JP2015072180A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の組成分析精度を低下させずに試料流体の流量を少なくする。
【解決手段】流体組成分析装置は、試料流体が流入する流入口１４ｏと試料流体が流出する流出口１５ｏとが形成されている計測セル１０と、計測セル１０内を流れる試料流体の流れ方向に対して交差する方向から、試料流体に励起光を照射する励起光学系３０と、励起光が照射させた試料流体からのラマン散乱光を受光する受光光学系４０と、を備える。流入口１４ｏは、流入口１４ｏの開口面中の長軸Ａｌが延びている長手方向に長く、励起光学系３０の光軸Ａｉと長軸Ａｌとは、一つの仮想平面内に位置する。
【選択図】図４

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。流体が内部を流れるケーシングと、ケーシング内の流体に励起光を照射する光源と、励起光が照射された流体からのラマン散乱光を集光する集光光学系と、集光光学系で集光されたラマン散乱光を受光する受光部と、受光された光を分析する算出部と、を備えている。

国際公開第２０１３／０３１８９６号

上記特許文献１に記載の分析装置を含め、各種分析装置では、分析対象のサンプリング量ができるかぎり少ないことが望ましい。これは、サンプリング量が少なければ少ないほど、実際に利用する流体の流量が多くなる上に、分析装置に流体を導くための配管径等を小さくすることができ、設備コストを抑えることができるからである。

一方、各種分析装置では、分析対象のサンプリング量が少なくなると、一般的に分析精度が落ちる傾向がある。

そこで、本発明は、流体の組成分析精度を低下させずに試料流体の流量を少なくすることができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための発明に係る第一態様としての流体組成分析装置は、
試料流体が流入する流入口と前記試料流体が流出する流出口とが形成され、前記試料流体が内部を流れる計測セルと、前記計測セル内を流れる前記試料流体の流れ方向に対して交差する方向から、前記試料流体に励起光を照射する励起光学系と、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受光する受光光学系と、前記受光光学系が受光した前記ラマン散乱光に基づいて前記試料流体の組成を分析する分析器と、を備え、
前記流入口は、前記流入口の開口面中の長軸が延びている長手方向に長く、前記開口面中で前記長軸とは異なる短軸が延びている短手方向に短く、前記励起光学系の光軸と前記長軸とは、一つの仮想平面内に位置する。

励起光の光束は、励起光学系の光軸を含み且つこの光軸の方向に長く形成される。このため、励起光学系の光軸と流入口の長軸とが一つの仮想平面内に位置すると、流入口から励起光の光束中に試料流体が効率的に供給される。このため、当該流体組成分析装置では、励起光の光束中の試料流体から発せられるラマン散乱光の光量の低下を抑えつつも、試料流体の流量を少なくすることができる。

ここで、前記第一態様としての前記流体組成分析装置において、前記光軸と前記長軸とは、平行であってもよい。

励起光学系の光軸に対して流入口の長軸が傾いていている場合、流入口から流入した試料流体が励起光の光束中に達するまでの時間にバラつきが生じる上に、流入口からの試料流体のうちで励起光の光束を通らない試料流体が多くなる。このため、励起光学系の光軸と流入口の長軸とが平行であると、流入口から流入した試料流体が励起光の光束中に達するまでの時間のバラつきを抑えられ、所定時刻における試料流体の成分を正確に分析することができる。さらに、励起光学系の光軸と流入口の長軸とが平行であると、流入口からの試料流体のうちで励起光の光束を通らない試料流体が少なくなり、流入口から励起光の光束中に試料流体を効率的に供給することができる。

上記課題を解決するための発明に係る第二態様としての流体組成分析装置は、
試料流体が流入する流入口と前記試料流体が流出する流出口とが形成され、前記試料流体が内部を流れる計測セルと、前記計測セル内を流れる前記試料流体の流れ方向に対して交差する方向から、前記試料流体に励起光を照射する励起光学系と、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集光する集光光学系、及び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を有する受光光学系と、前記受光光学系が受光した前記ラマン散乱光に基づいて前記試料流体の組成を分析する分析器と、を備え、
前記流入口は、開口幅が長い長手方向と、前記長手方向とは異なる方向であって開口幅が短い短手方向とを持ち、前記長手方向は、前記励起光学系の光軸に沿った方向であり、前記流入口の前記長手方向の寸法は、前記集光光学系を通過した前記ラマン散乱光の全てが幾何学的に前記受光部に入射する計測領域における、前記励起光学系の前記光軸が延びている方向の寸法よりも長い。

励起光の光束は、励起光学系の光軸を含み且つこの光軸の方向に長く形成される。このため、流入口の長手方向が励起光学系の光軸に沿った方向であると、流入口から励起光の光束中に試料流体が効率的に供給される。よって、当該流体組成分析装置では、励起光の光束中の試料流体から発せられるラマン散乱光の光量の低下を抑えつつも、試料流体の流量を少なくすることができる。

集光光学系を通過したラマン散乱光の全てが幾何学的に受光部に入射する計測セル内の領域を計測領域とすると、励起光の光束中であって、この計測領域内の領域である計測−光束領域からのラマン散乱光を受光部で受光できれば、効率的に多くのラマン散乱光を受光することができる。当該流体組成分析装置では、流入口の長手方向の寸法が、計測領域における励起光学系の光軸が延びている方向の寸法よりも長い。このため、当該流体組成分析装置では、計測−光束領域の全域に流入口からの試料流体を供給することができ、計測−光束領域の全域からのラマン散乱光を受光部で受光できる。よって、当該流体組成分析装置では、効率的に多くのラマン散乱光を受光することができる。

上記課題を解決するための発明に係る第三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、前記計測セル内を流れる前記試料流体の流れ方向に対して交差する方向から、前記試料流体に励起光を照射する励起光学系と、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受光する受光光学系と、前記受光光学系が受光した前記ラマン散乱光に基づいて前記試料流体の組成を分析する分析器と、を備え、
前記計測セルは、複数の壁板で前記試料流体が流れる空間が形成されているセル本体を有し、複数の前記壁板のうち、第一壁板には、前記試料流体を前記空間に流入させる流入口としての開口が形成され、第二壁板には、前記空間内の前記試料流体を流出させる流出口としての開口が形成され、前記流入口は、開口幅が長い長手方向と、前記長手方向とは異なる方向であって開口幅が短い短手方向とを持ち、前記長手方向は、前記励起光学系の光軸に沿った方向である。

励起光の光束は、励起光学系の光軸を含み且つこの光軸の方向に長く形成される。このため、流入口の長手方向が励起光学系の光軸に沿った方向であると、流入口から励起光の光束中に試料流体が効率的に供給される。よって、当該流体組成分析装置では、励起光の光束中の試料流体から発せられるラマン散乱光の光量の低下を抑えつつも、試料流体の流量を少なくすることができる。

ここで、以上のいずれかの態様における流体組成分析装置において、前記励起光学系と前記受光光学系とは、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配置されていてもよい。

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。このため、励起光学系と受光光学系とが、試料流体が流れる計測セル内の空間を挟んで互いに対向配置されていると、各種方向に発せられるラマン散乱光のうち強度の大きい方向に発せられるラマン散乱光を受光光学系で受光することができる。よって、当該流体組成分析装置では、効率的に強度の大きいラマン散乱光を受光することができる。

上記課題を解決するための発明に係る第四態様としての流体組成分析装置は、
試料流体が流入する流入口と前記試料流体が流出する流出口とが形成され、前記試料流体が内部を流れる計測セルと、前記計測セル内を流れる前記試料流体の流れ方向に対して交差する方向から、前記試料流体に励起光を照射する励起光学系と、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励起光学系と対向配置され、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受光する受光光学系と、前記受光光学系が受光した前記ラマン散乱光に基づいて前記試料流体の組成を分析する分析器と、を備え、
前記流入口は、開口幅が長い長手方向と、前記長手方向とは異なる方向であって開口幅が短い短手方向とを持ち、前記長手方向は、前記励起光学系の光軸に沿った方向である。

励起光の光束は、励起光学系の光軸を含み且つこの光軸の方向に長く形成される。このため、流入口の長手方向が励起光学系の光軸に沿った方向であると、流入口から励起光の光束中に試料流体が効率的に供給される。よって、当該流体組成分析装置では、励起光の光束中の試料流体から発せられるラマン散乱光の光量の低下を抑えつつも、試料流体の流量を少なくすることができる。

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。このため、励起光学系と受光光学系とが、試料流体が流れる計測セル内の空間を挟んで互いに対向配置されていると、各種方向に発せられるラマン散乱光のうち強度の大きい方向に発せられるラマン散乱光を受光光学系で受光することができる。よって、当該流体組成分析装置では、効率的に強度の大きいラマン散乱光を受光することができる。

ここで、励起光学系と受光光学系とが互いに対向配置されている、いずれかの前記流体組成分析装置において、前記励起光学系の光軸と前記受光光学系の光軸とが同一直線上に位置してもよい。

励起光学系の光軸と受光光学系の光軸とが同一直線上に位置していると、各種方向に発せられるラマン散乱光のうち強度の最も大きい方向に発せられるラマン散乱光を受光光学系で受光することができる。よって、当該流体組成分析装置では、極めて効率的に強度の大きいラマン散乱光を受光することができる。

また、以上のいずれかの前記流体組成分析装置において、前記受光光学系は、前記励起光が照射された前記試料流体からの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、を有している場合、前記流入口の前記長手方向の寸法は、前記集光光学系を通過した前記ラマン散乱光の全てが幾何学的に前記受光部に入射する計測領域における、前記励起光学系の前記光軸が延びている方向の寸法よりも長くてもよい。

集光光学系を通過したラマン散乱光の全てが幾何学的に受光部に入射する計測セル内の領域を計測領域とすると、励起光の光束中であって、この計測領域内の領域である計測−光束領域からのラマン散乱光を受光部で受光できれば、効率的に多くのラマン散乱光を受光することができる。当該流体組成分析装置では、流入口の長手方向の寸法が、計測領域における励起光学系の光軸が延びている方向の寸法よりも長い。このため、当該流体組成分析装置では、計測−光束領域の全域に流入口からの試料流体を供給することができ、計測−光束領域の全域からのラマン散乱光を受光部で受光できる。よって、当該流体組成分析装置では、効率的に多くのラマン散乱光を受光することができる。

また、以上のいずれかの前記流体組成分析装置において、前記流入口と前記流出口とは互いに対向し、前記流入口の開口面の中心と前記流出口の開口面の中心とを結ぶ仮想線分は、前記励起光学系の光軸と直交してもよい。

流入口の開口面の中心と流出口の開口面の中心とを結ぶ仮想線分が励起光学系の光軸と直交していると、流入口から流入して流入口に向かう試料流体が励起光の光束中に達するまでの時間のバラつき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、所定時刻における試料流体の成分を正確に分析することができる。

上記課題を解決するための発明に係る一態様としての熱量計は、
以上のいずれかの流体組成分析装置と、前記流体組成分析装置の前記分析器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。

当該熱量計では、少量の試料流体で、高精度の発熱量を得ることができる。

上記課題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。

上記課題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。

本発明では、流体の組成分析精度を低下させずに試料流体の流量を少なくすることができる。

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光学系の構成を示す説明図である。 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要部切欠き斜視図である。 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。 本発明に係る第一実施形態における試料流体の流入口及び流出口と光学系との位置関係を示す説明図である。 集光光学系の焦点と計測領域との関係を示す説明図である。 集光光学系の焦点を含む焦点面と計測領域との関係を示す説明図である。 焦点光学系の焦点に対する内側位置を示す説明図である。 焦点光学系の焦点に対する内側位置及び外側位置を示す説明図である。 集光光学系に関する計測領域を示す説明図である。 集光光学系から出射するラマン散乱光に対する受光用光ファイバーに入射するラマン散乱光の比率である受光率と、励起光学系の光軸からの距離との関係を示すグラフである。 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。 本発明に係る第二実施形態の流体組成分析装置における試料流体の流入口及び流出口と光学系との位置関係を示す説明図である。 本発明に係る第一変形例における計測セルと光学系との関係を示す説明図である。 本発明に係る第二変形例における計測セルと光学系との関係を示す説明図である。 本発明に係る流入口の各種変形例の平面図であり、同図（ａ）は流入口の第一変形例の平面図、同図（ｂ）は流入口の第二変形例の平面図、同図（ｃ）は流入口の第三変形例の平面図、同図（ｄ）は流入口の第四変形例の平面図である。 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１２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Ｇ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内を流れる試料流体Ｇに励起光であるレーザ光を照射する励起光学系３０と、レーザ光が照射された試料流体Ｇからの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、を備えている。

励起光学系３０は、励起光であるレーザ光を出射するレーザ発振器３１と、レーザ発振器３１を保持する発振器保持枠３５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、絞り３３を保持する絞り保持枠３６と、計測セル１０に設けられている入光窓３４と、発振器保持枠３５及び絞り保持枠３６を計測セル１０に取り付ける４本の取付ロッド３９と、を有している。入光窓３４は、レーザ光を透過する。絞り３３の光軸は、レーザ発振器３１の光軸上に位置しており、入光窓３４の中心は、この光軸上に位置している。すなわち、レーザ発振器３１の光軸は、励起光学系３０の光軸Ａｉを成している。

４本の取付ロッド３９は、いずれも、発振器保持枠３５及び絞り保持枠３６を貫通していると共に、計測セル１０も貫通している。

受光光学系４０は、計測セル１０に設けられている出光窓４１と、出光窓４１を通過したラマン散乱光を集光する集光光学系４２と、この集光光学系４２を保持する集光光学系保持枠５６と、ノイズ光を除去するノイズ光除去系４５と、集光光学系４２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（受光部）５１と、この受光用光ファイバー５１を保持する受光部保持枠５５と、集光光学系保持枠５６及び受光部保持枠５５を計測セル１０に取り付ける取付ロッド５９と、を有している。この受光光学系４０は、計測セル１０内の空間を挟んで、励起光学系３０と対向配置されている。

出光窓４１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。

集光光学系４２は、２枚の平凸レンズ４４で構成される集光レンズ４３を有している。２枚の平凸レンズ４４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４３を構成している。受光用光ファイバー５１の光軸は、この集光レンズ４３の光軸上に位置しており、出光窓４１の中心はこの光軸に位置している。すなわち、集光レンズ４３の光軸は、集光光学系４２の光軸を成すと共に、受光光学系４０の光軸Ａｏを成している。この集光レンズ４３は、入光窓３４と出光窓４１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５１の受光面５２に集光させる。よって、計測領域Ｒとは、受光用光ファイバー５１の受光面５２上の点光源からの光が集光レンズ４３により計測セル１０内で集光される焦点Ｆを含む領域である。

ノイズ光除去系４５は、集光レンズ４３よりも計測セル１０側に位置している第一遮光部材４６と、２枚の平凸レンズ４４で挟まれている第二遮光部材４７及びフィルター４８と、を有している。第一遮光部材４６及び第二遮光部材４７は、円板形状であり、その中心が集光レンズ４３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４６及び第二遮光部材４７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４７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４６は、その外径が第二遮光部材４７の外径よりも小さい。

フィルター４８は、２枚の平凸レンズ４４の間であって、第二遮光部材４７の外周側に配置されている。このフィルター４８は、ラマン散乱光を選択的に透過させる。

受光用光ファイバー５１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。

４本の取付ロッド５９は、いずれも、集光光学系保持枠５６及び受光部保持枠５５を貫通していると共に、計測セル１０も貫通している。受光光学系４０は、４本の取付ロッド５９により、受光光学系４０の光軸Ａｏが励起光学系３０の光軸Ａｉ上に位置するよう、計測セル１０に取り付けられている。なお、励起光学系３０の４本の取付ロッド３９と、この受光光学系４０の４本の取付ロッド５９とは、同一のものであってもよい。つまり、流体組成分析装置Ｍは、計測セル１０を貫通している４本の取付ロッドを有し、計測セル１０を基準にして一方側が励起光学系３０の取付ロッドを成し、他方側が受光光学系４０の取付ロッドを成すようにしてもよい。また、ここでは、励起光学系３０や受光光学系４０の各要素を計測セル１０に取り付けるために、棒状の取付ロッド３９，５９を用いているが、この替りに、各要素を覆う筒状の枠を用いてもよい。

ここで、以下の説明の都合上、励起光光学系の光軸Ａｉが延びている方向をＺ方向とし、このＺ方向に垂直で互いに垂直な方向をそれぞれＸ方向及びＹ方向とする。

計測セル１０は、図２及び図３に示すように、複数の壁板で形成されているセル本体１１と、セル本体１１の（−）Ｙ側に接続されている流入管２５と、セル本体１１の（＋）Ｙ側に接続されている流出管２６と、を有している。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。

セル本体１１を形成する複数の壁板１２〜２２のうち、２枚の壁板は、長方形状の板で互いにＺ方向で対向し、一方の壁板が入光側壁板１２を成し、他方の壁板が出光側壁板１３を成している。長方形状の入光側壁板１２及び出光側壁板１３は、いずれも長辺の延びている方向がＹ方向である。入光側壁板１２には、開口１２ｏ（図３に示す）が形成され、この開口１２ｏが前述の入光窓３４により塞がれている。この入光窓３４は、入光窓枠２３により入光側壁板１２に固定されている。また、出光側壁板１３で、入光側壁板１２の開口１２ｏと対向する位置にも、開口１３ｏが形成され、この開口１３ｏが前述の出光窓４１により塞がれている。この出光窓４１は、出光窓枠２４により出光側壁板１３に固定されている。

セル本体１１を形成する複数の壁板１２〜２２のうち、２枚の壁板は、長方形状の板で互いにＹ方向で対向し、一方の壁板が流入側壁板（第一壁板）１４を成し、他方の壁板が流出側壁板（第二壁板）１５を成す。長方形状の流入側壁板１４及び流出側壁板１５は、いずれも、長辺の延びている方向がＺ方向である。長方形状の流入側壁板１４は、（−）Ｚ側の短辺が入光側壁板１２の（−）Ｙ側の短辺に接続され、（＋）Ｚ側の短辺が出光側壁板１３の（−）Ｙ側の短辺に接続されている。この流入側壁板１４のＸ方向の幅寸法は、入光側壁板１２及び出光側壁板１３のＸ方向の幅寸法と一致している。また、この流入側壁板１４のＺ方向の幅寸法は、この流入側壁板１４のＸ方向の幅寸法より長い。流入側壁板１４には、Ｙ方向に貫通する流入口１４ｏが形成されている。この流入口１４ｏは、図４に示すように、貫通方向であるＹ方向から見ると、長方形状を成し、その長辺がＺ方向に延びている。言い換えると、この流入口１４ｏにおける開口面の長軸Ａｌは、励起光学系３０の光軸Ａｉと平行である。ここでの長軸Ａｌとは、この流入口１４ｏの開口面の中心を通り、流入口１４ｏで最も開口寸法が短い方向に延びる短軸Ａｓに対して垂直な方向に延びる軸である。なお、ここでの短軸Ａｓは、励起光学系３０の光軸Ａｉに垂直なＸ方向に延びている。流入管２５は、流入側壁板１４の流入口１４ｏに接続されている。

流出側壁板１５は、入光側壁板１２及び出光側壁板１３から（＋）Ｙ側に離間した位置に配置されている。この長方形状の流出側壁板１５のＸ方向の幅寸法は、流入側壁板１４のＸ方向の幅寸法より短い。また、流出側壁板１５のＺ方向の幅寸法も、流入側壁板１４のＺ方向の幅寸法より短い。流出側壁板１５には、Ｙ方向に貫通する流出口１５ｏが形成されている。この流出口１５ｏは、貫通方向であるＹ方向から見ると、円形を成す。この円形の流出口１５ｏの開口面の中心と前述の長方形状の流入口１４ｏの開口面の中心とを結ぶ仮想線分Ｌｖは、励起光学系３０の光軸Ａｉに直交している。流出管２６は、流出側壁板１５の流出口１５ｏに接続されている。

セル本体１１を形成する複数の壁板１２〜２２のうち、２枚の壁板は、長方形状を成し、互いにＸ方向で対向している。長方形状の各側壁板１６，１７は、長辺の延びている方向がＹ方向である。各側壁板１６，１７の長辺は、入光側壁板１２の長辺及び出光側壁板１３の長辺に接続されている。また、各側壁板１６，１７の短辺のうち、（−）Ｙ側の短辺は、流入側壁板１４の長辺に接続されている。各側壁板１６，１７のＺ方向の幅寸法は、流入側壁板１４のＺ方向の幅寸法と一致している。また、各側壁板１６，１７のＹ方向の幅寸法は、入光側壁板１２及び出光側壁板１３のＹ方向の幅寸法と一致している。

セル本体１１を形成する複数の壁板１２〜２２のうち、２枚の壁板は、等脚台形状の板で互いにＺ方向で対向し、それぞれが第一傾斜壁板１８,１９を成す。等脚台形状の第一傾斜壁板１８,１９の底辺は、天辺に対して（−）Ｙ側に位置している。２枚の第一傾斜壁板１８,１９のうち、一方の第一傾斜壁板１８の底辺は、入光側壁板１２における（＋）Ｙ側の短辺に接続され、他方の第一傾斜壁板１９の底辺は、出光側壁板１３における（＋）Ｙ側の短辺に接続されている。また、各第一傾斜壁板１８,１９の天辺は、長方形状の流出側壁板１５の短辺に接続されている。流出側壁板１５のＺ方向の幅寸法は、前述したように、流入側壁板１４のＺ方向の幅寸法、つまり入光側壁板１２と出光側壁板１３とのＺ方向の間隔寸法より短い。このめ、２枚の第一傾斜壁板１８,１９の相互間隔は、（＋）Ｙ側に向かうに連れて次第に狭くなる。

セル本体１１を形成する複数の壁板１２〜２２のうち、２枚の壁板は、等脚台形状の板で互いにＸ方向で対向し、それぞれが第二傾斜壁板２１,２２を成す。等脚台形状の第二傾斜壁板２１,２２の底辺は、天辺に対して（−）Ｙ側に位置している。各第二傾斜壁板２１,２２の底辺は、側壁板１６，１７における（＋）Ｙ側の短辺に接続されている。また、各第二傾斜壁板２１,２２の天辺は、長方形状の流出側壁板１５の長辺に接続されている。流出側壁板１５のＸ方向の幅寸法は、前述したように、流入側壁板１４のＸ方向の幅寸法、つまり二枚の側壁板１６，１７のＸ方向の間隔寸法より短い。このめ、２枚の第二傾斜壁板２１,２２の相互間隔は、（＋）Ｙ側に向かうに連れて次第に狭くなる。

次に、計測セル１０内の計測領域Ｒについて、図５〜図１０を用いて説明する。

計測領域Ｒは、集光光学系４２、つまり集光レンズ４３を通過したラマン散乱光の全てが幾何学的に受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射する領域である。なお、この受光面５２は、受光光学系４０の光軸Ａｏを中心として円形である。また、集光レンズ４３の焦点Ｆからのラマン散乱光であって、集光レンズ４３を通過したラマン散乱光の全ては、幾何学的に受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射する。よって、この計測領域Ｒは、図５に示すように、受光用光ファイバー５１の受光面５２上の点光源からの光が集光レンズ４３により計測セル１０内で集光される焦点Ｆを含む領域である。

図１０に示すように、前述の焦点Ｆの位置を「０」とし、この焦点Ｆから集光レンズ４３の光軸Ａｏに対して垂直な方向への距離が所定距離内の領域では、この領域からのラマン散乱光であって集光レンズ４３を通過したラマン散乱光のうち、幾何学的に受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射する受光率は、１００％である。つまり、焦点Ｆから所定距離の領域内からのラマン散乱光であって集光レンズ４３を通過したラマン散乱光の全てが幾何学的に受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射する。一方、焦点Ｆから集光光学系４２の光軸Ａｏに対して垂直な方向への距離が所定距離より大きくなると、受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射する受光率は、急激に小さくなる。

よって、図６に示すように、焦点Ｆの位置における集光光学系４２の光軸Ａｏに対して垂直な焦点面中で、焦点Ｆから前述の所定距離の領域内、つまり焦点Ｆを中心とした円形の領域Ｒｆ内からのラマン散乱光であって集光レンズ４３を通過したラマン散乱光は、その全てが幾何学的に受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射する。このため、焦点Ｆから所定距離の円形の領域Ｒｆは、計測領域Ｒに含まれる。

図７に示すように、集光レンズ４３の光軸Ａｏ上で、焦点Ｆから集光レンズ４３側に所定距離離れた内側点Ｆｉからのラマン散乱光であって集光レンズ４３を通過したラマン散乱光の全ては、幾何学的に受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射する。また、図８に示すように、集光レンズ４３の光軸Ａｏ上で、焦点Ｆから集光レンズ４３から離れる側に所定距離離れた外側点Ｆｏからのラマン散乱光であって集光レンズ４３を通過したラマン散乱光の全ても、幾何学的に受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射する。すなわち、集光光学系４２の光軸Ａｏ上であって、内側点Ｆｉと外側点Ｆｏとの間の領域内からのラマン散乱光であって集光レンズ４３を通過したラマン散乱光の全ては、幾何学的に幾何学的に受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射する。

ここで、図９に示すように、集光レンズ４３の光軸Ａｏ上で焦点Ｆと内側点Ｆｉとの間の内側中間点Ｆｉｍについて着目する。この内側中間点Ｆｉｍを含み、光軸Ａｏに対して垂直な面内の領域で、その領域からのラマン散乱光であって集光レンズ４３を通過したラマン散乱光が全て幾何学的に受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射する領域は、光軸Ａｏに対して垂直な方向で光軸Ａｏから所定距離内の領域である。この所定距離は、焦点面内の前述の領域Ｒｆに関する光軸Ａｏからの所定距離より短い。さらに、この所定距離は、内側中間点Ｆｉｍが内側点Ｆｉに近づくに連れて短くなり、内側点Ｆｉでは０になる。よって、焦点面から集内側点Ｆｉ側の領域で、その領域からのラマン散乱光であって集光レンズ４３を通過したラマン散乱光が全て幾何学的に受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射する領域は、内側点Ｆｉを頂点とし、焦点面中の領域Ｒｆを底面とした円錐形状の領域になる。また、同様に、焦点面から外側点Ｆｏ側の領域で、その領域からのラマン散乱光であって集光レンズ４３を通過したラマン散乱光が全て幾何学的に受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射する領域は、外側点Ｆｏを頂点とし、焦点面中の領域Ｒｆを底面とした円錐形状の領域になる。

従って、集光光学系４２の計測領域Ｒは、内側点Ｆｉを頂点とし、焦点面中の領域Ｒｆを底面とした円錐形状の領域と、外側点Ｆｏを頂点とし、焦点面の領域Ｒｆを底面とした円錐形状の領域とを合わせた領域である。

ところで、レーザ光の光束Ｂｆは、図４に示すように、励起光学系３０の光軸Ａｉを含み且つこの光軸Ａｉに沿った方向に延びている。また、集光レンズ４３の光軸Ａｏは、励起光学系３０の光軸Ａｉ上に位置している。このため、レーザ光の光束Ｂｆは、集光レンズ４３の光軸Ａｏを含み且つこの光軸Ａｏに沿った方向に延びている。ラマン散乱光が発せられる領域は、このレーザ光の光束Ｂｆ中の領域である。

レーザ光の光束Ｂｆ中の試料流体Ｇからのラマン散乱光で、集光レンズ４３を通過した全てが幾何学的に受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射するラマン散乱光は、上述の計測領域Ｒ内からのラマン散乱光である。よって、計測領域Ｒ内で且つレーザ光の光束Ｂｆ中の領域である計測−光束領域ＲＢ中に、選択的に試料流体Ｇを供給すれば、極めて少ない流量の試料流体Ｇであっても、受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射するラマン散乱光の光量の低下を抑えることができる。

よって、本実施形態では、計測−光束領域ＲＢ内に試料流体Ｇが積極的に供給されるよう、計測セル１０の流入口１４ｏの形状及び大きさを計測−光束領域ＲＢに対応させている。具体的に、計測−光束領域ＲＢは、Ｙ方向から見ると、励起光学系３０の光軸Ａｉを中心軸とし且つこの光軸Ａｉの方向を長手方向とする長方形の形状である。このため、本実施形態の流入口１４ｏの開口形状も長方形状である。また、本実施形態の流入口１４ｏの長方形状の開口面の長軸Ａｌと励起光学系３０の光軸Ａｉとが一つの仮想平面（図３の紙面に平行なＹＺ平面）内に位置し、長軸Ａｌと光軸Ａｉとが平行である。さらに、流入口１４ｏの開口面の中心と流出口１５ｏの開口面の中心とを結ぶ仮想線分Ｌｖが、集光レンズ４３の焦点Ｆの位置で励起光学系３０の光軸Ａｉとで直交する。また、流入口１４ｏの長軸Ａｌの長さ寸法、つまり流入口１４ｏの開口面の長手方向の長さ寸法Ｄ_Ｌは、計測−光束領域ＲＢにおける励起光学系３０の光軸Ａｉが延びている方向の長さ寸法Ｄ_ＲＢよりも若干長い。また、流入口１４ｏの短軸Ａｓの長さ寸法、つまり流入口１４ｏの開口面の長手方向の長さ寸法は、計測−光束領域ＲＢにおける励起光学系３０の光軸Ａｉに対して垂直な方向の長さ寸法よりも長い。

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２５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２６から試料流体Ｇが流出しているとする。励起光学系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３４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１１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３４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４１を透過する。また、入光窓３４を透過したレーザ光のうち出光窓４１に至ったレーザ光は、この出光窓４１で反射される。この出光窓４１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４１を透過する。

出光窓４１を透過したラマン散乱光は、集光レンズ４３により、受光用光ファイバー５１の受光面５２（受光部）に集光され、受光用光ファイバー５１に入光する。このラマン散乱光は、受光用光ファイバー５１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３４や出光窓４１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４６及び第二遮光部材４７により、受光用光ファイバー５１に入光するノイズ光の低減を図っている。

図１に示すように、入光窓３４は、集光レンズ４３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４１は、集光レンズ４３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４３から見た場合、出光窓４１のノイズ発生部の視野角は、入光窓３４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４１からのノイズ光に関して、この出光窓４１に近く且つ外径の小さい第一遮光部材４６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３４からのノイズ光に関して、入光窓３４及び出光窓４１から遠く且つ外径の大きい第二遮光部材４７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５１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５１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１２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。

本実施形態では、集光光学系４２を通過したラマン散乱光の全てが幾何学的に受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射する計測−光束領域ＲＢに、この領域ＲＢの形状及び大きさに対応した流入口１４ｏから試料流体Ｇが供給される。このため、流入口１４ｏからの試料流体Ｇのうちで計測−光束領域ＲＢを通らない試料流体Ｇが少なくなる一方で、計測−光束領域ＲＢを通る試料流体Ｇは少なくならず、受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射するラマン散乱光の光量の低下を抑えることができる。よって、本実施形態では、試料流体Ｇの組成分析精度を低下させずに試料流体Ｇの流量を少なくすることができる。

以下に、試料流体Ｇの流量の低減について詳述する。母管からの試料流体Ｇの引き込み時間による分析装置の応答性の低下を避けるためには、引き込み管における試料流体Ｇの流速を一定に保ったままで流量を減らす必要がある。そのため、引き込み管の断面積は試料流体Ｇの流量に比例して小さくしなければならない。そのとき、引き込み管に接続されている流入口１４ｏについて、何ら形状を工夫せず単純にこれを小さくすると、計測−光束領域ＲＢに存在する試料流体Ｇのうち、流入口１４ｏから流入した直後のものの割合が低下してしまう。具体的に、計測−光束領域ＲＢよりも流入口１４ｏを単純に小さくすると、この計測−光束領域ＲＢの一部にのみ流入口１４ｏからの試料流体Ｇが通過する。流入口１４ｏを小さくすればするほど、計測−光束領域ＲＢ中で、流入口１４ｏからの試料流体Ｇが通過する部分は小さくなる。

このように、流入口１４ｏからの試料流体Ｇが計測−光束領域ＲＢの一部のみを通過する場合、受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射するラマン散乱光は、流入口１４ｏから流入した直後の試料流体Ｇに起因するものだけでなく、計測セル１０内に滞留している試料流体Ｇに起因するものも含まれるようになる。このため、分析装置は、流入口１４ｏから流入した直後の試料流体Ｇと計測セル１０内に滞留している試料流体Ｇを合わせた組成を検出してしまう。この結果、試料流体Ｇの組成急変に対する分析装置の応答性が低下する。

本実施態様では、計測−光束領域ＲＢの形状及び大きさに対応した流入口１４ｏから試料流体Ｇを供給する。このため、本実施形態では、以上のような事態を生じることがなく、高い応答性を維持したまま試料流体Ｇの量を低減することができる。

また、本実施形態では、流入口１４ｏの長軸Ａｌの長さ寸法、つまり流入口１４ｏの開口面の長手方向の長さ寸法Ｄ_Ｌは、計測−光束領域ＲＢにおける励起光学系３０の光軸Ａｉが延びている方向の長さ寸法Ｄ_ＲＢよりも若干長い。このため、本実施形態では、計測−光束領域ＲＢの全域に流入口１４ｏからの試料流体Ｇを供給することができ、計測−光束領域ＲＢの全域からのラマン散乱光を受光用光ファイバー５１で受光できる。よって、本実施形態では、効率的に多くのラマン散乱光を受光することができる。

前述したように、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。本実施形態では、励起光学系３０と受光光学系４０とが、試料流体Ｇが流れる計測セル１０内の空間を挟んで互いに対向配置されているため、各種方向に発せられるラマン散乱光のうち強度の大きい方向に発せられるラマン散乱光を受光光学系４０で受光することができる。よって、本実施形態では、効率的に強度の大きいラマン散乱光を受光することができる。

なお、本実施形態の流体組成分析装置Ｍは、第一遮光部材４６及び第二遮光部材４７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１３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内を流れる試料流体Ｇに励起光であるレーザ光を照射する励起光学系３０と、レーザ光が照射された試料流体Ｇからのラマン散乱光を受光する受光光学系４０ａと、受光光学系４０ａ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と、を備えている。

本実施形態の励起光学系３０も、第一実施形態の励起光学系３０と同様、レーザ発振器３１、入光窓３４等を有している。また、本実施形態の受光光学系４０ａも、第一実施形態の受光光学系４０と同様、出光窓４１、集光光学系４２、受光用光ファイバー５１ａ等を有している。但し、第一実施形態では、励起光学系３０の光軸Ａｉ上に受光光学系４０の光軸Ａｏが位置しているが、本実施形態では、励起光学系３０の光軸Ａｉに対して受光光学系４０ａの光軸Ａｏが直交している。また、本実施形態では、受光用光ファイバー５１ａの受光面５２ａが、長方形状を成している。この長方形状の受光面５２ａの長手方向は、励起光学系３０の光軸Ａｉが延びているＺ方向である。

本実施形態の計測セル１０ａも、第一実施形態の計測セル１０と同様、複数の壁板で形成されているセル本体１１ａを有している。セル本体１１ａを形成する複数の壁板のうち、２枚の壁板は、長方形状の壁板で互いにＺ方向で対向し、一方の壁板が入光側壁板１２ａを成し、他方の壁板が入光対向壁板１３ａを成している。入光側壁板１２ａには、開口が形成され、この開口が入光窓３４により塞がれている。セル本体１１ａを形成する複数の壁板のうち、２枚の壁板は、長方形状の板で互いにＸ方向で対向し、一方の壁板が出光側壁板１６ａを成し、他方の壁板が出光対向壁板１７ａを成す。出光側壁板１６ａには、開口が形成され、この開口が出光窓４１により塞がれている。セル本体１１ａの形成する複数の壁板のうち、１枚の壁板は、長方形状の板で、Ｙ方向に垂直な方向に広がり、流入側壁板１４ａを成している。この流入側壁板１４ａは、入光側壁板１２ａの（−）Ｙ側の辺、入光対向壁板１３ａの（−）Ｙ側の辺、出光側壁板１６ａの（−）Ｙ側の辺、出光対向壁板１７ａの（−）Ｙ側の辺に接続されている。この流入側壁板１４ａには、Ｙ方向に貫通する流入口１４ｏａが形成されている。この流入口１４ｏａは、貫通方向であるＹ方向から見ると、長方形状を成し、その長辺がＺ方向に平行である。言い換えると、この流入口１４ｏａの開口面の中心を通る長軸Ａｌは、励起光学系３０の光軸Ａｉと平行である。なお、この流入口１４ｏａの開口面の中心を通る短軸Ａｓは、励起光学系３０の光軸Ａｉに垂直なＸ方向に延びている。

本実施形態の受光光学系４０ａでの計測領域Ｒａも、第一実施形態と同様、受光用光ファイバー５１ａの受光面５２ａ上の点光源からの光が集光レンズ４３により計測セル１０ａ内で集光される焦点Ｆを含む領域である。但し、本実施形態では、受光面５２ａの形状が長方形状であるため、集光レンズ４３を通過したラマン散乱光の全てが、幾何学的に受光用光ファイバー５１ａの受光面５２ａに入射する焦点面内の領域Ｒｆａの形状は長方形状である。このため、本実施形態の受光光学系４０ａでの計測領域Ｒａは、焦点面内の長方形状の領域Ｒｆａを底面とし、集光光学系４２の光軸Ａｏ上の内側点Ｆｉを通る線分を頂辺とする五面体形状の領域と、焦点面内の長方形状の領域Ｒｆａを底面とし、集光光学系４２の光軸Ａｏ上の外側点Ｆｏを通る線分を頂辺とする五面体形状の領域と、を合わせた領域になる。なお、内側点Ｆｉとは、前述したように、集光レンズ４３の光軸Ａｏ上の点であって、この点からのラマン散乱光であって集光レンズ４３を通過したラマン散乱光の全てが、幾何学的に受光用光ファイバー５１ａの受光面５２ａに入射する点のうち、最も集光レンズ４３側の点である。また、外側点Ｆｏとは、前述したように、集光レンズ４３の光軸Ａｏ上の点であって、この点からのラマン散乱光であって集光レンズ４３を通過したラマン散乱光の全てが、幾何学的に受光用光ファイバー５１ａの受光面５２ａに入射する点のうち、最も集光レンズ４３から遠い点である。

よって、本実施形態において、この計測領域Ｒａ内で且つレーザ光の光束Ｂｆ中の領域である計測−光束領域ＲＢは、第一実施形態と同様、Ｙ方向から見ると、励起光学系３０の光軸Ａｉを中心軸とし且つこの光軸Ａｉの方向を長手方向とする長方形の形状である。このため、本実施形態の流入口１４ｏａの開口形状も長方形状である。また、本実施形態の流入口１４ｏａの長方形状の開口面の長軸Ａｌと励起光学系３０の光軸Ａｉとが一つの仮想平面内に位置し、長軸Ａｌと光軸Ａｉとが平行である。さらに、流入口１４ｏａの開口面の中心と流出口１５ｏａの開口面の中心とを結ぶ仮想線分Ｌｖが、集光レンズ４３の焦点Ｆの位置で励起光学系３０の光軸Ａｉと直交する。また、流入口１４ｏａの長軸Ａｌの長さ寸法、つまり流入口１４ｏａの開口面の長手方向の長さ寸法Ｄ_Ｌは、計測−光束領域ＲＢにおける励起光学系３０の光軸Ａｉが延びている方向の長さ寸法Ｄ_ＲＢよりも若干長い。また、流入口１４ｏａの短軸Ａｓの長さ寸法、つまり流入口１４ｏａの開口面の短手方向の長さ寸法は、計測−光束領域ＲＢにおける励起光学系３０の光軸Ａｉに対して垂直な方向の長さ寸法よりも長い。

以上、本実施形態でも、第一実施形態と同様、集光光学系４２を通過したラマン散乱光の全てが幾何学的に受光用光ファイバー５１ａの受光面５２ａに入射する計測−光束領域ＲＢに、この領域ＲＢの形状及び大きさに対応した流入口１４ｏａから試料流体Ｇが供給される。よって、本実施形態でも、試料流体Ｇの組成分析精度を低下させずに試料流体Ｇの流量を少なくすることができる。

但し、前述したように、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。このため、本実施形態よりも、第一実施形態のように、励起光学系３０と受光光学系４０とを対向させ、互いの光軸Ａｉ，Ａｏを一致させる方が、受光用光ファイバー５１の受光面５２に入射するラマン散乱光の強度が大きくなり、組成分析精度の向上を図ることができる。

「流体組成分析装置の第一変形例」
図１４を用いて、本発明に係る流体組成分析装置の第一変形例について説明する。

以上の各実施形態では、流入口１４ｏにおける開口面の長軸Ａｌと励起光学系３０の光軸Ａｉとが一つの仮想平面内に位置し、長軸Ａｌと光軸Ａｉとが平行である。しかしながら、図１４に示すように、流入口１４ｏｂにおける開口面の長軸Ａｌと励起光学系３０の光軸Ａｉとが一つの仮想平面（図１４の紙面に平行なＹＺ平面）内に位置するものの、長軸Ａｌと光軸Ａｉとが平行でなくてもよい。すなわち、長軸Ａｌと光軸Ａｉとを含む仮想平面内で、光軸Ａｉに対して長軸Ａｌが多少傾いていてもよい。この場合、流入口１４ｏｂにおける開口面の中心と流出口１５ｏにおける開口面の中心とを結ぶ仮想線分Ｌｖは、光軸Ａｉと直交しない。

但し、長軸Ａｌと光軸Ａｉとを含む仮想平面内で、光軸Ａｉに対して長軸Ａｌが傾いていている場合、流入口１４ｏｂからセル本体１１ｂ内に流入した試料流体Ｇが励起光学系３０の光軸Ａｉを含む計測−光束領域ＲＢに達するまでの時間に僅かであるがバラつきが生じる。このため、所定時刻における試料流体Ｇの成分を正確に分析することができない。よって、基本的には、以上の各実施形態のように、流入口１４ｏの長軸Ａｌと励起光学系３０の光軸Ａｉとは平行であることが好ましい。

「流体組成分析装置の第二変形例」
図１５を用いて、本発明に係る流体組成分析装置の第二変形例について説明する。

以上の各実施形態では、セル本体１１を形成する複数の壁板のうちの１つの壁板１４に開口を形成し、この開口を流入口１４ｏとしている。しかしながら、図１５に示すように、セル本体１１ｃを形成する複数の壁板のうちの一つの壁板１４ｃに対して流入管２５ｃを貫通させ、この流入管２５ｃのセル本体１０ｃ内側の開口を流入口１４ｏｃとしてもよい。

「流入口の各種変形例」
図１６を用いて、本発明に係る流体組成分析装置における流入口の各種変形例について説明する。

以上の各実施形態の流入口の形状は、長軸Ａｌが励起光学系３０の光軸Ａｉと平行な方向に延びる長方形状である。しかしながら、流入口の形状は、励起光学系３０の光軸Ａｉと平行な方向に延びる長軸Ａｌを持つ形状、言い換えると、計測−光束領域ＲＢの長手方向に長い軸である長軸Ａｌを持つ形状であれば、他の形状でもよい。具体的には、図１６（ａ）に示すように、流入口１４ｏｄの形状は、例えば、励起光学系３０の光軸Ａｉと平行な方向に延びる長軸Ａｌを持つ楕円形状であってもよい。また、図１６（ｂ）に示すように、流入口１４ｏｅの形状は、例えば、励起光学系の光軸Ａｉと平行な方向に延びる長軸Ａｌを持つ平行四辺形形状であってもよい。

また、以上で流入口の長軸Ａｌは、「流入口の開口面の中心を通り、流入口で最も開口寸法が短い方向に延びる短軸Ａｓに対して垂直な方向に延びる軸」と定義している。しかしながら、流入口の長軸Ａｌは、「流入口の開口面の中心を通り、流入口で最も開口寸法が長い方向に延びる軸」であってもよい。この場合、例えば、図１６（ｃ）に示しように、流入口１４ｆの形状は長方形状であっても、その長軸Ａｌは、この流入口１４ｆで最も開口寸法が長い方向の延びる軸である対角線上の軸になる。

また、以上の実施形態では、流入口の長軸Ａｌと励起光学系の光軸Ａｉとが一つの仮想平面（ＹＺ平面）内に位置している。しかしながら、流入口１４ｏｇの長軸Ａｌは、図１６（ｄ）に示すように、励起光学系の光軸Ａｉを含む仮想平面（ＹＺ平面）内に位置せず、この仮想平面に対して多少傾いていてもよい。言い換えると、流入口１４ｏｇの長軸Ａｌは、励起光学系の光軸Ａｉに沿った方向に延びていればよい。さらに言い換えると、流入口１４ｏｇの長軸Ａｌが延びる長手方向は、励起光学系の光軸Ａｉとほぼ平行な方向であってもよい。なお、流入口１４ｏｇの長軸Ａｌが延びる長手方向が励起光学系の光軸Ａｉに沿った方向であるということは、ここでは、励起光学系の光軸Ａｉに対する長手方向の方位がこの光軸Ａｉを基準にして１０°の範囲内であることである。

但し、流入口の長軸Ａｌと励起光学系の光軸Ａｉとは、以上の実施形態のように、できる限り平行であることが好ましい。これは、光軸Ａｉに対して長軸Ａｌが傾いていている場合、前述したように、流入口からセル本体内に流入した試料流体Ｇが励起光学系の光軸Ａｉを含む計測−光束領域ＲＢに達するまでの時間に僅かであるがバラつきが生じる上に、流入口からの試料流体Ｇのうちで計測−光束領域ＲＢを通らない試料流体Ｇが若干多くなるからである。

「ガスタービンプラントの実施形態」
図１７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。また、この低圧燃料ガスライン１３３で、電気集塵器１２３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又は変形例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２５及び流出管２６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１２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のうちのいずれかを制御する。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、計測発熱量の精度低下を抑えつつも、計測に用いる燃料ガスの量を少なくすることができる。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。

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、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ：セル本体、１４ｏ，１４ｏａ，１４ｏｂ，１４ｏｃ，１４ｏｄ，１４ｏｅ，１４ｏｆ，１４ｏｇ：流入口、１５ｏ,１５ｏａ，１５ｏｂ：流出口、２５，２５ｃ：流入管、２６：流出管、３０：励起光学系、３１：レーザ発振器、３３：絞り、３４：入光窓、４０，４０ａ：受光光学系、４１：出光窓、４２：集光光学系、４３：集光レンズ、５１：受光用光ファイバー（受光部）、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、１４０：熱量計、１４１：発熱量演算器、１４５：制御装置

Claims (12)

1. 試料流体が流入する流入口と前記試料流体が流出する流出口とが形成され、前記試料流体が内部を流れる計測セルと、
   前記計測セル内を流れる前記試料流体の流れ方向に対して交差する方向から、前記試料流体に励起光を照射する励起光学系と、
   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受光する受光光学系と、
   前記受光光学系が受光した前記ラマン散乱光に基づいて前記試料流体の組成を分析する分析器と、
   を備え、
   前記流入口は、前記流入口の開口面中の長軸が延びている長手方向に長く、前記開口面中で前記長軸とは異なる短軸が延びている短手方向に短く、
   前記励起光学系の光軸と前記長軸とは、一つの仮想平面内に位置する、
   流体組成分析装置。
2. 前記光軸と前記長軸とは、平行である、
   請求項１に記載の流体組成分析装置。
3. 試料流体が流入する流入口と前記試料流体が流出する流出口とが形成され、前記試料流体が内部を流れる計測セルと、
   前記計測セル内を流れる前記試料流体の流れ方向に対して交差する方向から、前記試料流体に励起光を照射する励起光学系と、
   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集光する集光光学系、及び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を有する受光光学系と、
   前記受光光学系が受光した前記ラマン散乱光に基づいて前記試料流体の組成を分析する分析器と、
   を備え、
   前記流入口は、開口幅が長い長手方向と、前記長手方向とは異なる方向であって開口幅が短い短手方向とを持ち、
   前記長手方向は、前記励起光学系の光軸に沿った方向であり、前記流入口の前記長手方向の寸法は、前記集光光学系を通過した前記ラマン散乱光の全てが幾何学的に前記受光部に入射する計測領域における、前記励起光学系の前記光軸が延びている方向の寸法よりも長い、
   流体組成分析装置。
4. 試料流体が内部を流れる計測セルと、
   前記計測セル内を流れる前記試料流体の流れ方向に対して交差する方向から、前記試料流体に励起光を照射する励起光学系と、
   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受光する受光光学系と、
   前記受光光学系が受光した前記ラマン散乱光に基づいて前記試料流体の組成を分析する分析器と、
   を備え、
   前記計測セルは、複数の壁板で前記試料流体が流れる空間が形成されているセル本体を有し、
   複数の前記壁板のうち、第一壁板には、前記試料流体を前記空間に流入させる流入口としての開口が形成され、第二壁板には、前記空間内の前記試料流体を流出させる流出口としての開口が形成され、
   前記流入口は、開口幅が長い長手方向と、前記長手方向とは異なる方向であって開口幅が短い短手方向とを持ち、
   前記長手方向は、前記励起光学系の光軸に沿った方向である、
   流体組成分析装置。
5. 前記励起光学系と前記受光光学系とは、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配置されている、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の流体組成分析装置。
6. 試料流体が流入する流入口と前記試料流体が流出する流出口とが形成され、前記試料流体が内部を流れる計測セルと、
   前記計測セル内を流れる前記試料流体の流れ方向に対して交差する方向から、前記試料流体に励起光を照射する励起光学系と、
   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励起光学系と対向配置され、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受光する受光光学系と、
   前記受光光学系が受光した前記ラマン散乱光に基づいて前記試料流体の組成を分析する分析器と、
   を備え、
   前記流入口は、開口幅が長い長手方向と、前記長手方向とは異なる方向であって開口幅が短い短手方向とを持ち、
   前記長手方向は、前記励起光学系の光軸に沿った方向である、
   流体組成分析装置。
7. 前記励起光学系の光軸と前記受光学系の光軸とが同一直線上に位置している、
   請求項５又は６に記載の流体組成分析装置。
8. 前記受光光学系は、前記励起光が照射された前記試料流体からの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、を有し、
   前記流入口の前記長手方向の寸法は、前記集光光学系を通過した前記ラマン散乱光の全てが幾何学的に前記受光部に入射する計測領域における、前記励起光学系の前記光軸が延びている方向の寸法よりも長い、
   請求項１、２、４、６のいずれか一項に記載の流体組成分析装置。
9. 前記流入口と前記流出口とは互いに対向し、前記流入口の開口面の中心と前記流出口の開口面の中心とを結ぶ仮想線分は、前記励起光学系の光軸と直交している、
   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。
10. 請求項１から９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器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。
11. 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１０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。
12. 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１０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。

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