CN104756296B - 发电系统及发电系统中的燃料电池的启动方法和运行方法 - Google Patents

发电系统及发电系统中的燃料电池的启动方法和运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种发电系统及发电系统中的燃料电池的启动方法和运行方法，其能够防止燃料电池启动时燃气轮机中的空气不足，从而能够稳定地启动。该发电系统具备：具有压缩机(21)和燃烧器(22)的燃气轮机(11)；用于将被压缩机压缩了的压缩空气(A1)供至燃烧器的第1压缩空气供给管线(26)；具有空气极和燃料极的SOFC(13)；用于将被压缩机压缩了的一部分压缩空气(A2)供至空气极的第2压缩空气供给管线(31)；设置于第2压缩空气供给管线，对压缩空气(A2)进行增压的鼓风机(33)；将第2压缩空气供给管线中的鼓风机的上游侧与下游侧连接的增压机循环管线(60)；设置于增压机循环管线的控制阀(61)；设置于第2压缩空气供给管线的增压机循环管线与SOFC之间的控制阀(63)；以及在SOFC启动时将控制阀关闭且将控制阀打开，使鼓风机启动的控制装置(62)。

Description

发电系统及发电系统中的燃料电池的启动方法和运行方法
技术领域
本发明涉及一种发电系统及发电系统中的燃料电池的启动方法和运行方法，其中，该发电系统由燃料电池、燃气轮机以及蒸汽轮机组合而成。
背景技术
作为用途广泛且效率高的燃料电池，已知有作为燃料电池的固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell：以下称为“SOFC”)。在该SOFC中，为了提高离子电导率而提高了工作温度，因此，能够将从燃气轮机的压缩机喷出的空气用作供至空气极侧的空气(氧化剂)。另外，SOFC的未利用的高温燃料用作燃气轮机的燃烧器的燃料。
因此，例如如下述专利文献1所述，作为能够实现高效率发电的发电系统，业者提出了各种由SOFC、燃气轮机以及蒸汽轮机组合而成的发电系统。该专利文献1中公开的联合系统，设有SOFC、燃烧从该SOFC排出的废燃料气和废空气的燃气轮机燃烧器、具有将空气压缩后供给SOFC的压缩机的燃气轮机。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2009-205930号公报
发明概要
发明拟解决的问题
在上述现有的发电系统中，先使燃气轮机进行运行，并将被该燃气轮机的压缩机压缩了的一部分空气供给SOFC，从而对SOFC进行加压，然后使SOFC启动。该情况下，为了形成如下一种流程，当燃气轮机的压缩机的出口压力与接收从SOFC排出的废燃料气的燃气轮机的燃烧器的入口压力变为恒定时，补充压力损失部分，然后向SOFC供给压缩空气，优选利用鼓风机吹送压缩空气。但是，鼓风机在从开始运行至额定运行为止的期间内，内部的压力或者流量急剧变动，使得运行变得不稳定。因此，随着鼓风机开始运行压缩空气的流量急剧增加而被输送至SOFC，有时会出现供至燃气轮机的燃烧器的压缩空气不足的情况。由此，在燃烧器中，燃烧用空气不足会导致燃烧气体的温度升高，或者，在燃烧器或者涡轮机中，因为冷却用空气不足而难以充分冷却。另外，为了防止随着鼓风机开始运行压缩空气的流量急剧增加而被输送至SOFC，导致供至燃气轮机的燃烧器的压缩空气不足的情况，可以考虑将燃气轮机的压缩机的SOFC侧出口和燃气轮机的燃烧器的SOFC侧入口堵住，但是，这样会导致鼓风机无法启动。
本发明为解决上述问题开发而成，其目的在于提供一种发电系统以及发电系统中的燃料电池的启动方法，其能够抑制燃料电池启动时燃气轮机中的空气不足，从而能够稳定地启动。
另外，在上述现有的发电系统的额定运行时，燃气轮机的运行状态随发电状况发生变动。该情况下，压缩机的出口压力会发生变动。因此，供至SOFC侧的压缩空气的压力不稳定。SOFC优选以将空气极与燃料极的压力控制为相等而使空气和燃料不会流入彼此间的稳定状态运行，当供给的压缩空气的压力不稳定时，SOFC的运行状态会变得不稳定，从而有可能导致发电效率下降。
本发明为了解决上述问题开发而成，其目的在于提供一种发电系统以及发电系统中的燃料电池的运行方法，其能够使从燃气轮机供至燃料电池的压缩空气的压力保持恒定。
解决课题的方法
为达成上述目的的本发明的发电系统，其特征在于具备：具有压缩机和燃烧器的燃气轮机；用于将被所述压缩机压缩了的压缩空气供给所述燃烧器的第1压缩空气供给管线；具有空气极和燃料极的燃料电池；用于将被所述压缩机压缩了的一部分压缩空气供至所述空气极的第2压缩空气供给管线；设置于所述第2压缩空气供给管线，对所述压缩空气进行增压的增压机；将所述第2压缩空气供给管线中的所述增压机的上游侧与下游侧连接的增压机循环管线；设置于所述增压机循环管线中的第1控制阀；设置于所述第2压缩空气供给管线中的所述增压机循环管线与所述燃料电池之间的第2控制阀；以及在所述燃料电池启动时将所述第2控制阀关闭且将所述第1控制阀打开，使所述增压机启动的控制部。
因此，在燃料电池启动时，在将被压缩机压缩了的一部分压缩空气供至空气极的第2压缩空气供给管线中，使压缩空气从增压机的下游侧朝向上游侧循环。因此，此时供至燃烧器或者涡轮机的压缩空气不会不足，从而能够防止燃烧器中产生异常燃烧、或者涡轮机的冷却不足。由此，能够防止燃气轮机中的空气不足，从而能够稳定地启动。
在本发明的发电系统的特征在于，还具备用于检测所述增压机中的压缩空气的压力或者流量的检测器，当所述流量检测器检测出的压力或者流量变为规定值时，所述控制部将所述第2控制阀打开，并且将所述第1控制阀关闭。
因此，通过在增压机中的压缩空气的流量变稳定后向燃料电池输送压缩空气，能够恰当地抑制燃气轮机中的空气不足。
另外，本发明的发电系统中的燃料电池的启动方法，其特征在于，包括：燃料电池启动时，使设置于所述燃料电池的空气极近旁的增压机启动，对被燃气轮机的压缩机压缩了的一部分压缩空气进行增压，并且使该压缩空气从该增压机的下游侧朝向上游侧循环的工序；接着，当被所述燃气轮机的压缩机压缩了的一部分压缩空气的压力或者流量变为规定值时，利用所述增压机对所述压缩空气进行增压的同时，将该压缩空气供至所述燃料电池的空气极的工序。
因此，在燃料电池启动时，燃烧器或者涡轮机中的压缩空气不会不足，从而能够防止燃气轮机中的空气不足，能够稳定地进行启动。
为达成上述目的的本发明的发电系统，其特征在于，具备：具有压缩机和燃烧器的燃气轮机；具有空气极和燃料极的燃料电池；用于将被所述压缩机压缩了的一部分压缩空气供至所述空气极的压缩空气供给管线；设置于所述压缩空气供给管线的压力控制阀；设置于所述压缩空气供给管线，检测供至所述空气极的压缩空气的压力的检测器；以及根据所述检测器检测出的压力的变动而对所述压力控制阀的开度进行控制，使供至所述空气极的压缩空气的压力达到恒定的控制部。
因此，当燃气轮机的压缩机的出口侧压力发生变动时，通过对压力控制阀的开度进行控制，从而弥补该压缩空气的压力。因此，能够使从燃气轮机供至燃料电池的压缩空气的压力保持恒定。由此，燃料电池在恒定压力的压缩空气下工作，因此，燃料电池的运行状态稳定，从而能够稳定地进行发电。
本发明的发电系统的特征在于，所述压力控制阀由多个控制阀并联而构成。
因此，在对压力控制阀的开度进行控制时，例如先对流量调节范围小的控制阀进行控制，接着对流量调节范围大的控制阀进行控制。通过如此进行控制，能够通过流量调节范围小的控制阀来弥补流量调节范围较大的控制阀开始工作时的工作不稳定的范围。由此，能够顺畅且正确地进行使压缩空气的压力保持恒定的控制。另外，即使多个控制阀的流量调节范围相同，也可以通过依次对开度进行控制，从而顺畅且正确地进行使压缩空气的压力保持恒定的控制。
另外，本发明的发电系统中的燃料电池的运行方法，其特征在于，包括：将被燃气轮机的压缩机压缩了的一部分压缩空气供至燃料电池的空气极的工序；以及在供至所述燃料电池的压缩空气的压力发生变动时，对所述压缩空气的流量进行调节，使所述压缩空气的压力达到恒定的工序。
因此，即使燃气轮机的压缩机的出口侧压力发生变动，也能够对压缩空气的流量进行控制，从而使该压缩空气的压力保持恒定。因此，能够使从燃气轮机供至燃料电池的压缩空气的压力保持恒定。由此，由于燃料电池在恒定压力的压缩空气下工作，因此，燃料电池的运行状态稳定，从而能够稳定地进行发电。
发明效果
根据本发明的发电系统以及发电系统中的燃料电池的启动方法，由于是利用设置于燃料电池的空气极近旁的增压机对被燃气轮机的压缩机压缩过的一部分压缩空气进行增压，并且使该一部分压缩空气从该增压机的下游侧朝向上游侧循环后供给燃料电池，因此，能够防止燃气轮机中的空气不足，从而能够稳定地启动。另外，即使在为了防止随着鼓风机开始运行压缩空气的流量急剧增加而被输送至燃料电池，从而导致供至燃气轮机的燃烧器的压缩空气不足的情况，而将燃气轮机的压缩机的燃料电池侧出口和燃气轮机的燃烧器的燃料电池侧入口堵住的状态下，也能够使鼓风机启动。
根据本发明的发电系统以及发电系统中的燃料电池的运行方法，即使燃气轮机的压缩机的出口侧压力发生变动，也能够通过调节压缩空气的流量，使从燃气轮机供至燃料电池的压缩空气的压力保持恒定。
附图说明
图1是表示本发明的实施例1涉及的发电系统中的压缩空气供给管线的简图。
图2是表示本实施例1的发电系统中的固体氧化物燃料电池启动时压缩空气的供给时机的时序图。
图3是表示本实施例1的发电系统的概略构成图。
图4是表示本发明的实施例2涉及的发电系统中的压缩空气供给管线的简图。
图5是本实施例2的发电系统中的固体氧化物燃料电池运行时压缩空气的供给流程图。
图6是表示本实施例2涉及的另一方式的发电系统中的压缩空气供给管线的简图。
图7是表示本实施例2的发电系统的概略构成图。
具体实施方式
实施例1
以下，参照附图对于本发明涉及的发电系统以及发电系统中的燃料电池的启动方法的较佳实施例详细地进行说明。需要说明的是，本发明并不限定于该实施例，另外，在存在多个实施例的情况下，也包括将各实施例加以组合而构成的实施例。
本实施例1的发电系统是由固体氧化物燃料电池(以下称为“SOFC”)、燃气轮机以及蒸汽轮机组合而成的三联循环(Triple Combined Cycle：注册商标)。该三联循环通过在燃气轮机联合循环发电(GTCC)的上游侧设置SOFC，从而能够在SOFC、燃气轮机、蒸汽轮机这三个阶段中产生电力，因而能够实现极高的发电效率。另外，在以下的说明中，以本发明的燃料电池使用固体氧化物燃料电池为例进行说明，但是，并不限定于该形式的燃料电池。
图1是表示本发明的实施例1涉及的发电系统中的压缩空气供给管线的简图，图2是表示本实施例1的发电系统中的SOFC启动时压缩空气的供给时机的时序图，图3是表示本实施例1的发电系统的概略构成图。
在本实施例1中，如图3所示，发电系统10具有燃气轮机11和发电机12、SOFC13、蒸汽轮机14和发电机15。该发电系统10构成为：通过组合燃气轮机11发电、SOFC13发电、蒸汽轮机14发电，能够得到高的发电效率。
燃气轮机11具有压缩机21、燃烧器22以及涡轮机23，压缩机21和涡轮机23以通过旋转轴24能够呈一体地旋转的方式被连接。压缩机21将从空气吸入管线25吸入的空气A加以压缩。燃烧器22将从压缩机21经由第1压缩空气供给管线26供给的压缩空气A1和从第1燃料气体供给管线27供给的燃料气体L1混合后进行燃烧。涡轮机23在从燃烧器22经由废气供给管线28供给的废气(燃烧气体)G的作用下进行旋转。另外，虽未图示，但是，被压缩机21压缩过的压缩空气A1经由机壳供向涡轮机23，该压缩空气A1作为冷却空气对叶片等进行冷却。发电机12与涡轮机23设置在同一条轴上，能够通过涡轮机23旋转而进行发电。另外，在此，作为供给燃烧器22的燃料气体L1，使用例如液化天然气(LNG)。
SOFC13，通过接收作为还原剂的高温燃料气体和作为氧化剂的高温空气(氧化性气体)，并在规定的工作温度下反应从而进行发电。该SOFC13将空气极、固体电解质以及燃料极收纳在压力容器内而构成。通过在空气极接收被压缩机21压缩过的一部分压缩空气A2，在燃料极接收燃料气体而进行发电。另外，在此，作为供给SOFC13的燃料气体L2，使用例如液化天然气(LNG)、氢气(H2)以及一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)等烃类气体、通过煤炭等碳质原料的气化设备而制成的气体。另外，供给SOFC13的氧化性气体是含有约15％～30％氧气的气体，作为代表例，优选为空气，但是，除了空气之外，还可以使用燃烧废气与空气的混合气体、或者氧气与空气的混合气体等(以下，将供给SOFC13的氧化性气体称为“空气”)。
该SOFC13，连接有从第1压缩空气供给管线26分叉出的第2压缩空气供给管线31，从而能够将被压缩机21压缩过的一部分压缩空气A2供至空气极的导入部。在该第2压缩空气供给管线31中，沿着空气的流动方向而设有能够调节所供给的空气量的控制阀32，以及能够对压缩空气A2进行增压的鼓风机(增压机)33。控制阀32设置在第2压缩空气供给管线31中的空气的流动方向的上游侧，鼓风机33设置在控制阀32的下游侧。SOFC13连接有用于排出空气极中使用过的废空气A3的废空气管线34。该废空气管线34分叉为将空气极中使用过的废空气A3排至外部的排出管线35，以及与燃烧器22连接的压缩空气循环管线36。排出管线35中设有能够调节排出的空气量的控制阀37，压缩空气循环管线36中设有能够调节循环的空气量的控制阀38。
另外，SOFC13设有向燃料极的导入部供给燃料气体L2的第2燃料气体供给管线41。第2燃料气体供给管线41中设有能够调节所供给的燃料气体量的控制阀42。SOFC13连接有排出燃料极中使用过的废燃料气L3的废燃料管线43。该废燃料管线43分叉为排至外部的排出管线44，以及与燃烧器22连接的废燃料气供给管线45。排出管线44中设有能够调节排出的燃料气体量的控制阀46，在废燃料气供给管线45中，沿着燃料的流动方向而设有能够调节所供给的燃料气体量的控制阀47，以及能够对燃料进行增压的鼓风机48。控制阀47设置在废燃料气供给管线45中的燃料气体L3的流动方向的上游侧，鼓风机48设置在控制阀47的燃料气体L3的流动方向的下游侧。
另外，SOFC13设有将废燃料管线43与第2燃料气体供给管线41连接的燃料气体再循环管线49。燃料气体再循环管线49中设有再循环鼓风机50，该再循环鼓风机50使废燃料管线43中的废燃料气L3在第2燃料气体供给管线41中再循环。
蒸汽轮机14通过废热回收锅炉(HRSG)51中生成的蒸汽而使涡轮机52进行旋转。该废热回收锅炉51，连接有来自燃气轮机11(涡轮机23)的排气管线53，通过在空气与高温的废气G之间进行热交换，从而生成蒸汽S。在蒸汽轮机14(涡轮机52)，其与废热回收锅炉51之间设有蒸汽供给管线54和供水管线55。而且，在供水管线55中设有冷凝器56和供水泵57。发电机15与涡轮机52设置在同一条轴上，从而能够通过涡轮机52旋转而进行发电。另外，在废热回收锅炉51中回收热量后的废气G，在将有害物质除去后被释放至大气中。
在此，对于本实施例1的发电系统10的动作进行说明。在启动发电系统10时，按照燃气轮机11、蒸汽轮机14、SOFC13的顺序依次进行启动。
首先，在燃气轮机11中，压缩机21将空气A加以压缩，燃烧器22将压缩空气A1与燃料气体L1加以混合后进行燃烧，涡轮机23在废气G的作用下进行旋转，从而使发电机12开始进行发电。接着，在蒸汽轮机14中，通过废热回收锅炉51所生成的蒸汽S而使涡轮机52进行旋转，由此使发电机15开始进行发电。
接着，在SOFC13中，首先供给压缩空气A2，并在开始增压的同时开始进行加热。在将排出管线35的控制阀37和压缩空气循环管线36的控制阀38关闭，且使第2压缩空气供给管线31的鼓风机33停止的状态下，将控制阀32打开规定开度。于是，从第2压缩空气供给管线31向SOFC13侧供给被压缩机21压缩了的一部分压缩空气A2。由此，通过供给压缩空气A2而使SOFC13侧的压力升高。
另一方面，在SOFC13中，向燃料极侧供给燃料气体L2并开始进行增压。在将排出管线44的控制阀46和废燃料气供给管线45的控制阀47关闭，且使鼓风机48停止的状态下，打开第2燃料气体供给管线41的控制阀42，并且驱动燃料气体再循环管线49的再循环鼓风机50。于是，从第2燃料气体供给管线41向SOFC13侧供给燃料气体L2，并且通过燃料气体再循环管线49而使废燃料气L3再循环。由此，通过供给燃料气体L2而使SOFC13侧的压力升高。
然后，当SOFC13的空气极侧的压力变为压缩机21的出口压力时，将控制阀32全开，并且驱动鼓风机33。与此同时，将控制阀37打开，从而将来自SOFC13的废空气A3从排出管线35排出。于是，通过鼓风机33而向SOFC13侧供给压缩空气A2。与此同时，将控制阀46打开，从而将来自SOFC13的废燃料气L3从排出管线44排出。然后，当SOFC13中的空气极侧的压力和燃料极侧的压力达到目标压力时，SOFC13的增压完成。
然后，当SOFC13的反应(发电)变稳定，并且废空气A3和废燃料气L3的成分变稳定后，将控制阀37关闭，同时将控制阀38打开。于是，将来自SOFC13的废空气A3从压缩空气循环管线36供至燃烧器22。另外，将控制阀46关闭同时将控制阀47打开，驱动鼓风机48。于是，将来自SOFC13的废燃料气L3从废燃料气供给管线45供至燃烧器22。此时，减少从第1燃料气体供给管线27供至燃烧器22的燃料气体L1的量。
在此，发电机12在燃气轮机11的驱动下进行发电，SOFC13进行发电，发电机15在蒸汽轮机14的驱动下进行发电，从而发电系统10变为稳态运行。
但是，在普通的发电系统中，在启动SOFC13时，将被燃气轮机11的压缩机21压缩了的一部分空气从第2压缩空气供给管线31供至SOFC13，从而进行增压。而且，在本实施例1中，为了形成如下一种流程，当压缩机21的出口压力与被供给从SOFC排出的废燃料气的燃烧器22的入口压力达到恒定时，补充压力损失部分后将压缩空气A2供给SOFC13，而利用鼓风机33吹送压缩空气A2。但是，鼓风机33在从开始运行至额定运行为止的期间内，内部的压力或者流量急剧变动，从而使运行变得不稳定。因此，随着鼓风机33开始运行压缩空气A2的流量急剧增加而被输送至SOFC13，从而在燃气轮机11中，有可能导致供给燃烧器22的压缩空气A1、或者输往涡轮机23的冷却空气不足。
因此，在本实施例1的发电系统10中，如图1所示，在鼓风机33的位置处设置增压机循环管线60和控制阀(第1控制阀)61，在SOFC13启动时，控制装置(控制部)62使鼓风机33启动的同时将控制阀61打开。
即，在SOFC13启动时，当在使鼓风机33启动的同时将控制阀61打开时，在通过鼓风机33吹送被燃气轮机11的压缩机21压缩了的一部分压缩空气A2同时，使其在增压机循环管线60中循环。而且，持续进行直到鼓风机33的运行稳定为止，从而使输往SOFC13的压缩空气A2的流量变稳定。因此，能够防止燃气轮机11中的空气不足。
详细来说，如图1所示，增压机循环管线60以在第2压缩空气供给管线31中连接在鼓风机33的上游侧和下游侧，从鼓风机33迂回的方式设置。控制阀61设置在该增压机循环管线60中。另外，鼓风机33由驱动电动机33a进行驱动。另外，鼓风机33具有压力检测器33b，该压力检测器33b用于检测从鼓风机33的出口通过的压缩空气A2的压力。
另外，在第2压缩空气供给管线31，增压机循环管线60与SOFC13之间设有控制阀(第2控制阀)63。
另外，在第2压缩空气供给管线31，压缩机21与控制阀32之间设有第1检测器64。该第1检测器64用于检测被燃气轮机11的压缩机21压缩了的、控制阀32上游侧的压缩空气A2的第1压力。
另外，在第2压缩空气供给管线31，增压机循环管线60与控制阀32之间设有第2检测器65。该第2检测器65用于检测被燃气轮机11的压缩机21压缩了的、控制阀32下游侧的压缩空气A2的第2压力。
另外，在SOFC13中设有第3检测器66。该第3检测器66用于检测SOFC13的空气极，即第2压缩空气供给管线31中相比控制阀63更靠近SOFC13侧的位置处的第3压力。
控制装置62能够调节控制阀61和控制阀63的开度，并且能够控制基于驱动电动机33a的鼓风机33的启动和停止。另外，控制装置62能够调节控制阀32、控制阀37以及控制阀38的开度。另外，控制装置62输入各检测器64、65、66检测出的第1压力、第2压力以及第3压力。另外，控制装置62输入鼓风机33中的压力检测器33b检测出的压力。
而且，控制装置62输入各检测器64、65、66检测出的第1压力、第2压力以及第3压力、或者鼓风机33的压力检测器33b检测出的压力，并根据这些输入数据而控制驱动电动机33a、控制阀61、控制阀63、控制阀32、控制阀37以及控制阀38。
在此，对于上述控制装置62的控制，即本实施例1的发电系统10中的SOFC13的启动方法进行说明。
如图2所示，在时间t1时，燃气轮机11启动，燃气轮机11开始进行发电，直到经过规定时间后的时间t2为止。在从该时间t1至时间t2的期间内，鼓风机33停止(驱动电动机33a停止)，控制阀32、37、38、63关闭，控制阀61打开(或者也可以关闭)。
然后，在时间t2时获取使SOFC13启动的启动指令。该情况下，燃气轮机11可以是低负荷运行状态，也可以是额定运行状态。在该时间t2时，将控制阀32设为并非全开的规定开度，并且打开控制阀63。于是，从控制阀32经由增压机循环管线60的第2压缩空气供给管线31、SOFC13、至控制阀38为止的压缩空气循环管线36、以及至控制阀37为止的排出管线35中的压力升高。
然后，在时间t3时，当第2检测器65的第2压力P2与第1检测器64的第1压力P1相等时，打开控制阀32、61，关闭控制阀63(或者减小至规定开度)，使鼓风机33启动(使驱动电动机33a进行驱动)。于是，被压缩机21压缩了的一部分压缩空气A2从鼓风机33的下游侧经由增压机循环管线60朝向上游侧进行循环。另外，控制阀63，抑制压缩空气A2被供给SOFC13，使压缩空气A2在增压机循环管线60中循环。控制阀63也可以减小至规定开度，但是，通过将控制阀63关闭，能够切实地使压缩空气A2循环，从而能够切实地防止被鼓风机33增压过的压缩空气A2对SOFC13造成影响(例如SOFC13的压力(第3压力P3)变动等)。
然后，在时间t4时，当鼓风机33的压力P变为鼓风机33的额定时的规定值的压力时，保持对鼓风机33驱动不变，并且慢慢地关闭控制阀61。此时，慢慢地打开控制阀63和控制阀37。于是，被鼓风机33增压过的压缩空气A2被供至SOFC13中。此时，鼓风机33处于额定运行，因而其运行稳定，从而输往SOFC13的压缩空气A2的流量稳定。另外，此时，通过慢慢地打开控制阀63和控制阀37，能够防止第3检测器66的第3压力P3，即SOFC13的压力急剧变动。另一方面，在SOFC13中，压缩空气A2从第2压缩空气供给管线31通过后流入SOFC13中，因此，SOFC13的压力(第3压力P3)慢慢变高。
然后，在时间t5时，当SOFC13的压力(第3压力P3)变为SOFC13的规定压力时，保持对鼓风机33驱动不变，并且关闭控制阀61，打开控制阀63。然后，在达到SOFC13的运行变稳定的时间t6之前，慢慢地打开控制阀38，并且慢慢地关闭控制阀37。由此，从额定运行的SOFC13排出的废空气A3从废空气管线34经由压缩空气循环管线36被供至燃烧器22。由于鼓风机33的运行变稳定，因而该废空气A3不会急剧变动，从而稳定地被供至燃烧器22。因此，在燃气轮机11中，从压缩机21稳定地向燃烧器22供给压缩空气A1、以及向涡轮机23输送冷却空气，压缩空气A1和冷却空气不会过多或者不足。
另外，控制装置62输入鼓风机33中的压力检测器33b检测出的压力，并在时间t4时鼓风机33的压力P变为鼓风机33的额定时的规定值的压力时，保持对鼓风机33的驱动不变，并且慢慢地关闭控制阀61。鼓风机33也可以取代该压力检测器33b而设有流量检测器，从而检测从鼓风机33的出口通过的压缩空气A2的流量。该情况下，控制装置62输入鼓风机33中的流量检测器检测出的流量，并在时间t4时鼓风机33的流量变为鼓风机33的额定时的规定值的流量时，保持对鼓风机33的驱动不变，并且慢慢地关闭控制阀61。
由此，本实施例1的发电系统具备：具有压缩机21和燃烧器22的燃气轮机11；用于将被压缩机21压缩了的压缩空气A1供至燃烧器22的第1压缩空气供给管线26；具有空气极和燃料极的SOFC13；用于将被压缩机21压缩了的一部分压缩空气A2供至空气极的第2压缩空气供给管线31；设置于第2压缩空气供给管线31，对压缩空气A2进行增压的鼓风机33；将第2压缩空气供给管线31中的鼓风机33的上游侧与下游侧连接的增压机循环管线60；设置于增压机循环管线60中的控制阀61；设置于第2压缩空气供给管线31中的增压机循环管线60与SOFC13之间的控制阀63；以及在SOFC13启动时使控制阀63关闭且使控制阀61打开，使鼓风机33启动的控制装置62。
因此，在SOFC13启动时，在将被压缩机21压缩了的一部分压缩空气A2供至空气极的第2压缩空气供给管线31中，使压缩空气A2从鼓风机33的下游侧朝向上游侧循环。因此，此时供给燃烧器22或者涡轮机23的压缩空气A1不会不足，从而能够防止在燃烧器22中产生异常燃烧、或者涡轮机23的冷却不足。由此，能够防止燃气轮机11中的空气不足，从而能够稳定地启动。
在本实施例1的发电系统中，还设有检测鼓风机33中的压缩空气A2的压力或者流量的检测器33b，当通过检测器33b检测出的压力或者流量变为规定值时，控制装置62将控制阀63打开，并且将控制阀61关闭。因此，通过在鼓风机33中的压缩空气A2的压力或者流量稳定后向SOFC13输送压缩空气A2，能够恰当地抑制燃气轮机11中的空气不足。
另外，本实施例1的发电系统中的燃料电池的启动方法包括：在SOFC13启动时，使设置于SOFC13的空气极近旁的鼓风机33启动，对被燃气轮机11的压缩机22压缩了的一部分压缩空气A2进行增压，并且使其从该鼓风机33的下游侧朝向上游侧循环的工序；接着，当被燃气轮机11的压缩机22压缩了的一部分压缩空气A2的压力或者流量变为规定值时，在利用鼓风机33对压缩空气A2进行增压的同时将压缩空气A2供至SOFC13的空气极的工序。
因此，在SOFC13启动时，燃烧器22或者涡轮机23中的压缩空气A1不会不足，并且能够防止燃气轮机11中的空气不足，从而能够稳定地进行启动。
实施例2
以下，参照附图对于本发明涉及的发电系统以及发电系统中的燃料电池的运行方法的较佳实施例详细地进行说明。需要说明的是，本发明并不限定于该实施例，另外，在存在多个实施例的情况下，也包括将各实施例加以组合而构成的实施例。
本实施例2的发电系统是由固体氧化物燃料电池(以下称为“SOFC”)、燃气轮机以及蒸汽轮机组合而成的三联循环(Triple Combined Cycle：注册商标)。该三联循环通过在燃气轮机联合循环发电(GTCC)的上游侧设置SOFC，从而能够在SOFC、燃气轮机、蒸汽轮机这三个阶段中产生电力，因而能够实现极高的发电效率。另外，在以下的说明中，以本发明的燃料电池使用固体氧化物燃料电池为例进行说明，但是，并不限定于该形式的燃料电池。
图4是表示本发明的实施例2涉及的发电系统中的压缩空气供给管线的简图，图5是本实施例2的发电系统中的SOFC运行时压缩空气的供给流程图，图6是表示本实施例2涉及的另一方式的发电系统中的压缩空气供给管线的简图，图7是表示本实施例2的发电系统的概略构成图。
在本实施例2中，如图7所示，发电系统110具有燃气轮机111和发电机112、SOFC113、蒸汽轮机114和发电机115。该发电系统110构成为：通过组合燃气轮机111发电、SOFC113发电、蒸汽轮机114发电，能够得到高的发电效率。
燃气轮机111具有压缩机121、燃烧器122、涡轮机123，压缩机121和涡轮机123以通过旋转轴124能够呈一体地旋转的方式被连接。压缩机121将从空气吸入管线125吸入的空气A100加以压缩。燃烧器122将从压缩机121经由第1压缩空气供给管线126供给的压缩空气A101和从第1燃料气体供给管线127供给的燃料气体L101混合后进行燃烧。涡轮机123在从燃烧器122经由排气供给管线128供给的排气(燃烧气体)G100的作用下进行旋转。另外，虽未图示，但是，被压缩机121压缩过的压缩空气A101是经由机壳向涡轮机123中供给，该压缩空气A101作为冷却空气对叶片等进行冷却。发电机112与涡轮机123设置在同一条轴上，从而能够通过涡轮机123旋转而进行发电。另外，在此，作为供给燃烧器122的燃料气体L101，使用例如液化天然气(LNG)。
SOFC113通过接收作为还原剂的高温燃料气体和作为氧化剂的高温空气(氧化性气体)，并且在规定的工作温度下反应从而进行发电。该SOFC113将空气极、固体电解质以及燃料极收纳在压力容器内而构成。通过在空气极接收被压缩机121压缩过的压缩空气A102，在燃料极接收燃料气体而进行发电。另外，在此，作为供给SOFC113的燃料气体L102，使用例如液化天然气(LNG)、氢气(H2)以及一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)等烃类气体、通过煤炭等碳质原料的气化设备而制成的气体。另外，供给SOFC113的氧化性气体是含有约15％～30％氧气的气体，作为代表例，优选为空气，但是，除了空气之外，还可以使用燃烧废气与空气的混合气体、或者氧气与空气的混合气体等(以下，将供给SOFC113的氧化性气体称为“空气”)。
该SOFC113连接有从第1压缩空气供给管线126分叉出的第2压缩空气供给管线(压缩空气供给管线)131，从而能够将被压缩机121压缩过的一部分压缩空气A102供至空气极的导入部。在该第2压缩空气供给管线131中，沿着空气的流动方向而设有能够调节所供给的空气量的控制阀132，以及能够对压缩空气A102进行增压的鼓风机133。控制阀132设置在第2压缩空气供给管线131中的空气的流动方向的上游侧，鼓风机133设置在控制阀132的下游侧。SOFC113连接有用于排出空气极中使用过的废空气A103的废空气管线134。该废空气管线134分叉为将空气极中使用过的废空气A103排至外部的排出管线135，以及与燃烧器122连接的压缩空气循环管线136。排出管线135中设有能够调节排出的空气量的控制阀137，压缩空气循环管线136中设有能够调节循环的空气量的控制阀138。
另外，SOFC113设有向燃料极的导入部供给燃料气体L102的第2燃料气体供给管线141。第2燃料气体供给管线141中设有能够调节所供给的燃料气体量的控制阀142。SOFC113连接有排出燃料极中使用过的废燃料气L103的废燃料管线143。该废燃料管线143分叉为排至外部的排出管线144，以及与燃烧器122连接的废燃料气供给管线145。排出管线144中设有能够调节排出的燃料气体量的控制阀146，在废燃料气供给管线145中，沿着燃料的流动方向而设有能够调节所供给的燃料气体量的控制阀147，以及能够对燃料进行增压的鼓风机148。控制阀147设置在废燃料气供给管线145中的燃料气体L103的空气的流动方向的上游侧，鼓风机148设置在控制阀147的燃料气体L103的流动方向的下游侧。
另外，SOFC113设有将废燃料管线143与第2燃料气体供给管线141连接的燃料气体再循环管线149。燃料气体再循环管线149中设有再循环鼓风机150，该再循环鼓风机150使废燃料管线143中的废燃料气L103在第2燃料气体供给管线141中再循环。
蒸汽轮机114通过废热回收锅炉(HRSG)151中生成的蒸汽而使涡轮机152进行旋转。该废热回收锅炉151连接有来自燃气轮机111(涡轮机123)的废气管线153，通过在空气与高温的废气G100之间进行热交换，从而生成蒸汽S100。在蒸汽轮机114(涡轮机152)，其与废热回收锅炉151之间设有蒸汽供给管线154和供水管线155。而且，在供水管线155中设有冷凝器156和供水泵157。发电机115，与涡轮机152设置在同一条轴上，从而能够通过涡轮机152旋转而进行发电。另外，在废热回收锅炉151中回收热量后的废气G100，在将有害物质除去后被释放至大气中。
在此，对于本实施例2的发电系统110的动作进行说明。在启动发电系统110时，按照燃气轮机111、蒸汽轮机114、SOFC113的顺序依次进行启动。
首先，在燃气轮机111中，压缩机121将空气A100加以压缩，燃烧器122将压缩空气A101与燃料气体L101加以混合后进行燃烧，涡轮机123在废气G100的作用下进行旋转，从而使发电机112开始进行发电。接着，在蒸汽轮机114中，通过废热回收锅炉151所生成的蒸汽S100而使涡轮机152进行旋转，由此使发电机115开始进行发电。
接着，在SOFC113中，首先供给压缩空气A102，并在开始增压的同时开始进行加热。在将排出管线135的控制阀137和压缩空气循环管线136的控制阀138关闭，且使第2压缩空气供给管线131的鼓风机133停止的状态下，将控制阀132打开规定开度。于是，从第2压缩空气供给管线131向SOFC113侧供给被压缩机121压缩了的一部分压缩空气A102。由此，通过供给压缩空气A102而使SOFC113侧的压力升高。
另一方面，在SOFC113中，向燃料极侧供给燃料气体L102，开始进行增压。在将排出管线144的控制阀146和废燃料气供给管线145的控制阀147关闭，且使鼓风机148停止的状态下，打开第2燃料气体供给管线141的控制阀142，并且驱动燃料气体再循环管线149的再循环鼓风机150。于是，从第2燃料气体供给管线141向SOFC113侧供给燃料气体L102，并且通过燃料气体再循环管线149而使废燃料气L103再循环。由此，通过供给燃料气体L102而使SOFC113侧的压力升高。
然后，当SOFC113的空气极侧的压力变为压缩机121的出口压力时，将控制阀132全开，并且驱动鼓风机133。与此同时，将控制阀137打开，将来自SOFC113的废空气A103从排出管线135排出。于是，通过鼓风机133而向SOFC113侧供给压缩空气A102。与此同时，将控制阀146打开，将来自SOFC113的废燃料气L103从排出管线144排出。然后，当SOFC113中的空气极侧的压力和燃料极侧的压力达到目标压力时，SOFC113的增压完成。
然后，当SOFC113的反应(发电)变稳定，并且废空气A103和废燃料气L103的成分变稳定后，将控制阀137关闭，同时将控制阀138打开。于是，将来自SOFC113的废空气A103从压缩空气循环管线136供至燃烧器122。另外，将控制阀146关闭，同时将控制阀147打开并且驱动鼓风机148。于是，将来自SOFC113的废燃料气L103从废燃料气供给管线145供至燃烧器122。此时，减少从第1燃料气体供给管线127供至燃烧器122中的燃料气体L101的量。
在此，发电机112在燃气轮机111的驱动下进行发电，SOFC113进行发电，发电机115在蒸汽轮机114的驱动下进行发电，从而发电系统110变为稳态运行。
但是，在普通的发电系统中，燃气轮机111的运行状态随发电状况而变动。该情况下，压缩机121的出口压力变动。例如，当系统的频率降低时，为了使频率恢复而提高燃气轮机111的输出。也就是说，增加燃料气体L101的投入量。于是，涡轮机123的入口温度升高。与此相应地，压缩机121的出口压力升高。因此，供至SOFC113侧的压缩空气A102的压力不稳定。SOFC113优选将空气极与燃料极的压力控制为相同压力，从而以空气和燃料不会流入彼此间的稳定状态运行，当所供给的压缩空气A102的压力不稳定时，SOFC113的运行状态变得不稳定，从而有可能导致发电效率下降。
因此，在本实施例2的发电系统110中，如图4所示，为了使供至SOFC113的压缩空气A102的压力保持恒定，在第2压缩空气供给管线131中的鼓风机133与控制阀132之间设有控制阀(压力控制阀)161，控制装置(控制部)162对于控制阀161的开度进行控制。另外，控制阀161也可以设置在第2压缩空气供给管线131中的鼓风机133的上游侧(相比鼓风机133更靠近SOFC113侧)。
即，当减小控制阀161的开度时，供至SOFC113的压缩空气A102的流量减少压力呈下降趋势，当增大控制阀161的开度时，供至SOFC113中的压缩空气A102的流量增大而压力呈上升趋势。为了进行该控制，在第2压缩空气供给管线131中的控制阀132的下游侧且控制阀132与压缩机121之间，设有用于检测压缩空气A102的第1压力的第1检测器163a。进而，在第2压缩空气供给管线131中的控制阀161的上游侧且控制阀161与鼓风机133之间，设有用于检测压缩空气A102的第2压力的第2检测器163b。然后，控制装置162根据该检测器163a、163b检测出的压力而对控制阀161的开度进行控制。另外，通过设置于SOFC113的检测器(SOFC检测器)164而检测在SOFC113额定运行状态下成为基准的压力，并将其输入到控制装置162中。该检测器164检测SOFC113的空气极中的压力。
在此，对于上述控制装置162的控制，即本实施例2的发电系统110中的SOFC113的运行方法进行说明。
当SOFC113变为额定运行时，控制装置162将通过设置于SOFC113中的检测器164预先检测出的压力作为基准压力加以存储。然后，对控制阀161的开度进行控制，使检测器163a、163b检测出的压缩空气A102的压力达到规定压力，达到该基准压力。此时，控制装置162对控制阀161的开度进行控制，使第1检测器163a检测出的压缩空气A102的压力达到规定压力，用第2检测器163b检测出的压缩空气A102的压力，检查第1检测器163a检测出的压力。
即，如图5所示，在SOFC113额定运行时，当第1检测器163a检测出的压缩空气A102的压力发生变动时(步骤S1：是)，控制装置162根据该检测出的压力对控制阀161的开度进行控制(步骤S2)。另一方面，当第1检测器163a检测出的压缩空气A102的压力未发生变动时(步骤S1：否)，控制装置162再次输入第1检测器163a检测出的压缩空气A102的压力并加以监视。然后，当对控制阀161的开度进行控制，使第1检测器163a检测出的压缩空气A102的压力达到规定压力时(步骤S3：是)，控制装置162结束该控制，并返回步骤S1，且再次输入第1检测器163a检测出的压缩空气A102的压力并加以监视。另一方面，当第1检测器163a检测出的压缩空气A102的压力并非规定压力时(步骤S3：否)，控制装置162返回步骤S2，并根据第1检测器163a检测出的压力对控制阀161的开度进行控制。
由此，本实施例2的发电系统110具备：具有压缩机121和燃烧器122的燃气轮机111；具有空气极和燃料极的SOFC113；用于将被压缩机121压缩了的一部分压缩空气A102供至空气极的第2压缩空气供给管线131；设置于第2压缩空气供给管线131中的控制阀161；设置于第2压缩空气供给管线131，检测供至空气极的压缩空气A102的压力的检测器163a；以及根据检测器163a检测出的压力的变动对控制阀161的开度进行控制，使供至空气极的压缩空气A102的压力达到恒定的控制装置162。
因此，当供至SOFC113的空气极的压缩空气A102的压力发生变动时，通过对控制阀161的开度进行控制，使该压缩空气A102的压力达到恒定。因此，从燃气轮机111供至SOFC113的压缩空气A102的压力保持恒定。由此，SOFC113在恒定压力的压缩空气A102下工作，因此，SOFC113的运行状态稳定，从而能够稳定地进行发电。
另外，在本实施例2的发电系统中，如图6所示，优选控制阀161由多个(本实施例2中为2个)控制阀161a、161b并联而构成。例如，控制阀161a的流量调节范围较大，控制阀161b的流量调节范围较小。因此，在对控制阀161的开度进行控制时，控制装置162先对流量调节范围小的控制阀161b进行控制，接着对流量调节范围大的控制阀161a进行控制。通过如此进行控制，能够通过流量调节范围较小的控制阀161b来弥补流量调节范围较大的控制阀161a开始工作时的工作不稳定的范围。由此，能够顺畅且正确地进行使压缩空气A102的压力恒定的控制。另外，多个控制阀161a、161b的流量调节范围并非必须不同，可以通过依次对开度进行控制，从而能够顺畅且正确地进行使压缩空气A102的压力恒定的控制。
另外，本实施例2的发电系统中的燃料电池的运行方法具有：将被燃气轮机111的压缩机121压缩了的一部分压缩空气A102供至SOFC113的空气极的工序，以及在供至SOFC113的压缩空气A102发生变动时，对于压缩空气A102的流量进行调节，使压缩空气A102的压力达到恒定的工序。
因此，即使供至SOFC113的空气极的压缩空气A102的压力发生变动，也能够对压缩空气A102的流量进行调节，使该压缩空气A102的压力达到恒定。因此，从燃气轮机111供至SOFC113的压缩空气A102的压力保持恒定。由此，SOFC113在恒定压力的压缩空气A102下工作，因此，SOFC113的运行状态稳定，从而能够稳定地进行发电。
符号说明
10 发电系统
11 燃气轮机
12 发电机
13 SOFC(固体氧化物燃料电池：燃料电池)
14 蒸汽轮机
15 发电机
21 压缩机
22 燃烧器
23 涡轮机
26 第1压缩空气供给管线
31 第2压缩空气供给管线
32 控制阀
33 鼓风机(增压机)
33b 压力检测器(检测器)
34 废空气管线
35 排出管线
36 压缩空气循环管线
37 控制阀
38 控制阀
60 增压机循环管线
61 控制阀(第1控制阀)
62 控制装置(控制部)
63 控制阀(第2控制阀)
64 第1检测器
65 第2检测器
66 第3检测器
A1 压缩空气
A2 压缩空气
110 发电系统
111 燃气轮机
112 发电机
113SOFC (固体氧化物燃料电池：燃料电池)
114 蒸汽轮机
115 发电机
121 压缩机
122 燃烧器
123 涡轮机
131 第2压缩空气供给管线(压缩空气供给管线)
161 控制阀(压力控制阀)
161a、161b 控制阀
162 控制装置(控制部)
163 检测器
164 检测器
A101 压缩空气
A102 压缩空气

Claims (6)

1.一种发电系统，其特征在于，具备：燃气轮机，其具有压缩机和燃烧器；
第1压缩空气供给管线，用于将被所述压缩机压缩了的压缩空气的一部分供给所述燃烧器；
燃料电池，其具有空气极和燃料极；
第2压缩空气供给管线，用于将被所述压缩机压缩了的另一部分压缩空气供至所述空气极；
增压机，其设置于所述第2压缩空气供给管线，对所述压缩空气进行增压；
增压机循环管线，其将所述第2压缩空气供给管线中的所述增压机的上游侧与下游侧加以连接；
第1控制阀，其设置于所述增压机循环管线；
第2控制阀，其设置于所述第2压缩空气供给管线中的所述增压机循环管线与所述燃料电池之间；以及
控制部，其在所述燃料电池启动时，将所述第2控制阀关闭且将所述第1控制阀打开，使所述增压机启动。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述发电系统还具备用于检测所述增压机中的压缩空气的压力或者流量的检测器，
当所述检测器检测出的压力或者流量变为规定值时，所述控制部将所述第2控制阀打开，并且将所述第1控制阀关闭。
3.一种发电系统中的燃料电池的启动方法，其特征在于，包括：在燃料电池启动时，使设置于所述燃料电池的空气极近旁的增压机启动，对被燃气轮机的压缩机压缩了的一部分压缩空气进行增压，并且使该一部分压缩空气从该增压机的下游侧朝向上游侧循环的工序；
接着，当被所述燃气轮机的压缩机压缩了的一部分压缩空气的压力或者流量变为规定值时，在利用所述增压机对所述压缩空气进行增压的同时，将所述压缩空气供给所述燃料电池的空气极的工序。
4.一种发电系统，其特征在于，具备：燃气轮机，其具有压缩机、燃烧器和涡轮机；
第1压缩空气供给管线，用于将被所述压缩机压缩了的压缩空气的一部分供给所述燃烧器；
燃料电池，其具有空气极和燃料极；
第2压缩空气供给管线，用于将被所述压缩机压缩了的另一部分压缩空气供至所述空气极；
压力控制阀，其设置于所述第2压缩空气供给管线；
检测器，其设置于所述第2压缩空气供给管线，检测供至所述空气极的压缩空气的压力；以及
控制部，其在所述压缩机压缩了的压缩空气的一部分通过所述第1压缩空气供给管线被供给所述燃烧器而所述涡轮机启动，并且另一部分压缩空气通过所述第2压缩空气供给管线被供至所述空气极的状态下，根据所述检测器检测出的压力的变动而对所述压力控制阀的开度进行控制，使供至所述空气极的压缩空气的压力达到恒定。
5.根据权利要求4所述的发电系统，其特征在于，所述压力控制阀由多个控制阀并联而构成。
6.一种发电系统中的燃料电池的运行方法，其特征在于，包括：在将燃气轮机的压缩机压缩的压缩空气的一部分供给所述燃气轮机的燃烧器而所述燃气轮机的涡轮机启动的状态下，将被所述燃气轮机的压缩机压缩了的另一部分压缩空气供至燃料电池的空气极的工序；以及
当供至所述燃料电池的压缩空气的压力发生变动时，对所述压缩空气的流量进行调节，使所述压缩空气的压力达到恒定的工序。
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