DE112013005601T5

DE112013005601T5 - Stromerzeugungssystem und Verfahren zum Betrieb eines Stromerzeugungssystems

Info

Publication number: DE112013005601T5
Application number: DE112013005601.1T
Authority: DE
Inventors: Yukimasa Nakamoto; Kazunori Fujita; So Manabe
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-10-22
Also published as: WO2014080801A1; JP6116871B2; CN104737347A; KR20150058459A; JP2014107031A; US20150244007A1; CN104737347B

Abstract

Geschaffen werden ein Stromerzeugungssystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Stromerzeugungssystems, mit dem ein Druck der an eine SOFC beförderten Luft stabilisiert werden kann. Das Stromerzeugungssystem umfasst eine Brennstoffzelle, eine Gasturbine, eine erste Druckluftleitung, welche die Luft von einem Kompressor in eine Brennkammer befördert, eine zweite Druckluftleitung, welche die Druckluft vom Kompressor in die Brennstoffzelle befördert, eine Druckluft-Umlaufleitung, welche die Abluft von der Brennstoffzelle in die Brennkammer befördert, eine Detektionseinheit, die die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle feststellt, eine Einstellungseinheit, die das Verhältnis zwischen der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung und der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung einstellt, und eine Steuerungsvorrichtung, die das Verhältnis zwischen der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung und der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung durch die Einstellungseinheit einstellt, basierend auf einer in der Detektionseinheit festgestellten Variation der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromerzeugungssystem, bei dem eine Festoxid-Brennstoffzelle, eine Gasturbine und eine Dampfturbine kombiniert werden, und ein Verfahren zum Betrieb eines Stromerzeugungssystems.
Stand der Technik
Eine Festoxid-Brennstoffzelle (im Weiteren: SOFC) ist gut bekannt als hocheffiziente Brennstoffzelle mit unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten. Die Betriebstemperatur der SOFC wird auf eine hohe Temperatur eingestellt, um die Ionenleitfähigkeit zu verbessern. Deshalb kann die von einem Kompressor einer Gasturbine abgegebene Druckluft als Luft (Oxidationsmittel) verwendet werden, die einer Kathodenseite zugeführt wird. Außerdem kann ein von der SOFC abgegebenes Hochtemperatur-Abgas als Brennstoff einer Brennkammer der Gasturbine verwendet werden.
Deshalb wurden, wie beispielsweise in der nachstehend zitierten Patentliteratur 1 beschrieben, mit Bezug auf ein Stromerzeugungssystem, das eine hocheffiziente Stromerzeugung erzielt, unterschiedliche Vorschlage der Kombination von SOFC, Gasturbine und Dampfturbine gemacht. In den in der Patentliteratur 1 beschriebenen kombinierten Systemen umfasst die Gasturbine einen Kompressor, der die Luft komprimiert und die Luft der SOFC zuführt, und eine Brennkammer, die aus dem von der SOFC abgegebenen Abgas und der Druckluft ein Verbrennungsgas erzeugt.
Liste der Zitate
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Offengelegte Japanische Patentanmeldung Nr. 2009-205930 .

Zusammenfassung
Technisches Problem
Das oben beschriebene herkömmliche Stromerzeugungssystem umfasst eine Leitung, über die die Druckluft vom Kompressor der Gasturbine zu der Brennkammer befördert wird, und eine Leitung, über die die Druckluft vom Kompressor zu der Brennstoffzelle, etwa einer SOFC, befördert wird. Das Stromerzeugungssystem steigert die Luftmenge, die der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, durch allmähliches Öffnen eines Ventils jener Leitung, über die die Druckluft vom Kompressor zu der Brennstoffzelle befördert wird, während allmählich ein Ventil jener Leitung, über die die Druckluft vom Kompressor zu der Brennkammer befördert wird, zum Zeitpunkt des Beginns der Zuführung der Druckluft zu der Brennstoffzelle geschlossen wird.
Wenn in einem Stromerzeugungssystem ein Antriebszustand zwischen der Brennstoffzelle und der Gasturbine variiert, kann der Druck der vom Kompressor zu der Brennstoffzelle beförderten Druckluft variieren. Wenn der Druck der Druckluft, die der Brennstoffzelle zuzuführen ist, im Stromerzeugungssystem variiert, variiert der Druck auf einer Kathodenseite der Brennstoffzelle, so dass ein Druckverhältnis zwischen einer Katode und einer Anode nicht konstant aufrechterhalten werden kann. Wenn nun das Druckverhältnis zwischen der Kathode und der Anode nicht aufrechterhalten werden kann, ist die Leistung der Brennstoffzelle beeinträchtigt.
Die vorliegende Erfindung löst das obenstehende Problem, und ein Ziel derselben besteht darin, ein Stromerzeugungssystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Stromerzeugungssystems bereitzustellen, das den Druck der einer Brennstoffzelle zuzuführenden Druckluft stabilisieren kann.
Lösung des Problems
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Stromerzeugungssystem Folgendes: eine Brennstoffzelle; eine Gasturbine mit einem Kompressor und einer Brennkammer; eine erste Druckluftleitung, die dazu konfiguriert ist, Druckluft vom Kompressor in die Brennkammer zu befördern; eine zweite Druckluftleitung, die dazu konfiguriert ist, die Druckluft vom Kompressor in die Brennstoffzelle zu befördern; eine Druckluft-Umlaufleitung, die dazu konfiguriert ist, Abluft von der Brennstoffzelle in die Brennkammer zu befördern; eine Detektionseinheit, die dazu konfiguriert ist, die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle festzustellen; eine Einstellungseinheit, die dazu konfiguriert ist, das Verhältnis zwischen der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung und der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung einzustellen; und eine Steuerungsvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, das Verhältnis zwischen der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung und der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung durch die Einstellungseinheit auf Basis der in der Detektionseinheit festgestellten Variation der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle einzustellen.
Das Verhältnis zwischen der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung und der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung kann auf Basis der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle eingestellt werden. Dementsprechend kann die Variation der zu der Brennstoffzelle zu befördernden Druckluft infolge des Einflusses der Variation der Brennstoffzelle unterdrückt werden, und der Druck der zu der Brennstoffzelle zu befördernden Druckluft kann stabilisiert werden.
Vorteilhafterweise umfasst in dem Stromerzeugungssystem die Einstellungseinheit einen Mechanismus, der an der ersten Druckluftleitung angeordnet ist und der die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung einstellt.
Deshalb wird die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung eingestellt, wobei das Verhältnis zwischen der zu der Brennstoffzelle zu befördernden Druckluft und der zu der Brennkammer zu befördernden Druckluft vorteilhaft eingestellt werden kann.
Vorteilhafterweise umfasst die Einstellungseinheit im Stromerzeugungssystem ein Steuerventil mit einem einstellbaren Öffnungsgrad, das an der Druckluftleitung angeordnet ist.
Die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung wird folglich anhand der Einstellung des Öffnungsgrades des Steuerventils eingestellt, wodurch das Verhältnis zwischen der der Brennstoffzelle zuzuführenden Druckluft und der der Brennkammer zuzuführenden Druckluft vorteilhaft eingestellt werden kann.
Vorteilhafterweise umfasst die Einstellungseinheit in dem Stromerzeugungssystem ein Hauptrohr, das an der ersten Druckluftleitung angeordnet ist, wenigstens ein Abzweigrohr, welches das Hauptrohr umgeht, und ein Auf/Zu-Ventil, das am Abzweigrohr angeordnet ist.
Die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung wird folglich durch die Einstellung der Anzahl geöffneter Auf/Zu-Ventile (der Anzahl geschlossener Auf/Zu-Ventile) eingestellt, wodurch das Verhältnis zwischen der der Brennstoffzelle zuzuführenden Druckluft und der der Brennkammer zuzuführenden Druckluft vorteilhaft eingestellt werden kann.
Wenn in dem Stromerzeugungssystem die Druckluft an Strömungsfähigkeit zu der Brennstoffzelle zu verlieren beginnt, bringt die Steuerungsvorrichtung die Druckluft vorteilhafterweise dazu, in der ersten Druckluftleitung an Strömungsfähigkeit zu gewinnen.
Deshalb kann eine Verringerung der durch die zweite Druckluftleitung zu der Brennstoffzelle zu befördernden Druckluft in Übereinstimmung mit der Variation der Strömungsfähigkeit der Druckluft unterdrückt werden, und der Druck der der Brennstoffzelle zuzuführenden Druckluft kann stabilisiert werden.
Vorteilhafterweise umfasst die Einstellungseinheit in dem Stromerzeugungssystem einen Mechanismus, der an der zweiten Druckluftleitung angeordnet ist und der die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung einstellt.
Auf diese Weise wird die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung eingestellt, wobei das Verhältnis zwischen der der Brennstoffzelle zuzuführenden Druckluft und der der Brennkammer zuzuführenden Druckluft vorteilhaft eingestellt werden kann.
Vorteilhafterweise umfasst die Einstellungseinheit in dem Stromerzeugungssystem ein Steuerventil mit einem einstellbaren Eröffnungsgrad, das an der zweiten Druckluftleitung angeordnet ist.
Die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung wird deshalb anhand der Einstellung des Öffnungsgrades des Steuerventils eingestellt, wodurch das Verhältnis zwischen der der Brennstoffzelle zuzuführenden Druckluft und der der Brennkammer zuzuführenden Druckluft vorteilhaft eingestellt werden kann.
Wenn in dem Stromerzeugungssystem die Druckluft an Strömungsfähigkeit zu der Brennstoffzelle zu verlieren beginnt, bringt die Steuerungsvorrichtung die Druckluft vorteilhafter Weise dazu, in der zweiten Druckluftleitung eine geringere Strömungsfähigkeit anzunehmen.
Deshalb kann eine Verringerung der zu der Brennstoffzelle zu befördernden Druckluft in Übereinstimmung mit der Variation der Strömungsfähigkeit der Druckluft unterdrückt werden.
Entsprechend kann die Verringerung der über die zweite Druckluftleitung an die Brennstoffzelle zu befördernden Druckluft unterdrückt werden, und der Druck der zu der Brennstoffzelle zu befördernden Druckluft kann stabilisiert werden.
Wenn in dem Stromerzeugungssystem die Steuerungsvorrichtung festlegt, einen Umlaufweg der Druckluft der Brennstoffzelle und der Gasturbine zu blockieren, wiederholt die Steuerungsvorrichtung die Steuerung, um die Druckluft durch die Einstellungseinheit dazu zu bringen, in der zweiten Druckluftleitung eine geringere Strömungsfähigkeit anzunehmen, und um die Druckluft dazu zu bringen, in der ersten Druckluftleitung eine höhere Strömungsfähigkeit anzunehmen, um die zweite Druckluftleitung zu schließen.
Die Variation der Menge der einer Verbrennungskammer zuzuführenden Druckluft kann folglich unterdrückt werden, wenn ein Umlaufweg der Druckluft der Gasturbine und der Brennstoffzelle blockiert wird.
Vorteilhafterweise umfasst in dem Stromerzeugungssystem die Detektionseinheit eine erste Druckdetektionseinheit, die einen Druck der Druckluft, die in der ersten Druckluftleitung strömt, ermittelt, und eine zweite Druckdetektionseinheit, die einen Druck der Druckluft, die in der Druckluft-Umlaufleitung strömt, ermittelt, und die die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle auf Basis eines Ergebnisses, das in der ersten Druckdetektionseinheit ermittelt wurde, und eines Ergebnisses, das in der zweiten Druckdetektionseinheit ermittelt wurde, feststellt.
Die Strömungsfähigkeit der Druckluft kann deshalb mittels eines einfachen Detektionsmechanismus festgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betrieb eines Stromerzeugungssystems einschließlich einer Brennstoffzelle, einer Gasturbine mit einem Kompressor und einer Brennkammer, einer ersten Druckluftleitung, die Druckluft vom Kompressor zu der Brennkammer befördert, einer zweiten Druckluftleitung, die Druckluft vom Kompressor zu der Brennstoffzelle befördert, und einer Druckluft-Umlaufleitung, die Abluft von der Brennstoffzelle zu der Brennkammer befördert, Folgendes: Feststellen der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle; und Einstellen des Verhältnisses zwischen der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung und der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung durch die Einstellungseinheit auf Basis der Variation der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle gemäß Feststellung in der Detektionseinheit.
Das Verhältnis zwischen der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung und der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung wird auf Basis der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle eingestellt, wobei die Variation der der Brennstoffzelle zuzuführenden Druckluft infolge des Einflusses der Variation der Brennstoffzelle unterdrückt werden kann. Dementsprechend kann der Druck der der Brennstoffzelle zuzuführenden Druckluft stabilisiert werden.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß dem Stromerzeugungssystem und dem Verfahren zum Betrieb eines Stromerzeugungssystems der vorliegenden Erfindung wird das Verhältnis zwischen der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung und der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung auf Basis der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle eingestellt, wobei die Variation des Drucks der der Brennstoffzelle zuzuführenden Druckluft unterdrückt werden kann. Dementsprechend kann der Druck der der Brennstoffzelle zuzuführenden Druckluft stabilisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, in dem ein Stromerzeugungssystem des vorliegenden Ausführungsbeispiels dargestellt ist.
2 ist ein schematisches Diagramm, in dem eine Gasturbine, eine SOFC und ein Rohrsystem in einem Stromerzeugungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt sind.
3 ist ein Flussdiagramm, in dem ein Beispiel einer Betriebsausführung des Stromerzeugungssystems der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
4 ist ein Flussdiagramm, in dem ein Beispiel der Betriebsausführung des Stromerzeugungssystems des vorliegenden Ausführungsbeispiels dargestellt ist.
5 ist ein schematisches Diagramm, in dem ein weiteres Beispiel einer Gasturbine, einer SOFC und eines Rohrsystems dargestellt ist.
6 ist ein Flussdiagramm, in dem ein Beispiel einer Betriebsausführung eines Stromerzeugungssystems dargestellt ist.
7 ist ein schematisches Diagramm, in dem ein weiteres Beispiel einer Gasturbine, einer SOFC und eines Rohrsystems dargestellt ist.
8 ist ein Flussdiagramm, in dem ein Beispiel einer Betriebsausführung eines Stromerzeugungssystems dargestellt ist.
9 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, in dem ein weiteres Beispiel einer ersten Druckluftleitung dargestellt ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele eines Stromerzeugungssystems und eines Verfahrens zur Herstellung eines Stromerzeugungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Dabei ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist und auch solche einschließt, die aus kombinierten Ausführungsbeispielen konfiguriert sind, wenn eine Mehrzahl von Ausführungsbeispielen gegeben ist.
Ausführungsbeispiele
Ein Stromerzeugungssystem des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist ein „Triple Combined Cycle” (eingetragenes Warenzeichen), bei dem es sich um eine Kombination aus einer Festoxid-Brennstoffzelle (im weiteren als SOFC bezeichnet), einer Gasturbine und eine Dampfturbine handelt. Der kombinierte Dreifachzyklus kann Strom in drei Stufen der SOFC, der Gasturbine und der Dampfturbine erzeugen, indem die SOFC an einer stromaufwärtigen Seite der Gas-/Dampfturbinen-Stromerzeugung (GTCC) installiert wird und damit eine extrem hohe Stromerzeugungseffizienz zu erreichen vermag. Zu beachten ist, dass in der nachstehenden Beschreibung eine Festoxid-Brennstoffzelle als Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung angewendet und beschrieben wird. Jedoch ist die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung nicht auf die Brennstoffzelle dieser Form beschränkt.
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, in dem ein Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß Darstellung in 1 umfasst ein Stromerzeugungssystem 10 eine Gasturbine 11, einen Generator 12, eine SOFC 13, eine Dampfturbine 14 und einen Generator 15. Das Stromerzeugungssystem 10 ist dazu konfiguriert, eine hohe Stromerzeugungseffizienz zu erzielen, indem die Stromerzeugung durch die Gasturbine 11, die Stromerzeugung durch die SOFC 13 und die Stromerzeugung der Dampfturbine 14 kombiniert werden. Ferner umfasst das Stromerzeugungssystem 10 eine Steuerungsvorrichtung 62. Die Steuerungsvorrichtung 62 steuert den Betrieb von Einheiten des Stromerzeugungssystems 10 auf Basis eingegebener Einstellungen, einer eingegebenen Anleitung, eines in einer Detektionseinheit festgestellten Ergebnisses usw..
Die Gasturbine 11 umfasst einen Kompressor 21, eine Brennkammer 22 und eine Turbine 23, und der Kompressor 21 und die Turbine 23 sind rotationsfähig integriert mit einer Rotationsachse 24 gekoppelt. Der Kompressor 21 komprimiert die von einer Luftansaugleitung 25 eingeführte Luft A. Die Brennkammer 22 mischt und verbrennt die von dem Kompressor 21 durch eine erste Druckluftleitung 26 zugeführte Druckluft A1 und ein durch eine erste Brenngas-Zufuhrleitung 27 zugeführtes Brenngas L1. Die Turbine 23 wird durch ein von der Brennkammer 22 über eine Rauchgas-Zufuhrleitung 28 zugeführtes Verbrennungsgas G1 in Rotation versetzt. Zu beachten ist, dass die im Kompressor 21 komprimierte Druckluft A1 der Turbine 23 über ein – nicht dargestelltes – Gehäuse zugeführt wird und die Turbine 23 eine Schaufel und so weiter mithilfe der Druckluft A1 als Kühlluft kühlt. Der Generator 12 ist auf derselben Achse wie die Turbine 23 vorgesehen und kann durch die Rotation der Turbine 23 Strom erzeugen. Zu beachten ist, dass hier ein Flüssigerdgas (LNG) als Brenngas L1 verwendet wird, das der Brennkammer 22 zugeführt wird.
Die SOFC 13 reagiert und erzeugt Strom bei einer festgelegten Betriebstemperatur durch Zuführung eines Hochtemperatur-Brenngases als Reduktionsmittel und von Hochtemperatur-Luft (Oxidations-Gas) als Oxidationsmittel. Die SOFC 13 ist so konfiguriert, dass eine Kathode, ein Festelektrolyt und eine Anode in einem Druckbehälter untergebracht sind. Die SOFC 13 erzeugt den Strom durch Zuführung eines Teils der im Kompressor 21 komprimierten Druckluft A2 zu der Kathode und eines Brenngases L2 zu der Anode. Zu beachten ist, dass hier als das der SOFC 13 zugeführte Brenngas L2 ein Flüssigerdgas (LNG), Wasserstoff (H₂), ein Kohlenwasserstoffgas wie etwa Kohlenmonoxid (CO) oder Methan (CH₄), beispielsweise ein in einer Vergasungsanlage für ein kohlenstoffhaltiges Material wie Kohle erzeugtes Gas, verwendet wird. Ferner ist das der SOFC 13 zugeführte Oxidationsgas ein Gas, das annähernd 15% bis 30% Sauerstoff enthält, wofür typischerweise Luft bevorzugt ist. Allerdings können neben Luft auch ein Gasgemisch aus einem Verbrennungs-Rauchgas und Luft, ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Luft oder dergleichen verwendet werden (nachstehend wird das der SOFC 13 zugeführte Oxidationsgas als Luft bezeichnet).
Eine zweite Druckluftleitung 31, die von der ersten Druckluftleitung 26 abzweigt, ist mit der SOFC 13 gekoppelt, und ein Teil A2 der Druckluft, die im Kompressor 21 komprimiert wird, kann einem Einführungsteil der Kathode zugeführt werden. Die zweite Druckluftleitung 31 umfasst ein Steuerventil 32, das die zuzuführende Luftmenge einstellen kann, und ein Gebläse (Verstärker) 33, das den Druck der Druckluft A2 in eine Strömungsrichtung der Druckluft A2 erhöhen kann. Das Steuerventil 32 ist an einer stromaufwärtigen Seite der Strömungsrichtung der Druckluft A2 vorgesehen, und das Gebläse 33 ist an einer stromabwärtigen Seite des Steuerventils 32 in der zweiten Druckluftleitung 31 vorgesehen. Eine Abluftleitung 34, die Druckluft A3 (Abluft), die in der Kathode benutzt wurde, abführt, ist mit der SOFC 13 gekoppelt. Die Abluftleitung 34 zweigt in eine Ablassleitung 35 ab, die die in der Kathode benützte Druckluft A3 zu einer Außenseite abführt, und eine Druckluft-Umlaufleitung 36, die mit der Brennkammer 22 gekoppelt ist. Die Ablassleitung 35 umfasst ein Steuerventil 37, mit dem die abzuführende Luftmenge eingestellt werden kann, und die Druckluft-Umlaufleitung 36 umfasst ein Steuerventil 38, mit dem die Menge der Umluft eingestellt werden kann.
Die SOFC 13 umfasst ferner eine zweite Brenngas-Zufuhrleitung 41, die das Brenngas L2 einem Einleitungsteil der Anode zuführt. Die zweite Brenngas-Zufuhrleitung 41 umfasst ein Steuerventil 42, mit dem die Menge des zuzuführenden Brenngases eingestellt werden kann. Eine Abgasleitung 43, mit der ein in der Anode benütztes Abgas L3 abgeführt wird, ist mit der SOFC 13 gekoppelt. Die Abgasleitung 43 zweigt in eine Ablassleitung 44 ein, über die das Abgas L3 zu einer Außenseite abgeführt wird, und eine mit der Brennkammer 22 gekoppelte Abgas-Zufuhrleitung 45. Die Ablassleitung 44 umfasst ein Steuerventil 46, das die abzuführende Brenngasmenge einstellen kann, und die Abgas-Zufuhrleitung 45 umfasst ein Steuerventil 47, das die zuzuführende Brenngasmenge einstellen kann, und ein Gebläse 48, das den Druck des Abgases L3 in Strömungsrichtung des Abgases L3 verstärken kann. Das Steuerventil 47 ist an einer stromaufwärtigen Seite der Strömungsrichtung des Abgases L3 angeordnet, und das Gebläse 48 ist an einer stromabwärtigen Seite des Steuerventils 47 in der Abgas-Zufuhrleitung 45 angeordnet.
Ferner ist eine Brenngas-Rücklaufleitung 49, die die Abgasleitung 43 und die zweite Brenngas-Zufuhrleitung 41 koppelt, in der SOFC 13 vorgesehen. Die Brenngas-Rücklaufleitung 49 umfasst ein Umluftgebläse 50, das dem Abgas L3 in der Abgasleitung 43 den Rücklauf in die zweite Brenngas-Zufuhrleitung 41 ermöglicht.
In der Dampfturbine 14 wird eine Turbine 52 von Dampf, der in einem Abwärmerückgewinnungskessel (HRSG) 51 erzeugt wird, in Rotation versetzt. Eine Dampfleitung 54 und eine Speisewasserleitung 55 sind zwischen der Dampfturbine 14 (Turbine 52) und dem Abwärmerückgewinnungskessel 51 angeordnet. Die Speisewasserleitung 55 umfasst einen Kondensator 56 und eine Speisewasserpumpe 57. Eine Rauchgasleitung 53 von der Gasturbine 11 (Turbine 23) ist mit dem Abwärmerückgewinnungskessel 51 gekoppelt, und der Abwärmerückgewinnungskessel 51 führt zwischen einem über die Rauchgasleitung 53 zugeführten Hochtemperatur-Rauchgas G2 und einem über die Speisewasserleitung 55 zugeführten Wasser einen Wärmeaustausch durch, um den Dampf S zu erzeugen. Der Generator 15 ist auf derselben Achse wie die Turbine 52 vorgesehen und kann durch Rotation der Turbine 52 Strom erzeugen. Dabei ist zu beachten, dass das Rauchgas G2, von dem die Hitze im Abwärmerückgewinnungskessel 51 zurückgewonnen wird, in die Luft abgegeben wird, nachdem Schadstoffe entfernt wurden.
Nachstehend wird ein Betrieb des Stromerzeugungssystems 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels beschrieben. Wenn das Stromerzeugungssystem 10 gestartet wird, werden die Gasturbine 11, die Dampfturbine 14 und die SOFC 13 in der Reihenfolge der Beschreibung gestartet.
Zunächst komprimiert der Kompressor 21 in der Gasturbine 11 die Luft A, die Brennkammer 22 mischt und verbrennt die Druckluft A1 und das Brenngas L1, und der Generator 12 beginnt die Erzeugung des Stroms durch Rotation der Turbine 23 mittels Verbrennungsgas G1. Als nächstes wird die Turbine 52 in der Dampfturbine 14 durch den Dampf S, der vom Abwärmerückgewinnungskessel 51 erzeugt wird, in Rotation versetzt, und der Generator 15 beginnt entsprechend mit der Erzeugung des Stroms.
Im Anschluss daran wird die Druckluft A2, um die SOFC 13 zu starten, vom Kompressor 21 zugeführt, und die Druckbeaufschlagung der SOFC 13 und die Erhitzung werden gestartet. Das Steuerventil 32 wird in einem Zustand, in dem das Steuerventil 37 der Ablassleitung 35 und das Steuerventil 38 der Druckluft-Umlaufleitung 36 geschlossen sind, in einem festgelegten Ausmaß geöffnet, und das Gebläse 33 der zweiten Druckluftleitung 31 wird angehalten. Dann wird ein Teil A2 der Druckluft, die im Kompressor 21 komprimiert wurde, über die zweite Druckluftleitung 31 zur Seite der SOFC 13 befördert. Entsprechend wird der Druck auf der Kathodenseite der SOFC 13 von der zugeführten Druckluft A2 verstärkt.
Inzwischen wird das Brenngas L2 zugeführt, und die Druckbeaufschlagung beginnt an der Anodenseite der SOFC 13. Das Steuerventil 42 der zweiten Brenngas-Zufuhrleitung 41 wird geöffnet, und das Umluftgebläse 50 der Brenngas-Rücklaufleitung 49 wird in einem Zustand betrieben, in dem das Steuerventil 46 der Ablassleitung 44 und das Steuerventil 47 der Abgaszufuhrleitung 45 geschlossen sind, und das Gebläse 48 wird angehalten. Dann wird das Brenngas L2 über die zweite Brenngas-Zufuhrleitung 41 zu der SOFC 13 befördert, und das Abgas L3 wird in die Brenngas-Rücklaufleitung 49 zurückgeführt. Dementsprechend wird der Druck an der Anodenseite der SOFC 13 durch das zugeführte Brenngas L2 verstärkt.
Wenn der Druck an der Kathodenseite der SOFC 13 dann gleich einem Ausgangsdruck des Kompressors 21 wird, wird das Steuerventil 32 vollständig geöffnet, und das Gebläse 33 wird angetrieben. Gleichzeitig wird das Steuerventil 37 geöffnet und die Druckluft A3 von der SOFC 13 wird über die Ablassleitung 35 abgelassen. Dann wird die Druckluft A2 vom Gebläse 33 der Seite der SOFC zugeführt. Gleichzeitig wird das Steuerventil 46 geöffnet und das Abgas L3 von der SOFC 13 wird über die Ablassleitung 44 abgelassen. Wenn dann der Druck an der Kathodenseite und der Druck an der Anodenseite in der SOFC 13 einen Zieldruck erreichen, ist die Druckbeaufschlagung der SOFC 13 abgeschlossen.
Wenn danach eine Reaktion (Stromerzeugung) der SOFC 13 stabilisiert ist und die Druckluft A3 und die Komponenten des Abgases L3 stabilisiert sind, wird das Steuerventil 38 geöffnet, während das Steuerventil 37 geschlossen ist. Dann wird die Druckluft A3 von der SOFC 13 durch die Druckluft-Umlaufleitung 36 in die Brennkammer 22 zugeführt. Ferner wird das Steuerventil 47 geöffnet, und das Gebläse 48 wird angetrieben, während das Steuerventil 46 geschlossen ist. Dann wird das Abgas L3 von der SOFC 13 durch die Abgas-Zufuhrleitung 45 in die Brennkammer 22 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Menge des durch die erste Brenngas-Zufuhrleitung 27 der Brennkammer 22 zugeführten Brenngases L1 verringert.
Hier werden die Stromerzeugung im Generator 12 durch Betreiben der Gasturbine 11, die Stromerzeugung in der SOFC 13 und die Stromerzeugung im Generator 15 durch Betreiben der Dampfturbine 14 durchgeführt, wobei das Stromerzeugungssystem 10 kontinuierlich betrieben wird.
2 ist ein schematisches Diagramm, in dem die Gasturbine, die SOFC und das Rohrsystem im Stromerzeugungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt sind. Übrigens wird in einem typischen Stromerzeugungssystem die vom Kompressor 21 abgegebene Druckluft sowohl der SOFC 13 als auch der Brennkammer 22 zugeführt. Auch wird die vom Kompressor 21 abgegebene Druckluft der Turbine 23 unter Verwendung einer Kühlluft-Zufuhrleitung 72 zugeführt und wird auch als Luft zur Kühlung der Turbine 23 verwendet.
In dem Stromerzeugungssystem variiert die Strömungsfähigkeit der Luft in der SOFC 13 aus unterschiedlichen Gründen, beispielsweise der Variation eines Antriebszustands zwischen der Brennstoffzelle und der Gasturbine. Wenn die Strömungsfähigkeit der Luft in der SOFC 13 variiert, variiert das Verhältnis zwischen einem Teil A2 der Druckluft, die der SOFC 13 zuzuführen ist, und einem Teil A1 der Druckluft, die der Brennkammer 22 zuzuführen ist, der vom Kompressor 21 abgegebenen Druckluft, und der Druck der der SOFC 13 zuzuführenden Druckluft A2 variiert.
Deshalb sind im Stromerzeugungssystem 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels gemäß Darstellung in 2 das Steuerventil 37, das die Strömungsfähigkeit der Druckluft A2 in der zweiten Druckluftleitung 31 einstellt, ein Umgehungs-Steuerventil (Steuerventil) 70, das die Strömungsfähigkeit der Druckluft A1 in der ersten Druckluftleitung 26 einstellt, und die Druckdetektionseinheiten 80, 82, 84 und 86 vorgesehen. Die Druckdetektionseinheiten 80, 82, 84 und 86 dienen als Detektionseinheiten, die die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der SOFC 13 des vorliegenden Ausführungsbeispiels feststellen. Eine Steuerungsvorrichtung (Steuerungseinheit) 62 des Stromerzeugungssystems 10 steuert das Steuerventil 37 und das Umgehungs-Steuerventil 70 auf Basis von Detektionsergebnissen der Druckdetektionseinheiten 80, 82, 84 und 86.
Das Stromerzeugungssystem 10 ermittelt die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der SOFC 13 auf Basis einer Differenz zwischen dem Druck der Druckluft A2, der von der Druckdetektionseinheit 82 festgestellt wird, und dem Druck der Druckluft A3, der von der Druckdetektionseinheit 84 festgestellt wird, und steuert die Öffnungsgrade des Steuerventils 37 und des Umgehungs-Steuerventils 70 auf der Grundlage der Detektionsergebnisse. Anhand der Steuerung kann das Stromerzeugungssystem 10 das Verhältnis zwischen der Strömungsfähigkeit der Druckluft A1 in der ersten Druckluftleitung 26 und der Strömungsfähigkeit der Druckluft A2 in der zweiten Druckluftleitung 31 einstellen. Demgemäß kann das Stromerzeugungssystem 10 den Druck der Druckluft A2, die der SOFC 13 zugeführt werden soll, stabilisieren.
Wie insbesondere in 2 dargestellt, ist das Umgehungs-Steuerventil 70 an der ersten Druckluftleitung 26 installiert. Das Umgehungs-Steuerventil 70 schaltet die Zirkulation der Druckluft A1 zur ersten Druckluftleitung 26, indem es auf offen/geschlossen schaltet, und steuert die Strömungsfähigkeit und die Durchflussrate der Druckluft A1, die in der ersten Druckluftleitung 26 strömt, und eine Druckdifferenz zwischen einer Strömung strömungsaufwärts und strömungsabwärts des Umgehungs-Steuerventils 70 durch Einstellung des Öffnungsgrades. Wie oben beschrieben, ist das Steuerventil 37 an der zweiten Druckluftleitung 31 installiert und kann eine Einstellung mit Bezug auf die zweite Druckleitung 31 vornehmen, die jener des Umgehungs-Steuerventils 70 entspricht, indem die Positionen offen/geschlossen sowie der Öffnungsgrad eingestellt werden.
Die Druckdetektionseinheit 80 ist an einer Leitung vorgesehen, durch die die Druckluft vom Kompressor 21 abgegeben wird. Insbesondere ist die Druckdetektionseinheit 80 an einer Leitung vorgesehen, bevor diese in die erste Druckluftleitung 26 und die zweite Druckluftleitung 31 abzweigt. Die Druckdetektionseinheit 80 stellt den Druck der vom Kompressor 21 abzugebenden Druckluft fest. Die Druckdetektionseinheit 82 ist an einer stromabwärtigen Seite des Steuerventils 37 der zweiten Druckluftleitung 31 und an einer stromaufwärtigen Seite der SOFC 13 angeordnet. Die Druckdetektionseinheit 82 stellt den Druck der der SOFC 13 zuzuführenden Druckluft A2 fest. Die Druckdetektionseinheit 84 ist an einer stromabwärtigen Seite der SOFC 13 der Druckluft-Umlaufleitung 36 und an einer stromaufwärtigen Seite des Steuerventils 38 angeordnet. Die Druckdetektionseinheit 84 stellt den Druck der von der SOFC 13 abgegebenen Druckluft A3 fest. Die Druckdetektionseinheit 86 ist an einer stromabwärtigen Seite des Umgehungs-Steuerventils 70 der ersten Druckluftleitung 26 und an einer stromaufwärtigen Seite eines angekoppelten Abschnitts der Druckluft-Umlaufleitung 36 angeordnet. Die Druckdetektionseinheit 86 stellt den Druck der Druckluft A1 fest, die das Umgehungs-Steuerventil 70 passiert hat.
Die Steuerungsvorrichtung 62 kann den Öffnungsgrad wenigstens des Steuerventils 37 und/oder des Umgehungs-Steuerventils 70 einstellen. Deshalb kann die Steuerungsvorrichtung 62 die Strömungsfähigkeit der Druckluft in wenigstens der ersten Druckluftleitung 26 und/oder der zweiten Druckluftleitung 31 einstellen. Entsprechend kann die Steuerungsvorrichtung 62 das Verhältnis zwischen der Strömungsfähigkeit der Druckluft A1 in der ersten Druckluftleitung 26 und der Strömungsfähigkeit der Druckluft A2 in der zweiten Druckluftleitung 31 einstellen.
Nachstehend wird ein Verfahren zum Betrieb des Stromerzeugungssystems 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. 3 ist ein Flussdiagramm, in dem ein Beispiel einer Betriebsausführung des Stromerzeugungssystems des vorliegenden Ausführungsbeispiels dargestellt ist. Die in 3 dargestellte Betriebsausführung kann durch die Ausführung einer arithmetischen Verarbeitung durch die Steuerungsvorrichtung (Steuerungseinheit) 62 auf Basis von Detektionsergebnissen der entsprechenden Einheiten realisiert werden. Dabei ist zu beachten, dass die Steuerungsvorrichtung 62 die in 3 dargestellten Prozessschritte wiederholt ausführt.
Zunächst stellt die Steuerungsvorrichtung 62 die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der SOFC 13 fest (Schritt S12). Insbesondere stellt die Steuerungsvorrichtung 62 einen Druckverlust in der SOFC 13 fest, mindestens basierend auf Detektionsergebnissen der Druckdetektionseinheit 82 und der Druckdetektionseinheit 84, und stellt die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der SOFC 13 fest, basierend auf einem dieser Ergebnisse. Insbesondere berücksichtigt die Steuerungsvorrichtung 62 die Ergebnisse der Druckdetektionseinheit 80 und der Druckdetektionseinheit 84 und führt die Berechnung unter Anwendung des Druckverhältnisses in einer Leitung auf einer Luftseite des Stromerzeugungssystems 10, der Durchgangswiderstände der entsprechenden Einheiten usw. durch, um damit die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der SOFC 13 zu ermitteln.
Nach Ermittlung der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der SOFC 13 bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62, ob eine Variation der Strömungsfähigkeit vorliegt (Schritt S14). Wenn beispielsweise eine Differenz zwischen der Strömungsfähigkeit und der Strömungsfähigkeit der vorhergehenden Einstellung einen bestimmten Schwellwert überschreitet, stellt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Variation fest. Wenn festgestellt wird, dass keine Variation vorliegt („nein” in Schritt S14), beendet die Steuerungsvorrichtung 62 den aktuellen Prozess.
Wenn festgestellt wird, dass eine Variation vorliegt („ja” in Schritt S14), führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zur Änderung des Öffnungsgrades des Umgehungs-Steuerventils 70 durch (Schritt S16) und beendet den aktuellen Prozess. Wenn festgestellt wurde, dass die Druckluft in der SOFC 13 an Strömungsfähigkeit gewinnt, führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zur Verringerung des Öffnungsgrads des Umgehungs-Steuerventils 70 durch, und wenn festgestellt wurde, dass die Druckluft in der SOFC 13 an Strömungsfähigkeit verliert, führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zur Steigerung des Öffnungsgrads des Umgebungs-Steuerventils 70 durch. Wie oben beschrieben, kann das Stromerzeugungssystem 10 die Druckvariation der Druckluft A2, die der SOFC 13 zuzuführen ist, unterdrücken und die Druckvariation an der Kathodenseite der SOFC 13 unterdrücken, indem es den Öffnungsgrad des Umgehungs-Steuerventils 70 auf Basis der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der SOFC 13 einstellt. Aus diesem Grund kann das Stromerzeugungssystem 10 das Druckverhältnis zwischen der Kathode und der Anode der SOFC 13 konstant halten.
Wenn ferner das Verhältnis des Drucks im Stromerzeugungssystem 10 variiert, kann die Menge oder der Druck der der Brennkammer 22 zuzuführenden Druckluft variieren. Wenn die der Brennkammer 22 zuzuführende Druckluft variiert, wird die Verbrennung des Brenngases in der Brennkammer 22 instabil. Das Stromerzeugungssystem 10 kann die Variation des Verhältnisses zwischen der Druckluft A2, die der SOFC 13 zuzuführen ist, und der Druckluft A1, die dem Brennstoffbehälter 22 zuzuführen ist, durch Einstellen des Öffnungsgrads des Umgehungs-Steuerventils 70 in Entsprechung zur Variation der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der SOFC 13 unterdrücken. Dementsprechend kann das Stromerzeugungssystem 10 auch die Variation der Menge und des Drucks der Druckluft A1, die der Brennkammer 22 zuzuführen ist, unterdrücken.
Anschließend wird ein weiteres Beispiel des Verfahrens zum Betrieb des Stromerzeugungssystems 10 unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. 4 ist ein Flussdiagramm, in dem ein weiteres Beispiel der Betriebsausführung des Stromerzeugungssystems des vorliegenden Ausführungsbeispiels dargestellt ist. Die in 4 dargestellte Betriebsausführung kann durch Ausführung einer arithmetischen Verarbeitung durch die Steuerungsvorrichtung (Steuerungseinheit) 62 auf Basis der Detektionsergebnisse der entsprechenden Einheiten durchgeführt werden. Die Steuerungsvorrichtung (Steuerungseinheit) 62 führt die in 4 dargestellten Prozesse aus, wenn sie eine Anomalie in der SOFC 13 oder der Gasturbine 11 feststellt und unterbricht die Zirkulation des Abgases und der Druckluft zwischen der SOFC 13 und der Gasturbine 11.
Wenn eine Anomalie in der SOFC 13 oder der Gasturbine 11 festgestellt worden ist (Schritt S20) führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zur Verringerung der Öffnungsgrade des Steuerventils 32 der zweiten Druckluftleitung 31 und des Steuerventils 38 der Druckluft-Umlaufleitung 36 durch (Schritt S22) und führt eine Steuerung zur Vergrößerung des Öffnungsgrads des Umgehungs-Steuerventils 70 durch (Schritt S24) durch. Als nächstes stellt die Steuerungsvorrichtung 62 fest, ob das Schließen des Steuerventils 32 der zweiten Druckluftleitung 31 und des Steuerventils 38 der Druckluft-Umlaufleitung 36 abgeschlossen ist (Schritt S26). Wenn festgestellt wurde, dass das Schließen nicht abgeschlossen wurde („nein” bei Schritt S26), kehrt die Steuerungsvorrichtung 62 zu Schritt S22 zurück, und wenn festgestellt wurde, dass das Schließen abgeschlossen wurde („ja” bei Schritt S26), beendet die Steuerungsvorrichtung 62 den aktuellen Prozess.
Wenn, wie oben beschrieben, in der SOFC 13 oder der Gasturbine 11 eine Anomalie auftritt, schließt das Stromerzeugungssystem 10 das Steuerventil 32 der zweiten Druckluftleitung 31 und das Steuerventil 38 der Druckluft-Umlaufleitung 36 und unterbricht die Zuführung der Druckluft A2 zu der SOFC 13 und das Ablassen der Druckluft (Abluft) A3 aus der SOFC 13. Folglich kann das Stromerzeugungssystem 10 die SOFC 13 von der Gasturbine 11 isolieren und die Druckvariation an der Kathodenseite der SOFC 13 unterdrücken. Deshalb kann das Stromerzeugungssystem 10 das Druckverhältnis zwischen der Kathode und der Anode der SOFC 13 konstant halten.
Das Stromerzeugungssystem 10 stellt den Druck der Leitungen mit den Druckdetektionseinheiten fest und ermittelt die Strömungsfähigkeit der Druckluft auf Basis der festgestellten Drücke (der Druckdifferenz). Das Ausführungsbeispiel ist jedoch nicht darauf beschränkt.
5 ist ein schematisches Diagramm, in dem ein weiteres Beispiel einer Gasturbine, einer SOFC und eines Rohrsystems dargestellt ist. In einem Stromerzeugungssystem 10a, das in 5 dargestellt ist, umfasst eine SOFC 113 eine Mehrzahl von Einheits-SOFC-Einheiten 120. Die Mehrzahl von Einheits-SOFC-Einheiten 120 ist parallel angeordnet. Jede der Mehrzahl von Einheits-SOFC-Einheiten 120 wird über eine zweite Druckluftleitung 31 mit Druckluft A2 versorgt, und Druckluft A3 wird in eine Druckluft-Umlaufleitung 36 abgelassen.
Die Einheits-SOFC-Einheit 120 umfasst ein stromaufwärtig angeordnetes Abzweigrohr 121, eine Einheits-SOFC 122, ein stromabwärtiges Abzweigrohr 124 und die Steuerventile 126 und 128. Ein Endabschnitt des stromaufwärtigen Abzweigrohrs 121 ist mit der zweiten Druckluftleitung 31 verbunden, und der andere Endabschnitt ist mit der Einheits-SOFC 122 verbunden. Die Einheits-SOFC 122 hat eine ähnliche Konfiguration wie die oben beschriebene SOFC 13. Die Einheits-SOFC 122 reagiert bei einer festgelegten Betriebstemperatur und erzeugt Strom durch ein Hochtemperatur-Brenngas als Reduktionsmittel und Hochtemperatur-Luft (Oxidations-Gas) als zugeführtes Oxidationsmittel. Die Einheits-SOFC 122 ist so konfiguriert, dass eine Kathode, ein Festelektrolyt und eine Anode in einem Druckbehälter untergebracht sind. Die Druckluft A2 wird durch das stromaufwärtige Abzweigrohr 121 der Einheits-SOFC 122 zugeführt. Ein Endabschnitt des stromabwärtigen Abzweigrohrs 124 ist mit der Einheits-SOFC 122 verbunden, und der andere Endabschnitt ist mit der Druckluft-Umlaufleitung 36 verbunden. In der Einheits-SOFC-Einheit 120 geht die Druckluft A2 durch das stromaufwärtige Abzweigrohr 121 durch die zweite Druckluftleitung 31 und wird der Einheits-SOFC 122 zugeführt. Im Weiteren passiert die Druckluft A3 in der Einheits-SOFC-Einheit 120 das stromabwärtige Abzweigrohr 124 von der Einheits-SOFC 122 und wird in die Druckluft-Umlaufleitung 36 abgelassen.
Das Steuerventil 126 ist am stromaufwärtigen Abzweigrohr 121 angeordnet. So wie bei den oben beschriebenen Steuerventilen stellt das Steuerventil 126 die Druckluft A2, die in das stromaufwärtige Abzweigrohr 121 strömt, per offenem/geschlossenem Zustand und Öffnungsgrad ein. Das Steuerventil 128 ist am stromabwärtigen Abzweigrohr 124 angeordnet. Wie bei den oben beschriebenen Steuerventilen stellt das Steuerventil 128 die in das stromabwärtige Abzweigrohr 124 strömende Druckluft A3 durch Einstellung der Zustände offen/geschlossen und des Öffnungsgrads ein.
Die Einheits-SOFC-Einheit 120 weist die obenstehende Konfiguration auf, und das Stromerzeugungssystem 10a kann eine Einheits-SOFC Einheit 120 von der Leitung isolieren, in der die Druckluft strömt, indem es die Steuerventile 126 und 128 schließt. Dementsprechend kann in der SOFC 113 für jede Einheits-SOFC Einheit 120 auf Betrieb und Stopp geschaltet werden, und die Wartung und Ersetzung nur einer Einheits-SOFC-Einheit 120 kann vorgenommen werden, während in anderen Einheits-SOFC-Einheiten 120 eine Stromerzeugung ausgeführt wird.
Eine Steuerungsvorrichtung 62 kann Informationen über die Anzahl der im Betrieb befindlichen oder angehaltenen Einheits-SOFC-Einheiten 120 (Einheits-SOFCs 122) und über Start- und Stopp-Schaltungen der Einheits-SOFC-Einheiten 120 als Informationen über die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der SOFC 113 erwerben und das Umgehungs-Steuerventil 70 steuern.
Nachstehend wird ein Beispiel einer Betriebsausführung des Stromerzeugungssystems 10a des oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. 6 ist ein Flussdiagramm, in dem ein Beispiel einer Betriebsausführung des Stromerzeugungssystems 10a dargestellt ist. Die Steuerungsvorrichtung 62 stellt fest, ob eine Einheits-SOFC 122 anzuhalten ist (Schritt S40). Wenn festgestellt wurde, dass eine Einheits-SOFC 122 anzuhalten ist („ja” in Schritt S40), führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zur Steigerung des Öffnungsgrads des Umgehungs-Steuerventils 70 durch (Schritt S42). Dementsprechend wird die Einheits-SOFC-Einheit 120 angehalten, so dass die in der SOFC 113 nicht benützte Druckluft A2 der Seite der Brennkammer 22 zugeführt werden kann. Auch wenn die Einheits-SOFC 122 angehalten ist, kann demnach das Stromerzeugungssystem 10a die Druckvariation der Druckluft A2, die der Einheits-SOFC 122 zuzuführen ist, unterdrücken und die Druckvariation auf der Kathodenseite der Einheits-SOFC 122 unterdrücken.
Wenn festgestellt wurde, dass keine Einheits-SOFC 122 anzuhalten ist („nein” bei Schritt S40) oder wenn der Öffnungsgrad des Umgehungs-Steuerventils in Schritt S42 eingestellt worden ist, bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62, ob eine Einheits-SOFC 122 gestartet werden soll (Schritt S44). Wenn festgestellt wurde, dass eine Einheits-SOFC 122 zu starten ist („ja” bei Schritt S44), führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zur Verringerung des Öffnungsgrads des Umgehungs-Steuerventils 70 durch (Schritt S46). Auch wenn die Einheits-SOFC 122 neu gestartet wird, kann demnach das Stromerzeugungssystem 10a die Druckvariation der Druckluft A2, die den anderen laufenden Einheits-SOFCs 122 zuzuführen ist, unterdrücken und die Druckvariation auf der Kathodenseite der Einheits-SOFCs 122 unterdrücken. Deshalb kann das Stromerzeugungssystem 10a das Druckverhältnis zwischen der Kathode und der Anode der Einheits-SOFCs 122 konstant halten.
Wenn festgestellt wurde, dass keine zu startende Einheits-SOFC 122 vorhanden ist („nein” bei Schritt S44), oder wenn der Öffnungsgrad des Umgehungs-Steuerventils bei Schritt S46 eingestellt wurde, beendet die Steuerungsvorrichtung 62 den aktuellen Prozess.
Wie oben beschrieben, kann das Stromerzeugungssystem 10a die Variation des Drucks der Druckluft A2, die der SOFC 113 zuzuführen ist, durch Einstellen des Öffnungsgrads des Umgehungs-Steuerventils 70 je nach Start- und Stopp-Schaltung der Einheits-SOFC-Einheiten 120 unterdrücken. Ferner kann das Stromerzeugungssystem 10a das Umgehungs-Steuerventil 70 auf Basis eines Steuerungszustands der Einheits-SOFC-Einheiten 120 einstellen und somit eine Steuerung auf einfache Weise ausführen.
Zu beachten ist, dass in dem Ausführungsbeispiel der Öffnungsgrad des Umgehungs-Steuerventils 70 eingestellt wurde. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Das Stromerzeugungssystem kann das Verhältnis zwischen der Druckluft A2, die der SOFC 113 über die zweite Druckluftleitung 31 zuzuführen ist, und der Druckluft A1, die der Brennkammer 22 über die erste Druckluftleitung 26 zuzuführen ist, durch Einstellung des Öffnungsgrads des Steuerventils 37 der zweiten Druckluftleitung 31 auf Basis der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der SOFC 113 einstellen.
7 ist ein schematisches Diagramm, in dem ein weiteres Beispiel einer Gasturbine, einer SOFC und eines Rohrsystems dargestellt ist. Ein Stromerzeugungssystem 10b gemäß Darstellung in 7 weist eine ähnliche Konfiguration wie das Stromerzeugungssystem 10 gemäß Darstellung in 2 auf, ausgenommen dass ein Umgehungs-Steuerventil 70 an einer ersten Druckluftleitung 26 nicht vorgesehen ist. Zu beachten ist, dass das Stromerzeugungssystem 10b möglicherweise keine Druckdetektionseinheit 86 umfasst. Das Stromerzeugungssystem 10b stellt ein Verhältnis zwischen Druckluft A2, die einer SOFC 13 über eine zweite Druckluftleitung 31 zuzuführen ist, und Druckluft A1, die einer Brennkammer 22 über eine erste Druckluftleitung 26 zuzuführen ist, durch Einstellung eines Steuerventils 37 auf Basis der Strömungsfähigkeit von Druckluft in der SOFC 13 ein. Dementsprechend kann das Stromerzeugungssystem 10b das Verhältnis einstellen, ohne das Umgehungs-Steuerventil 70 zu umfassen.
8 ist ein Flussdiagramm, in dem ein Beispiel einer Betriebsausführung des Stromerzeugungssystems des Stromerzeugungssystems 10b des oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsbeispiels dargestellt ist. Zunächst stellt eine Steuerungsvorrichtung 62 eine Strömungsfähigkeit der Druckluft in der SOFC 13 fest (Schritt S50). Wenn die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der SOFC 13 festgestellt wurde, stellt die Steuerungsvorrichtung 62 fest, ob eine Variation der Strömungsfähigkeit vorliegt (Schritt S52). Nachdem festgestellt wurde, dass keine Variation vorliegt (”nein” bei Schritt S52), beendet die Steuerungsvorrichtung 62 den aktuellen Prozess.
Wenn festgestellt wurde, dass eine Variation gegeben ist („ja” bei Schritt S52), führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zur Änderung des Öffnungsgrads des Steuerventils 37 der zweiten Druckluftleitung 31 durch (Schritt S54) und beendet den aktuellen Prozess. Wenn festgestellt wurde, dass die Druckluft in der SOFC 13 eine höhere Strömungsfähigkeit erreicht, führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zur Verringerung des Öffnungsgrads des Steuerventils 37 durch, und wenn festgestellt wurde, dass die Druckluft in der SOFC 13 eine geringere Strömungsfähigkeit erreicht, führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zur Steigerung des Öffnungsgrads des Steuerventils 37 durch.
Wie oben beschrieben, kann das Stromerzeugungssystem 10b die Druckvariation der der SOFC 13 zuzuführenden Druckluft A2 unterdrücken und die Druckvariation auf einer Kathodenseite der SOFC 13 unterdrücken, indem es den Öffnungsgrad des Steuerventils 37 auf Basis der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der SOFC 13 einstellt. Deshalb kann das Stromerzeugungssystem 10b das Druckverhältnis zwischen einer Kathode und einer Anode der SOFC 13 konstant halten.
In sämtlichen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde die Strömungsfähigkeit der Luft in den entsprechenden Leitungen unter Verwendung von Steuerventilen mit einem einstellbaren Öffnungsgrad eingestellt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Das Prinzip und die Konfiguration des Stromerzeugungssystems sind nicht besonders eingeschränkt, solange das Stromerzeugungssystem einen Mechanismus (Einstellungseinheit) aufweist, der die Strömungsfähigkeit der Luft einstellen kann.
9 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, in dem ein weiteres Beispiel einer ersten Druckluftleitung dargestellt ist. Eine erste Druckluftleitung 26 gemäß Illustration in 9 umfasst als den Mechanismus (Einstellungseinheit), mit dem die Strömungsfähigkeit der Druckluft eingestellt werden kann, das Hauptrohr 150, eine Mehrzahl von Abzweigrohren 152 und eine Mehrzahl von Auf/Zu-Ventilen 154. Das Hauptrohr 150 ist in einem Teil der ersten Druckluftleitung 26 enthalten. Das Hauptrohr 150 sendet die von einem Kompressor 21 kommende Druckluft in eine Brennkammer 22. Die Abzweigrohre 152 sind Rohre, in denen ein Endabschnitt der Abzweigrohre 152 mit dem Hauptrohr 150 verbunden ist und die anderen Endabschnitt mit dem Hauptrohr 150 verbunden sind. D. h. die Abzweigrohre 152 sind Rohre, die das Hauptrohr 150 umgehen. Die Mehrzahl von Abzweigrohren 152 sind parallel angeordnet. Druckluft A1, die in der ersten Druckluftleitung 26 strömt, strömt zum Zeitpunkt der Zirkulation in dem mit den Abzweigrohren 152 umgangenen Bereich in das Hauptrohr 150 und in nur einem der Mehrzahl von Abzweigrohren 152. Ein Auf/Zu-Ventil 154 ist an jedem Abzweigrohr 152 vorgesehen. Die Auf/Zu-Ventile 154 stellen die installierten Abzweigrohre 152 auf die Zustände offen/geschlossen ein.
Die Einstellungseinheit gemäß Darstellung in 9 kann die Strömungsfähigkeit der Druckluft A1 in der ersten Druckluftleitung 26 durch Einstellung eines Verhältnisses der Anzahl von Auf/Zu-Ventilen 154 in einem offenen Zustand zur Anzahl der Auf/Zu-Ventile 154 in einem geschlossenen Zustand einstellen. Insbesondere erreicht die Druckluft A1 eine höhere Strömungsfähigkeit durch Erhöhung der Anzahl von Auf/Zu-Ventilen 154 in einem offenen Zustand, und die Druckluft A1 erreicht eine geringere Strömungsfähigkeit durch eine Verringerung der Anzahl von Auf/Zu-Ventilen 154 in einem offenen Zustand.
Bezugszeichenliste

10, 10a und 10b: STROMERZEUGUNGSSYSTEM
11: GASTURBINE
12: GENERATOR
13 und 113: FESTOXID-BRENNSTOFFZELLE (SOFC)
14: GASTURBINE
15: GENERATOR
21: KOMPRESSOR
22: BRENNKAMMER
23: TURBINE
25: LUFTANSAUGLEITUNG
26: ERSTE DRUCKLUFTLEITUNG
27: ERSTE BRENNGAS-ZUFUHRLEITUNG
31: ZWEITE DRUCKLUFTLEITUNG
32: STEUERVENTIL
33, 48: GEBLÄSE
34: ABLUFTLEITUNG
36: DRUCKLUFT-UMLAUFLEITUNG
38: STEUERVENTIL
41: ZWEITE BRENNGAS-ZUFUHRLEITUNG
42: STEUERVENTIL
43: ABGASLEITUNG
44: ABLASSLEITUNG
45: ABGAS-ZUFUHRLEITUNG
47: STEUERVENTIL
49: BRENNGAS-RÜCKLAUFLEITUNG
50: UMLUFTGEBLÄSE
51: ABWÄRMERÜCKGEWINNUNGSKESSEL
52: TURBINE
53: RAUCHGASLEITUNG
54: DAMPFLEITUNG
55: SPEISEWASSERLEITUNG
56: KONDENSATOR
57: SPEISEWASSERPUMPE
62: STEUERUNGSVORRICHTUNG (STEUERUNGSEINHEIT)
70: UMGEHUNGS-STEUERVENTIL
72: KÜHLLUFT-ZUFUHRLEITUNG
80, 82, 84 und 86: DRUCKDETEKTIONSEINHEIT
120: EINHEITS-SOFC-EINHEIT
121: STROMAUFWÄRTIGES ABZWEIGROHR
122: EINHEITS-SOFC
124: STROMABWÄRTIGES ABZWEIGROHR
126 und 128: STEUERVENTIL
150: HAUPTROHR
152: ABZWEIGROHR
154: AUF/ZU-VENTIL

Claims

Stromerzeugungssystem mit: einer Brennstoffzelle; einer Gasturbine, die mit einen Kompressor und eine Brennkammer aufweist; einer erste Druckluftleitung, die dazu konfiguriert ist, Druckluft vom Kompressor in die Brennkammer zu befördern; einer zweite Druckluftleitung, die dazu konfiguriert ist, die Druckluft vom Kompressor zu der Brennstoffzelle zu befördern; einer Druckluft-Umlaufleitung, die dazu konfiguriert ist, Abluft von der Brennstoffzelle in die Brennkammer zu befördern; einer Detektionseinheit, die dazu konfiguriert ist, die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle festzustellen; einer Einstellungseinheit, die dazu konfiguriert ist, das Verhältnis zwischen der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung und der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung einzustellen; und einer Steuerungsvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, das Verhältnis zwischen der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung und der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung durch die Einstellungseinheit auf Basis einer in der Detektionseinheit festgestellten Variation der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle einzustellen.
Stromerzeugungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Einstellungseinheit einen Mechanismus umfasst, der an der ersten Druckluftleitung angeordnet ist und der die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung einstellt.
Stromerzeugungssystem gemäß Anspruch 2, wobei die Einstellungseinheit ein Steuerventil mit einem einstellbaren Öffnungsgrad umfasst, das an der ersten Druckluftleitung angeordnet ist.
Stromerzeugungssystem gemäß Anspruch 2, wobei die Einstellungseinheit ein Hauptrohr, das an der ersten Druckluftleitung angeordnet ist, wenigstens ein Abzweigrohr, das das Hauptrohr umgeht und ein Auf/Zu-Ventil umfasst, das am Abzweigrohr angeordnet ist.
Stromerzeugungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in dem Fall, dass die Druckluft an Strömungsfähigkeit zur Brennstoffzelle verliert, die Steuerungsvorrichtung veranlasst, dass die Druckluft in der ersten Druckluftleitung an Strömungsfähigkeit gewinnt.
Stromerzeugungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Einstellungseinheit einen Mechanismus umfasst, der an der zweiten Druckluftleitung angeordnet ist und der die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung einstellt.
Stromerzeugungssystem gemäß Anspruch 6, wobei die Einstellungseinheit ein Steuerventil mit einem einstellbaren Öffnungsgrad umfasst, das an der zweiten Druckluftleitung angeordnet ist.
Stromerzeugungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in dem Fall, dass die Druckluft an Strömungsfähigkeit zur Brennstoffzelle verliert, die Steuerungsvorrichtung veranlasst, dass die Druckluft in der zweiten Druckluftleitung an Strömungsfähigkeit verliert.
Stromerzeugungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in dem Fall, dass die Steuerungsvorrichtung bestimmt, einen Umlaufweg der Druckluft der Brennstoffzelle und der Gasturbine zu blockieren, die Steuerungsvorrichtung die Steuerung durch die Einstellungseinheit wiederholt, damit die Druckluft an Strömungsfähigkeit in der zweiten Druckluftleitung verliert und die Druckluft in der ersten Druckluftleitung an Strömungsfähigkeit gewinnt, um die zweite Druckluftleitung zu schließen.
Stromerzeugungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Detektionseinheit eine erste Druckdetektionseinheit umfasst, die einen Druck der in der ersten Druckluftleitung strömenden Druckluft feststellt, und eine zweite Druckdetektionseinheit umfasst, die einen Druck der in der Druckluft-Umlaufleitung strömenden Druckluft feststellt und die Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle auf Basis eines in der ersten Druckdetektionseinheit ermittelten Ergebnisses und eines in der zweiten Druckdetektionseinheit ermittelten Ergebnisses feststellt.
Verfahren zum Betrieb eines Stromerzeugungssystems, umfassend eine Brennstoffzelle, eine Gasturbine mit einem Kompressor und einer Brennkammer, eine erste Druckluftleitung, die Druckluft vom Kompressor in die Brennkammer befördert, eine zweite Druckluftleitung, die die Druckluft vom Kompressor zur Brennstoffzelle befördert, und eine Druckluft-Umlaufleitung, die Abluft von der Brennstoffzelle in die Brennkammer befördert, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Feststellen der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle; und Einstellen des Verhältnisses zwischen der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der ersten Druckluftleitung und der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der zweiten Druckluftleitung durch die Einstellungseinheit auf Basis einer in der Detektionseinheit festgestellten Variation der Strömungsfähigkeit der Druckluft in der Brennstoffzelle.