JP4015498B2 - 複合発電システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンを備えた複合発電システムに関するもので、特に、燃料電池を利用してエネルギー効率を高くした複合発電システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ガスタービンを備えた発電システムにおいて、更にエネルギー効率を高くするために、蒸気タービンや燃料電池などと組み合わせた様々な形態の複合発電システムが提供されている。このようなガスタービンを備えた複合発電システムにおいて、燃料電池が高い発電効率で電気エネルギーを発生するとともに燃料電池からの排ガスの熱エネルギーをガスタービン及び蒸気タービンで回収する事ができるので、システムから排出される熱(=システム損失)を更に小さくすることになり、期待されている。
【0003】
このように燃料電池とガスタービンを備えた従来の複合発電システムを、図10に示す。図10の複合発電システムは、空気を圧縮する圧縮機101と、燃焼器104によって生成された燃焼ガスによって回転されるガスタービン(GT)102と、圧縮機101からの空気と改質水蒸気を含む燃料ガスによって発電を行う固体酸化物型燃料電池(SOFC)103と、SOFC103からの排ガスを燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器104と、GT102からの排ガスによる熱エネルギーを利用して高温蒸気を発生させる排熱回収ボイラ(HRSG)105と、HRSG105で生成された蒸気によって回転される蒸気タービン(ST)106とを備える。GT102及びST106が回転することで、発電機107が回転して発電が行われるとともに、SOFC103によっても発電が行われる。
【0004】
この複合発電システムにおいて、SOFC103のアノード側は循環用ファン108により空気極循環ガスが循環し、圧縮機101からの圧縮空気が補充供給され、補充に見合った空気極排ガスが排出される。又、SOFC103のカソード側では循環用ファン110により燃料極循環ガスが循環し、燃料予熱器109からの燃料ガス及びHRSG105からの改質蒸気とが補充供給され、補充に見合った燃料極排ガスが排出される。空気極排ガス及び燃料極排ガスはそれぞれ燃焼器104に供給される。
【0005】
燃焼器104においては燃料排ガス中の残燃料と燃料予熱器109からの燃料ガスとが空気極排ガス中の酸素と反応燃焼し高温ガスとなりGT102を駆動する。そして、GT102からの排ガスがHRSG105に供給され復水器111からの水が加熱されて、蒸気が生成される。この蒸気の一部がST106に与えられてST106が回転するとともに、残りが改質蒸気として燃料ガスと混合されSOFC103の燃料極循環路へ補充供給される。又、GT102からの排ガスは、HRSG105で冷却され、煙突112から大気中へ放出される。
【0006】
このようなGT102とSOFC103とによる複合発電システムによると、SOFC103で発電し排出された高温の排ガスを燃焼器104に供給するので、燃焼器104に燃料予熱器109から燃焼器へ直接供給する燃料ガス量が少なくても燃焼ガス温度をGT102を駆動する値に維持できるので、高いシステム効率とすることができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述の複合発電システムにおいて、SOFC102の動作温度として最適な温度が略1000℃であるため、1000℃前後の温度の燃料ガスや圧縮空気がSOFC103を循環する。又、図10のように、SOFC103から燃焼器104に供給される排ガスを冷却することなく利用することで、その温度を高くすることができるため、燃焼器104へ供給する燃料量を低く押さえることができる。
【0008】
しかしながら、従来のガスタービンが圧縮機で圧縮された圧縮空気(400℃あまり)と燃料を燃焼器104で燃焼させるのに対し、このシステムの場合、燃焼器104に流入するのは1000℃前後のSOFC103からの空気極排ガスと燃料極排ガス及び燃料予熱器109からの燃料ガスである。高温の排ガスが供給されて燃焼動作が行われるとき、燃焼器104を構成する各部位には金属材料が採用されておりその耐熱性が問題となる。この燃焼器104の各部位を構成する金属の耐熱温度等にも限界があり、燃焼器104は1000℃前後の排ガス雰囲気中で絶えることができない。
【0009】
このような問題を鑑みて、本発明は、燃焼器の各部位を十分に冷却して、燃料電池から排出される高温の排ガスに耐えることができる、燃料電池とガスタービンとによる複合発電システムを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に記載の複合発電システムは、大気を圧縮する圧縮機と、燃料ガス及び前記圧縮機からの圧縮空気がそれぞれカソード及びアノードに供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池からの排ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で燃焼して得られた燃焼ガスによって回転されるガスタービンと、該ガスタービンが回転することによって発電する発電機と、を備える複合発電システムにおいて、前記燃焼器が、前記燃料電池のカソードからの高温の排ガスが通過して前記燃焼器内に噴出される第一通路と、前記燃料電池のアノードからの高温の排ガスが通過して前記燃焼器内に噴出される第二通路と、燃焼動作を行う前記燃焼器の各部位に供給される冷却ガスの一部が通過する第三通路と、を備えるノズルを備えるとともに、前記燃焼器において、前記燃料電池の排ガスに含まれる燃料ガスと酸素が燃焼されて前記燃焼ガスが生成されることを特徴とする。
【0011】
このような複合発電システムにおいて、前記燃焼器を構成するノズルや内筒や尾筒などの各部位が冷却ガスによって冷却されるため、燃料電池からの高温の排ガスが供給されてもその耐熱性を維持することができる。又、この結果、燃焼器において、燃料電池からの高温の排ガスが利用できるので、システムの熱効率を高くすることができる。
【0012】
このような複合発電システムにおいて、前記冷却ガスが、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部とする。この圧縮空気は、燃焼器の冷却に利用した後に燃焼器での燃焼動作に利用することができる。このとき、更に、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部を更に圧縮して加圧する加圧機を備え、前記冷却ガスを、前記圧縮機からの圧縮空気の一部が前記加圧機によって更に加圧された圧縮空気とすることで、冷却するために長い経路を通過する圧縮空気が十分に供給可能な圧力に加圧することができる。この加圧機として、ブースタファンを用いても構わない。
【0013】
又、外部の大気を圧縮して前記冷却ガスとなる圧縮空気を生成する冷却空気用圧縮機を備え、該冷却空気用圧縮機からの圧縮空気が前記燃焼器に供給されて前記燃焼器を冷却するようにしても構わない。
【0014】
又、ガスタービンから排出される排ガスの排熱によって蒸気を生成する排熱回収ボイラを備え、該排熱回収ボイラから蒸気の一部が前記冷却ガスとして前記燃焼器に供給されるとともに、前記燃焼器の前記ノズルの前記第三通路が、前記ノズルに供給される蒸気が通過する第四通路と、前記ノズルから回収される蒸気が通過する第五通路と、を備えることを特徴とする。
【0015】
このとき、更に、前記排熱回収ボイラで生成された蒸気によって回転を行うことで前記発電機を回転させる蒸気タービンを備え、該蒸気タービンから排出される蒸気の一部が前記冷却ガスとして前記燃焼器に供給されるようにしても構わない。即ち、ガスタービンからの排ガスの排熱利用が成されて得られた蒸気により蒸気タービンを回転させることで、更に、複合発電システムの熱効率を高くするとともに、この蒸気タービンからの排ガスを燃焼器の冷却ガスとして有効利用することができる。
【0016】
この排ガスを冷却ガスとして利用される蒸気タービンを高圧蒸気タービンとすることによって、燃焼器を冷却するための経路を十分に通過することができる圧力の蒸気を冷却ガスとして供給することができる。
【0017】
又、前記排熱回収ボイラで生成された蒸気によって回転を行うことで前記発電機を回転させる蒸気タービンを備え、前記排熱回収ボイラから前記蒸気タービンに給気される蒸気の一部が前記冷却ガスとして前記燃焼器に供給されるようにしても構わない。即ち、排熱回収ボイラから蒸気タービンへ給気される蒸気を燃焼器の冷却ガスとして利用することで、蒸気タービンへ給気する蒸気の一部を加熱することができる。
【0018】
この給気される蒸気の一部を冷却ガスとして利用される蒸気タービンを中圧蒸気タービンとすることによって、燃焼器を冷却するための経路を十分に通過することができる圧力の蒸気を冷却ガスとして供給することができる。
【0019】
更に、前記冷却ガスとなる前記蒸気が前記燃焼器を冷却した後に前記排熱回収ボイラに回収されるようにしても構わないし、又、前記冷却ガスとなる前記蒸気が前記燃焼器を冷却した後に前記蒸気タービンに給気されるようにしても構わない。
【0020】
【発明の実施の形態】
<第1の実施形態>
本発明の第1の実施形態について、図面を参照して説明する。図1は、本実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図である。
【0021】
図1の複合発電システムは、図10の従来の複合発電システムと同様、空気を圧縮する圧縮機1と、燃焼ガスによって回転するGT2と、化学反応することで電気を発生させるSOFC3と、SOFC3からの排ガスと燃料予熱器9からの燃料ガスとの混合ガスを燃焼する燃焼器4と、GT2からの排ガスによる熱エネルギーにより蒸気を発生するHRSG5と、HRSG5からの蒸気によって回転するST6と、GT2及びST6の回転によって発電を行う発電機7とを備える。
【0022】
又、SOFC3のアノード側の空気極循環ガスを循環させる循環用ファン8と、燃料ガスを加熱するための燃料予熱器9と、SOFC3のカソード側の燃料極循環ガスを循環させる循環用ファン10と、ST6から排出される蒸気が復水される復水器11と、HRSG5で冷却された排ガスを放出する煙突12とを備える。更に、圧縮機1からの圧縮空気を分岐して燃焼器4を冷却するための空気として利用する際、その流量及び圧力を調整するためのオリフィス13を備える。
【0023】
このように構成される複合発電システムは、SOFC3のアノード側では、循環用ファン8により空気極循環ガスが循環し、圧縮機1が回転することで圧縮された圧縮空気が補充供給され、その補充に見合った空気極排ガスが排出される。又、SOFC3のカソード側では、循環用ファン10により燃料極循環ガスが循環し、燃料予熱器9からの燃料ガス及びHRSG5からの改質蒸気とが補充供給され、補充に見合った燃料極排ガスが排出される。この空気極排ガス及び燃料極排ガスはそれぞれ燃焼器4に供給される。
【0024】
このように、SOFC3内に圧縮空気を含む空気極循環ガスと燃料ガス及び改質蒸気を含む燃料極循環ガスとを供給することで、SOFC3内を略1000℃雰囲気として、アノード側とカソード側とを隔てる電解質膜にて電気化学反応を起こすことで発電を行う。このようにSOFC3で発電が行われる際に電気化学反応が行われてSOFC3のアノード側及びカソード側のそれぞれから排出される排ガスは、循環用ファン8,10によって再度SOFC3のアノード側及びカソード側に供給されるように循環される。
【0025】
又、SOFC3のアノード側及びカソード側それぞれからの排ガスの一部が、燃焼器4に供給される。このとき、燃料予熱器9で加熱された燃料ガスの一部が燃焼器4に与えられる。燃焼器4では、SOFC3の燃料極排ガスに含まれる燃料ガス及び燃料予熱器9からの燃料ガスを、SOFC3の空気極排ガスに含まれる空気を利用して燃焼させて燃焼ガスをGT2に供給し、GT2を回転させる。
【0026】
GT2を回転させた燃焼ガスがGT2から排出され、排ガスとしてHRSG5に供給される。このHRSG5ではGT2からの排ガスの排熱を利用して、復水器11から供給される水を加熱して水蒸気を生成し、ST6に供給しST6を回転させる。このST6を回転させた水蒸気は、ST6から復水器11に排出される。又、HRSG5で排熱利用されることで冷却されたGT2からの排ガスは、煙突12から大気中へ放出される。又、HRSG5からの水蒸気は、改質蒸気としてSOFC3にも供給される。
【0027】
このようにして動作する際、圧縮機1で圧縮されて得られた圧縮空気の一部がオリフィス13で流量及び圧力が調整されて、燃焼器4に供給される。このオリフィス13を介して燃焼器4に供給される略400℃の圧縮空気は、燃焼器4を構成する各部位を冷却するための冷却空気として利用される。この冷却空気が燃焼器4の各部位に設けられた空気流路に流れ込むことによって、高温の燃料ガス及び圧縮空気を含むSOFC3の排ガスが供給される燃焼器4が冷却される。そして、燃焼器4では、各部位を冷却した冷却空気は、そのまま燃焼器4内の燃料ガスの燃焼に利用される。
【0028】
このように、冷却空気が供給されて各部位が冷却される燃焼器4は、図2のように構成される。図2の燃焼器4は、その上流側に、中央部に配置されるパイロットノズル31と、パイロットノズル31の周囲に等間隔に配置される複数のメインノズル32とを備え、又、このパイロットノズル31及びメインノズル32が挿入されるとともに燃焼室35を備える内筒33と、内筒33が挿入される尾筒34とを備える。
【0029】
又、この燃焼器4において、内筒33の筒状部位及び尾筒34は、例えば、冷却空気となる圧縮空気を通過するための二重構造とされる。この内筒33及び尾筒34の構造の例として、図3のような構成が挙げられる。即ち、内筒33及び尾筒34は、内筒33及び尾筒34の外側に設けられた金属板41と、冷却空気を通すための冷却空気通過溝43と冷却空気通過溝43を通過して冷却作用を行った冷却空気を内筒33及び尾筒34の内側に排出するための冷却空気排出孔44とが設けられた金属板42とによって、二重筒構造とされる。又、内筒33及び尾筒34のそれぞれには、図2のように、冷却空気を導入するための冷却空気入口管33a,34aが設けられている。尚、図2の矢印が、内筒33及び尾筒34を冷却する圧縮空気の流れを示す。
【0030】
即ち、内筒33及び尾筒34は、燃焼器4にオリフィス13を介して供給される冷却空気となる圧縮機1からの圧縮空気が金属板41に接合された冷却空気入口管33a,34aを通じて導入される。この導入された冷却空気は、金属板42に構成された冷却空気通過溝43と金属板41によって形成された経路を通過することで、内筒33及び尾筒34の温度が上昇することを防ぐ。このようにして、内筒33及び尾筒34の加熱を防ぐために冷却空気通過溝43を通過して冷却作用を行った冷却空気を、金属板42の冷却空気排出孔44より内筒33及び尾筒34の内側に排出する。尚、内筒33の内側に排出された冷却空気は、燃焼器4内における燃料ガスの燃焼に利用される。
【0031】
又、内筒33には、パイロットノズル31及びメインノズル32それぞれの先端に圧縮空気を誘導するためのスワラーが設けられているが、このスワラーについても、内筒33の筒状部位に供給された冷却空気を通すための導入孔がレーザーなどで形成され、オリフィス13より与えられる冷却空気で冷却されるような構造とされる。又、パイロット火炎を拡散燃焼して誘導する内筒33に付属されるパイロットコーン31aについても、二重構造として、内筒33の筒状部位に供給された冷却空気が通過するように構成される。
【0032】
更に、パイロットノズル31及びメインノズル32についても、SOFC3からの排ガスとなる空気及び燃料ガスのみが供給されるのではなく、オリフィス13を介して供給される冷却空気となる圧縮機1からの圧縮空気も供給される。以下に、メインノズル32を代表して、その構造を以下に説明する。図4は、メインノズル32の構成を示す断面図である。
【0033】
図4のメインノズル32は、オリフィス13からの冷却空気が通る冷却空気導入管51と、冷却空気導入管51の周囲に燃料ガスが含まれるSOFC3のカソードからの排ガスを通過させる燃料ガス導入管52と、燃料ガス導入管52の周囲に空気が含まれるSOFC3のアノードからの排ガスを通過させるための排ガス空気導入管53とから構成される三重管構成とされる。又、ノズルの先端部54に、冷却空気導入管51の内部を通って供給された冷却空気を内筒33の内部に噴出する冷却空気噴出口51aと、冷却空気導入管51と燃料ガス導入管52との間を通って供給された燃料ガスを内筒33の内部に噴出する燃料ガス噴出口52aと、燃料ガス導入管52と排ガス空気導入管53との間を通って供給された空気を内筒33の内部に噴出する排ガス空気噴出口53aと、が設けられる。
【0034】
このように構成されたメインノズル32において、供給された冷却空気が冷却空気導入管51の中心に設けられた冷却空気供給部51bを通過して、ノズルの先端部54に冷却空気が導かれてメインノズル32を冷却すると、先端部54に設けられた冷却空気噴出口51aより冷却空気が噴出される。又、供給されたSOFC3のカソードからの排ガスが、冷却空気導入管51と燃料ガス導入管52との間に構成される燃料ガス供給部52bを通過して、ノズルの先端部54に燃料ガスが導かれて、先端部54に設けられた燃料ガス噴出口52aより噴出される。更に、供給されたSOFC3のアノードからの排ガスが、燃料ガス導入管52と排ガス空気導入管53との間に構成される排ガス空気供給部53bを通過して、ノズルの先端部54に排ガスとなる空気が導かれて、先端部54に設けられた排ガス空気噴出口53aより噴出される。
【0035】
このように、燃料ガス噴出口52aより噴出される燃料ガスは、メインノズル32の周囲を通過して供給される圧縮空気と、冷却空気噴出口51aより噴出される冷却空気と、排ガス空気噴出口53aより噴出されるSOFC3からの排ガスとなる空気によって、燃焼される。尚、メインノズル32についてのみを説明したが、パイロットノズルについても同様に、ノズルの先端まで冷却空気を導入させる冷却空気導入管と、冷却空気導入管の周囲にSOFC3からのカソード排ガスを通過させる燃料ガス導入管と、燃料ガス導入管の周囲にSOFC3からのアノード排ガスを通過させる排ガス空気導入管とを設ける構成とすることで、パイロットノズルが冷却空気で冷却される構造とすることができる。
【0036】
このように、本実施形態によると、圧縮機1によって圧縮されたら略400℃の圧縮空気を冷却空気として、燃焼器4の各部位の冷却に利用することで、燃焼器4に供給されるSOFC3から排出される排ガスによる燃焼器4の各部位の熱疲労を抑制し、耐熱効果を高めている。又、燃焼器4を圧縮空気で冷却して高温の燃料ガスを供給することができるため、燃料予熱器9から供給する燃料ガスの量を少なくすることができるため、システム全体の熱効率を高くすることができる。
【0037】
<第2の実施形態>
本発明の第2の実施形態について、図面を参照して説明する。図5は、本実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図である。尚、図5の複合発電システムにおいて、図1の複合発電システムと同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【0038】
図5の複合発電システムは、図1の複合発電システムと異なり、圧縮機1からの圧縮空気を分岐して得られる燃焼器4を冷却するための冷却空気を更に高圧に圧縮するためのブースタファン14を、オリフィス13の代わりに備える。このブースタファン14は、外部のモータ15によって回転動作させる。その他の構成については、第1の実施形態と同一で、SOFC3内での化学反応による発電と、GT2及びST6の回転による発電機7による発電とが行われる。又、SOFC3の排ガスを利用して燃焼器4が燃焼動作を行い、燃焼ガスをGT2に供給する。
【0039】
又、このとき、燃焼機4の各部位は、第1の実施形態と同様、例えば、図3に示す内筒又は図4に示すメインノズルなどのような二重筒構造や三重管構造などの構成とされて、ブースタファン14で圧縮された冷却空気が通るような構成とされる。このようにブースタファン14で更に高圧とした冷却空気を燃焼器4に与えるため、燃焼器4に細かく長い経路として作成された冷却空気用の通路内を十分に冷却空気を通すことができる。
【0040】
上述の第1及び第2の実施形態において、燃焼器4を冷却するための冷却するために圧縮機1で得られた圧縮空気を分岐して得られた圧縮空気を、冷却空気クーラを利用して冷却するようにしても構わない。又、外部からの空気を冷却空気として利用するために、圧縮機1とは異なる圧縮機を設けて、この別に設けた圧縮機で圧縮された外部空気を燃焼器4に供給するようにしても構わない。更に、燃焼器4を構成する各部位について、図3及び図4のような構造に限定するものではなく、冷却空気が通過した後に燃焼ガスの燃焼に利用されるような構造とするものであればよい。
【0041】
<第3の実施形態>
本発明の第3の実施形態について、図面を参照して説明する。図6は、本実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図である。尚、図6の複合発電システムにおいて、図1の複合発電システムと同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【0042】
本実施形態の複合発電システムは、第1及び第2の実施形態と異なり、燃焼器4を冷却するための気体として、圧縮空気でなく蒸気を使用する。図6の複合発電システムは、ST6として、高圧蒸気タービン(HST)6hと、中圧蒸気タービン(IST)6iと、低圧蒸気タービン(LST)6lとを備える。このHST6h及びIST6i及びLST6lを回転させる蒸気が、HRSG5から供給される。
【0043】
又、HRSG5において復水器11から給水された水より生成された蒸気がLST6lに供給される蒸気とされ、又、復水器11から給水された水より生成された更に高圧の蒸気がIST6iに供給される蒸気とされる。又、復水器11から給水された水より生成された更に高圧の蒸気がHST6hに供給される蒸気とされる。
【0044】
このようにLST6l及びIST6i及びHST6hのそれぞれに供給される蒸気が生成されるとき、HST6hを回転させた後に排気される蒸気をHRSG5で加熱することで昇温して、IST6iに供給される。又、IST6iを回転させた後に排気される蒸気をHRSG5で加熱することで昇温して、LST6lに供給される。そして、LST6lを回転された後に排気される蒸気は、復水器11に供給されて復水される。
【0045】
このとき、HST6hからの排気となる蒸気の一部を、燃焼器4を冷却するための冷却用蒸気として燃焼器4に供給する。このように冷却用蒸気として、HST6hを回転させた後に排気される蒸気を利用することによって、十分に冷却作用のある蒸気を燃焼器4に供給させることができる。又、HST6hからの排気となる蒸気が利用されるため、その蒸気の圧力が十分に高いので、燃焼器4の冷却させるための長い経路を十分に通過させることができる。
【0046】
このように複合発電システムが動作させるために、燃焼器4の構成が、図7のようになる。尚、図7のような構成の燃焼器4において、図2の構成と同一の構成となる部分については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。図7の燃焼器4は、冷却作用を行うための水蒸気を導入するための冷却蒸気入口管33b,34bと、冷却作用を行った水蒸気を回収するための冷却蒸気排出管33c、34cとが内筒33及び尾筒34に設けられる。又、内筒33及び尾筒34は、図3と異なり、その内側に設けられる冷却空気通過溝を備える金属板に、冷却空気排出孔が設けられない。尚、図7の矢印が内筒33及び尾筒34を冷却する蒸気の流れを示す。
【0047】
よって、内筒33及び尾筒34を冷却するためのHST6hからの排気となる蒸気が冷却蒸気入口管33b,34bより供給されると、内筒33及び尾筒34に設けられた図3の冷却空気通過溝に相当する冷却蒸気通過溝を通過して内筒33及び尾筒34を冷却する。このように内筒33及び尾筒34を冷却した蒸気は、冷却蒸気排出管33c,34cより排出されて、HRSG5に回収される。
【0048】
又、パイロットノズル31及びメインノズル32に供給される冷却蒸気となるHST6hからの排気となる蒸気は、パイロットノズル31及びメインノズル32の先端まで供給されて冷却が行われると、先端部で折り返して燃料ガス及び冷却蒸気が供給される上流側に導かれた後に排出され、HRSG5に回収される。このように冷却蒸気が供給された後に排出されるためのパイロットノズル31及びメインノズル32の構成を、図8のような構成のメインノズル32を代表して説明する。
【0049】
図8のメインノズル32は、冷却蒸気を通過させる冷却蒸気導入管55と、冷却蒸気導入管55の周囲にSOFC3のカソード排ガスを通過させる燃料ガス導入管52と、燃料ガス導入管52の周囲にSOFC3のアノード排ガスを通過させる排ガス空気導入管53と、冷却蒸気導入管55内に設けられるとともに冷却蒸気を先端部57まで供給する冷却蒸気供給路55aと先端部57まで供給された冷却蒸気を排出する冷却蒸気排出路55bとを形成するための仕切部56とから構成される四重管構成とされる。
【0050】
尚、燃料ガスを含むSOFC3のカソードからの排ガスは、冷却蒸気導入管55と燃料ガス導入管52との間に構成される燃料ガス供給部52bによって先端部57まで導入されると、第1の実施形態と同様、燃料ガス噴出口52aから内筒33の内部に噴出される。又、空気を含むSOFC3のアノードからの排ガスは、燃料ガス導入管52と排ガス空気導入管53との間に構成される排ガス空気供給部53bによって先端部57まで導入されると、第1の実施形態と同様、排ガス空気噴出口53aから内筒33の内部に噴出される。
【0051】
このように構成されるメインノズル32は、冷却空気導入管55内部における仕切部56によって構成された冷却蒸気供給路55aを、HST6hからの排気となる冷却蒸気が通ることによって、ノズルの先端部57まで冷却蒸気が供給されてノズル全体が冷却される。このような冷却作用を行った冷却蒸気は、冷却蒸気導入管55内部において仕切部56により冷却蒸気供給路55aの逆側に構成される冷却蒸気排出路55bを通過して排出され、HRSG5に回収される。
【0052】
このように燃焼器4の各部が構成されることによって、HST6hより排出された蒸気が、燃焼器4の各部の冷却に使用された後、燃焼器4から排出されてHRSG5に回収される。そして、このHRSG5に回収された蒸気は、再び、HRSG5で加熱されて昇温された後、IST6iに供給される。
【0053】
尚、本実施形態において、HSTから排気される蒸気の一部を冷却蒸気として利用するようにしたが、ISTから抽気した蒸気を冷却蒸気として利用するようにしても構わない。
【0054】
<第4の実施形態>
本発明の第4の実施形態について、図面を参照して説明する。図9は、本実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図である。尚、図9の複合発電システムにおいて、図6の複合発電システムと同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【0055】
図9の複合発電システムは、図6の複合発電システムと異なり、HRSG5よりIST6iに供給される蒸気の一部が、冷却蒸気として燃焼器4に供給される。即ち、HST6hから排気された蒸気及びHRSG5でLST6lに供給するための蒸気の一部が、燃焼器4に供給される。その他の構成については、図6の複合発電システムと同様の構成とされる。この燃焼器4の冷却蒸気として利用された蒸気は、IST6iに供給されてIST6iを回転させる。
【0056】
このように構成される複合発電システムは、第3の実施形態と同様、燃焼器4の各部位が図7及び図8のように構成されることによって、燃焼器4に供給される冷却蒸気は燃料器4での冷却作用を行うと、排出されてIST6iに供給される。尚、本実施形態では、冷却作用を行った冷却蒸気がIST6iに供給されるものとしたが、HRSG5に回収されて再度昇温されてIST6iに供給されるようにしても構わない。
【0057】
上述の第3及び第4の実施形態において、複合発電システム内で発生する蒸気の一部を、燃焼器4を冷却するための冷却蒸気として、燃焼器4に供給しているが、例えば、他の発電システムなどで発生した蒸気などのような外部からの蒸気を、冷却蒸気として燃焼器4に供給するようにしても構わない。更に、燃焼器4を構成する各部位について、図3及び図8のような構造に限定するものではなく、冷却蒸気が通過した後に回収されるような構造とするものであればよい。
【0058】
【発明の効果】
本発明によると、燃焼器の各部位が冷却ガスによって冷却されるため、燃料電池からの耐熱限界となる高温の排ガスが供給されても熱疲労を抑止することができる。よって、燃焼器において、燃料電池からの高温の排ガスを利用して燃焼動作が行われ、燃焼機内での熱効率を高くすることができるとともに、複合発電システム全体の効率を上げることができる。又、加圧機や冷却空気用圧縮機で十分に高い圧力の圧縮空気を冷却ガスとして利用することによって、燃焼器を冷却するための長く細い経路に対して、十分に供給することができる。
【0059】
又、排熱回収ボイラで生成された蒸気によって燃焼器の冷却を行うことによって、排熱回収ボイラで有効に熱利用された蒸気が利用されるので、複合発電システム全体の効率を上げることができる。更に、この冷却用に用いられる蒸気を、排熱回収ボイラから蒸気タービンに供給された後に排出される蒸気とすることによって、有効利用された蒸気が更に燃焼器冷却に利用されるため、複合発電システムの効率を上げることができる。又、蒸気タービンへ抽気される蒸気の一部を燃焼器冷却に利用することで、この抽気される蒸気を加熱することができ、システム効率を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図。
【図2】 第1及び第2の実施形態の複合発電システムにおける燃焼器の構成を示す断面図。
【図3】 内筒及び尾筒の構成を示すための図。
【図4】 メインノズルの一部の断面図。
【図5】 第2の実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図。
【図6】 第3の実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図。
【図7】 第3及び第4の実施形態の複合発電システムにおける燃焼器の構成を示す断面図。
【図8】 メインノズルの一部の断面図。
【図9】 第4の実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図。
【図10】 従来の複合発電システムの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
1 圧縮機
2 GT
3 SOFC
4 燃焼器
5 HRSG
6 ST
7 発電機
8 循環用ファン
9 燃料予熱器
10 循環用ファン
11 復水器
12 煙突
13 オリフィス
14 ブースタファン
Claims (10)
- 大気を圧縮する圧縮機と、燃料ガス及び前記圧縮機からの圧縮空気がそれぞれカソード及びアノードに供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池からの排ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で燃焼して得られた燃焼ガスによって回転されるガスタービンと、該ガスタービンが回転することによって発電する発電機と、を備える複合発電システムにおいて、
前記燃焼器が、
前記燃料電池のカソードからの高温の排ガスが通過して前記燃焼器内に噴出される第一通路と、
前記燃料電池のアノードからの高温の排ガスが通過して前記燃焼器内に噴出される第二通路と、
燃焼動作を行う前記燃焼器の各部位に供給される冷却ガスの一部が通過する第三通路と、を備えるノズルを備えるとともに、
前記燃焼器において、前記燃料電池の排ガスに含まれる燃料ガスと酸素が燃焼されて前記燃焼ガスが生成されることを特徴とする複合発電システム。 - 前記冷却ガスが、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部であるとともに、前記ノズルの前記第三通路を通過して前記燃焼器内に噴出されることを特徴とする請求項1に記載の複合発電システム。
- 前記圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部が、オリフィスを介して前記燃焼器に供給されることを特徴とする請求項2に記載の複合発電システム。
- 前記圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部を更に圧縮して加圧する加圧機を備え、
前記冷却ガスが、前記圧縮機からの圧縮空気の一部が前記加圧機によって更に加圧された圧縮空気であることを特徴とする請求項2に記載の複合発電システム。 - 外部の大気を圧縮して前記冷却ガスとなる圧縮空気を生成する冷却空気用圧縮機を備え、該冷却空気用圧縮機からの圧縮空気が、前記燃焼器に供給されて前記燃焼器を冷却するとともに、前記ノズルの前記第三通路を通過して前記燃焼器内に噴出されることを特徴とする請求項1に記載の複合発電システム。
- ガスタービンから排出される排ガスの排熱によって蒸気を生成する排熱回収ボイラを備え、
該排熱回収ボイラから蒸気の一部が前記冷却ガスとして前記燃焼器に供給されるとともに、
前記燃焼器の前記ノズルの前記第三通路が、前記ノズルに供給される蒸気が通過する第四通路と、前記ノズルから回収される蒸気が通過する第五通路と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の複合発電システム。 - 前記排熱回収ボイラで生成された蒸気によって回転を行うことで前記発電機を回転させる蒸気タービンを備え、
該蒸気タービンから排出される蒸気の一部が前記冷却ガスとして前記燃焼器に供給されることを特徴とする請求項6に記載の複合発電システム。 - 前記排熱回収ボイラで生成された蒸気によって回転を行うことで前記発電機を回転させる蒸気タービンを備え、
前記排熱回収ボイラから前記蒸気タービンに給気される蒸気の一部が前記冷却ガスとして前記燃焼器に供給されることを特徴とする請求項6に記載の複合発電システム。 - 前記冷却ガスとなる前記蒸気が前記燃焼器を冷却した後に前記排熱回収ボイラに回収されることを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の複合発電システム。
- 前記冷却ガスとなる前記蒸気が前記燃焼器を冷却した後に前記蒸気タービンに給気されることを特徴とする請求項8に記載の複合発電システム。
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