DE112013005614T5

DE112013005614T5 - Energieerzeugungssystem und Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems

Info

Publication number: DE112013005614T5
Application number: DE112013005614.3T
Authority: DE
Inventors: Yukimasa Nakamoto; Kazunori Fujita; Hiroyuki Ozawa
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2015-08-27
Also published as: JP6004915B2; KR101732286B1; US20150263368A1; JP2014107030A; CN104737346B; WO2014080848A1; CN104737346A; KR20150060837A

Abstract

In einem Energieerzeugungssystem und einem Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems sind eine Gasturbine (11), die einen Kompressor (21) und einen Verbrenner (22) umfasst, eine Brennstoffzelle (13), eine Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas (45), die der Gasturbine (11) ein von der Brennstoffzelle (13) ausgestoßenes verbrauchtes Brenngas zuführt, eine Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas (72), die mit der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas (45) verbunden ist, eine Erhitzungseinrichtung (70), die das durch die Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas (72) zugeführte verbrauchte Brenngas verbrennt, um ein zu erhitzendes Objekt zu erhitzen, und eine Steuerungseinheit (Steuerungsvorrichtung) (62), die ein Zufuhrziel des verbrauchten Brenngases steuert, vorgesehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Energieerzeugungssystem, in welchem eine Festoxid-Brennstoffzelle, eine Gasturbine und eine Dampfturbine kombiniert sind, und auf ein Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems.
Hintergrund der Erfindung
Eine Festoxid-Brennstoffzelle (nachstehend als „SOFC” bezeichnet (SOFC: ”solid oxide fuel cell”)) ist als hocheffiziente Brennstoffzelle für verschiedene Verwendungen wohl bekannt. Die Betriebstemperatur der SOFC wird auf eine hohe Temperatur eingestellt, um eine Ionenleitfähigkeit zu verbessern. Deshalb kann komprimierte Luft, die von einem Kompressor einer Gasturbine emittiert wird, als Luft (Oxidationsmittel), die einer Kathodenseite zuzuführen ist, verwendet werden. Ferner kann von der SOFC ausgestoßenes verbrauchtes Brenngas einer hohen Temperatur als Brennstoff eines Verbrenners der Gasturbine verwendet werden.
Deshalb sind, wie z. B. in der nachstehenden Patentschrift 1 beschrieben, verschiedene Vorschläge von Kombinationen der SOFC, der Gasturbine und der Dampfturbine als Energieerzeugungssystem gemacht worden, das eine hocheffiziente Energieerzeugung erzielen kann. In den in Patentschrift 1 beschriebenen kombinierten Systemen umfasst die Gasturbine einen Kompressor, der Luft komprimiert und die Luft der SOFC zuführt, und einen Verbrenner, der ein Verbrennungsgas aus dem verbrauchten Brenngas, das von der SOFC ausgestoßen ist, und der komprimierten Luft erzeugt.
Patentschriften

Patentschrift 1: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2009-205932

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Energieerzeugungssystem sind, bei Inbetriebnahme der SOFC, Komponenten des verbrauchten Brenngases, das von der SOFC ausgestoßen ist, während einer bestimmten Zeitdauer von einem Beginn einer Zufuhr eines Brenngases zu der SOFC an instabil. Deshalb ist es während der Zeitdauer schwierig, das verbrauchte Brenngas dem Verbrenner zuzuführen. Ferner variiert in dem Energieerzeugungssystem eine erforderliche Kalorie des Brennstoffs in Abhängigkeit von der Ausgabe der Gasturbine. Wenn die erforderliche Kalorie des Brennstoffs variiert, variiert die einzugebende Menge des verbrauchten Brenngases. Deshalb werden die verbrauchten Brenngase, die dem Verbrenner nicht zugeführt werden können, verursacht, und das verbrauchte Brenngas kann nicht effizient verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung löst die vorstehend beschriebenen Probleme, und eine Aufgabe besteht darin, ein Energieerzeugungssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems bereitzustellen, die ein von einer Brennstoffzelle ausgestoßenes verbrauchtes Brenngas effizient verwenden können.
Lösung des Problems
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Energieerzeugungssystem auf: eine Gasturbine, die einen Kompressor und einen Verbrenner umfasst; eine Brennstoffzelle; eine Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas, die konfiguriert ist, um verbrauchtes Brenngas, das von der Brennstoffzelle ausgestoßen ist, der Gasturbine zuzuführen; eine Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas, die mit der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas verbunden ist; eine Erhitzungseinheit, die konfiguriert ist, um das durch die Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas zugeführte verbrauchte Brenngas zu verbrennen, um ein zu erhitzendes Objekt zu erhitzen; und eine Steuerungseinheit, die konfiguriert ist, um ein Zufuhrziel des von der Brennstoffzelle ausgestoßenen verbrauchten Brenngases zu steuern.
Deshalb kann mit der Erhitzungseinrichtung das der Gasturbine nicht zuzuführende verbrauchte Brenngas durch die Erhitzungseinrichtung angeheizt werden. Demgemäß kann das von der Brennstoffzelle ausgestoßene verbrauchte Brenngas effizient verwendet werden.
Vorteilhaft weist das Energieerzeugungssystem ferner auf: einen Wärmetauscher, der konfiguriert ist, um Hitze, die in einem von der Gasturbine ausgestoßenen Abgas enthalten ist, zurückzugewinnen. Die Erhitzungseinheit umfasst eine Abgas-Erhitzungseinheit, die das verbrauchte Brenngas verbrennt, um das dem Wärmetauscher zuzuführende Abgas zu erhitzen.
Deshalb kann die Menge an Hitze, die durch den Wärmetauscher zurückgewonnen werden kann, erhöht werden. Demgemäß kann das von der Brennstoffzelle ausgestoßene verbrauchte Brenngas effizient verwendet werden.
Vorteilhaft umfasst in dem Energieerzeugungssystem die Erhitzungseinheit eine Dampferzeugungseinheit, die das verbrauchte Brenngas verbrennt, um Dampf zu erzeugen, der einem der Brennstoffzelle zuzuführenden Brenngas zuzuführen ist.
Deshalb kann das verbrauchte Brenngas verbrannt werden, und der Dampf kann erzeugt werden. Ferner kann in dem Dampf enthaltene Hitze zur Energieerzeugung verwendet werden. Demgemäß kann das von der Brennstoffzelle ausgestoßene verbrauchte Brenngas effizient verwendet werden.
Vorteilhaft umfasst in dem Energieerzeugungssystem die Erhitzungseinheit eine Luft-Erhitzungseinheit, die das verbrauchte Brenngas verbrennt, um der Brennstoffzelle zuzuführende Luft zu erhitzen.
Deshalb kann das verbrauchte Brenngas verbrannt werden, und die Luft kann erhitzt werden. Ferner kann in der erhitzten Luft enthaltene Hitze zur Energieerzeugung verwendet werden. Demgemäß kann das von der Brennstoffzelle ausgestoßene verbrauchte Brenngas effizient verwendet werden.
Vorteilhaft umfasst in dem Energieerzeugungssystem die Erhitzungseinheit eine Brenngas-Erhitzungseinheit, die das verbrauchte Brenngas verbrennt, um ein der Brennstoffzelle zuzuführendes Brenngas zu erhitzen.
Deshalb kann das verbrauchte Brenngas verbrannt werden, und der Brennstoff kann erhitzt werden. Ferner kann in der erhitzten Luft enthaltene Hitze zur Energieerzeugung verwendet werden. Demgemäß kann das von der Brennstoffzelle ausgestoßene verbrauchte Brenngas effizient verwendet werden.
Vorteilhaft weist das Energieerzeugungssystem ferner eine Zustandserfassungseinheit auf, die konfiguriert ist, um einen Zustand des verbrauchten Brenngases an einer stromaufwärtigen Seite der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas zu erfassen. Wenn basierend auf einem in der Zustandserfassungseinheit erfassten Ergebnis bestimmt wird, dass der Zustand des verbrauchten Brenngases stabilisiert ist, wird eine Zufuhr des verbrauchten Brenngases zu der Gasturbine gestartet.
Deshalb kann das verbrauchte Brenngas in dem stabilen Zustand der Gasturbine zugeführt werden. Demgemäß kann die Gasturbine effizient betrieben werden, und die Steuerung kann vereinfacht werden. Ferner kann das verbrauchte Brenngas in einem instabilen Zustand in der Erhitzungseinrichtung verwendet werden. Deshalb kann das verbrauchte Brenngas effektiv verwendet werden.
Vorteilhaft weist das Energieerzeugungssystem eine Strömungsrate-Erfassungseinheit auf, die konfiguriert ist, um eine Strömungsrate des von der Brennstoffzelle der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas und der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas zuzuführenden verbrauchten Brenngases zu erfassen. Die Steuerungseinheit steuert eine Strömungsrate des der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas zuzuführenden verbrauchten Brenngases und eine Strömungsrate des der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas zuzuführenden verbrauchten Brenngases basierend auf einem Erfassungsergebnis der Strömungsrate-Erfassungseinheit.
Deshalb kann das der Gasturbine nicht zuzuführende verbrauchte Brenngas der Erhitzungseinrichtung zugeführt werden. Demgemäß kann verhindert werden, dass das übermäßig verbrauchte Brenngas der Gasturbine zugeführt wird, wobei die Gasturbine effizient betrieben werden und die Steuerung vereinfacht werden kann. Ferner kann das der Gasturbine nicht zuzuführende verbrauchte Brenngas in der Erhitzungseinrichtung verwendet werden. Deshalb kann das verbrauchte Brenngas effektiv verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems, das eine Gasturbine, die einen Kompressor und einen Verbrenner umfasst, eine Brennstoffzelle und eine Erhitzungseinheit, die verbrauchtes Brenngas verbrennt, um ein zu erhitzendes Objekt zu erhitzen, umfasst, folgendes auf: Erfassen eines Zustands des verbrauchten Brenngases, das von der Brennstoffzelle zu der Gasturbine ausgestoßen wird; Bestimmen basierend auf dem erfassten Zustand des verbrauchten Brenngases, ob verbrauchtes Brenngas vorliegt, das der Gasturbine nicht zuzuführen ist; und Zuführen des verbrauchten Brenngases zu der Erhitzungseinheit, wenn bestimmt wird, dass verbrauchtes Brenngas vorliegt, das der Gasturbine nicht zuzuführen ist.
Deshalb kann das der Gasturbine nicht zuzuführende verbrauchte Brenngas durch die Erhitzungseinrichtung angeheizt werden. Demgemäß kann das von der Brennstoffzelle ausgestoßene verbrauchte Brenngas effizient verwendet werden.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß dem Energieerzeugungssystem und dem Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems der vorliegenden Erfindung wird das der Gasturbine nicht zuzuführende verbrauchte Brenngas durch die Erhitzungseinrichtung erhitzt und kann in Einheiten des Energieerzeugungssystems verwendet werden. Demgemäß kann das von der Brennstoffzelle ausgestoßene verbrauchte Brenngas effizient verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein Energieerzeugungssystem des vorliegenden Ausführungsbeispiels darstellt.
2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Erhitzungseinrichtung und eine Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas in dem Energieerzeugungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
3 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das einen Wasserbaderhitzer einer Brenngas-Erhitzungseinheit darstellt.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Antriebsbetriebs des Energieerzeugungssystems des vorliegenden Ausführungsbeispiels darstellt.
5 ist ein Zeitablaufdiagramm, das eine Zeitsteuerung von Operationen von Ventilen darstellt, die eine Strömung eines verbrauchten Brenngases des Energieerzeugungssystems des vorliegenden Ausführungsbeispiels steuern.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Antriebsbetriebs des Energieerzeugungssystems des vorliegenden Ausführungsbeispiels darstellt.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele eines Energieerzeugungssystems und eines Verfahrens zum Erzeugen eines Energieerzeugungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen detailliert beschrieben. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung durch diese Ausführungsbeispiele nicht beschränkt ist und solche umfasst, die aus kombinierten Ausführungsbeispielen konfiguriert sind, wenn eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen vorliegt.
Ausführungsbeispiele
Ein Energieerzeugungssystem des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist ein ”Triple Combined Cycle” (registrierte Marke), der eine Kombination einer Festoxid-Brennstoffzelle (nachstehend „SOFC” genannt), einer Gasturbine und einer Dampfturbine darstellt. Der „Triple Combined Cycle” kann eine Energie in drei Stufen der SOFC, der Gasturbine und der Dampfturbine erzeugen, indem die SOFC an einer stromaufwärtigen Seite eines kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozesses (GTCC: ”gas turbine combined cycle power generation”) installiert wird, und kann somit eine sehr hohe Energieerzeugungseffizienz realisieren. Es ist zu beachten, dass in der nachstehenden Beschreibung eine Festoxid-Brennstoffzelle als die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Dies wird näher erläutert. Allerdings ist die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung auf die Brennstoffzelle dieser Form nicht beschränkt.
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein Energieerzeugungssystem des vorliegenden Ausführungsbeispiels darstellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst ein Energieerzeugungssystem 10, wie in 1 dargestellt ist, eine Gasturbine 11, einen Generator 12, eine SOFC 13, eine Dampfturbine 14 und einen Generator 15. Das Energieerzeugungssystem 10 ist konfiguriert, um eine hohe Energieerzeugungseffizienz zu erhalten, indem eine Energieerzeugung durch die Gasturbine 11, eine Energieerzeugung durch die SOFC 13 und eine Energieerzeugung der Dampfturbine 14 kombiniert werden. Ferner umfasst das Energieerzeugungssystem 10 eine Steuerungsvorrichtung 62. Die Steuerungsvorrichtung 62 steuert Operationen von Einheiten des Energieerzeugungssystems 10 basierend auf einer Eingangseinstellung, einer Eingangsanweisung, einem in einer Erfassungseinheit erfassten Ergebnis usw..
Die Gasturbine 11 umfasst einen Kompressor 21, einen Verbrenner 22 und eine Turbine 23, und der Kompressor 21 und die Turbine 23 sind mit einer Drehachse 24 in einer ganzheitlich drehbaren Weise gekoppelt. Der Kompressor 21 komprimiert von einer Lufteinlassleitung 25 eingelassene Luft A. Der Verbrenner 22 mischt und verbrennt komprimierte Luft A1, die von dem Kompressor 21 durch eine erste Zufuhrleitung für komprimierte Luft 26 zugeführt wird, und ein Brenngas L1, das durch eine erste Zufuhrleitung für Brenngas 27 zugeführt wird. Die Turbine 23 wird durch ein von dem Verbrenner 22 durch eine Abgas-Zufuhrleitung 28 zugeführtes Verbrennungsgas G1 gedreht. Es ist zu beachten, dass, obwohl nicht dargestellt, die komprimierte Luft A1, die in dem Kompressor 21 komprimiert wird, der Turbine 23 durch ein Gehäuse zugeführt wird, und die Turbine 23 kühlt eine Schaufel usw. unter Verwendung der komprimierten Luft A1 als Kühlungsluft. Der Generator 12 ist auf derselben Achse wie die Turbine 23 vorgesehen und kann Energie durch Drehen der Turbine 23 erzeugen. Es ist zu beachten, dass hier verflüssigtes Naturgas (LNG: ”liquefied neutral gas”) als das dem Verbrenner 22 zugeführte Brenngas L1 verwendet wird.
Die SOFC 13 reagiert und erzeugt Energie bei einer vorbestimmten Betriebstemperatur durch Zufuhr eines Hochtemperatur-Brenngases als Reduktionsmittel und Hochtemperatur-Luft (oxidiertes Gas) als Oxidationsmittel. Die SOFC 13 ist derart konfiguriert, das eine Kathode, ein Festelektrolyt und eine Anode in einem Druckbehälter untergebracht sind. Die SOFC 13 erzeugt die Energie durch Zufuhr eines Teils von komprimierter Luft A2, die in dem Kompressor 21 komprimiert wird, zu der Kathode und eines Brenngases L2 zu der Anode. Es ist zu beachten, dass hier als das der SOFC 13 zugeführte Brenngas L2 z. B. ein verflüssigtes Naturgas (LNG), Wasserstoff (H₂), Kohlenwasserstoffgas, wie etwa Kohlenmonoxid (CO) oder Methan (CH₄), ein in einer Vergasungseinrichtung hergestelltes Gas eines kohlenstoffhaltigen Materials, wie etwa Kohle, verwendet wird. Ferner ist das der SOFC 13 zugeführte oxidierte Gas ein Gas, das ungefähr 15% bis 30% Sauerstoff enthält, und typischerweise wird Luft bevorzugt. Allerdings kann ein gemischtes Gas eines verbrannten Abgases und Luft, ein gemischtes Gas aus Sauerstoff und Luft usw., das von Luft verschieden ist, verwendet werden (nachstehend wird das der SOFC 13 zugeführte oxidierte Gas als Luft bezeichnet).
Eine zweite Zufuhrleitung für komprimierte Luft 31, die von der ersten Zufuhrleitung für komprimierte Luft 26 divergiert, ist mit der SOFC 13 gekoppelt, und ein Teil der komprimierten Luft A2, die in dem Kompressor 21 komprimiert wird, kann einem Einlassteil der Kathode zugeführt werden. Die zweite Zufuhrleitung für komprimierte Luft 31 umfasst ein Steuerungsventil 32, das die Menge von zuzuführender Luft einstellen kann, und ein Gebläse (”booster”) 33, das einen Druck der komprimierten Luft A2 entlang einer Strömungsrichtung der komprimierten Luft A2 erhöhen kann. In der zweiten Zufuhrleitung für komprimierte Luft 31 ist das Steuerungsventil 32 an einer stromaufwärtigen Seite der Strömungsrichtung der komprimierten Luft A2 vorgesehen, und das Gebläse 33 ist an einer stromabwärtigen Seite des Steuerungsventils 32 vorgesehen. Eine Leitung für verbrauchte Luft 34, die in der Kathode verwendete komprimierte Luft A3 (verbrauchte Luft) ausstößt, ist mit der SOFC 13 gekoppelt. Die Leitung für verbrauchte Luft 34 divergiert in eine Ausstoßleitung 35, welche die in der Kathode verwendete komprimierte Luft A3 nach außen ausstößt, und eine mit dem Verbrenner 22 gekoppelte Zirkulationsleitung für komprimierte Luft 36. Die Ausstoßleitung 35 umfasst ein Steuerungsventil 37, das die Menge an auszustoßender Luft einstellen kann, und die Zirkulationsleitung für komprimierte Luft 36 umfasst ein Steuerungsventil 38, das die Menge an zirkulierender Luft einstellen kann.
Ferner umfasst die SOFC 13 eine zweite Brenngas-Zufuhrleitung 41, die das Brenngas L2 einem Einlassteil der Anode zuführt. Die zweite Brenngas-Zufuhrleitung 41 umfasst ein Steuerungsventil 42, das die Menge des zuzuführenden Brenngases einstellen kann. Eine Leitung für verbrauchten Brennstoff 43, die ein in der Anode verwendetes verbrauchtes Brenngas L3 ausstößt, ist mit der SOFC 13 gekoppelt. Die Leitung für verbrauchten Brennstoff 43 divergiert in eine Ausstoßleitung 44, die das verbrauchte Brenngas L3 nach außen ausstößt, und eine Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45, die mit dem Verbrenner 22 gekoppelt ist. Die Ausstoßleitung 44 umfasst ein Steuerungsventil 46, das die Menge des auszustoßenden Brenngases einstellen kann, und die Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 umfasst ein Steuerungsventil 47, das die Menge des zuzuführenden Brenngases einstellen kann, und ein Gebläse 48, das einen Druck des verbrauchten Brenngases L3 entlang einer Strömungsrichtung des verbrauchten Brenngases L3 erhöhen kann. In der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 ist das Steuerungsventil 47 an einer stromaufwärtigen Seite der Strömungsrichtung des verbrauchten Brenngases L3 vorgesehen, und das Gebläse 48 ist an einer stromabwärtigen Seite des Steuerungsventils 47 vorgesehen.
Ferner ist eine Brenngas-Rezirkulationsleitung 49, welche die Leitung für verbrauchten Brennstoff 43 und die zweite Brenngas-Zufuhrleitung 41 koppelt, in der SOFC 13 vorgesehen. Die Brenngas-Rezirkulationsleitung 49 umfasst ein Rezirkulationsgebläse 50, das ermöglicht, dass das verbrauchte Brenngas L3 in der Leitung für verbrauchten Brennstoff 43 in der zweiten Brenngas-Zufuhrleitung 41 wieder in Umlauf gebracht wird (rezirkuliert).
In der Dampfturbine 14 wird eine Turbine 52 durch Dampf, der in einem Rückgewinnungsheizkessel für verbrauchte Hitze (HRSG: ”heat recovery boiler”) 51 erzeugt wird, gedreht. Eine Abgasleitung 53 von der Gasturbine 11 (Turbine 23) ist mit dem Rückgewinnungsheizkessel für verbrauchte Hitze 51 gekoppelt, und der Rückgewinnungsheizkessel für verbrauchte Hitze 51 führt einen Wärmeaustausch zwischen Speisewasser und einem Hochtemperatur-Abgas G2 durch, um Dampf S zu erzeugen. Eine Dampfzufuhrleitung 54 und eine Speisewasserleitung 55 sind zwischen der Dampfturbine 14 (Turbine 52) und dem Rückgewinnungsheizkessel für verbrauchte Hitze 51 vorgesehen. Die Speisewasserleitung 55 umfasst einen Kondensor 56 und eine Speisewasserpumpe 57. Der Generator 15 ist auf derselben Achse wie die Turbine 52 vorgesehen und kann Energie erzeugen, indem die Turbine 52 gedreht wird. Es ist zu beachten, dass das Abgas G2, aus welchem Hitze in dem Rückgewinnungsheizkessel für verbrauchte Hitze 51 zurückgewonnen wird, in die Luft freigesetzt wird, nachdem giftige Substanzen entfernt worden sind.
Hier wird ein Betrieb des Energieerzeugungssystems 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels beschrieben. Wenn das Energieerzeugungssystem 10 gestartet wird, werden die Gasturbine 11, die Dampfturbine 14 und die SOFC 13 in der Reihenfolge der Beschreibung gestartet.
Zunächst komprimiert in der Gasturbine 11 der Kompressor 21 die Luft A, der Verbrenner 22 mischt und verbrennt die komprimierte Luft A1 und das Brenngas L1, und der Generator 12 beginnt, die Energie zu erzeugen, indem die Turbine 23 durch das Verbrennungsgas G1 gedreht wird. Dann wird in der Dampfturbine 14 die Turbine 52 durch den Dampf S, der durch den Rückgewinnungsheizkessel für verbrauchte Hitze 51 erzeugt ist, gedreht, und der Generator 15 beginnt demgemäß die Energie zu erzeugen.
Dann wird zum Starten der SOFC 13 die komprimierte Luft A2 von dem Kompressor 21 zugeführt, und eine Druckbeaufschlagung der SOFC 13 wird gestartet, und ein Erhitzen wird gestartet. Das Steuerungsventil 32 wird um einen vorbestimmten Öffnungsgrad in einem Zustand geöffnet, in welchem das Steuerungsventil 37 der Ausstoßleitung 35 und das Steuerungsventil 38 der Zirkulationsleitung für komprimierte Luft 36 geschlossen sind, und das Gebläse 33 der zweiten Zufuhrleitung für komprimierte Luft 31 wird gestoppt. Dann wird ein Teil der komprimierten Luft A2, die in dem Kompressor 21 komprimiert wird, durch die zweite Zufuhrleitung für komprimierte Luft 31 der Seite der SOFC 13 zugeführt. Demgemäß wird der Druck der Seite der SOFC 13 durch Zufuhr der komprimierten Luft A2 erhöht.
Unterdessen wird an der Anodenseite der SOFC 13 das Brenngas L2 zugeführt und eine Druckbeaufschlagung wird gestartet. Das Steuerungsventil 42 der zweiten Brenngas-Zufuhrleitung 41 wird in einem Zustand geöffnet, in welchem das Steuerungsventil 46 der Ausstoßleitung 44 und das Steuerungsventil 47 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 geschlossen sind, und das Gebläse 48 wird gestoppt, und das Rezirkulationsgebläse 50 der Brenngas-Rezirkulationsleitung 49 wird angetrieben. Dann wird das Brenngas L2 durch die zweite Brenngas-Zufuhrleitung 41 der Seite der SOFC 13 zugeführt, und das verbrauchte Brenngas L3 in der Brenngas-Rezirkulationsleitung 49 wieder in Umlauf gebracht (rezirkuliert). Demgemäß wird der Druck der Anodenseite der SOFC 13 durch Zufuhr des Brenngases L2 erhöht.
Dann wird, wenn der Druck der Kathodenseite der SOFC 13 ein Ausgangsdruck des Kompressors 21 wird, das Steuerungsventil 32 vollständig geöffnet, und das Gebläse 33 wird angetrieben. Zum selben Zeitpunkt wird das Steuerungsventil 37 geöffnet, und die verbrauchte Luft A3 von der SOFC 13 wird durch die Ausstoßleitung 35 ausgestoßen. Dann wird die komprimierte Luft A2 der Seite der SOFC 13 durch das Gebläse 33 zugeführt. Zum selben Zeitpunkt wird das Steuerungsventil 46 geöffnet, und das verbrauchte Brenngas L3 von der SOFC 13 wird durch die Ausstoßleitung 44 ausgestoßen. Dann ist in der SOFC 13, wenn der Druck an der Kathodenseite und der Druck an der Anodenseite einen Solldruck erreichen, die Druckbeaufschlagung der SOFC 13 abgeschlossen.
Dann wird, wenn eine Reaktion (Energieerzeugung) der SOFC 13 stabilisiert ist, und die komprimierte Luft A3 und die Komponenten des verbrauchten Brenngases L3 stabilisiert sind, das Steuerungsventil 38 geöffnet, während das Steuerungsventil 37 geschlossen ist. Dann wird die komprimierte Luft A3 von der SOFC 13 durch die Zirkulationsleitung für komprimierte Luft 36 dem Verbrenner 22 zugeführt. Ferner wird das Steuerungsventil 47 geöffnet und das Gebläse 48 wird angetrieben, während das Steuerungsventil 46 geschlossen ist. Dann wird das verbrauchte Brenngas L3 von der SOFC 13 durch die Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 dem Verbrenner 22 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Menge des durch die erste Brenngas-Zufuhrleitung 27 dem Verbrenner 22 zugeführten Brenngases L1 verringert.
Hier werden sowohl die Energieerzeugung in dem Generator 12 durch Antreiben der Gasturbine 11, die Energieerzeugung in der SOFC 13, als auch die Energieerzeugung in dem Generator 15 durch Antreiben der Dampfturbine 14 durchgeführt, wodurch das Energieerzeugungssystem 10 stetig betrieben wird.
Übrigens stößt ein typisches Energieerzeugungssystem das verbrauchte Brenngas, welches der Gasturbine 11 nicht zugeführt wird, d. h., in dem Verbrenner 22 nicht verbrannt wird, durch die Ausstoßleitung 44 aus, indem das Steuerungsventil 46 geöffnet wird. Ein solches verbrauchtes Brenngas ist z. B. ein verbrauchtes Brenngas, dessen Zustand (Komponenten) nicht stabil ist (sind), nachdem die SOFC 13 gestartet worden ist, oder ein verbrauchtes Brenngas, das von der SOFC 13 ausgestoßen wird und eine Zufuhrmenge zu der Gasturbine 11 überschreitet. Da es durch die Ausstoßleitung 44 ausgestoßen wird, kann das verbrauchte Brenngas nicht effektiv verwendet werden.
Deshalb ist in dem Energieerzeugungssystem 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels, wie in 2 dargestellt ist, eine Erhitzungseinrichtung 70 vorgesehen, die das verbrauchte Brenngas verbrennt, das der Gasturbine 11 nicht zuzuführen ist, um die Einheiten des Energieerzeugungssystems 10 zu erhitzen. Die Erhitzungseinrichtung 70 umfasst eine Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72, ein Steuerungsventil 73, eine Abgas-Erhitzungseinheit 74, eine Dampferzeugungseinheit 76, eine Luft-Erhitzungseinheit 78 und eine Brenngas-Erhitzungseinheit 80.
D. h., das Energieerzeugungssystem 10 umfasst die Erhitzungseinrichtung 70, die das verbrauchte Brenngas L3, das der Gasturbine 11 nicht zuzuführen ist, verbrennt, und erhitzt zumindest eines von dem Abgas, dem Dampf, dem Brenngas und der Luft, die in dem Energieerzeugungssystem 10 strömen. Demgemäß kann das Energieerzeugungssystem 10 einen Verbrennungsheizwert (Kalorie), der in dem verbrauchten Brenngas L3 enthalten ist, das durch die Ausstoßleitung 44 ausgestoßen wird, effektiv verwenden, und das von der SOFC 13 ausgestoßene verbrauchte Brenngas kann effizient verwendet werden.
Nachstehend werden die Erhitzungseinrichtung 70 und Einheiten der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 mit Bezug auf 2 beschrieben. Ein Endabschnitt der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 ist zwischen dem Gebläse 48 und dem Verbrenner 22 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 verbunden. Der andere Endabschnitt der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 divergiert in eine Vielzahl von Leitungen, und die Leitungen sind jeweils mit einer ersten divergierenden Leitung 102 der Abgas-Erhitzungseinheit 74, einer zweiten divergierenden Leitung 104 der Dampferzeugungseinheit 76, einer dritten divergierenden Leitung 106 der Luft-Erhitzungseinheit 78 und einer vierten divergierenden Leitung 108 der Brenngas-Erhitzungseinheit 80 verbunden. Die Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 führt das verbrauchte Brenngas L3, das durch die Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 zugeführt wird, jeweils den divergierenden Leitungen zu.
Das Steuerungsventil 73 ist an der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 installiert. Das Steuerungsventil 73 schaltet eine Zirkulation des verbrauchten Brenngases L3 in der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 um, indem zwischen Öffnen/Schließen umgeschaltet wird, und steuert die Strömungsrate des verbrauchten Brenngases L3, das in der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 strömt, indem der Öffnungsgrad eingestellt wird.
Die Abgas-Erhitzungseinheit 74 umfasst einen Kanalbrenner 90, eine erste divergierende Leitung 102, ein erstes Steuerungsventil 112, eine dritte Brenngas-Zufuhrleitung 122 und ein Steuerungsventil 132. Der Kanalbrenner 90 ist in dem Rückgewinnungsheizkessel für verbrauchte Hitze 51 angeordnet. Der Kanalbrenner 90 erhitzt das Abgas G2 in dem Rückgewinnungsheizkessel für verbrauchte Hitze 51, indem der zugeführte Brennstoff verbrannt wird. Es ist zu beachten, dass der Kanalbrenner 90 an der Abgas-Leitung 53 an der stromaufwärtigen Seite des Rückgewinnungsheizkessels für verbrauchte Hitze 51 vorgesehen sein kann.
Ein Endabschnitt der ersten divergierenden Leitung 102 ist mit der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 verbunden, und der andere Endabschnitt ist mit dem Kanalbrenner 90 verbunden. Das erste Steuerungsventil 112 ist an der ersten divergierenden Leitung 102 installiert. Das erste Steuerungsventil 112 schaltet die Zirkulation des verbrauchten Brenngases L3 in der ersten divergierenden Leitung 102 um, indem zwischen Öffnen/Schließen umgeschaltet wird, und steuert die Strömungsrate des in der ersten divergierenden Leitung 102 strömenden verbrauchten Brenngases L3, indem der Öffnungsgrad eingestellt wird. Die dritte Brenngas-Zufuhrleitung 122 ist mit dem Kanalbrenner 90 verbunden, und führt dem Kanalbrenner 90 ein Brenngas L4 zu. Das Steuerungsventil 132 ist an der dritten Brenngas-Zufuhrleitung 122 installiert, und stellt die Menge des dem Kanalbrenner 90 zuzuführenden Brenngases L4 ein, indem zumindest eines von dem Öffnen/Schließen und dem Öffnungsgrad eingestellt wird.
Die Abgas-Erhitzungseinheit 74 erhitzt das Abgas G2, indem das durch die erste divergierende Leitung 102 zugeführte verbrauchte Brenngas L3 und das durch die dritte Brenngas-Zufuhrleitung 122 zugeführte Brenngas L4 durch den Kanalbrenner 90 verbrannt werden. Demgemäß kann die Temperatur des Abgases G2 in dem Rückgewinnungsheizkessel für verbrauchte Hitze 51 ferner erhöht werden, und eine größere Menge an Hitze kann in dem Rückgewinnungsheizkessel für verbrauchte Hitze 51 zurückgewonnen werden. Ferner kann die Abgas-Erhitzungseinheit 74 das Abgas G2 mit der Kalorie, die in dem verbrauchten Abgas L3 enthalten ist, erhitzen, indem das durch die erste divergierende Leitung 102 zugeführte verbrauchte Brenngas L3 verbrannt wird. Demgemäß kann die in dem verbrauchten Brenngas L3 enthaltene Kalorie effektiv verwendet werden.
Die Dampferzeugungseinheit 76 umfasst einen Heizkessel 92, die zweite divergierende Leitung 104, ein zweites Steuerungsventil 114, eine vierte Brenngas-Zufuhrleitung 124, eine Luft-Zufuhrleitung 125 und Steuerungsventile 134 und 135. Der Heizkessel 92 ist ein Dampfgenerator, der den Dampf unter Verwendung der Hitze erzeugt, die durch Verbrennen des zugeführten Brennstoffs erzeugt wird, und führt der Brenngas-Rezirkulationsleitung 49 den erzeugten Dampf zu. Der Heizkessel 92 des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist eine Funktion eines sogenannten Inbetriebnahme-Heizkessels auf, der zur Inbetriebnahme der SOFC 13 verwendet wird. Es ist zu beachten, dass der Heizkessel 92 mit einer anderen Vorrichtung des Energieerzeugungssystems 10 verbunden sein und der verbundenen Vorrichtung den Dampf zuführen kann.
Ein Endabschnitt der zweiten divergierenden Leitung 104 ist mit der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 verbunden, und der andere Endabschnitt ist mit dem Heizkessel 92 verbunden. Das zweite Steuerungsventil 114 ist an der zweiten divergierenden Leitung 104 installiert. Das zweite Steuerungsventil 114 schaltet die Zirkulation des verbrauchten Brenngases L3 in der zweiten divergierenden Leitung 104 um, indem zwischen Öffnen/Schließen umgeschaltet wird, und steuert die Strömungsrate des in der zweiten divergierenden Leitung 104 strömenden verbrauchten Brenngases L3, indem der Öffnungsgrad eingestellt wird. Die vierte Brenngas-Zufuhrleitung 124 ist mit dem Heizkessel 92 verbunden und führt dem Heizkessel 92 ein Brenngas L5 zu. Die Luft-Zufuhrleitung 125 ist mit dem Heizkessel 92 verbunden und führt dem Heizkessel 92 Luft A4 zu. Das Steuerungsventil 134 ist an der vierten Brenngas-Zufuhrleitung 124 installiert, und stellt die Menge des dem Heizkessel 92 zuzuführenden Brenngases L5 ein, indem zumindest eines von dem Öffnen/Schließen und dem Öffnungsgrad eingestellt wird. Das Steuerungsventil 135 ist an der Luftzufuhrleitung 125 installiert und stellt die Menge der dem Heizkessel 92 zuzuführenden Luft A4 ein, indem zumindest eines von dem Öffnen/Schließen und dem Öffnungsgrad eingestellt wird.
Die Dampferzeugungseinheit 76 führt dem Heizkessel 92 das durch die zweite divergierende Leitung 104 zugeführte verbrauchte Brenngas L3 und das durch die vierte Brenngas-Zufuhrleitung 124 zugeführte Brenngas L5 zusammen mit der durch die Luftzufuhrleitung 125 zugeführten Luft A4 zu und erzeugt den Dampf, indem das verbrauchte Brenngas L3 und das Brenngas L5 in dem Heizkessel 92 verbrannt werden. Demgemäß kann die Dampferzeugungseinheit 76 in dem Heizkessel 92 den in dem Energieerzeugungssystem 10 erforderlichen Dampf erzeugen und den Dampf den Einheiten zuführen. Ferner kann die Dampferzeugungseinheit 76 die in dem verbrauchten Brenngas L3 enthaltene Kalorie als Hitze zum Erzeugen des Dampfes verwenden, indem das durch die zweite divergierende Leitung 104 zugeführte verbrauchte Brenngas L3 verbrannt wird. Demgemäß kann die in dem verbrauchten Brenngas L3 enthaltene Kalorie effektiv verwendet werden.
Die Luft-Erhitzungseinheit 78 umfasst einen Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94, die dritte divergierende Leitung 106, ein drittes Steuerungsventil 116, eine fünfte Brenngas-Zufuhrleitung 128 und ein Steuerungsventil 138. Der Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94 ist an der zweiten Zufuhrleitung für komprimierte Luft 31 angeordnet. Der Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94 erhitzt die komprimierte Luft A2 in der zweiten Zufuhrleitung für komprimierte Luft 31, indem der zugeführte Brennstoff verbrannt wird. Die Luft-Erhitzungseinheit 78 kann einen Brenner, der eine Zündungsquelle umfasst, die das verbrauchte Brenngas L3 entzündet und anheizt, oder einen Verbrennungskatalysator, der das verbrauchte Brenngas L3 durch eine Reaktion, wie etwa eine Oxidierung, verbrennt, als den Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94 verwenden, der das verbrauchte Brenngas L3 verbrennt. Es ist für die Luft-Erhitzungseinheit 78 bevorzugt, die dritte divergierende Leitung 106 mit Leitungen eines Auslasses des Rezirkulationsgebläses 50 und eines Auslasses des Gebläses 48 zu verbinden. Demgemäß kann die Luft-Erhitzungseinheit 78 das verbrauchte Brenngas L3 mit einem höheren Druck dem Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94 zuführen.
Ein Endabschnitt der dritten divergierenden Leitung 106 ist mit der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 verbunden, und der andere Endabschnitt ist mit dem Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94 verbunden. Das dritte Steuerungsventil 116 ist an der dritten divergierenden Leitung 106 installiert. Das dritte Steuerungsventil 116 schaltet die Zirkulation des verbrauchten Brenngases L3 der dritten divergierenden Leitung 106 um, indem zwischen Öffnen/Schließen umgeschaltet wird, und steuert die Strömungsrate des in der dritten divergierenden Leitung 106 strömenden verbrauchten Brenngases L3, indem der Öffnungsgrad eingestellt wird. Die fünfte Brenngas-Zufuhrleitung 128 ist mit dem Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94 verbunden, und führt dem Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94 ein Brenngas L6 zu. Das Steuerungsventil 138 ist an der fünften Brenngas-Zufuhrleitung 128 installiert und stellt die Menge des dem Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94 zuzuführenden Brenngases L6 ein, indem zumindest eines von dem Öffnen/Schließen und dem Öffnungsgrad eingestellt wird.
Die Luft-Erhitzungseinheit 78 erhitzt die komprimierte Luft A2, indem das durch die dritte divergierende Leitung 106 zugeführte verbrauchte Brenngas L3 und das durch die fünfte Brenngas-Zufuhrleitung 128 zugeführte Brenngas L6 durch den Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94 verbrannt werden. Demgemäß kann die Luft-Erhitzungseinheit 78 ferner die Temperatur der der SOFC 13 zuzuführenden komprimierten Luft A2 erhöhen. Ferner wird die der SOFC 13 zugeführte komprimierte Luft A2 der Gasturbine 11 als verbrauchte Luft zugeführt. Demgemäß kann die Hitze, welche die komprimierte Luft A2 in der Luft-Erhitzungseinheit 78 erhitzt hat, in der Gasturbine 11 oder in dem Rückgewinnungsheizkessel für verbrauchte Hitze 51 zurückgewonnen werden. Demgemäß kann die in dem verbrauchten Brenngas L3 enthaltene Kalorie effektiv verwendet werden.
Die Brenngas-Erhitzungseinheit 80 umfasst einen Wasserbaderhitzer 96, die vierte divergierende Leitung 108, ein viertes Steuerungsventil 118, die zweite Brenngas-Zufuhrleitung 41 und das Steuerungsventil 42. Der Wasserbaderhitzer 96 ist an der zweiten Brenngas-Zufuhrleitung 41 angeordnet. Der Wasserbaderhitzer 96 erhitzt das Brenngas L2 in der zweiten Brenngas-Zufuhrleitung 41, indem das zugeführte verbrauchte Brenngas verbrannt wird.
Hier ist 3 ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das einen Wasserbaderhitzer einer Brenngas-Erhitzungseinheit darstellt. Der Wasserbaderhitzer 96 umfasst einen Verbrenner 140, einen Behälter 142 und eine Verbrennungsgasrohrleitung 144, wie in 3 dargestellt ist. Ferner ist der Verbrenner 140 mit der vierten divergierenden Leitung 108 und der Verbrennungsgasrohrleitung 144 verbunden. Der Verbrenner 140 führt der Verbrennungsgasrohrleitung 144 ein Verbrennungsgas zu, das durch Verbrennen des durch die vierte divergierende Leitung 108 zugeführten verbrauchten Brenngases L3 erzeugt wird. Der Behälter 142 ist ein Kasten (”box”), dessen Inneres mit einem Heizmedium, wie etwa Wasser, gefüllt ist. Die zweite Brenngas-Zufuhrleitung 41 und die Verbrennungsgasrohrleitung 144 sind im Inneren des Behälters 142 angeordnet, welcher mit dem Heizmedium gefüllt ist. Ein Endabschnitt der Verbrennungsgasrohrleitung 144 ist mit dem Verbrenner 140 verbunden, und der andere Endabschnitt ist geöffnet. Ein Abschnitt zwischen beiden Enden der Verbrennungsgasrohrleitung 144 ist im Inneren des Behälters 142 angeordnet.
In dem Wasserbaderhitzer 96 strömt das Verbrennungsgas, welches das verbrauchte Brenngas ist, das in dem Verbrenner 140 verbrannt und erzeugt ist, in der Verbrennungsgasrohrleitung 144. Demgemäß strömt das Verbrennungsgas im Inneren des Behälters 142. In dem Wasserbaderhitzer 96 wird das Heizmedium durch das in der Verbrennungsgasrohrleitung 144 strömende Verbrennungsgas erhitzt, und das erhitzte Heizmedium erhitzt das in der zweiten Brenngas-Zufuhrleitung 41 strömende Brenngas. Auf diese Weise überträgt der Wasserbaderhitzer 96 die Hitze des Verbrennungsgases zu dem Brenngas durch das Heizmedium, wodurch das Brenngas erhitzt wird. Der Wasserbaderhitzer 96 kann das Brenngas erhitzen, während verhindert wird, dass das Brenngas in der zweiten Brenngas-Zufuhrleitung 41 verbrannt wird, indem das Brenngas durch das Heizmedium erhitzt wird.
Ein Endabschnitt der vierten divergierenden Leitung 108 ist mit der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 verbunden, und der andere Endabschnitt ist mit dem Wasserbaderhitzer 96 verbunden. Das vierte Steuerungsventil 118 ist an der vierten divergierenden Leitung 108 installiert. Das vierte Steuerungsventil 118 schaltet die Zirkulation des verbrauchten Brenngases L3 in der vierten divergierenden Leitung 108 um, indem zwischen Öffnen/Schließen umgeschaltet wird, und steuert die Strömungsrate des verbrauchten Brenngases L3, das in der vierten divergierenden Leitung 108 strömt, indem der Öffnungsgrad eingestellt wird.
Die Brenngas-Erhitzungseinheit 80 erhitzt das Brenngas L2 in dem Wasserbaderhitzer 96, indem das durch die vierte divergierende Leitung 108 zugeführte verbrauchte Brenngas L3 verbrannt wird. Demgemäß kann die Brenngas-Erhitzungseinheit 80 die Temperatur des der SOFC 13 zuzuführenden Brenngases L2 ferner erhöhen. Ferner wird das der SOFC 13 zugeführte Brenngas L2 der Gasturbine 11 als ein verbrauchtes Brenngas zugeführt. Demgemäß kann die Hitze, die das Brenngas in der Brenngas-Erhitzungseinheit 80 erhitzt hat, in der Gasturbine 11 oder dem Rückgewinnungsheizkessel für verbrauchte Hitze 51 zurückgewonnen werden. Demgemäß kann die in dem verbrauchten Brenngas L3 enthaltene Kalorie effektiv verwendet werden. Es ist zu beachten, dass die Brenngas-Erhitzungseinheit 80 einen Pfad umfassen kann, durch welchen das Brenngas dem Wasserbaderhitzer 96 zugeführt werden kann, zusätzlich zu dem Pfad, durch welchen das verbrauchte Brenngas zugeführt wird.
Ferner umfasst das Energieerzeugungssystem 10 ein Öffnen/Schließen-Ventil (Öffnen/Schließen-Steuerungsventil) 64, das in der Umgebung der Gasturbine 11 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 (in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an einer stromabwärtigen Seite des Steuerungsventils 47) angeordnet ist, eine Strömungsrate-Erfassungseinheit 66, welche die Strömungsrate des verbrauchten Brenngases L3 erfasst, das in der Leitung für verbrauchten Brennstoff 43 strömt, und eine Zustandserfassungseinheit 68, die einen Zustand des verbrauchten Brenngases L3, das in der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 strömt, erfasst.
Das Öffnen/Schließen-Ventil 64 ist an einer stromabwärtigen Seite der mit der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 gekoppelten Position und an einer stromaufwärtigen Seite des Verbrenners 22 angeordnet. Das Öffnen/Schließen-Ventil 64 kann umschalten, ob das verbrauchte Brenngas L3 dem Verbrenner 22 zuzuführen ist, indem zwischen Öffnen/Schließen umgeschaltet wird.
Die Strömungsrate-Erfassungseinheit 66 ist an einer stromabwärtigen Seite des Abschnitts, der mit der Brenngas-Rezirkulationsleitung 49 der Leitung für verbrauchten Brennstoff 43 gekoppelt ist, und an einer stromaufwärtigen Seite des Abschnitts, der in die Ausstoßleitung 44 und die Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 divergiert, angeordnet. Die Strömungsrate-Erfassungseinheit 66 ist eine Erfassungsvorrichtung, welche die Strömungsrate des in der Leitung für verbrauchten Brennstoff 43 strömenden verbrauchten Brenngases L3 an der installierten Position erfasst. Die Strömungsrate-Erfassungseinheit 66 erfasst den Druck des in der Leitung für verbrauchten Brennstoff 43 strömenden verbrauchten Brenngases L3, und berechnet die Strömungsrate, indem z. B. eine arithmetische Verarbeitung mit Bezug auf ein Erfassungsergebnis des Drucks durchgeführt wird. Es ist zu beachten, dass in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Strömungsrate des verbrauchten Brenngases L3, das in der Leitung für verbrauchten Brennstoff 43 strömt, auch in dem Zustand des verbrauchten Brenngases enthalten ist.
Die Zustandserfassungseinheit 68 ist an einer stromabwärtigen Seite des Gebläses 48 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 und an einer stromaufwärtigen Seite der mit der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 gekoppelten Position angeordnet. Die Zustandserfassungseinheit 68 ist eine Erfassungsvorrichtung, welche die Kalorie des in der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 strömenden verbrauchten Brenngases L3 an der installierten Position erfasst. Es ist zu beachten, dass die Zustandserfassungseinheit 68 eine Erfassungsvorrichtung sein kann, die den Zustand des in der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 strömenden verbrauchten Brenngases L3 an der installierten Position erfassen kann, und eine Temperaturerfassungsvorrichtung, welche die Temperatur des verbrauchten Brenngases L3 erfasst, kann beispielsweise verwendet werden. Hier umfasst der Zustand des verbrauchten Brenngases L3 verschiedene Bedingungen, durch welche bestimmt werden kann, ob in dem verbrauchten Brenngas L3 ein Abfluss aufgetreten ist, während das verbrauchte Brenngas L3 in der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 strömt. Es ist zu beachten, dass vorzugsweise die Zustandserfassungseinheit 68 an der Seite des Verbrenners 22 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 angeordnet wird, d. h., eine Seite nahe an der Position, die mit der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 gekoppelt ist. Demgemäß strömt das verbrauchte Brenngas in der Zufuhrleitung 45, wodurch eine in dem verbrauchten Brenngas L3 bewirkte Änderung mit höherer Wahrscheinlichkeit erfasst werden kann.
Die Steuerungsvorrichtung (Steuerungseinheit) 62 des Energieerzeugungssystems 10 treibt die Erhitzungseinrichtung 70 basierend auf zumindest einem von dem Ergebnis der Strömungsrate-Erfassungseinheit 66 und dem Ergebnis der Zustandserfassungseinheit 68 an, nachdem die Zufuhr des verbrauchten Brenngases L3 von der SOFC 13 zu der Leitung für verbrauchten Brennstoff 43 gestartet worden ist, d. h., nachdem das Steuerungsventil 47 geöffnet worden ist. Ferner steuert die Steuerungsvorrichtung 62 das Öffnen/Schließen des Öffnen/Schließen-Ventils 64 basierend auf zumindest einem von dem Ergebnis der Strömungsrate-Erfassungseinheit 66 und dem Ergebnis der Zustandserfassungseinheit 68. Demgemäß kann die Steuerungsvorrichtung 62 umschalten, ob das verbrauchte Brenngas dem Verbrenner 22 zuzuführen ist.
Nachstehend wird ein Verfahren zum Antreiben des Energieerzeugungssystems 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben. 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Antriebsbetriebs des Energieerzeugungssystems des vorliegenden Ausführungsbeispiels darstellt. 5 ist ein Zeitablaufdiagramm, das eine Zeitsteuerung von Operationen von Ventilen darstellt, die eine Strömung eines verbrauchten Brenngases des Energieerzeugungssystems des vorliegenden Ausführungsbeispiels steuern. Der in 4 dargestellte Antriebsbetrieb kann realisiert werden, indem eine arithmetische Verarbeitung durch die Steuerungsvorrichtung (Steuerungseinheit) 62 basierend auf den Erfassungsergebnissen der Einheiten ausgeführt wird. Ferner führt das Energieerzeugungssystem 10 die Zirkulation des verbrauchten Brenngases unter Verwendung der Brenngas-Rezirkulationsleitung 49 parallel aus, sogar während der Ausführung der in 4 dargestellten Verarbeitung. Hier stellt 4 ein Beispiel einer Steuerung dar, die bei der Inbetriebnahme der SOFC 13 ausgeführt wird. Wie in 5 dargestellt ist, ermöglicht die Steuerungsvorrichtung 62, dass das Steuerungsventil 47 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45, das Steuerungsventil 73 der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 und das Öffnen/Schließen-Ventil 64 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 geschlossen werden, bevor die Steuerung von 4 gestartet wird. Hier hält das Energieerzeugungssystem 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels im Grunde das Steuerungsventil 46 geschlossen und ermöglicht nicht, dass das verbrauchte Brenngas durch die Ausstoßleitung 44 auszustoßen ist.
Zunächst führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zum Umschalten des Steuerungsventils 47 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 von Geschlossen zu Offen durch (Schritt S12). Beispielsweise wird eine Zufuhr des verbrauchten Brenngases L3 zu der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 gestartet, indem das Steuerungsventil 47 durch die Steuerungsvorrichtung 62 von Geschlossen zu Offen umgeschaltet wird, wenn das verbrauchte Brenngas L3 in der Brenngas-Rezirkulationsleitung 49 zirkuliert. Die Steuerungsvorrichtung 62 kann die Strömungsrate des verbrauchten Brenngases L3 in dem Pfad unter Verwendung des Erfassungsergebnisses der Strömungsrate-Erfassungseinheit 66 bestimmen. Hier führt, wie durch t1 in 5 dargestellt ist, die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zum Öffnen des Steuerungsventils 47 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 und zum Öffnen des Steuerungsventils 73 der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 durch. Ferner hält die Steuerungsvorrichtung 62 das Öffnen/Schließen-Ventil 64 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 geschlossen. Demgemäß befindet sich das verbrauchte Brenngas L3 in einem Zustand, in welchem es der Erhitzungseinrichtung 70 zugeführt wird.
Wenn die Zufuhr des verbrauchten Brenngases L3 zu der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 gestartet worden ist, führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zum Antreiben des Gebläses 48 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 durch (Schritt S14). Das Gebläse 48 sendet das in der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 strömende verbrauchte Brenngas L3 zu dem mit der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 gekoppelten Abschnitt.
Dann bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62 ein Zufuhrziel des verbrauchten Brenngases L3 (Schritt S16). Insbesondere bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62 das Zufuhrziel des verbrauchten Brenngases unter der Abgas-Erhitzungseinheit 47, der Dampferzeugungseinheit 76, der Luft-Erhitzungseinheit 78 und der Brenngas-Erhitzungseinheit 80 der Erhitzungseinrichtung 70. Wenn das Zufuhrziel bestimmt worden ist, führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zum Umschalten des Steuerungsventils der Zufuhrzielleitung (divergierende Leitung) von Geschlossen zu Offen durch (Schritt S18). Demgemäß kann das verbrauchte Brenngas L3 dem bestimmten Zufuhrziel der Erhitzungseinrichtung 70 zugeführt werden.
Dann erfasst die Steuerungsvorrichtung 62 den Zustand des verbrauchten Brenngases L3 in der Zustandserfassungseinheit 68 (Schritt S20) und bestimmt, ob der Zustand des verbrauchten Brenngases L3 stabilisiert ist (Schritt S22). D. h., die Steuerungsvorrichtung 62 bestimmt, ob die Komponenten des verbrauchten Brenngases L3, das in der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 strömt, stabil sind. Wenn z. B. die Kalorie des verbrauchten Brenngases L3 in der Zustandserfassungseinheit 68 erfasst wird, bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62, dass der Zustand stabilisiert ist, wenn die Kalorie innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt. Ferner kann die Zustandserfassungseinheit 68 die Temperatur des verbrauchten Brenngases L3 als den Zustand des verbrauchten Brenngases L3 messen. Wenn die Temperatur der Zustandserfassungseinheit 68 erfasst wird, bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62, dass der Zustand stabilisiert ist, wenn die Temperatur einen fixierten Wert oder einen höheren annimmt.
Wenn bestimmt worden ist, dass der Zustand des verbrauchten Brenngases L3 nicht stabilisiert ist (Nein in Schritt S22), kehrt die Steuerungsvorrichtung 62 zu Schritt S16 zurück und führt die Verarbeitung von Schritt S16 erneut aus. Die Steuerungsvorrichtung 62 wiederholt die Verarbeitung der Schritte S16 bis S22, während der Erhitzungseinrichtung 70 das verbrauchte Brenngas L3 zugeführt wird, bis der Zustand des in der Leitung für verbrauchten Brennstoff 43 strömenden verbrauchten Brenngases L3 stabilisiert ist.
Wenn bestimmt worden ist, dass der Zustand des verbrauchten Brenngases L3 stabilisiert ist (Ja in Schritt S22), führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zum Umschalten des Öffnen/Schließen-Ventils 64 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 von Geschlossen zu Offen durch (Schritt S24). Hier führt, wie durch t2 in 5 dargestellt ist, die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zum Umschalten des Steuerungsventils 73 der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 von Offen zu Geschlossen durch, während das Steuerungsventil 47 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 offen bleibt, und zum Umschalten des Öffnen/Schließen-Ventils 64 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 von Geschlossen zu Offen. Demgemäß stoppt die Steuerungsvorrichtung 62 die Zufuhr des verbrauchten Brenngases L3 zu der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72, und startet eine Zufuhr des verbrauchten Brenngases L3 zu dem Verbrenner 22. Wenn die Zufuhr des verbrauchten Brenngases zu dem Verbrenner 22 gestartet worden ist, schließt die Steuerungsvorrichtung 62 die gegenwärtige Verarbeitung ab.
Wie vorstehend beschrieben ist, umfasst das Energieerzeugungssystem 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Erhitzungseinrichtung 70, und führt bei der Inbetriebnahme der SOFC 13 usw. der Erhitzungseinrichtung 70 das von der SOFC 13 ausgestoßene verbrauchte Brenngas L3 zu, bis der Zustand des verbrauchten Brenngases L3 stabilisiert ist, d. h., bis das verbrauchte Brenngas L3 in einen Zustand gelangt, in welchem es dem Verbrenner 22 zuführbar ist. Demgemäß wird das verbrauchte Brenngas, das dem Verbrenner 22 nicht zugeführt werden kann, nicht durch die Ausstoßleitung 44 ausgestoßen, und kann als Brennstoff der Erhitzungseinrichtung 70 verwendet werden. Ferner erhitzt die Erhitzungseinrichtung 70 das Abgas, den Dampf, die Luft oder den Brennstoff, die in dem Energieerzeugungssystem 10 zu verwenden sind, und somit kann die Energie, welche die zu erhitzenden Objekte erhitzt, in der Gasturbine 11 oder der Dampfturbine 14 zurückgewonnen werden.
Ferner weist das Energieerzeugungssystem 10 die Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 der Erhitzungseinrichtung 70 auf, die zwischen dem Gebläse 48 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 und dem Öffnen/Schließen-Ventil 64 verbunden ist, d. h., mit der Seite des Verbrenners 22 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45. Demgemäß wird in dem Energieerzeugungssystem 10 das verbrauchte Brenngas L3, das die Umgebung des Verbrenners 22 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 erreicht hat, der Erhitzungseinrichtung 70 zugeführt. Demgemäß kann das Energieerzeugungssystem 10 die Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 mit dem verbrauchten Brenngas erhitzen, bis der Zustand des verbrauchten Brenngases L3 stabilisiert ist. Ferner führt das Energieerzeugungssystem 10 der Erhitzungseinrichtung 70 das verbrauchte Brenngas L3 zu, bis das verbrauchte Brenngas L3, das die Umgebung des Verbrenners 22 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 erreicht hat, stabilisiert ist. Demgemäß strömt bei der Inbetriebnahme der SOFC 13 das verbrauchte Brenngas L3 in der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 in einem Niedrigtemperatur-(Normaltemperatur-)Zustand, und eine Zufuhr des verbrauchten Brenngases L3 mit einer verringerten Temperatur zu dem Verbrenner 22 kann unterdrückt werden.
Hier tritt ein Abfluss auf, wenn das verbrauchte Brenngas L3 gekühlt wird. In dem verbrauchten Brenngas L3 an der stromabwärtigen Seite der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45, in welcher der Abfluss aufgetreten ist, wird die Konfiguration der Komponenten geändert, und die Menge an Wasser wird verringert. Demzufolge wird der Verbrennungsheizwert (Kalorie) hoch. Ferner wird in dem Energieerzeugungssystem 10 die Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 durch das verbrauchte Brenngas erhitzt, und somit wird die Häufigkeit eines Auftretens des Abflusses graduell geändert. Ferner wird dann, wenn der in der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 aufgetretene Abfluss verdampft ist, der verdampfte Abfluss in dem verbrauchten Brenngas L3 gemischt, und H₂O des verbrauchten Brenngases L3 wird erhöht. Wenn H₂O des verbrauchten Brenngases L3 erhöht wird, wird der Verbrennungsheizwert (Kalorie) niedrig. Demgemäß wird der Brennstoffheizwert des verbrauchten Brenngases L3 an der stromabwärtigen Seite der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 graduell geändert. Wenn dem Verbrenner 22 ein solches verbrauchtes Brenngas L3 zugeführt wird, wird die Steuerung zum Verbrennen in dem Verbrenner 22 kompliziert. Ferner ist es nicht bevorzugt, das verbrauchte Brenngas L3, in welchem der Abfluss aufgetreten ist, dem Verbrenner 22 zuzuführen. Im Ansprechen darauf startet das Energieerzeugungssystem 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Zufuhr des verbrauchten Brenngases L3 zu dem Verbrenner 22, nachdem der Zustand des verbrauchten Brenngases L3 bei der Inbetriebnahme der SOFC 3 stabilisiert worden ist. Demgemäß kann das Energieerzeugungssystem 10 eine Variation des Verbrennungsheizwerts des dem Verbrenner 22 zuzuführenden verbrauchten Brenngases L3 unterdrücken. Die Komponenten des zuzuführenden verbrauchten Brenngases L3 können stabilisiert werden, wodurch das Verbrennen in dem Verbrenner 22 stabilisiert werden kann. Demgemäß kann die Steuerung vereinfacht werden, und ein schlechter Einfluss auf die Gasturbine 11 kann verringert werden.
Ferner ist in dem Energieerzeugungssystem 10 die Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 mit der stromabwärtigen Seite des Gebläses 48 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 gekoppelt, wodurch das Gebläse 48 als Antriebsquelle verwendet werden kann, die der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 das verbrauchte Brenngas L3 zuführt. Demgemäß kann ein Gebläse 48 effektiv verwendet werden.
In dem Energieerzeugungssystem 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es bevorzugt, das Öffnen/Schließen-Ventil 64 in der Umgebung des Verbrenners 22 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 anzuordnen. D. h., in dem Energieerzeugungssystem 10 ist es bevorzugt, die Entfernung zwischen dem Öffnen/Schließen-Ventil 64 und dem Verbrenner 22 kurz zu halten. Demgemäß kann, wenn das Öffnen/Schließen-Ventil 64 geöffnet ist und die Zufuhr des verbrauchten Brenngases L3 zu dem Verbrenner 22 gestartet ist, der Bereich der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45, der durch das dem Verbrenner 22 zuzuführende verbrauchte Brenngas L3 erhitzt wird, kurz gehalten werden. Demgemäß kann, wenn die Zufuhr des verbrauchten Brenngases L3 zu dem Verbrenner 22 gestartet wird, ein Auftreten des Abflusses in dem verbrauchten Brenngas L3 in der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 in dem Bereich der stromabwärtigen Seite des Öffnen/Schließen-Ventils 64 unterdrückt werden.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Antreiben des Energieerzeugungssystems 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit Bezug auf 6 beschrieben. 6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Antriebsbetriebs des Energieerzeugungssystems des vorliegenden Ausführungsbeispiels darstellt. Der in 6 dargestellte Antriebsbetrieb kann durch Ausführung einer arithmetischen Verarbeitung durch die Steuerungsvorrichtung (Steuerungseinheit) 62 basierend auf Erfassungsergebnissen der Einheiten realisiert werden. Hier ist 6 ein Beispiel einer Steuerung, die in einem Zustand ausgeführt wird, in welchem das verbrauchte Brenngas der Gasturbine zugeführt wird. Hier wird in 6 eine Verarbeitung beschrieben, wenn die Steuerungsventile geöffnet sind. Allerdings können eine Steuerung zum Umschalten der Ventile von Offen zu Geschlossen und eine Steuerung zum Einstellen des Öffnungsgrads durch eine ähnliche Verarbeitung realisiert werden. Ferner kann auch die Steuerung in 6 als die Steuerung in Schritten S16 und S18 in 4 ausgeführt werden.
Die Steuerungsvorrichtung 62 erfasst die Strömungsrate des verbrauchten Brenngases L3 in der Strömungsrate-Erfassungseinheit 66 (Schritt S30) und bestimmt, ob das verbrauchte Brenngas der Erhitzungseinrichtung 70 zuzuführen ist (Schritt S32). Wenn z. B. die in der Strömungsrate-Erfassungseinheit 66 erfasste Strömungsrate die Strömungsrate des verbrauchten Brenngases L3, die für den Verbrenner 22 erforderlich ist, aufgrund einer Variation des Betriebszustands der Gasturbine 11 überschreitet, bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62, die überschrittene Menge des verbrauchten Brenngases L3 der Erhitzungseinrichtung 70 zuzuführen. Wenn bestimmt worden ist, das verbrauchte Brenngas L3 der Erhitzungseinrichtung 70 nicht zuzuführen (Nein in Schritt S32), d. h., wenn bestimmt worden ist, die gesamte Menge des verbrauchten Brenngases L3 dem Verbrenner 22 zuzuführen, kehrt die Steuerungsvorrichtung 62 zu Schritt S30 zurück. Demgemäß wiederholt die Steuerungsvorrichtung 62 die Verarbeitung der Schritte S30 und S32, bis bestimmt wird, das verbrauchte Brenngas L3 der Erhitzungseinrichtung 70 zuzuführen.
Wenn bestimmt worden ist, das verbrauchte Brenngas L3 der Erhitzungseinrichtung 70 zuzuführen (Ja in Schritt S32), d. h., wenn bestimmt worden ist, nicht die gesamte Menge des verbrauchten Brenngases L3 dem Verbrenner 22 zuzuführen, schaltet die Steuerungsvorrichtung 62 das Steuerungsventil 73 der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 von Geschlossen zu Offen um (Schritt S34) und bestimmt, ob das verbrauchte Brenngas L3 dem Kanalbrenner 90 zuzuführen ist (Schritt S36). Wenn bestimmt worden ist, das verbrauchte Brenngas L3 dem Kanalbrenner 90 zuzuführen (Ja in Schritt S36), führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zum Umschalten des ersten Steuerungsventils 112 von Geschlossen zu Offen durch (Schritt S38).
Wenn bestimmt worden ist, das verbrauchte Brenngas L3 dem Kanalbrenner 90 nicht zuzuführen (Nein in Schritt S36), bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62, ob das verbrauchte Brenngas L3 dem Heizkessel 92 zuzuführen ist (Schritt S40). Ferner bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62 auch, ob das verbrauchte Brenngas L3 dem Heizkessel 92 zuzuführen ist, wenn eine Steuerung zum Umschalten des ersten Steuerungsventils 112 von Geschlossen zu Offen durchgeführt worden ist (Schritt S40). Wenn bestimmt worden ist, das verbrauchte Brenngas L3 dem Heizkessel 92 zuzuführen (Ja in Schritt S40), führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zum Umschalten des zweiten Steuerungsventils 114 von Geschlossen zu Offen durch (Schritt S42).
Wenn bestimmt worden ist, das verbrauchte Brenngas L3 dem Heizkessel 92 nicht zuzuführen (Nein in Schritt S40), bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62, ob das verbrauchte Brenngas L3 dem Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94 zuzuführen ist (Schritt S44). Ferner bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62 auch, ob das verbrauchte Brenngas L3 dem Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94 zuzuführen ist, wenn eine Steuerung zum Umschalten des zweiten Steuerungsventils 114 von Geschlossen zu Offen durchgeführt worden ist (Schritt S44). Wenn bestimmt worden ist, das verbrauchte Brenngas L3 dem Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94 zuzuführen (Ja in Schritt S44), führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zum Umschalten des dritten Steuerungsventils 116 von Geschlossen zu Offen durch (Schritt S46).
Wenn bestimmt worden ist, das verbrauchte Brenngas L3 dem Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94 nicht zuzuführen (Nein in Schritt S44), bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62, ob das verbrauchte Brenngas L3 dem Wasserbaderhitzer 96 zuzuführen ist (Schritt S48). Ferner bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62 auch, ob das verbrauchte Brenngas L3 dem Wasserbaderhitzer 96 zuzuführen ist, wenn eine Steuerung zum Umschalten des dritten Steuerungsventils 116 von Geschlossen zu Offen durchgeführt worden ist (Schritt S48). Wenn bestimmt worden ist, das verbrauchte Brenngas L3 dem Wasserbaderhitzer 96 zuzuführen (Ja in Schritt S48), führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zum Umschalten des vierten Steuerungsventils 118 von Geschlossen zu Offen durch (Schritt S50).
Wenn bestimmt worden ist, das verbrauchte Brenngas L3 dem Wasserbaderhitzer 96 nicht zuzuführen (Nein in Schritt S48), bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62, ob ein Verarbeitungsabschluss vorliegt (Schritt S52). Ferner bestimmt die Steuerungsvorrichtung 62 auch, ob der Verarbeitungsabschluss vorliegt, wenn eine Steuerung zum Umschalten des vierten Steuerungsventils 118 von Geschlossen zu Offen durchgeführt worden ist (Schritt S52). Wenn bestimmt worden ist, dass der Verarbeitungsabschluss nicht vorliegt (Nein in Schritt S52), kehrt die Steuerungsvorrichtung 62 zu Schritt S30 zurück, und führt die vorstehend beschriebene Verarbeitung erneut aus. Wenn bestimmt worden ist, dass der Verarbeitungsabschluss vorliegt (Ja in Schritt S52), schließt die Steuerungsvorrichtung 62 die vorliegende Verarbeitung ab.
Die Steuerungsvorrichtung 62 kann das verbrauchte Brenngas L3 effektiv verwenden, sogar falls das verbrauchte Brenngas L3, das dem Verbrenner 22 nicht zuzuführen ist, auftritt, nachdem eine Zufuhr des verbrauchten Brenngases L3 zu der Gasturbine 11 gestartet worden ist, indem die in 6 dargestellte Verarbeitung durchgeführt wird. D. h., das dem Verbrenner 22 nicht zuzuführende verbrauchte Brenngas L3 kann als der Brennstoff der Erhitzungseinrichtung 70 verwendet werden, und das verbrauchte Brenngas L3 kann effektiv verwendet werden.
Beispielsweise führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zum Zuführen des verbrauchten Brenngases L3 zu dem Heizkessel 92 (Dampferzeugungseinheit 76) bei der Inbetriebnahme der SOFC 13 durch, und dann kann eine Steuerung zum Zuführen des verbrauchten Brenngases L3 zu dem Kanalbrenner 90 (Abgas-Erhitzungseinheit 74) durchgeführt werden. Wenn ferner die SOFC 13 im Betrieb ausgelöst wird, führt die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung zum Zuführen des verbrauchten Brenngases L3 zu dem Kanalbrenner 90 (Abgas-Erhitzungseinheit 74) durch.
Es ist zu beachten, dass die in 6 dargestellte Verarbeitung eine Verarbeitung zum Ausführen einer Bestimmung der Schritte S36, S40, S44 und S48 ungeachtet des Ergebnisses eines Öffnens/Schließens ist, so dass die Zufuhr des verbrauchten Brenngases L3 zu der Vielzahl von Einheiten – der Kanalbrenner 90, der Heizkessel 92, der Lufttemperatur-Anstiegsbrenner 94 und der Wasserbaderhitzer 96 – gestartet werden kann. Allerdings ist die Verarbeitung darauf nicht beschränkt. Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung 62 bei der Bestimmung von Schritt S52 fortfahren, nachdem die Verarbeitung der Schritte S38, S42, S46 und S50 durchgeführt worden ist.
Hier sind als die Mechanismen der Erhitzungseinrichtung 70 des vorliegenden Ausführungsbeispiels zum Erhitzen des verbrauchten Brenngases die vier Mechanismen der Abgas-Erhitzungseinheit 74, der Dampferzeugungseinheit 76, der Luft-Erhitzungseinheit 78 und der Brenngas-Erhitzungseinheit 80 bereitgestellt worden. Allerdings kann zumindest ein Mechanismus vorgesehen sein. Ferner sind die Mechanismen zum Verbrennen des verbrauchten Brenngases, welche in der Erhitzungseinrichtung 70 enthalten sind, nicht auf die vorstehend beschriebenen vier Mechanismen beschränkt, und irgendwelche Mechanismen können verwendet werden, solange der Mechanismus für das Energieerzeugungssystem 10, das sich von der Gasturbine 11 unterscheidet, verwendet werden kann.
Hier kann die Erhitzungseinrichtung 70 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Einheiten der Erhitzungseinrichtung 70 sogar verwenden, wenn das verbrauchte Brenngas nicht zugeführt wird, indem ein Pfad umfasst ist, durch welchen das Brenngas einem Gebiet zugeführt wird, in welchem das verbrauchte Brenngas verbrannt wird. Demgemäß kann die Erhitzungseinrichtung 70 das verbrauchte Brenngas als einen Unterstützungsbrennstoff verwenden, und kann somit immer betrieben werden. Deshalb können die Einheiten der Erhitzungseinrichtung 70 effizient verwendet werden.
Insbesondere kann die Steuerungsvorrichtung 62 ein Gleichgewicht unter dem verbrauchten Brenngas L3, den Brenngasen L4, L5 und L6, die den Einheiten der Erhitzungseinrichtung 70 zuzuführen sind, einstellen, indem die Steuerung der Steuerungsventile 132, 134 und 138 zusammen mit der Steuerung des ersten Steuerungsventils 112, des zweiten Steuerungsventils 114, des dritten Steuerungsventils 116 und des vierten Steuerungsventils 118 durchgeführt wird. Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung 62 eine Steuerung der Menge des Verbrauchs und den in dem Kanalbrenner 90 erzeugten Heizwert steuern, indem ein Ausgleich zwischen dem Öffnungsgrad des ersten Steuerungsventils 112 und dem Öffnungsgrad des Steuerungsventils 132 eingestellt wird. Demgemäß kann die Steuerungsvorrichtung 62 ein Verhältnis der Erzeugungsmenge des Dampfes in der Gasturbine 11 und der Ausgabe der Energieerzeugung des Generators 15 steuern. Ferner kann das Energieerzeugungssystem 10 die Einheiten der Erhitzungseinrichtung 70 effizient verwenden, und somit ist es bevorzugt, einen Pfad vorzusehen, durch welchen das Brenngas zugeführt wird, zusätzlich zu den Pfaden, durch welche die verbrauchten Brenngase den Einheiten der Erhitzungseinrichtung 70 wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zugeführt werden. Allerdings ist ein solcher Pfad nicht notwendigerweise vorgesehen.
Hier kann das Energieerzeugungssystem 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels umschalten, ob das verbrauchte Brenngas L3 dem Bereich zugeführt wird, in welchem das Gebläse 48 und die Zustandserfassungseinheit 68 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 angeordnet sind, indem das Steuerungsventil 47 an der stromaufwärtigen Seite des Gebläses 48 und der Zustandserfassungseinheit 68 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 umfasst wird. Ferner ist in 2 die Position des Steuerungsventils 47 die an der Seite des Verbrenners 22 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 angeordnete Position. Allerdings ist die angeordnete Position nicht besonders beschränkt und kann die Position an der stromabwärtigen Seite des mit der Ausstoßleitung 44 gekoppelten Abschnitts und an der stromaufwärtigen Seite des mit der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 gekoppelten Abschnitts sein.
Da das Energieerzeugungssystem 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 erhitzen kann, ist es bevorzugt, die Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 der Erhitzungseinrichtung 70 mit der Seite der Gasturbine 11 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 zu verbinden. Allerdings ist die Verbindung darauf nicht beschränkt. In dem Energieerzeugungssystem 10 kann die Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 mit der Leitung für verbrauchten Brennstoff 43 oder mit der Ausstoßleitung 44 verbunden sein. Es ist zu beachten, dass das Energieerzeugungssystem 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels das verbrauchte Brenngas zu der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 ausstoßen kann, anstelle eines Ausstoßens des verbrauchten Brenngases durch die Ausstoßleitung 44. Deshalb müssen die Ausstoßleitung 44 und das Steuerungsventil 46 nicht vorgesehen sein. D. h., das Energieerzeugungssystem 10 kann die Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 anstelle der Ausstoßleitung 44 umfassen.
Ferner kann das Energieerzeugungssystem 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels an der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 einen Abflussrückgewinnungsmechanismus umfassen, der den Abfluss von dem verbrauchten Brenngas L3 zurückgewinnt. Als Ablaufrückgewinnungsmechanismus sind z. B. ein Mechanismus zum Kühlen des verbrauchten Brenngases L3 und ein Mechanismus (Klappe) zum Sammeln des Abflusses umfasst. Als Abflussrückgewinnungsmechanismus kann der Abflussrückgewinnungsmechanismus das verbrauchte Brenngas L3 durch einen Wärmeaustausch unter Verwendung eines Aufwärmaustauschers kühlen und den Abfluss zurückgewinnen, und führt dann ein Aufwärmen mit der von dem verbrauchten Brenngas L3 zurückgewonnenen Hitze vor der Abflussrückgewinnung durch.
Ferner umfasst das Energieerzeugungssystem 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels das Steuerungsventil 73, und schaltet um, ob das verbrauchte Brenngas der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas 72 zuzuführen ist. Allerdings ist das Steuerungsventil 73 nicht notwendigerweise vorgesehen, weil in jedem des ersten Steuerungsventils 112, des zweiten Steuerungsventils 114, des dritten Steuerungsventils 116 und des vierten Steuerungsventils 118 umgeschaltet werden kann, ob das verbrauchte Brenngas zuzuführen ist.
Das Öffnen/Schließen-Ventil 64, das die Zufuhr des Brenngases zu dem Verbrenner 22 einstellt, kann zumindest in der Lage sein, das Öffnen/Schließen umzuschalten, und kann ein Steuerungsventil sein, das den Öffnungsgrad einstellt.
Ferner kann das Steuerungsventil 47, das an der stromaufwärtigen Seite des Gebläses 48 der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 angeordnet ist, zumindest in der Lage sein, zwischen Öffnen/Schließen umzuschalten, und kann ein Öffnen/Schließen-Ventil sein. In ähnlicher Weise ist zumindest eines von dem Steuerungsventil 47 und dem Öffnen/Schließen-Ventil 64, die an der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 vorgesehen sind, vorzugsweise ein Steuerungsventil, das den Öffnungsgrad (Durchlasswiderstand) einstellen kann. Demgemäß kann die Menge des verbrauchten Brenngases, das dem Verbrenner 22 zuzuführen ist, eingestellt werden. Es ist zu beachten, dass das Energieerzeugungssystem 10 die Zufuhr des verbrauchten Brenngases zu der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas 45 steuern kann, indem das Öffnen/Schließen des Öffnen/Schließen-Ventils 64 und des Steuerungsventils 73 gesteuert wird. Deshalb braucht das Steuerungsventil 47 nicht vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

10: Energieerzeugungssystem
11: Gasturbine
12: Generator
13: Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)
14: Dampfturbine
15: Generator
21: Kompressor
22: Verbrenner
23: Turbine
25: Lufteinlassleitung
26: erste Zufuhrleitung für komprimierte Luft
27: erste Brenngas-Zufuhrleitung
31: zweite Zufuhrleitung für komprimierte Luft
32: Steuerungsventil (erstes Öffnen/Schließen-Ventil)
33, 48: Gebläse
34: Leitung für verbrauchte Luft
36: Zirkulationsleitung für komprimierte Luft
41: zweite Brenngas-Zufuhrleitung
42: Steuerungsventil
43: Leitung für verbrauchten Brennstoff
44: Ausstoßleitung
45: Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas
47: Steuerungsventil
49: Brenngas-Rezirkulationsleitung
50: Rezirkulationsgebläse
51: Rückgewinnungsheizkessel für verbrauchte Hitze
52: Turbine
53: Abgasleitung
54: Dampfzufuhrleitung
55: Speisewasserleitung
56: Kondensor
57: Speisewasserpumpe
62: Steuerungsvorrichtung (Steuerungseinheit)
64: Öffnen/Schließen-Ventil
66: Strömungsrate-Erfassungseinheit
68: Zustandserfassungseinheit
70: Erhitzungseinrichtung
72: Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas
73: Steuerungsventil
74: Abgas-Erhitzungseinheit
76: Dampferzeugungseinheit
78: Luft-Erhitzungseinheit
80: Brenngas-Erhitzungseinheit
90: Kanalbrenner
92: Heizkessel
94: Lufttemperatur-Anstiegsbrenner
96: Wasserbaderhitzer
102: erste divergierende Leitung
104: zweite divergierende Leitung
106: dritte divergierende Leitung
108: vierte divergierende Leitung
112: erstes Steuerungsventil
114: zweites Steuerungsventil
116: drittes Steuerungsventil
118: viertes Steuerungsventil
122: dritte Brenngas-Zufuhrleitung
124: vierte Brenngas-Zufuhrleitung
125: Luftzufuhrleitung
128: fünfte Brenngas-Zufuhrleitung
132, 134, 135, 138: Steuerungsventil

Claims

Energieerzeugungssystem, aufweisend: eine Gasturbine, die einen Kompressor und einen Verbrenner umfasst, eine Brennstoffzelle, eine Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas, die konfiguriert ist, um verbrauchtes Brenngas, das von der Brennstoffzelle ausgestoßen ist, der Gasturbine zuzuführen, eine Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas, die mit der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas verbunden ist, eine Erhitzungseinheit, die konfiguriert ist, um das durch die Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas zugeführte verbrauchte Brenngas zu verbrennen, um ein zu erhitzendes Objekt zu erhitzen, und eine Steuerungseinheit, die konfiguriert ist, um ein Zufuhrziel des von der Brennstoffzelle ausgestoßenen verbrauchten Brenngases zu steuern.
Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Wärmetauscher, der konfiguriert ist, um Hitze, die in einem von der Gasturbine ausgestoßenen Abgas enthalten ist, zurückzugewinnen, wobei die Erhitzungseinheit eine Abgas-Erhitzungseinheit umfasst, die das verbrauchte Brenngas verbrennt, um das dem Wärmetauscher zuzuführende Abgas zu erhitzen.
Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Erhitzungseinheit eine Dampferzeugungseinheit umfasst, die das verbrauchte Brenngas verbrennt, um Dampf zu erzeugen, der einem der Brennstoffzelle zuzuführenden Brenngas zuzuführen ist.
Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Erhitzungseinheit eine Luft-Erhitzungseinheit umfasst, die das verbrauchte Brenngas verbrennt, um der Brennstoffzelle zuzuführende Luft zu erhitzen.
Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Erhitzungseinheit eine Brenngas-Erhitzungseinheit umfasst, die das verbrauchte Brenngas verbrennt, um ein der Brennstoffzelle zuzuführendes Brenngas zu erhitzen.
Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend: eine Zustandserfassungseinheit, die konfiguriert ist, um einen Zustand des verbrauchten Brenngases an einer stromaufwärtigen Seite der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas zu erfassen, wobei wenn basierend auf einem durch die Zustandserfassungseinheit erfassten Ergebnis bestimmt wird, dass der Zustand des verbrauchten Brenngases stabilisiert ist, eine Zufuhr des verbrauchten Brenngases zu der Gasturbine gestartet wird.
Energieerzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend: eine Strömungsrate-Erfassungseinheit, die konfiguriert ist, um eine Strömungsrate des von der Brennstoffzelle der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas und der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas zuzuführenden verbrauchten Brenngases zu erfassen, wobei die Steuerungseinheit eine Strömungsrate des der Zufuhrleitung für verbrauchtes Brenngas zuzuführenden verbrauchten Brenngases und eine Strömungsrate des der Ausstoßleitung für verbrauchtes Brenngas zuzuführenden verbrauchten Brenngases basierend auf einem Erfassungsergebnis der Strömungsrate-Erfassungseinheit steuert.
Verfahren zum Betreiben eines Energieerzeugungssystems, das eine Gasturbine, die einen Kompressor und einen Verbrenner umfasst, eine Brennstoffzelle und eine Erhitzungseinheit, die verbrauchtes Brenngas verbrennt, um ein zu erhitzendes Objekt zu erhitzen, umfasst, wobei das Verfahren aufweist: Erfassen eines Zustands des verbrauchten Brenngases, das von der Brennstoffzelle zu der Gasturbine ausgestoßen wird, Bestimmen basierend auf dem erfassten Zustand des verbrauchten Brenngases, ob verbrauchtes Brenngas vorliegt, das der Gasturbine nicht zuzuführen ist, und Zuführen des verbrauchten Brenngases zu der Erhitzungseinheit, wenn bestimmt wird, dass verbrauchtes Brenngas vorliegt, das der Gasturbine nicht zuzuführen ist.