JP2014099297A - 発電システム及び発電システムの運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】発電システム及び発電システムの運転方法において、ＳＯＦＣから排出される排空気の熱を効率よく利用することができること。
【解決手段】ガスタービン２３と、燃料電池１３と、排空気流通ライン３４と、排燃料ガス供給ライン４３と、高圧タービン５２Ｈ、中圧タービン５２Ｉ及び低圧タービン５２Ｌを備えるタービン５２と、高圧蒸気循環機構、中圧蒸気循環機構及び低圧蒸気循環機構を備える排熱回収ボイラと、高圧蒸気循環機構または中圧蒸気循環機構で排ガスとの熱交換を行いタービンに向かって流れている蒸気と、排空気流通ラインを流れる排ガスと、の間で熱交換を行い、蒸気を昇温させ、排ガスを減温させる少なくとも１つの排空気用熱交換器９１と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた発電システム及び発電システムの運転方法に関するものである。
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下ＳＯＦＣ）は、用途の広い高効率な燃料電池として知られている。このＳＯＦＣは、イオン導電率を高めるために作動温度が高くされているので、ガスタービンの圧縮機から吐出された空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用することができる。また、ＳＯＦＣは、利用できなかった高温の燃料をガスタービンの燃焼器に燃料として使用することができる。
このため、例えば、下記特許文献１に記載されるように、高効率発電を達成することができる発電システムとして、ＳＯＦＣとガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたものが各種提案されている。この特許文献１に記載されたコンバインドシステムは、ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣから排出された排燃料ガスと排出空気とを燃焼するガスタービン燃焼器と、空気を圧縮してＳＯＦＣに供給する圧縮機を有するガスタービンとを設けたものである。
また、特許文献２には、ＳＯＦＣから排出された排空気をＳＯＦＣに供給する空気と熱交換させた後、排熱回収ボイラの配管との間と熱交換し、排空気の熱を排熱回収ボイラの発電に利用することが記載されている。
特開２００９−２０５９３０号公報 特開平１１−２９７３３６号公報
上述した従来の発電システムは、ＳＯＦＣから排空気として、高温に過熱された空気が排出される。特許文献１では、排空気と各種熱交換を行い、排空気に含まれる熱を回収している。ここで、発電システムでは、効率の向上が望まれており、排空気の利用方法に改善の余地がある。
本発明は、上述した課題を解決するものであり、ＳＯＦＣから排出される排空気の熱を効率よく利用することができる発電システム及び発電システムの運転方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本発明の発電システムは、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排空気を前記ガスタービンに供給する排空気流通ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記ガスタービンに供給する排燃料ガス供給ラインと、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンとを備えるタービンと、前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収して蒸気を生成し、生成した蒸気を前記高圧タービンに供給する高圧蒸気循環機構、前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収し、前記高圧蒸気循環機構よりも圧力の低い蒸気を生成し、生成した蒸気を前記中圧タービンに供給する中圧蒸気循環機構及び前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収し、前記中圧蒸気循環機構よりも圧力の低い蒸気を生成し、生成した蒸気を前記低圧タービンに供給する低圧蒸気循環機構を備える排熱回収ボイラと、前記高圧蒸気循環機構または前記中圧蒸気循環機構で前記排ガスとの熱交換を行い前記タービンに向かって流れている蒸気と、前記排空気流通ラインを流れる排ガスと、の間で熱交換を行い、前記蒸気を昇温させ、前記排ガスを減温させる少なくとも１つの排空気用熱交換器と、を有することを特徴とする。
従って、高圧蒸気循環機構または中圧蒸気循環機構で過熱された蒸気との間で熱交換を行い、排空気を減温することで、排空気を大きく減温することを抑制しつつ、減温することができる。これにより、比較的高温の状態を維持してガスタービンに供給することができ、排空気に含まれる熱をガスタービン及び排熱回収ボイラの両方で回収することができる。これにより、利用効率を向上させることができる。また、排空気を減温させることで、排空気流通ラインにかかる負担を小さくすることができる。
本発明の発電システムでは、前記高圧蒸気循環機構は、高圧過熱器を備え、前記排空気用熱交換器は、前記高圧過熱器で過熱された蒸気と前記排空気との間で熱交換を行い、前記高圧蒸気循環機構を流れる蒸気は、前記排空気用熱交換器で熱交換された後、前記高圧タービンに供給されることを特徴とする。
従って、排空気を大きく減温することを抑制しつつ、減温することができる。
本発明の発電システムでは、前記ガスタービンに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記高圧蒸気循環機構で前記排ガスとの熱交換を行い前記タービンに向かって流れている蒸気と、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスとの間で熱交換を行い、前記蒸気を減温させ、前記燃料ガスを昇温させる少なくとも１つの燃料ガス用熱交換器と、を有し、前記高圧蒸気循環機構を流れる蒸気は、前記燃料ガス用熱交換器で熱交換された後、前記排空気用熱交換器で熱交換され、その後、前記高圧タービンに供給されるころを特徴とする。
従って、排空気を大きく減温することを抑制しつつ、減温することができる。また、燃料ガスを昇温させることで、その熱量をガスタービンとタービンの両方で回収することができる。
本発明の発電システムでは、前記排熱回収ボイラは、回収した蒸気を前記ガスタービンから排出された排ガスで昇温させる再熱器を備え、高圧タービンを通過した蒸気を回収し、回収した蒸気を前記再熱器で昇温させ、昇温させた蒸気を前記中圧ボイラに供給する再熱蒸気循環機構をさらに有し、前記排空気用熱交換器は、前記再熱器で過熱された蒸気と前記排空気との間で熱交換を行い、前記再熱蒸気循環機構を流れる蒸気は、前記排空気用熱交換器で熱交換された後、前記中圧タービンに供給されることを特徴とする。
従って、排空気を大きく減温することを抑制しつつ、減温することができる。
また、本発明の発電システムの運転方法では、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排空気を前記ガスタービンに供給する排空気流通ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記ガスタービンに供給する排燃料ガス供給ラインと、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンとを備えるタービンと、前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収して蒸気を生成し、生成した蒸気を前記高圧タービンに供給する高圧蒸気循環機構、前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収し、前記高圧蒸気循環機構よりも圧力の低い蒸気を生成し、生成した蒸気を前記中圧タービンに供給する中圧蒸気循環機構及び前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収し、前記中圧蒸気循環機構よりも圧力の低い蒸気を生成し、生成した蒸気を前記低圧タービンに供給する低圧蒸気循環機構を備える排熱回収ボイラと、を備える発電システムの運転方法であって、前記高圧蒸気循環機構または前記中圧蒸気循環機構で、流通する蒸気と前記排ガスとの熱交換を行う工程と、熱交換を行った後、前記タービンに向かって流れている蒸気と、前記排空気流通ラインを流れる排ガスとの間で熱交換を行い、前記蒸気を昇温させ、前記排ガスを減温させる工程と、を有することを特徴とする。
従って、高圧蒸気循環機構または中圧蒸気循環機構で過熱された蒸気との間で熱交換を行い、排空気を減温することで、排空気を大きく減温することを抑制しつつ、減温することができる。これにより、比較的高温の状態を維持してガスタービンに供給することができ、排空気に含まれる熱をガスタービン及び排熱回収ボイラの両方で回収することができる。これにより、利用効率を向上させることができる。また、排空気を減温させることで、排空気流通ラインにかかる負担を小さくすることができる。
本発明の発電システム及び発電システムの運転方法によれば、高圧蒸気循環機構または中圧蒸気循環機構で過熱された蒸気との間で熱交換を行い、排空気を減温することで、排空気を大きく減温することを抑制しつつ、減温することができる。これにより、比較的高温の状態を維持してガスタービンに供給することができ、排空気に含まれる熱をガスタービン及び排熱回収ボイラの両方で回収することができる。これにより、利用効率を向上させることができる。
図１は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。 図２は、本発明の一実施例に係る発電システムにおける排熱回収ボイラとタービンとを示す概略構成図である。 図３は、本実施例の発電システムの熱交換ユニットを示す概略構成図である。 図４は、本実施例の発電システムの熱交換ユニットの他の例を示す概略構成図である。 図５は、本実施例の発電システムの熱交換ユニットの他の例を示す概略構成図である。
以下に添付図面を参照して、本発明に係る発電システム及び発電システムの運転方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
本実施例の発電システムは、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する。）とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたトリプルコンバインドサイクルシステム（登録商標）である。このトリプルコンバインドサイクルシステムは、ガスタービンコンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）の上流側にＳＯＦＣを設置することにより、ＳＯＦＣ、ガスタービン、蒸気タービンの３段階で電気を取り出すことができるため、極めて高い発電効率を実現することができる。なお、以下の説明では、本発明の燃料電池として固体酸化物形燃料電池を適用して説明するが、この形式の燃料電池に限定されるものではない。
図１は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。本実施例において、図１に示すように、発電システム１０は、ガスタービン１１及び発電機１２と、ＳＯＦＣ１３と、蒸気タービン１４及び発電機１５とを有している。この発電システム１０は、ガスタービン１１による発電と、ＳＯＦＣ１３による発電と、蒸気タービン１４による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成したものである。また、発電システム１０は、制御装置６２を備えている。制御装置６２は、入力された設定、入力された指示及び検出部で検出した結果等に基づいて、発電システム１０の各部の動作を制御する。
ガスタービン１１は、圧縮機２１、燃焼器２２、タービン２３を有しており、圧縮機２１とタービン２３は、回転軸２４により一体回転可能に連結されている。圧縮機２１は、空気取り込みライン２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。燃焼器２２は、圧縮機２１から第１圧縮空気供給ライン２６を通して供給された圧縮空気Ａ１と、第１燃料ガス供給ライン２７から供給された燃料ガスＬ１とを混合して燃焼する。タービン２３は、燃焼器２２から排ガス供給ライン２８を通して供給された排ガス（燃焼ガス）Ｇにより回転する。なお、図示しないが、タービン２３は、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ１が車室を通して供給され、この圧縮空気Ａ１を冷却空気として翼などを冷却する。発電機１２は、タービン２３と同軸上に設けられており、タービン２３が回転することで発電することができる。なお、ここでは、燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１として、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を用いている。
ＳＯＦＣ１３は、還元剤としての高温の燃料ガスと酸化剤としての高温の空気（酸化性ガス）が供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行うものである。このＳＯＦＣ１３は、圧力容器内に空気極と固体電解質と燃料極が収容されて構成される。空気極に圧縮機２１で圧縮された一部の圧縮空気Ａ２が供給され、燃料極に燃料ガスが供給されることで発電を行う。なお、ここでは、ＳＯＦＣ１３に供給する燃料ガスＬ２として、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガスを用いている。また、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である（以下、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスを空気という）。
このＳＯＦＣ１３は、第１圧縮空気供給ライン２６から分岐した第２圧縮空気供給ライン３１が連結され、圧縮機２１が圧縮した一部の圧縮空気Ａ２を空気極の導入部に供給することができる。この第２圧縮空気供給ライン３１は、供給する空気量を調整可能な制御弁３２と、圧縮空気Ａ２を昇圧可能なブロワ（昇圧機）３３とが空気の流れ方向に沿って設けられている。制御弁３２は、第２圧縮空気供給ライン３１における空気の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ３３は、制御弁３２の下流側に設けられている。ＳＯＦＣ１３は、空気極で用いられた排空気Ａ３を排出する排空気ライン３４が連結されている。この排空気ライン３４は、空気極で用いられた排空気Ａ３を外部に排出する排出ライン３５と、燃焼器２２に連結される圧縮空気循環ライン３６とに分岐される。排出ライン３５は、排出する空気量を調整可能な制御弁３７が設けられ、圧縮空気循環ライン３６は、循環する空気量を調整可能な制御弁３８が設けられている。
また、ＳＯＦＣ１３は、燃料ガスＬ２を燃料極の導入部に供給する第２燃料ガス供給ライン４１が設けられている。第２燃料ガス供給ライン４１は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４２が設けられている。ＳＯＦＣ１３は、燃料極で用いられた排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ライン４３が連結されている。この排燃料ライン４３は、外部に排出する排出ライン４４と、燃焼器２２に連結される排燃料ガス供給ライン４５とに分岐される。排出ライン４４は、排出する燃料ガス量を調整可能な制御弁４６が設けられ、排燃料ガス供給ライン４５は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４７と、燃料を昇圧可能なブロワ４８が燃料ガスＬ３の流れ方向に沿って設けられている。制御弁４７は、排燃料ガス供給ライン４５における燃料ガスＬ３の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ４８は、制御弁４７の下流側に設けられている。
また、ＳＯＦＣ１３は、排燃料ライン４３と第２燃料ガス供給ライン４１とを連結する燃料ガス再循環ライン４９が設けられている。燃料ガス再循環ライン４９は、排燃料ライン４３の排燃料ガスＬ３を第２燃料ガス供給ライン４１に再循環する再循環ブロワ５０が設けられている。
蒸気タービン１４は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）５１で生成された蒸気によりタービン５２を回転するものである。この排熱回収ボイラ５１は、ガスタービン１１（タービン２３）からの排ガスライン５３が連結されており、空気と高温の排ガスＧとの間で熱交換を行うことで、蒸気Ｓを生成する。蒸気タービン１４（タービン５２）は、排熱回収ボイラ５１との間に蒸気供給ライン５４と給水ライン５５が設けられている。そして、給水ライン５５は、復水器５６と給水ポンプ５７が設けられている。発電機１５は、タービン５２と同軸上に設けられており、タービン５２が回転することで発電することができる。なお、排熱回収ボイラ５１で熱が回収された排ガスＧは、有害物質を除去されてから大気へ放出される。
ここで、本実施例の発電システム１０の作動について説明する。発電システム１０を起動する場合、ガスタービン１１、蒸気タービン１４、ＳＯＦＣ１３の順に起動する。
まず、ガスタービン１１にて、圧縮機２１が空気Ａを圧縮し、燃焼器２２が圧縮空気Ａ１と燃料ガスＬ１とを混合して燃焼し、タービン２３が排ガスＧにより回転することで、発電機１２が発電を開始する。次に、蒸気タービン１４にて、排熱回収ボイラ５１により生成された蒸気Ｓによりタービン５２が回転し、これにより発電機１５が発電を開始する。
続いて、ＳＯＦＣ１３では、まず、圧縮空気Ａ２を供給して昇圧を開始すると共に加熱を開始する。排出ライン３５の制御弁３７と圧縮空気循環ライン３６の制御弁３８を閉止し、第２圧縮空気供給ライン３１のブロワ３３を停止した状態で、制御弁３２を所定開度だけ開放する。すると、圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２が第２圧縮空気供給ライン３１からＳＯＦＣ１３側へ供給される。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、圧縮空気Ａ２が供給されることで圧力が上昇する。
一方、ＳＯＦＣ１３では、燃料極側に燃料ガスＬ２を供給して昇圧を開始する。排出ライン４４の制御弁４６と排燃料ガス供給ライン４５の制御弁４７を閉止し、ブロワ４８を停止した状態で、第２燃料ガス供給ライン４１の制御弁４２を開放すると共に、燃料ガス再循環ライン４９の再循環ブロワ５０を駆動する。すると、燃料ガスＬ２が第２燃料ガス供給ライン４１からＳＯＦＣ１３側へ供給されると共に、排燃料ガスＬ３が燃料ガス再循環ライン４９により再循環する。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、燃料ガスＬ２が供給されることで圧力が上昇する。
そして、ＳＯＦＣ１３の空気極側の圧力が圧縮機２１の出口圧力になると、制御弁３２を全開にすると共に、ブロワ３３を駆動する。それと同時に制御弁３７を開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３を排出ライン３５から排出する。すると、圧縮空気Ａ２がブロワ３３によりＳＯＦＣ１３側へ供給される。それと同時に制御弁４６を開放してＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３を排出ライン４４から排出する。そして、ＳＯＦＣ１３における空気極側の圧力と燃料極側の圧力が目標圧力に到達すると、ＳＯＦＣ１３の昇圧が完了する。
その後、ＳＯＦＣ１３の反応（発電）が安定し、排空気Ａ３と排燃料ガスＬ３の成分が安定したら、制御弁３７を閉止する一方、制御弁３８を開放する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３が圧縮空気循環ライン３６から燃焼器２２に供給される。また、制御弁４６を閉止する一方、制御弁４７を開放してブロワ４８を駆動する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン４５から燃焼器２２に供給される。このとき、第１燃料ガス供給ライン２７から燃焼器２２に供給される燃料ガスＬ１を減量する。
ここで、ガスタービン１１の駆動による発電機１２での発電、ＳＯＦＣ１３での発電、蒸気タービン１４の駆動により発電機１５での発電が全て行われることとなり、発電システム１０が定常運転となる。
次に、図２を用いて本実施形態の蒸気タービン、具体的には排熱回収ボイラ５１とタービン５２の構成について説明する。図２は、本発明の一実施例に係る発電システムにおける排熱回収ボイラとタービンとを示す概略構成図である。タービン５２は、高圧タービン５２Ｈと中圧タービン５２Ｉと低圧タービン５２Ｌとを備える。高圧タービン５２Ｈは、排熱回収ボイラ５１から高圧の蒸気が供給されて駆動される。中圧タービン５２Ｉは、排熱回収ボイラ５１から高圧タービン５２Ｈに供給される蒸気よりも低圧の蒸気が供給されて駆動される。低圧タービン５２Ｌは、排熱回収ボイラ５１から中圧タービン５２Ｉに供給される蒸気よりも低圧の蒸気が供給されて駆動される。
排熱回収ボイラ５１は、ガスタービン１１のタービン２３から排出された排ガスから熱を回収して蒸気を生成し、生成した蒸気を高圧タービン５２Ｈに供給する高圧蒸気循環機構７０と、ガスタービン１１から排出された排ガスから熱を回収し、高圧蒸気循環機構７０よりも圧力の低い蒸気を生成し、生成した蒸気を中圧タービン５２Ｉに供給する中圧蒸気循環機構７１と、ガスタービン１１から排出された排ガスから熱を回収し、中圧蒸気循環機構７２よりも圧力の低い蒸気を生成し、生成した蒸気を低圧タービン５２Ｌに供給する低圧蒸気循環機構７４と、高圧タービン５２Ｈから排出された蒸気を排ガスで再度昇温し、昇温した蒸気を中圧タービン５２Ｉに供給する再熱蒸気循環機構７９と、を有する。
また、排熱回収ボイラ５１は、予熱器７６と、高圧ポンプ７８Ｈと、中圧ポンプ７８Ｉと、低圧ポンプ７８Ｌと、を有する。予熱器７６は、給水ライン５５で復水器５６から給水された水を予熱する。高圧ポンプ７８Ｈは、予熱器７６で予熱された水を高圧蒸気循環機構７０に供給する。中圧ポンプ７８Ｉは、予熱器７６で予熱された水を中圧蒸気循環機構７２に供給する。低圧ポンプ７８Ｌは、予熱器７６で予熱された水を低圧蒸気循環機構７４に供給する。
高圧蒸気循環機構７０は、予熱器７６から供給された水を排ガスで昇温して蒸気とした後、高圧タービン５２Ｈに供給する機構であり、高圧ドラム７０Ｄと、高圧エコノマイザ７０ＥＣと、高圧蒸気発生器７０ＥＶと、高圧過熱器７０ＳＨａと、高圧過熱器７０ＳＨｂと、を有する。高圧エコノマイザ７０ＥＣと、高圧蒸気発生器７０ＥＶと、高圧過熱器７０ＳＨａと、高圧過熱器７０ＳＨｂとは、伝熱管を備え、排ガスＧが流れる管路内に配置された熱交換器であり、伝熱管の内部を流れる水または蒸気と排ガスとの間で熱交換を行い、水または蒸気を昇温させる。後述する中圧蒸気循環機構７２、低圧蒸気循環機構７４もそれぞれエコノマイザと、蒸気発生器と、過熱器と、過熱器とを備えるが同様に熱交換器となる。高圧蒸気循環機構７０は、各部がライン（配管）で接続されており、予熱器７６から高圧タービン５２Ｈに向けて、高圧エコノマイザ７０ＥＣ、高圧ドラム７０Ｄ、高圧過熱器７０ＳＨａ、高圧過熱器７０ＳＨｂ、高圧蒸気発生器７０ＥＶ、の順で接続されている。また、高圧蒸気循環機構７０は、排熱回収ボイラ５１の排ガスの流れ方向の下流側から上流側に向けても上述した順序で配置されている。高圧蒸気循環機構７０は、予熱器７６で予熱された水が高圧ポンプ７８Ｈで高圧エコノマイザ７０ＥＣに送られ、高圧エコノマイザ７０ＥＣでされた後、高圧ドラム７０Ｄに供給される。高圧ドラム７０Ｄには、高圧蒸気発生器７０ＥＶが接続されている。高圧蒸気発生器７０ＥＶは、両端が高圧ドラム７０Ｄに接続されており、高圧ドラム７０Ｄに貯留された水を循環させつつ、排ガスで昇温させることで、蒸気となる。高圧蒸気発生器７０ＥＶで発生した蒸気は、高圧ドラム７０Ｄから高圧過熱器７０ＳＨａに供給され、さらに過熱される。高圧過熱器７０ＳＨａで過熱された蒸気は、高圧過熱器７０ＳＨｂに供給され、さらに過熱された後、高圧タービン５２Ｈに供給される。高圧タービン５２Ｈは、高圧蒸気循環機構７０から供給された蒸気で駆動される。
中圧蒸気循環機構７２は、予熱器７６から供給された水を排ガスで昇温して蒸気とした後、中圧タービン５２Ｈに供給する機構であり、中圧ドラム７２Ｄと、中圧エコノマイザ７２ＥＣと、中圧蒸気発生器７２ＥＶと、中圧過熱器７２ＳＨａと、中圧過熱器７２ＳＨｂと、を有する。中圧蒸気循環機構７２は、各部がライン（配管）で接続されており、予熱器７６から中圧タービン５２Ｉに向けて、中圧エコノマイザ７２ＥＣ、中圧ドラム７２Ｄ、中圧過熱器７２ＳＨａ、中圧過熱器７２ＳＨｂ、中圧蒸気発生器７２ＥＶ、の順で接続されている。また、中圧蒸気循環機構７２は、排熱回収ボイラ５１の排ガスの流れ方向の下流側から上流側に向けても上述した順序で配置されている。中圧蒸気循環機構７２は、予熱器７６で予熱された水が中圧ポンプ７８Ｈで中圧エコノマイザ７２ＥＣに送られ、中圧エコノマイザ７２ＥＣでされた後、中圧ドラム７２Ｄに供給される。中圧ドラム７２Ｄには、中圧蒸気発生器７２ＥＶが接続されている。中圧蒸気発生器７２ＥＶは、両端が中圧ドラム７２Ｄに接続されており、中圧ドラム７２Ｄに貯留された水を循環させつつ、排ガスで昇温させることで、蒸気となる。中圧蒸気発生器７２ＥＶで発生した蒸気は、中圧ドラム７２Ｄから中圧過熱器７２ＳＨに供給され、さらに過熱される。中圧過熱器７２ＳＨで過熱された蒸気は、中圧タービン５２Ｉに供給される。中圧タービン５２Ｉは、中圧蒸気循環機構７２から供給された蒸気で駆動される。中圧蒸気循環機構７２は、各部が、高圧蒸気循環機構７０の対応する各部よりも排ガスの流れ方向において下流側に配置されている。これにより、高圧蒸気循環機構７０よりも蒸気の温度、圧力が低くなる。
低圧蒸気循環機構７４は、予熱器７６から供給された水を排ガスで昇温して蒸気とした後、低圧タービン５２Ｈに供給する機構であり、低圧ドラム７４Ｄと、低圧エコノマイザ７４ＥＣと、低圧蒸気発生器７４ＥＶと、低圧過熱器７４ＳＨａと、低圧過熱器７４ＳＨｂと、を有する。低圧蒸気循環機構７４は、各部がライン（配管）で接続されており、予熱器７６から低圧タービン５２Ｉに向けて、低圧エコノマイザ７４ＥＣ、低圧ドラム７４Ｄ、低圧過熱器７４ＳＨａ、低圧過熱器７４ＳＨｂ、低圧蒸気発生器７４ＥＶ、の順で接続されている。また、低圧蒸気循環機構７４は、排熱回収ボイラ５１の排ガスの流れ方向の下流側から上流側に向けても上述した順序で配置されている。低圧蒸気循環機構７４は、予熱器７６で予熱された水が低圧ポンプ７８Ｈで低圧エコノマイザ７４ＥＣに送られ、低圧エコノマイザ７４ＥＣでされた後、低圧ドラム７４Ｄに供給される。低圧ドラム７４Ｄには、低圧蒸気発生器７４ＥＶが接続されている。低圧蒸気発生器７４ＥＶは、両端が低圧ドラム７４Ｄに接続されており、低圧ドラム７４Ｄに貯留された水を循環させつつ、排ガスで昇温させることで、蒸気となる。低圧蒸気発生器７４ＥＶで発生した蒸気は、低圧ドラム７４Ｄから低圧過熱器７４ＳＨに供給され、さらに過熱される。低圧過熱器７４ＳＨで過熱された蒸気は、低圧タービン５２Ｌに供給される。低圧タービン５２Ｌは、低圧蒸気循環機構７４から供給された蒸気で駆動される。低圧蒸気循環機構７４は、各部が、低圧蒸気循環機構７２の対応する各部よりも排ガスの流れ方向において下流側に配置されている。これにより、低圧蒸気循環機構７２よりも蒸気の温度、圧力が低くなる。
再熱蒸気循環機構７９は、高圧タービン５２Ｈを通過した蒸気を排ガスで再度過熱し、中圧タービン５２Ｉに供給する機構であり、再熱器８０ａ、８０ｂを有する。再熱器８０ａ、８０ｂは、伝熱管を備え、排ガスＧが流れる管路内に配置された熱交換器であり、伝熱管の内部を流れる蒸気と排ガスとの間で熱交換を行い、蒸気を昇温させる。再熱器８０ａ、８０ｂは、排熱回収ボイラ５１内の上流側の領域に配置され、高圧過熱器７０ＳＨａ、ＳＨｂに近い位置に配置されている。また、再熱器８０ａは、排ガスの流れ方向において、再熱器８０ｂの下流側に配置されている。再熱蒸気循環機構７９は、高圧タービン５２Ｈを通過した蒸気を再熱器８０ａで過熱し、その後、再熱器８０ｂでさらに過熱した後、中圧タービン５２Ｉに供給する。排熱回収ボイラ５１は以上のような構成である。
図３は、本実施例の発電システムの熱交換ユニットを示す概略構成図である。ところで、一般的な発電システムでは、燃料電池１３から高温の排空気が排出されるため、排空気を流す圧縮空気供給ラインが高温に曝される。このため、排空気をそのまま燃焼室２２に供給すると仮定すると、熱への耐性の高い材料で圧縮空気供給ラインを作製することになる。これは、発電プラント（発電システム）のコスト上昇につながる。
そこで、本実施例の発電システム１０では、図３に示すように、燃料電池１３からガスタービン１１に向かう排空気、排燃料と、排熱回収ボイラ５１及びタービン５２を流れる蒸気との間で熱交換を行う熱交換器ユニット９０を備える。熱交換器ユニット９０は、排空気用熱交換器９１と、排燃料用熱交換器９２と、燃料用熱交換器９４と、燃料用熱交換器９６と、を備える。
排空気用熱交換器９１は、排空気ライン３４または圧縮空気循環ライン３６つまりＳＯＦＣ１３から排出された排空気を流通させる排空気流通ラインに設けられている。排空気用熱交換器９１は、排空気流通ラインを流れる排空気と、排熱回収ボイラ５１で過熱され、タービン５２に向かう蒸気との間で熱交換を行い、排空気を減温し、蒸気を昇温させる。排空気用熱交換器９１は、高圧過熱器７０ＳＨａで過熱され、燃料用熱交換器９６で減温された蒸気が流入し、流入して熱交換した蒸気を高圧タービン５２Ｈに供給する。なお本実施形態の排空気用熱交換器９１は、高圧過熱器７０ＳＨａで過熱され、燃料用熱交換器９６で減温された蒸気を流入させたが、高圧過熱器７０ＳＨｂで過熱され、燃料用熱交換器９６で減温された蒸気を流入させてもよい。
排燃料用熱交換器９２は、排燃料ライン４３または排燃料ガス供給ライン４５、つまり、ＳＯＦＣ１３から排出された排燃料ガスを流通させる排燃料ガス流通ラインに設けられている。排燃料用熱交換器９２は、排燃料ガス流通ラインを流れる排燃料ガスと、排熱回収ボイラ５１で過熱され、タービン５２に向かう蒸気との間で熱交換を行い、排燃料ガスを減温し、蒸気を昇温させる。排燃料用熱交換器９２は、中圧過熱器７２ＳＨで過熱された蒸気が流入し、流入して熱交換した蒸気を再熱器８０ａに供給する。再熱器８０ａに供給された蒸気は、再熱器８０ｂでさらに過熱された後、中圧タービン５２Ｉに供給される。
燃料用熱交換器９４は、第１燃料ガス供給ライン２７に設けられている。燃料用熱交換器９４は、第１燃料ガス供給ライン２７を流れる燃料ガス、つまり燃焼器２２に供給される燃料ガスと、排熱回収ボイラ５１で昇温された水との間で熱交換を行う。燃料用熱交換器９４は、燃料ガスを昇温し、蒸気を減温させる。燃料用熱交換器９４は、中圧エコノマイザ７２ＥＣで過熱された水が流入し、流入して熱交換した水を給水ライン５５に供給する。
燃料用熱交換器９６は、燃料ガスの流れ方向において、第１燃料ガス供給ライン２７の燃料用熱硬軟機９４よりも下流側、つまり燃焼室２２に近い側に設けられている。燃料用熱交換器９６は、第１燃料ガス供給ライン２７を流れる燃料ガス、つまり燃焼器２２に供給される燃料ガスと、排熱回収ボイラ５１で過熱された蒸気との間で熱交換を行う。燃料用熱交換器９６は、燃料ガスを昇温し、蒸気を減温させる。燃料用熱交換器９６は、燃料用熱交換器９４で昇温された燃料をさらに昇温する。燃料用熱交換器９６は、高圧過熱器７０ＳＨａで過熱された蒸気が流入し、流入して熱交換し減温した蒸気を排空気用熱交換器９１に供給する。熱交換器ユニット９０は、以上のような構成である。
発電システム１０は、排空気用熱交換器９１を設け、高圧蒸気循環機構７０で過熱された蒸気と、排空気とを熱交換させ、排空気を減温することで、排空気を流通させる排空気流通ラインにかかる負荷を低減することができる。また、排空気と熱交換する対象を高圧蒸気循環機構７０で過熱された蒸気とすることで、排空気を一定以上の高温に維持することができる。ここで、排空気は、燃焼器２２に供給され、排燃料ガス及び燃料ガスと混合されて、燃焼により加熱された後、タービン２３を通過し、さらに排熱回収ボイラ５１を通過する。したがって、排空気は、ガスタービン１１と蒸気タービン１４での２箇所の発電でエネルギを取り出すことができる。したがって、排空気の温度をより高く維持することで、より効率よくエネルギを取り出すことができる。以上より、発電システム１０は、排空気と蒸気とで熱交換することで、排空気を流通させる排空気流通ラインにかかる負荷を低減することができ、かつ、熱交換する蒸気を高温の蒸気とし、排空気を一定以上の高温に維持することで、より効率よくエネルギを取り出すことができる。
また、発電システム１０は、排燃料用熱交換器９２を設けることで、排燃料ガスからも熱を回収することができ、排空気用熱交換器９１と同様に、排燃料ガス流通ラインにかかる負荷を低減することができる。また、排燃料用熱交換器９２は、熱交換に用いる蒸気を中圧蒸気循環機構７２の過熱器７２ＳＨで過熱された蒸気とすることで、排燃料ガスを一定以上の高温に維持することができる。以上より、発電システム１０は、排燃料ガスと蒸気とで熱交換することで、排燃料ガスを流通させる排燃料ガス流通ラインにかかる負荷を低減することができ、かつ、熱交換する蒸気を高温の蒸気とし、排空気を一定以上の高温に維持することで、より効率よくエネルギを取り出すことができる。
また、発電システム１０は、燃料用熱交換器９４と、燃料用熱交換器９６と、を備え、燃料ガスを昇温させることで、加熱した熱をガスタービン１１と蒸気タービン１４での２箇所の発電でエネルギを取り出すことができる。これにより、より効率よくエネルギを取り出すことができる。
ここで、発電システム１０は、熱交換器ユニットに流入させる蒸気の経路を他の経路にすることができる。なお、排空気用熱交換器は、高圧蒸気循環機構または中圧蒸気循環機構で前記排ガスとの熱交換を行いタービンに向かって流れている蒸気を用いればよい。
図４は、本実施例の発電システムの熱交換ユニットの他の例を示す概略構成図である。発電システム１０ａは、図４に示すように、燃料電池１３からガスタービン１１に向かう排空気、排燃料と、排熱回収ボイラ５１及びタービン５２を流れる蒸気との間で熱交換を行う熱交換器ユニット９０ａを備える。熱交換器ユニット９０ａは、排空気用熱交換器９８と、排燃料用熱交換器９２と、燃料用熱交換器９４と、燃料用熱交換器９９と、を備える。
排空気用熱交換器９８は、排空気流通ラインに設けられている。排空気用熱交換器９８は、排空気流通ラインを流れる排空気と、排熱回収ボイラ５１で過熱され、タービン５２に向かう蒸気との間で熱交換を行い、排空気を減温し、蒸気を昇温させる。排空気用熱交換器９８は、再熱器８０ｂで過熱された蒸気が流入し、流入して熱交換した蒸気を中圧タービン５２Ｉに供給する。なお、本実施形態の排空気用熱交換器９１は、再熱器８０ｂで過熱された蒸気を流入させたが、再熱器８０ａで過熱された蒸気を流入させてもよい。また、排空気用熱交換器９８は、通過した蒸気が中圧タービン５２Ｉに供給可能な温度まで低下するものであり、再熱器８０ｂで過熱された蒸気と同様に中圧タービン５２Ｉに供給される中圧過熱器７２ＳＨで過熱された蒸気を流入させてもよい。
排燃料用熱交換器９２は、排燃料ガス流通ラインに設けられている。排燃料用熱交換器９２は、排燃料ガス流通ラインを流れる排燃料ガスと、排熱回収ボイラ５１で過熱され、タービン５２に向かう蒸気との間で熱交換を行い、排燃料ガスを減温し、蒸気を昇温させる。排燃料用熱交換器９２は、中圧過熱器７２ＳＨで過熱された蒸気が流入し、流入して熱交換した蒸気を燃料用熱交換器９９に供給する。燃料用熱交換器９９に供給された蒸気は、その後再熱器８０ａに供給される。再熱器８０ａに供給された蒸気は、再熱器８０ｂでさらに過熱された後、中圧タービン５２Ｉに供給される。
燃料用熱交換器９４は、熱交換器ユニット９０の燃料用熱交換器９４と同様の構成である。
燃料用熱交換器９９は、燃料ガスの流れ方向において、第１燃料ガス供給ライン２７の燃料用熱硬軟機９４よりも下流側、つまり燃焼室２２に近い側に設けられている。燃料用熱交換器９９は、第１燃料ガス供給ライン２７を流れる燃料ガス、つまり燃焼器２２に供給される燃料ガスと、排燃料用熱交換器９２を通過した蒸気との間で熱交換を行う。燃料用熱交換器９９は、燃料ガスを昇温し、蒸気を減温させる。燃料用熱交換器９９は、燃料用熱交換器９４で昇温された燃料をさらに昇温する。燃料用熱交換器９９は、高排燃料用熱交換器９２を通過した蒸気が流入し、流入して熱交換し減温した蒸気を再熱器８０ａに供給する。熱交換器ユニット９０ａは、以上のような構成である。
発電システム１０は、排空気用熱交換器９８を設け、高圧蒸気循環機構７０で過熱され、高圧タービンに供給された後、再熱蒸気循環機構７９で過熱された蒸気と、排空気とを熱交換させ、排空気を減温することでも、排空気を流通させる排空気流通ラインにかかる負荷を低減することができる。また、排空気と熱交換する対象を再熱蒸気循環機構７９で過熱された蒸気とすることで、排空気を一定以上の高温に維持することができる。以上より、発電システム１０ａは、排空気と蒸気とで熱交換することで、排空気を流通させる排空気流通ラインにかかる負荷を低減することができ、かつ、熱交換する蒸気を高温の蒸気とし、排空気を一定以上の高温に維持することで、より効率よくエネルギを取り出すことができる。
また、発電システム１０は、高圧蒸気循環機構７０で過熱され高圧タービン５２Ｈに向かう蒸気、再熱蒸気循環機構７９で過熱され中圧タービン５２Ｉに向かう蒸気と排空気とを熱交換させることで、排空気をより適切な温度範囲に減温できるため、好ましいが、上述したように、中圧蒸気循環機構７２で過熱され中圧タービン５２Ｉに向かう蒸気を用いてもよい。なお、蒸気は、少なくとも１段の過熱器または再熱器で過熱された蒸気とすることが好ましい。
次に、図５は、本実施例の発電システムの熱交換ユニットの他の例を示す概略構成図である。発電システム１０ｂは、図５に示すように、燃料電池１３からガスタービン１１に向かう排空気、排燃料と、排熱回収ボイラ５１及びタービン５２を流れる蒸気との間で熱交換を行う熱交換器ユニット９０ｂを備える。熱交換器ユニット９０ｂは、空気用熱交換器９１と、排空気用熱交換器９８と、排燃料用熱交換器９２と、燃料用熱交換器９４と、燃料用熱交換器９６と、を備える。つまり、発電システム１０ｂは、発電システム１０に排空気用熱交換器９８を追加した構成である。なお、発電システム１０ｂの排空気用熱交換器９９は、再熱器８０ａで過熱された蒸気を流入させている。
発電システム１０ｂは、排空気用熱交換器９１と排空気用熱交換器９８の２つを用いることで、２つの熱交換器で排空気の温度を減温することができる。このように熱交換器は、一段に限定されず複数も設けてもよい。
１０、１０ａ、１０ｂ 発電システム
１１ ガスタービン
１２ 発電機
１３、１１３ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
１４ 蒸気タービン
１５ 発電機
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３ タービン
２５ 空気取り込みライン
２６ 第１圧縮空気供給ライン
２７ 第１燃料ガス供給ライン
３１ 第２圧縮空気供給ライン
３２ 制御弁（第１開閉弁）
３３、４８ ブロア
３４ 排空気ライン
３６ 圧縮空気循環ライン
４１ 第２燃料ガス供給ライン
４２ 制御弁
４３ 排燃料ライン
４４ 排出ライン
４５ 排燃料ガス供給ライン
４７ 制御弁
４９ 燃料ガス再循環ライン
５０ 再循環ブロワ
５１ 排熱回収ボイラ
５２ タービン
５２Ｈ 高圧タービン
５２Ｉ 中圧タービン
５２Ｌ 低圧タービン
５３ 排ガスライン
５４ 蒸気供給ライン
５５ 給水ライン
５６ 復水器
５７ 給水ポンプ
６２ 制御装置（制御部）
７０ 高圧蒸気循環機構
７０Ｄ 高圧ドラム
７０ＥＣ 高圧エコノマイザ
７０ＥＶ 高圧蒸気発生器
７０ＳＨａ、７０ＳＨｂ 高圧過熱器
７２ 中圧蒸気循環機構
７２Ｄ 中圧ドラム
７２ＥＣ 中圧エコノマイザ
７２ＥＶ 中圧蒸気発生器
７２ＳＨ 中圧過熱器
７４ 低圧蒸気循環機構
７４Ｄ 低圧ドラム
７４ＥＣ 低圧エコノマイザ
７４ＥＶ 低圧蒸気発生器
７４ＳＨ 低圧過熱器
７６ 予熱器
７８Ｈ 高圧ポンプ
７８Ｉ 中圧ポンプ
７８Ｌ 低圧ポンプ
７９ 再熱蒸気循環機構
８０ａ、８０ｂ 再熱器
９０ 熱交換器ユニット
９１、９８ 排空気用熱交換器
９２ 排燃料用熱交換器
９４、９６、９９ 燃料用熱交換器
本実施例の発電システムは、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する。）とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたトリプルコンバインドサイクル（Ｔｒｉｐｌｅ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ：登録商標）である。このトリプルコンバインドサイクルは、ガスタービンコンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）の上流側にＳＯＦＣを設置することにより、ＳＯＦＣ、ガスタービン、蒸気タービンの３段階で電気を取り出すことができるため、極めて高い発電効率を実現することができる。なお、以下の説明では、本発明の燃料電池として固体酸化物形燃料電池を適用して説明するが、この形式の燃料電池に限定されるものではない。

Claims (5)

  1. 圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
    空気極及び燃料極を有する燃料電池と、
    前記燃料電池から排出される排空気を前記ガスタービンに供給する排空気流通ラインと、
    前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記ガスタービンに供給する排燃料ガス供給ラインと、
    高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンとを備えるタービンと、
    前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収して蒸気を生成し、生成した蒸気を前記高圧タービンに供給する高圧蒸気循環機構、前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収し、前記高圧蒸気循環機構よりも圧力の低い蒸気を生成し、生成した蒸気を前記中圧タービンに供給する中圧蒸気循環機構及び前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収し、前記中圧蒸気循環機構よりも圧力の低い蒸気を生成し、生成した蒸気を前記低圧タービンに供給する低圧蒸気循環機構を備える排熱回収ボイラと、
    前記高圧蒸気循環機構または前記中圧蒸気循環機構で前記排ガスとの熱交換を行い前記タービンに向かって流れている蒸気と、前記排空気流通ラインを流れる排ガスと、の間で熱交換を行い、前記蒸気を昇温させ、前記排ガスを減温させる少なくとも１つの排空気用熱交換器と、を有することを特徴とする発電システム。
  2. 前記高圧蒸気循環機構は、高圧過熱器を備え、
    前記排空気用熱交換器は、前記高圧過熱器で過熱された蒸気と前記排空気との間で熱交換を行い、
    前記高圧蒸気循環機構を流れる蒸気は、前記排空気用熱交換器で熱交換された後、前記高圧タービンに供給されることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
  3. 前記ガスタービンに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
    前記高圧蒸気循環機構で前記排ガスとの熱交換を行い前記タービンに向かって流れている蒸気と、前記燃料ガス供給ラインを流れる燃料ガスとの間で熱交換を行い、前記蒸気を減温させ、前記燃料ガスを昇温させる少なくとも１つの燃料ガス用熱交換器と、を有し、
    前記高圧蒸気循環機構を流れる蒸気は、前記燃料ガス用熱交換器で熱交換された後、前記排空気用熱交換器で熱交換され、その後、前記高圧タービンに供給されることを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
  4. 前記排熱回収ボイラは、回収した蒸気を前記ガスタービンから排出された排ガスで昇温させる再熱器を備え、高圧タービンを通過した蒸気を回収し、回収した蒸気を前記再熱器で昇温させ、昇温させた蒸気を前記中圧ボイラに供給する再熱蒸気循環機構をさらに有し、
    前記排空気用熱交換器は、前記再熱器で過熱された蒸気と前記排空気との間で熱交換を行い、
    前記再熱蒸気循環機構を流れる蒸気は、前記排空気用熱交換器で熱交換された後、前記中圧タービンに供給されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発電システム。
  5. 圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排空気を前記ガスタービンに供給する排空気流通ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記ガスタービンに供給する排燃料ガス供給ラインと、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンとを備えるタービンと、前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収して蒸気を生成し、生成した蒸気を前記高圧タービンに供給する高圧蒸気循環機構、前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収し、前記高圧蒸気循環機構よりも圧力の低い蒸気を生成し、生成した蒸気を前記中圧タービンに供給する中圧蒸気循環機構及び前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収し、前記中圧蒸気循環機構よりも圧力の低い蒸気を生成し、生成した蒸気を前記低圧タービンに供給する低圧蒸気循環機構を備える排熱回収ボイラと、を備える発電システムの運転方法であって、
    前記高圧蒸気循環機構または前記中圧蒸気循環機構で、流通する蒸気と前記排ガスとの熱交換を行う工程と、
    熱交換を行った後、前記タービンに向かって流れている蒸気と、前記排空気流通ラインを流れる排ガスとの間で熱交換を行い、前記蒸気を昇温させ、前記排ガスを減温させる工程と、を有することを特徴とする発電システムの運転方法。
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