JP5729285B2 - 燃焼排ガス分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、火力発電所の燃焼排ガスなどの燃焼ガスを試料ガスとし、試料ガス中のＳＯ₂やＮＯ_X、ＣＯの濃度を連続的に測定する燃焼排ガス分析装置に関するものである。

火力発電所などで発生する燃焼排ガス中のＳＯ₂やＮＯ_X、ＣＯなどの成分の濃度は、赤外線吸収式ガス分析計により連続的に測定されることが一般的である。赤外線吸収式ガス分析計の検出部は、試料ガスである燃焼排ガスを流通させるための試料セル、試料セルに対して測定光を照射する光源及び試料セルを透過した測定光に基づいて試料セル中の所定成分の濃度を検出する測定センサを備えている（特許文献１参照。）。

検出部にはＳＯ₂やＮＯ_X、ＣＯなどのそれぞれの成分の濃度を測定する測定センサが設けられている。各測定センサはそれぞれの測定対象成分のガスが封入されたセルを備えており、試料セルを透過した測定光がそのセル内を通過することで、測定対象成分の吸収波長領域の赤外線が選択的に測定される。

燃焼排ガス中にはＣＯ₂も含まれている。ＣＯ₂の赤外線吸収波長帯はＳＯ₂やＮＯ、ＣＯの吸収波長帯と一部が重なっており、ＣＯ₂の濃度がＳＯ₂やＮＯ、ＣＯの濃度の測定値に干渉し影響を与えるという問題があった。ＣＯ₂による測定値への干渉を抑制するために、検出器のセルの入射側に、ＣＯ₂の赤外線吸収波長領域の光を除去するフィルタやＣＯ₂ガスを封入したガスフィルタが一般的に配置されている。

しかし、これらのフィルタではＣＯ₂の赤外線吸収波長領域の光を完全に除去することはできないため、試料ガス中のＣＯ₂濃度を測定するＣＯ₂センサを別途設け、測定したＣＯ₂濃度でＳＯ₂やＮＯ、ＣＯの濃度の測定値を補正していた。なお、ＣＯ₂センサとしては、焦電センサなどが用いられる。

特開平１０−８２７４０号公報

測定対象成分であるＳＯ₂やＮＯ、ＣＯの濃度は高い測定精度が要求されるため、これらの成分を検出する各測定センサは標準ガスを用いた校正が定期的に行なわれていることが多い。これに対し、ＳＯ₂やＮＯ、ＣＯの濃度の補正に使用するＣＯ₂の濃度については測定精度が重視されていないため、ＣＯ₂センサについては、手間のかかる定期的な校正は実行されていないのがほとんどである。

ＣＯ₂センサのゼロ点校正はＳＯ₂やＮＯ、ＣＯなどの測定対象成分のセンサのゼロ点校正を行なう際に一緒に行なうことができる。しかし、スパン校正は別途ＣＯ₂標準ガスが必要となるため、長期間（例えば数カ月間や数年間）スパン校正が行なわれない状態で使用されている場合が多い。このため、ＣＯ₂センサのドリフトや故障などの異常によりＣＯ₂測定値に大きな誤差が生じていても、測定者がその異常を認識することができなかった。測定者がＣＯ₂センサの測定値の異常を認識できないため、ＳＯ₂やＮＯ、ＣＯの測定値を大きな誤差を含んだＣＯ₂濃度の測定値で補正してしまい、ＳＯ₂やＮＯ、ＣＯの測定精度が悪くなるという問題があった。

そこで、本発明は、測定者がＣＯ₂センサの測定値に誤差が発生していることを認識できるようにすることを目的とするものである。

本発明の燃焼排ガス分析装置は、試料ガスを流通させるための試料セルを備えその試料セルに測定光を照射することにより、試料ガス中の測定対象成分の濃度に由来する信号を発する測定センサと、試料セルを透過した測定光に基づいて試料ガス中の二酸化炭素濃度の濃度に由来する信号を発する二酸化炭素センサと、試料ガス中の酸素濃度に由来する信号を発する酸素センサと、測定センサの信号に基づいて試料ガス中の測定対象成分濃度を求める測定対象成分演算手段、二酸化炭素センサの信号に基づいて試料ガス中の二酸化炭素濃度を求める二酸化炭素濃度演算手段及び二酸化炭素濃度演算手段の求めた二酸化炭素濃度を用いて測定対象成分濃度の補正を行なう補正手段を備えた演算処理部と、を備え、演算処理部は、試料ガス中の酸素濃度と二酸化炭素濃度との相関関係データを保持する相関関係データ保持部、酸素センサの信号に基づいて試料ガス中の酸素濃度を求める酸素濃度演算手段、相関関係データ保持部に保持されている相関関係データに基づいて酸素濃度演算手段の求めた酸素濃度から試料ガス中の二酸化炭素濃度を推定する二酸化炭素濃度推定手段、及び二酸化炭素濃度推定手段の推定した二酸化炭素濃度と二酸化炭素濃度演算手段の求めた二酸化炭素濃度とを比較し、両二酸化炭素濃度の差が予め設定された基準値を超えている場合に異常と判定する二酸化炭素濃度誤差判定手段をさらに備えていることを特徴とするものである。

本発明は、燃焼排ガス中に含まれる酸素の濃度と二酸化炭素の濃度との間に一定の相関関係が成立するという知見に基づいてなされたものである。従来から、燃焼排ガス分析装置には、試料ガス中に含まれる酸素の濃度を測定する酸素センサが設けられていることが一般的であり、その酸素センサによる測定値に基づいて試料ガス中に含まれる二酸化炭素の濃度を推測することができる。本発明では、酸素センサによる測定値に基づいて得られた試料ガス中の二酸化炭素濃度の推定値を二酸化炭素センサの測定値の正確性の判定の基準として利用する。

すなわち、本発明の燃焼排ガス分析装置は、測定センサや二酸化炭素センサの信号に基づいて各成分の濃度を求める演算を行なう演算処理部が、試料ガス中の酸素濃度と二酸化炭素濃度との相関関係データを保持する相関関係データ保持部、酸素センサの信号に基づいて試料ガス中の酸素濃度を求める酸素濃度演算手段、相関関係データ保持部に保持されている相関関係データに基づいて酸素濃度演算手段の求めた酸素濃度から試料ガス中の二酸化炭素濃度を推定する二酸化炭素濃度推定手段、及び二酸化炭素濃度推定手段の推定した二酸化炭素濃度と二酸化炭素濃度演算手段の求めた二酸化炭素濃度とを比較し、両二酸化炭素濃度の差が予め設定された基準値を超えている場合に異常と判定する二酸化炭素濃度誤差判定手段を備えている。これにより、測定対象成分濃度の測定値の補正に使用する二酸化炭素濃度の誤差が一定以上ある場合に異常と判定されるようになり、二酸化炭素濃度の測定精度の悪化を容易に認識できるようになる。

燃焼排ガス分析装置の一実施例を示す概略構成図である。 検出部の構成の一例を示す概略構成図である。 煙道排ガス中における酸素濃度と二酸化炭素濃度との間の相関関係を説明するためのグラフである。

本発明の好ましい実施形態では、二酸化炭素濃度誤差判定手段が異常と判定したときにその旨を表示する異常表示部をさらに備えている。これにより、測定者が二酸化炭素濃度の測定値の異常をより容易に認識することができる。

以下、燃焼排ガス分析装置の一実施例について図１を参照しながら説明する。
試料ガスを導入するための試料ガス流路２と基準ガスを導入するための基準ガス流路３が設けられている。試料ガス流路２と基準ガス流路３はともに流路接続切替機構１６に接続されている。

流路接続切替機構１６は２つの電磁弁１６ａと１６ｂとで構成されている。電磁弁１６ａは試料ガス流路２を測定流路４又はガス排気流路５のいずれか一方に切り替えて接続するものであり、電磁弁１６ｂは基準ガス流路３をガス排気流路５又は測定流路４のいずれか一方に切り替えて接続するものである。試料ガス流路２が測定流路４に接続されているときに基準ガス流路３がガス排気流路５に接続され、試料ガス流路２がガス排気流路５に接続されているときに基準ガス流路３が測定流路４に接続されるように、電磁弁１６ａと１６ｂが制御される。ガス排気流路５上にはニードル弁２０が設けられている。ニードル弁２０は、試料ガスと基準ガスを切替えた際に、流路抵抗の差からＯ₂センサ２４に流れる試料ガス流量が変化しないよう調整するために設けられている。

測定流路４上に検出部１０が配置されている。測定流路４上の検出部１０の下流側に流量計１８が設けられている。検出部１０については後述する。
試料ガス流路２にＯ₂センサ２４を備えた酸素測定流路６が接続されている。酸素測定流路６は試料ガス流路２を流れる試料ガスの一部を取り出して試料ガス中の酸素濃度を測定するための流路である。Ｏ₂センサ２４は酸素濃度に応じた信号を発するものであり、Ｏ₂センサ２４の発した信号は演算処理部３２に取り込まれる。酸素測定流路６上にはニードル弁２６も設けられている。基準ガス流路３には流量調整流路８の一端が接続されている。流量調整流路８はドレイン３０へ通じているとともにキャピラリ２８を備えており、検出部１０側へ供給される基準ガスの流量を調整するために設けられている。

検出部１０は、試料ガス中に含まれるＳＯ₂やＮＯ、ＣＯなどの成分の濃度を検出する測定センサ１２と、試料ガス中に含まれる二酸化炭素の濃度を検出するＣＯ₂センサ１４を備えている。測定センサ１２では測定対象成分の濃度に応じた信号が得られ、ＣＯ₂センサ１４では二酸化炭素濃度に応じた信号が得られる。測定センサ１２やＣＯ₂センサ１４で得られた信号は演算処理部３２に取り込まれる。

演算処理部３２は、演算手段３４、補正手段３６、相関関係データ保持部３７、二酸化炭素濃度推定手段３８及び二酸化炭素濃度誤差判定手段４０を備えている。
演算手段３４は、測定センサ１２やＣＯ₂センサ１４及びＯ₂センサ２４で得られた信号に基づいてＳＯ₂やＮＯ、ＣＯなどの測定対象成分濃度、二酸化炭素濃度及び酸素濃度を求める演算を行なうものである。この演算手段３４は、二酸化炭素濃度演算手段と酸素濃度演算手段を含んでいる。

補正手段３６は、演算手段３４により求められた測定対象成分濃度を、同じく求めた二酸化炭素濃度により補正するものである。補正手段３６により補正された測定対象成分濃度が測定値として表示部４２にリアルタイムで表示される。

相関関係データ保持部３７、二酸化炭素濃度推定手段３８及び二酸化炭素濃度誤差判定手段４０は、補正手段３６が測定対象成分濃度の補正に使用する二酸化炭素濃度の測定値の精度についての評価を行なうためのものである。ＣＯ₂センサ１４で得られた信号に基づいて求めた試料ガス中の二酸化炭素濃度が正しいものであるか否かを判断するために、装置に設けられているＯ₂センサ２４の測定値を使用する。なお、この評価は、一定期間（例えば１カ月）ごとに行なわれるように設定されていてもよいし、測定者の任意のタイミングで行なわれるようになっていてもよい。

燃焼ガス中の二酸化炭素濃度と酸素濃度との間には一定の相関関係がある。図３は石炭、重油及び天然ガスの燃焼ガス中の二酸化炭素濃度と酸素濃度との相関関係を示したグラフである。このグラフに示されているように、燃焼ガス中の二酸化炭素濃度と酸素濃度はほぼ直線の関係にあり、例えば石炭の燃焼ガス中の二酸化炭素濃度と酸素濃度との間の関係は次式（１）で近似することができる。
ＣＯ₂濃度＝−０．９×Ｏ₂濃度＋１８．７ （１）

重油や天然ガスの燃焼ガスについても同様の一次式で近似することができる。相関関係データ保持部３７には、石炭や重油、天然ガスといった燃料の種類に応じた（１）式のような近似式が保持されており、測定開始前に測定者が燃料の種類を演算処理部３２に入力することで、その燃料の燃焼ガスに対応した相関関係の近似式が選択され、後述の二酸化炭素濃度の推定に使用される。

二酸化炭素濃度推定手段３８は、相関関係データ保持部３７に保持されている近似式を使用して、演算手段３４が求めた酸素濃度から試料ガス中の二酸化炭素濃度を推定するものである。

二酸化炭素濃度誤差判定手段４０は、二酸化炭素濃度推定手段３８の求めた推定値を判断基準として、ＣＯ₂センサ１４で得られた信号に基づいて求めた試料ガス中の二酸化炭素濃度が正しいものであるか否かを判断する。具体的には、ＣＯ₂センサ１４で得られた信号に基づいて求めた二酸化炭素濃度と二酸化炭素濃度推定手段３８の求めた二酸化炭素濃度との誤差が一定の許容範囲内（例えば二酸化炭素濃度の推定値の±３ｖｏｌ％以内）にあるか否かを判定し、許容範囲外であれば「異常」と判定し、表示部４２にその旨を表示する。

例えば試料ガスが石炭の燃焼ガスである場合には、ＣＯ₂センサ１４の信号から求められた二酸化炭素濃度（ＣＯ₂濃度測定値）が以下の式（２）又は（３）に当てはまる場合には「異常」と判定する。
ＣＯ₂濃度測定値＞−０．９×Ｏ₂濃度＋（１８．７＋３） （２）
ＣＯ₂濃度測定値＜−０．９×Ｏ₂濃度＋（１８．７−３） （３）

演算処理部３２は、例えばこの分析装置の専用のコンピュータ又はパーソナルコンピュータのＣＰＵ（中央演算処理装置）とデータメモリによって実現され、表示部４２は専用のコンピュータ又はパーソナルコンピュータのモニタによって実現される。

また、検出部１０としては、図２に示す構成を有するものが挙げられる。図２の検出部１０の構成について以下に説明する。
検出部１０は非分散型赤外吸光光度計であり、光源４４、試料セル４６、ＣＯ₂フィルタ４８、測定センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ及びＣＯ₂センサ１４を備えている。試料ガス又は基準ガスは試料セル４６を流れ、光源４４から試料セル４６に対して測定光が照射される。試料セル４４を挟んで光源４４とは反対側に、試料セル４４側から順にＣＯ₂フィルタ４８、測定センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ及びＣＯ₂センサ１４が配置されている。

ＣＯ₂フィルタ４８はＣＯ₂が封入されたセルからなり、試料セル４４を透過した測定光を通過させることによって測定光からＣＯ₂の吸収波長成分を除去するものである。測定センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃはそれぞれＳＯ₂やＮＯ、ＣＯのいずれかが封入されたセルを備えている。

各測定センサ１２ａ，１２ｂ及び１２ｃでは、それぞれのセルを試料セル４６及びＣＯ₂フィルタ４８を通ってきた測定光が通過することで、試料セル４６を流れるガス中の測定対象成分の濃度に応じた信号が得られるようになっている。各測定センサ１２ａ，１２ｂ及び１２ｃの測定対象成分は、例えば測定センサ１２ａがＳＯ₂であり、測定センサ１２ｂがＮＯであり、測定センサ１２ｃがＣＯである。各測定センサ１２ａ，１２ｂ及び１２ｃで得られた信号が演算処理部３２に取り込まれ、演算処理部３２の演算手段２４によって各測定対象成分の濃度を求める演算が行なわれる。

ＣＯ₂センサ１４は試料セル４６、ＣＯ₂フィルタ４８、測定センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃを通過した測定光を受光し、二酸化炭素に吸収をもつ波長の光の強度を検出するものである。試料セル４６を試料ガスが流れているときと基準ガスが流れているときのＣＯ₂センサ１４の信号強度の差から試料ガス中のＣＯ₂濃度が求められる。二酸化炭素濃度誤差判定手段４０は演算手段３４が求めた試料ガス中の二酸化炭素濃度と二酸化炭素濃度推定手段３８の推定した二酸化炭素濃度とを比較し、両二酸化炭素濃度の差が一定以上（例えば３％以上）となったときに異常と判定するように構成されている。
なお、ＣＯ₂センサ１４は例えば焦電型センサにより実現される。

２ 試料ガス流路
３ 基準ガス流路
４ 測定流路
５ ガス排気流路
６ 酸素測定流路
８ バイパス流路
１０ 検出部
１２ 測定センサ
１４ ＣＯ₂センサ
１６ 流路接続切替機構
１８ 流量計
２０，２６ ニードル弁
２４ Ｏ₂センサ
２８ キャピラリ
３０ ドレイン
３２ 演算処理部
３４ 演算手段
３６ 補正手段
３７ 相関関係データ保持部
３８ 二酸化炭素濃度推定手段
４０ 二酸化炭素濃度誤差判定手段
４２ 表示部

Claims (2)

1. 試料ガスを流通させるための試料セルを備えその試料セルに測定光を照射することにより、試料ガス中の測定対象成分の濃度に由来する信号を発する測定センサと、
   前記試料セルを透過した測定光に基づいて試料ガス中の二酸化炭素濃度の濃度に由来する信号を発する二酸化炭素センサと、
   前記試料ガス中の酸素濃度に由来する信号を発する酸素センサと、
   前記測定センサの信号に基づいて試料ガス中の測定対象成分濃度を求める測定対象成分演算手段、前記二酸化炭素センサの信号に基づいて試料ガス中の二酸化炭素濃度を求める二酸化炭素濃度演算手段、前記酸素センサの信号に基づいて試料ガス中の酸素濃度を求める酸素濃度演算手段、及び前記二酸化炭素濃度演算手段の求めた二酸化炭素濃度を用いて前記測定対象成分濃度の補正を行なう補正手段を備えた演算処理部であって、試料ガス中の酸素濃度と二酸化炭素濃度との相関関係データを保持する相関関係データ保持部、前記相関関係データ保持部に保持されている相関関係データに基づいて前記酸素濃度演算手段の求めた酸素濃度から試料ガス中の二酸化炭素濃度を推定する二酸化炭素濃度推定手段、及び前記二酸化炭素濃度推定手段の推定した二酸化炭素濃度と前記二酸化炭素濃度演算手段の求めた二酸化炭素濃度とを比較し、両二酸化炭素濃度の差が予め設定された基準値を超えている場合に異常と判定する二酸化炭素濃度誤差判定手段を備えている演算処理部と、を備えている燃焼排ガス分析装置。
2. 前記二酸化炭素濃度誤差判定手段が異常と判定したときにその旨を表示する異常表示部をさらに備えている請求項１に記載の燃焼排ガス分析装置。

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