JP2018087501A - Control device of hybrid power system, hybrid power system, control method of hybrid power system, and control program of hybrid power system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、メタン濃度変動ガスを用いた複合発電システムの制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラムに関するものである。 The present invention relates to a combined power generation system control device, a combined power generation system, a combined power generation system control method, and a combined power generation system control program using a methane concentration variation gas.
燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」という。)は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、水素および一酸化炭素、メタンなどの炭化水素系ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガス、都市ガス、天然ガス、あるいはこれらのうち複数の成分を含む混合ガスなどを燃料原料ガスとして運転される燃料電池である。このようなSOFCは、例えばマイクロガスタービン(以下、「MGT」という。)等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが開発されており、圧縮機から吐出される圧縮空気をSOFCの空気極に供給するとともに、SOFCから排出される高温の排燃料原料ガスをMGTの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスでタービンを回転させることで、発電効率の高い発電が可能とされている。 A fuel cell is a power generation device that uses a power generation method based on an electrochemical reaction, and has excellent power generation efficiency and environmental characteristics. Among these, solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as “SOFC”) use ceramics such as zirconia ceramics as an electrolyte, hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbon gases such as methane, coal, etc. The fuel cell is operated using as a fuel raw material gas a gas produced by a gasification facility for carbonaceous raw materials, city gas, natural gas, or a mixed gas containing a plurality of these components. Such a SOFC has been developed as a combined power generation system combined with an internal combustion engine such as a micro gas turbine (hereinafter referred to as “MGT”), and supplies compressed air discharged from the compressor to the air electrode of the SOFC. In addition, high-temperature exhaust fuel material gas discharged from the SOFC is supplied to the MGT combustor for combustion, and the turbine is rotated by the combustion gas generated in the combustor, thereby enabling power generation with high power generation efficiency. ing.
近年、SOFCの燃料原料ガスとして、上述したものに代えてバイオガスを用いることが検討されている。バイオガスとは、例えば下水に由来するガスであり、下水からメタン発酵処理して得られ、主な成分はメタン及び二酸化炭素である。一般的に、バイオガス中のメタン濃度は約60体積%、二酸化炭素濃度は約40体積%とされているが、バイオガスのメタン濃度は一定ではなく、特に時間帯や季節により変化する。
SOFCにおいて、バイオガス中のメタン濃度の変化に対応する方法として、特許文献1には燃料電池へ供給する前段階において前処理装置を用いてバイオガス中のメタンガス成分を濃縮しメタン濃度を一定にした後供給することが開示されている。また、特許文献2には、メタン濃度に基づいて必要な燃料原料ガス供給量を演算し供給量を制御することが開示されている。また、特許文献3には、バイオガスを吸着貯蔵容器に貯蔵し二酸化炭素を吸着しつつ、組成の変動に対してはSOFCの出力を変動させることで対応することが開示されている。
In recent years, it has been studied to use biogas instead of the above-mentioned fuel source gas for SOFC. Biogas is a gas derived from, for example, sewage, obtained by methane fermentation treatment from sewage, and main components are methane and carbon dioxide. In general, the methane concentration in the biogas is about 60% by volume and the carbon dioxide concentration is about 40% by volume. However, the methane concentration in the biogas is not constant and varies depending on the time zone and the season.
In SOFC, as a method for dealing with a change in methane concentration in biogas,
しかしながら、上記特許文献1に開示された発明では、メタンガス成分の濃縮には動力源や前処理装置の設置、及びそのスペースが必要であるなどコストがかかるという問題があった。
また、上記特許文献2に開示された発明では、燃料原料ガスであるバイオガスのメタン濃度に応じて供給流量を調整しても、バイオガスは所定燃料ガスと比較して燃焼速度が遅いため、MGTにおいて火炎が安定せず失火してしまい、複合発電システムの起動が困難であるという問題があった。
また、上記特許文献3に開示された発明では、バイオガスのメタン濃度の変化に対しSOFCの出力を変動させて対応することから、SOFCの出力が安定しないという問題があった。
However, in the invention disclosed in
Moreover, in the invention disclosed in Patent Document 2, even if the supply flow rate is adjusted according to the methane concentration of the biogas that is the fuel raw material gas, the biogas has a lower combustion speed than the predetermined fuel gas, In MGT, there was a problem that the flame was not stabilized and misfired, making it difficult to start the combined power generation system.
Further, the invention disclosed in Patent Document 3 has a problem that the SOFC output is not stable because the SOFC output is changed in response to the change in the methane concentration of the biogas.
本発明は、上述した課題を解決するものであり、バイオガスを燃料原料ガスとするSOFCを備えた複合発電システムの起動において、メタン濃度の不安定なバイオガスであっても安定した起動を実施可能とするとともに、起動用燃料である所定燃料ガスの消費量を抑える複合発電システムの制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and in the start-up of a combined power generation system equipped with an SOFC using biogas as a fuel raw material gas, stable start-up is performed even for biogas with unstable methane concentration. An object of the present invention is to provide a combined power generation system control device, a combined power generation system, a combined power generation system control method, and a combined power generation system control program capable of reducing the consumption of a predetermined fuel gas that is a starting fuel. .
上記課題を解決するために、本発明の複合発電システムの制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラムは以下の手段を採用する。
本発明の第一態様に係る複合発電システムの制御装置は、燃料極と空気極と発電室温度を測定する発電室温度センサとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを原燃料とする燃料電池と、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを用いて運転されるガスタービンと、前記メタン濃度変動ガス中の前記メタン濃度を測定する濃度計と、を備えた複合発電システムの制御装置であって、前記ガスタービンへ前記メタン濃度変動ガスを供給するガスタービン用メタン濃度変動ガス供給ラインと所定燃料ガスを供給するガスタービン用所定燃料ガス供給ラインとが設けられ、前記ガスタービンの起動工程において、起動と共に前記ガスタービンへ前記所定燃料ガスの供給を開始し、前記発電室温度センサの測定した前記発電室温度の単位時間当たりの温度上昇率及び前記メタン濃度変動ガスの前記メタン濃度に応じて前記ガスタービンに供給される前記メタン濃度変動ガスの供給開始時間、供給流量および前記所定燃料ガスの供給流量を決定し、前記ガスタービンの燃料を前記所定燃料ガスから前記メタン濃度変動ガスへ切り替える。
In order to solve the above problems, the combined power generation system control device, the combined power generation system, the combined power generation system control method, and the combined power generation system control program of the present invention employ the following means.
A control device for a combined power generation system according to the first aspect of the present invention includes a fuel electrode, an air electrode, and a power generation chamber temperature sensor for measuring a power generation chamber temperature, and generates a methane concentration variation gas whose methane concentration varies during operation. A combined power generation system comprising: a fuel cell as fuel; a gas turbine operated using exhaust fuel gas discharged from the fuel cell; and a densitometer that measures the methane concentration in the methane concentration variation gas A gas turbine methane concentration variation gas supply line for supplying the methane concentration variation gas to the gas turbine, and a gas turbine predetermined fuel gas supply line for supplying a predetermined fuel gas. In the start-up process of the turbine, the supply of the predetermined fuel gas to the gas turbine is started together with the start-up, and the power generation chamber temperature measured by the power generation chamber temperature sensor A supply start time, a supply flow rate, and a supply flow rate of the predetermined fuel gas to be supplied to the gas turbine are determined according to a temperature increase rate per unit time and the methane concentration of the methane concentration change gas. The fuel of the gas turbine is switched from the predetermined fuel gas to the methane concentration variation gas.
固体酸化物形燃料電池などの燃料電池の起動昇温とともに発電開始に先立って行うガスタービンの起動工程において、まず都市ガスなどの所定燃料ガスを燃焼器へ供給する。起動したガスタービンから排出される圧縮空気が燃料電池の空気極に供給されることで燃料電池の発電室温度が上昇する。この発電室温度の単位時間当たりの温度上昇率及びメタン濃度変動ガスのメタン濃度に応じて、制御装置によりガスタービンに供給されるメタン濃度変動ガスの供給開始のタイミングとなる時間、供給流量、および所定燃料ガスの供給流量が決定される。
本構成によれば、ガスタービンの起動工程の燃焼器には所定燃料ガスのみを供給することで、メタン濃度が変動するとともに所定燃料ガスよりも燃焼速度が遅いメタン濃度変動ガスを使用しないためガスタービンの安定した起動が行え、ガスタービンの火炎が安定することによりガスタービンの失火を防止することができる。
In a gas turbine startup process that is performed prior to the start of power generation along with the startup temperature rise of a fuel cell such as a solid oxide fuel cell, first, a predetermined fuel gas such as city gas is supplied to the combustor. The compressed air discharged from the activated gas turbine is supplied to the air electrode of the fuel cell, so that the power generation chamber temperature of the fuel cell rises. According to the temperature increase rate per unit time of the power generation chamber temperature and the methane concentration of the methane concentration variation gas, the time, the supply flow rate, and the timing for starting the supply of the methane concentration variation gas supplied to the gas turbine by the control device, and The supply flow rate of the predetermined fuel gas is determined.
According to this configuration, only the predetermined fuel gas is supplied to the combustor in the start-up process of the gas turbine, so that the methane concentration fluctuating gas whose methane concentration fluctuates and whose combustion speed is slower than the predetermined fuel gas is not used. The turbine can be stably started, and the gas turbine flame is stabilized, whereby misfire of the gas turbine can be prevented.
また、燃料電池の発電室温度の温度上昇率に応じてメタン濃度変動ガスの供給開始時間を決定することから、ガスタービンの燃焼器での燃焼が安定した状態での適切な供給タイミングでメタン濃度変動ガスの供給を開始することができる。また、ガスタービンの燃焼が安定した状態で所定燃料ガスの供給を停止し、所定燃料ガスの供給流量を削減し最小化して燃料電池の排燃料原料ガスへと切替えることができるので、所定燃料ガスの消費を節約できる。また、ガスタービンを適切に起動することができ、ガスタービンの起動を早くできるため、燃料電池の起動を早く行うことができる。
また、ガスタービンにメタン濃度変動ガスを供給するガスタービン用メタン濃度変動ガス供給ラインと所定燃料ガスを供給するガスタービン用所定燃料ガス供給ラインを設けるため、メタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスのメタンガス成分の濃縮やメタン濃度に応じたメタン濃度変動ガスの供給流量の調整を行うことなく所定燃料ガスの供給流量によって、メタン濃度変動ガスのメタン濃度の変動があってもメタン濃度を所定濃度範囲に容易に調整対応することができる。
なお、「メタン濃度変動ガス」とは、運転中にメタン濃度が変動するガスを意味し、例えば、有機性廃棄物の嫌気性発酵処理(メタン発酵)によるメタン発酵ガス、下水汚泥の嫌気性処理による消化ガスなどを由来とするバイオガス、再生可能エネルギー由来等の水素をメタンに混ぜたハイタンなどが挙げられる。
また、「所定燃料ガス」とは、予め発熱量が略一定に調整された燃料ガスを意味し、例えばメタン濃度が略一定に調整された都市ガスが挙げられる。
In addition, since the supply start time of the methane concentration variation gas is determined according to the rate of temperature increase of the power generation chamber temperature of the fuel cell, the methane concentration is determined at an appropriate supply timing in a state where combustion in the combustor of the gas turbine is stable. The supply of the variable gas can be started. Further, since the supply of the predetermined fuel gas is stopped in a state where the combustion of the gas turbine is stable, the supply flow rate of the predetermined fuel gas can be reduced and minimized to be switched to the exhaust fuel raw material gas of the fuel cell. Can save the consumption. In addition, since the gas turbine can be appropriately started and the gas turbine can be started quickly, the fuel cell can be started quickly.
In addition, a methane concentration variation gas supply line for gas turbine that supplies a methane concentration variation gas to the gas turbine and a predetermined fuel gas supply line for gas turbine that supplies a predetermined fuel gas are provided. Even if there is a fluctuation in the methane concentration of the methane concentration fluctuation gas, the methane concentration is kept within the predetermined concentration range by adjusting the supply flow rate of the methane concentration fluctuation gas according to the methane concentration and by adjusting the supply flow rate of the methane concentration fluctuation gas according to the methane concentration. Can be easily adjusted.
“Methane concentration fluctuation gas” means a gas whose methane concentration fluctuates during operation. For example, methane fermentation gas by anaerobic fermentation treatment (methane fermentation) of organic waste, anaerobic treatment of sewage sludge And biogas derived from digestion gas from methane, and high tan in which hydrogen derived from renewable energy is mixed with methane.
The “predetermined fuel gas” means a fuel gas whose calorific value has been adjusted to be substantially constant in advance, such as city gas whose methane concentration has been adjusted to be substantially constant.
上記第一態様では、前記ガスタービンに供給される前記燃料原料ガスの前記メタン濃度が60体積%以上となるように、前記ガスタービンに供給される前記燃料原料ガスである前記メタン濃度変動ガスおよび前記所定燃料ガスの各供給流量が調整されるとしてもよい。 In the first aspect, the methane concentration variation gas that is the fuel raw material gas supplied to the gas turbine, and the methane concentration of the fuel raw material gas supplied to the gas turbine is 60% by volume or more, and Each supply flow rate of the predetermined fuel gas may be adjusted.
本構成によれば、ガスタービンに供給される燃料原料ガスのメタン濃度が60体積%以上の所定濃度範囲となるようにガスタービンに供給される燃料原料ガスであるメタン濃度変動ガスおよび所定燃料ガスの各供給流量が調整されるため、メタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスのメタンガス成分の濃縮を行う必要がない。そのため、メタンガス成分の濃縮に要するコストが削減できる。
また、例えばガスタービンに供給されるメタン濃度変動ガスのメタン濃度に応じて供給流量を調整した場合、メタン濃度変動ガスは燃焼速度が遅いため、火炎が安定せず失火することによりガスタービンの起動が困難である。しかし、本構成により、メタン濃度変動ガスのメタン濃度の変動に対応して所定燃料ガスの供給流量を調整することによって、燃焼器の燃焼を安定させてガスタービンの安定した起動を行うことができる。
According to this configuration, the methane concentration variation gas and the predetermined fuel gas, which are the fuel raw material gas supplied to the gas turbine, so that the methane concentration of the fuel raw material gas supplied to the gas turbine falls within a predetermined concentration range of 60% by volume or more. Therefore, it is not necessary to concentrate the methane gas component of the methane concentration fluctuation gas in which the methane concentration fluctuates. Therefore, the cost required for concentration of methane gas components can be reduced.
Also, for example, when the supply flow rate is adjusted according to the methane concentration of the methane concentration fluctuation gas supplied to the gas turbine, the methane concentration fluctuation gas has a slow combustion speed. Is difficult. However, with this configuration, by adjusting the supply flow rate of the predetermined fuel gas corresponding to the change in the methane concentration of the methane concentration fluctuation gas, the combustion of the combustor can be stabilized and the gas turbine can be stably started. .
上記第一態様では、前記ガスタービンの起動後、前記発電室温度が第1閾値を超えると、前記燃料電池の前記燃料極への前記メタン濃度変動ガスの供給を開始するとしてもよい。 In the first aspect, after the gas turbine is started, when the temperature of the power generation chamber exceeds a first threshold value, supply of the methane concentration varying gas to the fuel electrode of the fuel cell may be started.
本構成によれば、発電室温度が第1閾値を超えると、燃料電池の燃料極へのメタン濃度変動ガスの供給を開始することから、ガスタービンが起動し発電室温度が所定の温度まで上昇して、ガスタービンの運転が安定してから燃料電池へのメタン濃度変動ガスの供給を開始することができる。 According to this configuration, when the temperature of the power generation chamber exceeds the first threshold, the supply of the methane concentration varying gas to the fuel electrode of the fuel cell is started, so the gas turbine is started and the temperature of the power generation chamber rises to a predetermined temperature. Then, after the operation of the gas turbine is stabilized, the supply of the methane concentration varying gas to the fuel cell can be started.
上記第一態様では、前記発電室温度が第1閾値よりも大きい第2閾値を超えると、前記燃料電池の前記空気極への前記メタン濃度変動ガスの供給を開始することが好ましい。 In the first aspect, it is preferable that the supply of the methane concentration varying gas to the air electrode of the fuel cell is started when the power generation chamber temperature exceeds a second threshold value that is greater than the first threshold value.
本構成によれば、発電室温度が上昇し第2閾値を超えると、燃料電池の空気極へのメタン濃度変動ガスの供給を開始することから、燃料極へのメタン濃度変動ガスの供給開始後に、燃料電池の空気極の構成材に含まれる触媒成分の触媒燃焼により発電室温度をさらに上昇させることができる。 According to this configuration, when the temperature of the power generation chamber rises and exceeds the second threshold value, the supply of the methane concentration varying gas to the air electrode of the fuel cell is started. The temperature of the power generation chamber can be further increased by catalytic combustion of the catalyst component contained in the constituent material of the air electrode of the fuel cell.
上記第一態様では、前記メタン濃度変動ガスの前記メタン濃度が60体積%以上である場合、前記燃料電池の前記空気極への前記メタン濃度変動ガスの供給を第2閾値よりも小さく第1閾値よりも大きい値で開始してもよい。 In the first aspect, when the methane concentration of the methane concentration variation gas is 60% by volume or more, the supply of the methane concentration variation gas to the air electrode of the fuel cell is made smaller than a second threshold value. You may start with a larger value.
本構成によれば、メタン濃度変動ガスのメタン濃度が60体積%以上であれば、燃料電池の空気極へのメタン濃度変動ガスの供給を第2閾値よりも小さい値で開始して、すなわち空気極へのメタン濃度変動ガスの供給を早めることから、燃料電池の起動を早めることができる。 According to this configuration, when the methane concentration of the methane concentration variation gas is 60% by volume or more, the supply of the methane concentration variation gas to the air electrode of the fuel cell is started at a value smaller than the second threshold, that is, the air Since the supply of the methane concentration fluctuation gas to the electrode is accelerated, the start-up of the fuel cell can be accelerated.
上記第一態様では、前記空気極の初期燃焼が安定しない場合、前記発電室温度が前記第2閾値を超えると前記メタン濃度変動ガスの供給を開始する前に前記所定燃料ガスの供給を開始するとしてもよい。 In the first aspect, when the initial combustion of the air electrode is not stable, when the power generation chamber temperature exceeds the second threshold value, the supply of the predetermined fuel gas is started before the supply of the methane concentration variation gas is started. It is good.
本構成によれば空気極の初期燃料が安定しない場合、発電室温度が第2閾値を超えるとメタン濃度変動ガスの供給を開始する前に所定燃料ガスの供給を開始することから、触媒燃焼が安定する。 According to this configuration, when the initial fuel of the air electrode is not stable, when the temperature of the power generation chamber exceeds the second threshold, the supply of the predetermined fuel gas is started before the supply of the methane concentration variation gas is started. Stabilize.
上記第一態様では、前記燃料電池は固体酸化物形燃料電池であるとしてもよい。 In the first aspect, the fuel cell may be a solid oxide fuel cell.
上記第一態様では、前記メタン濃度変動ガスの供給に異常が発生した場合、前記所定燃料ガスの供給流量を増やすとしてもよい。 In the first aspect, the supply flow rate of the predetermined fuel gas may be increased when an abnormality occurs in the supply of the methane concentration fluctuation gas.
本構成によれば、メタン濃度変動ガスの供給が減少する、停止する、またはメタン濃度変動ガス中のメタン濃度が低下する等、メタン濃度変動ガスの供給に異常が発生した場合、所定燃料ガスの供給流量を増やすことで、メタン濃度変動ガスの予備系統として所定燃料ガスを用いることができる。これにより、複合発電システムをより安定稼働することができる。メタン濃度変動ガスの供給が停止、または減少する等によりメタン濃度変動ガスでの運転が困難な場合には、メタン濃度変動ガスから所定燃料ガスに系統を切り替えて運転を継続することができ、信頼性と稼働率を向上する。 According to this configuration, when an abnormality occurs in the supply of the methane concentration fluctuation gas, such as when the supply of the methane concentration fluctuation gas decreases, stops, or the methane concentration in the methane concentration fluctuation gas decreases, By increasing the supply flow rate, the predetermined fuel gas can be used as a reserve system for the methane concentration fluctuation gas. Thereby, the combined power generation system can be operated more stably. When operation with methane concentration fluctuation gas is difficult due to the stoppage or reduction of methane concentration fluctuation gas supply, the operation can be continued by switching the system from methane concentration fluctuation gas to the specified fuel gas. Improve productivity and availability.
本発明の第二態様に係る複合発電システムは、燃料極と空気極と発電室温度を測定する発電室温度センサとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを燃料原料ガスとする燃料電池と、前記燃料電池から排出される排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、前記ガスタービンへ前記メタン濃度変動ガスを供給するガスタービン用メタン濃度変動ガス供給ラインと、前記ガスタービンへ所定燃料ガスを供給するガスタービン用所定燃料ガス供給ラインと、上記のいずれかに記載の制御装置とを備える。 A combined power generation system according to a second aspect of the present invention includes a fuel electrode, an air electrode, and a power generation chamber temperature sensor that measures a power generation chamber temperature, and a methane concentration variation gas that varies in methane concentration during operation as a fuel raw material gas. A fuel cell that operates, a gas turbine that is operated using exhaust fuel source gas discharged from the fuel cell, a methane concentration variation gas supply line for a gas turbine that supplies the methane concentration variation gas to the gas turbine, and A predetermined fuel gas supply line for a gas turbine that supplies a predetermined fuel gas to the gas turbine, and the control device according to any one of the above.
本発明の第三態様に係る複合発電システムの制御方法は、燃料極と空気極と発電室温度を測定する発電室温度センサとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを燃料原料ガスとする燃料電池と、前記燃料電池から排出される排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、前記メタン濃度変動ガス中の前記メタン濃度を測定する濃度計と、を備えた複合発電システムの制御方法であって、前記ガスタービンへ前記メタン濃度変動ガスを供給するガスタービン用メタン濃度変動ガス供給ラインと所定燃料ガスを供給するガスタービン用所定燃料ガス供給ラインとが設けられ、前記ガスタービンの起動工程において、起動と共に前記所定燃料ガスを供給開始し、前記発電室温度センサの測定した前記発電室温度の単位時間当たりの温度上昇率及び前記メタン濃度変動ガスの前記メタン濃度に応じて前記ガスタービンに供給される前記メタン濃度変動ガスの供給開始時間、供給流量および前記所定燃料ガスの供給流量を決定する。 A control method for a combined power generation system according to a third aspect of the present invention includes a fuel electrode, an air electrode, and a power generation chamber temperature sensor for measuring a power generation chamber temperature, and fuels a methane concentration variation gas whose methane concentration varies during operation. A composite comprising a fuel cell as a raw material gas, a gas turbine operated using exhaust fuel raw material gas discharged from the fuel cell, and a concentration meter for measuring the methane concentration in the methane concentration variation gas A control method for a power generation system, comprising: a methane concentration variation gas supply line for gas turbine that supplies the methane concentration variation gas to the gas turbine; and a predetermined fuel gas supply line for gas turbine that supplies a predetermined fuel gas; In the gas turbine startup process, the supply of the predetermined fuel gas is started together with the startup, and the unit time of the power generation chamber temperature measured by the power generation chamber temperature sensor Supply start time of the methane concentration varies gas supplied to the gas turbine in accordance with the methane concentration in temperature rise rate and the methane concentration varies gas or to determine the supply flow rate of the supply flow rate and the predetermined fuel gas.
本発明の第四態様に係る複合発電システムの制御プログラムは、燃料極と空気極と発電室温度を測定する発電室温度センサとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを燃料原料ガスとする燃料電池と、前記燃料電池から排出される排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、前記メタン濃度変動ガス中の前記メタン濃度を測定する濃度計と、を備えた複合発電システムの制御プログラムであって、前記ガスタービンへ前記メタン濃度変動ガスを供給するガスタービン用メタン濃度変動ガス供給ラインと所定燃料ガスを供給するガスタービン用所定燃料ガス供給ラインとが設けられ、前記ガスタービンの起動工程において、起動と共に前記所定燃料ガスの供給指令を開始し、前記発電室温度センサの測定した前記発電室温度の単位時間当たりの温度上昇率及び前記メタン濃度変動ガスの前記メタン濃度に応じて前記ガスタービンに供給される前記メタン濃度変動ガスの供給開始時間、供給流量および前記所定燃料ガスの供給流量を決定する。 A control program for a combined power generation system according to a fourth aspect of the present invention includes a fuel electrode, an air electrode, and a power generation chamber temperature sensor for measuring a power generation chamber temperature, and fuels a methane concentration variation gas whose methane concentration varies during operation. A composite comprising a fuel cell as a raw material gas, a gas turbine operated using exhaust fuel raw material gas discharged from the fuel cell, and a concentration meter for measuring the methane concentration in the methane concentration variation gas A control program for a power generation system, comprising: a methane concentration variation gas supply line for gas turbine that supplies the methane concentration variation gas to the gas turbine; and a predetermined fuel gas supply line for gas turbine that supplies a predetermined fuel gas; In the starting process of the gas turbine, the supply command of the predetermined fuel gas is started at the same time as starting, and the emission measured by the power generation chamber temperature sensor is started. Supply start time, supply flow rate, and supply flow rate of the predetermined fuel gas supplied to the gas turbine in accordance with a temperature increase rate per unit time of the room temperature and the methane concentration of the methane concentration change gas To decide.
本発明によれば、燃料電池を備えた複合発電システムの起動において、制御装置は所定燃料ガス供給からメタン濃度変動ガス供給への切り替えを、燃料電池の発電室温度の単位時間当たりの上昇率に基づき実施するので、メタン濃度の不安定なメタン濃度変動ガスを用いた複合発電システムであっても安定した起動を行うことができる。
また、起動用燃料として用いられる所定燃料ガスの消費量を少なく抑えることができる。
According to the present invention, in starting the combined power generation system including the fuel cell, the control device switches the supply from the predetermined fuel gas supply to the methane concentration variable gas supply to the rate of increase per unit time of the power generation chamber temperature of the fuel cell. Therefore, even a combined power generation system using a methane concentration fluctuation gas having an unstable methane concentration can be stably started.
In addition, the consumption of the predetermined fuel gas used as the starting fuel can be reduced.
以下に、本発明に係る複合発電システムの制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
以下、本発明の一実施形態について、図1を用いて説明する。
図1には、本実施形態に係る複合発電システムの制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラムの概略構成が示されている。
図1に示されるように、複合発電システム1は、固体酸化物形燃料電池(以下、SOFCとする。)(燃料電池)10、マイクロガスタービン(以下、MGTとする。)(ガスタービン)80、発電機86、及び制御装置70を主な構成として備えている。本実施形態の複合発電システム1は、燃料原料ガスとして運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガス20を用いる。メタン濃度変動ガス20としては、例えば、有機性廃棄物の嫌気性発酵処理(メタン発酵)によるメタン発酵ガス、下水汚泥の嫌気性処理による消化ガスなどを由来とするバイオガス、再生可能エネルギー由来等の水素をメタンに混ぜたハイタンなどが挙げられるが、本実施形態ではバイオガス20を用いるものとする。また、本実施形態の複合発電システム1は、起動用燃料として所定燃料ガス30を用いる。所定燃料ガス30とは、予め発熱量が略一定に調整された所定のガスを意味し、例えばメタン濃度が略一定に調整された都市ガスが挙げられ、本実施形態では都市ガス30を用いるものとする。
Hereinafter, an embodiment of a combined power generation system control device, a combined power generation system, a combined power generation system control method, and a combined power generation system control program according to the present invention will be described with reference to the drawings.
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 shows a schematic configuration of a combined power generation system control device, a combined power generation system, a combined power generation system control method, and a combined power generation system control program according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the combined
MGT80は、圧縮機84、燃焼器81、タービン83、発電機86及び再生熱交換器85を備えており、圧縮機84とタービン83と発電機86は、一体回転可能に同軸に連結されている。圧縮機84は、取り込んだ空気5を圧縮する。燃焼器81は、圧縮機84から排出され再生熱交換器85、第2流量調整弁18、及び酸化性ガス排出ライン305を通して供給された圧縮空気と、SOFC10の空気極113から排出され酸化性ガス排出ライン305及び遮断弁13を通して供給された排空気(排酸化性ガス)と、SOFC10の燃料極109から排出され燃料極燃料原料ガス排出ライン303及び流量調整弁15を通して供給された排燃料原料ガスと、ガスタービン用燃料原料ガス供給ライン309及び流量調整弁62を通して供給されたバイオガス20または流量調整弁63を通して供給された都市ガス30を混合して燃焼する。酸化性ガス排出ライン305には、燃焼器81の近傍に燃焼器入口空気温度T0を測定する燃焼器入口温度センサ14が設けられている。タービン83は、燃焼器81から供給された排ガス(燃焼ガス)が断熱膨張することにより回転する。発電機86は、タービン83と同軸上に設けられており、タービン83が回転駆動することで発電する。タービン83の近傍には、排ガス温度を測定するタービン入口温度センサ82が設けられている。再生熱交換器85は、タービン83から排出された排ガスと圧縮機84から排出された圧縮空気との間で熱交換を行う。圧縮空気との熱交換で冷却された排ガスは、煙突90を通して外部に放出される。
The
燃焼器81には、ガスタービン用燃料原料ガス供給ライン309を通して起動用燃料が供給される。本実施形態においてMGT80の起動用燃料はバイオガス20と都市ガス30である。ガスタービン用燃料原料ガス供給ライン309は、バイオガス20を供給するガスタービン用メタン濃度変動ガス供給ライン(以下、ガスタービン用バイオガス供給ラインという。)307と、都市ガス30を供給するガスタービン用所定燃料ガス供給ライン(以下、ガスタービン用都市ガス供給ラインという。)308が合流したラインである。ガスタービン用バイオガス供給ライン307は、後述するメタン濃度変動ガス供給ライン(以下、バイオガス供給ラインという。)310から分岐し、バイオガス20の流れ方向に沿って上流側から順に遮断弁52及びバイオガス20の供給量を調整可能な流量調整弁62が設けられている。ガスタービン用都市ガス供給ライン308は、後述する所定燃料ガス供給ライン(以下、都市ガス供給ラインという。)311から分岐し、都市ガス30の流れ方向に沿って上流側から順に遮断弁53及び都市ガス30の供給量を調整可能な流量調整弁63が設けられている。
The starter fuel is supplied to the
図1に示されるSOFC10は、詳細については後述するが、図5及び図6に示されるように圧力容器205内に空気極113と固体電解質111と燃料極109とが収容されて構成される。空気極113には、図1で示されるように圧縮機84で圧縮された一部の圧縮空気が酸化性ガスとして空気極酸化性ガス供給ライン306を通して供給され、燃料極109には、例えば都市ガスやバイオガスなどの発電反応に寄与する燃料原料ガスが燃料極燃料原料ガス供給ライン301を通して供給されることで発電を行う。また、SOFC10は発電室215及び発電室215の発電室温度T1を計測する発電室温度センサ11を備えている。
SOFC10にて用いられる酸化性ガスは、酸素を略15%乃至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。
As will be described in detail later, the
The oxidizing gas used in the
SOFC10には空気極酸化性ガス供給ライン306が連結され、圧縮機84が圧縮した一部の圧縮空気が空気極113の導入部に供給される。この空気極酸化性ガス供給ライン306には、圧縮空気の流れ方向に沿って上流側から順に後述する熱交換器バイパスライン313への分岐点、再生熱交換器85、後述する燃料電池バイパスライン312への分岐点、圧縮空気の供給量を調整可能な流量調整弁17、熱交換器バイパスライン313との合流点及び後述する空気極燃料原料ガス供給ライン302との合流点が設けられている。また、再生熱交換器85の上流側分岐点から流量調整弁17の下流側合流点へ再生熱交換器85をバイパスするラインである熱交換器バイパスライン313が設けられており、このライン上には圧縮空気のバイパス量を調整可能な第1流量調整弁16が設けられている。燃料電池バイパスライン312は、再生熱交換器85から排出された圧縮空気の一部をSOFC10をバイパスして燃焼器81に供給するラインであり、圧縮空気の供給量を調整可能な第2流量調整弁18が設けられている。
An air electrode oxidizing
SOFC10には、空気極113で用いられた排空気(排酸化性ガス)を排出する酸化性ガス排出ライン305が連結されている。この酸化性ガス排出ライン305は、燃焼器81の導入部に連結されており、空気極113で用いられた排空気を燃焼器81へ供給する。酸化性ガス排出ライン305には、排空気の流れ方向に沿って上流側から順に遮断弁13、燃料電池バイパスライン312との合流点、及び燃焼器入口温度センサ14が設けられている。
An oxidizing
また、SOFC10には、燃料極109の導入部にSOFC10に燃料原料ガスを供給する燃料極燃料原料ガス供給ライン301が連結されている。燃料極燃料原料ガス供給ライン301は、バイオガス20を供給するバイオガス供給ライン310と、都市ガス30を供給する都市ガス供給ライン311とが合流したラインである。バイオガス供給ライン310には、バイオガス20の流れ方向に沿って上流側から順に濃度計21、ガスタービン用バイオガス供給ライン307との分岐点及び遮断弁22が設けられている。濃度計21は、バイオガス20中のメタン濃度の濃度計測を行う。都市ガス供給ライン311には、都市ガス30の流れ方向に沿って上流側から順に空気極燃料原料ガス供給ライン302への分岐点、ガスタービン用都市ガス供給ライン308への分岐点及び遮断弁35が設けられている。また、燃料極燃料原料ガス供給ライン301には、燃料原料ガスの流れ方向に沿って上流側から順に脱硫器23、空気極燃料原料ガス供給ライン302への分岐点、流量調整弁24、及び後述する再循環ライン304との合流点が設けられている。
In addition, a fuel electrode fuel source
SOFCには、燃料極109で用いられた排燃料原料ガスを排出する燃料極燃料原料ガス排出ライン303が連結されている。この燃料極燃料原料ガス排出ライン303は、燃焼器81の導入部に連結されており、燃料極109で用いられた排燃料原料ガスを燃焼器81へ供給する。燃料極燃料原料ガス排出ライン303には、排燃料原料ガスの流れ方向に沿って上流側から順にブロア12、再循環ライン304への分岐点、排燃料原料ガスの供給量を調整可能な流量調整弁15が設けられている。再循環ライン304は、燃料極燃料原料ガス排出ライン303から燃料極燃料原料ガス供給ライン301へと連結している。燃料極109から排出された排燃料原料ガスを燃料極109へ再循環させることで、排燃料原料ガスに含まれる未反応分の燃料原料ガスを再利用すると共に、内部改質時の原料となる水を供給し、さらには排燃料原料ガスの顕熱は燃料極109へ供給される燃料原料ガスの昇温に用いられる。再循環ライン304には、燃料原料ガスの内部改質に利用する原料の水が不足する場合に、純水相当の上水40を系外から供給する改質用水供給ライン314が合流している。改質用水供給ライン314には、上水40の流れ方向に沿って上流側から順に改質用水供給装置41及びブロア42が設けられている。
A fuel electrode fuel source
また、空気極燃料原料ガス供給ライン302は、都市ガス供給ライン311から分岐し、空気極酸化性ガス供給ライン306に合流する。空気極燃料原料ガス供給ライン302には、都市ガス及び燃料原料ガスの流れ方向に沿って上流側から順に遮断弁31、脱硫器32、燃料極燃料原料ガス供給ライン301からの合流点、及び都市ガス30またはバイオガス20の供給量を調整可能な流量調整弁34が設けられている。燃料極燃料原料ガス供給ライン301と空気極燃料原料ガス供給ライン302とを連結するライン上には、遮断弁33が設けられている。
The air electrode fuel raw material
制御装置70は、例えば、濃度計21及び各温度センサ11、14、82の計測値等に基づき、各遮断弁及び各流量調整弁の制御を行う。
制御装置70は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ROMやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、DVD−ROM、半導体メモリ等である。
The
The
次に、本実施形態における複合発電システムの起動方法について図2乃至図4を用いて説明する。
図2には、本実施形態に係る複合発電システムの起動におけるタイムチャートが示されている。
同図において、縦軸は図の上からMGT80及びSOFC10の発電出力、燃焼器81への燃料原料ガス供給量、燃料極109への燃料原料ガス供給量、空気極113への燃料原料ガス供給量、燃焼器入口空気温度T0、発電室215の発電室温度T1、SOFC10の電流負荷の各値であり、横軸は時間である。発電出力のタイムチャートにおいて、一点鎖線はMGT80の発電出力、二点鎖線はSOFC10の発電出力を示す。燃焼器供給量、燃料極供給量、空気極供給量の各タイムチャートにおいて、実線はバイオガス20の供給量、破線は都市ガス30の供給量を示す。また、空気極供給量のタイムチャートにおける一点鎖線はバイオガス20の供給前に都市ガス30が供給された場合の都市ガス30の供給量、二点鎖線はバイオガス20の供給前に都市ガス30が供給された場合のバイオガス20の供給量を示す。
図3には、本実施形態に係る複合発電システムの起動時における各遮断弁の開閉がタイムチャートに示されている。
同図において、縦軸は図の上から遮断弁53、遮断弁52、遮断弁35、遮断弁22、遮断弁31、遮断弁33、遮断弁13の各開閉(ON/OFF)状態であり、横軸は時間である。遮断弁31のタイムチャートにおいて、破線はバイオガス20の供給前に都市ガス30を供給する場合の遮断弁31のON/OFF状態を示す。また遮断弁33のタイムチャートにおいて、一点鎖線はバイオガス20の供給前に都市ガス30が供給された場合の遮断弁33のON/OFF状態を示す。
図4には、本実施形態に係る複合発電システムの起動時における各流量調整弁の開度がタイムチャートに示されている。
同図において、縦軸は図の上から流量調整弁63、流量調整弁62、流量調整弁24、流量調整弁34、流量調整弁15、第1流量調整弁16、流量調整弁17、第2流量調整弁18の各開度であり、横軸は時間である。流量調整弁34のタイムチャートにおいて、一点鎖線はバイオガス20の供給前に都市ガス30を供給する場合の流量調整弁34の開度を示す。
Next, a method for starting the combined power generation system according to this embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 shows a time chart for starting the combined power generation system according to the present embodiment.
In the figure, the vertical axis indicates the power generation output of the
FIG. 3 is a time chart showing opening and closing of each shut-off valve when the combined power generation system according to this embodiment is started.
In the figure, the vertical axis represents the open / close (ON / OFF) states of the
FIG. 4 is a time chart showing the opening degree of each flow rate adjustment valve when the combined power generation system according to this embodiment is started.
In the figure, the vertical axis indicates the flow
本実施形態の発電システムの起動方法において、図2に示すように、時間t1にてMGT80の起動を行う。時間t1において、図3に示すように全ての遮断弁はOFF(遮断)であり、図4に示すように第2流量調整弁18を除くすべての流量調整弁は全閉、第2流量調整弁18のみ全開である。
In the method for starting the power generation system of this embodiment, the
MGT80の起動においては、燃焼器81へ都市ガス30の供給を開始する。時間t1にて、図3に示すように、ガスタービン用都市ガス供給ライン308上の遮断弁53をON(開放)し、図4に示すようにガスタービン用都市ガス供給ライン308上の流量調整弁63の開度を上げ、都市ガス30の燃焼器81への供給量を所定値まで上昇させる。都市ガス30の供給量が所定値まで上がると同時に、図3に示すように酸化性ガス排出ライン305上の遮断弁13をONし、図4に示すように空気極酸化性ガス供給ライン306上の流量調整弁17を全開とし、燃料電池バイパスライン312上の第2流量調整弁18を全閉とする。
In starting up the
図2の縦軸の発電出力のチャートで一点鎖線に示すように、都市ガス30の燃焼器81への供給により、MGT80の発電出力は徐々に上昇し、発電機86の発電出力が所定値に到達して一定出力(定格出力)となる。また、MGT80が起動することにより、燃焼器入口温度センサ14が測定する燃焼器入口空気温度T0、及び発電室温度センサ11が測定する発電室温度T1がそれぞれ上昇する。制御装置70は、発電室温度T1の単位時間当たりの温度上昇率を逐次取得しており、発電室温度T1及びその単位時間当たりの温度上昇率に基づき、燃焼器81でのバイオガス20の燃焼安定性が得られる状況であるかを適切に判断して、バイオガス20の燃焼器81への供給開始のタイミングとなる時間t2を決定する。
すなわち、複合発電システム1の起動では、SOFC10の発電室温度T1及びその単位時間当たりの温度上昇率を維持して規定時間内での起動を行う必要がある。このためにはMGT80の燃焼器81での失火を防ぎ安定した燃焼を行う必要があり、シミュレーションや試験結果などから、バイオガス20の燃焼器81への供給開始のタイミングとなる発電室温度T1及びその単位時間当たりの温度上昇率の判断基準値を別途定めておき、この判断基準値に到達したことで時間t2を決定する。
As indicated by the alternate long and short dash line in the power generation output chart on the vertical axis in FIG. 2, the power generation output of the
In other words, when the combined
図2の縦軸の燃焼器供給量のチャートの実線によるガスタービン用燃料原料ガス供給ライン309へのバイオガス20の流量に示すように、時間t2において、バイオガス20の燃焼器81への供給を開始する。この時、図3に示すように、ガスタービン用バイオガス供給ライン307上の遮断弁52をONし、図4に示すようにガスタービン用バイオガス供給ライン307上の流量調整弁62の開度を上げる。燃焼器81への供給開始直後はバイオガス20の流量が少ないので、バイオガス20中に含まれるメタンガス成分の濃度(メタン濃度)が変化すると、燃焼器81での燃焼安定への影響が大きい。そのため、燃焼器81に供給される燃料原料ガス(この場合、都市ガス30とバイオガス20との混合燃料)中のメタンガス成分の量が一定量以上となるように、濃度計21で計測されるメタン濃度に応じてバイオガス20の供給量を変化させる。またこれに応じて破線で示す都市ガス30の供給量を変化させる。
ここで、ガスタービン用燃料原料ガス供給ライン309中のメタンガス成分の量は、メタン濃度が60体積%以上の所定濃度範囲となるように調整することで一定量以上とすることができる。メタンの所定濃度範囲は燃焼器81の構造などで異なるが、本実施形態での所定濃度範囲は例えば60体積%〜65体積%であり、できるだけ都市ガス30の供給量を少なくし都市ガス30を消費しないで安定した燃焼を得られるメタン濃度を設定している。
バイオガス20は供給量を徐々に上げていき、燃焼器入口空気温度T0が上昇して失火しない所定値(例えば300℃〜400℃)を超え燃焼が安定すると、図4に示すようにガスタービン用都市ガス供給ライン308上の流量調整弁63を全閉として、図3に示すようにガスタービン用都市ガス供給ライン308上の遮断弁53をOFF(遮断)し、燃焼器81への都市ガス30の供給を停止し、図2の縦軸の燃焼器供給量のチャートの破線で示すように都市ガス30の流量はゼロとなる。
The supply of the
Here, the amount of the methane gas component in the gas raw material
When the supply amount of the
次に、制御装置70は、発電室温度T1が第1閾値(例えば300℃〜450℃)を超えるとSOFC10への燃料原料ガスの供給を開始する。発電室温度T1が第1閾値を超えたタイミングとなる時間t3にて、図3に示すようにバイオガス供給ライン310上の遮断弁22をONし、図4に示すように燃料極燃料原料ガス供給ライン301上の流量調整弁24及び燃料極燃料原料ガス排出ライン303上の流量調整弁15の開度を上げていく。これにより、図2の縦軸の燃料極供給量のチャートの実線による燃料極燃料原料ガス供給ライン301のバイオガス流量が示すように、バイオガス20はSOFC10の燃料極109に供給される。
時間t3においてSOFC10の燃料極109へのバイオガス20の供給が開始されると同時に、図2の縦軸の燃焼器供給量のチャートの実線によるガスタービン用燃料原料ガス供給ライン309によるMGT80の燃焼器81へのバイオガス20の供給量は低減される(図4に示すようにガスタービン用バイオガス供給ライン307上の流量調整弁62の開度が低減され始める。)。
Next, when the power generation chamber temperature T1 exceeds a first threshold (for example, 300 ° C. to 450 ° C.), the
At the time t3, the supply of the
次に、制御装置70は、発電室温度T1が第2閾値(例えば400℃〜500℃。第2閾値>第1閾値である。)を超えると、さらに発電室215の温度を上昇させるべくSOFC10の空気極113へのバイオガス20の供給を開始する。発電室温度T1が第2閾値を超えたタイミングとなる時間t4にて、図3に示すように遮断弁33をONし、図4に示すように空気極燃料原料ガス供給ライン302上の流量調整弁34の開度を上げていく。これにより、図2の縦軸の空気極供給量のチャートの実線が示すように、空気極燃料原料ガス供給ライン302によりバイオガス20はSOFC10の空気極113に供給される。
Next, when the power generation chamber temperature T1 exceeds a second threshold (for example, 400 ° C. to 500 ° C., second threshold> first threshold), the
ここで、濃度計21によって計測されたバイオガス20のメタン濃度が60体積%以上である場合、バイオガス20による触媒燃焼での昇温能力が高くなるので発電室温度T1が第2閾値に至らない少し低い温度でも、バイオガス20を投入することができる。SOFC10の空気極113への燃料原料ガスの供給開始となるタイミングを、発電室温度T1が第2閾値よりも小さい所定の値を超えた時間t4´としてもよい。この場合、時間t4´は時間t4よりも小さい(早い)ことから、SOFC10の空気極113へのバイオガス20の供給は早まる。
Here, when the methane concentration of the
また、複数回の運転の確認で、空気極113の触媒燃焼が安定しないことが判明した場合は、バイオガス20の供給に先立って都市ガス30を事前に供給してもよい。メタン濃度が略一定に調整された都市ガス30を事前に供給することで、触媒燃焼が安定する。都市ガス30を供給する場合は、図2の縦軸の空気極供給量のチャートの一点鎖線が示すように、時間t4にて空気極燃料原料ガス供給ライン302により都市ガス30を供給し、その後バイオガス20を空気極113に供給する。また図3の遮断弁31のチャートに破線で示すように遮断弁31をONし、図4の流量調整弁34のチャートに破線で示すように流量調整弁34の開度を都市ガス30に対応する所定値まで上げていく。また、所定時間経過後、図3の遮断弁31のチャートに破線で示すように遮断弁31をOFFして都市ガス30の供給を停止し、遮断弁33のチャートに一点鎖線で示すように遮断弁33をONしてバイオガス20の供給を開始する。図4の流量調整弁34のチャートに破線に示すように所定時間経過後、流量調整弁34の開度は更に開度を増加してバイオガス20に対応する所定値までさらに上げていく。
In addition, when it is found that the catalytic combustion of the
発電室温度T1が所定の値に到達すると、SOFC10は発電を開始する。SOFC10の発電開始となる時間t5において、図2の縦軸の発電出力のチャートの二点鎖線および電流負荷のチャートの実線に示すように、SOFC10の発電出力及び電流負荷が上昇を開始する。これに応じて、燃料極供給量のチャートの実線に示すようにSOFC10の燃料極109への燃料原料ガス、すなわちバイオガス20の供給量がさらに増加する。図4の流量調整弁24及び流量調整弁15のチャートに示すように、流量調整弁24及び流量調整弁15の開度がさらに増加する。
When the power generation chamber temperature T1 reaches a predetermined value, the
また、電流負荷が上がることにより、発電による発熱で発電室温度T1が上昇するため、SOFC10の空気極113へバイオガス20を供給して触媒燃焼させることによる昇温は必要がなくなることから、空気極113へのバイオガス20の供給量を低減させる。図2の縦軸の空気極供給量のチャートの実線が示すように、時間t5から空気極燃料原料ガス供給ライン302へのバイオガス20の供給量を低減させる。また、図4の流量調整弁34のチャートの実線に示すように、時間t5から空気極燃料原料ガス供給ライン302上の流量調整弁34の開度を下げていき、図3の遮断弁33のチャートの実線に示すように、時間t5にて遮断弁33をOFFし、空気極113に対するバイオガス20の供給を停止する。
また、図2の縦軸の発電出力のチャートの二点鎖線に示すように時間t5からSOFC10の発電が開始されるのに伴い、空気極酸化性ガス供給ライン306から空気極113へ供給する空気(酸化性ガス)の温度は、図4に示す再生熱交換器85から排出された圧縮空気の供給量を調整可能な流量調整弁17と、再生熱交換器85をバイパスした圧縮空気のバイパス量(供給量)を調整可能な第1流量調整弁16との開度により調整され、発電室温度T1がより早く所定温度に到達するよう、制御することができる。
Further, since the power generation chamber temperature T1 rises due to heat generation due to power generation due to an increase in current load, there is no need to raise the temperature by supplying the
In addition, as shown by the two-dot chain line in the power generation output chart on the vertical axis in FIG. 2, the air supplied from the air oxidizing
時間t6においてSOFC10が定格運転となると、図2の縦軸の発電出力のチャートの二点鎖線および電流負荷のチャートの実線に示すように、SOFC10の発電出力及び電流負荷はほぼ一定の値を保つ。また、図2の縦軸のT0のチャートや縦軸のT1のチャートに示すように、燃焼器入口空気温度T0及び発電室温度T1についてもほぼ一定の値となる。時間t6においてSOFC10が定格運転となると、SOFC10の燃料極109に供給されるバイオガス20及び燃焼器81に供給されるバイオガス20中のメタン成分の量がそれぞれ一定となるように、制御装置70は濃度計21で計測されるメタン濃度に応じてバイオガス20の供給量を変化させる。バイオガス20の供給量については、図4に示すように、流量調整弁62、24及び15の開度の増減により調整される。
When the
複合発電システム1の起動用燃料として用いた都市ガス30は、バイオガス系統に異常が発生した場合の予備系統として用いることもできる。
具体的には、バイオガス20の供給に異常が発生すると、遮断弁22及び遮断弁52がOFFとなりバイオガス20の供給を停止する。また、遮断弁35及び遮断弁53をONとすることで、SOFC10の燃料極109及び燃焼器81への燃料原料ガスの供給をバイオガス20から都市ガス30に切り替える。これにより、複合発電システム1を停止することなく運転を継続することができ、信頼性と稼働率が向上する。
The
Specifically, when an abnormality occurs in the supply of the
また、複合発電システム1の稼働中にバイオガス20のメタン濃度が低下した場合は、燃料原料ガスをバイオガス20のみとする運転から、バイオガス20と都市ガス30との混合燃料とする運転に切り替えることでメタン濃度を一定(例えば60体積%)以上の所定濃度範囲に保つことができる。
バイオガス20のみの運転において、バイオガス20のメタン濃度が低下すると、SOFC10の電圧の低下及び改質用水蒸気と炭素の比であるS/C(スチームカーボン比)の低下によりSOFC10の安定運転が困難となるが、その際は濃度計21での監視によりバイオガス20に都市ガス30を混合することによりこれを防ぐことができる。
Further, when the methane concentration of the
When the methane concentration of the
ここで、本実施形態に係るSOFC10について、以下に説明する。
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
また、以下においては、SOFC10のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。
Here, the
In the following, for convenience of explanation, the positional relationship of each component is specified using the expressions “upper” and “lower” on the basis of the paper surface, but this is not necessarily limited to the vertical direction. For example, the upward direction on the paper surface may correspond to the downward direction in the vertical direction. Moreover, you may respond | correspond to the horizontal direction where the up-down direction in a paper surface goes orthogonally to a perpendicular direction.
In the following, a cylindrical shape is described as an example of the cell stack of the
まず、図5を参照して本実施形態に係る円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図5は、本実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック101は、円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを備える。燃料電池セル105は、燃料極109と固体電解質111と空気極113とが積層して形成されている。また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル105の空気極113に、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル105の燃料極109に電気的に接続されたリード膜(不図示)を備える。
First, a cylindrical cell stack according to the present embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 5 shows one mode of the cell stack according to the present embodiment. The
基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO2(CSZ)、CSZと酸化ニッケル(NiO)との混合物(CSZ+NiO)、又はY2O3安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAl2O4などを主成分とされる。この基体管103は、燃料電池セル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持すると共に、基体管103の内周面に供給される燃料原料ガスを基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料極109に拡散させるものである。
The
燃料極109は、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ni/YSZが用いられる。燃料極109の厚さは50〜250μmである。この場合、燃料極109は、燃料極109の成分であるNiが燃料原料ガスに対して触媒作用を備える(触媒燃焼)。この触媒作用(触媒燃焼)は、基体管103を介して供給された燃料原料ガス、例えば、メタン(CH4)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H2)と一酸化炭素(CO)に改質するものである。また、燃料極109は、改質により得られる水素(H2)及び一酸化炭素(CO)と、固体電解質111を介して供給される酸素イオン(O2−)とを固体電解質111との界面付近において電気化学的に反応させて水(H2O)及び二酸化炭素(CO2)を生成するものである。なお、燃料電池セル105は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
燃料原料ガスがセルスタック101に供給されると、前述した改質反応により吸熱反応が起こる。これにより、燃料原料ガスを増加させると発電室温度T1は低下する。
SOFC10の燃料極109に供給し利用できる燃料原料ガスとしては、水素(H2)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスなどが挙げられる。
The
When the fuel source gas is supplied to the
Fuel source gases that can be used by supplying to the
固体電解質111は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるYSZが主として用いられる。この固体電解質111は、空気極113で生成される酸素イオン(O2−)を燃料極109に移動させるものである。燃料極109の表面上に位置する固体電解質111の膜厚は10〜100μmである。
As the
空気極113は、例えば、LaSrMnO3系酸化物、又はLaCoO3系酸化物で構成される。この空気極113は、固体電解質111との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2−)を生成するものである。空気極113は2層構成とすることもできる。この場合、固体電解質111側の空気極層(空気極中間層)は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層(空気極導電層)は、Sr及びCaドープLaMnO3で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
The
インターコネクタ107は、SrTiO3系などのM1−xLxTiO3(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成される。インターコネクタ107は、燃料原料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっていて、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極113と他方の燃料電池セル105の燃料極109とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル105同士を直列に接続するものである。リード膜115は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック101を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜115は、インターコネクタ107により直列に接続される複数の燃料電池セル105で発電された直流電力をセルスタック101の端部付近まで導出すものである。
The
次に、図6と図7とを参照して本実施形態に係るSOFCモジュール及びSOFCカートリッジについて説明する。ここで、図6は、本実施形態に係るSOFCモジュールの一態様を示すものである。また、図7は、本実施形態に係るSOFCカートリッジの一態様の断面図を示すものである。 Next, the SOFC module and the SOFC cartridge according to this embodiment will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 6 shows one mode of the SOFC module according to the present embodiment. FIG. 7 shows a cross-sectional view of one aspect of the SOFC cartridge according to the present embodiment.
SOFCモジュール201は、図6に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ203と、これら複数のSOFCカートリッジ203を収納する圧力容器205とを備える。
なお、図6には円筒形のSOFCのセルスタックを例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。
また、SOFCモジュール201は、燃料原料ガス供給管207と複数の燃料原料ガス供給枝管207a及び燃料原料ガス排出管209と複数の燃料原料ガス排出枝管209aとを備える。更にSOFCモジュール201は、酸化性ガス供給管(不図示)と酸化性ガス供給枝管(不図示)及び酸化性ガス排出管(不図示)と複数の酸化性ガス排出枝管(不図示)とを備える。
As illustrated in FIG. 6, the
Although FIG. 6 illustrates a cylindrical SOFC cell stack, it is not necessarily limited to this, and for example, a flat cell stack may be used.
The
燃料原料ガス供給管207は、圧力容器205の外部に設けられ、SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料原料ガスを供給する燃料原料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料原料ガス供給枝管207aに接続されている。この燃料原料ガス供給管207は、上述の燃料原料ガス供給部から供給される所定流量の燃料原料ガスを、複数の燃料原料ガス供給枝管207aに分岐して導くものである。また、燃料原料ガス供給枝管207aは、燃料原料ガス供給管207に接続されると共に、複数のSOFCカートリッジ203に接続されている。この燃料原料ガス供給枝管207aは、燃料原料ガス供給管207から供給される燃料原料ガスを複数のSOFCカートリッジ203に略均等の流量で導き、複数のSOFCカートリッジ203の発電性能を略均一化させるものである。
The fuel source
燃料原料ガス排出枝管209aは、複数のSOFCカートリッジ203に接続されると共に、燃料原料ガス排出管209に接続されている。この燃料原料ガス排出枝管209aは、SOFCカートリッジ203から排出される排燃料原料ガスを燃料原料ガス排出管209に導くものである。また、燃料原料ガス排出管209は、複数の燃料原料ガス排出枝管209aに接続されると共に、一部が圧力容器205の外部に配置されている。この燃料原料ガス排出管209は、燃料原料ガス排出枝管209aから略均等の流量で導出される排燃料原料ガスを圧力容器205の外部に導くものである。
The fuel source gas
圧力容器205は、内部の圧力が0.1MPa〜約1MPa、内部の温度が大気温度〜約550℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばSUS304などのステンレス系材が好適である。
Since the
ここで、本実施形態においては、複数のSOFCカートリッジ203が集合化されて圧力容器205に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、SOFCカートリッジ203が集合化されずに圧力容器205内に収納される態様とすることもできる。
Here, in the present embodiment, a mode has been described in which a plurality of
SOFCカートリッジ203は、図7に示す通り、複数のセルスタック101と、発電室215と、燃料原料ガス供給室217と、燃料原料ガス排出室219と、酸化性ガス供給室221と、酸化性ガス排出室223とを備える。更にSOFCカートリッジ203は、上部管板225aと、下部管板225bと、上部断熱体227aと、下部断熱体227bとを備える。なお、本実施形態においては、SOFCカートリッジ203は、燃料原料ガス供給室217と燃料原料ガス排出室219と酸化性ガス供給室221と酸化性ガス排出室223とが図7のように配置されることで、燃料原料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
As shown in FIG. 7, the
発電室215は、上部断熱体227aと下部断熱体227bとの間に形成された領域である。この発電室215は、セルスタック101の燃料電池セル105が配置された領域であり、燃料原料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室215のセルスタック101長手軸方向の中央部付近での温度は、温度センサ11などで監視され、SOFCモジュール201の定常運転時に、およそ700℃〜1000℃の高温雰囲気となる。
The
燃料原料ガス供給室217は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの上部に設けられた燃料原料ガス供給孔231aによって、燃料原料ガス供給枝管207aと連通されている。複数のセルスタック101は、上部管板225aとシール部材237aにより接合されており、燃料原料ガス供給室217は、燃料原料ガス供給枝管207aから燃料原料ガス供給孔231aを介して供給される燃料を、複数のセルスタック101の基体管103の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック101の発電性能を略均一化させる。
The fuel source
燃料原料ガス排出室219は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bに備えられた燃料原料ガス排出孔231bによって、燃料原料ガス排出枝管209aと連通されている。複数のセルスタック101は、下部管板225bとシール部材237bにより接合されており、燃料原料ガス排出室219は、複数のセルスタック101の基体管103の内部を通過して燃料原料ガス排出室219に供給される排燃料原料ガスを集約して、燃料原料ガス排出孔231bを介して燃料原料ガス排出枝管209aに導くことができる。
The fuel source
SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のSOFCカートリッジ203へ供給する。酸化性ガス供給室221は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bと下部断熱体227bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bの側面に設けられた酸化性ガス供給孔233aによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室221は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔233aを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間235aを介して発電室215に略均一流量で導くことができる。
Corresponding to the power generation amount of the
酸化性ガス排出室223は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aと上部断熱体227aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの側面に設けられた酸化性ガス排出孔233bによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室223は、発電室215から、酸化性ガス排出隙間235bを介して酸化性ガス排出室223に供給される排空気を、酸化性ガス排出孔233bを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くことができる。
The oxidizing
上部管板225aは、上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとの間に、上部管板225aと上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとが略平行になるように、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また上部管板225aは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101が夫々挿入されている。この上部管板225aは、複数のセルスタック101の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料原料ガス供給室217と酸化性ガス排出室223とを隔離するものである。
The
下部管板225bは、下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとの間に、下部管板225bと下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとが略平行になるように下部ケーシング229bの側板に固定されている。また下部管板225bは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101が夫々挿入されている。この下部管板225bは、複数のセルスタック101の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料原料ガス排出室219と酸化性ガス供給室221とを隔離するものである。
The
上部断熱体227aは、上部ケーシング229aの下端部に、上部断熱体227aと上部ケーシング229aの天板と上部管板225aとが略平行になるように配置され、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また、上部断熱体227aには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体227aは、この孔の内面と、上部断熱体227aに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間235bを備える。
The
この上部断熱体227aは、発電室215と酸化性ガス排出室223とを仕切るものであり、上部管板225aの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板225a等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板225a等が発電室215内の高温に晒されて上部管板225a等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体227aは、発電室215を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間235bを通過させて酸化性ガス排出室223に導くものである。
The
本実施形態によれば、上述したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料原料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管103の内部を通って発電室215に供給される燃料原料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板225a等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室223に供給される。また、燃料原料ガスは、発電室215から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料原料ガスを発電室215に供給することができる。
According to this embodiment, due to the structure of the
下部断熱体227bは、下部ケーシング229bの上端部に、下部断熱体227bと下部ケーシング229bの底板と下部管板225bとが略平行になるように配置され、下部ケーシング229bの側板に固定されている。また、下部断熱体227bには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体227bは、この孔の内面と、下部断熱体227bに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間235aを備える。
The
この下部断熱体227bは、発電室215と酸化性ガス供給室221とを仕切るものであり、下部管板225bの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板225b等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板225b等が高温に晒されて下部管板225b等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体227bは、酸化性ガス供給室221に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間235aを通過させて発電室215に導くものである。
The
本実施形態によれば、上述したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料原料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管103の内部を通って発電室215を通過した排燃料原料ガスは、発電室215に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板225b等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料原料ガス排出室219に供給される。また、酸化性ガスは排燃料原料ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室215に供給することができる。
According to this embodiment, due to the structure of the
発電室215で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル105に設けたNi/YSZ等からなるリード膜115によりセルスタック101の端部付近まで導出した後に、SOFCカートリッジ203の集電棒(不図示)に集電板(不図示)を介して集電して、各SOFCカートリッジ203の外部へと取り出される。前記集電棒によってSOFCカートリッジ203の外部に導出された直流電力は、各SOFCカートリッジ203の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、SOFCモジュール201の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置(インバータなど)により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先(例えば、負荷設備や電力系統)へと供給される。
The direct-current power generated in the
以上、説明してきたように、本実施形態に係る複合発電システムの制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラムによれば、以下の作用効果を奏する。
本構成によれば、バイオガス20を燃料原料ガスとするSOFC10を備えた複合発電システム1の起動において、ガスタービン80の起動工程である時間(t1)にガスタービン80の燃焼器81に都市ガス30のみを供給することで、メタン濃度が変動するとともに都市ガス30よりも燃焼速度が遅いバイオガス20を使用しないためガスタービン80の安定した起動が行え、ガスタービン80の火炎が安定することによりガスタービン80の失火を防止することができる。
As described above, the combined power generation system control device, the combined power generation system, the combined power generation system control method, and the combined power generation system control program according to the present embodiment have the following operational effects.
According to this configuration, when the combined
また、SOFC10の発電室温度T1及びその単位時間当たりの温度上昇率に応じてバイオガス20の供給開始時間(t2)を決定することから、ガスタービン80の燃焼が安定した状態での適切な供給タイミングである時間(t2)でバイオガス20の供給を開始することができる。また、ガスタービン80の燃焼が安定した状態で都市ガス30の供給を停止し、都市ガス30の供給流量を削減し最小化することができるので、都市ガス消費量を低減できる。また、ガスタービン80を適切に起動することができ、ガスタービン80の起動を早くできるため、SOFC10の起動を早く行うことができる。
また、ガスタービン80の燃焼器81にバイオガス20を供給するガスタービン用バイオガス供給ライン307と都市ガス30を供給するガスタービン用都市ガス供給ライン308を設けるため、メタン濃度が変動するバイオガス20のメタンガス成分の濃縮やメタン濃度に応じたバイオガス20の供給流量の調整を行うことなく、バイオガス20のメタン濃度が変動して低下した場合に対応した都市ガス30の供給流量を調整してメタン濃度を容易に所定濃度範囲とすることができる。
In addition, since the supply start time (t2) of the
In addition, since a gas turbine
また本実施形態によれば、ガスタービン80の燃焼器81に供給される燃料原料ガスのメタン濃度が60体積%以上の所定濃度範囲となるようにガスタービン80の燃焼器81に供給される燃料原料ガスであるバイオガス20および都市ガス30の各供給流量が調整されるため、メタン濃度が変動するバイオガス20のメタンガス成分の濃縮を行う必要がない。そのため、メタンガス成分の濃縮に要するコストが削減できる。
また、例えばガスタービン80の燃焼器81に供給されるバイオガス20のメタン濃度に応じて供給流量を調整した場合、バイオガス20は燃焼速度が遅いため、火炎が安定せず失火することによりガスタービン80の起動が困難である。しかし、本構成により、都市ガス30の供給流量を調整することによってバイオガス20のメタン濃度の変動に対応し、メタン濃度を所定範囲内として燃焼器81の燃焼を安定化してガスタービン80の安定した起動を行うことができる。
Further, according to the present embodiment, the fuel supplied to the
Further, for example, when the supply flow rate is adjusted according to the methane concentration of the
また本実施形態によれば、発電室温度T1が第1閾値を超えると、時間(t3)でSOFC10の燃料極109へのバイオガス20の供給を開始することから、ガスタービン80が起動し発電室温度T1が所定の温度まで上昇して、ガスタービン80の運転が安定してからSOFC10への燃料原料ガスの供給を開始することができる。
Further, according to the present embodiment, when the power generation chamber temperature T1 exceeds the first threshold value, the supply of the
また本実施形態によれば、発電室温度T1が上昇し第2閾値を超えると、時間(t4)でSOFC10の空気極113へのバイオガス20の供給を開始することから、燃料極109へのバイオガス20の供給開始後に、SOFC10の空気極113側における触媒燃焼を安定して行えることにより発電室温度T1をさらに上昇させることができる。
Further, according to the present embodiment, when the power generation chamber temperature T1 rises and exceeds the second threshold value, the supply of the
また本実施形態によれば、バイオガス20のメタン濃度が60体積%以上であれば、SOFC10の空気極113での触媒燃焼がさらに安定して行えるため、空気極113へのバイオガス20の供給を第2閾値よりも小さい値で開始する、すなわち空気極113へのバイオガス20の供給を早めることができることから、SOFC10の起動をより早めることができる。
In addition, according to the present embodiment, if the methane concentration of the
また本実施形態によれば、空気極113の初期燃料が安定しない場合、発電室温度T1が第2閾値を超えるとバイオガス20の供給を開始する前に都市ガス30の供給を開始することから、触媒燃焼が安定する。
In addition, according to the present embodiment, when the initial fuel of the
また本実施形態によれば、バイオガス20の供給が減少する、停止する、バイオガス20中のメタン濃度が低下する等、バイオガス20の供給に異常が発生した場合、都市ガス30の供給流量を増やすことで、バイオガス20の予備系統として都市ガス30を用いることができる。これにより、複合発電システム1をより安定稼働することができる。バイオガス20の供給が停止、減少する等によりバイオガス20での運転が困難な場合には、バイオガス20から都市ガス30に系統を切り替えて運転を継続することができ信頼性と稼働率を向上することができる。
In addition, according to the present embodiment, when an abnormality occurs in the supply of the
以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。 As mentioned above, although one embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design changes and the like without departing from the gist of the present invention. .
たとえば、上述した各実施形態においては所定燃料ガスとして都市ガスを用いるとしたが、LPG等の予め発熱量が略一定に調整された他のガスを用いるとしてもよい。
また、上述した各実施形態の制御装置は、SOFC、ガスタービン及び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)に適用するとしてもよい。
For example, in each of the above-described embodiments, the city gas is used as the predetermined fuel gas. However, another gas whose calorific value is previously adjusted to be substantially constant may be used, such as LPG.
The control device of each embodiment described above may be applied to a triple combined cycle (registered trademark) in which an SOFC, a gas turbine, and a steam turbine are combined.
1 複合発電システム
10 SOFC(固体酸化物形燃料電池、燃料電池)
11 発電室温度センサ
14 燃焼器入口温度センサ
20 バイオガス(メタン濃度変動ガス)
21 濃度計
30 都市ガス(所定燃料ガス)
40 上水
70 制御装置
80 MGT(ガスタービン)
81 燃焼器
83 タービン
84 圧縮機
85 再生熱交換器
86 発電機
90 煙突
109 燃料極
113 空気極
215 発電室
301 燃料極燃料原料ガス供給ライン
302 空気極燃料原料ガス供給ライン
303 燃料極燃料原料ガス排出ライン
304 再循環ライン
305 酸化性ガス排出ライン
306 空気極酸化性ガス供給ライン
307 ガスタービン用バイオガス供給ライン(ガスタービン用メタン濃度変動ガス供給ライン)
308 ガスタービン用都市ガス供給ライン(ガスタービン用所定燃料ガス供給ライン)
309 ガスタービン用燃料原料ガス供給ライン
310 バイオガス供給ライン(メタン濃度変動ガス供給ライン)
311 都市ガス供給ライン(所定燃料ガス供給ライン)
312 燃料電池バイパスライン
313 熱交換器バイパスライン
314 改質用水供給ライン
1 Combined
11 Power generation
21
40
81
308 City gas supply line for gas turbine (predetermined fuel gas supply line for gas turbine)
309 Gas turbine fuel feed gas supply line 310 Biogas supply line (methane concentration fluctuation gas supply line)
311 City gas supply line (specified fuel gas supply line)
312 Fuel
Claims (11)
前記燃料電池から排出される排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、
前記メタン濃度変動ガス中の前記メタン濃度を測定する濃度計と、
を備えた複合発電システムの制御装置であって、
前記ガスタービンへ前記メタン濃度変動ガスを供給するガスタービン用メタン濃度変動ガス供給ラインと所定燃料ガスを供給するガスタービン用所定燃料ガス供給ラインとが設けられ、
前記ガスタービンの起動工程において、起動と共に前記ガスタービンへ前記所定燃料ガスの供給を開始し、前記発電室温度センサの測定した前記発電室温度の単位時間当たりの温度上昇率及び前記メタン濃度に応じて前記ガスタービンに供給される前記メタン濃度変動ガスの供給開始時間、供給流量および前記所定燃料ガスの供給流量を決定し、前記ガスタービンの燃料を前記所定燃料ガスから前記メタン濃度変動ガスへ切り替える複合発電システムの制御装置。 A fuel cell comprising a fuel electrode, an air electrode, and a power generation chamber temperature sensor for measuring the temperature of the power generation chamber, and using a methane concentration fluctuation gas whose methane concentration fluctuates during operation as a fuel raw material gas;
A gas turbine that is operated using exhaust fuel source gas discharged from the fuel cell;
A densitometer for measuring the methane concentration in the methane concentration variable gas;
A control device for a combined power generation system comprising:
A gas turbine methane concentration variation gas supply line for supplying the methane concentration variation gas to the gas turbine and a gas turbine predetermined fuel gas supply line for supplying a predetermined fuel gas;
In the starting process of the gas turbine, the supply of the predetermined fuel gas to the gas turbine is started at the same time as starting, and according to the temperature increase rate per unit time of the power generation chamber temperature measured by the power generation chamber temperature sensor and the methane concentration And determining the supply start time, supply flow rate, and supply flow rate of the predetermined fuel gas supplied to the gas turbine, and switching the fuel of the gas turbine from the predetermined fuel gas to the methane concentration change gas. Control device for combined power generation system.
前記燃料電池から排出される排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、
前記ガスタービンへ前記メタン濃度変動ガスを供給するガスタービン用メタン濃度変動ガス供給ラインと、
前記ガスタービンへ所定燃料ガスを供給するガスタービン用所定燃料ガス供給ラインと、
請求項1から請求項8のいずれかに記載の制御装置と、を備えた複合発電システム。 A fuel cell comprising a fuel electrode, an air electrode, and a power generation chamber temperature sensor for measuring the temperature of the power generation chamber, and using a methane concentration fluctuation gas whose methane concentration fluctuates during operation as a fuel raw material gas;
A gas turbine that is operated using exhaust fuel source gas discharged from the fuel cell;
A gas turbine methane concentration variation gas supply line for supplying the gas turbine with the methane concentration variation gas;
A predetermined fuel gas supply line for a gas turbine for supplying a predetermined fuel gas to the gas turbine;
A combined power generation system comprising the control device according to any one of claims 1 to 8.
前記燃料電池から排出される排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、
前記メタン濃度変動ガス中の前記メタン濃度を測定する濃度計と、
を備えた複合発電システムの制御方法であって、
前記ガスタービンへ前記メタン濃度変動ガスを供給するガスタービン用メタン濃度変動ガス供給ラインと所定燃料ガスを供給するガスタービン用所定燃料ガス供給ラインとが設けられ、
前記ガスタービンの起動工程において、起動と共に前記所定燃料ガスを供給開始し、前記発電室温度センサの測定した前記発電室温度の単位時間当たりの温度上昇率及び前記メタン濃度に応じて前記ガスタービンに供給される前記メタン濃度変動ガスの供給開始時間、供給流量および前記所定燃料ガスの供給流量を決定する複合発電システムの制御方法。 A fuel cell comprising a fuel electrode, an air electrode, and a power generation chamber temperature sensor for measuring the temperature of the power generation chamber, and using a methane concentration variation gas whose methane concentration varies during operation as a fuel raw material gas;
A gas turbine that is operated using exhaust fuel source gas discharged from the fuel cell;
A densitometer for measuring the methane concentration in the methane concentration variable gas;
A method for controlling a combined power generation system comprising:
A gas turbine methane concentration variation gas supply line for supplying the methane concentration variation gas to the gas turbine and a gas turbine predetermined fuel gas supply line for supplying a predetermined fuel gas;
In the starting process of the gas turbine, supply of the predetermined fuel gas is started at the time of starting, and the gas turbine is supplied to the gas turbine according to the temperature increase rate per unit time of the power generation chamber temperature measured by the power generation chamber temperature sensor and the methane concentration. A control method for a combined power generation system, wherein a supply start time, a supply flow rate, and a supply flow rate of the predetermined fuel gas are determined for the supplied methane concentration fluctuation gas.
前記燃料電池から排出される排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、
前記メタン濃度変動ガス中の前記メタン濃度を測定する濃度計と、
を備えた複合発電システムの制御プログラムであって、
前記ガスタービンへ前記メタン濃度変動ガスを供給するガスタービン用メタン濃度変動ガス供給ラインと所定燃料ガスを供給するガスタービン用所定燃料ガス供給ラインとが設けられ、
前記ガスタービンの起動工程において、起動と共に前記所定燃料ガスの供給指令を開始し、前記発電室温度センサの測定した前記発電室温度の単位時間当たりの温度上昇率及び前記メタン濃度に応じて前記ガスタービンに供給される前記メタン濃度変動ガスの供給開始時間、供給流量および前記所定燃料ガスの供給流量を決定する複合発電システムの制御プログラム。 A fuel cell comprising a fuel electrode, an air electrode, and a power generation chamber temperature sensor for measuring the temperature of the power generation chamber, and using a methane concentration variation gas whose methane concentration varies during operation as a fuel raw material gas;
A gas turbine that is operated using exhaust fuel source gas discharged from the fuel cell;
A densitometer for measuring the methane concentration in the methane concentration variable gas;
A control program for a combined power generation system comprising:
A gas turbine methane concentration variation gas supply line for supplying the methane concentration variation gas to the gas turbine and a gas turbine predetermined fuel gas supply line for supplying a predetermined fuel gas;
In the gas turbine start-up process, the predetermined fuel gas supply command is started together with the start-up, and the gas according to the temperature increase rate per unit time of the power generation chamber temperature measured by the power generation chamber temperature sensor and the methane concentration A control program for a combined power generation system that determines a supply start time, a supply flow rate, and a supply flow rate of the predetermined fuel gas for the methane concentration variation gas supplied to a turbine.
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