JP2002364312A - 石炭ガス化燃料電池複合発電プラントおよびその運転方法 - Google Patents

石炭ガス化燃料電池複合発電プラントおよびその運転方法

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JP2002364312A
JP2002364312A JP2001166960A JP2001166960A JP2002364312A JP 2002364312 A JP2002364312 A JP 2002364312A JP 2001166960 A JP2001166960 A JP 2001166960A JP 2001166960 A JP2001166960 A JP 2001166960A JP 2002364312 A JP2002364312 A JP 2002364312A
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gas
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Hisahiro Kusumi
尚弘 楠見
Yukinori Katagiri
幸徳 片桐
Fumihiko Kiso
文彦 木曽
Akihiko Yamada
昭彦 山田
Nobuo Nagasaki
伸男 長崎
Satoshi Tsujiguchi
聡 辻口
Masabumi Okawa
正文 大川
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Hitachi Ltd
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Electric Power Development Co Ltd
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラント負荷の変動時に負荷指令に追従させ
て発電量を適切に制御すること。 【解決手段】 ガス精製設備１２で生成された精製ガス
を燃料ガスとして燃料電池９７で発電するとともに燃焼
器２２の燃焼による燃焼ガスでガスタービン２５を駆動
して発電し、さらに、排熱回収ボイラ２７で過熱された
過熱蒸気にしたがって蒸気タービン３１を駆動して発電
している過程で、プラント負荷下降運転時には燃料電池
加減弁１５を全閉にするとともにバイパスライン加減弁
２４を開いた後、各タービンの駆動による総発電量と負
荷指令４８の指定による発電量との偏差を０にするため
のバイパスライン加減弁指令５０にしたがってバイパス
ライン加減弁２４を徐々に閉じるとともに、圧力計４１
の測定による圧力と目標圧力値４２とが一致するよう
に、すなわちガスタービンの入口側の圧力を目標圧力値
４２に一致させるための燃料電池加減弁指令４２にした
がって燃料電池加減弁１５を開く制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、石炭ガス化燃料電
池複合発電プラントおよびその運転方法に係り、特に、
石炭ガス化設備で酸素を含むガス化剤と石炭を燃焼した
ときに得られる石炭の粗ガスを基にガスタービンを駆動
して発電するとともに、粗ガスの熱により発生する蒸気
を基に蒸気タービンを駆動して発電し、粗ガスを精製し
て得られた精製ガスを燃料ガスとして燃料電池によって
発電するに好適な石炭ガス化燃料電池複合発電プラント
およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、石炭ガス化燃料電池複合発電プラ
ントにおいては、例えば、特開平４−３２１７０４号公
報に記載されているように、石炭ガス化設備に石炭およ
びガス化剤を投入し、石炭ガス化設備で発生した石炭の
粗ガスをガス精製設備で精製し、この精製によって得ら
れた精製ガスを燃料ガスとして燃料電池に供給して発電
し、この燃料電池から排出される排気ガスを燃焼器に導
入して燃焼させて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスによ
りガスタービンを駆動して発電し、さらに、石炭ガス化
設備で石炭をガス化する際に発生した蒸気をガスタービ
ンの排熱によってさらに過熱して過熱蒸気を生成し、こ
の過熱蒸気によって蒸気タービンを駆動して発電する構
成が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の石炭ガス化燃料
電池複合発電プラントにおいては、ガスタービンと蒸気
タービンの他に燃料電池を備えているため、プラント全
体の熱効率を高めることができる。
【０００４】しかし、従来のプラントにおいては、負荷
の変動時における運転について十分に配慮されておら
ず、プラント負荷の変動時にはガス化炉の圧力が低くな
ることがある。例えば、プラント負荷下降運転時におい
ては、石炭ガス化設備のガス化炉に投入される石炭量が
少なくなるため、ガス化炉の圧力が低くなる。ガス化炉
の圧力が低くなると、ガス化炉を覆っている耐圧容器内
のＮ２がガス化炉出口に流れ、ガスタービン前（入口
側）の圧力が一時的に上昇し、ガスタービン前圧力を一
定に制御することが困難になる。また、このとき、燃料
電池入口の圧力も通常の運転時よりも高くなるため、そ
のままでは、燃料電池のアノードとカソードとの間にシ
ール耐圧以上の圧力差が生じ、クロスリークを起こす恐
れがある。このため、プラント負荷下降運転時にガスタ
ービン前圧力が上昇したままになると、局部的な燃焼や
反応面積の低下に伴って、燃料電池の性能および寿命が
急激に低下することになる。
【０００５】一方、プラント負荷上昇運転時には、負荷
指令に対して急激にガスタービンと蒸気タービンの駆動
による発電量を増加方向に追従させようとすると、負荷
指令に対応した発電量に対してガスタービンと蒸気ター
ビンの駆動による発電量がオーバーシュートになり、逆
潮流となる。このため、プラント負荷の上昇に伴って発
電量を上昇させるための負荷指令に発電量を急速に変化
させることが難しく、ガスタービンと蒸気タービンの駆
動による発電量を徐々に増加すると、負荷指令に対する
ガスタービンと蒸気タービンの発電量の追従がアンダー
シュートになる。
【０００６】本発明の課題は、プラント負荷の変動時に
負荷指令に追従させて発電量を適切に制御することがで
きる石炭ガス化燃料電池複合発電プラントおよびその運
転方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、酸素を含むガス化剤と石炭の供給を受け
てこれらを燃焼させるとともに燃焼に伴って発生する石
炭の粗ガスの熱により蒸気を発生する石炭ガス化設備
と、前記石炭ガス化設備で発生した粗ガスを精製するガ
ス精製設備と、前記ガス精製設備で精製された精製ガス
を主ラインを介して導入しこの精製ガスを燃料ガスとし
て発電する燃料電池と、前記ガス精製設備で精製された
精製ガスを前記主ラインから分岐したバイパスラインを
介して導入するとともに前記燃料電池から排出される排
出ガスを導入し、導入したガスを燃焼する燃焼器と、前
記主ラインを流れる精製ガスの流量を制御する燃料電池
加減弁と、前記バイパスラインを流れる精製ガスの流量
を制御するバイパスライン加減弁と、前記燃焼器から排
出される排出ガスにより発電機を駆動するガスタービン
と、前記石炭ガス化設備から発生した蒸気を前記ガスタ
ービンから排出される排出ガスの排気熱で過熱して過熱
蒸気を発生する熱回収設備と、前記熱回収設備から発生
した過熱蒸気により発電機を駆動する蒸気タービンとを
備えてなる石炭ガス化燃料電池複合発電プラントを構成
したものである。
【０００８】前記した手段によれば、負荷指令と発電量
に基づいて燃料電池加減弁とバイパスライン加減弁の弁
動作を制御することで、プラント負荷の変動時に負荷指
令に追従させて発電量を適切に制御することができる。
【０００９】具体的には、プラント負荷下降時には、プ
ラント負荷下降運転に移行する前に、燃料電池加減弁を
閉じ、例えば、全閉状態にするとともに、バイパスライ
ン加減弁を開き、例えば、設定開度だけ開き、その後、
プラント負荷下降運転に移行したときには、蒸気タービ
ンとガスタービンの駆動による総発電量と負荷指令との
偏差がなくなるように、すなわち、偏差が０となるよう
にバイパスライン加減弁を徐々に閉じるとともに、ガス
タービンの入口側の圧力にしたがって、例えば、ガスタ
ービン入口側の圧力が設定圧力になるように、燃料電池
加減弁を開く制御を実行する。このような制御が行われ
ると、ガスタービン前のガスが燃料電池に流れてガスタ
ービン前の圧力が一定に保たれる。すなわち、プラント
負荷下降運転時に、ガスタービン前の圧力上昇分を燃料
電池で負担することにより、ガスタービン前圧力を一定
に制御することが可能になる。
【００１０】一方、プラント負荷上昇運転時には、プラ
ント負荷上昇運転に移行する前に、燃料電池加減弁を閉
じ、例えば、全閉状態にするとともに、バイパスライン
加減弁を開き、例えば、設定開度だけ開き、その後、プ
ラント負荷上昇運転に移行したときには、蒸気タービン
とガスタービンの駆動による総発電量と負荷指令との偏
差がなくなるように、すなわち偏差が０になるように、
バイパスライン加減弁を上昇運転移行前の開度から徐々
に開くとともに、蒸気タービンとガスタービンの駆動に
よる総発電量と負荷指令との偏差を補うように燃料電池
加減弁を開く制御を実行する。このような制御が行われ
ると、発電量を上昇させる負荷指令に対する発電量の遅
れを燃料電池の発電によって補うことができ、負荷指令
に対する発電量の追従性を向上させることができる。
【００１１】上記制御は手動操作によって行うことがで
きるとともに、加減弁制御手段によって自動的に行うこ
とができ、この加減弁制御手段としては、以下の要素を
備えたもので構成することができる。
【００１２】（１）加減弁制御手段は、前記ガス精製設
備で精製された精製ガスの圧力を測定する精製ガス圧力
測定手段と、前記精製ガス圧力測定手段の測定による圧
力と目標圧力値との偏差を算出する圧力偏差算出手段
と、前記圧力偏差算出手段の算出による偏差を零に抑制
するための圧力制御信号を生成し前記圧力制御信号に従
って前記燃料電池加減弁を開弁駆動する燃料電池加減弁
駆動手段と、前記ガスタービンと前記蒸気タービンの駆
動による発電量を測定するタービン発電量測定手段と、
前記燃料電池の発電量を測定する燃料電池発電量測定手
段と、前記タービン発電量測定手段の測定による発電量
と前記燃料電池発電量測定手段の測定による発電量との
総和と負荷指令による発電量との偏差を算出する発電量
偏差算出手段と、前記発電量偏差算出手段の算出による
偏差を零に抑制するための発電量制御信号を生成し前記
発電量制御信号に従って前記バイパスライン加減弁を閉
弁駆動するバイパスライン加減弁駆動手段とを備えてな
る。
【００１３】（２）加減弁制御手段は、前記ガスタービ
ンと前記蒸気タービンの駆動による発電量を測定するタ
ービン発電量測定手段と、前記燃料電池の発電量を測定
する燃料電池発電量測定手段と、前記タービン発電量測
定手段の測定による発電量と前記燃料電池発電量測定手
段の測定による発電量との総和と負荷指令による発電量
との偏差を算出する第１の発電量偏差算出手段と、前記
第１の発電量偏差算出手段の算出による偏差を零に抑制
するための第１の発電量制御信号を生成し前記第１の発
電量制御信号に従って前記燃料電池加減弁を開弁駆動す
る燃料電池加減弁駆動手段と、前記タービン発電量測定
手段の測定による発電量と負荷指令による発電量との偏
差を算出する第２の発電量偏差算出手段と、前記第２の
発電量偏差算出手段の算出による偏差を零に抑制するた
めの第２の発電量制御信号を生成し前記第２の発電量制
御信号に従って前記バイパスライン加減弁を開弁駆動す
るバイパスライン加減弁駆動手段とを備えてなる。
【００１４】（３）加減弁制御手段は、前記ガス精製設
備で精製された精製ガスの圧力を測定する精製ガス圧力
測定手段と、前記ガスタービンと前記蒸気タービンの駆
動による発電量を測定するタービン発電量測定手段と、
前記燃料電池の発電量を測定する燃料電池発電量測定手
段とを備えているとともに、プラント負荷上昇運転時に
前記燃料加減弁と前記バイパスライン加減弁を制御する
ための手段として、前記タービン発電量測定手段の測定
による発電量と前記燃料電池発電量測定手段の測定によ
る発電量との総和と負荷指令による発電量との偏差を算
出する第１の発電量偏差算出手段と、前記第１の発電量
偏差算出手段の算出による偏差を零に抑制するための第
１の発電量制御信号を生成し前記第１の発電量制御信号
に従って前記燃料電池加減弁を開弁駆動する第１の燃料
電池加減弁駆動手段と、前記タービン発電量測定手段の
測定による発電量と負荷指令による発電量との偏差を算
出する第２の発電量偏差算出手段と、前記第２の発電量
偏差算出手段の算出による偏差を零に抑制するための第
２の発電量制御信号を生成し前記第２の発電量制御信号
に従って前記バイパスライン加減弁を開弁駆動する第１
のバイパスライン加減弁駆動手段とを備え、プラント負
荷下降運転時に前記燃料加減弁と前記バイパスライン加
減弁を制御するための手段として、前記精製ガス圧力測
定手段の測定による圧力と目標圧力値との偏差を算出す
る圧力偏差算出手段と、前記圧力偏差算出手段の算出に
よる偏差を零に抑制するための圧力制御信号を生成し前
記圧力制御信号に従って前記燃料電池加減弁を開弁駆動
する第２の燃料電池加減弁駆動手段と、前記タービン発
電量測定手段の測定による発電量と前記燃料電池発電量
測定手段の測定による発電量との総和と負荷指令による
発電量との偏差を算出する第３の発電量偏差算出手段
と、前記第３の発電量偏差算出手段の算出による偏差を
零に抑制するための第３の発電量制御信号を生成し前記
第３の発電量制御信号に従って前記バイパスライン加減
弁を閉弁駆動する第２のバイパスライン加減弁駆動手段
とを備えてなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す
石炭ガス化燃料電池複合発電プラントの全体構成図であ
る。図１において、石炭ガス化燃料電池複合発電プラン
トは、石炭ガス化炉３、熱回収ボイラ５、ガス／ガス熱
交換器１０、ガス精製設備１２、燃料電池加減弁１５、
バイパスライン加減弁２４、溶融炭酸塩型燃料電池（Ｍ
ＣＦＣ）９７、燃焼器２２、ガスタービン２５、排熱回
収ボイラ２７、蒸気タービン３１などを備えて構成され
ている。
【００１６】石炭ガス化炉３、熱回収ボイラ５は、石炭
ガス化設備の一要素として耐圧容器６内に収納されてお
り、耐圧容器６内にはＮ２がパージされている。石炭ガ
ス化炉３は酸素供給加減弁１、石炭供給加減弁２を備え
ており、石炭ガス化炉３には、ガス化剤として酸素（Ｏ
２）が酸素供給加減弁１を介して投入されるとともに、
燃料として石炭（Ｃｏａｌ）が石炭供給加減弁２を介し
て投入されるようになっている。石炭ガス化炉３は、酸
素を含むガス化剤と石炭の供給を受けてこれらを燃焼さ
せ、一酸化炭素と水素を主成分とする粗ガスを発生し、
この粗ガスを配管４を通じて熱回収ボイラ５に送給する
ようになっている。熱回収ボイラ５は蒸気タービン３１
に接続された配管３２から給水を受けており、この給水
は粗ガスによって過熱され、排熱回収ボイラ５から蒸気
が発生するようになっている。排熱回収ボイラ５に供給
された粗ガスは配管７からチャーフィルタ８に送給さ
れ、粗ガス中に含まれるチャーなどがチャーフィルタ８
によって回収され、チャーなどが回収された粗ガスは配
管９からガス／ガス熱交換器１０、配管１１を通じてガ
ス精製設備１２に送給される。
【００１７】このガス精製設備１２は、例えば、塵やア
ンモニアなどを除去する水洗浄塔、微量金属を除去する
重金属吸収塔、硫黄分を吸収するＣＯＳ転化器と吸収塔
および再生塔などを備えて構成されており、導入された
粗ガス中の塵や微量金属、硫黄分などを除去して精製ガ
スを配管１３に出力するようになっている。配管１３内
の精製ガスはガス／ガス熱交換器１０を通じて配管１４
とバイパスライン２３に送給されるようになっている。
配管１４は配管１７とともに主ラインを構成し、この主
ラインの途中には燃料電池加減弁１５と精密脱流器１６
が挿入されている。燃料電池加減弁１５は、後述する制
御装置からの指令にしたがって精製ガスの流量を制御す
るように構成されている。この燃料電池加減弁１５から
排出される精製ガスは精密脱流器１６で硫黄分が更に除
去され、配管１７を介して燃料電池９７のアノード側に
送給されるようになっている。
【００１８】溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）９７
は、アノード１８とカソード２０を備え、アノード１８
とカソード２０とが配管１９を介して接続されていると
ともに、アノード１８とカソード２０間に溶融炭酸塩を
含浸した電解質板が配置されている。さらに、カソード
２０の外側にはセパレータ（図示省略）が設けられてお
り、精製ガスを燃料ガスとして発電し、この発電による
電力を燃料電池側発電設備９８に送給するようになって
いる。燃料電池側発電設備９８は、例えば、燃料電池９
７の発電による直流電力を交流電力に変換するインバー
タなどを備えて構成されている。また燃料電池９７のカ
ソード９０側には配管２１が接続されており、燃料電池
９７から排出される排出ガスは配管２１を介して燃料器
２２に送給されるようになっている。
【００１９】この燃焼器２２には、配管１４から分岐し
たバイパスライン２３が接続されており、燃焼器２２に
は、ガス／ガス熱交換器１０からの精製ガスがバイパス
ライン２３、バイパスライン加減弁２４を介して導入さ
れるようになっている。バイパスライン加減弁２４は、
制御装置からの指令にしたがってその開度が調整され、
その開度に応じて精製ガスの流量を制御するように構成
されている。また、燃焼器２２は、燃料電池９７から排
出される排出ガスとバイパスライン２３からの精製ガス
とを導入し、導入したガスを燃焼し、この燃焼による燃
焼ガスをガスタービン２５に送給するようになってい
る。
【００２０】ガスタービン２５は、燃焼器２２から排出
される燃焼ガスによって発電設備９９としての発電機を
回転駆動して発電し、燃焼ガスを配管２６を介して排熱
回収ボイラ２７に送給するようになっている。排熱回収
ボイラ２７は配管２６から燃焼ガスを導入するとともに
配管３３から蒸気を導入し、導入した蒸気をガスタービ
ン２５からの排出ガス（燃焼ガス）の排気熱で過熱して
過熱蒸気を発生する熱回収設備として構成されており、
過熱蒸気を配管３０を介して蒸気タービン３１に送給す
るようになっている。蒸気タービン３１は過熱蒸気によ
り発電設備９９としての発電機を駆動して発電するよう
になっている。蒸気タービン３１から排出される蒸気は
配管３２を介して熱回収ボイラ５で再び過熱され、配管
３３を通じて再び排熱回収ボイラ２７に送給されるよう
になっている。なお、排熱回収ボイラ２７で熱を回収さ
れた燃焼ガスは配管２８を通じて排気設備２９からプラ
ント外に排出されるようになっている。
【００２１】ここで、本実施形態においては、酸素供給
加減弁１、石炭供給加減弁２、燃料電池加減弁１５、バ
イパスライン加減弁２４を負荷指令と発電量に基づいて
制御する制御装置が設けられている。この制御装置は、
図２に示すように、発電量測定器４６、４７、圧力計４
１、制御演算器４３、第１ＰＩ（比例積分）制御器４
４、第２ＰＩ制御器５４、第３ＰＩ制御器５６、第４Ｐ
Ｉ制御器５７、酸素／石炭設定器５８を備えて構成され
ている。
【００２２】発電量測定器４６は、燃料電池９７の発電
量を測定する燃料電池発電量測定手段として構成されて
おり、発電量測定器４７は、ガスタービン２５と蒸気タ
ービン３１の駆動による発電量を測定するタービン発電
量測定手段として構成されている。圧力計４１は、ガス
精製設備１２で精製された精製ガスの圧力として、ガス
／ガス熱交換器１０の出口側における精製ガスの圧力を
測定する精製ガス圧力測定手段として構成されている。
制御演算器４３は、加算器４９ａ、４９ｂ、減算器４３
ａ、４３ｂを備えており、運転指令５２にしたがって制
御系を構成するようになっている。例えば、プラント負
荷上昇運転時とプラント負荷下降運転時には、運転指令
５２に従って、各加算器や各減算器の組み合わせを切り
換え、この切り換えによって組み合わされた回路に基
に、目標圧力４２と圧力計４１の測定値との偏差を算出
したり、あるいは負荷指令４８で指定された発電量と各
発電量測定器４６、４７で測定された発電量との偏差な
どを求め、演算結果を各ＰＩ制御器に出力するようにな
っている。
【００２３】具体的には、プラント負荷下降運転時に
は、図３に示すように、圧力計４１の出力を減算器４３
ａを介して第１ＰＩ制御器４４に接続し、発電量測定器
４６、４７の出力を加算器４９ａ、減算器４３ｂを介し
て第２ＰＩ制御器５４に接続し、更に減算器４３ａ、４
３ｂの出力をそれぞれ加算器４９ｂを介して第３ＰＩ制
御器５６に接続するようになっている。
【００２４】この場合、減算器４３ａは圧力計４１の測
定による圧力と目標圧力値４２との偏差を算出する圧力
偏差算出手段として構成されており、第１ＰＩ制御器４
４は、減算器４３ａの算出による偏差を０に抑制するた
めの圧力制御信号として、燃料電池加減弁指令４５を生
成し、燃料電池加減弁指令４５にしたがって燃料電池加
減弁１５を開弁駆動する燃料電池加減弁駆動手段として
構成されている。
【００２５】一方、加算器４９ａは発電量測定器４６の
測定による発電量と発電量測定器４７の測定による発電
量とを加算し、減算器４３ｂは加算器４９ａの算出値
（ガスタービン２５と蒸気タービン３１の駆動による発
電量の総和）と負荷指令４８で指定され発電量との偏差
を算出するようになっている。すなわち加算器４９ａ、
減算器４３ｂは発電量偏差算出手段として構成されてい
る。更に第２ＰＩ制御器５４は、減算器４３ｂの算出に
よる偏差を零に抑制するための発電量制御信号として、
バイパスライン加減弁指令５０を生成し、バイパスライ
ン加減弁指令５０にしたがってバイパスライン加減弁２
４を閉弁駆動するバイパスライン加減弁駆動手段として
構成されている。また、加算器４９ｂは減算器４３ａ、
４３ｂの算出による偏差をそれぞれ加算し、加算された
偏差を第３ＰＩ制御器５６に出力する偏差加算手段とし
て構成されている。第３ＰＩ制御器５６は加算器４９ｂ
の算出による偏差にしたがった制御信号を生成し、この
制御信号にしたがって酸素供給加減弁１、石炭供給加減
弁２の弁開度を制御するように構成されている。
【００２６】上記構成において、通常運転時には、燃料
電池加減弁１５が開かれ、バイパスライン加減弁２４が
閉じられた状態で燃料電池９７による発電が行われると
ともに、ガスタービン２５と蒸気タービン３１の駆動に
よる発電が行われる。
【００２７】このような運転が行われている過程で、プ
ラント負荷の変動に伴ってプラント負荷下降運転が指令
されると、プラント負荷下降運転が行われる。この場
合、プラント負荷の下降に伴ってそのまま石炭供給量を
減少させると、図４に示すように、石炭供給量の減少に
より石炭ガス化炉３の圧力が低下し、石炭ガス化炉３の
耐圧容器６からの窒素ガスが配管７内に混入し、ガスタ
ービン前の圧力が上昇し、ガスタービン前の圧力を一定
に制御することが困難になる。
【００２８】そこで、本実施形態においては、プラント
負荷下降運転に移行するに先立って、燃料電池加減弁１
５を全閉状態にするとともにバイパスライン加減弁２４
を設定開度まで開き、ガス精製設備１２からの精製ガス
をバイパスライン２３を介してのみ燃焼器２２に送給す
る。この後、プラント負荷下降運転に移行し、図３に示
す制御系が構成される。
【００２９】すなわち、プラント負荷下降運転に入る
と、ガス／ガス熱交換器１０を通過した精製ガスの圧力
が圧力計４１によって測定されるとともに、圧力計４１
の測定値とガスタービン前圧力の基準値となる目標圧力
値４２との偏差が減算器４３ａによって算出される。こ
の偏差がＰＩ制御器４０に入力されると、ＰＩ制御器４
４おいては偏差が０になるように、つまり、ガス／ガス
熱交換器１０の出口圧力を目標圧力値４２に一致させる
ための燃料電池加減弁指令４５が生成される。そして、
燃料電池加減弁指令４５にしたがって燃料電池加減弁１
５の開度が調整され、この開度によって精製ガスの流量
が制御される。燃料加減弁１５の制御による精製ガスが
燃料電池９７に流れることで、ガスタービン前の圧力が
一定に保たれる。すなわち、ガスタービン前の圧力上昇
分を燃料電池９７で負担することによりガスタービン前
圧力を一定に制御することが可能になる。
【００３０】一方、このとき加算器４９ａ、減算器４３
ｂにおいて現在の総発電量と負荷指令４８で指定された
発電量との偏差が求められ、この偏差に応じたバイパス
ライン加減弁指令５０がバイパスライン加減弁２４に出
力され、バイパスライン加減弁２４が徐々に閉じられ
る。これによりガスタービン２５と蒸気タービン３１の
駆動による総発電量が徐々に低下することになる。さら
に、減算器４３ａと減算器４３ｂの算出による偏差の総
和にしたがった設定量がＰＩ制御器５６で生成され、Ｐ
Ｉ制御器５６の生成による制御信号が設定器５８に入力
される。そして、設定器５８において制御信号に従って
酸素供給加減弁指令５９と石炭供給加減弁指令６０が生
成されると、各指令にしたがって酸素供給加減弁１と石
炭供給加減弁２の開度が調整され、石炭ガス化炉３に対
する酸素と燃料の供給量が制御される。すなわち、減算
器４３ａ、４３ｂから偏差が出力されている間は酸素と
燃料を減量するための制御が行われる。この場合、設定
器５８においては、セットされた酸素と石炭との比率か
ら酸素供給量と石炭供給量が算出され、この算出値にし
たがって酸素供給加減弁指令５９と石炭供給加減弁指令
６０が生成される。
【００３１】なお、プラント負荷下降運転時において
は、耐圧容器６の容量分の流入による圧力増加分は２ａ
ｔｍであり、この圧力は、燃料電池９７の運転圧力であ
る５ａｔｍよりも低いたいめ、アノード１８とカソード
２０との間の差圧によって燃料電池９７の寿命低下を起
こすことなく、ガスタービン２５内の圧力を一定に制御
することができる。
【００３２】次に、プラント負荷の変動に伴うプラント
負荷上昇運転時には、図５に示す制御系が構成される。
すなわち、発電量測定器４６が加算器４９ａ、減算器４
３ａを介して第１ＰＩ制御器４４、第４ＰＩ制御器５７
に接続されるとともに、発電量測定器４７が加算器４９
ａ、減算器４３ｂに接続され、減算器４３ｂが第２ＰＩ
制御器５４に接続される。さらに負荷指令４８が減算器
４３ｂと減算器４３ａに入力される。そして、加算器４
９ａおいては、各発電量測定器４６、４７の測定による
発電量の総和が求められ、減算器４３ａにおいては、燃
料電池９７と各タービンの駆動による発電量を含む全体
の発電量と負荷指令４８で指定された発電量との偏差が
求められる。すなわち、加算器４９ａ、減算器４３ａは
発電量測定器４６、４７の測定による各発電量の総和と
負荷指令４８による発電量との偏差を算出する発電量偏
差算出手段として構成されている。そして第１ＰＩ制御
器４４は減算器４３ａの算出による偏差を零に抑制する
ための発電量制御信号として、燃料電池加減弁指令４５
を生成し、この指令４５にしたがって燃料電池加減弁１
５を開弁駆動する燃料電池加減弁駆動手段として構成さ
れている。さらに、第４ＰＩ制御器５７は減算器４３ａ
の算出による偏差にしたがった設定値を算出し、算出値
を設定器５８に出力するようになっている。そして設定
器５８は、セットされた酸素と石炭との比率から酸素供
給量と石炭供給量を算出し、この算出値にしたがった酸
素供給加減弁指令５９と石炭供給加減弁指令６０を生成
し、各指令にしたがって酸素供給加減弁１、石炭供給加
減弁２の開度を制御するようになっている。
【００３３】また、減算器４３ｂは発電量測定器４７の
測定による発電量（ガスタービン２５と蒸気タービン３
１の駆動による発電量）と負荷指令４８で指定された発
電量との偏差を求め、この偏差を第２ＰＩ制御器５４に
出力する発電量偏差算出手段として構成されている。第
２ＰＩ制御器５４は減算器４３ｂの算出による偏差を零
に抑制するための発電量制御信号として、バイパスライ
ン加減弁指令５０を生成し、この指令にしたがってバイ
パスライン加減弁２４を開弁駆動するバイパスライン加
減弁駆動手段として構成されている。
【００３４】ここで、通常運転状態からプラント負荷上
昇運転に移行するに際して、石炭供給量を単に増加した
だけでは、プラントの時定数が大きいため、応答時間の
遅れが大きくなり、図６に示すように、負荷指令に対し
て発電量がアンダーシュートとなって負荷追従性が悪く
なる。逆に、応答性を向上させるために、負荷指令に対
して急速に発電量を追従させようとすると、オーバーシ
ュートとなり、逆潮流が生じる。
【００３５】そこで、本実施形態においては、通常運転
状態からプラント負荷上昇運転に移行するに先立って、
まず、バイパスライン加減弁２４を設定開度まで開くと
ともに燃料電池加減弁１５を全閉状態にする。この後、
プラント負荷上昇運転に移行し、図５に示す制御系を構
成する。そして加算器４９ａと減算器４３ａの演算によ
り燃料電池９７の発電量と各タービンの総発電量との総
和を示す全体の発電量を求めるとともに、全体の発電量
と負荷指令４８で指定された発電量との偏差を求め、こ
の偏差にしたがったＰＩ（比例積分）制御演算を各ＰＩ
制御器４４、５７によって行う。そして燃料電池加減弁
指令４５にしたがって燃料電池加減弁１５の開度が調整
される。この場合、燃料電池加減弁１５は各タービンの
駆動による総発電量と負荷指令で指定された発電量との
偏差を補うように、すなわち、不足分の発電量を補うよ
うに開度が調整される。燃料電池加減弁１５の開度に応
じた精製ガスが燃料電池９７に送給されることで、燃料
電池９７による発電が行われるとともに、石炭供給量を
増量するための制御が行われる。またこのとき、バイパ
スライン加減弁２４に対しては、ガスタービン２５と蒸
気タービン３１の駆動による発電量と負荷指令４８で指
定された発電量との偏差が減算器４３で求められ、この
偏差にしたがったバイパスライン加減弁指令５０が第２
ＰＩ制御器５４から出力される。これにより、バイパス
ライン加減弁２４は、バイパスライン加減弁指令５０に
したがって上昇運転移行前の開度から徐々に開かれる。
この結果、負荷指令４８に追従してガスタービン２５の
駆動による発電量が増加するとともに蒸気タービン３１
の駆動による発電量が増加することになる。
【００３６】このように、本実施形態においては、プラ
ント負荷上昇運転時には、アンダーシュートによる負荷
の遅れを燃料電池９７の発電で補うようにしているた
め、負荷指令に対する発電量の追従性を向上させること
ができる。
【００３７】前記実施形態においては、燃料電池１９と
して、溶融炭酸塩型燃料電池を用いたものについて述べ
たが、燃料電池として他の燃料電池、例えば、固体電解
質型燃料電池を用いることもできる。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
プラント負荷の変動時に、燃料電池加減弁とバイパスラ
イン加減弁の弁動作を制御することで、プラント負荷の
変動時に負荷指令に追従させて発電量を適切に制御する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す石炭ガス化燃料電池
複合発電プラントの全体構成図である。
【図２】制御装置のブロック構成図である。
【図３】プラント負荷下降運転時における制御系の構成
図である。
【図４】プラント負荷下降運転時におけるガスタービン
前圧力の時間変化特性を説明するための図である。
【図５】プラント負荷上昇運転時における制御系の構成
図である。
【図６】プラント負荷上昇運転時における負荷指令と負
荷の時間変化との関係を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 酸素供給加減弁 ２ 石炭供給加減弁 ３ 石炭ガス化炉 ５ 熱回収ボイラ １０ ガス／ガス熱交換器 １２ ガス精製設備 １５ 燃料電池加減弁 ２２ 燃焼器 ２３ バイパスライン ２４ バイパスライン加減弁 ２５ ガスタービン ２７ 排熱回収ボイラ ３１ 蒸気タービン ４３ａ、４３ｂ 減算器 ４９ａ、４９ｂ 加算器 ９７ 溶融炭酸塩型燃料電池
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｃ 3/28 Ｆ０２Ｃ 3/28 9/28 9/28 Ｃ Ｈ０１Ｍ 8/00 Ｈ０１Ｍ 8/00 Ｚ 8/04 8/04 Ｊ Ｐ 8/06 8/06 Ｂ (72)発明者 片桐 幸徳 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 木曽 文彦 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 山田 昭彦 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 長崎 伸男 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所火力・水力事業部内 (72)発明者 辻口 聡 東京都中央区銀座六丁目15番１号 電源開 発株式会社内 (72)発明者 大川 正文 東京都中央区銀座六丁目15番１号 電源開 発株式会社内 Ｆターム(参考） 3G081 BA02 BA11 BA20 BB00 BC07 BD00 DA06 DA14 DA22 DA30 5H027 AA02 BA09 DD02 KK52 MM01 MM09

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 酸素を含むガス化剤と石炭の供給を受け
    てこれらを燃焼させるとともに燃焼に伴って発生する石
    炭の粗ガスの熱により蒸気を発生する石炭ガス化設備
    と、前記石炭ガス化設備で発生した粗ガスを精製するガ
    ス精製設備と、前記ガス精製設備で精製された精製ガス
    を主ラインを介して導入しこの精製ガスを燃料ガスとし
    て発電する燃料電池と、前記ガス精製設備で精製された
    精製ガスを前記主ラインから分岐したバイパスラインを
    介して導入するとともに前記燃料電池から排出される排
    出ガスを導入し、導入したガスを燃焼する燃焼器と、前
    記主ラインを流れる精製ガスの流量を制御する燃料電池
    加減弁と、前記バイパスラインを流れる精製ガスの流量
    を制御するバイパスライン加減弁と、前記燃焼器から排
    出される排出ガスにより発電機を駆動するガスタービン
    と、前記石炭ガス化設備から発生した蒸気を前記ガスタ
    ービンから排出される排出ガスの排気熱で過熱して過熱
    蒸気を発生する熱回収設備と、前記熱回収設備から発生
    した過熱蒸気により発電機を駆動する蒸気タービンとを
    備えてなる石炭ガス化燃料電池複合発電プラント。
  2. 【請求項２】 酸素を含むガス化剤と石炭の供給を受け
    てこれらを燃焼させるとともに燃焼に伴って発生する石
    炭の粗ガスの熱により蒸気を発生する石炭ガス化設備
    と、前記石炭ガス化設備で発生した粗ガスを精製するガ
    ス精製設備と、前記ガス精製設備で精製された精製ガス
    を主ラインを介して導入しこの精製ガスを燃料ガスとし
    て発電する燃料電池と、前記ガス精製設備で精製された
    精製ガスを前記主ラインから分岐したバイパスラインを
    介して導入するとともに前記燃料電池から排出される排
    出ガスを導入し、導入したガスを燃焼する燃焼器と、前
    記主ラインを流れる精製ガスの流量を制御する燃料電池
    加減弁と、前記バイパスラインを流れる精製ガスの流量
    を制御するバイパスライン加減弁と、前記燃焼器から排
    出される排出ガスにより発電機を駆動するガスタービン
    と、前記石炭ガス化設備から発生した蒸気を前記ガスタ
    ービンから排出される排出ガスの排気熱で過熱して過熱
    蒸気を発生する熱回収設備と、前記熱回収設備から発生
    した過熱蒸気により発電機を駆動する蒸気タービンと、
    負荷指令と発電量に基づいて前記燃料電池加減弁と前記
    バイパスライン加減弁の弁動作を制御する加減弁制御手
    段とを備え、前記加減弁制御手段は、プラント負荷下降
    運転に移行する前に、前記燃料電池加減弁を閉じるとと
    もに前記バイパスライン加減弁を開き、その後プラント
    負荷下降運転に移行したときには、前記各タービンの駆
    動による総発電量と負荷指令との偏差がなくなるように
    前記バイパスライン加減弁を徐々に閉じるとともに、前
    記ガスタービンの入口側の圧力に従って前記燃料電池加
    減弁を開く制御を実行してなる石炭ガス化燃料電池複合
    発電プラント。
  3. 【請求項３】 酸素を含むガス化剤と石炭の供給を受け
    てこれらを燃焼させるとともに燃焼に伴って発生する石
    炭の粗ガスの熱により蒸気を発生する石炭ガス化設備
    と、前記石炭ガス化設備で発生した粗ガスを精製するガ
    ス精製設備と、前記ガス精製設備で精製された精製ガス
    を主ラインを介して導入しこの精製ガスを燃料ガスとし
    て発電する燃料電池と、前記ガス精製設備で精製された
    精製ガスを前記主ラインから分岐したバイパスラインを
    介して導入するとともに前記燃料電池から排出される排
    出ガスを導入し、導入したガスを燃焼する燃焼器と、前
    記主ラインを流れる精製ガスの流量を制御する燃料電池
    加減弁と、前記バイパスラインを流れる精製ガスの流量
    を制御するバイパスライン加減弁と、前記燃焼器から排
    出される排出ガスにより発電機を駆動するガスタービン
    と、前記石炭ガス化設備から発生した蒸気を前記ガスタ
    ービンから排出される排出ガスの排気熱で過熱して過熱
    蒸気を発生する熱回収設備と、前記熱回収設備から発生
    した過熱蒸気により発電機を駆動する蒸気タービンと、
    負荷指令と発電量に基づいて前記燃料電池加減弁と前記
    バイパスライン加減弁の弁動作を制御する加減弁制御手
    段とを備え、前記加減弁制御手段は、プラント負荷上昇
    運転に移行する前に、前記燃料電池加減弁を閉じるとと
    もに前記バイパスライン加減弁を開き、その後プラント
    負荷上昇運転に移行したときには、前記各タービンの駆
    動による総発電量と負荷指令との偏差がなくなるように
    前記バイパスライン加減弁を上昇運転移行前の開度から
    徐々に開くとともに、前記各タービンの駆動による総発
    電量と負荷指令との偏差を補うように前記燃料電池加減
    弁を開く制御を実行してなる石炭ガス化燃料電池複合発
    電プラント。
  4. 【請求項４】 酸素を含むガス化剤と石炭の供給を受け
    てこれらを燃焼させるとともに燃焼に伴って発生する石
    炭の粗ガスの熱により蒸気を発生する石炭ガス化設備
    と、前記石炭ガス化設備で発生した粗ガスを精製するガ
    ス精製設備と、前記ガス精製設備で精製された精製ガス
    を主ラインを介して導入しこの精製ガスを燃料ガスとし
    て発電する燃料電池と、前記ガス精製設備で精製された
    精製ガスを前記主ラインから分岐したバイパスラインを
    介して導入するとともに前記燃料電池から排出される排
    出ガスを導入し、導入したガスを燃焼する燃焼器と、前
    記主ラインを流れる精製ガスの流量を制御する燃料電池
    加減弁と、前記バイパスラインを流れる精製ガスの流量
    を制御するバイパスライン加減弁と、前記燃焼器から排
    出される排出ガスにより発電機を駆動するガスタービン
    と、前記石炭ガス化設備から発生した蒸気を前記ガスタ
    ービンから排出される排出ガスの排気熱で過熱して過熱
    蒸気を発生する熱回収設備と、前記熱回収設備から発生
    した過熱蒸気により発電機を駆動する蒸気タービンと、
    負荷指令と発電量に基づいて前記燃料電池加減弁と前記
    バイパスライン加減弁の弁動作を制御する加減弁制御手
    段とを備え、前記加減弁制御手段は、プラント負荷の変
    更による運転に移行する前に、前記燃料電池加減弁を閉
    じるとともに前記バイパスライン加減弁を開き、その後
    プラント負荷下降運転に移行したときには、前記各ター
    ビンの駆動による総発電量と負荷指令との偏差がなくな
    るように前記バイパスライン加減弁を徐々に閉じるとと
    もに、前記ガスタービンの入口側の圧力に従って前記燃
    料電池加減弁を開く制御を実行し、逆に、その後プラン
    ト負荷上昇運転に移行したときには、前記各タービンの
    駆動による総発電量と負荷指令との偏差がなくなるよう
    に前記バイパスライン加減弁をプラント負荷上昇運転移
    行前の開度から徐々に開くとともに、前記各タービンの
    駆動による総発電量と負荷指令との偏差を補うように前
    記燃料電池加減弁を開く制御を実行してなる石炭ガス化
    燃料電池複合発電プラント。
  5. 【請求項５】 請求項２に記載の石炭ガス化燃料電池複
    合発電プラントにおいて、前記加減弁制御手段は、前記
    ガス精製設備で精製された精製ガスの圧力を測定する精
    製ガス圧力測定手段と、前記精製ガス圧力測定手段の測
    定による圧力と目標圧力値との偏差を算出する圧力偏差
    算出手段と、前記圧力偏差算出手段の算出による偏差を
    零に抑制するための圧力制御信号を生成し前記圧力制御
    信号に従って前記燃料電池加減弁を開弁駆動する燃料電
    池加減弁駆動手段と、前記ガスタービンと前記蒸気ター
    ビンの駆動による発電量を測定するタービン発電量測定
    手段と、前記燃料電池の発電量を測定する燃料電池発電
    量測定手段と、前記タービン発電量測定手段の測定によ
    る発電量と前記燃料電池発電量測定手段の測定による発
    電量との総和と負荷指令による発電量との偏差を算出す
    る発電量偏差算出手段と、前記発電量偏差算出手段の算
    出による偏差を零に抑制するための発電量制御信号を生
    成し前記発電量制御信号に従って前記バイパスライン加
    減弁を閉弁駆動するバイパスライン加減弁駆動手段とを
    備えてなることを特徴とする石炭ガス化燃料電池複合発
    電プラント。
  6. 【請求項６】 請求項３に記載の石炭ガス化燃料電池複
    合発電プラントにおいて、前記加減弁制御手段は、前記
    ガスタービンと前記蒸気タービンの駆動による発電量を
    測定するタービン発電量測定手段と、前記燃料電池の発
    電量を測定する燃料電池発電量測定手段と、前記タービ
    ン発電量測定手段の測定による発電量と前記燃料電池発
    電量測定手段の測定による発電量との総和と負荷指令に
    よる発電量との偏差を算出する第１の発電量偏差算出手
    段と、前記第１の発電量偏差算出手段の算出による偏差
    を零に抑制するための第１の発電量制御信号を生成し前
    記第１の発電量制御信号に従って前記燃料電池加減弁を
    開弁駆動する燃料電池加減弁駆動手段と、前記タービン
    発電量測定手段の測定による発電量と負荷指令による発
    電量との偏差を算出する第２の発電量偏差算出手段と、
    前記第２の発電量偏差算出手段の算出による偏差を零に
    抑制するための第２の発電量制御信号を生成し前記第２
    の発電量制御信号に従って前記バイパスライン加減弁を
    開弁駆動するバイパスライン加減弁駆動手段とを備えて
    なることを特徴とする石炭ガス化燃料電池複合発電プラ
    ント。
  7. 【請求項７】 請求項４に記載の石炭ガス化燃料電池複
    合発電プラントにおいて、前記加減弁制御手段は、前記
    ガス精製設備で精製された精製ガスの圧力を測定する精
    製ガス圧力測定手段と、前記ガスタービンと前記蒸気タ
    ービンの駆動による発電量を測定するタービン発電量測
    定手段と、前記燃料電池の発電量を測定する燃料電池発
    電量測定手段とを備えているとともに、プラント負荷上
    昇運転時に前記燃料加減弁と前記バイパスライン加減弁
    を制御するための手段として、前記タービン発電量測定
    手段の測定による発電量と前記燃料電池発電量測定手段
    の測定による発電量との総和と負荷指令による発電量と
    の偏差を算出する第１の発電量偏差算出手段と、前記第
    １の発電量偏差算出手段の算出による偏差を零に抑制す
    るための第１の発電量制御信号を生成し前記第１の発電
    量制御信号に従って前記燃料電池加減弁を開弁駆動する
    第１の燃料電池加減弁駆動手段と、前記タービン発電量
    測定手段の測定による発電量と負荷指令による発電量と
    の偏差を算出する第２の発電量偏差算出手段と、前記第
    ２の発電量偏差算出手段の算出による偏差を零に抑制す
    るための第２の発電量制御信号を生成し前記第２の発電
    量制御信号に従って前記バイパスライン加減弁を開弁駆
    動する第１のバイパスライン加減弁駆動手段とを備え、
    プラント負荷下降運転時に前記燃料加減弁と前記バイパ
    スライン加減弁を制御するための手段として、前記精製
    ガス圧力測定手段の測定による圧力と目標圧力値との偏
    差を算出する圧力偏差算出手段と、前記圧力偏差算出手
    段の算出による偏差を零に抑制するための圧力制御信号
    を生成し前記圧力制御信号に従って前記燃料電池加減弁
    を開弁駆動する第２の燃料電池加減弁駆動手段と、前記
    タービン発電量測定手段の測定による発電量と前記燃料
    電池発電量測定手段の測定による発電量との総和と負荷
    指令による発電量との偏差を算出する第３の発電量偏差
    算出手段と、前記第３の発電量偏差算出手段の算出によ
    る偏差を零に抑制するための第３の発電量制御信号を生
    成し前記第３の発電量制御信号に従って前記バイパスラ
    イン加減弁を閉弁駆動する第２のバイパスライン加減弁
    駆動手段とを備えてなることを特徴とする石炭ガス化燃
    料電池複合発電プラント。
  8. 【請求項８】 酸素を含むガス化剤と石炭の供給を受け
    てこれらを燃焼させるとともに燃焼に伴って発生する石
    炭の粗ガスの熱により蒸気を発生する石炭ガス化設備
    と、前記石炭ガス化設備で発生した粗ガスを精製するガ
    ス精製設備と、前記ガス精製設備で精製された精製ガス
    を主ラインを介して導入しこの精製ガスを燃料ガスとし
    て発電する燃料電池と、前記ガス精製設備で精製された
    精製ガスを前記主ラインから分岐したバイパスラインを
    介して導入するとともに前記燃料電池から排出される排
    出ガスを導入し、導入したガスを燃焼する燃焼器と、前
    記主ラインを流れる精製ガスの流量を制御する燃料電池
    加減弁と、前記バイパスラインを流れる精製ガスの流量
    を制御するバイパスライン加減弁と、前記燃焼器から排
    出される排出ガスにより発電機を駆動するガスタービン
    と、前記石炭ガス化設備から発生した蒸気を前記ガスタ
    ービンから排出される排出ガスの排気熱で過熱して過熱
    蒸気を発生する熱回収設備と、前記熱回収設備から発生
    した過熱蒸気により発電機を駆動する蒸気タービンとを
    備えた石炭ガス化燃料電池複合発電プラントを運転する
    に際して、プラント負荷一定時には前記燃料電池加減弁
    を開くとともに、前記バイパスライン加減弁を閉じ、プ
    ラント負荷変動時には、プラント負荷の変更による運転
    に移行する前に、前記燃料電池加減弁を閉じるとともに
    前記バイパスライン加減弁を開き、その後プラント負荷
    下降運転に移行したときには、前記各タービンの駆動に
    よる総発電量と負荷指令との偏差がなくなるように前記
    バイパスライン加減弁を徐々に閉じるとともに、前記ガ
    スタービンの入口側の圧力が一定になるように前記燃料
    電池加減弁を開き、逆に、その後プラント負荷上昇運転
    に移行したときには、前記各タービンの駆動による総発
    電量と負荷指令との偏差がなくなるように前記バイパス
    ライン加減弁をプラント負荷上昇運転移行前の開度から
    徐々に開くとともに、前記各タービンの駆動による総発
    電量と負荷指令との偏差を補うように前記燃料電池加減
    弁を開くことを特徴とする石炭ガス化燃料電池複合発電
    プラントの運転方法。
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