JP6057670B2

JP6057670B2 - Power generation system and method of operating fuel cell in power generation system

Info

Publication number: JP6057670B2
Application number: JP2012240676A
Authority: JP
Inventors: 行政中本; 和徳藤田
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: JP2014089931A

Description

本発明は、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における燃料電池の運転方法に関するものである。 The present invention relates to a power generation system that combines a fuel cell, a gas turbine, and a steam turbine, and a method of operating a fuel cell in the power generation system.

燃料電池としての固体酸化物形燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：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。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as SOFC) as a fuel cell is known as a highly efficient fuel cell having a wide range of uses. Since this SOFC has a high operating temperature in order to increase the ionic conductivity, it can be used as air (oxidant) for supplying air discharged from the compressor of the gas turbine to the air electrode side. In addition, the SOFC can use high-temperature fuel that could not be used as fuel in the combustor of the gas turbine.

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。 For this reason, for example, as described in Patent Document 1 below, various combinations of SOFC, gas turbine, and steam turbine have been proposed as power generation systems that can achieve high-efficiency power generation. The combined system described in Patent Document 1 includes an SOFC, a gas turbine combustor that burns exhaust fuel gas and exhaust air discharged from the SOFC, and a compressor that compresses air and supplies the compressed fuel to the SOFC. A gas turbine is provided.

特開２００９−２０５９３０号公報JP 2009-205930 A

上述した従来の発電システムの定格運転時において、ガスタービンは、発電状況に応じて運転状態が変動する。この場合、圧縮機の出口圧力が変動する。このため、ＳＯＦＣ側に供給する圧縮空気の圧力が安定しない。ＳＯＦＣは、空気極と燃料極との圧力を均等に制御して相互間に空気と燃料とが流入しない安定した状態で運転することが好ましく、供給される圧縮空気の圧力が不安定であると、その運転状態が不安定となり、発電効率が損なわれるおそれがある。 During the rated operation of the conventional power generation system described above, the operating state of the gas turbine varies depending on the power generation situation. In this case, the outlet pressure of the compressor varies. For this reason, the pressure of the compressed air supplied to the SOFC side is not stable. The SOFC is preferably operated in a stable state in which air and fuel do not flow between each other by uniformly controlling the pressure between the air electrode and the fuel electrode, and the pressure of the supplied compressed air is unstable. The operation state becomes unstable and the power generation efficiency may be impaired.

本発明は、上述した課題を解決するものであり、ガスタービンから燃料電池に供給される圧縮空気の圧力を一定に保つことのできる発電システム及び発電システムにおける燃料電池の運転方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and provides a power generation system capable of keeping the pressure of compressed air supplied from a gas turbine to a fuel cell constant and a method for operating the fuel cell in the power generation system. Objective.

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、前記圧縮機で圧縮した一部の圧縮空気を前記空気極に供給する圧縮空気供給ラインと、前記圧縮空気供給ラインに設けられる圧力制御弁と、前記圧縮空気供給ラインに設けられて前記空気極に供給される圧縮空気の圧力を検出する検出器と、前記検出器により検出された圧力の変動に基づいて前記空気極に供給される圧縮空気の圧力を一定とするように前記圧力制御弁の開度を制御する制御部と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a power generation system of the present invention includes a gas turbine having a compressor and a combustor, a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and a part of the compressed air compressed by the compressor. A compressed air supply line that supplies the air electrode; a pressure control valve that is provided in the compressed air supply line; and a detector that is provided in the compressed air supply line and detects the pressure of the compressed air supplied to the air electrode. And a controller that controls the opening of the pressure control valve so that the pressure of the compressed air supplied to the air electrode is constant based on the pressure fluctuation detected by the detector. And

従って、ガスタービンの圧縮機の出口側圧力が変動した場合、圧力制御弁の開度を制御することで、当該圧縮空気の圧力を補償する。そのため、ガスタービンから燃料電池に供給される圧縮空気の圧力が一定に保たれる。その結果、燃料電池は、一定圧力の圧縮空気で稼働されるため、運転状態が安定し、安定した発電を行うことができる。 Therefore, when the outlet side pressure of the compressor of the gas turbine fluctuates, the pressure of the compressed air is compensated by controlling the opening of the pressure control valve. For this reason, the pressure of the compressed air supplied from the gas turbine to the fuel cell is kept constant. As a result, since the fuel cell is operated with compressed air having a constant pressure, the operation state is stable and stable power generation can be performed.

本発明の発電システムでは、前記圧力制御弁が、複数の制御弁を並列して構成されていることを特徴とする。 In the power generation system of the present invention, the pressure control valve is configured by arranging a plurality of control valves in parallel.

従って、圧力制御弁の開度を制御する場合、例えば、先に流量調整範囲が小さい制御弁を制御し、その次に流量調整範囲の大きい制御弁を制御する。このように制御することで、流量調整範囲が比較的大きい制御弁の作動開始時での作動が不安定な範囲を、流量調整範囲が小さい制御弁により補うことが可能である。その結果、圧縮空気の圧力を一定にする制御を円滑かつ正確に行うことができる。また、複数の制御弁の流量調整範囲が同じであっても、順次開度を制御することで、圧縮空気の圧力を一定にする制御を円滑かつ正確に行うことができる。 Therefore, when controlling the opening degree of the pressure control valve, for example, a control valve having a small flow rate adjustment range is controlled first, and then a control valve having a large flow rate adjustment range is controlled. By controlling in this way, it is possible to supplement the range in which the operation at the start of operation of the control valve having a relatively large flow rate adjustment range is unstable by the control valve having a small flow rate adjustment range. As a result, control for keeping the pressure of the compressed air constant can be performed smoothly and accurately. Even if the flow rate adjustment ranges of the plurality of control valves are the same, it is possible to smoothly and accurately control the pressure of the compressed air by controlling the opening degree sequentially.

また、本発明の発電システムにおける燃料電池の運転方法は、ガスタービンの圧縮機で圧縮した一部の圧縮空気を燃料電池の空気極に供給する工程と、前記燃料電池に供給される圧縮空気の圧力が変動した場合、前記圧縮空気の圧力を一定とするように前記圧縮空気の流量を調整する工程と、を有することを特徴とする。 The fuel cell operating method in the power generation system of the present invention includes a step of supplying a part of compressed air compressed by a compressor of a gas turbine to an air electrode of the fuel cell, and a step of supplying the compressed air supplied to the fuel cell. Adjusting the flow rate of the compressed air so that the pressure of the compressed air is kept constant when the pressure fluctuates.

従って、ガスタービンの圧縮機の出口側圧力が変動しても、圧縮空気の流量を調整し、当該圧縮空気の圧力を一定にする。そのため、ガスタービンから燃料電池に供給される圧縮空気の圧力が一定に保たれる。その結果、燃料電池は、一定圧力の圧縮空気で稼働されるため、運転状態が安定し、安定した発電を行うことができる。 Therefore, even if the outlet side pressure of the compressor of the gas turbine fluctuates, the flow rate of the compressed air is adjusted to keep the pressure of the compressed air constant. For this reason, the pressure of the compressed air supplied from the gas turbine to the fuel cell is kept constant. As a result, since the fuel cell is operated with compressed air having a constant pressure, the operation state is stable and stable power generation can be performed.

本発明の発電システム及び発電システムにおける燃料電池の運転方法によれば、ガスタービンの圧縮機の出口側圧力が変動しても、圧縮空気の流量を調整することで、ガスタービンから燃料電池に供給される圧縮空気の圧力を一定に保つことができる。 According to the power generation system and the fuel cell operating method of the present invention, even if the outlet pressure of the compressor of the gas turbine fluctuates, the flow rate of the compressed air is adjusted to supply the fuel cell from the gas turbine. The pressure of the compressed air can be kept constant.

図１は、本発明の一実施例に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a compressed air supply line in a power generation system according to an embodiment of the present invention. 図２は、本実施例の発電システムにおける固体酸化物形燃料電池の運転時での圧縮空気の供給のフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart of the supply of compressed air during operation of the solid oxide fuel cell in the power generation system of the present embodiment. 図３は、本発明の他の実施例に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a compressed air supply line in a power generation system according to another embodiment of the present invention. 図４は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating the power generation system of the present embodiment.

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における燃料電池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。 Exemplary embodiments of a power generation system and a fuel cell operating method in the power generation system according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by this Example, Moreover, when there exists multiple Example, what comprises combining each Example is also included.

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（ＴｒｉｐｌｅＣｏｍｂｉｎｅｄＣｙｃｌｅ：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。 The power generation system of this embodiment is a triple combined cycle (registered trademark) in which a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as SOFC), a gas turbine, and a steam turbine are combined . This triple combined cycle realizes extremely high power generation efficiency because electricity can be taken out in three stages of SOFC, gas turbine, and steam turbine by installing SOFC upstream of gas turbine combined cycle power generation (GTCC). can do. In the following description, a solid oxide fuel cell is applied as the fuel cell of the present invention, but the present invention is not limited to this type of fuel cell.

図１は、本発明の一実施例に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図、図２は、本実施例の発電システムにおけるＳＯＦＣの運転時での圧縮空気の供給のフローチャート、図３は、本発明の他の実施例に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図、図４は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a compressed air supply line in a power generation system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a flowchart of compressed air supply during operation of the SOFC in the power generation system according to the present embodiment. 3 is a schematic diagram showing a compressed air supply line in a power generation system according to another embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing the power generation system of this embodiment.

本実施例において、図４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。 In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the power generation system 10 includes a gas turbine 11 and a generator 12, an SOFC 13, a steam turbine 14 and a generator 15. The power generation system 10 is configured to obtain high power generation efficiency by combining power generation by the gas turbine 11, power generation by the SOFC 13, and power generation by the steam turbine 14.

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。 The gas turbine 11 includes a compressor 21, a combustor 22, and a turbine 23, and the compressor 21 and the turbine 23 are connected by a rotary shaft 24 so as to be integrally rotatable. The compressor 21 compresses the air A taken in from the air intake line 25. The combustor 22 mixes and combusts the compressed air A <b> 1 supplied from the compressor 21 through the first compressed air supply line 26 and the fuel gas L <b> 1 supplied from the first fuel gas supply line 27. The turbine 23 is rotated by exhaust gas (combustion gas) G supplied from the combustor 22 through the exhaust gas supply line 28. Although not shown, the turbine 23 is supplied with compressed air A1 compressed by the compressor 21 through the passenger compartment, and cools the blades and the like using the compressed air A1 as cooling air. The generator 12 is provided on the same axis as the turbine 23 and can generate electric power when the turbine 23 rotates. Here, for example, liquefied natural gas (LNG) is used as the fuel gas L1 supplied to the combustor 22.

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（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）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）。 The SOFC 13 generates power by reacting at a predetermined operating temperature by being supplied with high-temperature fuel gas as a reducing agent and high-temperature air (oxidizing gas) as an oxidant. The SOFC 13 is configured by accommodating an air electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode in a pressure vessel. Compressed air A2 compressed by the compressor 21 is supplied to the air electrode, and fuel gas is supplied to the fuel electrode to generate power. Here, as the fuel gas L2 supplied to the SOFC 13, for example, liquefied natural gas (LNG), hydrogen (H ₂ ), carbon monoxide (CO), hydrocarbon gas such as methane (CH ₄ ), carbon such as coal, etc. Gas produced by gasification equipment for quality raw materials is used. In addition, the oxidizing gas supplied to the SOFC 13 is a gas containing approximately 15% to 30% oxygen, and typically air is preferable, but in addition to air, a mixed gas of combustion exhaust gas and air, oxygen And the like can be used (hereinafter, the oxidizing gas supplied to the SOFC 13 is referred to as air).

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（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。 The SOFC 13 is connected to a second compressed air supply line (compressed air supply line) 31 branched from the first compressed air supply line 26, and a part of the compressed air A2 compressed by the compressor 21 is used as an introduction portion of the air electrode. Can be supplied. In the second compressed air supply line 31, a control valve 32 capable of adjusting the amount of air to be supplied and a blower 33 capable of increasing the pressure of the compressed air A2 are provided along the air flow direction. The control valve 32 is provided on the upstream side of the second compressed air supply line 31 in the air flow direction, and the blower 33 is provided on the downstream side of the control valve 32. The SOFC 13 is connected to an exhaust air line 34 that exhausts exhaust air A3 used at the air electrode. The exhaust air line 34 is branched into an exhaust line 35 for exhausting the exhaust air A3 used at the air electrode to the outside, and a compressed air circulation line 36 connected to the combustor 22. The discharge line 35 is provided with a control valve 37 capable of adjusting the amount of air discharged, and the compressed air circulation line 36 is provided with a control valve 38 capable of adjusting the amount of air circulated.

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の空気の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ４８は、制御弁４７の燃料ガスＬ３の流れ方向の下流側に設けられている。 Further, the SOFC 13 is provided with a second fuel gas supply line 41 for supplying the fuel gas L2 to the introduction portion of the fuel electrode. The second fuel gas supply line 41 is provided with a control valve 42 that can adjust the amount of fuel gas to be supplied. The SOFC 13 is connected to an exhaust fuel line 43 that exhausts the exhaust fuel gas L3 used at the fuel electrode. The exhaust fuel line 43 is branched into an exhaust line 44 that discharges to the outside and an exhaust fuel gas supply line 45 that is connected to the combustor 22. The discharge line 44 is provided with a control valve 46 capable of adjusting the amount of fuel gas to be discharged. The exhaust fuel gas supply line 45 is provided with a control valve 47 capable of adjusting the amount of fuel gas to be supplied, and a blower 48 capable of boosting fuel. Are provided along the fuel flow direction. The control valve 47 is provided upstream of the flow direction of the fuel gas L3 in the exhaust fuel gas supply line 45, and the blower 48 is provided downstream of the control valve 47 in the flow direction of the fuel gas L3.

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。 In addition, the SOFC 13 is provided with a fuel gas recirculation line 49 that connects the exhaust fuel line 43 and the second fuel gas supply line 41. The fuel gas recirculation line 49 is provided with a recirculation blower 50 that recirculates the exhaust fuel gas L3 of the exhaust fuel line 43 to the second fuel gas supply line 41.

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。 The steam turbine 14 rotates the turbine 52 with the steam generated by the exhaust heat recovery boiler (HRSG) 51. The exhaust heat recovery boiler 51 is connected to an exhaust gas line 53 from the gas turbine 11 (the turbine 23), and generates steam S by exchanging heat between the air and the high temperature exhaust gas G. The steam turbine 14 (turbine 52) is provided with a steam supply line 54 and a water supply line 55 between the exhaust heat recovery boiler 51. The water supply line 55 is provided with a condenser 56 and a water supply pump 57. The generator 15 is provided coaxially with the turbine 52 and can generate electric power when the turbine 52 rotates. The exhaust gas G from which heat has been recovered by the exhaust heat recovery boiler 51 is released to the atmosphere after removing harmful substances.

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。 Here, the operation of the power generation system 10 of the present embodiment will be described. When starting the electric power generation system 10, it starts in order of the gas turbine 11, the steam turbine 14, and SOFC13.

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。 First, in the gas turbine 11, the compressor 21 compresses the air A, the combustor 22 mixes and burns the compressed air A1 and the fuel gas L1, and the turbine 23 is rotated by the exhaust gas G. 12 starts power generation. Next, in the steam turbine 14, the turbine 52 is rotated by the steam S generated by the exhaust heat recovery boiler 51, whereby the generator 15 starts power generation.

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。 Subsequently, in the SOFC 13, first, compressed air A <b> 2 is supplied to start pressure increase and heating is started. With the control valve 37 of the discharge line 35 and the control valve 38 of the compressed air circulation line 36 closed and the blower 33 of the second compressed air supply line 31 stopped, the control valve 32 is opened by a predetermined opening. Then, a part of the compressed air A2 compressed by the compressor 21 is supplied from the second compressed air supply line 31 to the SOFC 13 side. As a result, the pressure on the SOFC 13 side increases as the compressed air A2 is supplied.

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。 On the other hand, in the SOFC 13, the fuel gas L2 is supplied to the fuel electrode side and the pressure increase is started. With the control valve 46 of the exhaust line 44 and the control valve 47 of the exhaust fuel gas supply line 45 closed and the blower 48 stopped, the control valve 42 of the second fuel gas supply line 41 is opened and the fuel gas is recirculated. The recirculation blower 50 in the line 49 is driven. Then, the fuel gas L2 is supplied from the second fuel gas supply line 41 to the SOFC 13 side, and the exhaust fuel gas L3 is recirculated by the fuel gas recirculation line 49. As a result, the pressure on the SOFC 13 side is increased by supplying the fuel gas L2.

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。 When the pressure on the air electrode side of the SOFC 13 reaches the outlet pressure of the compressor 21, the control valve 32 is fully opened and the blower 33 is driven. At the same time, the control valve 37 is opened and the exhaust air A3 from the SOFC 13 is exhausted from the exhaust line 35. Then, the compressed air A2 is supplied to the SOFC 13 side by the blower 33. At the same time, the control valve 46 is opened, and the exhaust fuel gas L3 from the SOFC 13 is discharged from the discharge line 44. When the pressure on the air electrode side and the pressure on the fuel electrode side in the SOFC 13 reach the target pressure, the pressure increase of the SOFC 13 is completed.

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。 Thereafter, when the reaction (power generation) of the SOFC 13 is stabilized and the components of the exhaust air A3 and the exhaust fuel gas L3 are stabilized, the control valve 37 is closed while the control valve 38 is opened. Then, the exhaust air A3 from the SOFC 13 is supplied to the combustor 22 from the compressed air circulation line 36. Further, the control valve 46 is closed, while the control valve 47 is opened to drive the blower 48. Then, the exhaust fuel gas L3 from the SOFC 13 is supplied from the exhaust fuel gas supply line 45 to the combustor 22. At this time, the fuel gas L1 supplied from the first fuel gas supply line 27 to the combustor 22 is reduced.

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。 Here, the power generation by the generator 12 by driving the gas turbine 11, the power generation by the SOFC 13, and the power generation by the generator 15 are all performed by driving the steam turbine 14, and the power generation system 10 becomes a steady operation.

ところで、一般的な発電システムでは、ガスタービン１１は、発電状況に応じて運転状態が変動する。この場合、圧縮機２１の出口圧力が変動する。例えば、系統の周波数が下がったとき、周波数を戻すためにガスタービン１１の出力を上げる。つまり、燃料ガスＬ１の投入量を増やす。そうすると、タービン２３の入口温度が上がる。これに応じて圧縮機２１の出口圧力が上がることになる。このため、ＳＯＦＣ１３側に供給する圧縮空気Ａ２の圧力が安定しない。ＳＯＦＣ１３は、空気極と燃料極との圧力を均等に制御して相互間に空気と燃料とが流入しない安定した状態で運転することが好ましく、供給される圧縮空気Ａ２の圧力が不安定であると、その運転状態が不安定となり、発電効率が損なわれるおそれがある。 By the way, in a general power generation system, the operation state of the gas turbine 11 varies depending on the power generation situation. In this case, the outlet pressure of the compressor 21 varies. For example, when the system frequency decreases, the output of the gas turbine 11 is increased in order to return the frequency. That is, the input amount of the fuel gas L1 is increased. Then, the inlet temperature of the turbine 23 increases. Accordingly, the outlet pressure of the compressor 21 increases. For this reason, the pressure of the compressed air A2 supplied to the SOFC 13 side is not stable. The SOFC 13 is preferably operated in a stable state in which air and fuel do not flow between each other by uniformly controlling the pressure between the air electrode and the fuel electrode, and the pressure of the supplied compressed air A2 is unstable. Then, the operation state becomes unstable, and the power generation efficiency may be impaired.

そこで、本実施例の発電システム１０では、図１に示すように、ＳＯＦＣ１３に供給される圧縮空気Ａ２の圧力を一定とするため、第２圧縮空気供給ライン３１におけるブロワ３３と制御弁３２との間に制御弁（圧力制御弁）６１を設け、制御装置（制御部）６２は、制御弁６１の開度を制御するようにしている。なお、制御弁６１は、第２圧縮空気供給ライン３１におけるブロワ３３の下流側（ブロワ３３よりもＳＯＦＣ１３側）に設けられていてもよい。 Therefore, in the power generation system 10 of the present embodiment, as shown in FIG. 1, in order to make the pressure of the compressed air A2 supplied to the SOFC 13 constant, the blower 33 and the control valve 32 in the second compressed air supply line 31 A control valve (pressure control valve) 61 is provided therebetween, and the control device (control unit) 62 controls the opening degree of the control valve 61. The control valve 61 may be provided on the downstream side of the blower 33 in the second compressed air supply line 31 (on the SOFC 13 side of the blower 33).

即ち、制御弁６１の開度を絞ると、ＳＯＦＣ１３に供給される圧縮空気Ａ２の流量が減少して圧力が下がる傾向となり、制御弁６１の開度を開けると、ＳＯＦＣ１３に供給される圧縮空気Ａ２の流量が増加して圧力が上がる傾向となる。この制御を行うため、第２圧縮空気供給ライン３１における制御弁３２の上流側であって、制御弁３２と圧縮機２１との間に、圧縮空気Ａ２の第１圧力を検出する第１検出器６３ａが設けられている。さらに、第２圧縮空気供給ライン３１における制御弁６１の下流側であって、制御弁６１とブロワ３３との間に、圧縮空気Ａ２の第２圧力を検出する第２検出器６３ｂが設けられている。そして、制御装置６２は、この検出器６３ａ，６３ｂが検出した圧力に基づいて制御弁６１の開度を制御する。なお、ＳＯＦＣ１３が定格運転されている状態で基準となる圧力は、ＳＯＦＣ１３に設けられている検出器（ＳＯＦＣ検出器）６４により検出され、制御装置６２に入力される。この検出器６４は、ＳＯＦＣ１３の空気極における圧力を検出する。 That is, when the opening degree of the control valve 61 is reduced, the flow rate of the compressed air A2 supplied to the SOFC 13 tends to decrease and the pressure tends to decrease. When the opening degree of the control valve 61 is opened, the compressed air A2 supplied to the SOFC 13 The flow rate increases and the pressure tends to increase. In order to perform this control, a first detector that detects the first pressure of the compressed air A2 between the control valve 32 and the compressor 21 upstream of the control valve 32 in the second compressed air supply line 31. 63a is provided. Furthermore, a second detector 63b that detects the second pressure of the compressed air A2 is provided on the second compressed air supply line 31 downstream of the control valve 61 and between the control valve 61 and the blower 33. Yes. And the control apparatus 62 controls the opening degree of the control valve 61 based on the pressure which this detector 63a, 63b detected. Note that the reference pressure in a state where the SOFC 13 is rated is detected by a detector (SOFC detector) 64 provided in the SOFC 13 and input to the control device 62. This detector 64 detects the pressure at the air electrode of the SOFC 13.

ここで、上述した制御装置６２による制御であって、本実施例の発電システム１０におけるＳＯＦＣ１３の運転方法について説明する。 Here, the operation method of the SOFC 13 in the power generation system 10 of the present embodiment, which is the control by the control device 62 described above, will be described.

制御装置６２は、ＳＯＦＣ１３が定格運転となったとき、ＳＯＦＣ１３に設けられている検出器６４により予め検出された圧力を基準圧力として記憶する。そして、この基準圧力となるように、検出器６３ａ，６３ｂが検出した圧縮空気Ａ２の圧力が所定圧力となるように制御弁６１の開度を制御する。このとき、制御装置６２は、第１検出器６３ａが検出した圧縮空気Ａ２の圧力が所定圧力となるように制御弁６１の開度を制御し、第２検出器６３ｂ検出した圧縮空気Ａ２の圧力にて第１検出器６３ａが検出した圧力の確認を行う。 When the SOFC 13 becomes rated operation, the control device 62 stores the pressure detected in advance by the detector 64 provided in the SOFC 13 as a reference pressure. Then, the opening degree of the control valve 61 is controlled so that the pressure of the compressed air A2 detected by the detectors 63a and 63b becomes a predetermined pressure so as to be the reference pressure. At this time, the control device 62 controls the opening degree of the control valve 61 so that the pressure of the compressed air A2 detected by the first detector 63a becomes a predetermined pressure, and the pressure of the compressed air A2 detected by the second detector 63b. The pressure detected by the first detector 63a is confirmed.

即ち、図２に示すように、ＳＯＦＣ１３の定格運転時において、第１検出器６３ａが検出した圧縮空気Ａ２の圧力に変動があった場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、制御装置６２は、この検出された圧力に基づき制御弁６１の開度を制御する（ステップＳ２）。一方、第１検出器６３ａが検出した圧縮空気Ａ２の圧力に変動がなければ（ステップＳ１：Ｎｏ）、制御装置６２は、第１検出器６３ａが検出した圧縮空気Ａ２の圧力を再び入力して監視を行う。そして、制御弁６１の開度を制御した結果、第１検出器６３ａが検出した圧縮空気Ａ２の圧力が所定圧力となれば（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、制御装置６２は、本制御を終了し、ステップＳ１に戻って第１検出器６３ａが検出した圧縮空気Ａ２の圧力を再び入力して監視を行う。一方、第１検出器６３ａが検出した圧縮空気Ａ２の圧力が所定圧力でなければ（ステップＳ３：Ｎｏ）、制御装置６２は、ステップＳ２に戻って、第１検出器６３ａで検出された圧力に基づき制御弁６１の開度を制御する。 That is, as shown in FIG. 2, when the pressure of the compressed air A2 detected by the first detector 63a varies during the rated operation of the SOFC 13 (step S1: Yes), the controller 62 detects this. Based on the measured pressure, the opening degree of the control valve 61 is controlled (step S2). On the other hand, if there is no fluctuation in the pressure of the compressed air A2 detected by the first detector 63a (step S1: No), the control device 62 inputs the pressure of the compressed air A2 detected by the first detector 63a again. Monitor. Then, as a result of controlling the opening degree of the control valve 61, if the pressure of the compressed air A2 detected by the first detector 63a becomes a predetermined pressure (step S3: Yes), the control device 62 ends this control, Returning to step S1, the pressure of the compressed air A2 detected by the first detector 63a is input again for monitoring. On the other hand, if the pressure of the compressed air A2 detected by the first detector 63a is not a predetermined pressure (step S3: No), the control device 62 returns to step S2 to reach the pressure detected by the first detector 63a. Based on this, the opening degree of the control valve 61 is controlled.

このように本実施例の発電システム１０にあっては、圧縮機２１と燃焼器２２を有するガスタービン１１と、空気極及び燃料極を有するＳＯＦＣ１３と、圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２を空気極に供給する第２圧縮空気供給ライン３１と、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられる制御弁６１と、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられて空気極に供給される圧縮空気Ａ２の圧力を検出する検出器６３ａと、検出器６３ａにより検出された圧力の変動に基づいて空気極に供給される圧縮空気Ａ２の圧力を一定とするように制御弁６１の開度を制御する制御装置６２と、を有する。 As described above, in the power generation system 10 of this embodiment, the gas turbine 11 having the compressor 21 and the combustor 22, the SOFC 13 having the air electrode and the fuel electrode, and a part of the compressed air compressed by the compressor 21. A second compressed air supply line 31 for supplying A2 to the air electrode, a control valve 61 provided in the second compressed air supply line 31, and a compressed air provided in the second compressed air supply line 31 and supplied to the air electrode A detector 63a that detects the pressure of A2, and the opening degree of the control valve 61 is controlled so that the pressure of the compressed air A2 supplied to the air electrode is constant based on the pressure fluctuation detected by the detector 63a. And a control device 62.

従って、ＳＯＦＣ１３の空気極に供給される圧縮空気Ａ２の圧力が変動した場合、制御弁６１の開度を制御することで、当該圧縮空気Ａ２の圧力を一定にする。そのため、ガスタービン１１からＳＯＦＣ１３に供給される圧縮空気Ａ２の圧力が一定に保たれる。その結果、ＳＯＦＣ１３は、一定圧力の圧縮空気Ａ２で稼働されるため、運転状態が安定し、安定した発電を行うことができる。 Therefore, when the pressure of the compressed air A2 supplied to the air electrode of the SOFC 13 fluctuates, the pressure of the compressed air A2 is made constant by controlling the opening degree of the control valve 61. Therefore, the pressure of the compressed air A2 supplied from the gas turbine 11 to the SOFC 13 is kept constant. As a result, the SOFC 13 is operated with the compressed air A2 having a constant pressure, so that the operating state is stable and stable power generation can be performed.

また、本実施例の発電システムでは、図３に示すように、制御弁６１が、複数（本実施例では２つ）の制御弁６１ａ，６１ｂを並列して構成されていることが好ましい。例えば、制御弁６１ａは流量調整範囲が比較的大きく、制御弁６１ｂは流量調整範囲が比較的小さい。従って、制御弁６１の開度を制御する場合、制御装置６２は、先に流量調整範囲が小さい制御弁６１ｂを制御し、その次に流量調整範囲の大きい制御弁６１ａを制御する。このように制御することで、流量調整範囲が比較的大きい制御弁６１ａの作動開始時での作動が不安定な範囲を、流量調整範囲が比較的小さい制御弁６１ｂにより補うことが可能である。その結果、圧縮空気Ａ２の圧力を一定にする制御を円滑かつ正確に行うことができる。なお、複数の制御弁６１ａ，６１ｂは、必ずしも流量調整範囲が異なっていなくてもよく、順次開度を制御することで、圧縮空気Ａ２の圧力を一定にする制御を円滑かつ正確に行うことができる。 In the power generation system of this embodiment, as shown in FIG. 3, it is preferable that the control valve 61 is configured by arranging a plurality of (two in this embodiment) control valves 61 a and 61 b in parallel. For example, the control valve 61a has a relatively large flow rate adjustment range, and the control valve 61b has a relatively small flow rate adjustment range. Therefore, when controlling the opening degree of the control valve 61, the control device 62 controls the control valve 61b having a small flow rate adjustment range first, and then controls the control valve 61a having a large flow rate adjustment range. By controlling in this way, it is possible to compensate for the unstable range at the start of operation of the control valve 61a having a relatively large flow rate adjustment range by the control valve 61b having a relatively small flow rate adjustment range. As a result, the control for keeping the pressure of the compressed air A2 constant can be performed smoothly and accurately. The plurality of control valves 61a and 61b do not necessarily have different flow rate adjustment ranges. By sequentially controlling the opening degree, it is possible to smoothly and accurately control the pressure of the compressed air A2. it can.

また、本実施例の発電システムにおける燃料電池の運転方法にあっては、ガスタービン１１の圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２をＳＯＦＣ１３の空気極に供給する工程と、ＳＯＦＣ１３に供給される圧縮空気Ａ２が変動した場合、圧縮空気Ａ２の圧力を一定とするように圧縮空気Ａ２の流量を調整する工程と、を有する。 Further, in the method of operating the fuel cell in the power generation system of the present embodiment, a part of the compressed air A2 compressed by the compressor 21 of the gas turbine 11 is supplied to the air electrode of the SOFC 13, and the SOFC 13 is supplied. Adjusting the flow rate of the compressed air A2 so that the pressure of the compressed air A2 is constant when the compressed air A2 varies.

従って、ＳＯＦＣ１３の空気極に供給される圧縮空気Ａ２の圧力が変動しても、圧縮空気Ａ２の流量を調整し、当該圧縮空気Ａ２の圧力を一定にする。そのため、ガスタービン１１からＳＯＦＣ１３に供給される圧縮空気Ａ２の圧力が一定に保たれる。その結果、ＳＯＦＣ１３は、一定圧力の圧縮空気Ａ２で稼働されるため、運転状態が安定し、安定した発電を行うことができる。 Therefore, even if the pressure of the compressed air A2 supplied to the air electrode of the SOFC 13 fluctuates, the flow rate of the compressed air A2 is adjusted to make the pressure of the compressed air A2 constant. Therefore, the pressure of the compressed air A2 supplied from the gas turbine 11 to the SOFC 13 is kept constant. As a result, the SOFC 13 is operated with the compressed air A2 having a constant pressure, so that the operating state is stable and stable power generation can be performed.

１０発電システム
１１ガスタービン
１２発電機
１３ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池：燃料電池）
１４蒸気タービン
１５発電機
２１圧縮機
２２燃焼器
２３タービン
３１第２圧縮空気供給ライン（圧縮空気供給ライン）
６１制御弁（圧力制御弁）
６１ａ，６１ｂ制御弁
６２制御装置（制御部）
６３検出器
６４検出器
Ａ１圧縮空気
Ａ２圧縮空気 10 Power Generation System 11 Gas Turbine 12 Generator 13 SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
14 Steam turbine 15 Generator 21 Compressor 22 Combustor 23 Turbine 31 Second compressed air supply line (compressed air supply line)
61 Control valve (pressure control valve)
61a, 61b Control valve 62 Control device (control unit)
63 Detector 64 Detector A1 Compressed air A2 Compressed air

Claims

A gas turbine having a compressor, a combustor, and a turbine ;
A first compressed air supply line for supplying a part of the compressed air compressed by the compressor to the combustor;
A fuel cell having an air electrode and a fuel electrode;
A second compressed air supply line for supplying other compressed air compressed by the compressor to the air electrode;
A pressure control valve provided in the second compressed air supply line;
A first detector that detects a first pressure of compressed air that is provided in the second compressed air supply line on the downstream side of the pressure control valve and is supplied to the air electrode;
A second detector that is provided in the second compressed air supply line upstream of the pressure control valve and detects a second pressure of the compressed air supplied to the air electrode;
Compressed air compressed by the compressor is supplied to the combustor via the first compressed air supply line to start the turbine, and compressed air is supplied to the air electrode via the second compressed air supply line. Is supplied, the pressure of the compressed air supplied to the air electrode based on the fluctuation of the first pressure detected by the first detector and the second pressure detected by the second detector. A control unit for controlling the opening of the pressure control valve so as to be constant;
A power generation system comprising:

The power generation system according to claim 1, wherein the pressure control valve includes a plurality of control valves arranged in parallel.

In a state in which a portion of the compressed air compressed by the compressor of the gas turbine is supplied to the combustor of the gas turbine turbine of the gas turbine is started, the other part that is compressed by the compressor of the gas turbine Supplying compressed air to the air electrode of the fuel cell via a pressure control valve;
When the first pressure on the downstream side of the pressure control valve of the compressed air supplied to the fuel cell and the second pressure on the upstream side of the pressure control valve fluctuate, the pressure of the compressed air is made constant. Adjusting the flow rate of the compressed air with a pressure control valve;
A method for operating a fuel cell in a power generation system comprising: