(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料給湿レベルのモニタリング。【解決手段】かかる燃料給湿センサーシステムは、燃料−水分流路を通して第１の波長の光を放射するように構成された第１の光源（３４）であって、第１の波長は気相中にある水分によって少なくとも部分的に吸収され得るが、燃料によっては実質的に吸収され得ない第１の光源（３４）と、燃料−水分流路を通して第２の波長の光を放射するように構成された第２の光源（３６）であって、第２の波長は液相中にある水分によって選択的に散乱されるが、燃料又は気相中にある水分によっては実質的に吸収されない第２の光源（３６）と、流路を透過した第１及び第２の波長の光を検出し、第１の波長での透過率に対応した第１のデータ信号及び第２の波長での透過率に対応した第２のデータ信号を生成するように構成された検出器システム（５０，５２）とを含んでなる燃料給湿センサーシステム（３２）。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料給湿センサーシステム（３２）であって、
燃料−水分流路を通して第１の波長の光を放射するように構成された第１の光源（３４）であって、第１の波長は気相中にある水分によって少なくとも部分的に吸収され得るが、燃料によっては実質的に吸収され得ない第１の光源（３４）と、
燃料−水分流路を通して第２の波長の光を放射するように構成された第２の光源（３６）であって、第２の波長は液相中にある水分によって選択的に散乱されるが、燃料又は気相中にある水分によっては実質的に吸収されない第２の光源（３６）と、
流路を透過した第１及び第２の波長の光を検出し、第１の波長での透過率に対応した第１のデータ信号及び第２の波長での透過率に対応した第２のデータ信号を生成するように構成された検出器システムと
を含んでなる燃料給湿センサーシステム（３２）。
【請求項２】
第１の波長が９２５〜９７５ｎｍの範囲内にあるように選択される、請求項１記載の燃料給湿センサーシステム。
【請求項３】
第２の波長が６１０〜６５０ｎｍの範囲内にあるように選択される、請求項１記載の燃料給湿センサーシステム。
【請求項４】
さらに第１及び第２の基準検出器（５０，５２）を含んでいて、第１の光源からの第１の波長の光の一部を第１の基準検出器で検出し、第２の光源からの第２の波長の光の一部を第２の基準検出器で検出することで、流路に入射する第１及び第２の波長の光の強度にそれぞれ対応する第１及び第２の基準データ信号が生成される、請求項１記載の燃料給湿センサーシステム。
【請求項５】
さらにデータ収集解析システム（７８）を含んでいて、データ収集解析システムは生成された第１及び第２のデータ信号並びに第１及び第２の基準データ信号を受信して燃料−水分混合物中の気相水分レベルを決定するように構成されている、請求項４記載の燃料給湿センサーシステム。
【請求項６】
流路が１以上の窓（１３８）を有する包囲体（１３６）の内部に位置していて、第１及び第２の光源は１以上の窓を通して光を放射するように構成されていると共に、さらに１以上の窓に近接して位置する１以上の発熱体（１３３）を含んでいて、１以上の発熱体は第２の波長での透過率の低下の検出に応答してオン状態になる、請求項１記載の燃料給湿センサーシステム。
【請求項７】
第２の波長の光が燃料−水分混合物中の粒子状物質によって選択的に散乱されることで、燃料−水分混合物を通しての第２の波長での透過率が低下する、請求項１記載の燃料給湿センサーシステム。
【請求項８】
第２の波長での透過率の低下を用いて燃料−水分混合物中の粒子状物質レベルが決定される、請求項７記載の燃料給湿センサーシステム。
【請求項９】
ガス化装置（１４１）、燃料給湿システム（１３２）、燃料−水分混合物を燃料給湿システムからガス化装置に移送するための導管（１３４）、及びガス化装置の外部に配設されたオンライン燃料給湿センサーシステムを含んでなるガス化システム（１３０）であって、該センサーシステムは、
燃料−水分流路を通して第１の波長の光を放射するように構成された第１の光源であって、第１の波長は気相中にある水分によって少なくとも部分的に吸収され得るが、燃料によっては実質的に吸収され得ない第１の光源と、
燃料−水分混合物を含むチャンバーを透過した第１の波長の光を検出するように構成された第１のデータ検出器であって、チャンバーを透過した第１の波長の光の少なくとも一部を第１の光検出器で検出することでチャンバーを通しての第１の波長の光の透過率に対応した第１のデータ信号を生成する第１のデータ検出器と、
燃料−水分混合物を含むチャンバーに問い合わせを行うための第２の波長の光を放射する第２の光源であって、第２の波長の光は燃料及び気相中の水分によっては実質的に吸収され得ないが、チャンバーにおける凝縮相中の水分によっては少なくとも部分的に吸収され得る第２の光源と、
チャンバーを透過した第２の波長の光を検出するように構成された第２のデータ検出器と、
生成された第１及び第２のデータ信号並びに第１及び第２の基準データ信号を受信して燃料−水分混合物中における水分−燃料比を決定するように構成されたデータ収集解析システムと
を含んでいる、ガス化システム（１３０）。
【請求項１０】
燃料給湿センサーシステム（７０）であって、
燃料−水分流路を通して第１の波長の光を放射するように構成された第１の光源（８０）であって、第１の波長は気相中にある水分によって少なくとも部分的に吸収され得るが、燃料によっては実質的に吸収され得ない第１の光源（８０）と、
燃料−水分流路を通して第２の波長の光を放射するように構成された第２の光源（８２）であって、第２の波長は粒子状物質によって選択的に散乱されるが、燃料又は気相中にある水分によっては実質的に吸収され得ない第２の光源（８２）と、
燃料−水分流路を通して第３の波長の光を放射するように構成された第３の光源（８３）であって、第３の波長は液相中にある水分によって少なくとも部分的に吸収され得るが、燃料又は気相中にある水分によっては実質的に吸収され得ない第３の光源（８３）と、
流路を透過した第１、第２及び第３の波長の光を検出し、第１の波長での透過率に対応した第１のデータ信号、第２の波長での透過率に対応した第２のデータ信号、及び第３の波長での透過率に対応した第３のデータ信号を生成するように構成された検出器システム（７６）と
を含んでなる燃料給湿センサーシステム（７０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には燃料給湿レベルのモニタリング及び測定に関する。本発明は、特に燃料給湿レベルのモニタリング及び測定のための光学的技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合サイクル発電所では、出力及び熱力学的効率を高めようとして燃料給湿システムが使用されてきた。１つの具体例は、本願出願人に譲渡された米国特許第６３８９７９４号に記載されている。かかるシステムでは、天然ガスを水で飽和させ、給湿燃料を設計ガス圧での飽和条件に加熱する。水分の添加によるガスの質量流量の増加は、ガスタービン及び蒸気タービンからの出力の増加をもたらす。
【０００３】
乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼システムを備えた天然ガスだきの複合サイクルプラントは、燃料規格の許容度が小さいため、燃料ガス飽和プロセスに対して厳しい要件を課す。これらの要件は、発熱量、温度、比重及び燃料組成のような変数に関係する。燃料供給条件が設計燃料規格から過度にそれると、プラントの性能は低下するであろう。
【０００４】
低位発熱量（ＬＨＶ）、比重（ＳＧ）、燃料温度（Ｔｆ）及び周囲温度は、システム内を流れる燃料のエネルギーに影響を及ぼす重要なパラメーターである。下記の式１で定義されるようなウォッベ指数（ＷＩ）値は、ガス圧力及びガス圧力降下と無関係にシステム内のエネルギー流量の指標を与える。
【０００５】
【数１】
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式中、基準温度Ｔｒｅｆは２８８Ｋである。ガスタービンに供給される燃料ガスのＷＩ値は、ＩＧＣＣ（統合ガス化複合サイクル）プラントでは大きく変動する傾向がある。これは、ガス化システムからの燃料組成がガス化装置に対する負荷及び供給原料に応じて変化するからである。ガスタービンへの水−乾燥燃料比又は燃料のウォッベ指数値を一定に保つため、燃料ガスに水が添加される。
【０００６】
ＤＬＮガスタービン燃焼システムへの給湿燃料供給については、小さい燃料規格許容度、頻繁な負荷変化及び急速な負荷変化のため、給湿塔内での燃料飽和プロセスに関して極めて厳しい制御が要求される。通例、これらのＤＬＮシステムは少なくとも２つの運転モードを有している。即ち、初期点火から早期負荷を通じて頑強な性能を与えるモード、及び基底負荷又は高負荷条件について最適化性能を与えるモードである。高負荷条件での運転中には、システム排出物を最小にすることが望ましい。
【０００７】
通常の燃料ガス給湿システムは、燃料ガス飽和塔に適用される三要素制御を含んでいる。かかるシステムは、入口燃料ガス流量、補給水流量、及び給湿燃料ガス流中の流出水分含有量の測定を含んでいる。給湿塔から給湿ガスと共に流出する水の流量は、乾燥燃料ガス及び給湿燃料ガスに関してコリオリ質量流量計を用いることで測定される。給湿燃料ガスと混合されて飽和装置から流出する水の流量は次式によって与えられる。
【０００８】
出口流量の水成分＝湿性出口燃料流量−乾性入口燃料流量      （２）
給湿流れ中の燃料水分は総流量に比べて小さいので、総流量測定値中の小さい誤差が水分含有量推定値中に大きい誤差を導入することがある。燃料ガス組成の一層正確な推定は、１４．７３ｐｓｉａ（約１０１．５６ｋＰａ）の圧力及び６０°Ｆ（約１５．５６℃）の温度でガスクロマトグラフィーを用いて実施できる。正確ではあるが、プロセス中に燃料ガスのサンプリング並びに低い圧力及び温度での測定値取得が含まれるので、ガスクロマトグラフィー測定は時間がかかる。さらに、ガスクロマトグラフィー方法は成分濃度のオフライン測定である。したがって、高圧高温の成分に関する情報は得ることができない。
【０００９】
このように、高圧高温の燃料ガス中の水分含有量をオンラインで正確に測定できるセンサーが得られれば望ましいであろう。
【特許文献１】米国特許第６１２１６２８号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／００２８５３０号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／００６９１３１号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００７／００６９１３２号明細書
【非特許文献１】Ｈｏｐｐｅ，Ｍ．，Ｗｏｌｆ，Ｄ．；“ＩＲ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ｆｏｒ  Ｇａｓ  Ｐｒｏｐｅｒｔｙ  Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ”；ＩＧＲＣ  ２００１，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，Ｎｏｖ．６，２００１；１１  Ｐａｇｅｓ．
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書中に開示される一実施形態は、燃料給湿センサーシステムである。本燃料給湿センサーシステムは、燃料−水分流路を通して第１の波長の光を放射するように構成された第１の光源であって、第１の波長は気相中にある水分によって少なくとも部分的に吸収され得るが、燃料によっては実質的に吸収され得ない第１の光源と、燃料−水分流路を通して第２の波長の光を放射するように構成された第２の光源であって、第２の波長は液相中にある水分によって選択的に散乱されるが、燃料又は気相中にある水分によっては実質的に吸収されない第２の光源と、流路を透過した第１及び第２の波長の光を検出し、第１の波長での透過率に対応した第１のデータ信号及び第２の波長での透過率に対応した第２のデータ信号を生成するように構成された検出器システムとを含んでいる。
【００１１】
本明細書中に開示される別の実施形態は、ガス化システムである。本ガス化システムは、ガス化装置、燃料給湿システム、燃料−水分混合物を燃料給湿システムからガス化装置に移送するための導管、及びガス化装置の外部に配設されたオンライン燃料給湿センサーシステムを含んでいて、該センサーシステムは、燃料−水分流路を通して第１の波長の光を放射するように構成された第１の光源であって、第１の波長は気相中にある水分によって少なくとも部分的に吸収され得るが、燃料によっては実質的に吸収され得ない第１の光源と、燃料−水分流路を通して第２の波長の光を放射するように構成された第２の光源であって、第２の波長は液相中にある水分によって選択的に散乱されるが、燃料又は気相中にある水分によっては実質的に吸収されない第２の光源と、流路を透過した第１及び第２の波長の光を検出し、第１の波長での透過率に対応した第１のデータ信号及び第２の波長での透過率に対応した第２のデータ信号を生成するように構成された検出器システムとを含んでいる。
【００１２】
本明細書中に開示されるさらに別の実施形態は、燃料給湿レベルをモニターするための方法である。本方法は、第１の波長の光を用いて燃料−水分混合物に問い合わせを行う段階と、燃料−水分混合物を透過した第１の波長の光を検出することで、燃料−水分混合物を通しての光透過経路に沿った気相中の水分により吸収された第１の波長の光に対応したデータ信号を生成する段階と、第１の波長の基準光信号を検出することで、燃料−水分混合物に問い合わせを行う第１の波長の光の強度に対応した基準データ信号を生成する段階と、燃料−水分混合物中の気相水分レベルを決定する段階とを含んでいる。
【００１３】
本明細書中に開示されるさらに別の実施形態は、燃料給湿センサーシステムである。本燃料給湿センサーシステムは、燃料−水分流路を通して第１の波長の光を放射するように構成された第１の光源であって、第１の波長は気相中にある水分によって少なくとも部分的に吸収され得るが、燃料によっては実質的に吸収され得ない第１の光源と、燃料−水分流路を通して第２の波長の光を放射するように構成された第２の光源であって、第２の波長は粒子状物質によって選択的に散乱されるが、燃料又は気相中にある水分によっては実質的に吸収され得ない第２の光源と、燃料−水分流路を通して第３の波長の光を放射するように構成された第３の光源であって、第３の波長は液相中にある水分によって少なくとも部分的に吸収され得るが、燃料又は気相中にある水分によっては実質的に吸収され得ない第３の光源と、流路を透過した第１、第２及び第３の波長の光を検出し、第１の波長での透過率に対応した第１のデータ信号、第２の波長での透過率に対応した第２のデータ信号、及び第３の波長での透過率に対応した第３のデータ信号を生成するように構成された検出器システムとを含んでいる。
【００１４】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳しい説明を読んだ場合に一層よく理解されよう。添付の図面中では、図面全体を通じて類似の部品は同一の符号で表されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本明細書中で使用する「水分」という用語は、気相中に存在する場合の水分及び液相中に存在する場合の水分の両方をいう。気相中の水分はまた、本明細書中では水蒸気又はスチームと互換的に使用される。
【００１６】
本明細書中で使用する「燃料」という用語は、例えば工業用途又は発電所用途で燃焼させるために適した気相天然ガス又はガス化石炭をいう。燃料の分子成分の非限定的な例には、Ｈ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６、ＣＨ４、Ｏ２、ＣＯＳ、ＳＯ２、Ｈ２Ｓ、ＮＯ２及びＮＯがある。
【００１７】
本明細書中で使用する粒子状物質とは、燃料の流れ中に同伴する固体及び液体粒子をいう。非限定的な例には、液相水分粒子及び不純物の微粒子（例えば、金属、炭化水素、汚れ及びダストの微粒子）がある。
【００１８】
本明細書中及び特許請求の範囲中に単数形で記載したものであっても、前後関係から明らかでない限り、複数の場合も含めて意味する。
【００１９】
本明細書中に開示される実施形態は、燃料−水分混合物中の気相及び／又は液相水分レベルを測定するためのシステム及び方法を包含する。
【００２０】
図１は、水分−燃料混合物中の水分レベルを測定するための方法１０を示している。方法１０は、ビームスプリッター１２を用いて入射レーザービームを２つの部分１４及び１６に分割する段階を含んでいる。ビームの第１の部分１４は、水蒸気を含むと共に、例えばＯ２及ＣＯＳのような１種以上の分子種を含むことがあるガス混合物中を透過させる。透過したビームは透過ビームの強度を測定する検出器２２に入射し、それによってガス−水蒸気混合物中での吸収の尺度が得られる。同時に、ビームの第２の部分１６は検出用の基準検出器２０に直接入射し、それによって直接に透過するビームの強度が測定される。両検出器で測定された強度を用いて、まず混合物の分子密度２４を決定し、それから水分の比体積２６を推定し、水分の密度２８及び水分の質量３０を算出する。入射ビームの波長が、入射ビームの波長で水蒸気分子のみが吸収されるようなものであれば、水蒸気−ガス混合物を透過したビームの測定強度は混合物中の水蒸気の質量に対応する。
【００２１】
一実施形態では、燃料給湿センサーシステムは、燃料−水分流路に問い合わせを行うように構成された、第１の波長を有する第１の光源を含んでいる。第１の波長は、気相中にある水分によって少なくとも部分的に吸収され得るが、燃料によっては実質的に吸収され得ないものである。一例では、第１の波長は赤外波長範囲内にあるように選択される。別の例では、第１の波長は９２５〜９７５ｎｍの範囲内にあるように選択される。一実施形態では、「実質的に吸収されない又は吸収され得ない」とは、吸収レベルがセンサーシステムのノイズレベル未満であることを意味する。特定の実施形態では、「実質的に吸収されない又は吸収され得ない」とは、吸収が水分の初期強度レベルの１％以下の範囲内にあることを意味する。一実施形態では、「少なくとも部分的に吸収され得る」とは、吸収レベルがセンサーシステムのノイズレベルを超えていることを意味する。特定の実施形態では、「少なくとも部分的に吸収され得る」とは、吸収が水分の初期強度レベルの３％以上の範囲内にあることを意味する。さらに特定の実施形態では、特に高い温度及び圧力に関し、「少なくとも部分的に吸収され得る」とは、水分の初期強度レベルの１０％以上が吸収されることを意味する。
【００２２】
第２の光源は、液相中にある水分によって選択的に散乱されかつ燃料又は気相中にある水分によって実質的に吸収されない第２の波長を有する。第２の光源は、燃料−水分混合物中又は燃料−水分混合物を含むチャンバー内における粒子状物質レベルを測定するために使用できる。一例では、第２の波長は可視波長範囲内にあるように選択される。別の例では、第２の波長は６１０〜６５０ｎｍの範囲内にあるように選択される。本明細書中で使用する「選択的に散乱される」とは、散乱断面積が液相では気相に比べて数倍大きいことを意味する。
【００２３】
燃料への問い合わせを行うため、システム中に第３の光源を含めることもでき、これは液相中にある水分によって少なくとも部分的に吸収され得るが燃料又は気相中にある水分によっては実質的に吸収され得ない波長を有する。一例では、第３の波長は１５２５〜１５７５ｎｍの範囲内にあるように選択される。
【００２４】
センサーシステムはさらに、１以上の波長を有する問い合わせ光の透過強度を検出するための検出器、並びに測定された透過強度に基づいて水分レベルや粒子状物質レベルのようなパラメーターを決定するための収集解析システムを含むことができる。
【００２５】
図２は、一実施形態における燃料給湿センサーシステム３２を示している。センサーシステム３２は、λ１のピーク波長でレーザー光を発生する第１の光源３４及びλ２のピーク波長でレーザー光を発生する第２の光源３６を含んでいて、光源３４及び３６からの光は水分−燃料混合物を運ぶ導管５４の窓５６及び５８を透過する。一例では、波長λ１を有する光は、気相中にある水分によって少なくとも部分的に吸収され得るが、燃料−水分混合物中又は導管の窓上の燃料及び粒子状物質によっては吸収され得ない。非限定的な例では、粒子状物質は液相の水分である。非限定的な例では、λ２は、窓上又はガス−水蒸気混合物中の粒子状物質により選択的に散乱されてλ２での透過強度の低下をもたらすように選択される。光源３４及び３６からの光はそれぞれの帯域通過フィルター３８及び４０に入射し、それぞれ球面レンズ４２及び４４を用いて集束された後、ビームスプリッター４６及び４８に入射する。各ビームスプリッターでは、光の一部はそれぞれの基準検出器５０又は５２に向かって反射され、入射光の一部は入射窓及び出射窓（ガス−水蒸気混合物６０を運ぶ導管のガラス窓５６及び５８）を有する導管５４に向かって透過する。出射窓５８から出ると、透過光はそれぞれのレンズ６２及び６４を用いて再び集束され、次いでそれぞれデータ検出器６６及び６８に入射する。
【００２６】
図３の実施形態は、燃料−水分混合物中の気相水分レベルを測定するように構成された燃料給湿センサーシステム７０を示している。本システムは、燃料及び水分輸送チャンバー７４に問い合わせを行うための問い合わせシステム７２、検出器システム７６、並びに制御及びデータ収集解析システム７８を含んでいる。問い合わせシステム７２は、約６３３ｎｍ及び約９４５ｎｍの波長で発光する２つのレーザー光源８０及び８２を含んでいる。９４５ｎｍの光は気相中の水分によって吸収されるが、燃料中に通例見出される分子によっては吸収されない。６３３ｎｍの光は粒子状物質（特に液体の水分）によって選択的に散乱される。非限定的な例では、窓上に水蒸気が凝縮して窓上に液相の水分を生じると、この波長での透過強度の低下をもたらす。さらに、燃料中の粒子状物質も散乱によって透過強度の低下をもたらすことがある。２つのレーザーからの光はビームスプリッター８４の位置で合わされる。レーザー８２から発生した放射の一部分はファイバーによって基準検出器９４に運ばれ、基準検出器９４によって検出測定される一方、放射の第２の部分は別のファイバーによってコリメーター８６に運ばれ、次いでビームスプリッター８４に入射する。ビームスプリッター８４は９４５ｎｍの光放射９６をチャンバー７４に向けて透過させる。約６３３ｎｍの波長を有するレーザー８０の出力はビームスプリッター８４によって分割され、一部はコリメーター９０で平行化された後に基準検出器９２に導かれ、一部はチャンバー７４に導かれる。チャンバー７４は入射窓１００及び１０２を含んでいる。９４５ｎｍ及び６３３ｎｍの光放射は、チャンバー内で吸収及び／又は散乱を受けた後、ビーム１０４及び１０６としてチャンバーから出射し、レンズ１０８を用いて集束され、次いでスプリッター１１０に入射する。６３３ｎｍの反射ビーム１１２はレンズ１１４を用いて集束され、コリメーター１１６を用いて平行化された後、データ検出器１１８に入射する。９４５ｎｍの放射１２０はスプリッター１１０によってコリメーター１２２に導かれ、次いで検出器１２４によって検出される。検出器の出力は検出器及びデータ収集電子回路７８によって受信され、解析のためコンピューター１２８に送信される。
【００２７】
若干のシナリオでは、ガス化用の水分−燃料混合物中の水分は主として気相水分を含んでいるが、液相の水分も混合物中にかなりのレベルで存在することがあり、これを有利に測定できるという他のシナリオも存在する。図４に示す別の実施形態では、給湿センサーシステム７２は、燃料−水分混合物中の液相水分レベルを探査するために追加の第３のレーザーを含むことができる。本システムはさらに、一例では約１５５０ｎｍのピーク波長で発光するレーザー８３を含んでいる。１５５０ｎｍの光は液相水分によって吸収されるが、燃料の成分分子又は気相水分によってはあまり吸収されない。レーザー８３の出力の一部分はコリメーター８７に入射し、次いでスプリッター８４を透過し、チャンバー７４に入射する。レーザー８３の出力の第２の部分は、ファイバーを通して基準検出器９５に運ばれる。チャンバーから出射する透過ビーム１１３は、次いでレンズ１１５を用いて集束され、コリメーター１１７を用いて平行化され、検出器１１９によって検出される。６３３ｎｍ、９４５ｎｍ及び１５５０ｎｍの波長を有する透過ビームの測定強度は制御及びデータ収集解析システムによって取得され、次いで解析することで燃料−水分混合物中における気相水分、液相水分及び総水分の値が求められる。
【００２８】
別の実施形態では、図５に示すようにガス化システム１３０が燃料給湿システム１３２を含んでいる。給湿燃料は導管１３４を通して導かれ、問い合わせチャンバー１３６に入る。例えば、通例ＩＧＣＣでは、給湿塔からの燃料ガス中の水分濃度は１８〜２０％の範囲内にある。問い合わせチャンバーは、問い合わせシステムからの問い合わせビームがチャンバー１３６に入射及び出射するための２つの窓１３８を有している。チャンバーを透過した後、検出器システム１３７によってビームの透過強度が測定される。一実施形態では、窓は発熱体１３３を含むことができる。発熱体１３３を作動することで、窓を高温に保ち、したがって水分の凝縮を回避することができる。特定の例では、液相の水分によって顕著に吸収される波長での光の透過強度の低下が窓上における凝縮水分の存在を示す場合に応答して発熱体を作動することができる。問い合わせチャンバーを出た給湿燃料は、導管１４０を通してガス化器１４１に輸送される。非限定的な例では、問い合わせビームに対応する基準ビームの強度を測定するための検出器が問い合わせシステム内に存在することがある。一実施形態では、制御及びデータ収集システムが問い合わせシステム及び検出器システムに電力を供給すると共に、さらなる処理及び解析のために基準強度及び透過強度を受信する。
【００２９】
一例では、ガス化システム内の燃料給湿システムは、求められた水分−燃料比データを受信するように構成され、燃料−水分混合物中の水分−燃料比を変更するように動作し得る。
【００３０】
一実施形態では、燃料給湿レベルをモニターするための方法は、第１の波長の光を用いて燃焼器−水分混合物に問い合わせを行うことで、燃料−水分混合物中を通る光透過経路に沿った気相中の水分により第１の波長で吸収される光に対応するデータ信号を生成して燃料−水分混合物中における気相中の水分レベルを求める段階を含んでいる。
【００３１】
別の実施形態では、本方法は、第２の波長で問い合わせを行うことで、燃料−水分混合物中又は透過経路に沿った位置（例えば、燃料−ガス混合物を含むチャンバー上）における何らかの粒子状物質の存在を測定する段階を含んでいる。第２の波長（例えば６３３ｎｍ）の光は、通例は粒子状物質によって散乱される。さらに別の実施形態では、液相水分の吸収ピークに特有な第３の波長の光を用いることで、燃料−水分混合物中における液相水分の存在が検出測定される。
【００３２】
一実施形態では、ガス化システムのようなシステムにおいて水分レベルをオンラインかつ実時間でモニターすることで、所望に応じて燃料−水分混合物中の水分レベルを動的に変化させることができる。
【００３３】
制御及びデータ収集システムでは、検出データを解析するために任意適宜の技法を使用することができる。一実施形態では、かかる方法には、後述のようにベール−ランベルトの関係を含む計算によって気相水分の分子密度を求めることが含まれる。別の実施形態では、圧力及び／又は温度相関関係が吸収線の幅及び形状の計算に適用される。
【００３４】
通例、燃料中には、多くの様々な分子種が見出される。表１は、典型的な天然ガス成分並びに分子量及びモル％で表したその含有量のリストを示している。
【００３５】
【表１】
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図６及び７は、燃料（特に限定されないが、天然ガス）中に見出される多くの分子成分の吸収スペクトル１５０を気相水分のスペクトルと比較して示している。示された吸収スペクトルは、ＨＩＴＲＡＮ（高解像度透過分子吸収）データベースから得られたものである。
【００３６】
図６では、線プロット１５２は気相水分の吸収スペクトルを示している。線プロット１５４、１５６及び１５８は、それぞれＮ２、ＣＯ及びＣＯ２に特有の吸収を示している。線プロット１６０、１６２及び１６４は、それぞれＣ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６及びＣＨ４に特有の吸収を示している。水蒸気スペクトル１５２の一部分は若干の他の分子種の吸収スペクトルと重なっているが、他の部分はそうでない。水蒸気は電磁スペクトルの近赤外（ＮＩＲ）範囲内に強い回転及び振動吸収バンドを示す。９４５ｎｍの波長では、水蒸気による吸収は他の成分と全く重なることなしに高い。その結果、レーザーからの放射の一部は水蒸気によって吸収される。基準線１６６は気相水分について顕著な吸収線が認められる９４５ｎｍの波長をマークしており、この吸収線は上述した燃料成分のいずれにも存在しない。
【００３７】
同様に、図７の比較プロット１６８では、線プロット１７０は気相水分についての吸収スペクトルを示している。線プロット１７２、１７４及び１７６は、それぞれＯ２、ＣＯＳ及びＳＯ２に特有の吸収を示している。線プロット１７８、１８０、１８２及び１８４は、それぞれＨ２Ｓ、ＮＯ２、ＮＯ及びＣ２Ｈ２に特有の吸収を示している。基準線１８６は気相水分について顕著な吸収線が認められる９４５ｎｍの波長をマークしており、この吸収線は上述した燃料成分のいずれにも認められない。
【００３８】
このように気相水分は、燃料中の典型的な成分には認められず、したがって気相水分の存在を検出して水蒸気レベルを測定するための識別特性として使用できる吸収特性を有している。したがって、一実施形態では、気相水分を探査するために使用する波長は、混合物中に蒸気分子として存在する他の分子種の吸収スペクトルに基づいて選択される。
【００３９】
一実施形態では、気相水分の分子密度は下記に示すベール・ランベルトの関係式を用いて計算できる。
【００４０】
【数２】
2009098148.tif 000005
式中、Ｉ０は基準強度であり、Ｉは透過強度であり、Ｓη”η’(Ｔ)は線強度であり、ｆ(ν,ν０,Ｔ,Ｐ)は線形状関数であり、Ｎｉは分子密度であり、Ｌはビームの光路長である。問い合わせ用レーザー放射の線強度及び線形状関数は、当技術分野で公知の通り、温度及び圧力に依存する。
【００４１】
式３から、分子密度を下記のように書くことができる。
【００４２】
【数３】
2009098148.tif 000006
上記の式は、分子強度が基準強度及び透過強度の関数であることを表している。上記の式（４）を用いて、下記のように比体積を計算できる。
【００４３】
【数４】
2009098148.tif 000007
式中、Ｎａｖはアボガドロ数（分子数／モル）であり、ＭＷＨ２Ｏ（ｇｍ／ｍｏｌ）は水の分子量である。
【００４４】
次いで、下記の関係式を用いて燃料ガス混合物中の水蒸気の密度（ρ）が計算される。
【００４５】
【数５】
2009098148.tif 000008
密度に容器の容積を掛ければ、任意の瞬間において燃料ガス混合物中に含まれる水蒸気の質量が得られる。
【００４６】
若干の実施形態では、高温高圧条件に原因する吸収線の広がりを考慮に入れるために吸収線形状を補正することができる。
【００４７】
一例では、作業圧力は５００〜６００ｐｓｉ（約３４５０〜約４１４０ｋＰａ）の範囲内にあり、温度は４００°Ｆ（約２０４℃）以上である。かかる高圧及び高温では、吸収線の広がりが起こる可能性がある。したがって、吸収線特性を温度及び圧力の関数として知ることは、工業的環境において分光式センサーを適用するために有用である。
【００４８】
圧力及び温度の関数として吸収線の分光シフトが起こることは、Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｐｈｅｌａｎ  ｅｔ  ａｌ，“Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｌｉｎｅ  ｓｈｉｆｔ  ｗｉｔｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ：ｉｍｐａｃｔ  ｏｎ  ｌａｓｅｒ−ｄｉｏｄｅ−ｂａｓｅｄ  Ｈ２Ｏ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ａｔ  １．３９３ｕｍ”，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．４２，ｐｐ．４９６８−４９７４，２００３のような多くの参考文献に記載されている。吸収線の形状は有限の幅を有するが、これは主としてドップラー広がり機構及び衝突（圧力）広がり機構に依存する。ドップラー限界における半値全幅（ＦＷＨＭ）での吸収線幅ΔＶＤは下記の式で定義される。
【００４９】
【数６】
2009098148.tif 000009
式中、ν０は中心周波数であり、Ｔはケルビン単位の温度であり、ｋはボルツマン定数であり、ｍは分子の質量であり、ｃは光速である。圧力及び温度の関数としての吸収線の分光シフト及び広がりは、それぞれ下記の式（８）及び（９）で記述される。
【００５０】
【数７】
2009098148.tif 000010
式中、ＶＰ及びＶＲはそれぞれ圧力Ｐ及び基準圧力Ｒでのピーク吸収プロフィルの波長であり、δは圧力で誘起される線シフト係数である。式（９）中では、Ｔ０は基準温度であり、２γ(Ｔ０)は基準温度での広がり係数であり、Ｎは温度に依存する指数である。
【００５１】
上述したＰｈｅｌａｎの参考文献中に報告されている通り、圧力に関する最大測定分光シフト係数は室温で２．２９×１０−６ｎｍ／ｍｂａｒである。３００〜１１００°Ｋの範囲内の温度の関数としてのシフト係数の変化は、同じ参考文献中に示されている。温度広がりは、波長を±０．０３ｎｍ／℃だけシフトさせることがある。一例では、６００°Ｆ（約３１６℃）での最大シフトは９．４６ｎｍである。圧力広がりも、波長を±０．０００１ｎｍ／Ｔｏｒｒだけシフトさせることがある。これは、５５０ｐｓｉ（約３．７９０ｋＰａ）で２．７５ｎｍのシフトを生じる。
【００５２】
図６の線プロット１５２（水蒸気）及び１５８（ＣＯ２）を比較すると、ＣＯ２（最も近いスペクトル）及び水蒸気のレーザーに関するΔλは９１ｎｍ（概略値）である。したがって、例えばガス化システム中の給湿塔で見られるような高温及び高圧では、ＣＯ、ＣＯ２及び他の炭化水素に関する吸収スペクトルの重なりは起こらないことがわかる。
【実施例】
【００５３】
さらに詳しく説明しなくても、当業者であれば、本明細書中の記載を用いて本明細書中に開示された実施形態を十二分に利用できると考えられる。以下の実施例は、特許請求の範囲に記載した発明を実施するに際して当業者に追加の指針を提供するために示される。ここに示す実施例は、本願の教示に役立つ作業を単に代表するものにすぎない。したがって、これらの実施例は特許請求の範囲に定義された本発明を決して限定するものではない。
【００５４】
窒素（Ｎ２）及び二酸化炭素（ＣＯ２）に水蒸気を混入した混合物中における水分レベルを測定するための実験を実施した。かかる実験を行う目的のため、ガス及び水蒸気連結部を有する高温高圧ガス容器を設計して製造した。かかる容器は、１５０℃で１５０ｐｓｉａ（約１０３４．２５ｋＰａ）の圧力に耐えるように設計した。この実施例に関する最大作業圧力は８０ｐｓｉａ（約５５１．６ｋＰａ）であった。ガス容器の窓は、３インチの直径を有する厚さ６ｍｍの石英ガラスからなっていた。窓上への水分凝縮を取り除くため、窓は２００℃に加熱した。実験中におけるガス容器内の温度及び圧力は、熱電対及び圧力計を用いてモニターした。
【００５５】
９４５ｎｍ及び６３３ｎｍの問い合わせ用レーザー放射を、ビームスプリッターを用いて２つの部分に分割した。一部分は一方の窓からガス容器に入射させ、他方の窓を通して透過放射を検出した。第２の部分は、入射パワー測定用の基準として使用した。
【００５６】
５００ｋＨｚの速度でデータを取得し、そのデータをＭＡＴＬＡＢ（登録商標）中に書き込まれたアルゴリズムに送ることでガス混合物中の水蒸気質量分率を計算した。ＭＡＴＬＡＢでは、水蒸気レベルを計算するために使用するアルゴリズム中にベールの法則及び水蒸気線関数が実装されていた。
【００５７】
実施例１
容器を排気し、所望の圧力まで窒素で満たした。給湿センサーシステムからデータを取得するデータ収集システムを起動し、透過強度及び基準強度をモニターした。容器内に水蒸気を導入し、透過強度及び基準強度をモニターした。図８は、５５ｐｓｉ（約３７９ｋＰａ）のＮ２及び１０ｐｓｉ（約６８ｋＰａ）の水蒸気を通しての透過強度の変動を示している。
【００５８】
図８における９４５ｎｍの光の吸収特性は、点１８９でチャンバー内に水蒸気が導入されたとき、透過強度の低下１９０が生じるが、やがて点１９１以後は再び定常状態に達したことを示している。線１９２は基線強度レベルをマークしている。
【００５９】
様々な水蒸気及びＮ２圧力下で水蒸気質量を測定した。結果は、熱力学表に基づく計算並びに圧力、体積及び温度（Ｐ，Ｖ，Ｔ）に基づく計算を用いて確認した。熱力学表に基づく計算のためには、スチームチャンバー内に挿入したｋ型熱電対を用いて温度を測定した。Ｐ，Ｖ，Ｔに基づく計算のためには、窒素−水蒸気混合物を含む場合と（チャンバー内に水蒸気を導入する前に）窒素のみを含む場合とのチャンバー圧力の差によってチャンバー内の水蒸気圧力を計算する。表２は、様々な水蒸気圧力における水蒸気質量測定結果をまとめて示している。
【００６０】
【表２】
2009098148.tif 000011
燃料給湿センサー、熱力学表に基づく計算及びＰ，Ｖ，Ｔに基づく測定を用いて測定した平均水蒸気質量の比較表を表３に示す。燃料給湿センサーによって検出した平均水蒸気質量は、熱力学表に基づく計算及びＰ，Ｖ，Ｔに基づく測定を用いて推定した平均水蒸気質量値に非常に近いことが注目できる。これは、センサーがガス−水蒸気混合物中の水分含有量を検出できることを表している。
【００６１】
【表３】
2009098148.tif 000012
実施例２
容器を排気し、所望の圧力まで二酸化炭素で満たした。給湿センサーシステムからデータを取得するデータ収集システムを起動し、透過強度及び基準強度をモニターした。容器内に水蒸気を導入し、透過強度及び基準強度をモニターし続けた。図９は、３０ｐｓｉ（約２０７ｋＰａ）のＣＯ２及び１０ｐｓｉ（約６８ｋＰａ）の水蒸気を通しての透過強度の変動を示している。
【００６２】
線２０２は基線強度レベルをマークしている。図９における９４５ｎｍの光の吸収特性は、点２０４でチャンバー内に水蒸気が導入されたとき、透過強度の低下２００が生じるが、やがて領域２０６で再び定常状態に達したことを示している。図９には、水蒸気＋ＣＯ２混合物中における１０ｐｓｉ（約６８ｋＰａ）の水蒸気の吸収に原因するＤＣシフトが示されている。吸収スペクトル中におけるこのＤＣシフトを使用することで、ガス混合物中の水蒸気質量が計算される。
【００６３】
一実施形態では、上述した実施例１及び２は、給湿センサーがＮ２又はＣＯ２を含むチャンバー内への水蒸気導入に原因する水蒸気質量の過渡的変化をモニターしかつ追跡できることを実証している。
【００６４】
以上、本明細書中には本発明の若干の特徴のみを例示し説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。したがって、特許請求の範囲は本発明の真の技術思想の範囲内に含まれるすべてのかかる修正及び変更を包括するものであることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本明細書中に開示される一実施形態における、燃料−水分混合物中の水分レベルを測定するための方法の略図である。
【図２】本明細書中に開示される一実施形態における、燃料−水分混合物中の水分レベルを測定するためのセンサーシステムの略図である。
【図３】本明細書中に開示される一実施形態における、燃料−水分混合物中の水分レベルを測定するためのセンサーシステムの略図である。
【図４】本明細書中に開示される一実施形態における、燃料−水分混合物中の水分レベルを測定するためのセンサーシステムの略図である。
【図５】本明細書中に開示される一実施形態におけるガス化システム中の燃料給湿システムの略図である。
【図６】本明細書中に開示される一実施形態における、水蒸気、Ｎ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６及びＣＨ４についての吸収スペクトルを示すグラフである。
【図７】本明細書中に開示される一実施形態における、水蒸気、Ｏ２、ＣＯＳ、ＳＯ２、Ｈ２Ｓ、ＮＯ２、ＮＯ及びＣ２Ｈ２についての吸収スペクトルを示すグラフである。
【図８】本明細書中に開示される一実施形態における給湿プロセス中に測定された強度変化を示すグラフである。
【図９】本明細書中に開示される一実施形態における給湿プロセス中に測定された強度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６６】
３２  燃料給湿センサーシステム
３４  第１の光源
３６  第２の光源
５０  基準検出器
５２  基準検出器
６６  データ検出器
６８  データ検出器
７０  燃料給湿センサーシステム
７６  検出器システム
７８  データ収集解析システム
８０  第１の光源
８２  第２の光源
８３  第３の光源
１３０  ガス化システム
１３２  燃料給湿システム
１３３  発熱体
１３４  導管
１３６  チャンバー
１３８  窓
【図１】
2009098148.tif 000013
【図２】
2009098148.tif 000014
【図３】
2009098148.tif 000015
【図４】
2009098148.tif 000016
【図５】
2009098148.tif 000017
【図６】
2009098148.tif 000018
【図７】
2009098148.tif 000019
【図８】
2009098148.tif 000020
【図９】
2009098148.tif 000021