DE112013005214T5 - Energieerzeugungssystem und Betriebsverfahren eines Energieerzeugungssystems - Google Patents

Energieerzeugungssystem und Betriebsverfahren eines Energieerzeugungssystems Download PDF

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Abstract

In einem Energieerzeugungssystem und einem Betriebsverfahren des Energieerzeugungssystems ist es eine Aufgabe, von einer Brennstoffzelle zu einer Gasturbine zugeführtes ausgestoßenes Brennstoffgas weiter zu stabilisieren und die Verbrennung in der Gasturbine zu stabilisieren. Ein Energieerzeugungssystem 10 umfasst eine Gasturbine 11, eine Brennstoffzelle 13, eine Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas, ein Ein-Aus-Steuerventil (Ein-Aus-Ventil) 106, das in der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas angeordnet ist, ein Heizmittel 102, das die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas in einem Bereich an der stromaufwärtigen Seite des Ein-Aus-Steuerventils 106 erwärmt, eine Erfassungseinheit 104, die einen Zustand des durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömenden ausgestoßenen Brennstoffgases erfasst an der stromaufwärtigen Seite des Ein-Aus-Steuerventils 106, und eine Steuereinheit (Steuervorrichtung) 62, die das Erwärmen der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas durch das Heizmittel 102 steuert und die das Ein-Aus-Steuerventil 106 so einstellt, das es geöffnet wird, wenn festgestellt wird, dass das Erwärmen der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas abgeschlossen ist.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Energieerzeugungssystem, in dem eine Festoxidbrennstoffzelle, eine Gasturbine und eine Dampfturbine kombiniert sind, sowie auf ein Betriebsverfahren des Energieerzeugungssystems.
  • Hintergrund
  • Die Festoxidbrennstoffzelle (im Folgenden als „SOFC – Solid Oxide Fuel Cell” bezeichnet) ist als eine vielseitige und hoch effiziente Brennstoffzelle bekannt. Eine Betriebstemperatur der SOFC ist hoch, um die Ionenleitfähigkeit zu erhöhen, sodass aus einem Kompressor einer Gasturbine ausgetragene Luft als Luft (Oxidationsmittel) verwendet werden kann, das einer Kathodenseite zugeführt wird. Außerdem kann ein Hochtemperaturbrennstoff, der nicht durch die SOFC verwendet werden kann, als ein Brennstoff einer Brennkammer der Gasturbine verwendet werden.
  • Deshalb werden, wie beispielsweise in der unten genannten Patentliteratur 1 beschrieben ist, verschiedene Kombinationen einer SOFC, einer Gasturbine und einer Dampfturbine als Energieerzeugungssystem vorgeschlagen, das eine hocheffiziente Energieerzeugung erreichen kann. Ein in Patentliteratur 1 beschriebenes kombiniertes System umfasst eine SOFC, eine Gasturbinenbrennkammer, die von der SOFC ausgestoßenes Brennstoffgas und ausgestoßene Luft verbrennt, und eine Gasturbine mit einem Kompressor, der Luft komprimiert und die komprimierte Luft der SOFC zuführt.
  • Zitierungsliste
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldung, Offenlegungsnummer 2009-205930
  • Zusammenfassung
  • Technisches Problem
  • In einem oben beschriebenen konventionellen Energieerzeugungssystem können die Kalorien (der Brennwert) des von der SOFC zu der Gasturbine zugeführten ausgestoßenen Brennstoffgases schwanken. Die Schwankung kann bei dem Energieerzeugungssystem insbesondere dann leicht auftreten, wenn die Zufuhr des ausgestoßenen Brennstoffgases von der SOFC zu der Gasturbine gestartet wird. Wenn die Kalorien (Brennwert) des der Gasturbine zugeführten ausgestoßenen Brennstoffgases schwanken, besteht ein Problem, dass die Verbrennung in der Brennkammer der Gasturbine instabil wird.
  • Die vorliegende Erfindung löst das oben beschriebene Problem und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Energieerzeugungssystem und ein Betriebsverfahren eines Energieerzeugungssystems vorzuschlagen, welche das von einer Brennstoffzelle zu der Gasturbine zugeführte ausgestoßene Brennstoffgas weiter stabilisieren und die Verbrennung in der Gasturbine stabilisieren können.
  • Lösung für das Problem
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Energieerzeugungssystem: eine Gasturbine mit einem Kompressor und einer Brennkammer, eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode, eine Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas, die das ausgestoßene Brennstoffgas, das von der Brennstoffzelle ausgestoßen wird, zu der Gasturbine zuführt, eine Ein-Aus-Steuerventil, das in der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas angeordnet ist und das zumindest zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung umschaltet, eine Heizeinheit, die die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas in einem Bereich an einer stromaufwärtigen Seite des Ein-Aus-Steuerventils erwärmt, eine Erfassungseinheit, die einen Zustand des ausgestoßenen Brennstoffgases in der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas in dem Bereich an der stromaufwärtigen Seite des Ein-Aus-Steuerventils erfasst, und eine Steuereinheit, die das Erwärmen der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas durch die Heizeinheit basierend auf einem durch die Erfassungseinheit erfassten Ergebnis steuert, und die das Ein-Aus-Steuerventil zum Öffnen betätigt, wenn basierend auf einem durch die Erfassungseinheit erfassten Ergebnis festgestellt wird, dass das Erwärmen der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas abgeschlossen ist,.
  • Durch Vorsehen des Heizmittels, der Erfassungseinheit und des Ein-Aus-Steuerventils ist es deshalb möglich, die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas durch das Heizmittel zu erwärmen und zu verhindern, dass das ausgestoßene Brennstoffgas der Gasturbine zugeführt wird, bis der Zustand des durch die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas strömenden ausgestoßenen Brennstoffgases, der durch die Erfassungseinheit erfasst wird, auf einen vorbestimmten Zustand stabilisiert ist. Dann ist es möglich, die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas zu erwärmen, die das ausgestoßene Brennstoffgas zu der Gasturbine zuführt, so dass verhindert werden kann, dass das ausgestoßene Brennstoffgas, in welchem eine Abscheidung bzw. Entwässerung (”drain”) auftritt, der Brennkammer der Gasturbine direkt zugeführt wird. Außerdem kann verhindert werden, dass das ausgestoßene Brennstoffgas, dessen Wassergehalt durch Auftreten einer Abscheidung bzw. Entwässerung („drain”) verringert ist und dessen Kalorien (Brennwert) erhöht sind, der Gasturbine zugeführt wird, und es kann verhindert werden, dass das ausgestoßene Brennstoffgas, dessen H2O-Anteil durch Verdampfung der gebildeten Abscheidung bzw. Entwässerung („drain”) erhöht ist, also das ausgestoßene Brennstoffgas, dessen Kalorien (Brennwert) niedrig sind, der Gasturbine zugeführt wird. Dadurch können die Eigenschaften des der Gasturbine zuzuführenden ausgestoßenen Brennstoffgases stabilisiert werden, sodass die Verbrennung in der Gasturbine stabilisiert werden kann.
  • Vorzugsweise ist die Erfassungseinheit in dem Energieerzeugungssystem ein Kalorimeter, das die Kalorien (Brennwert) des ausgestoßenen Brennstoffgases erfasst, wobei, wenn die Steuervorrichtung erfasst, dass die durch die Erfassungseinheit erfassten Kalorien (Brennwert) in einem vorbestimmten Bereich sind, die Steuereinheit bestimmt, dass das Erwärmen der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas abgeschlossen ist.
  • Daher kann das ausgestoßene Brennstoffgas mit stabilen Kalorien (Brennwert) der Gasturbine zugeführt werden, sodass die Verbrennung in der Gasturbine stabilisiert werden kann.
  • Vorzugsweise ist die Erfassungseinheit in dem Energieerzeugungssystem ein Thermometer, das eine Temperatur des ausgestoßenen Brennstoffgases erfasst, wobei, wenn die Steuereinheit erfasst, dass die durch die Erfassungseinheit erfasste Temperatur höher als ein vorbestimmter Wert oder gleich diesem ist, die Steuereinheit bestimmt, dass das Erwärmen der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas abgeschlossen ist.
  • Daher kann das Zuführen des ausgestoßenen Brennstoffgases zu der Gasturbine gestartet werden, nachdem erfasst wird, dass das durch die Zuführleitung strömende ausgestoßene Brennstoffgas mit einer Temperatur strömt, bei der keine Abscheidung bzw. Entwässerung („drain”) auftritt. Dadurch kann das ausgestoßene Brennstoffgas mit stabilen Kalorien (Brennwert) der Gasturbine zugeführt werden, sodass die Verbrennung in der Gasturbine stabilisiert werden kann.
  • Vorzugsweise umfasst das Energieerzeugungssystem außerdem: eine Brennstoffgas-Zuführleitung, die Brennstoffgas zu der Brennstoffzelle zuführt, und eine Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung, die einen Teil des durch die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas strömenden ausgestoßenen Brennstoffgases zu der Brennstoffgas-Zuführleitung zuführt, wobei ein Ende der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung mit der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas an der stromaufwärtigen Seite des Ein-Aus-Steuerventils verbunden ist, wobei das andere Ende der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung mit der Brennstoffgas-Zuführleitung verbunden ist. Die Heizeinheit umfasst eine Rezirkulationsleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas, dessen eines Ende an einer stromabwärtigen Seite einer Verbindungsposition zwischen der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas und der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung und an der stromaufwärtigen Seite des Ein-Aus-Steuerventils mit der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas verbunden ist, und dessen anderes Ende mit der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung verbunden ist, diese das durch die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas strömende ausgestoßene Brennstoffgas der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung über die Rezirkulationsleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas zuführt, die das durch die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas strömende ausgestoßene Brennstoffgas zirkuliert, und die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas durch Wärme des ausgestoßenen Brennstoffgases erwärmt.
  • Daher kann die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas durch Zirkulieren des ausgestoßenen Brennstoffgases erwärmt werden. Dadurch ist es nicht notwendig, eine separate Wärmequelle vorzusehen und das zum Erwärmen bzw. Aufheizen verwendete ausgestoßene Brennstoffgas kann effektiv verwendet werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Betriebsverfahren eines Energieerzeugungssystems mit einer Gasturbine mit einem Kompressor und einer Brennkammer, einer Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode, einer Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas, das von der Brennstoffzelle ausgestoßenes Brennstoffgas der Gasturbine zuführt, und einem Ein-Aus-Steuerventil, das in der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas angeordnet ist und das zumindest zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung umschaltet: einen Schritt eines Erfassens eines Zustands des ausgestoßenen Brennstoffgases in der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas in einem Bereich an einer stromaufwärtigen Seite des Ein-Aus-Steuerventils, einen Schritt des Erwärmens bzw. Aufheizens der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas basierend auf einem durch die Erfassungseinheit erfassten Ergebnis, und einen Schritt des Einstellens des Ein-Aus-Steuerventils zum Öffnen, wenn basierend auf einem durch die Erfassungseinheit erfassten Ergebnis festgestellt wird, dass ein Zustand des durch die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas strömenden ausgestoßenen Brennstoffgases stabilisiert ist.
  • Daher kann die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas erwärmt werden und es kann verhindert werden, dass das ausgestoßene Brennstoffgas der Gasturbine zugeführt wird, bis der erfasste Zustand des durch die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas strömenden ausgestoßenen Brennstoffgases auf einen vorbestimmten Zustand stabilisiert ist. Sodann kann die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas erwärmt werden, welche das ausgestoßene Brennstoffgas der Gasturbine zuführt, sodass verhindert werden kann, dass das ausgestoßene Brennstoffgas, in dem eine Abscheidung bzw. Entwässerung („drain”) auftritt, der Brennkammer der Gasturbine direkt zugeführt wird. Außerdem kann verhindert werden, dass das ausgestoßene Brennstoffgas, dessen Wassergehalt durch Bildung von Abscheidung beziehungsweise Entwässerung verringert ist und dessen Kalorien (Brennwert) erhöht sind, der Gasturbine zugeführt wird, und es kann verhindert werden, dass das ausgestoßene Brennstoffgas, dessen H2O-Gehalt durch Verdampfung der gebildeten Abscheidung bzw. Entwässerung erhöht ist, das heißt, das ausgestoßene Brennstoffgas, dessen Kalorien (Brennwert) niedrig sind, der Gasturbine zugeführt wird. Dadurch können die Kalorien (Brennwert) des der Gasturbine zuzuführenden ausgestoßenen Brennstoffgases stabilisiert werden, sodass die Verbrennung in der Gasturbine stabilisiert werden kann.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß dem Energieerzeugungssystem und dem Betriebsverfahren eines Energieerzeugungssystems der vorliegenden Erfindung kann die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas, welche das ausgestoßene Brennstoffgas der Gasturbine zuführt, erwärmt werden, sodass verhindert werden kann, dass das ausgestoßene Brennstoffgas, in welchem Abscheidung bzw. Entwässerung („drain”) auftritt, der Brennkammer der Gasturbine direkt zugeführt wird. Ferner kann verhindert werden, dass das ausgestoßene Brennstoffgas, dessen Wassergehalt durch Bildung der Abscheidung („drain”) verringert ist und dessen Kalorien (Brennwert) erhöht sind, der Gasturbine zugeführt wird, und es kann verhindert werden, dass das ausgestoßene Brennstoffgas, dessen H2O-Gehalt durch Verdampfung der gebildeten Abscheidung („drain”) erhöht ist, das heißt das ausgestoßene Brennstoffgas, dessen Kalorien (Brennwert) niedrig sind, der Gasturbine zugeführt wird. Dadurch kann der Brennwert des der Gasturbine zuzuführenden ausgestoßenen Brennstoffgases stabilisiert werden, sodass die Verbrennung in der Gasturbine stabilisiert werden kann.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein schematisches Konfigurationsschaubild, das ein Energieerzeugungssystem einer Ausführungsform verdeutlicht.
  • 2 ist ein schematisches Schaubild einer Brennstoffgas-Zuführleitung eines Energieerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel eines Ansteuerungsbetriebs des Energieerzeugungssystems der Ausführungsform verdeutlicht.
  • 4 ist ein Zeitdiagramm, das den zeitlichen Ablauf eines Betriebs von Ventilen verdeutlicht, welche eine Strömung des ausgestoßenen Brennstoffgases des Energieerzeugungssystems einer Ausführungsform steuern.
  • Beschreibung einer Ausführungsform
  • Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Energieerzeugungssystems und eines Startverfahrens einer Festoxidbrennstoffzelle in dem Energieerzeugungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform beschränkt und, sofern es mehrere Ausführungsformen gibt, umfasst die vorliegende Erfindung jede Kombination einiger oder aller Ausführungsformen.
  • Ausführungsform
  • Ein Energieerzeugungssystem der Ausführungsform ist ein sog. „Triple Combined Cycle” (eingetragene Marke), bei dem eine Festoxidbrennstoffzelle (im Folgenden als „SOFC – Solid Oxide Fuel Cell” bezeichnet), eine Gasturbine und eine Dampfturbine kombiniert sind. Der „Triple Combined Cycle” kann eine hohe Energieerzeugungseffizienz realisieren, weil der „Triple Combined Cycle” Elektrizität in drei Stufen einschließlich der SOFC, einer Gasturbine und einer Dampfturbine durch Vorsehen der SOFC an der stromaufwärtigen Seite eines Gasturbinen-Kombi-Energieerzeugungskreislaufes (GTCC – „Gas Turbine Combined Cycle”) gewinnen kann. In der folgenden Beschreibung ist eine Festoxidbrennstoffzelle als eine Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung eingesetzt. Die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung ist aber nicht auf diese Art von Brennstoffzelle beschränkt.
  • 1 ist ein schematisches Konfigurationsschaubild, das das Energieerzeugungssystem der Ausführungsform verdeutlicht. 2 ist eine schematische Darstellung einer Brennstoffgas-Zuführleitung eines Energieerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der Ausführungsform umfasst gemäß der Darstellung in 1 ein Energieerzeugungssystem 10 eine Gasturbine 11, einen Energiegenerator 12, eine SOFC 13, eine Dampfturbine 14, und einen Energiegenerator 15. Das Energieerzeugungssystem 10 ist konfiguriert, um eine hohe Energieerzeugungseffizienz zu erreichen, indem die Energieerzeugung durch die Gasturbine 11, die Energieerzeugung durch die SOFC 13 und die Energieerzeugung durch die Dampfturbine 14 kombiniert werden. Das Energieerzeugungssystem 10 umfasst ferner eine Steuervorrichtung 62. Die Steuervorrichtung 62 steuert den Betrieb jeder Komponente des Energieerzeugungssystems 10 basierend auf Eingabeeinstellungen, Eingabebefehlen, durch eine Erfassungseinheit erfassten Ergebnissen usw..
  • Die Gasturbine 11 umfasst einen Kompressor 21, eine Brennkammer 22 und eine Turbine 23. Der Kompressor 21 und die Turbine 23 sind miteinander durch eine Drehwelle 24 so verbunden, dass sie zusammen drehen können. Der Kompressor 21 komprimiert über eine Luftansaugleitung 25 aufgenommene Luft A. Die Brennkammer 22 mischt und verbrennt die komprimierte Luft A1, die von dem Kompressor 21 über eine erste Zuführleitung 26 für komprimierte Luft zugeführte komprimierte Luft A1 und von einer ersten Brennstoffgas-Zuführleitung 27 zugeführtes Brennstoffgas L1. Die Turbine 23 wird durch Abgas (Verbrennungsgas) G in Drehung versetzt, das von der Brennkammer 22 über eine Abgas-Zuführleitung 28 zugeführt wird. Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt wird der Turbine 23 die komprimierte Luft A1, die durch den Kompressor 21 komprimiert wird, über ein Gehäuse zugeführt, und Schaufeln usw. werden durch die komprimierte Luft A1, welche als Kühlluft verwendet wird, gekühlt. Der Energiegenerator 12 ist an derselben Welle wie die Turbine 23 angebracht und der Energiegenerator 12 kann Energie erzeugen, wenn die Turbine 23 rotiert. Als das der Brennkammer 22 zugeführte Brennstoffgas L1 wird hier beispielsweise verflüssigtes Erdgas (LNG – „Liquefied Natural Gas”) verwendet.
  • Die SOFC 13 reagiert bei einer vorbestimmten Betriebstemperatur und erzeugt Energie, indem sie mit Hochtemperatur-Brennstoffgas, das als ein Reduktionsmittel verwendet wird, und mit Hochtemperaturluft (Oxidationsgas), das als ein Oxidationsmittel verwendet wird, versorgt wird.. Die SOFC 13 ist mit einer Kathode, einem Festelektrolyten und einer Anode konfiguriert, die in einem Druckbehälter untergebracht sind. Die Energie wird erzeugt, wenn einige komprimierte Luft A2, die durch den Kompressor 21 komprimiert wird, der Kathode zugeführt wird und das Brennstoffgas der Anode zugeführt wird. Hier werden als Brennstoffgas L2, das der SOFC 13 zugeführt wird, beispielsweise verflüssigtes Erdgas (LNG), Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO), Hydrokohlenstoffgas wie Methan (CH4) und ein Gas verwendet, welches durch eine Vergasungseinrichtung für kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial wie Kohle hergestellt wird. Das der SOFC 13 zugeführte Oxidationsgas ist ein Gas, das etwa 15% bis 30% an Sauerstoff enthält, und Luft ist typischerweise bevorzugt als das Oxidationsgas. Außer Luft kann aber auch ein Mischgas aus Verbrennungsabgas und Luft, ein Mischgas aus Sauerstoff und Luft usw. als das Oxidationsgas verwendet werden (im Folgenden wird das der SOFC 13 zugeführte Oxidationsgas als Luft bezeichnet).
  • Die SOFC 13 ist mit einer zweiten Zuführleitung 31 für komprimierte Luft verbunden, die von der ersten Zuführleitung 26 für komprimierte Luft abzweigt, und etwas von der komprimierten Luft A2, die von dem Kompressor 21 komprimiert wird, kann einem Einführabschnitt der Kathode zugeführt werden. In der zweiten Zuführleitung 31 für komprimierte Luft sind ein Steuerventil 32, welches die Menge an zuzuführender Luft einstellen kann, und ein Gebläse (eine Druckerhöhungseinrichtung) 33, welche den Druck der komprimierten Luft A2 erhöhen kann, entlang einer Luftströmungsrichtung vorgesehen. Das Steuerventil 32 ist an der stromaufwärtigen Seite in der Luftströmungsrichtung in der zweiten Zuführleitung 31 für komprimierte Luft vorgesehen und das Gebläse 33 ist an der stromabwärtigen Seite des Steuerventils 32 vorgesehen. Die SOFC 13 ist mit einer Ausstoßluftleitung 34 verbunden, welche an der Kathode verwendete ausgestoßene Luft A3 ausstößt. Die Ausstoßluftleitung 34 verzweigt in eine Abgasleitung 35, die die ausgestoßene Luft A3, welche an der Kathode verwendet wurde, zur Außenseite ausstößt, und eine Zirkulationsleitung 36 für komprimierte Luft, die mit der Brennkammer 22 verbunden ist. Die Abgasleitung 35 ist mit einem Steuerventil 37 versehen, das die Menge an auszustoßender Luft einstellen kann, und die Zirkulationsleitung 36 für komprimierte Luft ist mit einem Steuerventil 38 versehen, das die Menge an zu zirkulierender Luft einstellen kann.
  • Die SOFC 13 ist mit einer zweiten Brennstoffgas-Zuführleitung 41 versehen, die das Brennstoffgas L2 zu einem Einführabschnitt der Anode zuführt. Die zweite Brennstoffgas-Zuführleitung 41 ist mit einem Steuerventil 42 versehen, das die Menge an zuzuführendem Brennstoffgas einstellen kann. Die SOFC 13 ist mit einer Ausstoßbrennstoffleitung 43 verbunden, die ausgestoßenes Brennstoffgas L3, das an der Anode verwendet wurde, ausstößt. Die Ausstoßbrennstoffleitung 43 verzweigt in eine Abgasleitung 44, die das ausgestoßene Brennstoffgas L3 zur Außenseite ausstößt, und eine Ausstoßbrennstoffgas-Zuführleitung 45, die mit der Brennkammer 22 verbunden ist. Die Abgasleitung 44 ist mit einem Steuerventil 46 versehen, das die Menge an auszustoßendem Brennstoffgas einstellen kann. In der Ausstoßbrennstoffgas-Zuführleitung 45 sind ein Steuerventil 47, das die Menge an zuzuführendem Brennstoffgas einstellen kann, und ein Gebläse 48, das den Druck des Brennstoffs erhöhen kann, entlang einer Strömungsrichtung des Brennstoffgases L3 vorgesehen. Das Steuerventil 47 ist an der stromaufwärtigen Seite in der Strömungsrichtung des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 in der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas vorgesehen und das Gebläse 48 ist an der stromabwärtigen Seite des Steuerventils 47 vorgesehen.
  • Die SOFC 13 ist mit einer Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung 49 versehen, die die Ausstoßbrennstoffleitung 43 mit der zweiten Brennstoffgas-Zuführleitung 41 verbindet. Die Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung 49 ist mit einem Rezirkulationsleitungsgebläse 50 versehen, das das ausgestoßene Brennstoffgas L3 in der Ausstoßbrennstoffleitung 43 zu der zweiten Brennstoffgas-Zuführleitung 41 rezirkuliert.
  • Die Dampfturbine 14 setzt eine Turbine 52 durch Dampf in Drehung, der durch einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG – „Heat Recovery Steam Generator”) 51 erzeugt wird. Der Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 51 ist mit einer Abgasleitung 53 von der Gasturbine 11 (Turbine 23) verbunden und erzeugt Dampf S, indem Wärme zwischen Luft und Hochtemperatur-Abgas G ausgetauscht wird. Die Dampfturbine 14 (Turbine 52) ist mit einer Dampfzuführleitung 54 und einer Wasserzuführleitung 55 zwischen der Dampfturbine 14 und dem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 51 versehen. Die Wasserzuführleitung 55 ist mit einem Dampfkondensator 56 und einer Wasserzuführpumpe 57 versehen. Der Energiegenerator 15 ist an derselben Welle wie die Turbine 52 angebracht und kann, wenn die Turbine 52 rotiert, Energie erzeugen. Das Brennstoffgas G, dessen Wärme durch den Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 51 zurückgewonnen wurde, wird in die Atmosphäre ausgetragen, nachdem schädliche Substanzen aus dem Abgas G entfernt wurden.
  • Hier wird nun der Betrieb des Energieerzeugungssystems 10 der Ausführungsform beschrieben. Wenn das Energieerzeugungssystem 10 gestartet wird, werden die Gasturbine 11, die Dampfturbine 14 und die SOFC 13 in dieser Reihenfolge nacheinander gestartet.
  • Zuerst komprimiert der Kompressor 21 in der Gasturbine 11 die Luft A, die Brennkammer 22 mischt und verbrennt die komprimierte Luft A1 und das Brennstoffgas L1, und die Turbine 23 wird durch das Abgas G in Drehung versetzt, sodass der Energiegenerator 12 die Energieerzeugung startet. Nachfolgend wird in der Dampfturbine 14 die Turbine 52 durch den Dampf S, der durch den Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 51 erzeugt wurde, in Drehung versetzt, und dadurch startet der Energiegenerator 15 seine Energieerzeugung.
  • Nachfolgend wird in der SOFC 13 zunächst die komprimierte Luft A2 zugeführt, eine Druckerhöhung gestartet und eine Erwärmung gestartet. Das Steuerventil 37 der Abgasleitung 35 und das Steuerventil 38 der Zirkulationsleitung 36 für komprimierte Luft werden geschlossen, und das Steuerventil 32 wird mit einem vorbestimmten Öffnungsgrad geöffnet, in einem Zustand, in dem das Gebläse 33 der zweiten Zuführleitung 31 für komprimierte Luft gestoppt ist. Sodann wird etwas von der durch den Kompressor 21 komprimierten Luft A2 der SOFC 13 von der zweiten Zuführleitung 31 für komprimierte Luft zugeführt. Dadurch wird die komprimierte Luft A2 der SOFC 13 so zugeführt, dass der Druck in der SOFC 13 erhöht wird.
  • Andererseits wird in der SOFC 13 eine Druckbeaufschlagung gestartet, indem das Brennstoffgas L2 der Anode zugeführt wird. Das Steuerventil 46 der Abgasleitung 44 und das Steuerventil 47 der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas werden geschlossen, und, in einem Zustand, bei dem das Gebläse 48 gestoppt ist, wird das Steuerventil 42 der zweiten Brennstoffgas-Zuführleitung 41 geöffnet und das Rezirkulationsleitungsgebläse 50 der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung 49 wird angesteuert. Sodann wird das Brennstoffgas L2 von der zweiten Brennstoffgas-Zuführleitung 41 zu der SOFC 13 zugeführt und das ausgestoßene Brennstoffgas L3 wird durch die Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung 49 rezirkuliert. Dadurch wird das Brennstoffgas L2 der SOFC 13 zugeführt, sodass der Druck in der SOFC erhöht wird.
  • Wenn der Druck in der SOFC 13 an der Kathodenseite gleich dem Auslassdruck des Kompressors 21 wird, wird das Steuerventil 32 vollständig geöffnet und das Gebläse 33 angetrieben. Gleichzeitig wird das Steuerventil 37 geöffnet und die ausgestoßene Luft A3 von der SOFC 13 wird von der Abgasleitung 35 ausgestoßen. Dann wird die komprimierte Luft A2 durch das Gebläse 33 der SOFC 13 zugeführt. Gelichzeitig wird das Steuerventil 46 geöffnet und das ausgestoßene Brennstoffgas L3 von der SOFC 13 wird von der Abgasleitung 44 ausgestoßen. Wenn der Druck an der Kathodenseite und der Druck an der Anodenseite in der SOFC 13 einen Zieldruck erreichen, ist die Druckerhöhung in der SOFC 13 abgeschlossen.
  • Danach wird, wenn die Reaktion (Energieerzeugung) in der SOFC 13 stabilisiert ist und Komponenten der ausgestoßenen Luft A3 und des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 stabilisiert sind, das Steuerventil 37 geschlossen und das Steuerventil 38 geöffnet. Dann wird die ausgestoßene Luft A3 von der SOFC 13 der Brennkammer 22 von der Zirkulationsleitung 36 für komprimierte Luft zugeführt. Ferner wird das Steuerventil 46 geschlossen, das Steuerventil 47 wird geöffnet und das Gebläse 48 wird angetrieben. Dann wird das ausgestoßene Brennstoffgas L3 von der SOFC 13 der Brennkammer 22 von der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Menge des von der ersten Brennstoffgas-Zuführleitung 27 zu der Brennkammer 22 zugeführten Brennstoffgases L1 verringert.
  • Hier erfolgt die Energieerzeugung durch den Energiegenerator 12 durch Antreiben der Gasturbine 11, die Energieerzeugung durch die SOFC 13, und die Energieerzeugung durch den Energiegenerator 15 durch Antreiben der Dampfturbine 14, sodass das Energieerzeugungssystem in einem Normalbetriebszustand läuft.
  • In einem allgemeinen Energieerzeugungssystem wird, wenn das Steuerventil 47 geöffnet ist und das Gebläse 48 angetrieben wird, das ausgestoßene Brennstoffgas L3 von der SOFC 13 von der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas zu der Brennkammer 22 zugeführt. Wenn die Temperatur der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas niedrig ist, wird die Temperatur des der Gasturbine 11 über die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas zugeführten ausgestoßenen Brennstoffgases L3 abgesenkt. Wenn die Temperatur des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 absinkt, besteht ein Risiko, dass eine Abscheidung bzw. Entwässerung („drain”) auftritt und ein Verbrennungs-Brennwert (Kalorien) des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 schwankt.
  • Daher umfasst das Energieerzeugungssystem 10 der Ausführungsform eine Heizmittel 102, das die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas erwärmt, eine Erfassungseinheit 104, die einen Zustand des durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömenden ausgestoßenen Brennstoffgases L3 erfasst, und ein Ein-Aus-Ventil (Ein-Aus-Steuerventil) 106, das an einer Position (bei der Ausführungsform an der stromabwärtigen Seite des Steuerventils 47) nahe der Gasturbine 11 in der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas angeordnet ist. Wenn die Steuervorrichtung (Steuereinheit) 62 des Energieerzeugungssystems 10 beginnt, das ausgestoßene Brennstoffgas L3 zu der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas zuzuführen, das heißt nachdem die Steuervorrichtung 62 das Steuerventil 47 öffnet, treibt die Steuervorrichtung 62 das Heizmittel 102 und das Ein-Aus-Ventil 106 auf der Basis eines Ergebnisses der Erfassungseinheit 104 an.
  • Anders ausgedrückt ist das Heizmittel 102 zum Erwärmen der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas vorgesehen, und das Erwärmen durch das Heizmittel 102 wird basierend auf dem Erfassungsergebnis der Erfassungseinheit 104 gesteuert. Außerdem wird das Öffnen/Schließen des Ein-Aus-Ventils 106 basierend auf dem Erfassungsergebnis der Erfassungseinheit 104 gesteuert, sodass die Zufuhr/Unterbrechung des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 zu der Gasturbine 11 (Brennkammer 22) gesteuert wird. Sodann kann die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas erwärmt werden, und nachdem die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas erwärmt ist, kann das ausgestoßene Brennstoffgas L3, das durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas passiert ist, der Gasturbine 11 zugeführt werden. Dadurch kann der Verbrennungs-Brennwert (Kalorien) des der Gasturbine 11 (Brennkammer 22) zuzuführenden ausgestoßenen Brennstoffgases L3 stabilisiert werden.
  • Insbesondere umfasst gemäß der Darstellung in 2 das Heizmittel 102 eine Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas und ein Steuerventil 116. Ein Ende der Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas ist zwischen dem Gebläse 48 der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas und der Brennkammer 22 verbunden, und das andere Ende ist mit der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung 49 verbunden. Die Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas führt das ausgestoßene Brennstoffgas L3, das von der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas zugeführt wird, zu der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung 49. Das Steuerventil 116 ist in der Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas angeordnet. Das Steuerventil 116 bestimmt durch Umschalten, ob das ausgestoßene Brennstoffgas L3 durch die Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömt oder nicht, indem es offen/geschlossen geschalten wird und es stellt die Strömungsrate des durch die Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömenden ausgestoßenen Brennstoffgases L3 durch Einstellen des Öffnungsgrades ein.
  • Die Erfassungseinheit 104 ist an der stromabwärtigen Seite des Gebläses 48 der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas und an der stromaufwärtigen Seite einer Position, wo die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas mit der Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas verbunden ist, angeordnet. Die Erfassungseinheit 104 ist eine Erfassungsvorrichtung, die die Kalorien (Brennwert) des durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömenden ausgestoßenen Brennstoffgases an einer Position erfasst, wo die Erfassungseinheit 104 angeordnet ist. Die Erfassungseinheit 104 kann eine Vorrichtung sein, die einen Zustand des ausgestoßenen Brennstoffgases L3, das durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömt, an einer Position, wo die Erfassungseinheit 104 angeordnet ist, erfassen kann. Beispielsweise kann eine Temperatur-Erfassungsvorrichtung, welche die Temperatur des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 erfasst, als die Erfassungseinheit 104 verwendet werden. Hier kann der Zustand des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 verschiedene Zustände annehmen, durch welche bestimmt werden kann, ob Abscheidung bzw. Entwässerung („drain”) in dem ausgestoßenen Brennstoffgas L3 auftritt oder nicht, während das ausgestoßene Brennstoffgas L3 durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömt. Es ist vorzuziehen, dass die Erfassungseinheit 104 an einer Position nahe an der Gasturbine 11 an der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas angeordnet ist, das heißt an einer Position nahe an der Position, wo die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas mit der Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas verbunden ist. Dadurch können, wenn das ausgestoßene Brennstoffgas L3 durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömt, Änderungen, welche in dem ausgestoßenen Brennstoffgas L3 auftreten, mit höheren Wahrscheinlichkeit erfasst werden.
  • Das Ein-Aus-Ventil 106 ist an der stromabwärtigen Seite der Position, wo die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas mit der Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas verbunden ist, und an der stromaufwärtigen Seite der Brennkammer 22 angeordnet. Das Ein-Aus-Ventil 106 kann durch Umschalten bestimmen, ob das ausgestoßene Brennstoffgas L3 der Brennkammer 22 zugeführt wird oder nicht, indem es in den Öffnungszustand oder Schließzustand umschaltet.
  • Die Steuervorrichtung 62 kann zumindest das Öffnen/Schließen des Ein-Aus-Ventils 106 einstellen. Dadurch kann die Steuervorrichtung 62 umschalten, ob das ausgestoßene Brennstoffgas L3, das durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömt zu der Gasturbine 11 zugeführt wird oder nicht. Ferner kann die Steuervorrichtung 62 der Ausführungsform das Öffnen/Schließen und den Öffnungsgrad der Steuerventile 46, 47 und 116 einstellen. Dadurch kann die Steuervorrichtung 62 die Strömung des durch die Ausstoßbrennstoffleitung 43 strömenden ausgestoßenen Brennstoffgases L3 umschalten, das heißt sie kann eine Vorrichtung schalten, zu der der ausgestoßene Brennstoff zugeführt wird.
  • Im Folgenden wird ein Ansteuerungsverfahren des Energieerzeugungssystems 10 der Ausführungsform mit Bezug auf die 2 bis 4 beschrieben. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel eines Ansteuerungsbetriebs des Energieerzeugungssystems der Ausführungsform verdeutlicht. 4 ist ein Zeitablaufdiagramm, das den Zeitablauf eines Betriebs von Ventilen, welche eine Strömung des ausgestoßenen Brennstoffgases des Energieerzeugungssystems der Ausführungsform steuern. Der Ansteuerungsbetrieb, der in 3 gezeigt ist, kann realisiert werden, wenn die Steuervorrichtung (Steuereinheit) 62 arithmetische Verarbeitung basierend auf Erfassungsergebnissen jeder Einheit ausführt. Wenn das Energieerzeugungssystem 10 den in 3 gezeigten Ablauf ausführt, führt das Energieerzeugungssystem 10 parallel die Zirkulation des ausgestoßenen Brennstoffgases durch, indem die Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung 49 verwendet wird.
  • Nachdem die Steuervorrichtung 62 das Zuführen des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 zu der Ausstoßbrennstoffleitung 43 startet (Schritt S12), stößt die Steuervorrichtung 62 zuerst das ausgestoßene Brennstoffgas L3 von der Abgasleitung 44 aus (Schritt S14). Insbesondere öffnet gemäß der Darstellung zum Zeitpunkt t1 in 4 die Steuervorrichtung 62 das Steuerventil 46, schließt das Steuerventil 47, schließt das Steuerventil 116, und schließt das Ein-Aus-Ventil 106. Dadurch strömt das ausgestoßene Brennstoffgas L3 in einer durch einen Pfeil 132 in 2 angegebenen Richtung und das ausgestoßene Brennstoffgas L3 wird von der Abgasleitung 44 ausgestoßen.
  • Die Steuervorrichtung 62 bestimmt, ob der Zustand des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 stabilisiert ist oder nicht (Schritt S16). Insbesondere bestimmt die Steuervorrichtung 62, ob die Komponenten des ausgestoßenen Brennstoffgases L3, das durch die Ausstoßbrennstoffleitung 43 strömt, stabilisiert sind oder nicht. Beispielsweise führt die Steuervorrichtung 62 eine Komponentenanalyse des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 aus und führt die Bestimmung basierend auf einem Ergebnis der Komponentenanalyse aus.
  • Wenn die Steuervorrichtung 62 bestimmt, dass der Zustand des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 nicht stabilisiert ist (Nein im Schritt S16) kehrt die Steuervorrichtung 62 zum Schritt S16 zurück und führt die Bestimmung des Schritts S16 erneut aus. Die Steuervorrichtung 62 führt die Ausführung des Schritts S16 wiederholt aus, während das ausgestoßene Brennstoffgas L3 von der Abgasleitung 44 ausgestoßen wird, bis der Zustand des durch die Ausstoßbrennstoffleitung 43 strömenden ausgestoßenen Brennstoffgases L3 stabilisiert ist.
  • Wenn die Steuervorrichtung 62 bestimmt, dass der Zustand des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 stabilisiert ist (Ja im Schritt S16), startet die Steuervorrichtung 62 das Zuführen des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 zu der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas (Schritt S18) und startet die Rezirkulation des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 in der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas durch Anwendung der Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas (Schritt S20). Insbesondere reduziert die Steuervorrichtung 62 gemäß der Darstellung zum Zeitpunkt t2 in 4 den Öffnungsgrad des Steuerventils 46 und schaltet das Steuerventil 47 vom geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand um. Dadurch kann das durch die Ausstoßbrennstoffleitung 43 strömende ausgestoßene Brennstoffgas L3 der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas zugeführt werden. Ferner schaltet die Steuervorrichtung 62 das Steuerventil 116 von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand und hält das Ein-Aus-Ventil 106 in dem geschlossenen Zustand. Nachdem die Steuervorrichtung 62 das Steuerventil 47 öffnet und das Zuführen des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 zu der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas zuführt, treibt die Steuervorrichtung 62 das Gebläse 48 an. Das Gebläse 48 schickt das ausgestoßene Brennstoffgas L3, das durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömt, zu einem Verbindungsabschnitt zwischen der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas und der Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas. Das Ein-Aus-Ventil 106 wird geschlossen und das Steuerventil 116 wird geöffnet, sodass, wenn das ausgestoßene Brennstoffgas L3, das durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömt, den Verbindungsabschnitt zwischen der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas und der Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas erreicht, das ausgestoßene Brennstoffgas L3 in die Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömt. Dadurch strömt das ausgestoßene Brennstoffgas L3, das durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas geströmt ist, in einer durch einen Pfeil 134 gemäß der Darstellung in 2 angegebenen Richtung, strömt in der Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas, und wird zu der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung 49 zugeführt. Das der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung 49 zugeführte ausgestoßene Brennstoffgas L3 wird mit anderen ausgestoßenen Brennstoffen und anderen Brennstoffen vermischt und wird der SOFC 13 erneut zugeführt. Die Steuervorrichtung 62 zirkuliert das ausgestoßene Brennstoffgas über die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas, die Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas, die Brennstoff-Rezirkulationsleitung 49, und die SOFC 13 in dieser Reihenfolge, sodass die Steuervorrichtung 62 die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas durch das ausgestoßene Brennstoffgas L3 erwärmen kann. Außerdem kann die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas erneut erwärmt werden, indem das zum Erwärmen verwendete ausgestoßene Brennstoffgas L3 in die SOFC 13 eingegeben wird.
  • Nachdem die Steuervorrichtung 62 die Rezirkulation des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 startet, bestimmt die Steuervorrichtung 62, ob das Erwärmen beziehungsweise Aufheizen der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas abgeschlossen ist oder nicht (Schritt S22). Die Steuervorrichtung 62 bestimmt, ob das Aufheizen beziehungsweise Erwärmen der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas abgeschlossen ist oder nicht basierend auf dem Erfassungsergebnis der Erfassungseinheit 104. Die Steuervorrichtung 62 bestimmt, ob das Aufheizen beziehungsweise Erwärmen der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas durch die das Heizmittel 102 abgeschlossen ist oder nicht basierend auf dem Zustand des durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömenden ausgestoßenen Brennstoffgases L3, der durch die Erfassungseinheit 104 erfasst wird. Insbesondere kann die Erfassungseinheit 104 die Kalorien (Brennwert) und die Temperaturen des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 als den Zustand des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 messen. Wenn die Steuervorrichtung 62 basierend auf dem Zustand des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 bestimmt, dass keine Abscheidung bzw. Entwässerung („drain”) in dem durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömenden ausgestoßenen Brennstoffgas L3 erfasst wird, bestimmt die Steuervorrichtung 62, dass das Erwärmen der Zuführleitung 45 des ausgestoßenen Brennstoffgases abgeschlossen ist. Wenn die Steuervorrichtung 62 die Temperatur unter Anwendung der Erfassungseinheit 104 erfasst, bestimmt die Steuervorrichtung 62, dass das Erwärmen abgeschlossen ist, wenn die Temperatur höher oder gleich wird wie ein vorbestimmter Wert. Wenn die Steuervorrichtung 62 die Kalorien (Brennwert) des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 unter Anwendung der Erfassungseinheit 104 erfasst, bestimmt die Steuervorrichtung 62, dass das Erwärmen abgeschlossen ist, wenn die Kalorien (Brennwert) in einen vorbestimmten Bereich kommen.
  • Wenn die Steuervorrichtung 62 bestimmt, dass das Erwärmen nicht abgeschlossen ist (Nein im Schrift S22), kehrt die Steuervorrichtung 62 zum Schritt S22 zurück und führt die Bestimmung des Schritts S22 erneut aus. Die Steuervorrichtung 62 führt die Bearbeitung des Schritts S22 wiederholt aus, während die Rezirkulation des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 fortgesetzt wird, indem die Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas verwendet wird, bis das Erwärmen der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas abgeschlossen ist, das heißt bis der Zustand des ausgestoßenen Brennstoffgases L3, der durch die Erfassungseinheit 104 erfasst wird, stabilisiert ist. Dadurch kann die Steuervorrichtung 62 die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas in einem Zustand erwärmen, in dem das ausgestoßene Brennstoffgas L3 nicht von der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas zu der Gasturbine 11 zugeführt wird. Nachdem die Steuervorrichtung 62 die Rezirkulation des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 startet, stellt die Steuervorrichtung 62 den Öffnungsgrad des Steuerventils 46 basierend auf dem Zustand des ausgestoßenen Stoffgases L3 (beispielsweise der Temperatur des ausgestoßenen Brennstoffgases, die durch die Erfassungseinheit 104 erfasst worden ist) ein. Wenn das ausgestoßene Brennstoffgas L3 in die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömt und der Druck in der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas erhöht wird, verringert die Steuervorrichtung 62 insbesondere den Öffnungsgrad des Steuerventils 46. Dadurch kann überschüssiges ausgestoßenes Brennstoffgas L3 des ausgestoßenen Brennstoffgase L3, das von der Ausstoßbrennstoffleitung 43 zugeführt wird, von der Abgasleitung 44 ausgestoßen werden.
  • Wenn die Steuervorrichtung 62 bestimmt, dass das Erwärmen abgeschlossen ist (Ja im Schritt S22), stoppt die Steuervorrichtung 62 die Rezirkulation des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 unter Anwendung der Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas und startet das Zuführen des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 zu der Gasturbine 11 (Schritt S24). Insbesondere schaltet die Steuervorrichtung 62 gemäß der Darstellung zum Zeitpunkt t3 in 4 das Steuerventil 46 von dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand, hält das Steuerventil 47 in dem geöffneten Zustand, schaltet das Steuerventil 116 von dem geöffneten Zustand in den geschlossenen Zustand, und schaltet das Ein-Aus-Ventil 106 von dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand. Dadurch wird eine Zuführdestination des ausgestoßenen Brennstoffgases L3, das durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas, strömt von der Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas zu der Brennkammer 22 über das Ein-Aus-Ventil 116 hinaus umgeschaltet, und das ausgestoßene Brennstoffgas L3 wird in einer durch einen Pfeil 136 in der Darstellung von 2 angegebenen Richtung zugeführt. Nachdem die Steuervorrichtung 62 das Zuführen des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 zu der Brennkammer 22 startet, beendet die Steuervorrichtung 62 den Ablauf.
  • Auf diese Weise erwärmt das Energieerzeugungssystem 10 der Ausführungsform die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas unter Verwendung des Heizmittels 102 und startet das Zuführen des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 zu der Gasturbine 11, nachdem das Erwärmen der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas abgeschlossen ist. Dadurch kann verhindert werden, dass das ausgestoßene Brennstoffgas L3, das durch die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas strömt, welche in einem niedrigen Temperaturzustand ist (normalen Temperaturzustand) während des Anfahrens des Betriebs usw. ist und dessen Temperatur abfällt, der Gasturbine 11 zugeführt wird.
  • Wenn das ausgestoßene Brennstoffgas L3 gekühlt wird, tritt eine Abscheidung bzw. Entwässerung („drain”) auf. Eine Komponentenkonfiguration des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 in dem stromabwärtigen Abschnitt der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas, in welchem die Abscheidung bzw. Entwässerung („drain”) auftritt, verändert sich, und die Menge an Wasser in dem ausgestoßenem Brennstoffgas L3 nimmt ab, sodass der Verbrennungs-Brennwert (Kalorien) des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 ansteigt. Außerdem wird in dem Energieerzeugungssystem 10 die Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas durch das ausgestoßene Brennstoffgas L3 erwärmt, sodass die Menge an Bildung der Abscheidung bzw. Entwässerung („drain”) sich allmählich ändert. Danach wird, wenn die in der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas erzeugte Abscheidung bzw. die Entwässerung verdampft, die verdampfte Abscheidung in das ausgestoßene Brennstoffgas L3 eingemischt, und H2O des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 steigt an. Wenn H2O des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 ansteigt, verringert sich der Verbrennungs-Brennwert (Kalorien) des ausgestoßenen Brennstoffgases L3. Dadurch verändert sich der Verbrennungsbrennwert des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 in dem stromabwärtigen Abschnitt der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas allmählich. Wenn solches ausgestoßenes Brennstoffgas L3 der Gasturbine 11 zugeführt wird, wird die Steuerung der Verbrennung in der Gasturbine 11 kompliziert. Außerdem ist es nicht vorzuziehen, dass das ausgestoßene Brennstoffgas L3, in dem Abscheidung auftritt, der Brennkammer 22 der Gasturbine 11 zuzuführen. Andererseits startet gemäß der obigen Beschreibung das Energieerzeugungssystem 10 der Ausführungsform das Zuführen des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 zu der Gasturbine 11, nachdem die Erwärmung der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas abgeschlossen ist. Dadurch kann eine Schwankung des Verbrennungs-Brennwerts des ausgestoßenen Brennstoffgases L3, das der Gasturbine 11 zuzuführen ist, verringert werden. Die Komponenten des zuzuführenden ausgestoßenen Brennstoffgases L3 können stabilisierte werden, sodass die Verbrennung der Gasturbine 11 stabilisiert werden kann. Dadurch kann die Steuerung vereinfacht und negative Auswirkungen auf die Gasturbine können verringert werden.
  • Das Energieerzeugungssystem 10 der Ausführungsform besitzt eine Konfiguration, bei der die Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas als das Heizmittel 102 vorgesehen ist und das ausgestoßene Brennstoffgas L3 rezirkuliert wird. Das ausgestoßene Brennstoffgas L3 wird als eine Wärme- bzw. Heizquelle verwendet, sodass es nicht erforderlich ist, eine neue Heizquelle zu verwenden. Dadurch kann die Konfiguration der Vorrichtung vereinfacht sein. Außerdem umfasst das Energieerzeugungssystem 10 die Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas und führt das ausgestoßene Brennstoffgas L3 erneut zu der SOFC 13 zurück, sodass das Energieerzeugungssystem 10 das ausgestoßene Brennstoffgas L3 zu der Gasturbine 11 zuführen kann, nachdem das erneute Erwärmen des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 ausgeführt und die Erwärmung der Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas abgeschlossen ist. Dadurch kann das ausgestoßene Brennstoffgas L3 effizient verwendet werden.
  • In dem Energieerzeugungssystem 10 ist außerdem die Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas mit der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas an einer Position an der stromabwärtigen Seite des Gebläses 48 verbunden. Daher kann das Gebläse 48 als eine Antriebsquelle verwendet werden, die das ausgestoßene Brennstoffgas L3 zu der Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas zuführt. Dadurch kann ein Gebläse 48 effizient genutzt werden.
  • Es ist vorzuziehen, dass in dem Energieerzeugungssystem 10 das Ein-Aus-Ventil 106 nahe an der Gasturbine 11 (Brennammer 22) in der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas angeordnet ist. Anders ausgedrückt ist es vorzuziehen, dass bei dem Energieerzeugungssystem 10 die Distanz zwischen dem Ein-Aus-Ventil 106 und der Brennkammer 22 verkürzt ist. Dadurch kann, wenn das Ein-Aus-Ventil 106 geöffnet wird, und die Zufuhr des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 zu der Gasturbine 11 gestartet wird, ein Bereich der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas verkürzt werden, welcher durch das ausgestoßene Brennstoffgas L3, das der Gasturbine 11 zugeführt wird, erwärmt wird. Dadurch kann, wenn die Zufuhr des ausgestoßenen Brennstoffgases L3 zu der Gasturbine 11 gestartet wird, die Bildung der Abscheidung („drain”) in dem ausgestoßenen Brennstoffgas L3 in der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas in einem Bereich an der stromabwärtigen Seite des Ein-Aus-Ventils 106 verringert werden.
  • Das Energieerzeugungssystem 10 der Ausführungsform umfasst das Steuerventil 47 an der stromaufwärtigen Seite des Gebläses 48 und die Erfassungseinheit 104 in der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brenngas, sodass das Energieerzeugungssystem 10 umschalten kann, ob das ausgestoßene Brennstoffgas L3 einem Bereich, in welchem das Gebläse 48 und die Erfassungseinheit 104 in der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas angeordnet sind, zugeführt wird oder nicht. In 1 ist die Position des Steuerventils 47 nahe an der Brennkammer 22 in der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas angeordnet. Die Anordnungsposition ist aber nicht besonders begrenzt sondern kann jede Position an der stromabwärtigen Seite des Verbindungsabschnitts zwischen der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas und der Abgasleitung 44 und an der stromaufwärtigen Seite des Verbindungsabschnitts zwischen der Zuführleitung 45 für ausgestoßenes Brennstoffgas 45 und der Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas sein. Das Energieerzeugungssystem 10 muss das Steuerventil 47 nicht notwending enthalten.
  • Das Energieerzeugungssystem 10 kann ein anderes Heizverfahren als das Heizmittel anwenden. Beispielsweise kann die Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas unter Verwendung von Dampf erhitzt beziehungsweise erwärmt werden, der von einer anderen Vorrichtung ausgestoßen wird, beispielsweise Dampf, der durch den Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) 51 erzeugt wird, oder die Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas kann durch Wickeln eines elektrischen Heizdrahtes um die Rezirkulationsleitung 112 für ausgestoßenes Brennstoffgas herum und durch Bewirken einer Wärmeerzeugung des elektrischen Heizdrahts durch Strömenlassen eines elektrischen Stroms durch den elektrischen Heizdraht erwärmt werden.
  • Obwohl das Ein-Aus-Ventil 106 zumindest in die Öffnungs- und die Schließposition geschaltet werden kann, kann das Ein-Aus-Ventil 106 ein Steuerventil sein, das den Öffnungsgrad einstellt. Das Steuerventil 47 kann zumindest zwischen einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand umgeschaltet werden, und das Steuerventil 47 kann ein Steuerventil sein. In derselben Weise ist es vorzuziehen, dass zumindest eines von Steuerventil 47 und Ein-Aus-Ventil 106, das in der Zuführleitung 45 des ausgestoßenen Brennstoffgases vorgesehen ist, ein Steuerventil ist, das den Öffnungsgrad einstellen kann (den Strömungswegwiderstand).
  • Dadurch kann die Menge des ausgestoßenen Brennstoffgases L3, das der Brennkammer 22 zuzuführen ist, eingestellt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Energieerzeugungssystem
    11
    Gasturbine
    12
    Energiegenerator
    13
    Festoxidbrennstoffzelle (SOFC – „solid oxide fuel cell”)
    14
    Dampfturbine
    15
    Energiegenerator
    21
    Kompressor
    22
    Brennkammer
    23
    Turbine
    26
    erste Zuführleitung für komprimierte Luft
    27
    erste Brennstoffgas-Zuführleitung
    31
    zweite Zuführleitung für komprimierte Luft
    32
    Steuerventil (erstes Ein-Aus-Ventil)
    33, 48
    Gebläse
    34
    Ausstoßluftleitung
    36
    Zirkulationsleitung für komprimierte Luft
    41
    zweite Brennstoffgas-Zuführleitung
    42
    Steuerventil
    43
    Ausstoßbrennstoffleitung
    45
    Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas
    47
    Steuerventil
    49
    Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung
    62
    Steuervorrichtung (Steuereinheit)
    102
    Heizmittel
    104
    Erfassungseinheit
    106
    Ein-Aus-Ventil
    112
    Rezirkulationsleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas
    116
    Steuerventil

Claims (5)

  1. Ein Energieerzeugungssystem mit: einer Gasturbine mit einem Kompressor und einer Brennkammer, einer Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode, einer Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas, die das ausgestoßene Brennstoffgas, das von der Brennstoffzelle ausgestoßen wird, zu der Gasturbine zuführt, einem Ein-Aus-Steuerventil, das in der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas angeordnet ist und das zumindest zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung umschaltet, einer Heizeinheit, die die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas in einem Bereich an einer stromaufwärtigen Seite des Ein-Aus-Steuerventils erwärmt, einer Erfassungseinheit, die einen Zustand des ausgestoßenen Brennstoffgases in der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas in dem Bereich an der stromaufwärtigen Seite des Ein-Aus-Steuerventils erfasst, und einer Steuereinheit, die das Erwärmen der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas durch die Heizeinheit basierend auf einem durch die Erfassungseinheit erfassten Ergebnis steuert, und die das Ein-Aus-Steuerventil zum Öffnen betätigt, wenn basierend auf einem durch die Erfassungseinheit erfassten Ergebnis festgestellt wird, dass das Erwärmen der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas abgeschlossen ist,.
  2. Das Energieerzeugungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Erfassungseinheit ein Kalorimeter ist, das die Kalorien (Brennwert) des ausgestoßenen Brennstoffgases erfasst, und wenn die Steuervorrichtung erfasst, dass die durch die Erfassungseinheit erfassten Kalorien (Brennwert) in einem vorbestimmten Bereich sind, die Steuereinheit bestimmt, dass das Erwärmen der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas abgeschlossen ist.
  3. Das Energieerzeugungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Erfassungseinheit ein Thermometer ist, das eine Temperatur des ausgestoßenen Brennstoffgases erfasst, und wenn die Steuereinheit erfasst, dass die durch die Erfassungseinheit erfasste Temperatur höher als ein vorbestimmter Wert oder gleich diesem ist, die Steuereinheit bestimmt, dass das Erwärmen der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas abgeschlossen ist.
  4. Das Energieerzeugungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit: einer Brennstoffgas-Zuführleitung, die Brennstoffgas zu der Brennstoffzelle zuführt, und einer Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung, die einen Teil des durch die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas strömenden ausgestoßenen Brennstoffgases zu der Brennstoffgas-Zuführleitung zuführt, wobei ein Ende der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung mit der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas an der stromaufwärtigen Seite des Ein-Aus-Steuerventils verbunden ist, wobei das andere Ende der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung mit der Brennstoffgas-Zuführleitung verbunden ist, wobei die Heizeinheit eine Rezirkulationsleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas umfasst, dessen eines Ende an einer stromabwärtigen Seite einer Verbindungsposition zwischen der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas und der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung und an der stromaufwärtigen Seite des Ein-Aus-Steuerventils mit der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas verbunden ist, und dessen anderes Ende mit der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung verbunden ist, diese das durch die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas strömende ausgestoßene Brennstoffgas der Brennstoffgas-Rezirkulationsleitung über die Rezirkulationsleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas zuführt, die das durch die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas strömende ausgestoßene Brennstoffgas zirkuliert, und die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas durch Wärme des ausgestoßenen Brennstoffgases erwärmt.
  5. Ein Betriebsverfahren eines Energieerzeugungssystems mit einer Gasturbine mit einem Kompressor und einer Brennkammer, einer Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode, einer Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas, die von der Brennstoffzelle ausgestoßenes Brennstoffgas der Gasturbine zuführt, und einem Ein-Aus-Steuerventil, das in der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas angeordnet ist und das zumindest zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung umschaltet, wobei das Betriebsverfahren aufweist: einen Schritt eines Erfassens eines Zustands des ausgestoßenen Brennstoffgases in der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas in einem Bereich an einer stromaufwärtigen Seite des Ein-Aus-Steuerventils, einen Schritt des Erwärmens bzw. Aufheizens der Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas basierend auf einem durch die Erfassungseinheit erfassten Ergebnis, und einen Schritt des Einstellens des Ein-Aus-Steuerventils zum Öffnen, wenn basierend auf einem durch die Erfassungseinheit erfassten Ergebnis festgestellt wird, dass ein Zustand des durch die Zuführleitung für ausgestoßenes Brennstoffgas strömenden ausgestoßenen Brennstoffgases stabilisiert ist.
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