JP2015021949A - 音速計測装置、ガスタービン設備及び音速計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、流体の音速を迅速に精度良く計測することができる音速計測装置、これを備えるガスタービン設備及び音速計測方法を提供する。【解決手段】流体としての高炉ガスＧが流通する内部において共鳴が発生する共鳴構造体３１と、発生する共鳴の周波数となる共鳴周波数ｆを検出するために使用される圧力センサ３２と、圧力センサ３２により検出される圧力変動の波形をフーリエ変換して得られる共鳴周波数ｆに基づいて、共鳴周波数ｆと高炉ガスＧの音速ｃとの相関関係を表す所定の算出式から、高炉ガスＧの音速を導出する制御装置３４と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、流体の音速を計測する音速計測装置、これを備えるガスタービン設備及び音速計測方法に関するものである。

従来、超音波発生装置を用いて超音波の往復時間を測定し、測定した往復時間に基づいて音速値を測定する音速測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この音速測定装置では、配管の壁に超音波発生装置を取り付けており、配管内部を流れる流体に向けて超音波を発振し、配管内部から反射された超音波を受信することで、超音波の往復時間を測定している。

また、音速計測装置として、流体配管の流れ方向に所定の間隔を空けて配置される複数の水中マイクによって、流体配管内の内部流体を伝播する音を検出し、検出波形の相関係数を求めることにより流体中の伝播波形の時間差から音速を算出するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−１３２９７８号公報 特開平１１−２０１８１２号公報

上記したように、特許文献１では、超音波の発振時間と受信時間との時間差である往復時間に基づいて音速を測定し、また、特許文献２では、複数点における流体中の伝播波形の時間差から音速を算出している。しかしながら、上記した特許文献では、流体に含まれる異物または流体の流速分布等の影響により、音波（超音波）が散乱する場合があり、この場合、精度の良い計測が困難となる可能性がある。また、上記した特許文献では、時間差に基づいて音速を算出することから、ノイズが発生した場合、差分によってノイズの影響が大きくなる可能性があるため、この場合も、精度の良い計測が困難となる可能性がある。加えて、上記した特許文献に記載の音速計測装置は、複数点での計測が必要となるため、構成が複雑となってしまう。

そこで、本発明は、簡易な構成で、流体の音速を迅速に精度良く計測することができる音速計測装置、これを備えるガスタービン設備及び音速計測方法を提供することを課題とする。

本発明の音速計測装置は、流体が流通する内部において共鳴が発生する共鳴構造体と、発生する前記共鳴の周波数である共鳴周波数を検出するための検出器と、前記検出器の検出結果から得られる前記共鳴周波数に基づいて、前記共鳴周波数と前記流体の音速との相関関係から、前記流体の音速を導出する制御装置と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、流体が流通する共鳴構造体の内部において共鳴が発生し、発生した共鳴の共鳴周波数を、検出器を用いて検出することができる。なお、共鳴を発生させる（誘起させる）音源としては、例えば、流体を伝播する雑音等である。そして、制御装置は、検出した共鳴周波数に基づいて、共鳴周波数と音速との相関関係から、流体の音速を導出することができる。このため、検出器を用いて共鳴周波数を検出するだけで、音速を導出することができることから、複数点での計測が不要となるため、装置構成を簡易な構成にすることができる。また、検出器を用いて共鳴周波数を検出すればよいため、時間差等の差分を用いることがなく、加えて、音波の散乱を考慮する必要がないため、流体の音速を精度良く計測することができる。さらに、制御装置は、検出した共鳴周波数に基づいて、相関関係から音速を導出するという簡易な処理で、流体の音速を導出することができるため、音速の計測を迅速に（リアルタイムに）行うことができる。なお、検出器としては、共鳴周波数を検出するために流体の圧力変動を検出する圧力センサを用いてもよいし、流体に伝播される音を検出するマイクを用いてもよいし、共鳴周波数を直接検出する周波数検出センサを用いてもよい。また、相関関係としては、例えば、共鳴周波数と音速との相関関係を表す所定の算出式を用いてもよいし、共鳴周波数と音速との相関関係を線形で示す制御マップを用いてもよい。

また、前記相関関係は、前記共鳴周波数と前記音速との相関関係を表す所定の算出式であることが好ましい。

この構成によれば、制御装置は、検出器を用いて検出された共鳴周波数を、所定の算出式に代入するという簡易な算出処理で、流体の音速を迅速に算出することができる。

また、前記共鳴構造体は、円筒形状の配管であり、前記共鳴周波数をｆとし、前記音速をｃとし、前記共鳴構造体の配管長をＬとし、前記共鳴構造体の上流側の境界条件である音響反射率をＲ_Ｕとし、前記共鳴構造体の下流側の境界条件である音響反射率をＲ_Ｄとすると、前記共鳴周波数ｆは、下記する（１）の算出式で与えられることが好ましい。

この構成によれば、円筒形状の配管である共鳴構造体に適した算出式を用いることができるため、流体の音速を精度良く算出することができる。

また、前記検出器は、前記共鳴構造体の内部における前記流体の圧力を検出する圧力センサであり、前記制御装置は、前記圧力センサにより検出される前記圧力の時間変化の波形である圧力変動の波形をフーリエ変換して、前記圧力がピークとなる周波数を共鳴周波数として導出することが好ましい。

この構成によれば、汎用の圧力センサを用いて、共鳴周波数を導出することができるため、音速の計測に使用される機器のコストを抑制することができる。

また、前記共鳴周波数をｆとし、前記圧力センサによる前記圧力の計測時間をＴとすると、前記計測時間Ｔは、下記する（２）式で与えられることが好ましい。

この構成によれば、共鳴周波数の検出精度を高精度（誤差０．１％以下）とし、また、共鳴周波数を短時間（２秒以下）で検出することができるため、リアルタイム且つ高精度に音速を計測することができる。

また、前記共鳴周波数をｆとし、前記圧力センサによる前記圧力のサンプリング数をＭとすると、前記サンプリング数Ｍは、下記する（３）式で与えられることが好ましい。

この構成によれば、共鳴周波数を検出するに当たって、適切なサンプリング数を得ることができるため、フーリエ変換後の圧力のピーク（共鳴ピーク）を精度良く捉えることができ、共鳴周波数を精度良く導出することができる。

また、前記共鳴周波数をｆとし、前記圧力センサによる前記圧力のサンプリング周期をΔｔとすると、前記サンプリング周期Δｔは、下記する（４）式で与えられることが好ましい。

この構成によれば、共鳴周波数を検出するに当たって、適切なサンプリング周期で圧力を検出することができるため、フーリエ変換後の圧力のピーク（共鳴ピーク）を精度良く捉えることができ、共鳴周波数を精度良く導出することができる。

また、前記圧力センサは、前記共鳴構造体の内部において、前記流体の圧力変動が最も大きい位置に設けられていることが好ましい。

この構成によれば、圧力センサにより共鳴構造体の圧力を感度良く検出することができるため、音速を精度良く導出することができる。

また、前記共鳴構造体は、円筒形状の配管であり、前記圧力センサは、前記共鳴構造体の軸方向の中央に設けられていることが好ましい。

この構成によれば、共鳴構造体が円筒形状の配管である場合、圧力変動が最も大きくなる共鳴構造体の軸方向の中央に圧力センサを設けることができるため、圧力センサにより流体の圧力を感度良く検出することができる。

また、前記流体の流れ方向において前記共鳴構造体の上流側及び下流側の少なくとも一方側に設けられ、前記共鳴構造体への音響による干渉を抑制する音響抑制構造体を、さらに備えることが好ましい。

この構成によれば、音響抑制構造体により、共鳴構造体への音響の干渉を抑制することができるため、共鳴構造体の内部を流通する流体の共鳴周波数を精度良く検出することができ、流体の音速を精度良く計測することができる。

また、前記音響抑制構造体は、前記流体の流れ方向に直交する面で切った断面積が、前記共鳴構造体の断面積よりも大きくなっていることが好ましい。

この構成によれば、音響抑制構造体の断面積を大きくするという簡易な構成で、共鳴構造体への音響の干渉を抑制することができる。

また、前記音響抑制構造体は、中空の球体であることが好ましい。

この構成によれば、簡易な形状となる音響抑制構造体で、共鳴構造体への音響の干渉を抑制することができる。

また、前記共鳴構造体の内部へ向けて音を発するスピーカをさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、共鳴構造体の内部が無音である場合、または共鳴構造体の内部の音が共鳴を発生させる（誘起させる）音源となり得ない場合、スピーカから発せられる音によって、共鳴構造体の内部に共鳴を発生させることができる。

本発明のガスタービン設備は、燃料ガスを排出する燃料ガス排出設備と、前記燃料ガスを圧縮する圧縮機と、前記燃料ガス排出設備から前記圧縮機へ前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料ガス排出設備から排出される前記燃料ガスの音速を、前記流体の音速として計測する上記の音速計測装置と、前記圧縮機により圧縮した前記燃料ガスを燃焼させることで作動するガスタービンと、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、圧縮機に供給される燃料ガスの音速を、音速計測装置によりリアルタイムに計測することができる。このため、リアルタイムに計測する音速に基づく制御が可能となる。特に、圧縮機は、燃料ガスの組成変化に伴う音速の変化によってサージング（圧縮機の失速）が発生する可能性があるため、リアルタイムに計測する燃料ガスの音速に基づいて、圧縮機のサージングを回避する制御を行うことにより、圧縮機に対する負荷を軽減することが可能となる。

また、前記燃料ガス排出設備は、高炉であり、前記高炉は、前記燃料ガスとして、高炉ガスを排出することが好ましい。

この構成によれば、組成が変化し易い高炉ガスの音速をリアルタイムに計測することができる。

本発明の音速計測方法は、流体が流通する共鳴構造体の内部で発生する共鳴の周波数である共鳴周波数を検出する共鳴周波数検出工程と、検出される前記共鳴周波数に基づいて、前記共鳴周波数と前記流体の音速との相関関係から、前記流体の音速を導出する音速導出工程と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、共鳴周波数検出工程において、共鳴構造体の内部において発生した共鳴周波数を検出することができ、音速導出工程において、共鳴周波数と音速との相関関係から、流体の音速を導出することができる。このため、共鳴周波数を検出するだけで、音速を導出することができることから、複数点での計測が不要となる。また、共鳴周波数を検出すればよいため、時間差等の差分を用いることがなく、加えて、音波の散乱を考慮する必要がないため、流体の音速を精度良く計測することができる。さらに、検出した共鳴周波数に基づいて、相関関係から音速を導出するという簡易な算出処理で、流体の音速を導出することができるため、音速の計測を迅速に（リアルタイムに）行うことができる。

図１は、実施例１に係る音速計測装置を備える高炉ガス焚きガスタービン発電設備の概略構成図である。 図２は、実施例１に係る音速計測装置の概略構成図である。 図３は、周波数によって変化する圧力のグラフである。 図４は、実施例１に係る音速計測方法に関するフローチャートである。 図５は、実施例２に係る音速計測装置の概略構成図である。

以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、実施例１に係る音速計測装置を備える高炉ガス焚きガスタービン発電設備の概略構成図である。図２は、実施例１に係る音速計測装置の概略構成図である。図３は、周波数によって変化する圧力のグラフである。図４は、実施例１に係る音速計測方法に関するフローチャートである。

実施例１の音速計測装置１は、流通する流体の音速を計測するものであり、流体としては、例えば、高炉１１から排出される高炉ガスＧがある。つまり、この音速計測装置１は、高炉１１を備える設備に設けられており、設備として、高炉ガス焚きガスタービン発電設備１０に適用されている。なお、実施例１では、高炉ガス焚きガスタービン発電設備１０に音速計測装置１を適用したが、音速計測装置１は、いずれの設備に適用してもよく、特に限定されない。以下、音速計測装置１の説明に先立ち、高炉ガス焚きガスタービン発電設備１０（以下、単に発電設備１０という）について説明する。

図１に示すように、発電設備１０は、高炉１１と、圧縮機１２と、ガスタービン１３と、発電機１４とを備えている。発電設備１０は、高炉１１から排出される高炉ガスＧ（ＢＦＧ：Blast Furnace Gas）を圧縮機１２により圧縮し、圧縮した高炉ガスＧを燃料としてガスタービン１３に供給し、供給された燃料を燃焼させてガスタービン１３を作動させることで、ガスタービン１３に接続される発電機１４により電力を発生させている。

高炉１１は、高炉ガスＧを圧縮機１２へ向けて排出している。排出される高炉ガスＧは、一酸化炭素（ＣＯ）を含む組成となっている。このため、高炉ガスＧをガスタービン１３の燃料として用い、ガスタービン１３において高炉ガスＧを完全燃焼させることで、高炉ガスＧ中の一酸化炭素（ＣＯ）の割合を減少させている。なお、この高炉ガスＧは、その組成が変動し易いものとなっている。

高炉１１と圧縮機１２との間には、高炉１１から圧縮機１２へ向けて高炉ガスＧを流通させるための高炉ガス供給ラインＬ１が設けられている。高炉ガス供給ラインＬ１は、その一端が高炉１１に接続され、その他端が圧縮機１２の流入側に接続されている。なお、詳細は後述するが、高炉ガス供給ラインＬ１周りに音速計測装置１が設けられている。

圧縮機１２は、例えば、軸流式圧縮機が用いられており、その駆動軸１２ａが、後述する動力伝達機構１８を介して、後述するガスタービン１３の回転軸２４に連結されている。このため、圧縮機１２は、ガスタービン１３の回転軸２４が回転することで、動力伝達機構１８を介して駆動軸１２ａが回転し、駆動軸１２ａが回転することで、高炉ガス供給ラインＬ１を介して高炉１１から供給される高炉ガスＧを圧縮し、圧縮した高炉ガスＧを燃料としてガスタービン１３に供給する。

ガスタービン１３は、圧縮機２１と、燃焼器２２と、タービン２３とを有しており、圧縮機２１とタービン２３は、回転軸２４により一体回転可能に連結されている。圧縮機２１は、外部から取り込んだ空気を圧縮する。燃焼器２２と高炉ガスＧの圧縮機１２との間には、圧縮機１２から燃焼器２２へ向けて圧縮した高炉ガスＧを供給するための燃料ガス供給ラインＬ２が設けられている。燃料ガス供給ラインＬ２は、その一端が圧縮機１２の流出側に接続され、その他端が燃焼器２２に接続されている。燃焼器２２は、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気と、燃料ガス供給ラインＬ２から供給された高炉ガスＧとを混合して燃焼する。タービン２３は、燃焼器２２によって発生した燃焼ガスにより回転し、燃焼ガスを排ガスとして排出する。発電機１４は、回転軸２４と同軸上に設けられており、タービン２３が回転することで発電が行われる。

ここで、実施例１の発電設備１０の作動について説明する。先ず、高炉１１から排出された高炉ガスＧが、高炉ガス供給ラインＬ１を介して圧縮機１２に供給される。圧縮機１２に供給された高炉ガスＧは、圧縮機１２により圧縮され、圧縮された高炉ガスＧは、燃料ガス供給ラインＬ２を介してガスタービン１３の燃焼器２２に供給される。ガスタービン１３では、圧縮機２１が空気を圧縮し、燃焼器２２が圧縮空気と高炉ガスＧとを混合して燃焼し、タービン２３が燃焼ガスにより回転することで、発電機１４が発電を行う。そして、タービン２３を通過した燃焼ガスは、排ガスとして排出される。

なお、実施例１の発電設備１０では、ガスタービン１３の回転動力により発電機１４を発電させたが、この構成に限定されない。実施例１の発電設備１０に、ガスタービン１３の排ガスを利用して作動する蒸気タービンをさらに備え、ガスタービン１３及び蒸気タービンの回転動力により発電機１４を発電するコンバインドサイクル発電設備として構成してもよい。

次に、高炉ガス供給ラインＬ１周りに設けられる音速計測装置１について説明する。高炉ガス供給ラインＬ１には、内部を流通する高炉ガスＧを抽気する抽気ラインＬ３が設けられている。抽気ラインＬ３は、その一端が高炉ガス供給ラインＬ１の上流側に接続され、その他端が高炉ガス供給ラインＬ１の下流側に接続されている。抽気ラインＬ３は、円筒形状の配管となっている。

図２に示すように、音速計測装置１は、抽気ラインＬ３を流通する高炉ガスＧの音速を計測しており、抽気ラインＬ３に介設されている。なお、音速計測装置１は、高炉ガスＧの音速を計測可能な位置であればよいため、音速計測装置１の配設位置は、特に限定されない。音速計測装置１は、共鳴構造体３１と、圧力センサ３２と、一対の音響抑制構造体３３と、制御装置３４とを備えている。

共鳴構造体３１は、共鳴が発生可能な形状となるように設計されており、例えば、円筒形状の配管に形成され、抽気ラインＬ３に介設されている。つまり、共鳴構造体３１は、上流側の抽気ラインＬ３と下流側の抽気ラインＬ３との間に設けられ、その一端が上流側の抽気ラインＬ３に接続され、その他端が下流側の抽気ラインＬ３に接続されている。このため、上流側の抽気ラインＬ３を流通する高炉ガスＧは、共鳴構造体３１の上流端から流入し、共鳴構造体３１の内部を通過して、共鳴構造体３１の下流端から流出して、下流側の抽気ラインＬ３に流入する。

なお、実施例１では、共鳴構造体３１を円筒形状の配管としたが、この構成に限定されず、共鳴が発生可能な形状で、且つ、内部を高炉ガスＧ（流体）が流通可能な形状であれば、いずれの形状であってもよい。

圧力センサ３２は、共鳴構造体３１において圧力変動が最も大きい位置に設けられている。具体的に、圧力センサ３２は、円筒形状の配管となる共鳴構造体３１の軸方向の中央に設けられ、共鳴構造体３１の内部を流通する高炉ガスＧの圧力変動を検出している。この圧力センサ３２には、制御装置３４が接続され、検出結果を制御装置３４へ向けて出力している。

一対の音響抑制構造体３３は、共鳴構造体３１の上流側及び下流側にそれぞれ設けられている。つまり、上流側の音響抑制構造体３３は、上流側の抽気ラインＬ３と共鳴構造体３１との間に設けられ、下流側の音響抑制構造体３３は、共鳴構造体３１と下流側の抽気ラインＬ３との間に設けられている。そして、上流側の音響抑制構造体３３の内部は、上流側の抽気ラインＬ３の内部と連通すると共に、共鳴構造体３１の内部と連通する。また、下流側の音響抑制構造体３３の内部は、下流側の抽気ラインＬ３の内部と連通すると共に、共鳴構造体３１の内部と連通する。

また、この音響抑制構造体３３は、抽気ラインＬ３から共鳴構造体３１への音響による干渉を抑制可能な形状となるように設計されており、例えば、中空の球体に形成されている。このため、音響抑制構造体３３は、高炉ガスＧの流れ方向に直交する面で切った流路断面積が、共鳴構造体３１の流路断面積よりも大きくなっており、また、抽気ラインＬ３の流路断面積よりも大きくなっている。つまり、音響抑制構造体３３の容積は、共鳴構造体３１の容積よりも大きくなっている。なお、実施例１では、音響抑制構造体３３を中空の球体としたが、この形状に限定されず、共鳴構造体３１への音響による干渉を抑制可能な形状であれば、いずれの形状であってもよい。

制御装置３４には、圧力センサ３２が接続され、圧力センサ３２により検出された検出結果が入力される。ここで、制御装置３４は、圧力センサ３２の検出結果に基づいて音速を算出している。

具体的に、制御装置３４は、圧力センサ３２から入力される検出結果として、共鳴構造体３１の内部を流通する高炉ガスＧの圧力変動の波形を取得する。圧力変動の波形とは、圧力の時間変化を表す波形である。制御装置３４は、圧力変動の波形をフーリエ変換し、図３に示す圧力の周波数変化を表す波形に変換する。

図３に示すグラフは、その横軸が周波数となっており、その縦軸が圧力となっている。図３に示すように、時間変化する圧力変動の波形は、制御装置３４によりフーリエ変換されると、所定の周波数において圧力のピークとなる共鳴ピークＰが形成される。このとき、共鳴ピークＰが形成される周波数が共鳴周波数ｆとなる。そして、制御装置３４は、圧力変動の波形をフーリエ変換することで現れた共鳴ピークＰの周波数を、共鳴周波数ｆとして取得する。

続いて、制御装置３４は、共鳴周波数ｆと音速ｃとの相関関係を表す所定の算出式に、取得した共鳴周波数ｆを代入することで、音速ｃを算出している。ここで、所定の算出式について説明する。なお、この算出式は、共鳴構造体３１が円筒形状の配管である場合の算出式となっている。つまり、算出式は、共鳴構造体３１の形状等に応じて異なる算出式となることから、共鳴周波数ｆと音速ｃとの相関関係を表す算出式であれば、下記する算出式に限定されない。

共鳴周波数をｆとし、音速をｃとし、共鳴構造体３１の配管長をＬとし、共鳴構造体３１の上流側の境界条件となる音響反射率をＲ_Ｕとし、共鳴構造体３１の下流側の境界条件となる音響反射率をＲ_Ｄとすると、共鳴周波数ｆは、下記する（５）式で与えられる。なお、ａｒｇは、偏角（argument）である。

ここで、制御装置３４は、配管長Ｌ、音響反射率Ｒ_Ｕ及び音響反射率Ｒ_Ｄが既知の値となっていることから、取得した共鳴周波数ｆを代入すれば、音速ｃが算出できる。

続いて、圧力センサ３２により検出する圧力変動の計測時間、サンプリング数、及びサンプリング周期について説明する。実施例１では、共鳴周波数ｆの検出精度を高精度（例えば、誤差０．１％以下）とし、また、共鳴周波数ｆを短時間（例えば、２秒以下）で検出すべく、圧力センサ３２により検出する圧力変動の計測時間を下記する範囲となるように設定している。ここで、圧力変動の計測時間をＴとすると、計測時間Ｔは、下記する（６）式で与えられる。

このように、圧力変動の計測時間Ｔを、（６）式で示す範囲とすることで、共鳴周波数ｆを誤差０．１％以下とすることができ、また、共鳴周波数ｆを２秒よりも短い時間で音速を計測することができる。

また、実施例１では、フーリエ変換後の周波数の波形が、共鳴周波数ｆ（換言すれば、共鳴ピークＰ）を十分に捉えることができるようなサンプリング数及びサンプリング周期となるように設定している。ここで、圧力センサ３２による圧力のサンプリング数をＭとすると、サンプリング数Ｍは、下記する（７）式で与えられる。

また、圧力センサ３２による圧力のサンプリング周期をΔｔとすると、サンプリング周期Δｔは、下記する（８）式で与えられる。

このように、圧力のサンプリング数Ｍ及びサンプリング周期Δｔを、（７）式及び（８）式で示す範囲とすることで、フーリエ変換後の共鳴周波数ｆを好適に捉えることができる。

次に、図４を参照して、上記した音速計測装置１を用いた音速計測方法について説明する。高炉ガス供給ラインＬ１から上流側の抽気ラインＬ３に流入した高炉ガスＧは、音速計測装置１の上流側の音響抑制構造体３３に流入し、共鳴構造体３１を通って、下流側の音響抑制構造体３３から下流側の抽気ラインＬ３に流出する。

音速計測装置１において、制御装置３４は、圧力センサ３２により検出した高炉ガスＧの圧力変動に基づいて、共鳴周波数ｆを検出する（ステップＳ１：共鳴周波数検出工程）。続いて、制御装置３４は、検出した共鳴周波数ｆを、（５）式の算出式に代入して、音速ｃを算出する（ステップＳ２：音速導出工程）。

以上のように、実施例１の構成によれば、高炉ガスＧが流通する共鳴構造体３１の内部において共鳴が発生し、発生した共鳴の共鳴周波数ｆを、圧力センサ３２を用いて検出することができる（共鳴周波数検出工程）。そして、制御装置３４は、検出した共鳴周波数ｆに基づいて、共鳴周波数ｆと音速ｃとの相関関係から、高炉ガスＧの音速ｃを導出することができる（音速導出工程）。このため、圧力センサ３２を用いて共鳴周波数ｆを検出するだけで、音速ｃを導出することができることから、複数点での計測が不要となるため、音速計測装置１の装置構成を簡易な構成にすることができる。また、圧力センサ３２を用いて共鳴周波数ｆを検出すればよいため、時間差等の差分を用いることがなく、加えて、音波の散乱を考慮する必要がないため、高炉ガスＧの音速ｃを精度良く計測することができる。さらに、制御装置３４は、検出した共鳴周波数ｆに基づいて、相関関係から音速ｃを導出するという簡易な処理で、高炉ガスＧの音速ｃを導出することができるため、音速ｃの計測を迅速に（リアルタイムに）行うことができる。

また、実施例１の構成によれば、制御装置３４は、圧力センサ３２を用いて検出された共鳴周波数ｆを、（５）式となる算出式に代入するという簡易な算出処理で、高炉ガスＧの音速ｃを算出することができるため、高炉ガスＧの音速ｃを迅速に算出することができる。

また、実施例１の構成によれば、円筒形状の配管である共鳴構造体３１に適した（５）式となる算出式を用いることができるため、高炉ガスＧの音速ｃを精度良く算出することができる。

また、実施例１の構成によれば、圧力センサ３２により検出した圧力変動の波形をフーリエ変換して共鳴周波数ｆを導出することができる。このため、汎用の圧力センサ３２を用いることができることから、音速ｃの計測に使用される機器のコストを抑制することができる。

また、実施例１の構成によれば、圧力センサ３２による圧力の計測時間Ｔを、（６）式の範囲とすることができるため、共鳴周波数ｆの検出精度を高精度（誤差０．１％以下）なものとし、また、共鳴周波数ｆを短時間（２秒以下）で検出することができる。

また、実施例１の構成によれば、圧力センサ３２による圧力のサンプリング数Ｍを、（７）式の範囲とすることができる。また、圧力センサ３２による圧力のサンプリング周期Δｔを、（８）式の範囲とすることができる。このため、共鳴周波数ｆを検出するに当たって、適切なサンプリング数Ｍを得ることができ、また、適切なサンプリング周期Δｔで圧力を検出することができるため、フーリエ変換後の圧力のピーク（共鳴ピークＰ）を精度良く捉えることができ、共鳴周波数ｆを精度良く導出することができる。

また、実施例１の構成によれば、圧力センサ３２を、高炉ガスＧの圧力変動が最も大きい位置に設けることができる。特に、共鳴構造体３１が円筒形状の配管である場合、圧力変動が最も大きくなる共鳴構造体３１の軸方向の中央に圧力センサ３２を設けることができるため、圧力センサ３２により高炉ガスＧの圧力を感度良く検出することができる。

また、実施例１の構成によれば、音響抑制構造体３３により、共鳴構造体３１への音響の干渉を抑制することができるため、共鳴構造体３１の内部を流通する高炉ガスＧの共鳴周波数を精度良く検出することができ、高炉ガスＧの音速ｃを精度良く計測することができる。

また、実施例１の構成によれば、音響抑制構造体３３の流路断面積を、共鳴構造体３１の流路断面積よりも大きくするという簡易な構成で、共鳴構造体３１への音響の干渉を抑制することができる。また、音響抑制構造体３３を中空の球形とすることで、簡易な形状で、共鳴構造体３１への音響の干渉を抑制することができる。

また、実施例１の構成によれば、発電設備１０に音速計測装置１を設けることで、圧縮機１２に供給される高炉ガスＧの音速を、音速計測装置１によりリアルタイムに計測することができる。このため、リアルタイムに計測する音速ｃに基づいて、発電設備１０を制御することが可能となる。特に、圧縮機１２は、高炉ガスＧの組成変化に伴う音速ｃの変化によってサージング（圧縮機の失速）が発生する可能性があるため、リアルタイムに計測する高炉ガスＧの音速ｃに基づいて、圧縮機１２のサージングを回避する制御を行うことにより、圧縮機１２に対する負荷を軽減することが可能となる。

なお、実施例１では、圧力センサ３２を用いて共鳴周波数ｆを検出したが、共鳴周波数ｆを検出可能な検出器であれば、いずれの検出器であってもよい。例えば、検出器としては、高炉ガスＧに伝播される音を検出するマイクを用いてもよいし、共鳴周波数ｆを直接検出する周波数検出センサを用いてもよい。

また、実施例１では、共鳴周波数ｆと音速ｃとの相関関係を表すものとして、所定の算出式を用いたが、この構成に限定されず、例えば、共鳴周波数ｆと音速ｃとの相関関係を線形で表す制御マップを適用してもよく、相関関係を表すものであれば、いずれであってもよい。

また、実施例１では、共鳴構造体３１の上流側及び下流側に一対の音響抑制構造体３３を設けたが、少なくともいずれか一方を省いた構成であってもよい。

次に、図５を参照して、実施例２に係る音速計測装置５１について説明する。図５は、実施例２に係る音速計測装置の概略構成図である。なお、実施例２では、実施例１と重複する記載を避けるべく、実施例１と異なる部分についてのみ説明し、実施例１と同様の構成については同じ符号を付して説明する。

図５に示すように、実施例２に係る音速計測装置５１は、共鳴構造体３１にスピーカ５２を設けている。スピーカ５２は、円筒形状の配管となる共鳴構造体３１の軸方向の中央に設けられている。スピーカ５２は、共鳴構造体３１の内部を流通する高炉ガスＧへ向けて音を発している。

以上のように、実施例２の構成によれば、共鳴構造体３１の内部が無音である場合、または共鳴構造体３１の内部の音が共鳴を発生させる（誘起させる）音源となり得ない場合、スピーカ５２から発せられる音によって、共鳴構造体３１の内部に共鳴を発生させることができる。

１ 音速計測装置
１０ 高炉ガス焚きガスタービン発電設備
１１ 高炉
１２ 圧縮機
１３ ガスタービン
１４ 発電機
１８ 動力伝達機構
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３ タービン
２４ 回転軸
３１ 共鳴構造体
３２ 圧力センサ
３３ 音響抑制構造体
３４ 制御装置
５１ 音速計測装置（実施例２）
５２ スピーカ
Ｇ 高炉ガス
Ｌ１ 高炉ガス供給ライン
Ｌ２ 燃料ガス供給ライン
Ｌ３ 抽気ライン
Ｐ 共鳴ピーク
ｆ 共鳴周波数

Claims (16)

1. 流体が流通する内部において共鳴が発生する共鳴構造体と、
   発生する前記共鳴の周波数である共鳴周波数を検出するための検出器と、
   前記検出器の検出結果から得られる前記共鳴周波数に基づいて、前記共鳴周波数と前記流体の音速との相関関係から、前記流体の音速を導出する制御装置と、を備えることを特徴とする音速計測装置。
2. 前記相関関係は、前記共鳴周波数と前記音速との相関関係を表す所定の算出式であることを特徴とする請求項１に記載の音速計測装置。
3. 前記共鳴構造体は、円筒形状の配管であり、
   前記共鳴周波数をｆとし、前記音速をｃとし、前記共鳴構造体の配管長をＬとし、前記共鳴構造体の上流側の境界条件である音響反射率をＲ_Ｕとし、前記共鳴構造体の下流側の境界条件である音響反射率をＲ_Ｄとすると、
   前記共鳴周波数ｆは、下記する（１）の算出式で与えられる
   

   

   ことを特徴とする請求項２に記載の音速計測装置。
4. 前記検出器は、前記共鳴構造体の内部における前記流体の圧力を検出する圧力センサであり、
   前記制御装置は、前記圧力センサにより検出される前記圧力の時間変化の波形である圧力変動の波形をフーリエ変換して、前記圧力がピークとなる周波数を共鳴周波数として導出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の音速計測装置。
5. 前記共鳴周波数をｆとし、前記圧力センサによる前記圧力の計測時間をＴとすると、
   前記計測時間Ｔは、下記する（２）式で与えられる
   

   

   ことを特徴とする請求項４に記載の音速計測装置。
6. 前記共鳴周波数をｆとし、前記圧力センサによる前記圧力のサンプリング数をＭとすると、
   前記サンプリング数Ｍは、下記する（３）式で与えられる
   

   

   ことを特徴とする請求項４または５に記載の音速計測装置。
7. 前記共鳴周波数をｆとし、前記圧力センサによる前記圧力のサンプリング周期をΔｔとすると、
   前記サンプリング周期Δｔは、下記する（４）式で与えられる
   

   

   ことを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の音速計測装置。
8. 前記圧力センサは、前記共鳴構造体の内部において、前記流体の圧力変動が最も大きい位置に設けられていることを特徴とする請求項４から７のいずれか１項に記載の音速計測装置。
9. 前記共鳴構造体は、円筒形状の配管であり、
   前記圧力センサは、前記共鳴構造体の軸方向の中央に設けられていることを特徴とする請求項４から８のいずれか１項に記載の音速計測装置。
10. 前記流体の流れ方向において前記共鳴構造体の上流側及び下流側の少なくとも一方側に設けられ、前記共鳴構造体への音響による干渉を抑制する音響抑制構造体を、さらに備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の音速計測装置。
11. 前記音響抑制構造体は、前記流体の流れ方向に直交する面で切った断面積が、前記共鳴構造体の断面積よりも大きくなっていることを特徴とする請求項１０に記載の音速計測装置。
12. 前記音響抑制構造体は、中空の球体であることを特徴とする請求項１１に記載の音速計測装置。
13. 前記共鳴構造体の内部へ向けて音を発するスピーカをさらに備えることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の音速計測装置。
14. 燃料ガスを排出する燃料ガス排出設備と、
    前記燃料ガスを圧縮する圧縮機と、
    前記燃料ガス排出設備から前記圧縮機へ前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
    前記燃料ガス排出設備から排出される前記燃料ガスの音速を、前記流体の音速として計測する請求項１から１３のいずれか１項に記載の音速計測装置と、
    前記圧縮機により圧縮した前記燃料ガスを燃焼させることで作動するガスタービンと、を備えることを特徴とするガスタービン設備。
15. 前記燃料ガス排出設備は、高炉であり、
    前記高炉は、前記燃料ガスとして、高炉ガスを排出することを特徴とする請求項１４に記載のガスタービン設備。
16. 流体が流通する共鳴構造体の内部で発生する共鳴の周波数である共鳴周波数を検出する共鳴周波数検出工程と、
    検出される前記共鳴周波数に基づいて、前記共鳴周波数と前記流体の音速との相関関係から、前記流体の音速を導出する音速導出工程と、を備えることを特徴とする音速計測方法。

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