散乱光を分光する集光レンズ（分光手段）１３と、一定波長の光を入射する送光用光ファイバー（光源）１４と、集光レンズ１３によって分光された波長を検出する受光用光ファイバー１５と、受光用光ファイバー１５によって検出された波長から燃料ガスの発熱量を算出する算出手段（図示せず）とを備えている。

ケーシング１１は、筒状を形成している。ケーシング１１内は、送光用光ファイバー１４から入射された光を計測する計測領域となっている。ケーシング１１の長手方向に垂直な側壁の中央部には、送光用光ファイバー１４が側壁の外側から設けられている。送光用光ファイバー１４が設けられているケーシング１１の側壁の内側には、ラマン散乱光反射ミラー１２が設けられている。送光用光ファイバー１４が設けられている側壁の反対側の側壁の内側には、ラマン散乱光用計測窓１６が設けられている。

ケーシング１１の長手方向の側壁には、電気集塵装置３（図１参照）から導かれた燃料ガスが導入される導入口１１ａと、計測領域内を通過した燃料ガスをケーシング１１から導出する導出口１１ｂとが開口している。導入口１１ａは、ラマン散乱光反射ミラー１２の近傍に開口している。導出口１１ｂは、ラマン散乱光用計測窓１６の近傍に開口している。

ラマン散乱光用計測窓１６が設けられているケーシング１１の側壁の中央部には、受光用光ファイバー１５が側壁の外側から設けられている。受光用光ファイバー１５と、ケーシング１１の側壁の外側との間には、ケーシング１１の側壁に対して平行になるように集光レンズ１３が設けられている。

ラマン散乱光用計測窓１６は、送光用光ファイバー１４によってケーシング１１内に入射されたレーザー光を完全に反射する全波長光反射域１６ａ（図３（Ｂ）参照）、ラマン散乱光のみを透過するラマン散乱光透過域１６ｂ（図３（Ｂ）参照）とを備えている。ラマン散乱光用計測窓１６は、円盤形状とされており、その中央部には、全波長光反射域１６ａが設けられており、それ以外の部分がラマン散乱光透過域１６ｂとされている。

全波長光反射域１６ａは、入射されたレーザーの光を完全に反射するものである。全波長光反射域１６ａは、ラマン散乱光反射ミラー１２（図３（Ａ）参照）側へと反射される。これによって、計測領域内の排ガスには入射されたレーザー光と反射されたレーザー光とが入射される。したがって、排ガスに入射されるレーザー光の強度を強くすることができる。
ラマン散乱光透過域１６ｂは、ラマン散乱光のみを透過させるものである。このラマン散乱光透過域１６ｂを透過したラマン散乱光は、ノイズ光が除去される。

ラマン散乱光反射ミラー１２（図３（Ａ）参照）は、ラマン散乱光を全反射するものである。ラマン散乱光反射ミラー１２は、計測領域を挟んでラマン散乱光用計測窓１６の反対側に位置している。ラマン散乱光反射ミラー１２によって全反射されたラマン散乱光は、集光レンズ１３側、すなわちラマン散乱光用計測窓１６側へと反射される。

ラマン散乱光反射ミラー１２は、送光用光ファイバー１４が計測領域に入射するレーザー光およびラマン散乱光用計測窓１６の全波長光反射域１６ａ（図３（Ｂ）参照）によって反射されたレーザー光が貫通できる孔を中央部に有している。ラマン散乱光反射ミラー１２は、送光用光ファイバー１４に向かって緩やかな凸形状を有する円盤形状となっている。

集光レンズ１３は、レーザー光を計測領域内の燃料ガスに入射することによって生じるラマン散乱光を分光するものである。ラマン散乱光は、集光レンズ１３によって燃料ガス中の成分に応じた波長に分光される。

送光用光ファイバー１４は、一定波長のレーザー光（光）をケーシング１１内の計測領域内の燃料ガスに入射するものである。
受光用光ファイバー１５は、集光レンズ１３によって分光された各成分のラマン散乱光の波長を検出するものである。
算出手段は、集光レンズ１３によって分光されて受光用光ファイバー１５により検出された各成分のラマン散乱光の波長から排ガスの発熱量を算出するものである。

次に、発熱量計測装置に導かれる燃料ガスの流れについて図２を参照して説明する。
燃料ガス供給配管２６中を流れている燃料ガスの一部は、計測用ポンプ２２が作動することによって上流側計測用配管２７ａへと導かれる。この場合、第２バルブセット２４ｂを構成している第２上流側弁２８ｂおよび第２下流側弁３０ｂは閉状態とされ、第１バルブセット２４ａを構成している第１上流側弁２８ａおよび第１下流側弁３０ａは開状態とされている。

上流側計測用配管２７ａに導かれた燃料ガスは、フィルタ２３ａを通過する。フィルタ２３ａを燃料ガスが透過することによって、燃料ガス中に含まれている異物がフィルタ２３ａの燃料ガス供給配管２６側の面に捕捉される。フィルタ２３ａを通過して異物が除去された燃料ガスは、第１上流側弁２８ａを経て計測ユニット１０へと導入される。

計測ユニット１０に導入された燃料ガスは、その発熱量が計測される。発熱量が計測された燃料ガスは、計測ユニット１０から導出される。導出された燃料ガスは、流量検出器２５によって流量が計測される。流量検出器２５によって流量が検出された燃料ガスは、計測用ポンプ２２を経て下流側計測用配管２９ａへと導出される。

下流側計測用配管２９ａに導出された燃料ガスは、フィルタ２３ｂと第２上流側弁２８ｂとの間を接続している上流側計測配管２７ｂに合流される。上流側計測配管２７ｂに合流された燃料ガスは、フィルタ２３ｂへと導かれる。フィルタ２３ｂに導かれた燃料ガスは、フィルタ２３ｂを通過して燃料ガス供給配管２６へと戻される。

所定時間経過後、第１バルブセット２４ａの第１上流側弁２８ａおよび第１下流側弁３０ａが閉状態とされ、第２バルブセット２４ｂの第２上流側弁２８ｂおよび第２下流側弁３０ｂが開状態とされる。

第２バルブセット２４ｂの第２上流側弁２８ｂおよび第２下流側弁３０ｂが開状態とされ、第１バルブセット２４ａの第１上流側弁２８ａおよび第１下流側弁３０ａが閉状態とされるので、燃料ガス供給配管２６中を流れている燃料ガスの一部は、上流側計測用配管２７ｂへと導かれる。

燃料ガス供給配管２６から吸引された燃料ガスは、フィルタ２３ｂを通過して上流側計測用配管２７ｂへと導出される。フィルタ２３ｂを燃料ガスが透過することによって、燃料ガス中に含まれていた異物がフィルタ２３ｂの燃料ガス供給配管２６側の面に捕捉される。フィルタ２３ｂを通過して異物が除去された燃料ガスは、第２上流側弁２８ｂを経て計測ユニット１０へと導入される。

計測ユニット１０に導入された燃料ガスは、その発熱量が計測される。発熱量が計測された燃料ガスは、計測ユニット１０から導出される。導出された燃料ガスは、流量検出器２５によって流量が計測される。流量検出器２５によって流量が検出された燃料ガスは、計測用ポンプ２２を経て下流側計測用配管２９ｂへと導出される。

下流側計測用配管２９ｂに導出された燃料ガスは、フィルタ２３ａと第１上流側弁２８ａとの間を接続している上流側計測配管２７ａに合流される。上流側計測配管２７ａに合流された燃料ガスは、フィルタ２３ａへと導かれる。フィルタ２３ａに導かれた燃料ガスは、フィルタ２３ａを通過して燃料ガス供給配管２６へと戻される。

燃料ガスがフィルタ２３ａを上流側計測配管２７ａから燃料ガス供給配管２６へと通過する際には、フィルタ２３ａの燃料ガス供給配管２６側の面に捕捉されていた異物が燃料ガスによって吹き飛ばされる。これによって、フィルタ２３ａは、燃料ガスによって洗浄される。

同様に、フィルタ２３ｂの燃料ガス供給配管２６側の面に捕捉されている異物は、第１バルブユニット２４ａおよび第２バルブユニット２４ｂを構成している各弁２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂの開閉状態を切り替えることによって、計測ユニット１０に導かれた燃料ガスにより吹き飛ばされる。

このように、フィルタ２３ａ、２３ｂに捕捉された異物をパージするためのパージガス系統（逆洗ガス）を別途設ける必要がなく、第１バルブセット２４ａと第２バルブセット２４ｂとの系統を切り替えるのみでフィルタ２３ａ、２３ｂの洗浄、および集光レンズ１３やラマン散乱光用計測窓１６の汚れの防止が可能となり、安定的にラマン分光による発熱量の計測が可能となる。

次に、燃料ガスの発熱量の検出方法と算出方法について説明する。
低発熱量燃料ガスと高発熱量燃料ガスとが混合した燃料ガスの一部は、燃料ガス供給配管２６から計測ユニット１０へと導かれる。計測ユニット１０に導かれた燃料ガスは、試料ガスとしてケーシング１１（図３（Ａ）参照）に設けられている導入口１１ａからケーシング１１内の計測領域へと導かれる。ケーシング１１内に導かれた燃料ガスには、送光用光ファイバー１４から、例えば、５３２nmの波長のレーザー光が入射される。

燃料ガスにレーザー光を入射することによってラマン散乱光が生じる。ラマン散乱光は、燃料ガス中の各成分に特有な振動エネルギーによって異なる波長を生じる散乱光である。そのため、レーザー光の波長とラマン散乱光の波長との差であるラマンシフト量は、成分毎に特有であることが知られている。

図４は、入射光として５３２nmの波長のレーザー光を燃料ガスの各成分に入射させた場合におけるラマンシフト量と、波長と、窒素によって規格化した微分散乱断面積とを示した表である。図４が示すようにラマンシフト量によって燃料ガスに含まれている成分を知ることができる。

送光用光ファイバー１４（図３（Ａ）参照）から計測領域内の燃料ガスに入射されたレーザー光は、様々な波長のラマン散乱光を生じる。ラマン散乱光の強度は、レーザー光の入射軸方向の前方方向（以下「前方側ラマン散乱光」という。）および後方方向（以下「後方側ラマン散乱光」という。）が大きいことが知られている。
前方側ラマン散乱光は、ラマン散乱光用計測窓１６を透過する。ラマン散乱光用計測窓１６に達したレーザー光は、全波長光反射域１６ａ（図３（Ｂ）参照）によって全反射される。

後方側ラマン散乱光は、ラマン散乱光反射ミラー１２によって集光レンズ１３側へと全反射される。ラマン散乱光反射ミラー１２によって全反射された後方側ラマン散乱光は、ラマン散乱光用計測窓１６を透過する。

ラマン散乱光用計測窓１６を透過した前方側ラマン散乱光および後方側ラマン散乱光は、集光レンズ１３によって集光されて燃料ガスの成分に応じた波長のラマン散乱光に分光される。集光レンズ１３によって分光された各波長のラマン散乱光は、受光用光ファイバー１５によって検出される。
本発明では、このラマン散乱光用計測窓１６を透過した前方側ラマン散乱光と、ラマン散乱光反射ミラー１２によって全反射された後方側ラマン散乱光を主に用いて燃料ガスの発熱量を算出するものである。

一方、ラマン散乱光用計測窓１６の全波長光反射域１６ａ（図３（Ｂ）参照）によって全反射されたレーザー光は、ラマン散乱光反射ミラー１２の中央部に設けられている孔から計測ユニット１０の外へと導出される。

受光用光ファイバー１５が検出する各波長は、ラマン散乱光用計測窓１６が汚れている場合には信号強度が異なる。そのため、電気集塵装置３により除塵して、汚れの影響を抑制している。これに加え、燃料ガス中において最も濃度の高い成分、例えば、窒素成分のラマン散乱光の強度であるＩＮ_２を基準として、他の成分のラマン散乱光の強度との比をとった相対値ＩＣＯ、ＩＣＯ_２、ＩＨ_２Ｏ、ＩＨ_２、ＩＣＨ_４を用いることがよく知られている。これにより、ラマン散乱光用計測窓１６の汚れの影響を考慮する必要がなくなる。

なお、ケーシング１１内の圧力をケーシング１１より上流側である上流側計測配管２７ａ内の圧力より高くすることで、計測領域における前方ラマン散乱光および後方ラマン散乱光の強度を向上させることができる。計測領域を高圧（例えば、１００〜１０００Ｐａ）とすることで、理論上において圧力が２倍になると粒子の量も２乗倍となるため、検出されるラマン散乱光の強度が増す。これにより高応答、高精度で発熱量を算出することができる。

図５には、燃料ガス中の各成分を正規化した相対信号強度と、波長とのグラフが示されている。図５において、横軸は、各成分のラマン散乱光の波長を示し、縦軸は、各成分を窒素成分のラマン散乱光の強度ＩＮ_２によって正規化した相対信号強度を示している。

燃料ガスの発熱量は、各成分のラマン散乱光の波長の相対信号強度と、各成分のモル分率とを用いることによって算出することが知られている。
式（１）には、燃料ガスの高位発熱量（ＨＨＶ）を求める式が示されている。式（２）には、燃料ガスの低位発熱量（ＬＨＶ）を求める式が示されている。
なお、ＨＨＶは、燃料ガス中の水分及び燃焼によって生成された水分の凝縮熱を発熱量として含む発熱量（kcal/m³）であり、ＬＨＶは、該凝縮熱を含まない燃料ガス中の発熱量（kcal/m³）である。また、ＣＮ_２、ＣＣＯ、ＣＣＯ_２、ＣＨ_２Ｏ、ＣＨ_２、ＣＣＨ_４は、それぞれ以下の式（３）から式（８）によって求められる各成分Ｎ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｈ_２、ＣＨ_４のモル分率である。
HHV＝3020×CCO＋3050×CH_２＋9520×CCH_４ （１）
LHV＝3020×CCO＋2570×CH₂＋8550×CCH₄ （２）
CN₂=1/(1+αCO・ICO/IN₂+αCO₂・ICO₂/IN₂+αH₂OIH₂O/IN₂+αH₂I・H₂/IN₂+αCH₄・ICH₄/IN₂) （３）
CCO=(αCO・ICO/IN₂)/(1+αCO₂・ICO₂/IN₂+αH₂O・IH₂O/IN₂+αH₂・IH₂/IN₂+αCH₄・ICH₄/IN₂) （４）
CCO₂=(αCO₂・ICO₂/IN₂)/(1+αCO₂・ICO₂/IN₂+αH₂O・IH₂O/IN₂+αH₂・IH₂/IN₂+αCH₄・ICH₄/IN₂) （５）
CH₂O=(αH₂O・IH₂O/IN₂)/(1+αCO₂・ICO₂/IN₂+αH₂O・IH₂O/IN₂+αH₂・IH₂/IN₂+αCH₄・ICH₄/IN₂) （６）
CH₂=(αH₂I・H₂/IN₂)/(1+αCO₂・ICO₂/IN₂+αH₂O・IH₂O/IN₂+αH₂・IH₂/IN₂+αCH₄・ICH₄/IN₂) （７）
CCH₄=(αCH₄・ICH₄/IN₂)/(1+αCO₂・ICO₂/IN₂+αH₂O・IH₂O/IN₂+αH₂・IH₂/IN₂+αCH₄・ICH₄/IN₂) （８）

受光用光ファイバー１５によって検出された排ガス中の各成分Ｎ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｈ_２、ＣＨ_４のラマン散乱光の波長は、算出手段によって窒素成分ＩＮ_２に対する相対強度値ＩＣＯ、ＩＣＯ_２、ＩＨ_２Ｏ、ＩＨ_２、ＩＣＨ_４が算出される。算出手段は、算出された各成分の相対強度値ＩＮ_２、ＩＣＯ、ＩＣＯ_２、ＩＨ_２Ｏ、ＩＨ_２、ＩＣＨ_４と、前述した式（１）から式（８）を用いて排ガスの発熱量ＨＨＶ（又はＬＨＶ）を算出する。このようにして、ガスタービン２（図１参照）に導かれる燃料ガスの発熱量ＨＨＶ（又はＬＨＶ）を求める。

以上の通り、本実施形態に係る発熱量計測装置およびこれを備えたガス焚き発電プラントによれば、以下の作用効果を奏する。
ラマン散乱光を反射させるラマン散乱光反射ミラー（反射手段）１２を計測領域を挟んで集光レンズ（分光手段）１３の反対側に設けることとした。これにより、集光レンズ１３には、集光レンズ１３に直接受光されるラマン散乱光とラマン散乱光反射ミラー１２によって反射されたラマン散乱光とを導くことができラマン散乱光の強度を高めることができる。そのため、高応答にて燃料ガス（試料流体）の発熱量を算出することができる。したがって、発熱量計測装置６の応答性の向上を図ることができる。

２つのフィルタ２３ａ、２３ｂに導出入させる燃料ガスが導かれる上流側弁２８および下流側弁３０を各々備えている第１および第２バルブセット２４ａ、２４ｂを互いに平行に設けて、各バルブセット２４ａ、２４ｂの各弁２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂの開閉状態を制御して、発熱量計測装置６に導かれる燃料ガスの流れ方向を変えることとした。これにより、各フィルタ２３ａ、２３ｂに導かれる燃料ガスの流通方向を変えて、フィルタ２３ａ、２３ｂを燃料ガスによって洗浄することができる。そのため、発熱量計測装置６に導入される燃料ガスを清浄化でき、ラマン散乱光（前方側ラマン散乱光と後方側ラマン散乱光）のノイズを低減でき、高精度で燃料ガスの発熱量を求めることができる。また、フィルタ２３ａ、２３ｂのメンテナンス頻度を低減することができる。したがって、発熱量計測装置６の計測精度、メンテナンス性を向上させることができる。

集光レンズ（分光手段）１３には、前方側ラマン散乱光（送光用光ファイバー（光源）１４の入射方向のラマン散乱光）と、後方側ラマン散乱光（ラマン散乱光反射ミラー（反射手段）１２により反射されたラマン散乱光）とを導くこととした。そのため、分光するラマン散乱光の強度を向上させることができる。したがって、高応答、高精度で発熱量を算出することができる。

ケーシング１１内の計測領域の圧力を上流側計測配管２７ａ（計測領域の上流側）内よりも高い圧力にすることとした。これにより、理論上において圧力が２倍になると粒子の量も２乗倍となるため、検出されるラマン散乱光の強度が増す。したがって、高応答、高精度で発熱量を算出することができる。

ガスタービン２の燃焼器に導かれる燃料ガスの発熱量を迅速に計測することができる発熱量計測装置６を設けることとした。そのため、燃焼器に供給される燃料ガス中の高発熱量の燃料ガスの過剰な供給を制御することができる。或いは、高発熱量の燃料ガスを使用せずに低発熱量の燃料ガスのみを使用して発熱量を制御することもできる。したがって、ＢＦＧ焚き複合発電プラント（ガス焚き発電プラント）１の運転コストを低減させることができる。

１ ＢＦＧ焚き複合発電プラント（ガス焚き発電プラント）
１０ 計測ユニット（発熱量計測装置）
１２ ラマン散乱光反射ミラー（反射手段）
１３ 集光レンズ（分光手段）
１４ 光源（送光用光ファイバー）

Claims (5)

1. 一定波長の光を計測領域の試料流体に入射する光源と、
   該試料流体に光を入射することにより生じるラマン散乱光を分光する分光手段と、
   前記計測領域を挟んで前記分光手段の反対側に位置し、ラマン散乱光を前記分光手段側に反射する反射手段と、
   前記分光手段によって分光されたラマン散乱光の波長から試料流体の発熱量を算出する算出手段と、を備える発熱量計測装置。
2. 前記分光手段によって分光されたラマン散乱光は、前記光源の入射方向のラマン散乱光と前記反射手段により反射されたラマン散乱光である請求項１に記載の発熱量計測装置。
3. 前記計測領域の圧力を該計測領域の上流側より高い圧力とする請求項１または請求項２に記載の発熱量計測装置。
4. 互いに平行に設けられて、試料流体中の異物を除去する２つのフィルタと、
   各該フィルタに導出入される試料流体の流れ方向を制御するとともに、前記計測領域の上流側および下流側にそれぞれ位置する上流側弁および下流側弁とを各々有して、互いに平行に設けられる２つのバルブセットと、を備え、
   １の前記バルブセットの前記上流側弁および他のバルブセットの前記下流側弁が開状態の場合には、１の前記バルブセットの前記下流側弁および他の前記バルブセットの前記上流側弁は、閉状態とされて試料流体が導かれ、１の前記バルブセットの前記下流側弁および他の前記バルブセットの前記上流側弁が開状態の場合には、１の前記バルブセットの前記上流側弁および他の前記バルブセットの前記下流側弁は、閉状態とされて試料流体が導かれる請求項１から請求項３のいずれかに記載の発熱量計測装置。
5. 燃料ガスの一部が試料流体として導かれる請求項１から請求項４のいずれかに記載の発熱量計測装置と、
   燃料ガスを圧縮するガス圧縮機と、
   該ガス圧縮機によって圧縮された燃料ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器が排出する排ガスによって駆動されるガスタービンと、該ガスタービンおよび前記ガス圧縮機に接続されて駆動される回転軸と、該回転軸によって駆動される空気圧縮機と、
   前記ガスタービンによって駆動されて発電する発電機と、を備え、
   前記発熱量計測装置で計測された発熱量を用いて、前記ガスタービンの出力を制御するガス焚き発電プラント。
   

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