(57)【要約】【課題】分析器から遠隔に配置可能な低圧ガス調整システムを提供すること。【解決手段】内部が密封されたキャビネットと、少なくとも一部が前記キャビネットの内部に配置された試料ガス流入ラインと、低圧ガスの温度を結露を防止し得る温度に調節するための加熱調節器と、前記加熱調節器の制御ユニットと、前記キャビネットに低圧ガス試料を導入し、前記低圧試料ガスの圧力を１０〜４５ｐｓｉｇ（６８９５００〜３１０２７５０ｄｙｎｅ／ｃｍ２）に上昇させるための定量ポンプと、前記加熱されたガス試料を前記加熱調節器から前記ポンプまで流通させる第１ガスラインと、断熱導管を通じて前記加熱および加圧されたガス試料を前記ポンプから前記キャビネットの遠隔に配置されたガス分析器まで流通させる第２ガスラインと、前記断熱導管を通って前記キャビネット内に延びる電力供給熱トレースと、熱トレース入口および遮蔽された電気導管を備える遮蔽された電気接続ボックスとを有し、前記試料は、前記キャビネットの外側から突出する電気モータを備え、前記遮蔽された電気導管は、前記接続ボックスから前記加熱調節器、前記制御ユニットおよび前記ポンプの電気モータそれぞれに延びていることを特徴とする低圧ガス源からのガス試料調整システム。【選択図】図１
2016524154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧ガス源からのガス試料調整システムであって、
内部が密封されたキャビネットと、
少なくとも一部が前記キャビネットの内部に配置された試料ガス流入ラインと、
低圧ガスの温度を結露を防止し得る温度に調節するための加熱調節器と、
前記加熱調節器の制御ユニットと、
前記キャビネットに低圧ガス試料を導入し、前記低圧試料ガスの圧力を１０〜４５ｐｓｉｇ（６８９５００〜３１０２７５０ｄｙｎｅ／ｃｍ２）に上昇させるための定量ポンプと、
前記加熱されたガス試料を前記加熱調節器から前記ポンプまで流通させる第１ガスラインと、断熱導管を通じて前記加熱および加圧されたガス試料を前記ポンプから前記キャビネットの遠隔に配置されたガス分析器まで流通させる第２ガスラインと、
前記断熱導管を通って前記キャビネット内に延びる電力供給熱トレースと、
熱トレース入口および遮蔽された電気導管を備える遮蔽された電気接続ボックスとを有し、
前記試料は、前記キャビネットの外側から突出する電気モータを備え、
前記遮蔽された電気導管は、前記接続ボックスから前記加熱調節器、前記制御ユニットおよび前記ポンプの電気モータそれぞれに延びていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記ポンプにより加圧されたガス試料の圧力を４５ｐｓｉｇ（３１０２７５０ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下に低下させる圧力開放ラインおよび前記キャビネットの外部に配置されたバルブを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ポンプは蠕動ポンプであることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ポンプは二重ダイアフラムポンプであることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１ガスラインに、ガス試料を２つの均等な流れに分割して前記ポンプに流入させるためのＴ字コネクタを有することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記ポンプが２つのガス試料流出口を有し、さらに前記第２ガスラインに前記流出した加熱および加圧されたガス試料を合流させるためのＴ字コネクタを備えることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記第２ガスラインに第２の加熱調節器を有することを特徴とする請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記流入ラインに遮断バルブを有することを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記遮断バルブは低温バルブであることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記キャビネットの内部および前記流入ラインの遮断バルブの上流にインライン粒子フィルタが配置されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記圧力開放ラインに関連付けられ、前記圧力開放バルブに近接したグラブ試料接続部を有することを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記キャビネットの内部および前記第２ガスラインに遮断バルブが配置されることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
遠隔に配置された分析器に低圧ガスを輸送するための請求項１に記載のシステムを用いた低圧ガスの調整方法。
【請求項１４】
ガスの性質を損なうことなく遠隔配置された分析器により分析を行うためのガス試料の調整方法であって、
低圧ガス源からガス試料を抽出する工程と、
前記抽出した試料をキャビネットに導入する工程と、
前記抽出したガス試料を加熱調節器で加熱する工程と、
非汚染性の定量ポンプにより前記ガス試料を所定の圧力に加圧する工程と、
前記加熱および加圧されたガス試料を、温度および圧力の安定性を維持しながら前記キャビネットの出口から遠隔配置された分析器まで導管を通じて流通させる工程と、
前記導管を通って前記キャビネット内に延びる熱トレースにより加熱調節器および定量ポンプに動力を供給する工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記キャビネットが、前記ポンプから前記キャビネットの外部まで延び、ガス試料の圧力を４５ｐｓｉｇ（３１０２７５０ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下に低下させるガス試料開放ラインを備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記定量ポンプが二重ダイアフラムポンプであり、前記加熱されたガス試料を分割して加圧する工程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記キャビネットが第２の加熱調節器を備え、前記加圧後のガス試料を加熱する工程を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２０１３年６月２６日付け米国仮特許出願第６１／８３９，６０３号に基づく優先権を主張した２０１４年６月１８日付け米国特許出願第１４／３０８，４５３号に基づく優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、低圧ガス試料の調整、特に、ガス排出規制を遵守するための石炭層、埋立地などの炭化水素ガス源、ＬＮＧ設備からのボイルオフガス、および発電、製造などの工業的処理や化学的処理による廃棄物からのガス試料の調整に関する。本発明の目的は、ガス成分の結露のリスクなしにガスクロマトグラフなどの分析装置に適した圧力および温度まで低圧ガスの圧力を上昇させることで、分析装置をガス採取プローブおよび調整装置から遠隔配置できるようにすることである。
【背景技術】
【０００３】
ガス輸送の分野において、試料調整を行うことはよく知られている。例えばＬＮＧ輸送設備は、通常、ガスの潜在エネルギー量の評価を可能にするための試料採取器具を用いる。しかしながら、バイオガス生成埋立地やボイルオフガス源からガス試料を抽出する場合において、サンプリングされたガスの圧力は、ガスクロマトグラフなどの従来の分析装置にかけるには不適切なレベルである。このような場合、抽出されたガス試料の圧力を上昇させる必要がある。同様に、廃棄物成分の定性および定量分析（二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）等）のための高性能かつ高感度な機器および技術を用いて廃棄物を監視する場合、試料の圧力を上記分析装置により使用可能なレベルにする必要がある。このような分析は、規制遵守のために行うものであり、温室効果ガス、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、浮遊粒子およびエアロゾルなどを含む排気／煙道ガスを監視するために発電所、ガス精製、半導体製造、紙生産および大規模冷却塔などの設備における蒸気の発生等の多岐にわたる環境的および工業的監視が行われる。
【０００４】
ガス源からガス試料を抽出する多くの場合において、分析前の試料の物理的性質を維持するために、試料の採取場所の付近に制御室などの保護された環境を設けて分析器を配置することは現実的ではない。試料を分析器に導入する過程における試料の温度低下および／または圧力が、ガス成分の分離やジュール−トムソン凝縮による結露をもたらし、その結果、測定が不正確となる。このような問題を解決するために、試料の採取場所（例えば煙突の上など）の付近に分析器およびセンサを配置したり、試料ガスを輸送中の変質を防ぎながら分析器に導入することができる複雑なポンプシステムを分析器の付近に設けることが知られている。
【０００５】
分析器の遠隔に配置された高圧パイプラインから抽出されたＬＮＧ試料等の性質を維持するという課題は、例えば米国特許第８，０５６，３９９号において本出願人により解決されている。しかしながら、上述のシステムでは、低圧試料の抽出に特有の課題が解決されていない。
【０００６】
分析器の付近にポンプを設けたり、ガス採取プローブの付近に分析器を配置することが不要な採取システムが求められている。煙突などからの排気ガスの監視の分野においては、分析機器を採取プローブから何百フィート（何十、何百メートル）も離れた制御室等に配置することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、従来技術の問題を克服し、分析器から遠隔に配置可能な低圧ガス調整システムを提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、熱トレース管によって供給された電力を利用して、加熱および加圧されたガス試料を遠隔配置された分析装置に導入する新規のガス調整システムを提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、低圧ガス試料を遠隔に配置されたガス分析器または分析アレイに輸送できるようにガスの圧力および温度を調整するガス調整システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的は、内部が密封されたキャビネットと、少なくとも一部が前記キャビネットの内部に配置されたガス流入ラインと、低圧ガスの温度を結露を防止し得る温度に調節するための加熱調節器と、前記加熱調節器の制御ユニットと、前記キャビネットに低圧ガス試料を導入し、前記低圧試料ガスの圧力を１０〜４５ｐｓｉｇ（６８９５００〜３１０２７５０ｄｙｎｅ／ｃｍ２）に上昇させるための定量ポンプと、前記加熱されたガス試料を前記加熱調節器から前記ポンプまで流通させる第１ガスラインと、断熱導管を通じて前記加熱および加圧されたガス試料を前記ポンプから前記キャビネットの遠隔に配置されたガス分析器まで流通させる第２ガスラインと、前記断熱導管を通って前記キャビネット内に延びる電力供給熱トレースと、熱トレース入口および遮蔽された電気導管を備える遮蔽された電気接続ボックスとを有し、前記試料は、前記キャビネットの外側から突出する電気モータを備え、前記遮蔽された電気導管は、前記接続ボックスから前記加熱調節器、前記制御ユニットおよび前記ポンプの電気モータそれぞれに延びていることを特徴とする低圧ガス源からのガス試料調整システムによって達成される。
【００１１】
本発明の第２実施形態は、第１実施形態の構成に加え、前記ポンプにより加圧されたガス試料の圧力を４５ｐｓｉｇ（３１０２７５０ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下に低下させる圧力開放ラインおよび前記キャビネットの外部に配置されたバルブを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の第３実施形態は、第２実施形態の構成に加え、前記ポンプが蠕動ポンプであることを特徴とする。
【００１３】
本発明のさらなる実施形態は、第２実施形態の構成に加え、前記ポンプが二重ダイアフラムポンプであることを特徴とする。
【００１４】
本発明のさらなる実施形態は、前述の実施形態の構成に加え、前記第１ガスラインに、ガス試料を２つの均等な流れに分割して前記ポンプに流入させるためのＴ字コネクタを有することを特徴とする。
【００１５】
本発明のさらなる実施形態は、前述の実施形態の構成に加え、前記ポンプが２つのガス試料流出口を有し、さらに前記第２ガスラインに前記流出した加熱および加圧されたガス試料を合流させるためのＴ字コネクタを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明のさらなる実施形態は、前述の実施形態の構成に加え、前記第２ガスラインに第２の加熱調節器を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明のさらなる実施形態は、前述の実施形態の構成に加え、前記流入ラインに遮断バルブを有することを特徴とする。
【００１８】
本発明のさらなる実施形態は、前述の実施形態の構成に加え、前記遮断バルブが低温バルブであることを特徴とする。
【００１９】
本発明のさらなる実施形態は、前述の実施形態の構成に加え、前記キャビネットの内部および前記流入ラインの遮断バルブの上流にインライン粒子フィルタが配置されることを特徴とする。
【００２０】
本発明のさらなる実施形態は、前述の実施形態の構成に加え、前記圧力開放ラインに関連付けられ、前記圧力開放バルブに近接したグラブ試料接続部を有することを特徴とする。
【００２１】
本発明のさらなる実施形態は、前述の実施形態の構成に加え、前記キャビネットの内部および前記第２ガスラインに遮断バルブが配置されることを特徴とする。
【００２２】
本発明の目的はさらに、低圧ガス源からガス試料を抽出する工程と、前記抽出した試料をキャビネットに導入する工程と、前記抽出したガス試料を加熱調節器で加熱する工程と、非汚染性の定量ポンプにより前記ガス試料を所定の圧力に加圧する工程と、前記加圧および加熱されたガス試料を、温度および圧力の安定性を維持しながらキャビネットの出口から遠隔配置された分析器まで導管を通じて流通させる工程と、前記導管を通って前記キャビネット内に延びる熱トレースにより加熱調節器および定量ポンプに動力を供給する工程とを含むことを特徴とする、ガスの性質を損なうことなく遠隔配置された分析器により分析を行うためのガス試料の調整方法により達成される。
【００２３】
本発明の他の実施形態は、前記実施形態の構成に加え、前記キャビネットが、前記ポンプから前記キャビネットの外部まで延び、ガス試料の圧力を４５ｐｓｉ（３１０２７５０ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下に低下させるガス試料開放ラインを備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明のさらなる実施形態は、上述の実施形態の構成に加え、前記定量ポンプが二重ダイアフラムポンプであり、前記加熱されたガス試料を分割して加圧する工程を含むことを特徴とする。
【００２５】
本発明のさらなる実施形態は、上述の実施形態の構成に加え、前記キャビネットが第２の加熱調節器を備え、前記加圧後のガス試料を加熱する工程を含むことを特徴とする。
【００２６】
本発明は、埋立地ガス、炭層ガス、および液化天然ガス処理施設からのボイルオフガスの分析や、規制遵守のための廃液や汚染物質の分析や化学プロセスによる排気ガスの分析のための煙道ガスの調整などの用途に特に適している。本発明は、ガス圧を使用可能な閾値まで上昇させ、ジュール−トムソン凝縮による結露を防止するためにガス試料の温度を調節し、上記ガスを適切な分析器または分析器アレイに導入するため、極低圧ガス試料の調整および分析を行うあらゆる場合に有用である。
【００２７】
本発明は、ＬＮＧ設備から発生するボイルオフガスなどの低温入口ガスに関連する。ガス（この場合、比較的清浄で事前の濾過処理が不要なガス）は、パイプラインに導入された後、ポンプで加圧される前に加熱調節器に直接導入されて加熱される。ＬＮＧの場合、ガスの温度は所期の炭化水素露点よりも３０°Ｆ（〜１４℃）以上高く維持される。得られた加熱ガスの流出温度はＰＩＤアルゴリズムを用いた電子温度制御装置により制御され、圧力上昇ポンプに供給された後、熱トレースされた導管を通じて分析器に輸送される。本発明は電熱トレースから電力供給を受けるため、圧力ポンプを駆動するために別途の電力供給設備は設ける必要がない。この特徴は、追加的な配線や接続ボックス等を不要とするため、設置および組立て費用の節約につながる。 
【００２８】
熱トレース電力、定量ポンプ、採取プローブおよび試料調整システムを組み合わせることで、本発明はガスクロマトグラフなどの分析器から遠隔に配置することが可能となる。つまり、ガス試料を調整装置で加熱してから必要な加圧  を行うことで、加圧過程および分析器への輸送過程におけるジュールトムソン効果による液化凝縮を防止することができる。
【００２９】
以下では、低圧ガスの圧力を１０ｐｓｉｇ（６８９５００ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下と定義する。一般に、パイプライン源からのガス試料は、出願人のCertiprobe（登録商標）（図１参照）などの挿入プローブにより収集管から抽出される。収集管は、埋立地ガス、炭層ガス、および液化天然ガス処理施設あるいは極低圧ガスを扱う処理施設の煙突やガス通気孔からのボイルオフガスなどの天然ガスまたは炭化水素ガス源に関連付けられる。上述のガスは圧力が低すぎる（１０ｐｓｉｇ（６８９５００ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下）ため、従来のガスクロマトグラフ装置に導入して分析を行うことは困難である。一般的に、従来の分析機器が正常に動作するには、ガスの入口流入圧力がより高圧、すなわち１０〜２５ｐｓｉｇ（６８９５００〜１７２３７５０ｄｙｎｅ／ｃｍ２）でなければならない。本発明は、試料ガスの圧力を高めることで、例えば煙突などから排出される細長の試料ラインに起因する固有の圧力降下を補償することができる。
【００３０】
以下では、添付の図面を参照して具体的な実施形態を例示することにより本発明を説明する。以下に例示する実施形態は、当業者が実施できる程度に十分に詳細に記載されている。他の実施形態の適用や、本発明の範囲から逸脱することなく現在公知の構造的および／または機能的等価物に基づく構造変更を行い得るものと理解される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る低圧ガス試料調整システムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の他の実施形態に係る低圧ガス試料調整システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、本発明に係る低圧試料調整システムの一実施形態１０を示す。試料調整器１０は、特に試料抽出、極低圧または負圧の試料ガスの処理および調整に適する。本実施形態は、採取プローブ１２に直接接続され、パイプライン採取プローブ１２により収集管Ｐから抽出されたガス試料を調整器１０に導入するための耐候性キャビネット１１を有する。上記ガスが、煙突、排気口、埋立地などの汚れたガス源から得られる場合には、抽出された試料を加熱調節器２０に導入するためのステンレス鋼試料流入管１４内に配置された粒子フィルタ１６を通過させてもよい。
【００３３】
加熱調節器２０は、抽出された試料を加熱して、結露が最小限となる温度に調整する。調節器２０へのガス試料の流れは入口遮断バルブ１８（例えば、ＬＮＧまたは他の低温流体の場合は低温バルブである）により制御される。温度調整（例えば、１００°Ｆ／３７℃以下）を行った後、ガス試料はステンレス鋼流出管２２を通じて加熱調節器２０から導出される。流出管２２は、試料ガス流を分割してポンプ流入口２６に流入させるためのＴ字コネクタ２４に接続されている。低圧ガス試料の圧力調整は、定量ポンプ２８が採取プローブ１２から加熱調節器２０を経てガス試料を引き込み、ガス試料を２５〜３０ｐｓｉｇ（１７２３７５０〜２０６８５００ｄｙｎｅ／ｃｍ２）、すなわち、下流の分析機に導入するために適した圧力に加圧することで行われる。
【００３４】
ポンプ２８は蠕動ポンプまたは単一ダイアフラムポンプであってもよいが、防爆二重ダイアフラムポンプなどの危険雰囲気での使用に適したタイプのポンプであることが好ましい。本発明の使用に適したポンプの一例として、Air Dimensions社（米国フロリダ州ディアフィールドビーチ）のDia-Vac（登録商標）モデルシリーズR201-FP-NAが挙げられる。図１に示されたポンプ２８は二重ダイアフラムポンプであるため、Ｔ字コネクタ２４を介して調節器２０の流出ライン２２と接続された２つの流入口２６を備える。ダイアフラムポンプおよび蠕動ポンプは、油、グラファイトなどの汚染性潤滑剤がガス試料流と接触することによる試料の汚染を回避できるため、これらを用いることが好ましい。また、二重ダイアフラムポンプを使用することで、下流の分析器の出力パルスを最小化することができる。
【００３５】
ＬＮＧなどの可燃性ガスの場合、図１に示すように、電動ポンプモータ３０をキャビネットの外部に配置し、ポンプ本体をキャビネットの内部に配置することで、電動ポンプモータ３０をキャビネットの内部および試料ガスラインから隔離することが好ましい。
【００３６】
圧力および温度が調整されたガス試料はポンプ出口３２（図では圧力ゲージ３４の背後に隠れている）を通じてポンプ２８から流出し、流出Ｔ字コネクタ３５に導入される。合流したガス試料は、ステンレス鋼管分析器供給ライン３６を流通してキャビネット出口貫通接続部３８を通過する。また、分析器に供給されるガスの圧力が過大になるのを防ぐために、ステンレス鋼グラブ試料／圧力開放ライン４０が設けられ、ガス試料は貫通接続部４２からＴ字コネクタ４４を経由して４５ｐｓｉｇ（３１０２７５０ｄｙｎｅ／ｃｍ２）に設定された圧力開放バルブ４６に導入される。さらに、試料を保存して定期的および選択的に収集できるようにするためのグラブ試料孔４８が設けられる。調整されたガス試料は、ライン３６を通じて標準的な評価を行うガスクロマトグラフなどのガス分析器に導入される。
【００３７】
キャビネットおよび調整器の温度は、WATLOW社等から入手可能な制御装置５０により監視される。上記制御装置は、適切なマイクロ処理能力を備えることで、遠隔採取、システムの起動およびシャットダウン、電磁バルブ制御、およびガス流監視等が可能な自動化システムと連携して用いてもよい。
【００３８】
各構成要素への電力供給のために、本発明は、下流の分析器（図示せず）に接続され、分析器と貫通接続部３８との間に延びるガス試料管３６の全長に沿って配置され、貫通接続部３８を通過してキャビネットの内部に延びた熱トレースを用いる。熱トレース５１は、熱トレース入口５２を通過し、定格電圧が２３０Ｖの密閉および遮蔽されたＡＣコネクタ接続ボックス５４に接続される。接続ボックス５４は、適切な貫通接続部によりキャビネットの内部から外部へ通過する遮蔽コネクタ５６を介してポンプモータ３０に電気的に接続される。遮蔽コネクタは  キャビネット内部の他の電動要素、すなわち、加熱調節器２０および制御装置５０に接続する場合にも使用される。上述の熱トレースを用いた電力供給方法は、本出願人の米国特許第７，１６２，９３３号および第８，０５６，３９９号に記載されており、それらの内容はすべて参照により本明細書に援用される。
【００３９】
図２に示された実施形態は、図１に係る実施形態とほぼ一致するが、熱的安定性を確保し、３０ｐｓｉｇ（２０６８５００ｄｙｎｅ／ｃｍ２）への加圧に伴うガス試料の結露を防ぐために第２加熱調節器６０を含む点で異なる。また、図２に示された実施形態は、ガス試料の圧力を監視するために圧力開放ラインおよび流出ライン上に配置された液体充填ゲージ６２と、分析器に向かうガス流を遮断するための遮断バルブ６４を含む。本発明を低温ガスが関与しない煙突等に使用する場合、試料入口において低温遮断バルブ１８の代わりに通常の遮断バルブを用いてもよい。
【００４０】
以上、本発明の実施形態を開示したが、当業者においては、本明細書の記載および添付の図面に示された教唆に基づき、本発明の種々の変更および実施形態を想起し得るものと理解される。したがって、本発明は、本明細書に開示された実施形態に限定されることなく、多くの変更および他の実施形態が本発明の範囲に含まれるものと理解される。また、本明細書では特定の用語を使用しているが、それらは一般的かつ説明的な意味で使用しているに過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。         
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、分析装置から離れた場所からガスの圧力および温度の調整、調節を行い、結露を防ぐことができるため、様々な分野における低圧ガス試料の分析に有用である。
【図１】
2016524154.tif 000003
【図２】
2016524154.tif 000004
【国際調査報告】
2016524154.tif 000005
2016524154.tif 000006
2016524154.tif 000007