JP2015072179A

JP2015072179A - 流体組成分析装置、熱量計、これを備えているガスタービンプラント、及びその運転方法

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Publication number: JP2015072179A
Application number: JP2013207706A
Authority: JP
Inventors: 出口　祥啓; Yoshihiro Deguchi; 祥啓出口
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2015-04-16
Anticipated expiration: 2033-10-02
Also published as: JP6165014B2

Abstract

【課題】対象とする流体の温度や外部環境の変化等による組成分析の精度低下を抑える。
【解決手段】流体組成分析装置Ｍは、試料流体Ｇが内部を流れる計測セル１０と、励起光を出射して、入光窓２１を介して励起光を計測セル１０内の試料流体Ｇに照射する出射光学系３０と、計測セル１０の出光窓２２を通過したラマン散乱光を受光する受光光学系４０と、出射光学系３０と受光光学系４０とを互いの位置関係が変位不能に直接連結する連結部材５０と、を備える。出射光学系３０と受光光学系４０と連結部材５０で構成される光学ユニットＵは、計測セル１０の熱変形を許容しつつ、計測セル１０の所定箇所に対して相対移動不能に計測セル１０に取り付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料流体の組成を分析する流体組成分析装置、この流体組成分析装置を備えている熱量計、この熱量計を備えているガスタービンプラント、及びその運転方法に関する。

流体の組成を分析する方法として、流体に励起光を照射し、励起光が照射された流体からのラマン散乱光を分析する方法がある。この方法を実行する装置としては、例えば、以下の特許文献１に記載の分析装置がある。この分析装置は、流体が内部を流れる測定チャンバーと、励起光であるレーザ光を発振するレーザ照射装置と、レーザ照射装置からのレーザ光を測定チャンバー内の流体に照射する光照射光学系と、レーザ光が照射された流体からのラマン散乱光を集光する受光光学系と、受光光学系で集光されたラマン散乱光を受光する光ファイバーと、光ファイバーで受光された光を分析する測定部と、を備えている。

光照射光学系は筐体内に設けられており、この筐体が測定チャンバーに固定されている。また、受光光学系も筐体内に設けられており、この筐体が測定チャンバーに固定されている。

特開２０１１−８０７６８号公報

上記特許文献１に記載の分析装置では、対象とする流体の温度や外部環境の変化等により測定チャンバーが熱変形すると、光照射光学系の光軸の向きに対して受光光学系の光軸の向きが相対的に変化して、光ファイバーによるラマン散乱光の受光量が少なくなることがある。このため、上記特許文献１に記載の分析装置では、対象とする流体の温度や外部環境の変化等により組成分析の精度が低下することがあるという問題点がある。

そこで、本発明は、対象とする流体の温度や外部環境の変化等による組成分析の精度低下を抑えることができる技術を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するための発明に係る一態様としての流体組成分析装置は、
試料流体が内部を流れる計測セルと、前記計測セルに設けられ、前記計測セル内に励起光を通過させる入光窓と、前記計測セルに設けられ、前記励起光が照射させた前記試料流体からのラマン散乱光を前記計測セル外へ通過させる出光窓と、前記励起光を出射する光出射部を有し、前記入光窓を介して前記励起光を前記計測セル内の前記試料流体に照射する出射光学系と、前記出光窓を通過した前記ラマン散乱光を集光する集光光学系と、前記集光光学系で集光された前記ラマン散乱光を受光する受光部とを有する受光光学系と、前記受光部からの出力に基づいて前記試料流体の組成を分析する分析部と、前記出射光学系と前記受光光学系とを互いの位置関係が変位不能に直接連結する連結部材と、を備え、
前記出射光学系と前記受光光学系と前記連結部材で構成される光学ユニットは、前記計測セルの熱変形を許容しつつ、前記計測セルの所定箇所に対して相対移動不能に前記計測セルに取り付けられている。

当該流体組成分析装置では、連結部材により、出射光学系と受光光学系との互いの位置関係が変位不能に直接連結されている。しかも、当該流体組成分析装置では、出射光学系と受光光学系と連結部材で構成される光学ユニットが、計測セルの熱変形を許容しつつ、計測セルの所定箇所に対して相対移動不能に計測セルに取り付けられている。このため、当該流体組成分析装置では、試料流体の温度や外部環境の変化等により計測セルが熱変形しても、光学ユニットが計測セルに取り付けられている状態を維持しつつ、出射光学系の光軸に対する受光光学系の光軸の向きの変化を抑えることができる。

よって、当該流体組成分析装置では、試料流体の温度や外部環境の変化等により計測セルが熱変形しても、受光光学系の受光部が受けるラマン散乱光の光量減少を抑えることができ、組成分析の精度低下を抑えることができる。

上記問題点を解決するための発明に係る他の態様としての流体組成分析装置は、
試料流体が内部を流れる計測セルと、前記計測セルに設けられ、前記計測セル内に励起光を通過させる入光窓と、前記計測セルに設けられ、前記励起光が照射させた前記試料流体からのラマン散乱光を前記計測セル外へ通過させる出光窓と、前記励起光を出射する光出射部を有し、前記入光窓を介して前記励起光を前記計測セル内の前記試料流体に照射する出射光学系と、前記出光窓を通過した前記ラマン散乱光を集光する集光光学系と、前記集光光学系で集光された前記ラマン散乱光を受光する受光部とを有する受光光学系と、前記受光部からの出力に基づいて前記試料流体の組成を分析する分析部と、前記出射光学系と前記受光光学系とを互いの位置関係が変位不能に直接連結する連結部材と、を備え、
前記出射光学系と前記受光光学系と前記連結部材で構成される光学ユニットは、前記計測セルの熱変形を許容しつつ、前記出射光学系の光軸の向きに対して前記受光光学系の光軸の向きが相対変位不能に前記計測セルに取り付けられている。

当該流体組成分析装置では、連結部材により、出射光学系と受光光学系との互いの位置関係が変位不能に直接連結されている。しかも、当該流体組成分析装置では、出射光学系と受光光学系と連結部材で構成される光学ユニットが、計測セルの熱変形を許容しつつ、出射光学系の光軸の向きに対して受光光学系の光軸の向きが相対変位不能に計測セルに取り付けられている。このため、当該流体組成分析装置では、試料流体の温度や外部環境の変化等により計測セルが熱変形しても、光学ユニットが計測セルに取り付けられている状態を維持しつつ、出射光学系の光軸に対する受光光学系の光軸の向きの変化を抑えることができる。

よって、当該流体組成分析装置でも、試料流体の温度や外部環境の変化等により計測セルが熱変形しても、受光光学系の受光部が受けるラマン散乱光の光量減少を抑えることができ、組成分析の精度低下を抑えることができる。

ここで、以上のいずれかの前記流体組成分析装置において、前記入光窓と前記出光窓とは、前記試料流体が流れる前記計測セル内の空間を挟んで互いに対向する位置に設けられ、前記連結部材は、前記出射光学系と前記受光光学系とを間隔をあけて互いに対向させ、且つ前記出射光学系の光軸と前記受光光学系の光軸とを同一直線上に位置させて、前記出射光学系と前記受光光学系とを互いを連結する連結ロッドを有し、前記計測セルには、前記入光窓と前記出光窓とが対向する方向に貫通する係合部が形成され、前記連結ロッドは、前記係合部に挿通されることで係合されていてもよい。

この場合、前記流体組成分析装置において、前記連結ロッドは、前記係合部に対して隙間を有して挿通され、前記連結部材は、前記連結ロッドに接して、前記連結ロッドとの接触位置が前記計測セルに対して相対移動不能に前記連結ロッドを前記計測セルに取り付ける取付具を有していてもよい。

上記問題点を解決するための発明に係るさらに他の態様としての流体組成分析装置は、
試料流体が内部を流れる計測セルと、前記計測セルに設けられ、前記計測セル内に励起光を通過させる入光窓と、前記計測セルで、前記試料流体が流れる前記計測セル内の空間を挟んで前記入光窓と対向する位置に設けられ、前記励起光が照射させた前記試料流体からのラマン散乱光を前記計測セル外へ通過させる出光窓と、前記励起光を出射する光出射部を有し、前記入光窓を介して前記励起光を前記計測セル内の前記試料流体に照射する出射光学系と、前記出光窓を通過した前記ラマン散乱光を集光する集光光学系と、前記集光光学系で集光された前記ラマン散乱光を受光する受光部とを有する受光光学系と、前記受光部からの出力に基づいて前記試料流体の組成を分析する分析部と、前記出射光学系と前記受光光学系とを互いの位置関係が変位不能に直接連結する連結部材と、を備え、
前記連結部材は、前記出射光学系と前記受光光学系とを間隔をあけて互いに対向させ、且つ前記出射光学系の光軸と前記受光光学系の光軸とを同一直線上に位置させて、前記出射光学系と前記受光光学系とを互いを連結する連結ロッドと、前記連結ロッドを前記計測セルに取り付ける取付具と、を有し、前記計測セルには、前記入光窓と前記出光窓とが対向する方向に貫通する係合部が形成され、前記取付具は、前記係合部に挿通された前記連結ロッドに接して、前記連結ロッドとの接触位置が前記計測セルに対して相対移動不能に前記連結ロッドを前記計測セルに取り付ける。

当該流体組成分析装置では、連結部材により、出射光学系と受光光学系との互いの位置関係が変位不能に直接連結されている。しかも、当該流体組成分析装置では、取付具が、計測セルの係合部に挿通された連結ロッドに接して、連結ロッドとの接触位置が計測セルに対して相対移動不能に連結ロッドを計測セルに取り付けており、計測セルが熱変形しても、この変形による連結ロッドへの影響が小さい。このため、当該流体組成分析装置では、試料流体の温度や外部環境の変化等により計測セルが熱変形しても、出射光学系と受光光学系と連結部材で構成される光学ユニットが計測セルに取り付けられている状態を維持しつつ、出射光学系の光軸に対する受光光学系の光軸の向きの変化を抑えることができる。

また、前記連結ロッドを有する、以上のいずれかの前記流体組成分析装置において、前記連結部材は、前記出射光学系を保持し、前記連結ロッドに取り付けられる出射光学系保持枠と、前記連結ロッドに対する前記出射光学系保持枠の向き及び固定位置を調節する取付調節具と、前記受光光学系を保持し、前記連結ロッドに取り付けられる受光光学系保持枠と、前記連結ロッドに対する前記受光光学系保持枠の向き及び固定位置を調節する取付調節具と、を備えていてもよい。

また、前記連結ロッドを有する、以上のいずれかの前記流体組成分析装置において、前記連結部材は、互いに平行な４本の前記連結ロッドを有してもよい。

また、以上のいずれかの前記流体組成分析装置において、前記連結部材で、少なくとも前記計測セルに取り付けられる部分は、前記計測セルよりも熱膨張率の絶対値が小さい材料で形成されていてもよい。

また、以上のいずれかの前記流体組成分析装置において、前記出光窓は、前記励起光を反射し、前記ラマン散乱光を前記計測セル外へ通過させるフィルターであってもよい。

上記問題点を解決するための発明に係る一態様としての熱量計は、
以上のいずれかの前記流体組成分析装置と、前記流体組成分析装置の前記分析部で分析された前記試料流体の組成に基づいて、前記試料流体の発熱量を求め、前記発熱量を出力する発熱量演算器と、を備えている。

当該熱量計は、前記流体組成分析装置を備えているので、試料流体の温度や外部環境の変化等による組成分析の精度低下に伴う計測発熱量の精度低下を抑えることができる。

上記問題点を解決するための発明に係る一態様としてのガスタービンプラントは、
燃料ガスを燃焼させて駆動するガスタービンと、前記燃料ガスを前記試料流体として、前記燃料ガスの発熱量を求める前記熱量計と、前記熱量計から出力された前記燃料ガスの発熱量を用いて前記ガスタービンの動作を制御する制御装置と、を備えている。

上記問題点を解決するための発明に係る一態様としてのガスタービンプラントの運転方法は、
燃料ガスを燃焼させて駆動するガスタービンを備えているガスタービンプラントの運転方法において、前記熱量計を用いて、前記燃料ガスを前記試料流体として、前記燃料ガスの発熱量を求め、前記熱量計で求められた前記燃料ガスの発熱量を用いて前記ガスタービンの動作を制御する。

当該ガスタービンプラント及びその運転方法では、燃料ガスの単位発熱量が変化しても、短時間のうちにガスタービンプラントを目標の状態に近づけることができる。

本発明では、試料流体の温度や外部環境の変化等により計測セルが熱変形しても、受光光学系の受光部が受けるラマン散乱光の光量減少を抑えることができ、組成分析の精度低下を抑えることができる。

本発明に係る第一実施形態における流体組成分析装置の側面図である。本発明に係る第一実施形態における流体組成分析装置の斜視図である。本発明に係る第一実施形態における計測セルの要部切欠き側面図である。図３におけるＩＶ矢視図である。図５におけるＶ−Ｖ線断面図である。本発明に係る第一実施形態における発振器保持枠の断面図である。本発明に係る第一実施形態における流体組成分析装置の光学系の構成を示す説明図である。試料流体に照射する励起光の波長に対する各成分から発せられるラマン散乱光の波長のシフト量、及び励起光が所定の波長のときの各成分から発せられるラマン散乱光の波長を示す説明図である。試料流体に励起光が照射されたときに各成分から発せられるラマン散乱光の波長と、各波長の強度との関係を示すグラフである。本発明に係る第一実施形態における計測セルが熱変形したときの状態を示す説明図（その１）である。本発明に係る第一実施形態における計測セルが熱変形したときの状態を示す説明図（その２）である。本発明に係る第一実施形態の第一変形例における流体組成分析装置の入光窓側から見た図である。本発明に係る第一実施形態の第二変形例における流体組成分析装置の入光窓側から見た図である。本発明に係る第二実施形態における流体組成分析装置の要部切欠き平面図である。本発明に係る一実施形態におけるガスタービンプラントの系統図である。

以下、本発明に係る流体組成分析装置の各実施形態及について、図面を参照して説明する。

「流体組成分析装置の第一実施形態」
図１〜図１１を用いて、本発明に係る流体組成分析装置の第一実施形態について説明する。

本実施形態の流体組成分析装置の分析する試料流体は、例えば、燃料ガスである。この流体組成分析装置Ｍは、図１及び図２に示すように、試料流体Ｇが内部を流れる計測セル１０と、計測セル１０に設けられ計測セル１０内に励起光を通過させる入光窓２１と、計測セル１０に設けられ試料流体Ｇからのラマン散乱光を計測セル１０外へ通過させる出光窓２２と、入光窓２１を介して励起光を計測セル１０内の試料流体Ｇに照射する出射光学系３０と、出光窓２２を通過したラマン散乱光を受光する受光光学系４０と、出射光学系３０と受光光学系４０とを連結する連結部材５０と、受光光学系４０が受光したラマン散乱光に基づいて試料流体Ｇの組成を分析する分析器９０と、を備えている。

計測セル１０は、直方体形状の第一本体１１と、第一本体１１に接続されている流入管１９ｉと、第一本体１１の流入管１９ｉと反対側に接続されている直方体形状の第二本体１８と、第二本体１８の流入管１９ｉとは反対側に接続されている流出管１９ｏと、を有している。第一本体１１及び第二本体１８は、いずれも、複数の壁板により形成され、内部に試料流体Ｇが流れる空間が形成されている。計測セル１０は、試料流体Ｇに対する耐腐食性、耐熱性、耐圧性等を有する材料、例えば、ステンレス材で形成されている。この計測セル１０には、内部を通過する試料流体Ｇが結露等するのを防ぐために、電熱線等のヒータ８１が巻き付けられている。

図２及び図３に示すように、直方体形状の第一本体１１を形成する複数の壁板１２〜１７のうち、互いに対向する２枚の壁板の一方の壁板は、流入側壁板１２を成し、他方の壁板が流出側壁板１３を成す。第一本体１１の流入側壁板１２には流入管１９ｉが接続されている。第一本体１１の流出側壁板１３には、第二本体１８が接続されている。第一本体１１を形成する複数の壁板１２〜１７のうち、流入側壁板１２及び流出側壁板１３につながり且つ互いに対向する２枚の壁板の一方の壁板は、入光側壁板１４を成し、他方の壁板が出光側壁板１５を成す。入光側壁板１４には、開口１４ｏが形成され、この開口１４ｏが入光窓２１により塞がれている。この入光窓２１は、入光窓枠２３により第一本体１１に固定されている。この入光窓２１は、レーザ光を透過する。また、出光側壁板１５で、入光側壁板１４の開口１４ｏと対向する位置にも、開口が形成され、この開口が出光窓２２により塞がれている。この出光窓２２は、出光窓枠２４により第一本体１１に固定されている。出光窓２２は、ラマン散乱光を透過する一方で、計測セル１０内側からのレーザ光を反射するフィルターとして機能する。第一本体１１を形成する複数の壁板１２〜１７のうちの残りの２枚の壁板の一方の壁板は、第一側壁板１６を成し、他方の壁板が第二側壁板１７を成す。

ここで、以下の説明の都合上、入光側壁板１４と出光側壁板１５とが対向する方向をＺ方向とし、入光側壁板１４に対して出光側壁板１５側を（＋）Ｚ側とする。また、Ｚ方向に垂直な方向で、流入側壁板１２と流出側壁板１３とが対向する方向をＹ方向とし、流入側壁板１２に対して流出側壁板１３側を（＋）Ｙ側とする。また、Ｙ方向及びＺ方向に垂直な方向で、第一側壁板１６と第二側壁板１７とが対向する方向をＸ方向とし、第一側壁板１６に対して第二側壁板１７側を（＋）Ｘ側とする。

図５に示すように、計測セル１０を構成する入光窓枠２３、第一側壁板１６、第二側壁板１７、及び出光窓枠２４には、これらをＺ方向に貫通する貫通孔（係合部）２５が形成されている。貫通孔２５は、図４に示すように、ＸＹ平面内で、入光窓２１又は出光窓２２を中心として、４箇所に形成されている。具体的には、ＸＹ平面内で入光窓２１又は出光窓２２よりも（−）Ｙ側に、２つの貫通孔２５がＸ方向に並んで形成され、ＸＹ平面内で入光窓２１又は出光窓２２よりも（＋）Ｙ側に、２つの貫通孔２５がＸ方向に並んで形成されている。また、ＸＹ平面内で入光窓２１又は出光窓２２よりも（−）Ｙ側に形成されている２つの貫通孔２５のうち、一方の貫通孔２５が入光窓２１又は出光窓２２よりも（−）Ｘ側に形成され、他方の貫通孔２５が入光窓２１又は出光窓２２よりも（＋）Ｘ側に形成されている。また、ＸＹ平面内で入光窓２１又は出光窓２２よりも（＋）Ｙ側に形成されている２つの貫通孔２５のうち、一方の貫通孔２５が入光窓２１又は出光窓２２よりも（−）Ｘ側に形成され、他方の貫通孔２５が入光窓２１又は出光窓２２よりも（＋）Ｘ側に形成されている。

出射光学系３０は、図１及び図２に示すように、励起光であるレーザ光を出射するレーザ発振器３１と、このレーザ発振器３１の光出射部３２からのレーザ光を絞る絞り３３と、を有している。受光光学系４０は、出光窓２２を通過したラマン散乱光を集光する集光光学系４１と、集光光学系４１で集光されたラマン散乱光を受光する受光用光ファイバー４８と、を有している。受光用光ファイバー４８には、受光したラマン散乱光を分析器９０へ導く送光用光ファイバー９１が接続されている。

連結部材５０は、Ｚ方向に延び互いに平行な４本の連結ロッド５１と、連結ロッド５１を計測セル１０に取り付ける取付具５２と、連結ロッド５１に取り付けられ出射光学系３０を保持する出射光学系保持枠５３と、連結ロッド５１に取り付けられ受光光学系４０を保持する受光光学系保持枠６３と、連結ロッド５１に対する出射光学系保持枠５３の向き及び固定位置を調節する取付調節具５７と、連結ロッド５１に対する受光光学系保持枠６３の向き及び固定位置を調節する取付調節具５７と、を有する。

連結ロッド５１の材料は特に限定されないが、熱膨張率の絶対値が小さい材料であることが好ましい。例えば、常温付近で熱膨張係数の絶対値が小さいインバー材や炭素繊維を含む複合材料等で連結ロッド５１を形成してもよい。この連結ロッド５１の外径は、図４に示すように、計測セル１０に形成されている貫通孔２５の内径よりも僅かに小さい。つまり、計測セル１０の貫通孔２５に連結ロッド５１を挿通しても、貫通孔２５の内周面と連結ロッド５１の外周面との間には隙間がある。このため、計測セル１０が変形し、貫通孔２５が多少変形しても、連結ロッド５１の直線性を維持することができる。

入光窓枠２３及び出光窓枠２４には、図４及び図５に示すように、Ｚ方向に垂直な方向に延び、外側から貫通孔２５に連通するネジ孔が形成されている。連結ロッド５１を計測セル１０に取り付ける取付具５２は、このネジ孔に螺合するいもネジである。なお、いもネジとは、ネジ部の外径よりも大きな外径のネジ頭部が無く、端部に六角穴等の工具穴が形成されているネジである。計測セル１０の貫通孔２５に挿通された１本の連結ロッド５１は、入光窓枠２３のネジ孔に捻じ込まれた取付具５２の先端部、及び、出光窓枠２４に捻じ込まれた取付具５２の先端部に接し、これら取付具５２との摩擦力等で、計測セル１０との間の相対位置が保持される。

出射光学系保持枠５３は、図１及び図２に示すように、レーザ発振器３１を保持する発振器保持枠５５と、絞り３３を保持する絞り保持枠５４とを有する。受光光学系保持枠６３は、集光光学系４１を保持する集光光学系保持枠６４と、受光用光ファイバー４８を保持する受光部保持枠６５と、を有する。各保持枠５４,５５,６４,６５には、いずれも、Ｚ方向に貫通する貫通孔５８が形成されている。各保持枠５４,５５,６４,６５の貫通孔５８には、連結ロッド５１が挿通される。各保持枠５４,５５,６４,６５は、連結ロッド５１が挿通されている状態で、取付調節具５７により、連結ロッド５１に固定される。取付調節具５７は、各保持枠５４,５５,６４,６５に捻じ込まれ且つ連結ロッド５１に先端部が接するいもネジである。

発振器保持枠５５には、発振器保持枠５５に捻じ込まれ且つ発振器保持枠５５に対するレーザ発振器３１の位置や向きを調節する調節ネジ５６が設けられている。この調節ネジ５６は、図６に示すように、発振器保持枠５５に捻じ込まれ且つレーザ発振器３１に先端部が接するネジである。また、受光部保持枠６５には、受光部保持枠６５に捻じ込まれ且つ受光部保持枠６５に対する受光用光ファイバー４８の位置や向きを調節する調節ネジ６６が設けられている。この調節ネジ６６は、受光部保持枠６５に捻じ込まれ且つ受光用光ファイバー４８に先端部が接するネジである。

連結ロッド５１には、以上で説明したように、取付調節具５７により、レーザ発振器３１を保持している発振器保持枠５５、絞り３３を保持している絞り保持枠５４、集光光学系４１を保持している集光光学系保持枠６４、受光用光ファイバー４８を保持している受光部保持枠６５が取り付けられている。連結ロッド５１に取り付けられている以上の部材は、連結ロッド５１によりユニット化している。言い換えると、連結ロッド５１を含む連結部材５０と出射光学系３０と受光光学系４０とで光学ユニットＵを構成している。

この光学ユニットＵでは、出射光学系３０の光軸Ａｉと受光光学系４０の光軸Ａｏとが同一直線上に位置している。この光学ユニットＵの構成要素である連結ロッド５１が計測セル１０の貫通孔２５に挿通され、この連結ロッド５１が取付具５２により計測セル１０に取り付けられることで、光学ユニットＵは計測セル１０に取り付けられる。なお、連結ロッド５１には、この連結ロッド５１が計測セル１０の貫通孔２５に挿通された後、計測セル１０の（−）Ｚ側に発振器保持枠５５及び絞り保持枠５４が取り付けられ、計測セル１０の（＋）Ｚ側に集光光学系保持枠６４及び受光部保持枠６５が取り付けられる。

この光学ユニットＵが計測セル１０に取り付けられている状態では、出射光学系３０の光軸Ａｉと受光光学系４０の光軸Ａｏとが共にＺ方向に延び、且つ出射光学系３０の光軸Ａｉ及び受光光学系４０の光軸ＡｏのいずれもがＸＹ平面内において入光窓２１及び出光窓２２のほぼ中央を位置している。また、この状態で、計測セル１０の熱変形を許容しつつ、光学ユニットＵの構成要素である複数の連結ロッド５１と対応する取付具５２との接触位置のうち、いずれかの接触位置が計測セル１０と相対移動不能になっている。言い換えると、この状態で、光学ユニットＵは、計測セル１０の熱変形を許容しつつ、計測セル１０でいずれかの取付具５２が設けられている位置に対して相対移動不能に計測セル１０に取り付けられている。

集光光学系４１は、図７に示すように、２枚の平凸レンズ４３で構成される集光レンズ４２と、集光レンズ４２よりも計測セル１０側に位置している第一遮光部材４４と、２枚の平凸レンズ４３で挟まれている第二遮光部材４５及びフィルター４６と、を有している。

２枚の平凸レンズ４３は、互いの平面が背合わせになる関係で互いに対向して、集光レンズ４２を構成している。この集光レンズ４２は、入光窓２１と出光窓２２との間であって、レーザ光が照射される計測領域Ｒ中の試料流体Ｇからのラマン散乱光を受光用光ファイバー４８の受光面（受光部）４９に集光させる。計測領域Ｒは、集光光学系４１と受光面４９によって幾何光学的に決定される領域であって、その領域内から発生した光のうち集光光学系４１を通過した光の全てが幾何光学的に受光面４９に到達する領域である。受光光学系４０の光軸Ａｏの方向に沿って見た計測領域Ｒの大きさは、主に受光面４９のサイズおよび受光光学系４０の明るさ（開口数）により決定される。また、受光光学系４０の光軸Ａｏの方向に垂直な方向についての計測領域Ｒの大きさは、主に受光面４９のサイズおよび受光光学系４０の焦点距離により決定される。一般に、計測領域Ｒは受光光学系４０の光軸Ａｏの方向に長く伸びた形状となる。

第一遮光部材４４及び第二遮光部材４５は、円板形状であり、その中心が集光レンズ４２の光軸、つまり受光光学系４０の光軸Ａｏ上に位置している。また、第一遮光部材４４及び第二遮光部材４５は、計測領域Ｒから見て、それぞれの輪郭が重なり合うよう、それぞれの大きさ及び位置が定められている。このため、第二遮光部材４５よりも計測領域Ｒに近い位置に配置されている第一遮光部材４４は、その外径が第二遮光部材４５の外径よりも小さい。

フィルター４６は、２枚の平凸レンズ４３の間であって、第二遮光部材４５の外周側に配置されている。このフィルター４６は、ラマン散乱光を選択的に透過させる。

次に、以上で説明した流体組成分析装置Ｍによる分析動作について説明する。

ここで、計測セル１０の流入管１９ｉから試料流体Ｇが計測セル１０内に流れ込み、計測セル１０の流出管１９ｏから試料流体Ｇが流出しているとする。出射光学系３０のレーザ発振器３１から発振されたレーザ光は、絞り３３で絞られた後、入光窓２１を介して、計測セル１０内の試料流体Ｇに照射される。

試料流体Ｇに励起光であるレーザ光が照射されると、試料流体Ｇ中の成分毎に固有の波長のラマン散乱光が生じる。言い換えると、所定の波長のレーザ光を試料流体Ｇに照射した場合、図８に示すように、試料流体Ｇ中の成分毎に、レーザ光の波長から固有のシフト量分だけ波長がシフトしたラマン散乱光が生じる。ラマン散乱光の強度は、励起光の入射軸方向における前方側及び後方側で大きいことが知られている。なお、以下では、前方側のラマン散乱光を前方側ラマン散乱光といい、後方側のラマン散乱光を後方側ラマン散乱光という。

入光窓２１側（（−）Ｚ側）からのレーザ光が試料流体Ｇに照射されると、ラマン散乱光が生じる。このラマン散乱光のうち、強度の大きい前方側ラマン散乱光は、出光窓２２を透過する。また、入光窓２１を透過したレーザ光のうち出光窓２２に至ったレーザ光は、この出光窓２２で反射される。この出光窓２２側（（＋）Ｚ側）からのレーザ光が試料流体Ｇに照射されても、ラマン散乱光が生じる。このラマン散乱光のうち、強度の大きい後方側ラマン散乱光は、出光窓２２を透過する。

出光窓２２を透過したラマン散乱光は、集光レンズ４２により、受光用光ファイバー４８の受光面（受光部）４９に集光され、受光用光ファイバー４８に入光する。このラマン散乱光は、受光用光ファイバー４８及び送光用光ファイバー９１を経て、分析器９０に至り、この分析器９０により分析される。

入光窓２１や出光窓２２が試料流体Ｇにより汚れており、この汚れている部分にレーザ光が照射されると、ノイズ光が発生する。ラマン散乱光は、極めて微弱な光であり、ノイズ光が存在すると、組成分析精度が低下する。そこで、本実施形態では、第一遮光部材４４及び第二遮光部材４５により、受光用光ファイバー４８に入光するノイズ光の低減を図っている。

図７に示すように、入光窓２１は、集光レンズ４２から計測領域Ｒよりも遠方に配置されている。また、出光窓２２は、集光レンズ４２から計測領域Ｒよりも近傍に配置されている。このため、集光レンズ４２から見た場合、出光窓２２のノイズ発生部の視野角は、入光窓２１のノイズ発生部の視野角に比べて大きい。本実施形態では、視野角の大きい出光窓２２からのノイズ光に関して、この出光窓２２に近く且つ外径の小さい第一遮光部材４４により効率的に遮光する。また、本実施形態では、視野角の小さい入光窓２１からのノイズ光に関して、入光窓２１及び出光窓２２から遠く且つ外径の大きい第二遮光部材４５により効率的に遮光する。

このため、本実施形態では、ラマン散乱光の多くを遮蔽することなく、ノイズ光を効率的に遮光することができる。よって、本実施形態では、受光用光ファイバー４８に入光するラマン散乱光のＳＮ比を高めることができる。なお、このノイズ光の低減のメカニズムについては、国際公開第２０１３／０３１８９６号に詳細に記載されている。

分析器９０は、受光用光ファイバー４８が受光したラマン散乱光を送光用光ファイバー９１を介して受け付け、これを分光して、例えば、図９に示すように、波長毎の強度を出力する。前述したように、所定の波長のレーザ光を試料流体Ｇに照射した場合、試料流体Ｇ中の成分毎に、レーザ光の波長から固有のシフト量分だけ波長がシフトしたラマン散乱光が生じる。よって、試料流体Ｇに照射するレーザ光の波長と、このレーザ光を照射したときの各成分からのラマン散乱光の波長のシフト量と、を予め認識しておくことで、試料流体Ｇ中の成分を分析することができる。また、各ラマン散乱光の強度は、そのラマン散乱光を発する成分の試料流体Ｇ中の濃度を示す。このため、各ラマン散乱光の強度から、そのラマン散乱光を発する成分の試料流体Ｇ中の濃度を把握することもできる。なお、この分析器９０は、波長毎の強度を出力するが、波長毎に、対応する成分とその濃度を出力するようにしてもよい。

ところで、試料流体Ｇの温度や圧力、外部環境の変化等により計測セル１０は変形する。この計測セル１０の変形は主に試料流体Ｇの温度に起因するものと考えられるため、以下の説明では計測セルが特に熱変形したものとして説明する。仮に、計測セル１０が熱変形して、出射光学系３０の光軸Ａｉに対する受光光学系４０の光軸Ａｏの向きが変わると、受光光学系４０の光軸Ａｏを中心として細長く分布する計測領域Ｒにレーザ光が入射しなくなる。計測領域Ｒ以外で発生したラマン散乱光は受光用光ファイバー４８に入射しないことから、入光窓２１側からの試料流体Ｇに対するレーザ光の照射により生じた前方側ラマン散乱光が受光用光ファイバー４８に入光する際の光量が減る。また、同様に出光窓２２側からの試料流体Ｇに対するレーザ光の照射により生じた後方側ラマン散乱光も受光用光ファイバー４８に入光する際の光量が減る。そのため、ラマン散乱光のＳＮ比が低下する。

本実施形態では、前述したように、出射光学系３０と受光光学系４０とを互いの位置関係が変位不能に連結部材５０により直接連結されている上に、出射光学系３０及び受光光学系４０を有する光学ユニットＵが、計測セル１０の熱変形を許容しつつ、計測セル１０の所定箇所に対して相対移動不能に計測セル１０に取り付けられている。よって、本実施形態では、計測セル１０が熱変形しても、出射光学系３０の光軸Ａｉに対する受光光学系４０の光軸Ａｏの向きの変化を抑えることができる。

具体的に、例えば、図１０に示すように、試料流体Ｇの温度や外部環境の変化等により、計測セル１０を形成する複数の壁板のうち、Ｘ方向で互いに対向する第一側壁板１６と第二側壁板１７とがＺ方向に伸びたとする。この場合、第一側壁板１６のＺ方向の伸び量に対して、第二側壁板１７のＺ方向の伸び量が大きいとする。

第一側壁板１６の貫通孔２５ａに挿通されている連結ロッド５１ａは、入光窓枠２３に捻じ込まれている取付具５２ａ_１と出光窓枠２４に捻じ込まれている取付具５２ａ_２とにより、計測セル１０との相対位置が保持されている。また、第二側壁板１７の貫通孔２５ｂに挿通されている連結ロッド５１ｂも、入光窓枠２３に捻じ込まれている取付具５２ｂ_１と出光窓枠２４に捻じ込まれている取付具５２ｂ_２とにより、計測セル１０との相対位置が保持されている。

仮に、第一側壁板１６のＺ方向の伸び量と、この第一側壁板１６の貫通孔２５ａに挿通されている連結ロッド５１ａのＺ方向の伸び量とに差があるとする。さらに、連結ロッド５１ａを計測セル１０に取り付けている取付具５２ａ_１，５２ａ_２のうち、取付具５２ａ_１の方が連結ロッド５１ａとの接触位置での摩擦力が小さいとする。この場合、接触位置での摩擦力が小さい取付具５２ａ_１に対して、連結ロッド５１ａはＺ方向に相対移動する。また、この場合、接触位置での摩擦力が大きい取付具５２ａ_２に対して、連結ロッド５１ａはＺ方向に相対移動しない。よって、摩擦力の大きい取付具５２ａ_２と連結ロッド５１ａとの接触位置、及び計測セル１０中で取付具５２ａ_２が設けられている位置を基準にして、第一側壁板１６がＺ方向に伸縮する。

また、仮に、第二側壁板１７のＺ方向の伸び量と、この第二側壁板１７の貫通孔２５ｂに挿通されている連結ロッド５１ｂのＺ方向の伸び量とに差があるとする。さらに、連結ロッド５１ｂを計測セル１０に取り付けている取付具５２ｂ_１，５２ｂ_２のうち、取付具５２ｂ_１の方が連結ロッド５１ｂとの接触位置での摩擦力が小さいとする。この場合、接触位置での摩擦力が小さい取付具５２ｂ_１に対して、連結ロッド５１ｂはＺ方向に相対移動する。また、この場合、接触位置での摩擦力が大きい取付具５２ｂ_２に対して、連結ロッド５１ｂはＺ方向に相対移動しない。よって、摩擦力の大きい取付具５２ｂ_２と連結ロッド５１ｂとの接触位置、及び計測セル１０中で取付具５２ｂ_２が設けられている位置を基準にして、第二側壁板１７がＺ方向に伸縮する。

また、第一側壁板１６のＺ方向の伸び量に対して、第二側壁板１７のＺ方向の伸び量が大きいと、第一側壁板１６及び第二側壁板１７におけるＺ方向のほぼ中央部は、（＋）Ｘ側に多少膨らむ。このため、第一側壁板１６及び第二側壁板１７に形成されている貫通孔２５は、多少湾曲する。しかしながら、本実施形態では、貫通孔２５の内周面と連結ロッド５１の外周面との間には隙間があるため、計測セル１０が変形し、貫通孔２５が多少変形しても、連結ロッド５１の直線性を維持することができる。

本実施形態では、計測セル１０が以上のように熱変形した場合でも、光学ユニットＵの構成要素である連結ロッド５１は計測セル１０の所定位置に対して相対移動しない状態で、連結ロッド５１の直線性が維持される。よって、本実施形態では、計測セル１０が以上のように熱変形した場合でも、計測セル１０に光学ユニットＵが取り付けられている状態を維持しつつ、出射光学系３０の光軸Ａｉに対する受光光学系４０の光軸Ａｏの向きの変化を抑えることができる。

また、例えば、図１１に示すように、試料流体Ｇの温度や外部環境の変化等により、計測セル１０を形成する複数の壁板のうち、Ｙ方向で互いに対向する流入側壁板１２と流出側壁板１３とがＺ方向に伸びたとする。この場合、流出側壁板１３のＺ方向の伸び量に対して、流入側壁板１２のＺ方向の伸び量が大きいとする。

計測セル１０中で入光窓２１及び出光窓２２より（−）Ｙ側に形成されている貫通孔２５ｃに挿通されている連結ロッド５１ｃは、入光窓枠２３に捻じ込まれている取付具５２ｃ_１と出光窓枠２４に捻じ込まれている取付具５２ｃ_２とにより、計測セル１０との相対位置が保持されている。また、計測セル１０中で入光窓２１及び出光窓２２より（＋）Ｙ側に形成されている貫通孔２５ｄに挿通されている連結ロッド５１ｄも、入光窓枠２３に捻じ込まれている取付具５２ｄ_１と出光窓枠２４に捻じ込まれている取付具５２ｄ_２とにより、計測セル１０との相対位置が保持されている。

仮に、計測セル１０中で入光窓２１及び出光窓２２より（−）Ｙ側に形成されている貫通孔２５ｃに挿通されている連結ロッド５１ｃのＺ方向の伸び量と、この貫通孔２５ｃ周りにおける計測セル１０のＺ方向の伸び量とに差があるとする。さらに、連結ロッド５１ｃを計測セル１０に取り付けている取付具５２ｃ_１，５２ｃ_２のうち、取付具５２ｃ_１の方が連結ロッド５１ｃとの接触位置での摩擦力が小さいとする。この場合、連結ロッド５１ｃとの接触位置での摩擦力が小さい取付具５２ｃ_１に対して、連結ロッド５１ｃはＺ方向に相対移動する。また、この場合、連結ロッド５１ｃとの接触位置での摩擦力が大きい取付具５２ｃ_２に対して、連結ロッド５１ｃはＺ方向に相対移動しない。よって、摩擦力の大きい取付具５２ｃ_２と連結ロッド５１ｃとの接触位置、及び計測セル１０中で取付具５２ｃ_２が設けられている位置を基準にして、この連結ロッド５１ｃが挿通されている貫通孔２５ｃ周りにおける計測セル１０の部分がＺ方向に伸縮する。

また、仮に、計測セル１０中で入光窓２１及び出光窓２２より（＋）Ｙ側に形成されている貫通孔２５ｄに挿通されている連結ロッド５１ｄのＺ方向の伸び量と、貫通孔２５ｄ周りにおける計測セル１０の部分のＺ方向の伸び量とに差があるとする。さらに、連結ロッド５１ｄを計測セル１０に取り付けている取付具５２ｄ_１，５２ｄ_２のうち、取付具５２ｄ_１の方が連結ロッド５１ｄとの接触位置での摩擦力が小さいとする。この場合、連結ロッド５１ｄとの接触位置での摩擦力が小さい取付具５２ｄ_１に対して、連結ロッド５１ｄはＺ方向に相対移動する。また、この場合、連結ロッド５１ｄとの接触位置での摩擦力が大きい取付具５２ｄ_２に対して、連結ロッド５１ｄはＺ方向に相対移動しない。よって、摩擦力の大きい取付具５２ｄ_２と連結ロッド５１ｄとの接触位置、及び計測セル１０中で取付具５２ｄ_２が設けられている位置を基準にして、この連結ロッド５１ｄが挿通されている貫通孔２５ｄ周りにおける計測セル１０の部分がＺ方向に伸縮する。

また、流出側壁板１３のＺ方向の伸び量に対して、流入側壁板１２のＺ方向の伸び量が大きいと、流出側壁板１３及び流入側壁板１２におけるＺ方向のほぼ中央部は、（−）Ｙ側に多少膨らむ。このため、計測セル１０中で入光窓２１及び出光窓２２より（−）Ｙ側に形成されている貫通孔２５ｃと、計測セル１０中で入光窓２１及び出光窓２２より（＋）Ｙ側に形成されている貫通孔２５ｄとは、多少湾曲する。しかしながら、本実施形態では、貫通孔２５の内周面と連結ロッド５１の外周面との間には隙間があるため、計測セル１０が変形し、貫通孔２５が多少変形しても、連結ロッド５１の直線性を維持することができる。

本実施形態では、計測セル１０が以上のように熱変形した場合でも、先に説明した場合と同様、光学ユニットＵの構成要素である連結ロッド５１は計測セル１０の所定位置に対して相対移動しない状態で、連結ロッド５１の直線性が維持される。よって、本実施形態では、計測セル１０が以上のように熱変形した場合でも、計測セル１０に光学ユニットＵが取り付けられている状態を維持しつつ、出射光学系３０の光軸Ａｉに対する受光光学系４０の光軸Ａｏの向きの変化を抑えることができる。

従って、本実施形態では、試料流体Ｇの温度や外部環境の変化等により計測セル１０が熱変形しても、受光用光ファイバー４８に入光するラマン散乱光の光量減少を抑えることができると共に、受光用光ファイバー４８に入光するノイズ光の増加を抑えることができる。このため、本実施形態では、試料流体Ｇの温度や外部環境の変化等による組成分析の精度低下を抑えることができる。

また、本実施形態の流体組成分析装置Ｍは、連結ロッド５１に対する出射光学系保持枠５３の向き及び固定位置を調節する取付調節具５７、連結ロッド５１に対する受光光学系保持枠６３の向き及び固定位置を調節する取付調節具５７、発振器保持枠５５に対するレーザ発振器３１の位置や向きを調節する調節ネジ５６、受光部保持枠６５に対する受光用光ファイバー４８の位置や向きを調節する調節ネジ６６を有している。このため、出射光学系３０、及び出射光学系３０を構成するレーザ発振器３１及び絞り３３、受光光学系４０、及び受光光学系４０を構成する集光レンズ４２や受光用光ファイバー４８のぞれぞれの位置や、それぞれの光軸Ａｉ，Ａｏの向きを調節することができる。

なお、本実施形態では、入光窓枠２３、第一側壁板１６、第二側壁板１７、及び出光窓枠２４に、これらをＺ方向に貫通する貫通孔２５（係合部）を形成し、この貫通孔２５に連結ロッド５１が挿通されている。しかしながら、図１２に示すように、入光窓枠２３、第一側壁板１６、第二側壁板１７、及び出光窓枠２４のそれぞれに又はこれらの一部に計測セル１０の外側に向かって張り出すフランジ部２８を形成すると共に、Ｚ方向に貫通する貫通孔２９をフランジ部２８に形成し、この貫通孔２９に連結ロッド５１を挿通させてもよい。また、図１３に示すように、フランジ部には、Ｚ方向に貫通する貫通孔２９ａを形成すると共に、貫通孔２９ａに内周の沿った箇所の一部を切り欠いて、このフランジ部をフック部２８ｂとしてもよい。

また、本実施形態では、計測セル１０に４本の連結ロッド５１を取り付けている。しかしながら、連結ロッド５１の数量は、これに限定されるものではなく、例えば、連結ロッド５１の本数は２本でも、１本であってもよい。これらの場合、４本の場合よりも連結ロッド５１の剛性を大きくするため、連結ロッド５１の外径を大きくすることが好ましい。

また、本実施形態では、Ｚ方向に伸びる１本の連結ロッド５１に対して、Ｚ方向における異なる２つの位置に取付具５２を配置している。しかしながら、１本の連結ロッド５１に対して、Ｚ方向における異なる３以上の位置に取付具５２を配置してもよいし、１つの位置のみに取付具５２を配置してもよい。

また、本実施形態の流体組成分析装置Ｍは、第一遮光部材４４及び第二遮光部材４５を有しているが、いずれか一方の遮光部材のみを有してもよいし、両方の遮光部材を有していなくてもよい。但し、ノイズ光の低減の観点から、本実施形態のように、両方の遮光部材を有している方が好ましい。

「流体組成分析装置の第二実施形態」
図１４を用いて、本発明に係る流体組成分析装置の第二実施形態について説明する。

本実施形態の流体組成分析装置Ｍａも、第一実施形態の流体組成分析装置Ｍと同様、試料流体Ｇが内部を流れる計測セル１０ａと、計測セル１０ａに設けられ計測セル１０ａ内に励起光を通過させる入光窓２１と、計測セル１０ａに設けられ試料流体Ｇからのラマン散乱光を計測セル１０ａ外へ通過させる出光窓２２と、入光窓２１を介して励起光を計測セル１０ａ内の試料流体Ｇに照射する出射光学系３０と、出光窓２２を通過したラマン散乱光を受光する受光光学系４０と、受光光学系４０が受光したラマン散乱光に基づいて試料流体Ｇの組成を分析する分析器９０と、出射光学系３０と受光光学系４０とを連結する連結部材５０ａと、を備えている。

計測セル１０ａは、直方体形状の本体１１ａと、本体１１ａに接続されている流入管１９ｉと、本体１１ａの流入管１９ｉと反対側に接続されている流出管１９ｏと、を有している。本体１１ａは、複数の壁板により形成され、内部に試料流体Ｇが流れる空間が形成されている。本体１１ａを形成する複数の壁板のうち、互いに対向する２枚の壁板の一方の壁板は、流入側壁板１２ａを成し、他方の壁板は流出側壁板１３ａを成す。流入側壁板１２ａには流入管１９ｉが接続され、流出側壁板１３ａには流出管１９ｏが接続されている。本体１１ａを形成する複数の壁板のうち、流入側壁板１２及び流出側壁板１３につながり且つ互いに対向する２枚の壁板の一方の壁板は、入光側壁板１４ａを成し、他方の壁板は入光対向壁板１５ａを成す。入光側壁板１４ａには開口１４ｏが形成され、この開口１４ｏが入光窓２１により塞がれている。また、本体１１ａを形成する複数の壁板のうちの残りの２枚の壁板の一方の壁板は、出光側壁板１７ａを成し、他方の壁板は出光対向壁板１６ａを成す。出光側壁板１７ａには開口１７ｏが形成され、この開口１７ｏが出光窓２２により塞がれている。

ここで、以下の説明の都合上、入光側壁板１４ａと入光対向壁板１５ａとが対向する方向をＺ方向とし、入光側壁板１４ａに対して入光対向壁板１５ａ側を（＋）Ｚ側とする。また、Ｚ方向に垂直な方向で、流入側壁板１２と流出側壁板１３とが対向する方向をＹ方向とし、流入側壁板１２に対して流出側壁板１３側を（＋）Ｙ側とする。また、Ｙ方向及びＺ方向に垂直な方向で、出光側壁板１７ａと出光対向壁板１６ａとが対向する方向をＸ方向とし、出光対向壁板１６ａに対して出光側壁板１７ａ側を（＋）Ｘ側とする。

本実施形態では、入光側壁板１４ａがＺ方向を向き、出光側壁板１７ａがＸ方向を向いている。このため、入光側壁板１４ａに設けられている入光窓２１と出光側壁板１７ａに設けられている出光窓２２とは、第一実施形態と異なり、互いに対向していない。

出射光学系３０の光軸Ａｉは、Ｚ方向に延び、且つＸＹ平面内において入光窓２１のほぼ中央に位置している。この出射光学系３０は、第一実施形態と同様、レーザ発振器３１と絞り３３とを有している。受光光学系４０の光軸Ａｏは、Ｘ方向に延び、且つＹＺ平面内において出光窓２２のほぼ中央に位置している。よって、本実施形態では、出射光学系３０の光軸Ａｉに対して受光光学系４０の光軸Ａｏは、直交している。受光光学系４０は、集光光学系４１と受光用光ファイバー４８とを有している。受光用光ファイバー４８には、受光したラマン散乱光を分析器９０へ導く送光用光ファイバー９１が接続されている。

連結部材５０ａは、レーザ発振器３１を保持する発振器保持枠５５と、絞り３３を保持する絞り保持枠５４と、発振器保持枠５５と絞り保持枠５４とを相互に連結する出光側連結ロッド５３ａと、集光光学系４１を保持する集光光学系保持枠６４と、受光用光ファイバー４８を保持する受光部保持枠６５と、集光光学系保持枠６４と受光部保持枠６５とを相互に連結する受光側連結ロッド６３ａと、出光側連結ロッド５３ａと受光側連結ロッド６３ａとを相互に連結する出光側‐受光側連結ロッド５９ａと、出光側‐受光側連結ロッド５９ａを計測セル１０ａに取り付ける取付部材５２ａと、有している。

本実施形態でも、第一実施形態と同様に、連結部材５０ａと出射光学系３０と受光光学系４０とで光学ユニットＵａを構成している。

光学ユニットＵａの構成要素である出光側‐受光側連結ロッド５９ａは、計測セル１０ａを形成する複数の壁板のうちの入光側壁板１４ａと出光側壁板１７ａとの角部に、取付部材５２ａにより固定されている。つまり、光学ユニットＵａは、計測セル１０ａの１箇所に固定されている。このため、試料流体Ｇの温度や外部環境の変化等で計測セル１０ａが熱変形しても、この熱変形に対する光学ユニットＵａの変形を最小限に抑えることができる。

以上、本実施形態でも、出射光学系３０と受光光学系４０とを互いの位置関係が変位不能に連結部材５０ａにより直接連結されている上に、出射光学系３０及び受光光学系４０を有する光学ユニットＵが、計測セル１０ａの熱変形を許容しつつ、計測セル１０ａの所定箇所に対して相対移動不能に計測セル１０ａに取り付けられている。よって、本実施形態でも、計測セル１０ａが熱変形しても、出射光学系３０の光軸Ａｉに対する受光光学系４０の光軸Ａｏの向きの変化を抑えることができる。このため、本実施形態でも、試料流体Ｇの温度や外部環境の変化等による組成分析の精度低下を抑えることができる。

なお、以上で説明した各実施形態の光学ユニットＵ，Ｕａはレーザ発振器３１を含んでいる。しかしながら、光学ユニットＵ，Ｕａは、励起光を出射する光出射部３２を含んでいれば、レーザ発振器３１を含まなくてもよい。この場合、光学ユニットＵ，Ｕａの構成要素である連結部材５０ａにレーザ発振器３１を取り付けず、このレーザ発振器３１に光ファイバーを接続し、この光ファイバーの端部を光出射部として連結部材５０，５０ａに取り付ける。また、以上の各実施形態の光学ユニットＵ，Ｕａは、分析器９０を含んでいない。しかしながら、小型の分析器９０を採用できる場合には、この分析器９０を連結部材５０，５０ａに取り付け、この分析器９０を光学ユニットＵ，Ｕａの一部としてもよい。

「ガスタービンプラントの実施形態」
図１５を用いて、本発明に係るガスタービンプラントの一実施形態について説明する。

本実施形態のガスタービンプラントは、ガスタービン１１０と、ガスタービン１１０の駆動で発電する発電機１２０と、ガスタービン１１０の駆動で燃料ガスを圧縮するガス圧縮機１２１と、ガスタービン１１０に供給される燃料ガスの発熱量を出力する熱量計１４０と、ガスタービン１１０の状態等を制御する制御装置１４５と、を備えている。

ガスタービン１１０は、空気Ａを圧縮して圧縮空気を生成する空気圧縮機１１１と、圧縮空気中で燃料ガスを燃焼させ高温の燃焼ガスを生成する燃焼器１１５と、燃焼ガスにより駆動するタービン１１６と、を備えている。

空気圧縮機１１１は、圧縮機ロータと、これを回転可能に覆う圧縮機ケーシングと、空気Ａの吸気量を調節する吸気量調節器１１２と、を有している。吸気量調節器１１２は、圧縮機ケーシングの吸込口側に設けられている入口案内翼１１３と、この入口案内翼１１３の開度を変える案内翼駆動機１１４と、を有している。

タービン１１６は、燃焼ガスにより回転するタービンロータと、このタービンロータを回転可能に覆うタービンケーシングとを有している。圧縮機ロータとタービンロータとは互いに連結され、一体となってガスタービンロータ１１７を成している。

発電機１２０は、発電機ロータと、この発電機ロータを回転可能に覆う発電機ケーシングと、を有している。発電機ロータは、ガスタービンロータ１１７に連結されている。このため、ガスタービンロータ１１７が回転すると、発電機ロータも、一体的に回転する。

ガス圧縮機１２１は、圧縮機ロータと、これを回転可能に覆う圧縮機ケーシングと、を有している。ガス圧縮機１２１の圧縮機ロータは、減速機１２２を介して、発電機ロータ又はガスタービンロータ１１７と機械的に接続されている。このガス圧縮機１２１の吐出口と燃焼器１１５とは、高圧燃料ガスライン１３４で接続されている。この高圧燃料ガスライン１３４には、ここを通る燃料ガスの流量を調節する燃料流量調節弁１３７が設けられている。

このガスタービンプラントは、製鉄所１５１及びコークスプラント１５２から燃料ガスが供給される。製鉄所１５１は、製鉄所１５１の高炉から低カロリー燃料ガスとしてのＢＦＧ（Blast Furnace Gas）を発生する。この高炉には、ＢＦＧが流れるＢＦＧライン１３１が接続されている。ＢＦＧライン１３１には、このＢＦＧの流量を調節するＢＦＧ流量調節弁１３５が設けられている。コークスプラント１５２は、コークスプラント１５２のコークス炉から高カロリー燃料ガスとしてのＣＯＧ（Coke Oven Gas）を発生する。このコークス炉には、ＣＯＧが流れるＣＯＧライン１３２が接続されている。ＣＯＧライン１３２には、ＣＯＧの流量を調節するＣＯＧ流量調節弁１３６が設けられている。ＢＦＧライン１３１とＣＯＧライン１３２とは、合流して低圧燃料ガスライン１３３となる。この低圧燃料ガスライン１３３は、ガス圧縮機１２１の吸込口に接続されている。低圧燃料ガスライン１３３には、この低圧燃料ガスライン１３３を通るガス中のダスト等を集塵する電気集塵器（ＥＰ（electrostatic Precipitator））１２３が設けられている。前述の高圧燃料ガスライン１３４は、途中で再循環ライン１３８として分岐している。この再循環ライン１３８には、この再循環ライン１３８を通るガスの流量を調節する循環流量制御弁１３８ａが設けられている。低圧燃料ガスライン１３３中で、電気集塵器１２３よりも下流側の位置に接続されている。また、この低圧燃料ガスライン１３３で、再循環ライン１３８が低圧燃料ガスライン１３３に合流する位置よりも下流側には、低圧燃料ガスライン１３３から分岐して再び低圧燃料ガスライン１３３に合流するサンプリングライン１３９が設けられている。

サンプリングライン１３９には、前述の熱量計１４０が設けられている。この熱量計１４０は、先に説明したいずれかの実施形態の流体組成分析装置Ｍ（Ｍａ）と、この流体組成分析装置Ｍ（Ｍａ）による燃料ガスの分析結果に基づいて燃料ガスの単位体積当たりの発熱量である単位発熱量を求める発熱量演算器１４１と、を有している。流体組成分析装置Ｍ（Ｍａ）の流入管１９ｉ及び流出管１９ｏは、サンプリングライン１３９に接続されている。

発熱量演算器１４１は、流体組成分析装置Ｍ（Ｍａ）から出力された燃料ガス中の成分毎のラマン散乱光の強度、つまり各成分に対応する波長の光の強度を用いて、燃焼ガスの単位発熱量を求める。

以下の式（１）は、燃料ガスが、図９に示すように、二酸化炭素（ＣＯ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素（Ｎ_２）、メタン（ＣＨ_４）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、水素（Ｈ_２）を含む場合における燃料ガスの単位体積当たりの高位発熱量（ＨＨＶ）を求める式である。また、以下の式（２）は、同じ場合における燃料ガスの単位体積当たり低位発熱量（ＬＨＶ）を求める式である。

なお、ＨＨＶは、燃料ガスの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／ｍ^３Ｎ）である。ＬＨＶは、燃料ガスの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まない発熱量（ｋｃａｌ／ｍ^３Ｎ）である。また、式（１）〜式（８）において、ＣＮ_２はＮ_２のモル分率で、ＣＣＯはＣＯのモル分率で、ＣＣＯ_２はＣＯ_２のモル分率で、ＣＨ_２ＯはＨ_２Ｏのモル分率で、ＣＨ_２はＨ_２のモル分率で、ＣＣＨ_４はＣＨ_４のモル分率である。各成分のモル分率は、以下の式（３）〜式（８）で求めることができる。

発熱量演算器１４１は、流体組成分析装置Ｍ（Ｍａ）から出力された燃料ガス中の成分毎のラマン散乱光の強度から、窒素成分の光強度ＩＮ_２に対する一酸化炭素成分の相対強度ＩＣＯ／ＩＮ_２、窒素成分の光強度に対する二酸化炭素成分の相対強度ＩＣＯ_２／ＩＮ_２、窒素成分の光強度に対する水蒸気成分の相対強度ＩＨ_２Ｏ／ＩＮ_２、窒素成分の光強度に対する水素成分の相対強度ＩＨ_２／ＩＮ_２、窒素成分の光強度に対するメタン成分の相対強度ＩＣＨ_４／ＩＮ_２を求める。次に、発熱量演算器１４１は、各成分の相対強度と、式（１）又は式（２）、及び式（３）〜式（８）を用いて、燃料ガスの高位発熱量（ＨＨＶ）又は低位発熱量（ＬＨＶ）を求める。

制御装置１４５は、熱量計１４０から出力された燃料ガスの単位発熱量（ＨＨＶ又はＬＨＶ）に基づいて、ＢＦＧ流量調節弁１３５、ＣＯＧ流量調節弁１３６、燃料流量調節弁１３７、吸気量調節器１１２のうちの少なくとも一つを制御する。低圧燃料ガスライン１３３を流れる燃料ガスの単位発熱量が変化した場合、制御装置１４５は、例えば、以下の（１）〜（３）のいずれかの制御を実行する。

（１）制御装置１４５は、熱量計１４０で計測された単位発熱量が元の値又は設定値になるよう、ＢＦＧとＣＯＧとの流量比を調節するため、ＢＦＧ流量調節弁１３５とＣＯＧ流量調節弁１３６とのうち、少なくとも一方の弁開度を制御する。
（２）制御装置１４５は、燃焼器１１５に供給される燃料ガスの単位時間当たりの燃料熱量が一定になるよう、又は、ガスタービン出力が目標出力になるよう、燃料流量調節弁１３７の弁開度を制御する。又は、制御装置１４５は、タービン１１６の燃焼ガス入口の温度が目標温度になるよう、燃料流量調節弁１３７の弁開度を制御する。
（３）制御装置１４５は、燃焼器１１５に供給される燃料ガスと圧縮空気と流量比である燃空比が一定になるよう、又は、ガスタービン出力が目標出力になるよう、吸気量調節器１１２の入口案内翼１１３の開度を制御する。

本実施形態の熱量計１４０は、前述したように、いずれかの実施形態の流体組成分析装置Ｍ（Ｍａ）と、この流体組成分析装置Ｍ（Ｍａ）による燃料ガスの分析結果に基づいて燃料ガスの単位発熱量を求める発熱量演算器１４１と、を有している。このため、本実施形態の熱量計１４０は、燃料ガスの温度や外部環境の変化等による組成分析の精度低下に伴う計測発熱量の精度低下を抑えることができる。また、本実施形態の熱量計１４０は、ラマン散乱光の分析に基づいて燃料ガスの単位発熱量を求めているため、例えば、クロマトグラフィー法を用いて燃料ガスの単位発熱量を求めるよりも、極めて短時間に燃料ガスの単位発熱量を求めることができる。

よって、本実施形態では、燃料ガスの単位発熱量が変化しても、極めて短時間のうちにガスタービンプラントを目標とする状態に近づけることができる。

また、発熱量演算器１４１は、事前に登録した各成分の比熱比と、燃料ガスの各成分の濃度に基づき、燃料ガスの比熱比を求めることもできる。その場合、制御装置１４５は、熱量計１４０から出力された燃料ガスの比熱比に基づいて、ガス圧縮機１２１のサージンの防止制御を行うことができる。すなわち、ガス圧縮機１２１は、その圧力比（ガス圧縮機１２１の吸込口と吐出口における燃料ガスの圧力の比）が一定の値を超えるとサージングを起こしてしまう可能性がある。ここで、サージング限界となる圧力比は、燃料ガスの比熱比とガス圧縮機１２１の修正回転数により決定される。そのため、制御装置１４５は、熱量計１４０から出力された燃料ガスの比熱比に基づき正確なサージング限界圧力比を算出し、実際のガス圧縮機の圧力比がこれに近づいた場合はサージングを回避する動作を行う。具体的には、制御装置１４５は、例えば、ガス圧縮機１２１の再循環ライン１３８に設けられた循環流量制御弁１３８ａを開いてガス圧縮機１２１の圧力比を下げるといった動作を行う。これにより燃料ガスの組成が変動してもサージングの発生を防止することができる。

なお、本実施形態におけるガスタービンの燃料は、ＢＦＧ単味、ＣＯＧ単味、ＢＦＧとＣＯＧの混合物とのいずれかである。しかしながら、ガスタービンの燃料は、ＢＦＧのみでも、ＣＯＧのみでもよい。さらに、ガスタービン１１０の燃料は、他の燃料ガス、例えば、天然ガスや、バイオガス等であってもよい。

１０，１０ａ…計測セル、１１：第一本体、１１ａ：本体、１９ｉ：流入管、１９ｏ：流出管、２１：入光窓、２２：出光窓、３０：出射光学系、３１：レーザ発振器、３２：光出射部、３３：絞り、４０：受光光学系、４１：集光光学系、４２：集光レンズ、４８：受光用光ファイバー（受光部）、５０,５０ａ：連結部材、５１：連結ロッド、５２：取付具、５３：出射光学系保持枠、５７：取付調節具、６３：受光光学系保持枠、９０：分析器（分析部）、１１０：ガスタービン、１１１：空気圧縮機、１１２：吸気量調節器、１１５：燃焼器、１１６：タービン、１２０：発電機、１２１：ガス圧縮機、１３１：ＢＦＧライン、１３２：ＣＯＧライン、１３３：低圧燃料ガスライン、１３４：高圧燃料ガスライン、１３５：ＢＦＧ流量調節弁、１３６：ＣＯＧ流量調節弁、１３７：燃料流量調節弁、１３８：再循環ライン、１３８ａ：循環流量制御弁、１４０：熱量計、１４１：発熱量演算器、１４５：制御装置

Claims

試料流体が内部を流れる計測セルと、
前記計測セルに設けられ、前記計測セル内に励起光を通過させる入光窓と、
前記計測セルに設けられ、前記励起光が照射させた前記試料流体からのラマン散乱光を前記計測セル外へ通過させる出光窓と、
前記励起光を出射する光出射部を有し、前記入光窓を介して前記励起光を前記計測セル内の前記試料流体に照射する出射光学系と、
前記出光窓を通過した前記ラマン散乱光を集光する集光光学系と、前記集光光学系で集光された前記ラマン散乱光を受光する受光部とを有する受光光学系と、
前記受光部からの出力に基づいて前記試料流体の組成を分析する分析部と、
前記出射光学系と前記受光光学系とを互いの位置関係が変位不能に直接連結する連結部材と、
を備え、
前記出射光学系と前記受光光学系と前記連結部材で構成される光学ユニットは、前記計測セルの熱変形を許容しつつ、前記計測セルの所定箇所に対して相対移動不能に前記計測セルに取り付けられている、
流体組成分析装置。
試料流体が内部を流れる計測セルと、
前記計測セルに設けられ、前記計測セル内に励起光を通過させる入光窓と、
前記計測セルに設けられ、前記励起光が照射させた前記試料流体からのラマン散乱光を前記計測セル外へ通過させる出光窓と、
前記励起光を出射する光出射部を有し、前記入光窓を介して前記励起光を前記計測セル内の前記試料流体に照射する出射光学系と、
前記出光窓を通過した前記ラマン散乱光を集光する集光光学系と、前記集光光学系で集光された前記ラマン散乱光を受光する受光部とを有する受光光学系と、
前記受光部からの出力に基づいて前記試料流体の組成を分析する分析部と、
前記出射光学系と前記受光光学系とを互いの位置関係が変位不能に直接連結する連結部材と、
を備え、
前記出射光学系と前記受光光学系と前記連結部材で構成される光学ユニットは、前記計測セルの熱変形を許容しつつ、前記出射光学系の光軸の向きに対して前記受光光学系の光軸の向きが相対変位不能に前記計測セルに取り付けられている、
流体組成分析装置。
前記入光窓と前記出光窓とは、前記試料流体が流れる前記計測セル内の空間を挟んで互いに対向する位置に設けられ、
前記連結部材は、前記出射光学系と前記受光光学系とを間隔をあけて互いに対向させ、且つ前記出射光学系の光軸と前記受光光学系の光軸とを同一直線上に位置させて、前記出射光学系と前記受光光学系とを互いを連結する連結ロッドを有し、
前記計測セルには、前記入光窓と前記出光窓とが対向する方向に貫通する係合部が形成され、
前記連結ロッドは、前記係合部に挿通されることで係合されている、
請求項１又は２に記載の流体組成分析装置。
前記連結ロッドは、前記係合部に対して隙間を有して挿通され、
前記連結部材は、前記連結ロッドに接して、前記連結ロッドとの接触位置が前記計測セルに対して相対移動不能に前記連結ロッドを前記計測セルに取り付ける取付具を有している、
請求項３に記載の流体組成分析装置。
試料流体が内部を流れる計測セルと、
前記計測セルに設けられ、前記計測セル内に励起光を通過させる入光窓と、
前記計測セルで、前記試料流体が流れる前記計測セル内の空間を挟んで前記入光窓と対向する位置に設けられ、前記励起光が照射させた前記試料流体からのラマン散乱光を前記計測セル外へ通過させる出光窓と、
前記励起光を出射する光出射部を有し、前記入光窓を介して前記励起光を前記計測セル内の前記試料流体に照射する出射光学系と、
前記出光窓を通過した前記ラマン散乱光を集光する集光光学系と、前記集光光学系で集光された前記ラマン散乱光を受光する受光部とを有する受光光学系と、
前記受光部からの出力に基づいて前記試料流体の組成を分析する分析部と、
前記出射光学系と前記受光光学系とを互いの位置関係が変位不能に直接連結する連結部材と、
を備え、
前記連結部材は、前記出射光学系と前記受光光学系とを間隔をあけて互いに対向させ、且つ前記出射光学系の光軸と前記受光光学系の光軸とを同一直線上に位置させて、前記出射光学系と前記受光光学系とを互いを連結する連結ロッドと、前記連結ロッドを前記計測セルに取り付ける取付具と、を有し、
前記計測セルには、前記入光窓と前記出光窓とが対向する方向に貫通する係合部が形成され、
前記取付具は、前記係合部に挿通された前記連結ロッドに接して、前記連結ロッドとの接触位置が前記計測セルに対して相対移動不能に前記連結ロッドを前記計測セルに取り付ける、
流体組成分析装置。
前記連結部材は、前記出射光学系を保持し、前記連結ロッドに取り付けられる出射光学系保持枠と、前記連結ロッドに対する前記出射光学系保持枠の向き及び固定位置を調節する取付調節具と、前記受光光学系を保持し、前記連結ロッドに取り付けられる受光光学系保持枠と、前記連結ロッドに対する前記受光光学系保持枠の向き及び固定位置を調節する取付調節具と、
を備えている請求項３から５のいずれか一項に記載の流体組成分析装置。
前記連結部材は、互いに平行な４本の前記連結ロッドを有する、
請求項３から６のいずれか一項に記載の流体組成分析装置。
前記出光窓は、前記励起光を反射し、前記ラマン散乱光を前記計測セル外へ通過させるフィルターである、
請求項１から７のいずれか一項に記載の流体組成分析装置。
請求項１から８のいずれか一項に記載の流体組成分析装置と、
前記流体組成分析装置の前記分析部で分析された前記試料流体の組成に基づいて、前記試料流体の発熱量を求め、前記発熱量を出力する発熱量演算器と、
を備えている熱量計。
燃料ガスを燃焼させて駆動するガスタービンと、
前記燃料ガスを前記試料流体として、前記燃料ガスの発熱量を求める請求項９に記載の熱量計と、
前記熱量計から出力された前記燃料ガスの発熱量を用いて前記ガスタービンの動作を制御する制御装置と、
を備えているガスタービンプラント。
燃料ガスを燃焼させて駆動するガスタービンを備えているガスタービンプラントの運転方法において、
請求項９に記載の熱量計を用いて、前記燃料ガスを前記試料流体として、前記燃料ガスの発熱量を求め、
前記熱量計で求められた前記燃料ガスの発熱量を用いて前記ガスタービンの動作を制御する、
ガスタービンプラントの運転方法。