JP5395232B2 - 燃焼の監視および制御のための方法と装置 - Google Patents
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図1に示されているように、本発明の実施形態は、燃焼プロセスの検出と監視と制御とに適している検出装置10である。この検出装置10は、近赤外または中赤外スペクトルの選択された周波数でレーザ発振する一連の波長可変ダイオードレーザ12からのレーザ光を使用することによって波長可変ダイオードレーザ吸収分光法(TDLAS)を行う。各々の波長可変ダイオードレーザ12の出力は、単一モード光ファイバ14であってよい個別の光ファイバに結合され、および、マルチプレクサ16に送られる。本明細書で使用される場合に、「結合されている(coupled)」、「光学結合されている(optically coupled)」または「光学的に連絡している(in optical communication with)」は、光が中間の構成要素または自由空間を通過してまたは通過せずに第1の構成要素から第2の構成要素に進むことができる場合の相対物の相互間の機能的関係と定義される。マルチプレクサ16内では、その発生周波数の一部または全部の周波数のレーザ光が、複数の選択された周波数を有する多重化プローブビーム(multiplexed probe beam)を形成するために多重化される。この多重化プローブビームはピッチ側の光ファイバ18に結合され、および、図1に燃焼室22として示されているプロセスチャンバに作動的に関連付けられているピッチ光学部品20すなわちコリメータに伝送される。
図1を再び参照すると、この図には、単一の燃焼室22に関連付けられている2つ以上の組のピッチ光学部品20とキャッチ光学部品24とを特徴とする実施形態が概略的に示されている。多重化プローブビームは、図1に示されているように光スイッチ72であってよい経路選択装置によってピッチ光学部品20の各組に送られることが可能である。適している経路選択装置は、予め決められたシーケンスでピッチ光学部品/キャッチ光学部品の各組に対して最少の減衰を伴ってプローブビームを送るように実現されてよい光スイッチ、または、光学部品の各組に対して多重化プローブビームの分別部分を同時に送る光スプリッタを含む。
上述の大まかなトモグラフィの具体的な適用が図3に概略的に示されており、および、石炭燃焼発電ボイラ廃出液またはガス燃焼発電ボイラ廃出液からのNOxの還元のためのSCR(選択触媒還元)とSNCR(無触媒還元)におけるアンモニア注入の最適化に関する。この用途では、アンモニア注入器または尿素注入器の行列80がボイラ廃出液の流れの中に配置される。NOx濃度を最小にするために、超過量のアンモニア(または尿素)がその廃出液に加えられてよい。NOxは厳しく規制された非常に有害な空気汚染物質のグループである。この加えられたアンモニアはNOxを化学的に還元し、および、無害な窒素気体と水とを生成物として生じさせる。しかし、加えられる過剰なアンモニア(または尿素)の量は、これらの化学物質自体が有害な大気汚染物質でありかつ非常に高価なので、最小限にされなければならない。典型的には、3−5ppm未満の超過濃度のアンモニアが望ましい。しかし、発電所の燃焼廃出液中のNOxの分布は均一ではなく、かつ、時間的に安定していない。これに加えて、アンモニア注入器の1つまたは複数が任意の特定の時点において故障するかも知れず、この故障はアンモニア濃度の局所的な減少の原因となり、および、このことがNOx濃度における局所的なブリードスルー(bleed through)を生じさせる可能性がある。上述の通りの下流TDLAS格子78検出によってアンモニアまたはNOxの空間濃度を監視することが可能なので、本発明は、不均一なアンモニア分布が検出されて軽減されることを可能にする。したがって、2次元化学種濃度によるアンモニア注入格子76の最適化と注入器全体にわたる個別的な制御とが、SCR/SNCRプロセスの最適化を可能にする。検出器とアンモニア注入器とが、アンモニア注入器の自動化されたフィードバック制御を実現するデータ処理システムにリンクさせられてもよい。
本発明は、レーザ分光法の分野の専門家にとって公知である技術を使用してTDLASを行う。一般的に、TDLASは、ターゲット環境の中を通したレーザ光の伝送と、その後での、一酸化炭素または酸素のようなターゲットのガスを原因とする特定の波長でのレーザ光の吸収の検出とによって行われる。検出された光のスペクトル分析が、レーザ経路に沿ったガスのタイプと量の識別を可能にする。直接吸収分光法の詳細が、Teichert,FernholzおよびEbertの“Simultaneous in situ Measurement of CO, H20, and Gas Temperature in a Full-Sized, Coal-Fired Power Plant by Near-Infrared Diode Lasers”(Applied Optics, 42(12):2043, 20 April 2003)に説明されており、この全体が本明細書に引例として組み込まれている。レーザ吸収分光法の非接触という特徴が、このレーザ吸収分光法を、石炭燃焼発電所の燃焼区域、または、他のプローブが使用不可能な易燃性もしくは有毒性の環境のような過酷な環境に適したものにする。レーザ光の使用が、こうした環境の幾つかにおいて遭遇することがある極度の減衰(典型的には、99.9%を超える光損失)の存在下において検出可能な伝送を得るために必要な高い輝度を実現する。ターゲット用途の過酷な条件により適切に耐えるために、レーザ光は、防護された光ファイバを通してターゲット環境に対して送り込まれてよい。
1.それぞれに〜1000、2000、および、3000cm-1のより低い状態エネルギー。
2.共振時に約20%のビーム吸収を生じさせる約0.1−0.4の便利な吸光度を実現する。
3.最適の状況が、安価で高出力のDFBダイオード遠距離通信用レーザが使用可能である1250nmから1650nmの範囲内の遷移を使用することである。
4.遷移が容易な多重化を可能にするように適切に分離されなければならない。
5.選択された波長が、既存の(デ)マルチプレクサ格子によって効率的に回折させられなければならない。
波長多重化プローブビームを使用するTDLASの具体的な利点が、温度測定値の精度の向上である。TDLASを使用して正確な濃度測定を行うためには、監視対象のガスの温度を知らなければならない。分子吸光の強度は温度の関数である。従って、吸収特徴の振幅を濃度に変換するためには、温度を知らなければならない。COのような燃焼化学種の濃度を測定しようとする以前の幾つかの試みは、定量化における誤りの原因となる不十分な精度の温度測定値という欠点を有する。これは、伝統的に温度測定を全く含まない、ダイオードレーザに基づいたアンモニアスリップ監視装置の場合に特に当てはまる。本発明の検出システムでは、温度は、2つ以上の分子水線の強度の比率を測定することによって求められてよい。この2つの線の積分強度の比率は(システム全体の圧力が一定不変であると仮定すると)温度だけの関数である。したがって、原理的には、2つの線が正確な温度を与える。しかし、(工業燃焼プロセスにおいて典型的に見られるような)不均一な温度分布の場合には、2つの線は温度分布を求めるには不十分である。こうした不均一な温度分布の場合には、2つの線は「経路平均(path-averaged)」温度だけを求めることが可能であるにすぎない。これとは対照的に、(同一の化学種の)3つ以上の線の積分振幅を測定することが、温度の不均一性が調査されることを可能にする。この技術の例が、Sanders、Wang、Jeffries、および、Hansonによって“Applied Optics”(vol.40, num.24, 20 August 2001)においてプローブ分子として酸素を使用することによって示されており、このことは全体として本明細書に引例として組み入れられている。この好ましい技術は、照準線に沿って測定されたピーク強度の分布が、例えば、その経路の一方の半分が300Kでありかつその他方の半分が700Kであるので、例えば500Kの平均温度における経路とは同一でないということに基づく。
本発明は、遠距離通信産業で使用するために設計された比較的安価でありかつ一般的に入手可能な光学部品の使用から利益を得る。こうした遠距離通信装置は、このシステムのピッチ側とキャッチ側をファイバ結合するために適切に機能する。遠距離通信用途は、典型的には、一定不変の値(例えば、0.8nm)の差で比較的近接して互いに間隔をおいて分離させられている波長の複数の光ビームを受け入れる光学マルチプレクサを使用する。その次に、光ビームは、一般的に、単一モードの光ファイバ上に結合される。デマルチプレクサが逆のプロセスを行う。遠距離通信機器は、典型的には、1520nmから1620nmの波長で動作するように設計されており、および、1528nmから1563nmの光学C帯が最も多く利用されている。
mλ=2dsinΘb (1)
であり、前式中でmは次数であり、λは波長であり、dは罫線の間隔であり、および、Θbはブレーズ角である。
本発明のTDLASシステムの光学列(optical train)と、互いに広く間隔があいた波長から多重化された信号を必要とする類似の具体例とが、モードノイズの低減と高い効率の光収集という互いに対立する設計上の要件を原因として様々な設計上の難題をもたらす。モードノイズは、本明細書においては、測定対象のプロセスチャンバから光を収集するために、および、このプロセスチャンバに光を伝送するために使用されるファイバのコアの中における、時間および波長に応じて変動する不均一な光分布の結果として生じる検出光の信号レベルの変化として定義されている。
P=P0+ΣijcijEiEjcos[(2πv0Δnijz)/c+Δφij(T,σ)] (2)
であり、前式中で、
P0=波長非依存の平均出力、
Ei=i次横モードにおける光の振幅、
cij=i次横モードとj次横モードの間の重なり積分、
Δnij=i次モードとj次モードの間の屈折率の差、
Δφij=温度および応力を原因とするi次モードとj次モードの間の位相ずれ
である。
最低モード: E1=E1 0[exp i(kz−ωt)]cos πx/2a
その次のモード:E2=E2 0[exp i(kz−ωt)]sin πx/a
である。
I(x)=│E1+E2│2であり且つ合計出力がP=∫│E1+E2│2dx (3)
であり、前式中で積分がクリッピングと周辺減光との影響を含まなければならない。
1)モード依存の損失を減少させ、すなわち、クリッピングを減少させ、それによってcijを小さく保ち、
2)zを減少させ、それによって検査対象の吸収線よりも著しく大きいようにモデルノイズの期間を増大させ、
3)低分散ファイバを使用することによってΔnijを減少させ、
4)モードをスクランブルする(しかし、後述するように、すべてのモードスクランブル技術が同等に効果的であるというわけでない)、
ことによって減少させられることが可能である。
本発明の検出システムが、熱の効果と風と振動とからの運動をそれ自体が受けるボイラまたは他の過酷なプロセスチャンバの上にピッチ光学部品とキャッチ光学部品とがボルト固定されていても、そのピッチ光学部品とキャッチ光学部品とが最適のアラインメントを維持することを可能にする自動アラインメント調整機能を含むことが好ましい。本発明の極めて好ましい実施形態では、ピッチ光学部品とキャッチ光学部品の両方がフィードバック制御されたチップ/チルト段(tip/tilt stage)上に装着される。このピッチ光学部品とキャッチ光学部品の両方がチップ/チルト段の上に装着されるという必要条件は、センサが完全にファイバ結合されるという事実に起因する。したがって、多重化された光が、入力ファイバに直接取り付けられている平行化ピッチ光学部品によって測定領域をはさんで放射され、および、キャッチ光学部品が、典型的にはマルチモードファイバである出力ファイバの中に伝送光を直接結合させる。したがって、キャッチ光学部品は、ピッチ光学部品から放射されるビームと同一直線上にあるように方向付けられなければならない。このことは、集束された伝送ビームがマルチモードキャッチファイバの受容円錐(acceptance cone)内に到着するために必要である。
(1)検出器に結合された信号強度がピッチ/キャッチ効率に依存する。
(2)検出器に結合された不要な背景放射の量がキャッチ光学部品のetendueに依存する。
(3)760nmにおけるfew−モードノイズ(few-mode noise)の効果が、ピッチ/キャッチ構成に対して非常に敏感である。
(4)ノイズ特性(小さいが、より安定しているか、または、より大きいが、激しい変動を伴う)が、発射されるビームのサイズに依存すると予想される。より大きい発射ビームが好ましい。
(5)システムのミスアラインメント感度が、ピッチ焦点距離およびキャッチ焦点距離と、これに関連したファイバサイズとの一次関数である。
(1)すすの微粒子が光の一部分を吸収する。
(2)大きな角度の屈折または拡散が、光の一部分がキャッチ光学部品に到達することを妨げる。
(3)光が多数の小さい温度勾配を通過し、および、したがって、ランダムに方向付けられるが、依然としてキャッチ光学部品に到達する。
(1)ビーム全体の全方向における変化、
(2)ビームの中心軌跡の位置の変化、
(3)ビームサイズの変化、
(4)ビームの開き/波面の平面度の変化。
(1)(ゼロのビームオフセットとチルトの場合の)収集効率の丘のピーク高さが、キャッチ光学部品が入射ビーム全体を捕捉するのに十分な大きさではない場合に、キャッチ光学部品のetendue(焦点距離×NA)の2乗に比例しており、このポイントにおいてはキャッチ効率が100%である。
(2)丘が長円であり、および、キャッチ焦点距離を変化させることが、一方の軸をより長くし、かつ、他方の軸をより短くする。
(3)ビームのジッタを原因とする光収集効率の変動がノイズ発生源である。
Claims (11)
- ダイオードレーザ分光ガス検出装置であって、
選択されたレーザ発振周波数を有するダイオードレーザと、
前記ダイオードレーザに光学結合されているピッチ光学部品であって、プロセスチャンバに作動的に関連付けられており、かつ、前記プロセスチャンバの中を通して放射ビームに沿ってレーザ光を放射するように方向配置されているピッチ光学部品と、
前記プロセスチャンバの中を通して放射される前記レーザ光を受け取るために前記ピッチ光学部品に光学的に連絡しているキャッチ光学部品と、
前記キャッチ光学部品に光学結合されている光ファイバと、
前記ピッチ光学部品から前記キャッチ光学部品によって受け取られかつ前記光ファイバに結合されるレーザ光の量を最大化するように、前記放射ビームに対する前記キャッチ光学部品のアラインメント調整を可能にする、前記キャッチ光学部品に作動的に関連付けられているキャッチ側アラインメント調整機構と、
前記光ファイバに光学結合されている、前記選択されたレーザ発振周波数に対して感度を有する検出器と、
前記ピッチ光学部品のアラインメント調整と前記放射ビームの方向の調整とを可能にするピッチ側アラインメント調整機構と、
を備えるダイオードレーザ分光ガス検出装置。 - 前記キャッチ側アラインメント調整機構は、第1および第2の直交軸に沿って前記キャッチ光学部品をチルトさせる手段を含み、および、前記第1および第2の軸は前記放射ビームに対して実質的に直交している、請求項1に記載のダイオードレーザ分光ガス検出装置。
- 前記キャッチ光学部品をチルトする前記手段はステップモータを含む、請求項2に記載のダイオードレーザ分光ガス検出装置。
- 前記ピッチ光学部品によって放射されて前記キャッチ光学部品によって受け取られる光のアラインメントビームと、
前記検出器と前記キャッチ側アラインメント調整機構とに作動的に関連付けられているデータ処理システムであって、前記検出器に結合されている前記アラインメントビームの強度に関係している前記検出器からのデータを受け取り、および、さらに、前記検出器に結合されている前記アラインメントビームの強度を最大化するために、前記キャッチ側アラインメント調整機構が前記キャッチ側光学部品を前記放射ビームに対してアラインメント調整することを引き起こすデータ処理システムと、
をさらに備える、請求項1に記載のダイオードレーザ分光ガス検出装置。 - 前記ピッチ側アラインメント調整機構は、第1および第2の直交軸に沿って前記ピッチ光学部品をチルトさせる手段を含み、および、前記第1および第2の軸は前記放射ビームに対して実質的に直交している、請求項4に記載のダイオードレーザ分光ガス検出装置。
- 前記ピッチ光学部品をチルトさせる前記手段はステップモータを含む、請求項5に記載のダイオードレーザ分光ガス検出装置。
- 前記データ処理システムは、さらに、前記キャッチ光学部品によって受け取られかつ前記検出器に結合される前記アラインメントビームの強度を最大化するために、前記ピッチ側アラインメント調整機構が前記放射ビームの方向をアラインメント調整することを引き起こす、請求項6に記載のダイオードレーザ分光ガス検出装置。
- ダイオードレーザ分光ガス検出光学システムをアラインメント調整する方法であって、
光のアラインメントビームを供給することと、
プロセスチャンバの中を通して前記アラインメントビームを放射することと、
前記プロセスチャンバに作動的に関連付けられているキャッチ光学部品によって前記アラインメントビームを受け取ることと、
前記キャッチ光学部品からの前記アラインメントビームを光ファイバを経由して検出器に光学結合させることと、
前記キャッチ光学部品から前記光ファイバに結合された前記アラインメントビームの強度を測定することと、
前記キャッチ光学部品から前記光ファイバに結合された前記アラインメントビームの強度を最大化するように前記キャッチ光学部品をアラインメント調整することと、
を含み、
前記アラインメントビームはピッチ光学部品によって放射され、および、前記キャッチ光学部品から前記光ファイバに結合された前記アラインメントビームの強度を最大化するために前記ピッチ光学部品をアラインメント調整すること、をさらに含む、
ダイオードレーザ分光ガス検出光学システムをアラインメント調整する方法。 - 前記キャッチ光学部品を前記アラインメント調整することは、第1および第2の直交軸に沿って前記キャッチ光学部品をチルトさせることを含む、請求項8に記載のダイオードレーザ分光ガス検出光学システムをアラインメント調整する方法。
- 前記ピッチ光学部品を前記アラインメント調整することは、第1および第2の直交軸に沿って前記ピッチ光学部品をチルトさせることを含む、請求項8に記載のダイオードレーザ分光ガス検出光学システムをアラインメント調整する方法。
- 前記アラインメントビームの強度を最大化するために前記ピッチ光学部品と前記キャッチ光学部品とを逐次的にチルトさせることをさらに含む、請求項10に記載のダイオードレーザ分光ガス検出光学システムをアラインメント調整する方法。
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