KR20200090891A - 라만 산란광 취득 장치, 이것을 구비하는 조성 분석 장치 및 가스 터빈 플랜트 - Google Patents
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Abstract
라만 산란광 취득 장치(11)는, 여기광을 유체 중으로 인도하는 출사 광학계(21)와, 유체의 유로의 일부를 획정하는 동시에, 여기광이 조사시킨 유체로부터의 라만 산란광을 통과시키는 산란광 창(42)과, 산란광 창(42)을 통과한 라만 산란광을 받는 수광면(46)을 갖는 산란광 수광기(44)를 구비한다. 산란광 창(42) 및 산란광 수광기(44)의 수광면(46)은, 유체 중에 있어서의 여기광의 광축인 유체 중 광축(Aw)이 연장되는 광축방향(Da)으로 유체 중의 여기광의 광로가 존재하는 범위(Rw) 내에 있으며, 또한 유체 중 광축(Aw)으로부터 직경방향(Dr)으로 이격된 위치에 배치되어 있다.
Description
본 발명은 유체로부터의 라만 산란광을 취득하는 라만 산란광 취득 장치, 이것을 구비하는 조성 분석 장치 및 가스 터빈 플랜트에 관한 것이다.
본원은 2017년 12월 7일에 일본에 출원된 일본 특허출원 제 2017-235523 호에 근거하여 우선권을 주장하며, 이 내용을 여기에 원용한다.
유체의 조성을 분석하는 방법으로서, 유체에 여기광을 조사하고, 여기광이 조사된 유체로부터의 라만 산란광을 분석하는 방법이 있다. 이 방법을 실행하는 장치로서는, 예를 들면 이하의 특허문헌 1에 기재된 조성 분석 장치가 있다. 이 조성 분석 장치는, 유체가 내부를 흐르는 계측 셀과, 여기광인 레이저 광을 발진하는 레이저 발진기와, 레이저 발진기로부터의 레이저 광을 계측셀 내의 유체에 조사하는 출사 광학계와, 레이저 광이 조사된 유체로부터의 라만 산란광을 수광하는 수광 광학계와, 수광 광학계에서 집광된 라만 산란광을 수광하는 광 파이버와, 광 파이버에서 수광된 광을 분석하는 분석기를 구비하고 있다.
출사 광학계의 광축은, 계측셀 내를 흐르는 유체의 주요한 흐름 방향에 대하여 수직인 흐름 수직방향으로 연장되어 있다. 이 출사 광학계는 계측 셀을 기준으로 하여, 흐름 수직방향의 한쪽측에 마련되어 있다. 수광 광학계의 광축은, 출사 광학계의 광축과 일치하고 있다. 따라서, 수광 광학계의 광축도, 흐름 수직방향으로 연장되어 있다. 이 수광 광학계는 계측 셀을 기준으로 하여, 흐름 수직방향의 다른쪽측에 마련되어 있다.
조성 분석 업계에서는 조성 분석 장치의 소형화가 요구되고 있다.
그래서, 본 발명은 장치의 소형화를 도모할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 발명에 따른 일 태양으로서의 라만 산란광 취득 장치는,
광출사부로부터의 여기광을 유체 중으로 인도하는 출사 광학계와, 상기 유체의 유로의 일부를 획정하는 동시에, 상기 여기광이 조사시킨 상기 유체로부터의 라만 산란광을 통과시키는 산란광 창과, 상기 산란광 창을 통과한 상기 라만 산란광을 받는 수광면을 갖는 산란광 수광기를 구비한다. 상기 산란광 창 및 상기 산란광 수광기의 수광면은 상기 유체 중에 있어서의 상기 여기광의 광축인 유체 중 광축이 연장되는 광축방향으로 상기 유체 중의 상기 여기광의 광로가 존재하는 범위 내에 있으며, 또한 상기 유체 중 광축에 대하여 수직인 방향인 직경방향으로 상기 유체 중 광축으로부터 이격된 위치에 배치되어 있다. 상기 수광면은 상기 직경방향으로 상기 유체 중 광축에 가까워지는 측인 직경방향 내측을 향하고 있다.
본 태양에서는, 산란광 수광기의 수광면이 유체 중의 산란광 발생 영역에 대해서, 유체 중 광축에 수직인 방향으로 이격된 위치에 배치되게 된다. 이 때문에, 본 태양에서는 유체 중의 산란광 발생 영역에 산란광 수광기의 수광면을 가까이할 수 있다. 따라서, 본 태양에서는, 라만 산란광 취득 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 본 태양에서는, 유체 중의 산란광 발생 영역에 산란광 수광기의 수광면을 가까이할 수 있기 때문에, 산란광 수광기의 수광면이 감쇠가 적은 라만 산란광을 받을 수 있다. 이 때문에, 본 태양에서는, 산란광 창을 통과한 산란광을 집광시키기 위한 집광 광학계를 생략할 수 있다. 따라서, 본 태양에서는, 이 관점에서도 라만 산란광 취득 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
여기에서, 상기 라만 산란광 취득 장치에 있어서, 상기 산란광 수광기의 상기 수광면에 있어서의 광축인 수광면 광축은, 상기 유체 중 광축에 대하여 수직이어도 좋다.
본 태양에서는, 유체 중 광축에 대하여 수직인 방향으로 진행하는 라만 산란광을 짧은 광로장(光路長)으로 효율적으로 받을 수 있다.
또한, 이상 중 어느 하나의 상기 라만 산란광 취득 장치에 있어서, 상기 산란광 창에서 상기 유체의 유로를 획정하는 내면 및 상기 내면과는 반대측의 외면은 모두, 상기 유체 중 광축에 대해서 평행이어도 좋다.
본 태양에서는, 유체로부터 발사되는 라만 산란광 중, 유체 중 광축에 대하여 수직인 방향으로 발사된 라만 산란광을 직진시킬 수 있다. 이 때문에, 유체 중 광축으로부터 산란광 수광기의 수광면까지의 산란광의 광로장을 짧게 할 수 있다.
이상 중 어느 하나의 상기 라만 산란광 취득 장치에 있어서, 상기 출사 광학계는 상기 광출사부로부터의 상기 여기광이 통과하는 출사 광 파이버 케이블과, 상기 출사 광 파이버 케이블로부터 출사된 상기 여기광의 방향을 변경하는 변경기를 가져도 좋다. 이 경우, 상기 출사 광 파이버 케이블의 상기 여기광을 출사하는 출사면에 있어서의 광축인 출사면 광축은, 상기 유체 중 광축에 대해서 교차하는 방향으로 연장되어 있으면 좋다. 상기 출사 광 파이버 케이블의 상기 출사면과 상기 변경기는 상기 산란광 수광기의 상기 수광면을 기준으로 하여, 상기 광축방향의 한쪽측에 배치되며, 상기 변경기는, 상기 출사 광 파이버 케이블로부터 출사된 상기 여기광의 광축을 상기 유체 중 광축에 일치시키면 좋다.
본 태양에서는, 광축방향에 있어서의 라만 산란광 취득 장치의 폭을 작게 할 수 있다.
또한, 상기 출사 광 파이버 케이블을 갖는 상기 라만 산란광 취득 장치에 있어서, 상기 출사면 광축은 상기 유체 중 광축에 대하여 수직이어도 좋다.
본 태양에서는, 광축방향에 있어서의 라만 산란광 취득 장치의 폭을 보다 작게할 수 있다.
이상 중 어느 하나의 상기 라만 산란광 취득 장치에 있어서, 상기 여기광 및 상기 라만 산란광을 통과시키지 않는 광 차폐 부재와, 상기 광 차폐 부재에 여기광을 조사하는 가열용 광 파이버 케이블을 구비하여도 좋다. 이 경우, 상기 광 차폐 부재는 상기 산란광 창에 있어서의 상기 수광면측의 외면에 접하고 있으면 좋다.
본 태양에서는, 여기광의 에너지에 의해 산란광 창을 가열할 수 있다. 이 때문에, 본 태양에서는, 산란광 창의 내면에 부착된 이물의 제거, 및 산란광 창 내로의 이물의 부착의 억제를 도모할 수 있다.
또한, 본 태양에서는, 산란광 창의 가열에 전기를 이용하지 않으므로, 산란광 창을 가열하기 위해서 필요한 부품, 즉, 가열용 광 파이버 케이블이나 광 차열 부재에 방폭 처리를 생략할 수 있다.
상기 광 차폐 부재를 구비하는 상기 라만 산란광 취득 장치에 있어서, 상기 광 차폐 부재의 내부에는, 상기 산란광 창의 상기 외면을 따라서 넓어지는 공동(空洞)이 형성되어 있으며, 상기 가열용 광 파이버 케이블은, 상기 광 차폐 부재의 상기 공동 내에 여기광을 출사하여도 좋다.
본 태양에서는, 여기광 전체를 광 차폐 부재에 조사할 수 있으므로, 이 여기광의 광 에너지를 열 에너지로 변환하는 효율을 높일 수 있다.
이상 중 어느 하나의 상기 라만 산란광 취득 장치에 있어서, 상기 출사 광학계로부터의 상기 여기광을 받는 여기 수광 광학계와, 상기 광출사부로부터의 상기 여기광의 광강도와 상기 여기 수광 광학계가 받은 상기 여기광의 광강도의 차이에 따라서, 상기 여기광이 통과하는 복수의 부재로 구성되는 여기광 광학계의 이상을 판정하는 판정부를 구비하여도 좋다.
본 태양에서는, 여기광이 통과하는 복수의 부재로 구성되는 여기광 광학계의 이상을 인식할 수 있다.
상기 여기 수광 광학계를 구비하는 상기 라만 산란광 취득 장치에 있어서, 상기 여기 수광 광학계는, 상기 산란광 수광기의 상기 수광면을 기준으로 하여, 상기 광축방향으로 상기 출사 광학계와는 반대측에 배치되어 있어도 좋다.
이상 중 어느 하나의 상기 라만 산란광 취득 장치에 있어서, 상기 광출사부를 구비하여도 좋다.
상기 목적을 달성하기 위한 발명에 따른 일 태양로서의 조성 분석 장치는,
이상 중 어느 하나의 상기 라만 산란광 취득 장치와, 상기 산란광 수광기로부터의 출력에 근거하여 상기 유체의 조성을 분석하는 분석기를 구비한다.
본 태양에서는 유체의 조성을 분석할 수 있다.
여기에서, 상기 조성 분석 장치에 있어서, 상기 유체 중 광축으로부터 상기 산란광 수광기의 상기 수광면까지의 상기 직경방향의 거리는, 상기 산란광 수광기가 받는 상기 라만 산란광의 광량이 상기 분석기에서 상기 유체의 조성을 분석할 수 있는 최소 광량이 되는 거리 이하여도 좋다.
상기 목적을 달성하기 위한 발명에 따른 일 태양으로서의 가스 터빈 플랜트는,
이상 중 어느 하나의 상기 조성 분석 장치와, 상기 유체로서의 연료 가스가 흐르는 연료 가스 라인과, 상기 연료 가스 라인을 흐르는 연료 가스의 유량을 조절하는 연료 조절 밸브와, 상기 연료 가스 라인으로부터의 연료 가스의 연소에 의해 구동하는 가스 터빈과, 상기 연료 조절 밸브의 개방도를 지시하는 제어 장치를 구비한다. 상기 라만 산란광 취득 장치는, 상기 연료 가스 라인에 장착되어 있다. 상기 분석기는, 상기 연료 가스 라인을 흐르는 상기 연료 가스의 조성을 분석한다. 상기 제어 장치는, 상기 분석기에서의 분석 결과에 따라서 상기 연료 조절 밸브의 개방도를 정하고, 상기 개방도를 상기 연료 조절 밸브에 대해서 지시한다.
본 발명에서는 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제 1 실시형태에 있어서의 조성 분석 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제 1 실시형태에 있어서의 광차열 부재 및 가열용 광 파이버의 사시도이다.
도 3은 유체에 조사하는 여기광의 파장에 대한 각 성분으로부터 발사되는 라만 산란광의 파장의 시프트량 및 여기광이 소정의 파장일 때의 각 성분으로부터 발사되는 라만 산란광의 파장을 나타내는 설명도이다.
도 4는 유체에 여기광이 조사되었을 때에 각 성분으로부터 발사되는 라만 산란광의 파장과, 각 파장의 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시형태에 있어서의 가스 터빈 플랜트의 계통도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제 2 실시형태에 있어서의 조성 분석 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제 1 실시형태에 있어서의 광차열 부재 및 가열용 광 파이버의 사시도이다.
도 3은 유체에 조사하는 여기광의 파장에 대한 각 성분으로부터 발사되는 라만 산란광의 파장의 시프트량 및 여기광이 소정의 파장일 때의 각 성분으로부터 발사되는 라만 산란광의 파장을 나타내는 설명도이다.
도 4는 유체에 여기광이 조사되었을 때에 각 성분으로부터 발사되는 라만 산란광의 파장과, 각 파장의 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시형태에 있어서의 가스 터빈 플랜트의 계통도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제 2 실시형태에 있어서의 조성 분석 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.
이하, 본 발명에 따른 조성 분석 장치의 실시형태 및 이 조성 분석 장치를 구비하는 가스 터빈 플랜트의 실시형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.
「제 1 실시형태」
본 발명에 따른 조성 분석 장치의 제 1 실시형태 및 이 조성 분석 장치를 구비하는 가스 터빈 플랜트의 실시형태에 대해서, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한다.
본 실시형태의 조성 분석 장치가 분석하는 유체는, 예를 들면, 배관 내를 흐르는 연료 가스이다. 구체적으로는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 가스 터빈 플랜트의 가스 터빈을 구동시키기 위한 연료 가스이다.
가스 터빈 플랜트는 가스 터빈(110)과, 가스 터빈(110)의 구동으로 발전하는 발전기(120)와, 가스 터빈(110)의 구동으로 연료 가스를 압축하는 가스 압축기(121)와, 가스 터빈(110)에 공급되는 가스의 조성을 분석하는 조성 분석 장치(10)와, 가스 터빈(110) 상태 등을 제어하는 제어 장치(140)를 구비하고 있다.
가스 터빈(110)은 공기(A)를 압축하여 압축 공기를 생성하는 공기 압축기(111)와, 압축 공기 중에서 연료 가스를 연소시켜 고온의 연소 가스를 생성하는 연소기(115)와, 연소 가스에 의해 구동하는 터빈(116)을 구비하고 있다.
공기 압축기(111)는 압축기 로터와, 이것을 회전 가능하게 덮는 압축기 케이싱과, 공기(A)의 흡기량을 조절하는 흡기량 조절기(112)를 갖고 있다. 흡기량 조절기(112)는 압축기 케이싱의 흡입구측에 마련되어 있는 입구 안내 날개(113)와, 이 입구 안내 날개(113)의 개방도를 변경하는 안내 날개 구동기(114)를 갖고 있다.
터빈(116)은 연소 가스에 의해 회전하는 터빈 로터와, 이 터빈 로터를 회전 가능하게 덮는 터빈 케이싱을 갖고 있다. 압축기 로터와 터빈 로터는 서로 연결되고, 일체가 되어, 가스 터빈 로터(117)를 이루고 있다.
발전기(120)는 발전기 로터와, 이 발전기 로터를 회전 가능하게 덮는 발전기 케이싱을 갖고 있다. 발전기 로터는 가스 터빈 로터(117)에 연결되어 있다. 이 때문에, 가스 터빈 로터(117)가 회전하면, 발전기 로터도 일체적으로 회전한다.
가스 압축기(121)는, 압축기 로터와, 이것을 회전 가능하게 덮는 압축기 케이싱과, 연료 가스의 흡기량을 조절하는 흡입 가스량 조절기(122)를 갖고 있다. 흡입 가스량 조절기(122)는, 압축기 케이싱의 흡입구측에 마련되어 있는 입구 안내 날개(123)와, 이 입구 안내 날개(123)의 개방도를 변경하는 안내 날개 구동기(124)를 갖고 있다. 가스 압축기(121)의 압축기 로터는 감속기(126)를 거쳐서, 발전기 로터 또는 가스 터빈 로터(117)와 기계적으로 접속되어 있다. 이 가스 압축기(121)의 토출구와 연소기(115)는, 고압 연료 가스 라인(134)으로 접속되어 있다.
이 가스 터빈 플랜트는, 제철소(151) 및 코크스 플랜트(152)로부터 연료 가스가 공급된다. 제철소(151)는 제철소(151)의 고로로부터 저칼로리 연료 가스로서의 BFG(Blast Furnace Gas)를 발생한다. 이 고로에는, BFG가 흐르는 BFG 라인(131)이 접속되어 있다. 코크스 플랜트(152)는, 코크스 플랜트(152)의 코크스로로부터 고칼로리 연료 가스로서의 COG(Coke Oven Gas)를 발생한다. 이 코크스로에는, COG가 흐르는 COG 라인(132)이 접속되어 있다. COG 라인(132)에는, COG의 유량을 조절하는 COG 조절 밸브(136)가 마련되어 있다. BFG 라인(131)과 COG 라인(132)은 합류되어 저압 연료 가스 라인(133)이 된다. 이 저압 연료 가스 라인(133)에는, BFG 단미(單味), COG 단미, BFG와 COG의 혼합물 중 어느 하나가 흐른다. 저압 연료 가스 라인(133)은 가스 압축기(121)의 흡입구에 접속되어 있다. 저압 연료 가스 라인(133)에는, 이 저압 연료 가스 라인(133)을 지나는 가스 중의 더스트 등을 집진하는 전기 집진기(EP(Electrostatic Precipitator))(127)가 마련되어 있다. 또한, BFG 라인(131)에는 이 BFG 라인(131)의 도중에서 전로(轉爐)에서의 발생 가스인 LDG(Linz-Donawitz converter Gas) 등의 가스가 혼입되는 경우가 있다.
가스 터빈 플랜트는 전술의 BFG 라인(131)과, COG 라인(132)과, 저압 연료 가스 라인(133)과, COG 조절 밸브(136)와, 전기 집진기(127)를 구비한다. 가스 터빈 플랜트는, 추가로 연료 가스 순환 라인(135)과, 순환량 조절 밸브(137)와, 가스 냉각기(138)를 구비한다. 연료 가스 순환 라인(135)의 제 1 단부는 고압 연료 가스 라인(134)에 접속되어 있다. 또한, 이 연료 가스 순환 라인(135)의 제 2 단부는 저압 연료 가스 라인(133) 중에서 전기 집진기(127)보다 상류측의 위치에 접속되어 있다. 가스 냉각기(138) 및 순환량 조절 밸브(137)는 이 연료 가스 순환 라인(135)에 마련되어 있다. 가스 냉각기(138)는 연료 가스 순환 라인(135)을 흐르는 가스를 냉각한다. 순환량 조절 밸브(137)의 개방도가 변경되고, 연료 가스 순환 라인(135)을 흐르는 가스 유량이 변경되면, 연소기(115)에 공급되는 가스의 유량도 변경된다. 이 때문에, 이 순환량 조절 밸브(137)는, 연소기(115)에 공급되는 연료 가스의 유량을 조절하는 연료 조절 밸브로서 기능한다. 또한, 전술한 가스 압축기(121)의 흡입 가스량 조절기(122)도, 연료 조절 밸브로서 기능한다. 조성 분석 장치(10)는, BFG 라인(131)에 마련되어 있다. 이 조성 분석 장치(10)는, BFG 라인(131)을 흐르는 BFG의 조성을 분석한다. 또한, 여기에서는, BFG 라인(131)에 조성 분석 장치(10)를 마련했지만, 경우에 따라서는, 저압 연료 가스 라인(133)이나 COG 라인(132)에 마련하여도 좋다.
제어 장치(140)는 외부로부터의 부하 지령이나 조성 분석 장치(10)가 분석한 가스(BFG)의 조성 등에 따라서, 순환량 조절 밸브(137)의 개방도나 입구 안내 날개(113)의 개방도 등을 제어한다. 또한, 제어 장치(140)는 경우에 따라서는, 외부로부터의 부하 지령이나 조성 분석 장치(10)가 분석한 가스 G(BFG)의 조성 등에 따라서, COG 조절 밸브(136)의 개방도도 제어한다.
조성 분석 장치(10)는 도 1에 도시하는 바와 같이, 여기광인 레이저 광이 조사된 유체(G)로부터의 라만 산란광을 취득하는 라만 산란광 취득 장치(11)와, 이 라만 산란광 취득 장치(11)가 취득한 라만 산란광에 근거하여 유체(G)의 조성을 분석하는 분석기(70)를 구비한다.
또한, 이하에서는, 라만 산란광을 간략히 산란광이라 하는 경우도 있다.
라만 산란광 취득 장치(11)는 산란광 취득 헤드(12)와, 분석용 레이저 발진기(광출사부)(61)와, 가열용 레이저 발진기(62)와, 이들의 레이저 발진기(61, 62)를 제어하는 제어부(81)와, 레이저 광의 강도를 검지하는 2개의 검지기(65, 66)와, 2개의 검지기(65, 66)로부터의 출력에 따라서 산란광 취득 헤드(12)의 상태를 판정하는 판정부(82)를 갖는다.
분석용 레이저 발진기(61)는, 유체(G)에 조사하는 레이저 광을 발진한다. 가열용 레이저 발진기(62)는, 산란광 취득 헤드(12)의 일부를 가열하는 레이저 광을 발진한다.
산란광 취득 헤드(12)는, 헤드 케이싱(13)과, 광출사부인 분석용 레이저 발진기(61)로부터의 레이저 광을 유체(G) 중으로 인도하는 출사 광학계(21)와, 유체(G)를 통과한 레이저 광을 수광하는 레이저 수광 광학계(여기 수광 광학계)(31)와, 유체(G)의 유로의 일부를 획정하는 동시에 유체(G)로부터의 라만 산란광을 통과시키는 산란광 창(42)과, 산란광 창(42)을 통과한 라만 산란광을 받는 산란광 수광기(44)와, 산란광 창(42)에 접하고 있는 광 차폐 부재(50)와, 가열용 레이저 광을 광 차폐 부재(50)로 인도하는 가열용 광 파이버 케이블(55)을 구비한다.
출사 광학계(21)는, 분석용 레이저 발진기(61)로부터의 레이저 광이 지나는 출사 광 파이버 케이블(25)과, 출사 광 파이버 케이블(25)로부터 출사된 레이저 광의 방향을 변경하는 출사 프리즘(변경기)(23)과, 유체(G)의 유로의 일부를 획정하는 동시에 레이저 광을 통과시키는 레이저 출사창(22)을 갖는다.
출사 광 파이버 케이블(25)은 광 파이버(도시하지 않음)와, 이 광 파이버의 외주를 덮는 피복재(도시하지 않음)와, 광 파이버의 단부의 외주를 덮는 슬리브(27)를 갖는다. 이 출사 광 파이버 케이블(25)의 출사측의 슬리브(27)는 헤드 케이싱(13)에 장착되어 있다.
출사 프리즘(23)은, 출사 광 파이버 케이블(25)로부터 출사된 레이저 광의 광축을 수직으로 절곡한다. 환언하면, 출사 프리즘(23)은 출사 광 파이버 케이블(25)의 출사면 광축(Ao)에 대해서, 출사 프리즘(23)을 통과한 후의 레이저 광의 광축을 수직으로 한다. 또한, 출사면 광축(Ao)이란, 출사 광 파이버 케이블(25)에서, 레이저 광을 출사하는 출사면(26)에 있어서의 광축이다. 이 출사 프리즘(23)은 헤드 케이싱(13) 내에 배치되며, 이 헤드 케이싱(13)에 고정되어 있다.
레이저 출사창(22)은, 출사 프리즘(23)에 의해 방향이 변경된 레이저 광이 통과한다. 레이저 출사창(22)에서 유체(G)의 유로를 획정하는 내면(22i)과, 레이저 출사창(22)에서, 출사 프리즘(23)측의 외면(22o)은 모두, 출사 프리즘(23)을 통과한 레이저 광의 광축에 대하여 수직이다. 이 때문에, 출사 프리즘(23)을 통과한 후에 있어서 레이저 출사창(22)에 도달하기 전의 레이저 광의 광축과, 레이저 출사창(22)을 통과하여 유체(G) 중에 도달한 레이저 광의 광축인 유체 중 광축(Aw)은 일치하고 있다. 이 레이저 출사창(22)은 헤드 케이싱(13)에 고정되어 있다.
이상에서 설명한 출사 광학계(21)는 집광 광학계를 갖고 있지 않다. 그렇지만, 출사 광 파이버 케이블(25)로부터 출사된 레이저 광을 유체(G) 중에서 집광시키는 집광 광학계를 갖고 있어도 좋다.
레이저 수광 광학계(여기 수광 광학계)(31)는, 유체(G)의 유로의 일부를 획정하는 동시에 레이저 광을 통과시키는 레이저 수광창(32)과, 레이저 수광창(32)을 통과한 레이저 광의 방향을 변경하는 수광 프리즘(33)과, 수광 프리즘(33)을 통과한 레이저 광이 입사하는 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)과, 수광 프리즘(33)을 통과한 레이저 광을 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)의 수광면(36)에 집광시키는 집광 광학계(34)를 갖는다.
레이저 수광창(32)은 유체 중 광축(Aw) 상에 배치되어 있다. 레이저 수광창(32)에서 유체(G)의 유로를 획정하는 내면(32i)과, 레이저 수광창(32)에서 수광 프리즘(33)측의 외면(32o)은 모두, 유체 중 광축(Aw)에 대하여 수직이다. 이 때문에, 레이저 수광창(32)을 통과한 레이저 광의 광축은, 유체 중 광축(Aw)과 일치하고 있다. 이 레이저 수광창(32)은 헤드 케이싱(13)에 고정되어 있다.
수광 프리즘(33)은, 레이저 수광창(32)을 통과한 레이저 광의 광축을 수직으로 굽힌다. 환언하면, 수광 프리즘(33)은 유체 중 광축(Aw)에 대해서, 수광 프리즘(33)을 통과한 후의 레이저 광의 광축을 수직으로 한다. 이 수광 프리즘(33)은, 헤드 케이싱(13) 내에 배치되며, 이 헤드 케이싱(13)에 고정되어 있다.
레이저 수광 광 파이버 케이블(35)은 광 파이버(도시하지 않음)와, 이 광 파이버의 외주를 덮는 피복재(도시하지 않음)와, 광 파이버의 단부의 외주를 덮는 슬리브(37)를 갖는다. 이 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)의 수광측의 슬리브(37)는 헤드 케이싱(13)에 장착되어 있다.
레이저 수광 광 파이버 케이블(35)의 수광면 광축(Ai)은, 수광 프리즘(33)을 통과한 후의 레이저 광의 광축과 일치한다. 또한, 수광면 광축(Ai)이란, 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)에서, 수광 프리즘(33)으로부터의 레이저 광을 받는 수광면(36)에 있어서의 광축이다.
또한, 이하에서는, 유체 중 광축(Aw)이 연장되어 있는 방향을 광축방향(Da)으로 한다. 또한, 유체 중 광축(Aw)에 수직인 방향 중, 이 유체 중 광축(Aw)에 대하여 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)의 수광면(36)이 존재하는 방향을 직경방향(Dr)으로 한다. 이 직경방향(Dr)에서 유체 중 광축(Aw)에 가까워지는 측을 직경방향 내측(Dri)으로 하고, 반대측을 직경방향 외측(Dro)으로 한다.
산란광 창(42)은 전술한 바와 같이, 산란광을 통과하는 한편, 레이저 광을 반사한다. 이 산란광 창(42)은 광축방향(Da)으로 유체(G) 중의 레이저 광의 광로가 존재하는 범위(Rw) 내에 있으며, 또한 유체 중 광축(Aw)으로부터 직경방향(Dr)에 이격된 위치에 배치되어 있다. 산란광 창(42)에서 유체(G)의 유로를 획정하는 내면(42i)과, 산란광 창(42)에서 내면(42i)과, 반대측의 면인 외면(42o)은 모두, 유체 중 광축(Aw)에 대해서 평행이다. 또한, 산란광 창(42)의 내면(42i)은 직경방향 내측(Dri)을 향하며, 산란광 창(42)의 외면(42o)은 직경방향 외측(Dro)을 향하고 있다.
산란광 수광기(44)는 산란광 창(42)을 통과한 산란광을 받는 산란광 광 파이버 케이블(45)을 갖는다. 산란광 광 파이버 케이블(45)의 수광면(46)은, 산란광 창(42)과 마찬가지로, 광축방향(Da)에서 유체(G) 중의 레이저 광의 광로가 존재하는 범위(Rw) 내에 있으며, 또한 유체 중 광축(Aw)으로부터 직경방향(Dr)으로 이격된 위치에 배치되어 있다. 단, 이 수광면(46)은 산란광 창(42)보다 직경방향 외측(Dro)에 위치하며, 직경방향 내측(Dri)을 향하고 있다. 산란광 광 파이버 케이블(45)은 광 파이버(도시하지 않음)와, 이 광 파이버의 외주를 덮는 피복재(도시하지 않음)와, 광 파이버의 단부의 외주를 덮는 슬리브(47)를 갖는다. 이 산란광 광 파이버 케이블(45)의 수광측의 슬리브(47)는 헤드 케이싱(13)에 장착되어 있다.
출사 광 파이버 케이블(25)의 출사면(26), 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)의 수광면(36) 및 산란광 광 파이버 케이블(45)의 수광면(46)은 모두, 유체 중 광축(Aw)으로부터 직경방향(Dr)으로 이격된 위치에 배치되어 있다. 또한, 출사 광 파이버 케이블(25)의 출사면(26), 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)의 수광면(36), 및 산란광 광 파이버 케이블(45)의 수광면(46)은 모두, 유체 중 광축(Aw)에 대해서 평행한 면이다. 따라서, 출사 광 파이버 케이블(25)의 출사면 광축(Ao), 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)의 수광면 광축(Ai) 및 산란광 광 파이버 케이블(45)의 수광면 광축(Ars)은 모두, 서로 평행이며, 또한 유체 중 광축(Aw)에 대하여 수직이다.
광 차폐 부재(50)는 산란광 창(42)의 외면(42o)에 접착제 등으로 접착되어 있다. 이 광 차폐 부재(50)는, 레이저 광이나 라만 산란광을 투과시키지 않으며, 이들 광의 에너지를 흡수하기 쉬우며, 또한 열전도성이 좋은 부재로 형성되어 있다. 구체적으로는, 구리나 놋쇠, 또는 이들을 포함하는 합금 등으로 형성되어 있다. 이 광 차폐 부재(50)의 외형상은 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 환상이다. 이 환상의 내측은 산란광이 통과하는 광로가 된다. 이 광 차폐 부재(50)의 내부에는, 산란광 창(42)의 외면(42o)을 따라서 넓어지며, 또한 광 차폐 부재(50)의 외형상에 알맞는 환상의 공동(51)이 형성되어 있다.
가열용 광 파이버 케이블(55)은 광 파이버(도시하지 않음)와, 이 광 파이버의 외주를 덮는 피복재(도시하지 않음)와, 광 파이버의 단부의 외주를 덮는 슬리브(57)를 갖는다. 이 가열용 광 파이버 케이블(55)의 출사측의 슬리브(57)는 광 차폐 부재(50)에 장착되어 있다. 구체적으로는, 광 차폐 부재(50)의 공동 내면 및 산란광 창(42)의 외면(42o)에 대하여 경사진 방향으로부터, 가열용 광 파이버 케이블(55)로부터의 레이저 광이 광 차폐 부재(50)의 공동(51) 내에 출사되도록, 가열용 광 파이버 케이블(55)의 슬리브(57)가 광 차폐 부재(50)에 장착되어 있다.
헤드 케이싱(13)은 본체부(14)와 2개의 돌출부(15, 16)를 갖는다. 본체부(14)에는, 출사 광 파이버 케이블(25)의 슬리브(27)의 일부, 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)의 슬리브(37)의 일부, 집광 광학계(34), 산란광 광 파이버 케이블(45)의 슬리브(47), 광 차폐 부재(50), 가열용 광 파이버 케이블(55)의 슬리브(57)가 수납되며, 이들이 장착되어 있다. 본체부(14)에는, 헤드 케이싱(13)을 유체(G)가 흐르는 배관(131p)에 장착하기 위한 장착 플랜지(17)가 마련되어 있다. 이 배관(131p)은 BFG가 흐르는 BFG 라인(131)을 구성하는 배관이다. 2개의 돌출부(15, 16)는 장착 플랜지(17)로부터 멀어지는 방향으로 본체부(14)로부터 돌출되어 있다. 2개의 돌출부(15, 16)는, 본체부(14)에 대해서 돌출부(15, 16)가 돌출되어 있는 방향에 대하여 수직인 방향으로 이격되어 있다. 2개의 돌출부(15, 16) 중, 제 1 돌출부(15)에는, 출사 프리즘(23)이 수납되고, 이 출사 프리즘(23)이 장착되어 있다. 또한, 2개의 돌출부(15, 16) 중 나머지의 돌출부인 제 2 돌출부(16)에는, 수광 프리즘(33)이 수납되며, 이 수광 프리즘(33)이 장착되어 있다. 제 1 돌출부(15)에서, 제 2 돌출부(16)와 대향하는 면에는, 레이저 출사창(22)이 장착되어 있다. 또한, 제 2 돌출부(16)에서, 제 1 돌출부(15)와 대향하는 면에는, 레이저 수광창(32)이 장착되어 있다. 따라서, 2개의 돌출부(15, 16)가 이격되어 있는 방향은 광축방향(Da)이다. 또한, 본체부(14)에 대하여 2개의 돌출부(15, 16)가 돌출되어 있는 방향은 직경방향(Dr)이다. 광축방향(Da)에 있어서의 2개의 돌출부(15, 16)의 사이에서, 본체부(14)의 직경방향 내측(Dri)의 면에는 산란광 창(42)이 장착되어 있다.
장착 플랜지(17)에 의해 헤드 케이싱(13)이 배관(131p)에 장착된 상태에서는, 제 1 돌출부(15) 및 제 2 돌출부(16), 추가로, 본체부(14)의 직경방향 내측(Dri)의 부분이, 모두 배관(131p) 내에 위치하게 된다.
2개의 검지기(65, 66) 중, 한쪽의 검지기인 출사광 검지기(65)는, 분석용 레이저 발진기(61)로부터 발진된 레이저 광, 또는 출사 광 파이버 케이블(25) 내를 지나는 레이저 광의 강도를 검지한다. 2개의 검지기(65, 66) 중, 나머지의 검지기인 수광 검지기(66)는, 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)을 지나 온 레이저 광의 강도를 검지한다.
판정부(82)는 전술한 바와 같이, 2개의 검지기(65, 66)로부터의 출력에 따라서 산란광 취득 헤드(12) 상태를 판정한다. 구체적으로는, 예를 들면, 출사광 검지기(65)가 검지한 광강도와 수광 검지기(66)가 검지한 광강도의 차이가 미리 정해진 값 이상의 경우, 산란광 취득 헤드(12)가 이상이라고 판정한다. 이 판정부(82)가 판정하는 이상의 형태로서는, 예를 들면, 이하의 형태가 있다. 출사광 광 파이버 케이블의 출사면 광축(Ao)의 방향, 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)의 수광면 광축(Ai)의 방향의 이상 형태가 있다. 또한, 출사 프리즘(23)이나 수광 프리즘(33)의 배치나 방향의 이상 형태가 있다. 또한, 분석용 레이저 발진기(61)의 이상 형태가 있다. 레이저 출사창(22)이나 레이저 수광창(32)이 오염되어 있는 형태도 있다.
분석기(70)는 산란광 광 파이버 케이블(45)이 수광한 산란광을 복수의 파장역 마다의 광으로 분광하는 분광기(71)와, 분광기(71)에서 분광된 복수의 파장역 마다의 광을 디지털 신호로 출력하는 카메라(72)와, 복수의 파장역마다 광에 관한 디지털 신호에 근거하여 유체(G) 중의 조성을 분석하는 분석부(83)를 갖는다.
컴퓨터(80)는 기능 구성으로서, 이상에서 설명한 제어부(81), 판정부(82) 및 분석부(83)를 갖는다. 제어부(81), 판정부(82) 및 분석부(83)는 모두, 컴퓨터(80)의 메모리 등에 기억되어 있는 프로그램과, 이 프로그램을 실행하는 CPU를 갖고서 구성된다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 제어 장치(140)는 컴퓨터(80)와 통신 가능하다. 제어 장치(140)는 판정부(82)에 의한 판정 결과를 예를 들면 출력(표시)한다. 또한, 제어 장치(140)는 분석부(83)에 의한 분석 결과에 따라서, 순환량 조절 밸브(137)의 개방도나 입구 안내 날개(113)의 개방도, 경우에 따라서는, COG 조절 밸브(136)의 개방도 등을 제어한다.
다음에, 이상에서 설명한 조성 분석 장치(10)의 동작에 대해서 설명한다.
분석용 레이저 발진기(61)로부터 발진된 레이저 광은, 출사 광 파이버 케이블(25)에 입사되고, 이 출사 광 파이버 케이블(25) 내를 지난다. 출사 광 파이버 케이블(25)로부터 출사한 레이저 광의 광축은, 출사 프리즘(23)에 의해 수직으로 절곡된다. 광축이 절곡된 레이저 광은 레이저 출사창(22)을 거쳐서, 배관(131p)의 유체(G) 중에 조사된다.
유체(G)에 여기광이 조사되면, 유체(G) 중의 성분마다 고유의 파장의 라만 산란광이 생긴다. 환언하면, 소정의 파장의 레이저 광을 유체(G)에 조사한 경우, 도 3에 도시하는 바와 같이, 유체(G) 중의 성분마다, 레이저 광의 파장으로부터 고유의 시프트량 분 만큼 파장이 시프트된 라만 산란광이 생긴다.
산란광은, 산란광 창(42)을 거쳐서, 산란광 광 파이버 케이블(45)에 수광된다. 이 산란광은 산란광 광 파이버 케이블(45)을 지나, 분석기(70)의 분광기(71)에 인도된다. 분광기(71)는 입사된 산란광을 복수의 파장역마다 분광한다. 카메라(72)는 도 4에 도시하는 바와 같이, 분광기(71)에서 분광된 복수의 파장역마다의 광강도를 디지털 신호로 변환하고, 이것을 컴퓨터(80)의 분석부(83)로 출력한다. 분석부(83)는, 복수의 파장역 마다의 광에 관한 디지털 신호에 근거하여 유체(G) 중의 조성을 분석한다. 분석부(83)에는, 유체(G)에 조사하는 레이저 광의 파장과, 이 레이저 광이 조사되었을 때의 각 성분으로부터 발사하는 산란광의 파장의 시프트량과의 관계가 미리 기억되어 있다. 분석부(83)는 이 관계를 이용하여, 유체(G) 중의 성분을 분석한다. 또한, 분석부(83)는 성분마다의 산란광의 강도에 근거하여, 유체(G) 중의 성분 농도를 구한다. 유체(G)가 가스(BFG)의 경우, 분석부(83)는, 필요에 따라서, BFG의 고위 발열량(HHV) 또는 저위 발열량(LHV)을 구한다.
이하의 식(1)은, BFG가 도 4에 나타내는 바와 같이, 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 질소(N2), 메탄(CH4), 수증기(H2O), 수소(H2)를 포함하는 경우에 있어서의 BFG의 단위 체적 당의 고위 발열량(HHV)을 구하는 식이다. 또한, 이하의 식(2)는 동일한 경우에 있어서의 BFG의 단위 체적 당 저위 발열량(LHV)을 구하는 식이다.
[수 1]
[수 2]
또한, HHV는 BFG의 연소에 의해 생성된 수분의 응축열을 발열량으로서 포함하는 발열량(kcal/㎥N)이다. LHV는 BFG의 연소에 의해 생성된 수분의 응축열을 발열량으로서 포함하지 않는 발열량(kcal/㎥N)이다. 또한, 식(1) 내지 식(8)에 있어서, CN2는 N2의 몰분율이며, CCO는 CO의 몰분율이며, CCO2는 CO2의 몰분율이며, CH2O는 H2O의 몰분율이며, CH2는 H2의 몰분율이며, CCH4는 CH4의 몰분율이다. 각 성분의 몰분율은 이하의 식(3) 내지 식(8)로 구할 수 있다.
[수 3]
[수 4]
[수 5]
[수 6]
[수 7]
[수 8]
분석부(83)는 BFG 중의 성분마다의 산란광의 강도로부터, 질소 성분의 광강도 IN2에 대한 일산화탄소 성분의 상대 강도 ICO/IN2, 질소 성분의 광강도 IN2에 대한 이산화탄소 성분의 상대 강도 ICO2/IN2, 질소 성분의 광강도 IN2에 대한 수증기 성분의 상대 강도 IH2O/IN2, 질소 성분의 광강도 IN2에 대한 수소 성분의 상대 강도 IH2/IN2, 질소 성분의 광강도 IN2에 대한 메탄 성분의 상대 강도 ICH4/IN2를 구한다. 다음에, 분석부(83)는 각 성분의 상대 강도와, 식(1) 또는 식(2) 및 식(3) 내지 식(8)을 이용하여, BFG의 고위 발열량(HHV) 또는 저위 발열량(LHV)을 구한다. 또한, 식(1) 내지 식(8)은 H2O를 고려한 체적 비율에 관한 식이지만, H2O를 제외한 가스의 체적 비율에 관한 식으로 발열량을 구하여도 좋다.
분석부(83)에서 구해진 유체(G) 중의 성분 농도 또는 저위 발열량(LHV) 등은, 가스 터빈 플랜트의 제어 장치(140)로 전송된다. 제어 장치(140)는 상술한 바와 같이, 분석부(83)로부터 전송되어 온 데이터, 즉 분석 결과에 근거하여, 순환량 조절 밸브(137)의 개방도나 입구 안내 날개(113)의 개방도 등을 제어한다.
유체(G)를 통과한 레이저 광은 레이저 수광창(32)을 지나, 수광 프리즘(33)에 입사된다. 이 레이저 광의 광축은 수광 프리즘(33)에 의해 수직으로 절곡된다. 광축이 절곡된 레이저 광은 집광 광학계(34)에 의해, 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)의 수광면(36)에서 집광된다. 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)에 입사된 레이저 광의 강도는, 수광 검지기(66)에 의해 검지된다.
출사광 검지기(65)에서 검지된 레이저 광의 강도 및 수광 검지기(66)에 의해 검지된 레이저 광의 강도는, 컴퓨터(80)의 판정부(82)로 전송된다. 판정부(82)는 상술한 바와 같이, 각 검지기(65, 66)에서 검지된 레이저 광의 강도에 따라서, 산란광 취득 헤드(12)의 상태를 판정한다. 이 판정부(82)의 판정 결과는, 가스 터빈 플랜트의 제어 장치(140)로 전송된다. 제어 장치(140)는 필요에 따라서, 판정부(82)의 판정 결과를 표시한다.
가열용 레이저 발진기(62)로부터 발진된 레이저 광은, 가열용 광 파이버 케이블(55)을 지나, 광 차폐 부재(50)의 공동(51) 내로 인도된다. 레이저 광은 광 차폐 부재(50)의 공동(51) 내에서, 공동 내면에서 난반사를 반복한다. 그 결과, 레이저 광의 광 에너지는 광 차폐 부재(50) 및 이 광 차폐 부재(50)와 접하고 있는 산란광 창(42)을 가열하는 열에너지로 변환된다. 즉, 본 실시형태에서는, 산란광 창(42)이 레이저 광의 에너지에 의해 가열된다.
또한, 본 실시형태에서는, 가열용 광 파이버 케이블(55)로부터의 레이저 광을 광 차폐 부재(50)의 공동(51) 내로 인도하므로, 레이저 광의 전체를 광 차폐 부재(50)에 조사할 수 있어서, 이 레이저 광의 광 에너지를 열에너지로 변환하는 효율을 높일 수 있다.
그런데, 헤드 케이싱(13) 내와 유체(G)의 유로를 구획하는 레이저 출사창(22)의 내면(22i), 레이저 수광창(32)의 내면(32i) 및 산란광 창(42)의 내면(42i)은, 유체(G) 중에 이물이 존재하는 경우, 이 이물에 의해 오염된다. 예를 들면, 유체(G)가 BFG(Blast Furnace Gas)와 COG(Coke Oven Gas) 중 어느 하나의 가스, 또는 양자의 혼합 가스인 경우, 이 유체(G) 중에는 재 등의 이물이 존재한다.
라만 산란광의 강도는 유체(G)에 조사하는 레이저 광의 강도보다 훨씬 작다. 이 때문에, 산란광 창(42)의 내면(42i)이 오염되면, 산란광에 근거하는 유체(G)의 조성 분석에 지장을 초래한다. 그래서, 본 실시형태에서는 상술한 바와 같이, 산란광 창(42)을 가열하여, 산란광 창(42)의 내면(42i)에 부착된 이물의 제거, 및 산란광 창(42)의 내면(42i)으로의 이물의 부착의 억제를 도모하고 있다.
산란광 창(42)을 가열하는 방법으로서는, 산란광 창(42)에 전열선을 접촉 또는 근접시키고, 이 전열선에 전류를 흘려, 이 산란광 창(42)을 가열하는 방법이 있다. 이와 같이, 산란광 창(42)에 전열선을 접촉 또는 근접시키는 경우, 유체(G)가 BFG나 COG 등과 같이 가연성 가스의 경우, 전열선이나, 이 전열선에 전류를 공급하는 전기 케이블에 방폭 처리를 실시해 둘 필요가 있다. 한편, 본 실시형태에서는, 산란광 창(42)의 가열에 전기를 이용하지 않으므로, 산란광 창(42)을 가열하기 위해서 필요한 부품, 구체적으로는, 가열용 광 파이버 케이블(55)이나 광 차열 부재에 방폭 처리를 실시할 필요가 없다. 따라서, 본 실시형태에서는, 산란광 창(42)을 가열하기 위해서 필요한 부품에 대한 방폭 처리의 비용을 줄일 수 있다.
본 실시형태에서는, 상술한 바와 같이, 산란광 수광기(44)의 수광면(46)이 광축방향(Da)으로 유체(G) 중의 레이저 광의 광로가 존재하는 범위(Rw) 내에 있으며, 또한 유체 중 광축(Aw)으로부터 직경방향(Dr)으로 이격된 위치에 배치되어 있다. 환언하면, 본 실시형태에서는, 산란광 수광기(44)의 수광면(46)은 유체(G) 중의 산란광 발생 영역(Rrs)에 대해서, 유체 중 광축(Aw)에 수직인 방향으로 이격된 위치에 배치되어 있다. 이 때문에, 본 실시형태에서는, 유체(G) 중의 산란광 발생 영역(Rrs)에 산란광 수광기(44)의 수광면(46)을 가까이할 수 있다. 게다가, 본 실시형태에서는, 산란광 창(42)의 내면(42i) 및 외면(42o), 또한 산란광 수광기(44)의 수광면(46)이 유체 중 광축(Aw)에 대해서 평행이기 때문에, 산란광 발생 영역(Rrs)으로부터 산란광 수광기(44)의 수광면(46)에 도달할 때까지의 산란광의 광로장을 짧게 할 수 있다. 따라서, 본 실시형태에서는, 라만 산란광 취득 장치(11), 및 이 라만 산란광 취득 장치(11)를 포함하는 조성 분석 장치(10)의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 유체(G) 중의 산란광 발생 영역(Rrs)에 산란광 수광기(44)의 수광면(46)을 가까이할 수 있기 때문에, 산란광 수광기(44)의 수광면(46)이 감쇠가 적은 라만 산란광을 받을 수 있다. 이 때문에, 본 실시형태에서는, 산란광 창(42)을 통과한 산란광을 집광시키기 위한 집광 광학계를 생략할 수 있다. 구체적으로, 본 실시형태에서는, 유체 중 광축(Aw)으로부터 산란광 수광기(44)의 수광면(46)까지의 직경방향(유체 중 광축에 대하여 수직인 방향)의 거리를 산란광 수광기(44)가 받는 라만 산란광의 광량이 분석기(70)에서 유체(G)의 조성을 분석할 수 있는 최소 광량이 되는 거리 이하로 하는 것에 의해, 집광 광학계를 생략할 수 있다. 따라서, 본 실시형태에서는 이 관점에서도, 라만 산란광 취득 장치(11), 및 이 라만 산란광 취득 장치(11)를 포함하는 조성 분석 장치(10)의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상술한 바와 같이, 출사 광 파이버 케이블(25)의 출사면 광축(Ao), 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)의 수광면 광축(Ai), 및 산란광 광 파이버 케이블(45)의 수광면 광축(Ars)이 모두 서로 평행이며, 또한 유체 중 광축(Aw)에 대하여 수직이다. 따라서, 본 실시형태에서는, 라만 산란광 취득 장치(11), 및 이 라만 산란광 취득 장치(11)를 포함하는 조성 분석 장치(10)의 광축방향(Da)의 폭을 억제할 수 있다.
「제 2 실시형태」
본 발명에 따른 조성 분석 장치의 제 2 실시형태에 대해서, 도 6을 참조하여 설명한다.
본 실시형태의 조성 분석 장치는, 출사 프리즘(23) 및 수광 프리즘(33)이 유체(G)에 접하는 점과, 복수의 광 차폐 부재(50a)를 구비하는 점에서, 제 1 실시형태의 조성 분석 장치와 상이하며, 그 외의 점은 기본적으로 제 1 실시형태의 조성 분석 장치와 동일하다.
본 실시형태의 산란광 창(42a)은, 제 1 실시형태의 산란광 창(42)과 마찬가지로, 유체 중 광축(Aw)으로부터 직경방향(Dr)으로 이격된 위치에 배치되어 있다. 본 실시형태의 산란광 창(42a)에서도, 유체(G)의 유로를 획정하는 내면(42i)과, 산란광 창(42a)에서 내면(42i)과, 반대측의 면인 외면(42o)은 모두, 유체 중 광축(Aw)에 대하여 평행이다. 단, 본 실시형태의 산란광 창(42a)은, 광축방향(Da)의 길이가 제 1 실시형태의 산란광 창(42)보다 길다. 구체적으로, 본 실시형태의 산란광 창(42a)은 광축방향(Da)으로 산란광 광 파이버 케이블(45)의 수광면 광축(Ars)을 기준으로 하여, 출사 광 파이버 케이블(25)의 출사면 광축(Ao)의 위치보다 먼 위치까지 연장되어 있다. 또한, 본 실시형태의 산란광 창(42a)은 광축방향(Da)으로, 산란광 광 파이버 케이블(45)의 수광면 광축(Ars)을 기준으로 하여, 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)의 수광면 광축(Ai)의 위치보다 먼 위치까지 연장되어 있다. 즉, 본 실시형태의 산란광 창(42a)은 광축방향(Da)으로, 출사 광 파이버 케이블(25)의 출사면 광축(Ao)의 위치 및 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)의 수광면 광축(Ai)의 위치에도 존재한다. 이 때문에, 본 실시형태의 산란광 창(42a)은, 광축방향(Da)으로 유체(G) 중의 레이저 광의 광로가 존재하는 범위(Rw) 내에서는, 산란광을 통과하는 한편, 레이저 광을 반사하는 처리가 실시되고, 상기 범위(Rw) 외에는, 레이저 광을 반사하는 처리가 실시되어 있지 않아, 레이저 광을 통과한다.
본 실시형태의 출사 광학계(21a)는, 분석용 레이저 발진기(61)로부터의 레이저 광이 지나는 출사 광 파이버 케이블(25)과, 산란광 창(42a)의 일부와, 출사 광 파이버 케이블(25)로부터 출사되며 산란광 창(42a)을 통과한 레이저 광의 방향을 변경하는 출사 프리즘(변경기)(23)을 갖는다. 출사 프리즘(23)의 입사면(23i)은 산란광 창(42a)의 외면(42o)에 접하고 있다. 한편, 출사 프리즘(23)의 출사면(23o)은 유체(G)의 유로를 획정하는 면을 형성한다. 이 때문에, 본 실시형태의 출사 광학계(21a)는 레이저 출사창(22)을 갖고 있지 않다.
레이저 수광 광학계(여기 수광 광학계)(31a)는, 레이저 광의 방향을 변경하는 수광 프리즘(33)과, 산란광 창(42a)의 일부와, 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)과, 수광 프리즘(33) 및 산란광 창(42a)을 통과한 레이저 광을 레이저 수광 광 파이버 케이블(35)의 수광면(36)에 집광시키는 집광 광학계(34)를 갖는다. 수광 프리즘(33)의 입사면(23i)은 유체(G)의 유로를 획정하는 면을 형성한다. 이 때문에, 본 실시형태의 레이저 수광 광학계(31a)는, 레이저 수광창(32)을 갖고 있지 않다. 수광 프리즘(33)의 출사면(33o)은, 산란광 창(42a)의 외면(42o)에 접하고 있다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 제 1 실시형태에 있어서의 레이저 출사창(22) 및 레이저 수광창(32)을 갖고 있지 않으므로, 장치가 간략화되어, 제조 비용을 억제할 수 있다.
제 1 실시형태에서는, 광 차폐 부재(50)가 하나이며, 그 외형상은 환상이다. 한편, 본 실시형태에서는, 상술한 바와 같이, 복수의 광 차폐 부재(50a)를 구비하고 있다. 복수의 광 차폐 부재(50a)는, 모두 산란광 창(42a)의 외면(42o)에 접착제 등으로 접착되어 있다. 이 광 차폐 부재(50)는, 레이저 광이나 라만 산란광을 투과시키지 않아, 이들 광의 에너지를 흡수하기 쉬우며, 또한, 열전도성이 좋은 부재로 형성되어 있다. 복수의 광 차폐 부재(50a)는, 산란광 광 파이버 케이블(45)의 수광면 광축(Ars)에 대한 둘레방향으로 서로 이격되어 있다. 복수의 광 차폐 부재(50a)의 각각에는, 가열용 광 파이버 케이블(55)의 슬리브(57)가 제 1 실시형태와 마찬가지로 장착되어 있다. 각 가열용 광 파이버 케이블(55)에는, 가열용 레이저 발진기(62)가 접속되어 있다.
이상과 같이, 광 차폐 부재는 하나여도, 복수로 갖고 있어도 좋다.
또한, 본 실시형태에서는, 레이저 출사창(22) 및 레이저 수광창(32)이 산란광 창(42a)에 접하고 있기 때문에, 가열용 레이저 발진기(62)로부터 발진된 레이저 광의 에너지에 의해 산란광 창(42a)이 가열되면, 출사 프리즘(23) 및 수광 프리즘(33)도 가열된다. 이 때문에, 출사 프리즘(23)의 출사면(23o) 및 수광 프리즘(33)의 입사면(33i)에 부착된 유체(G) 중의 이물의 제거, 또한, 출사 프리즘(23)의 출사면(23o) 및 수광 프리즘(33)의 입사면(33i)으로의 이물의 부착의 억제를 도모할 수 있다.
「변형예 등」
이상에서 설명한 실시형태에 있어서, A에 대하여 B가 수직이란, A에 대한 B의 각도가 90°인 경우 뿐만 아니라, A에 대한 B의 각도가 88° 내지 92°정도이며, A에 대해서 B가 실질적으로 수직인 경우도 포함된다. 또한, A와 B가 서로 평행이란, A에 대한 B의 각도가 0°인 경우 뿐만 아니라, A에 대한 B의 각도가 -2° 내지 ＋2°정도이며, A에 대하여 B가 실질적으로 평행한 경우도 포함된다.
이상의 실시형태에서는, 레이저 수광 광학계(여기 수광 광학계)(31, 31a)는 집광 광학계(34)를 갖고 있다. 그렇지만, 레이저 수광 광학계(31)에 입사하는 레이저 광의 강도가, 광출사부인 분석용 레이저 발진기(61)로부터의 레이저 광의 강도에 대해서 극히 작은 값이 아니면, 이 집광 광학계(34)를 생략하여도 좋다.
이상의 실시형태의 레이저 수광 광학계(여기 수광 광학계)(31, 31a)는, 산란광 취득 헤드(12)의 이상을 판정하기 위해서 마련되어 있는 광학계이다. 따라서, 산란광 취득 헤드(12)의 이상을 판정할 필요가 없는 경우에는, 레이저 수광 광학계(여기 수광 광학계)(31, 31a)를 생략하여도 좋다.
이상의 실시형태에 있어서의 변경기는, 출사 프리즘(23)이나 수광 프리즘(33)이다. 그렇지만, 변경기는 미러여도 좋다.
이상의 실시형태의 산란광 수광기(44)는 집광 광학계를 갖고 있지 않다. 그렇지만, 이 산란광 수광기(44)는 집광 광학계를 가져도 좋다.
이상의 실시형태의 분석 대상인 유체(G)는 BFG 단미인 가스 G이다. 그렇지만, 분석 대상인 유체(G)는 COG 단미, BFG와 COG의 혼합물, BFG와 COG와 LDG의 혼합물이여도 좋다. 또한, 분석 대상의 유체(G)는 다른 연료 가스, 예를 들면 천연 가스나, 바이오 가스 등이어도 좋다. 또한, 분석 대상의 유체(G)는 연료 가스가 아니어도 좋다.
본 발명의 일 태양에 의하면, 라만 산란광 취득 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
10: 조성 분석 장치
11: 라만 산란광 취득 장치
12: 산란광 취득 헤드 13: 헤드 케이싱
14: 본체부 15: 제 1 돌출부
16: 제 2 돌출부 17: 장착 플랜지
21, 21a: 출사 광학계 22: 레이저 출사창
22i: 내면 22o: 외면
23: 출사 프리즘(변경기) 23i: 입사면
23o: 출사면 25: 출사 광 파이버 케이블
26: 출사면 27: 슬리브
31, 31a: 레이저 수광 광학계(여기 수광 광학계)
32: 레이저 수광창 32i: 내면
32o: 외면 33: 수광 프리즘(변경기)
33i: 입사면 33o: 출사면
34: 집광 광학계 35: 레이저 수광 광 파이버 케이블
36: 수광면 37: 슬리브
42, 42a: 산란광 창 42i: 내면
42o: 외면 44: 산란광 수광기
45: 산란광 광 파이버 케이블 46: 수광면
47: 슬리브 50: 광 차폐 부재
51: 공동 55: 가열용 광 파이버 케이블
57: 슬리브 61: 분석용 레이저 발진기(광출사부)
62: 가열용 레이저 발진기 65: 출사광 검지기
66: 수광 검지기 70: 분석기
71: 분광기 72: 카메라
80: 컴퓨터 81: 제어부
82: 판정부 83: 분석부
110: 가스 터빈 111: 공기 압축기
112: 흡기량 조절기 115: 연소기
116: 터빈 120: 발전기
121: 가스 압축기
122: 흡입 가스량 조절기(연료 조절 밸브)
126: 감속기 127: 전기 집진기
131: BFG 라인 132: COG 라인
133: 저압 연료 가스 라인 133p: 배관
134: 고압 연료 가스 라인 135: 연료 가스 순환 라인
136: COG 조절 밸브
137: 순환량 조절 밸브(연료 조절 밸브)
138: 가스 냉각기
140: 제어 장치 G: 유체(연료 가스)
Rrs: 산란광 발생 영역
Ao: 출사 광 파이버 케이블의 출사면 광축
Ai: 레이저 수광 광 파이버 케이블의 수광면 광축
Ars: 산란광 광 파이버 케이블의 수광면 광축
Aw: 유체 중 광축 Da: 광축방향
Dr: 직경방향 Dri: 직경방향 내측
Dro: 직경방향 외측
12: 산란광 취득 헤드 13: 헤드 케이싱
14: 본체부 15: 제 1 돌출부
16: 제 2 돌출부 17: 장착 플랜지
21, 21a: 출사 광학계 22: 레이저 출사창
22i: 내면 22o: 외면
23: 출사 프리즘(변경기) 23i: 입사면
23o: 출사면 25: 출사 광 파이버 케이블
26: 출사면 27: 슬리브
31, 31a: 레이저 수광 광학계(여기 수광 광학계)
32: 레이저 수광창 32i: 내면
32o: 외면 33: 수광 프리즘(변경기)
33i: 입사면 33o: 출사면
34: 집광 광학계 35: 레이저 수광 광 파이버 케이블
36: 수광면 37: 슬리브
42, 42a: 산란광 창 42i: 내면
42o: 외면 44: 산란광 수광기
45: 산란광 광 파이버 케이블 46: 수광면
47: 슬리브 50: 광 차폐 부재
51: 공동 55: 가열용 광 파이버 케이블
57: 슬리브 61: 분석용 레이저 발진기(광출사부)
62: 가열용 레이저 발진기 65: 출사광 검지기
66: 수광 검지기 70: 분석기
71: 분광기 72: 카메라
80: 컴퓨터 81: 제어부
82: 판정부 83: 분석부
110: 가스 터빈 111: 공기 압축기
112: 흡기량 조절기 115: 연소기
116: 터빈 120: 발전기
121: 가스 압축기
122: 흡입 가스량 조절기(연료 조절 밸브)
126: 감속기 127: 전기 집진기
131: BFG 라인 132: COG 라인
133: 저압 연료 가스 라인 133p: 배관
134: 고압 연료 가스 라인 135: 연료 가스 순환 라인
136: COG 조절 밸브
137: 순환량 조절 밸브(연료 조절 밸브)
138: 가스 냉각기
140: 제어 장치 G: 유체(연료 가스)
Rrs: 산란광 발생 영역
Ao: 출사 광 파이버 케이블의 출사면 광축
Ai: 레이저 수광 광 파이버 케이블의 수광면 광축
Ars: 산란광 광 파이버 케이블의 수광면 광축
Aw: 유체 중 광축 Da: 광축방향
Dr: 직경방향 Dri: 직경방향 내측
Dro: 직경방향 외측
Claims (13)
- 광출사부로부터의 여기광을 유체 중으로 인도하는 출사 광학계와,
상기 유체의 유로의 일부를 획정하는 동시에, 상기 여기광이 조사시킨 상기 유체로부터의 라만 산란광을 통과시키는 산란광 창과,
상기 산란광 창을 통과한 상기 라만 산란광을 받는 수광면을 갖는 산란광 수광기를 구비하고,
상기 산란광 창 및 상기 산란광 수광기의 수광면은, 상기 유체 중에 있어서의 상기 여기광의 광축인 유체 중 광축이 연장되는 광축방향으로 상기 유체 중의 상기 여기광의 광로가 존재하는 범위 내에 있으며, 또한 상기 유체 중 광축에 대하여 수직인 방향인 직경방향으로 상기 유체 중 광축으로부터 이격된 위치에 배치되며,
상기 수광면은 상기 직경방향으로 상기 유체 중 광축에 가까워지는 측인 직경방향 내측을 향하고 있는
라만 산란광 취득 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 산란광 수광기의 상기 수광면에 있어서의 광축인 수광면 광축은, 상기 유체 중 광축에 대하여 수직인
라만 산란광 취득 장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 산란광 창에서 상기 유체의 유로를 획정하는 내면 및 상기 내면과는 반대측의 외면은 모두, 상기 유체 중 광축에 대하여 평행인
라만 산란광 취득 장치. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 출사 광학계는 상기 광출사부로부터의 상기 여기광이 지나는 출사 광 파이버 케이블과, 상기 출사 광 파이버 케이블로부터 출사된 상기 여기광의 방향을 변경하는 변경기를 가지며,
상기 출사 광 파이버 케이블의 상기 여기광을 출사하는 출사면에 있어서의 광축인 출사면 광축은, 상기 유체 중 광축에 대하여 교차하는 방향으로 연장되며,
상기 출사 광 파이버 케이블의 상기 출사면과 상기 변경기는, 상기 산란광 수광기의 상기 수광면을 기준으로 하여, 상기 광축방향의 한쪽측에 배치되며,
상기 변경기는, 상기 출사 광 파이버 케이블로부터 출사된 상기 여기광의 광축을 상기 유체 중 광축에 일치시키는
라만 산란광 취득 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 출사면 광축은 상기 유체 중 광축에 대하여 수직인
라만 산란광 취득 장치. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 여기광 및 상기 라만 산란광을 통과시키지 않는 광 차폐 부재와,
상기 광 차폐 부재에 여기광을 조사하는 가열용 광 파이버 케이블을 구비하고,
상기 광 차폐 부재는, 상기 산란광 창에 있어서의 상기 수광면측의 외면에 접하고 있는
라만 산란광 취득 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 광 차폐 부재의 내부에는 상기 산란광 창의 상기 외면을 따라서 넓어지는 공동이 형성되어 있으며,
상기 가열용 광 파이버 케이블은, 상기 광 차폐 부재의 상기 공동 내에 여기광을 출사하는
라만 산란광 취득 장치. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 출사 광학계로부터의 상기 여기광을 받는 여기 수광 광학계와,
상기 광출사부로부터의 상기 여기광의 광강도와 상기 여기 수광 광학계가 받은 상기 여기광의 광강도의 차이에 따라서, 상기 여기광이 통과하는 복수의 부재로 구성되는 여기광 광학계의 이상을 판정하는 판정부를 구비하는
라만 산란광 취득 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 여기 수광 광학계는, 상기 산란광 수광기의 상기 수광면을 기준으로 하여, 상기 광축방향으로 상기 출사 광학계와는 반대측에 배치되어 있는
라만 산란광 취득 장치. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광출사부를 구비하는
라만 산란광 취득 장치. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 라만 산란 광 취득 장치와,
상기 산란광 수광기로부터의 출력에 근거하여 상기 유체의 조성을 분석하는 분석기를 구비하는
조성 분석 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 유체 중 광축으로부터 상기 산란광 수광기의 상기 수광면까지의 상기 직경방향의 거리는 상기 산란광 수광기가 받는 상기 라만 산란광의 광량이, 상기 분석기에서 상기 유체의 조성을 분석할 수 있는 최소 광량이 되는 거리 이하인
조성 분석 장치. - 제 11 항 또는 제 12 항에 기재된 조성 분석 장치와,
상기 유체로서의 연료 가스가 흐르는 연료 가스 라인과,
상기 연료 가스 라인을 흐르는 연료 가스의 유량을 조절하는 연료 조절 밸브와,
상기 연료 가스 라인으로부터의 연료 가스의 연소에 의해 구동하는 가스 터빈과,
상기 연료 조절 밸브의 개방도를 지시하는 제어 장치를 구비하고,
상기 라만 산란광 취득 장치는 상기 연료 가스 라인에 장착되며,
상기 분석기는, 상기 연료 가스 라인을 흐르는 상기 연료 가스의 조성을 분석하고,
상기 제어 장치는, 상기 분석기에서의 분석 결과에 따라서 상기 연료 조절 밸브의 개방도를 정하고, 상기 개방도를 상기 연료 조절 밸브에 대해서 지시하는
가스 터빈 플랜트.
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